CN104890259A - 一种纤维增强mc尼龙的工艺及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维增强MC尼龙的工艺及设备。该纤维增强MC尼龙的工艺，包括以下步骤：(1)将MC尼龙的待聚单体注入到装有纤维的浸渍模具腔中且使所述待聚单体从浸渍模具腔的底部流出，同时对浸渍模具腔抽真空，使所述待聚单体从下至上对所述纤维进行真空浸渍；(2)加压使纤维被所述待聚单体完全浸渍，待聚单体在加压下聚合成型；(3)冷却，得到纤维增强MC尼龙铸件。本发明在浸渍模具内使待聚单体从下至上进行真空浸渍，增加浸渍腔内压力使得纤维被完全浸渍，可大大地提高尼龙的强度；该工艺简单，可成型复杂薄壁零件，适合大批量生产。

Description

一种纤维增强MC尼龙的工艺及设备
技术领域
本发明涉及一种纤维增强MC尼龙的工艺及设备，属于复合材料领域。
背景技术
增强尼龙的纤维主要以玻璃纤维和碳纤维为主。增强纤维的按长度可以分为纤维粉末、纤维短切丝、长纤维三类。纤维增强尼龙的成型方式大致分为两种:浇铸成型、双螺杆挤出机成型。传统的浇铸成型的优点是：不破坏纤维的长度，工艺简单，可以成型形状复杂的零部件，但是对于材料内部的气孔、纤维的均匀分布、干纤维区域很难控制，材料的纤维含量也很难提高。双螺杆挤出机成型可以较好的解决纤维分布均匀的情况，同时材料内部的气孔，和干纤维区域得到很好的改善，但是双螺杆挤出机成型在螺杆的运动中很多的纤维断裂，变短，使得在使用长纤维增强的效果大大削弱。同时双螺杆挤出机成型的工艺复杂，也不适合成型较复杂形状的零件。
崔周平等《玻璃纤维增强MC尼龙复合材料的力学性能》(塑料工业,1998年,第26卷,第5期)中考察了玻璃纤维增强MC尼龙(GFRMCM)中玻璃纤维的表面处理及加入量对力学性能的影响。并用SEM对FGRMCN材料界面及其对力学性能的影响进行了研究。结果表明：使用KH550作偶联剂对GFRMCN复合材料是很有效的。当玻纤加入40%时，拉伸强度比基体提高32.2%，伸弹性模量提高152%，弯曲强度提高74.3%，弯曲弹性模量提高了117%，而缺口冲击韧性提高了162%。根据材料的制备工艺特点，玻纤的加入量以30%~40%为宜，既保证有良好的综合力学性能，又具有很好的工艺操作性。
刘正军等的《长玻璃纤维增强尼龙6的力学性能研究》(工程塑料应用,2005年,第33卷,第5期)中采用一种新的熔融浸渍工艺制备了长玻纤增强尼龙6复合材料，研究了玻纤含量、玻纤长度分布对复合材料力学性能的影响。结果表明，在玻纤质量分数为50%时复合材料的拉伸强度为234 MPa,弯曲强度为349 MPa,弯曲弹性模量为11.4 GPa,缺口冲击强度为313 J /m，综合力学性能明显优于短玻纤增强尼龙6复合材料。
利用玻璃纤维通过传统浇铸的工艺，很难做到纤维的均匀分布，随着纤维含量的不断提高，材料内部的气孔与干纤维区域严重影响试样的质量。利用玻璃纤维通过双螺杆挤出机成型，纤维的长度无法保证，而且无法成型复杂零件。要使得增强效果明显，就必须提高玻璃纤维的长度，同时保持较高的玻璃纤维含量。
发明内容
本发明解决的技术问题是，在使用长纤维的情况下，保证待聚单体与纤维的浸渍效果完全，保持材料具有较高的纤维含量，同时消除材料内部气孔、干纤维区域，增强了尼龙的机械性能。
本发明的技术方案是，提供一种纤维增强MC尼龙的工艺，包括以下步骤：
(1)将MC尼龙的待聚单体注入到装有纤维的浸渍模具腔中且使所述待聚单体从浸渍模具腔的底部流出，同时对浸渍模具腔抽真空，使所述待聚单体从下至上对所述纤维进行真空浸渍；
(2)加压使纤维被所述待聚单体完全浸渍，待聚单体在加压下聚合成型；
(3)冷却，得到纤维增强MC尼龙铸件。
进一步地，所述纤维为玻璃纤维和/或碳纤维。
进一步地，所述加压成型的压强不少于4MPa。
进一步地，所述抽真空使浸渍模具腔内的真空压力不低于300mmHg。。
进一步地，所述纤维的长度为40～100mm。
