CN104972674B - 一种制造片材的方法和一种片材 - Google Patents

Abstract

一种制造片材的方法，包括以下步骤：首先，形成规定宽幅的内部含有短切纤维的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片；其次，将至少两条所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者两片所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸片由下到上重叠地铺放在所述的成型模具中；最后，将所述成型模具放置在压机上进行模压成型，在成型过程中保持规定时间的温度和压力，所述规定时间能够使得所述的预浸带或者片在所述的温度、压力下熔融、流动，并且使得所述的短切纤维也随之流动迁移，以实现所述的短切纤维之间的搭接或者所述的短切纤维贯穿所述的热塑性树脂，冷却定型后，获得片材。由此方法得到的片材具有优异的力学性能。

Description

一种制造片材的方法和一种片材

技术领域

本发明涉及一种制造片材的方法，尤其是一种制造连续纤维增强热塑性树脂片材的方法。本发明还涉及一种由前述制造方法制得的片材。

背景技术

连续纤维增强热塑性树脂片材拥有优异的性能，可以在性能要求严格的领域使用。连续纤维增强热塑性树脂片材轻质高强，能够实现轻量化的目的，目前已在轨道交通、航天航空等领域作为承力结构件进行广泛应用。因此，如何制造连续纤维增强热塑性树脂片材，尤其是如何进一步提高连续纤维增强热塑性树脂片材的层间结合性能，逐步成为了研究热点。

目前，文献中报导的提高连续纤维增强热塑性片材的层间结合性能的方法主要是：在层压成型过程中，在各条连续纤维增强热塑性树脂预浸带之间，或者各片连续纤维增强热塑性树脂预浸片之间，添加薄膜和/或纤维和/或两者的复合物等，它们都是在层压过程中添加的。此种技术方案的工艺较为复杂，由于受到现有的层压成型工艺的限制，其中添加的薄膜和/或纤维和/或两者的复合物等可能对后续的层压成型工艺产生影响。同时，由于各个热塑性预浸带层间所添加的薄膜和/或纤维和/或两者的复合物等的均匀性难以保证，可能影响最后成型的连续纤维增强热塑性树脂片材的质量。如果采用薄膜，还会增加制品的厚度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制造片材的方法，尤其是一种制造连续纤维增强热塑性树脂片材的方法。

为解决上述技术问题，本发明的制造片材的方法，包括以下步骤：

步骤(1)，热塑性树脂与短切纤维在挤出机内均匀混合，形成均匀混合物，

步骤(2)，所述的均匀混合物进入熔融浸渍口模，形成含有短切纤维的热塑性树脂熔体，

步骤(3)，提供连续纤维，使所述的连续纤维从所述的熔融浸渍口模的进纤口进入所述的熔融浸渍口模的内部，与所述的带有短切纤维的热塑性树脂熔体接触并在所述的熔融浸渍口模内完成浸渍过程，形成中间产物，

步骤(4)，牵引所述的中间产物脱离所述的熔融浸溃口模后，经辊压冷却，形成规定宽幅的内部含有短切纤维的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片；

步骤(5)，将所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片裁剪为成型模具规定的尺寸，将至少两条所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者两片所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸片由下到上重叠地铺放在所述的成型模具中，

步骤(6)，将所述成型模具放置在压机上进行模压成型，在成型过程中保持规定时间的温度和压力，所述温度高于所述热塑性树脂的熔点，所述压力为5MPa～20MPa，所述规定时间能够使得所述的预浸带或者片在所述的温度、压力下熔融、流动，并且使得所述的短切纤维也随之流动迁移，以实现所述的短切纤维之间的搭接或者所述的短切纤维贯穿所述的热塑性树脂，冷却定型后，获得片材。