本发明进一步提供一种用于制备纤维增强MC尼龙的设备，包括浇注装置、浸渍装置和真空装置，所述浸渍装置包括浸渍模具和设在浸渍模具内且与压杆连接的活塞以及浇铸通道，浇注通道的一端为与所述浇注装置连接的注入口，另一端为流出口，所述流出口设在浸渍模具的内腔下端，浸渍模具的内侧壁设泄气槽，在浸渍模具的上端设与所述真空装置连接的抽气口。
进一步地，所述浸渍模具为圆柱形。
进一步地，所述浇铸通道设在浸渍模具的侧壁内。
进一步地，所述浸渍模具的侧壁内设与温度反馈控制系统连接的热电偶。
本发明通过真空高压铸造的方法制备长玻璃纤维增强MC尼龙。优先采用长玻璃纤维，纤维长径比大，增强效果显著。在纤维的底部浇铸，使得液体从纤维的底部开始浸渍，浸渍的同时，采取对浸渍模具内抽真空排出气体，增加液体对纤维的浸渍，此时负压是用来克服气体在密实的纤维中流动的阻力，因此真空度压力要根据纤维的厚度、铸件形状及密实程度而定，浸渍模具腔内的真空压力值在300mmHg以上，可以较容易排出纤维中的残留气体；真空压力低于300mmHg时，气体很难克服在密实纤维中流动的阻力而排出，从而使尼龙铸件中残留较多气孔，影响尼龙铸件的强度。纤维的铺成采取分散交错的分布，使得材料的纤维均匀分布，同时材料的力学性能显示成各向同性。最后加压成型得到纤维增强MC尼龙铸件。加压可以排除铸件中残留的气体，提高铸件的致密度，使铸件内纤维浸渍完全，强度得到提高，为使强度提高明显，加压的压力应不低于4MPa。其中，真空压力是指大气压力减去绝对压力。
本发明与现有技术相比具有以下特点：第一，使得液体对纤维浸渍非常完全，材料内部没有干纤维区域；第二，高压使得材料在成型收缩过程中产生的气孔受到压缩，消除了气孔对材料力学性能的影响。第三提高了材料的纤维含量，使得材料拥有很高的强度与力学性能。
本发明通过采用真空高压浇铸成型的方法，利用长玻璃纤维增强MC尼龙的材料，纤维含量可以达到60%～70%，而且均匀，同时材料试样内部的气孔完全消除，全部的纤维被待聚单体浸渍完全，没有干纤维区域的存在。试样零件在高压下聚合，成品的收缩率极低，不超过0.27%，同时试样的热变形温度提升45℃。
本发明的有益效果是，待聚单体从下至上浸渍纤维，浸渍的同时还抽真空，待聚单体与纤维初步浸渍；然后依靠增加浸渍模具腔内压力，使得纤维被待聚单体充分浸渍，之后待聚单体在压力下聚合，同时增加纤维在材料中的含量。可大大地提高尼龙的强度；该工艺简单，可成型复杂薄壁零件，适合大批量生产。
附图说明
图1表示本发明提供的浸渍模具的俯视图。
图2表示本发明提供的浸渍模具的沿图1中A-A面的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供的一种用于制备纤维增强MC尼龙的设备，该设备如图1和图2所示，包括浇注装置、浸渍装置和真空装置，浸渍装置包括圆柱形的浸渍模具1和设在浸渍模具1内的活塞2，在浸渍模具1的侧壁内设浇铸通道3，浇铸通道3的一端为与所述浇注装置连接的注入口31，另一端为流出口32，所述流出口32设在加压浸渍模具1的下端，加压浸渍模具1的内侧壁设泄气槽4，在加压浸渍模具1的上端设与所述真空装置连接的抽气口5，图2中标号6代表纤维。浸渍模具1的侧壁内设与温度反馈控制系统连接的热电偶，方便监控温度。
实施例2
本实施例提供的一种玻璃纤维增强MC尼龙的工艺，该工艺的具体步骤如下：将长度约为50mm玻璃纤维放入1%的KH550(硅烷偶联剂)溶液，45min后，取出晾干，在烘箱100℃烘干；将烘干的玻璃纤维分散交错的平铺在浸渍模具底部，再将浸渍模具放入设定温度为180℃的烘箱中，加热，保温，使浸渍模具与纤维预热；在温度为120～140℃，真空压力为725～740mmHg的情况下，将己内酰胺脱水干净，加入0.41%质量份的NaOH开环，再次脱水干净，加入0.5%的固化剂TDI(甲苯二异氰酸酯)后制得待聚单体，连接浇注装置与浇铸通道注入口的上端，利用浇注装置将待聚单体通过浇铸通道迅速注入到浸渍模具底部，待聚单体通过浇铸通道下端的流出口流出对玻璃纤维从下至上浸渍，同时对浸渍模具抽真空，真空压力约为400mmHg，液体注入完成后，拆下浇注装置与浇铸通道注入口的连接，用螺栓拧紧堵住浇铸通道上端，迅速下压活塞，压强加到6MPa，保温30min；冷却，得到长玻璃纤维增强MC尼龙铸件。