本发明的制造片材的方法的主要特点是：在上述步骤(6)的片材成型过程中，含有短切纤维的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/预浸片在所述温度、所述压力下熔融、流动，所述的含有短切纤维的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/预浸片的内部的短切纤维也随之流动迁移。由此，在不同层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/预浸片之间，不仅可以提供热塑性树脂间的相互扩散作用，还可以提供短切纤维之间的搭接以及短切纤维贯穿树脂等行为，实现桥联作用，大大提高了连续纤维增强热塑性树脂预浸带/预浸片的各层之间的相互粘结，从而提高的连续纤维增强热塑性树脂片材的层间性能，最终获得性能优异的含有短切纤维的连续纤维增强热塑性树脂片材。

采用本发明的制造片材的方法，具有如下有益效果。(1)短切纤维是在连续纤维增强热塑性树脂预浸带/预浸片的制备过程中加入的，工艺过程简单，对后续材料的层压成型工艺没有影响；(2)短切纤维在连续纤维增强热塑性树脂预浸带/预浸片的制备过程能够与热塑性树脂均匀的混合，因此在层压材料的层间分别也十分均匀；(3)短切纤维在连续纤维增强热塑性树脂预浸带/预浸片的制备过程加入，能够与热塑性树脂均匀的混合，热塑性树脂能够很好地浸润短切纤维；(4)不会影响片材制品的厚度以及连续纤维的含量。

进一步地，所述的挤出机为单螺杆或者双螺杆挤出机。挤出机的选择可以根据实际需要进行选择，有较大的选择空间。

进一步地，所述的熔融浸渍口模与所述的挤出机相连接。由此可以使得整个操作步骤衔接更为紧凑，效率更高。

进一步地，在上述的步骤(3)中，连续纤维在进入所述的熔融浸渍口模的进纤口之前，经过预热。经过预热的连续纤维具有更好的性能，更有利于后续步骤的进行。

进一步地，在上述的步骤(6)中，所述压机为平板硫化机。平板硫化机具有较好的通用性，使用广泛，易于操作和维护。所述压机不仅可以是平板硫化机，也可以是其他适合模压成型工艺的设备。

进一步地，所述的连续纤维是玻璃纤维、碳纤维或者玄武岩纤维等。连续纤维具有较大的选择空间。

进一步地，所述的热塑性树脂是聚丙烯、尼龙、聚苯硫醚或者聚醚醚酮。热塑性树脂具有较大的选择空间。

进一步地，所述的短切纤维与连续纤维采用同样材质。同种材质的短切纤维与连续纤维使得材料更为均匀。

进一步地，在步骤(1)中，所述的短切纤维与所述的热塑性树脂的质量比在3∶97至10∶90之间。实验证明，如此比例能够获得性能优异的片材。

进一步地，所述的连续纤维占所述片材的总质量的30％-70％。实验证明，可以根据实际需要，选择连续纤维占所述片材的总质量的比例，如此比例能够获得性能优异的片材。

进一步地，在步骤(6)中，所述温度高于所述热塑性树脂的熔点以上至少20摄氏度。当温度高于所述热塑性树脂的熔点时，热塑性树脂就能熔化，温度高于所述热塑性树脂的熔点时20摄氏度及以上时，热塑性树脂的流动性就会增强，更有利于其中的短切纤维的流动。

进一步地，在步骤(6)中，所述规定时间为15～60分钟。所述规定时间的把握可以根据实际操作情况进行选取。

进一步地，步骤(5)可以替换为如下步骤：

将所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片裁剪为成型模具规定的尺寸，对所述的裁剪后的所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片进行编织，将至少两条所述的编织后的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者两片所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸片由下到上重叠地铺放在所述的成型模具中。

其实质是：连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者片可以直接铺放在模具中，也可以经编织后铺放在模具中。这两种方式是可以根据需要，进行灵活选择的。

进一步地，在步骤(5)中，所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带为两条或者所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸片为两片。