当玻璃纤维含量达到47%时，拉伸强度达到了231MPa，弯曲强度为321MPa，弯曲弹性模量为12.9GPa，缺口冲击强度51KJ/m2。
实施例3
本实施例提供的一种碳纤维增强MC尼龙的工艺，该工艺的具体步骤如下：将长度约为50mm碳纤维放入热处理炉膛中，设定温度450℃，加热，保温1小时；将烘干的碳纤维分散交错的平铺在浸渍模具底部，再将浸渍模具放入设定温度为180℃的烘箱中，加热，保温，使浸渍模具与纤维预热；在温度为120～140℃，真空压力为725～740mmHg的情况下，将己内酰胺脱水干净，加入0.41%质量份的NaOH开环，再次脱水干净；加入0.5%的固化剂TDI(甲苯二异氰酸酯)后制得待聚单体，连接浇注装置与浇铸通道注入口上端，利用浇注装置将待聚单体通过浇铸通道迅速注入到浸渍模具底部，待聚单体通过下端的流出口流出对玻璃纤维从下至上浸渍，同时对浸渍模具抽真空，真空压力约为350mmHg，液体注入完成后，拆下浇注装置与浇铸通道注入口上端的连接，用螺栓拧紧堵住浇铸通道上端的注入口，迅速下压活塞，压强加到6MPa，保温30min；冷却，得到长碳纤维增强MC尼龙铸件。
当碳纤维含量达到41%时，拉伸强度达到了291MPa，弯曲强度为401MPa，弯曲弹性模量为15.1GPa，缺口冲击强度64KJ/m2。

Claims (9)

1. 一种纤维增强MC尼龙的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将MC尼龙的待聚单体注入到装有纤维的浸渍模具腔中且使所述待聚单体从浸渍模具腔的底部流出，同时对浸渍模具腔抽真空，使所述待聚单体从下至上对所述纤维进行真空浸渍；
(2)加压使纤维被所述待聚单体完全浸渍，待聚单体在加压下聚合成型；
(3)冷却，得到纤维增强MC尼龙铸件。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述纤维为玻璃纤维和/或碳纤维。
3.如权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述加压成型的压强不少于4MPa。
4.如权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述抽真空使浸渍模具腔内的真空压力不低于300mmHg。
5.如权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述纤维的长度为40～100mm。
6. 一种用于制备纤维增强MC尼龙的设备，其特征在于，包括浇铸装置、浸渍装置和真空装置，所述浸渍装置包括浸渍模具(1)和设在浸渍模具(1)内且与压杆连接的活塞(2)以及浇铸通道(3)，浇铸通道(3)的一端为与所述浇注装置连接的注入口(31)，另一端为流出口(32)，所述流出口(32)设在浸渍模具(1)的内腔底部，浸渍模具(1)的内侧壁设泄气槽(4)，在浸渍模具(1)的上端设与所述真空装置连接的抽气口(5)。
7. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述浸渍模具(1)为圆柱形。
8. 如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述浇铸通道(3)设在浸渍模具(1)的侧壁内。
9.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述浸渍模具(1)的侧壁内设与温度反馈控制系统连接的热电偶。
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