可以根据上述方法，制得片材。所制得的片材具有本制造方法带来的优异性能。

附图说明

图1为本发明的单层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/片的横截面示意图。

图2为本发明的两层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/片在成型前的铺层的横截面示意图。

图3为本发明的两层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/片在成型过程中短切纤维桥联作用的横截面示意图。

图4为本发明的多层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/片在成型前的铺层的横截面示意图。

图5为本发明的多层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带/片在成型过程中短切纤维桥联作用的横截面示意图。

具体实施方式

在本发明的制造连续纤维增强热塑性树脂片材的方法中，为了描述方便，可以将一条连续纤维增强热塑性树脂预浸或者一片连续纤维增强热塑性树脂预浸片都称为一层连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片。

在本发明的制造连续纤维增强热塑性树脂片材的方法中，所述的片材是广义的，即包括有些文献所称的板材。有些文献认为，当预浸带或者预浸片层数较少时，形成的是片材，当预浸带或者预浸片层数较多时，形成的是板材。在本发明中，不作这种名称上的区分，不论层数多少，只要大于等于两层，都可以用本发明提供的方法予以实现，都落入本发明的制造连续纤维增强热塑性树脂片材的方法的保护范围，因此在本发明中一律称之为片材。

如图1所示，制备单层连续纤维增强热塑性树脂预浸或者预浸片1，包括如下四个步骤。

步骤(1)，选择聚丙烯4作为热塑性树脂，选择短切玻璃纤维3作为短切纤维，将聚丙烯4与短切玻璃纤维3在单螺杆挤出机内均匀混合(质量比例：95∶5)，形成均匀混合物。

步骤(2)，使所述的均匀混合物进入与单螺杆挤出机相连的熔融浸渍口模，形成含有短切玻璃纤维3的聚丙烯4熔体，

步骤(3)，提供连续玻璃纤维2作为连续纤维，使所述的预热后的连续玻璃纤维2从所述的熔融浸渍口模的进纤口进入所述的熔融浸渍口模的内部，与所述的带有短切玻璃纤维3的聚丙烯4熔体接触并在所述的熔融浸渍口模内完成浸渍过程，形成中间产物，

步骤(4)，牵引所述的中间产物脱离所述的熔融浸渍口模后，经辊压冷却，形成规定宽幅的内部含有短切玻璃纤维的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1，在图1所示的横截面示意图中，在预浸带或者预浸片1中，各条连续玻璃纤维2的横截面为圆形，其长度方向为垂直于纸面，各条连续玻璃纤维2相互平行，均匀的分布在聚丙烯树脂4中，图中示意性地显示了六条连续玻璃纤维2，其中连续玻璃纤维2占含有短切玻璃纤维的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1的质量的50％。

经过上述四个步骤，制备得到了规定宽幅的内部含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1。

按照图2和图3，可以制作得到包含两层所述的含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1的片材，具体过程如下。

步骤(5)，将由上述四个步骤制得的所述的含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1裁剪为成型模具规定的尺寸，对裁剪后的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1进行编织或者不进行编织皆可，将两层所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片1由下到上重叠地铺放在所述的成型模具中。为了区分，位于上层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片1标号为1A，位于下层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片1标号为1B。

步骤(6)，将所述成型模具放置在平板硫化机上进行模压成型，在成型过程中保持规定时间的温度和压力，所述温度高于所述聚丙烯的熔点20度或者更高，所述压力为5MPa～20MPa，所述规定时间选择为15～60分钟。在压模成型过程中，位于上层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片1A的下表面与位于下层的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片1B的上表面紧密接触，预浸带或者预浸片1A和预浸带和预浸片1B都呈熔融状态，使得预浸带或者预浸片1A和1B中的聚丙烯4熔体可以流动，并且使得所述的短切玻璃纤维3也可以在熔融的聚丙烯4熔体中流动。此时，位于上层的预浸带或者预浸片1A中的一部分短切玻璃纤维3会流动到上层预浸带或者预浸片1A和下层预浸带或者预浸片1B的交界面10处，并且嵌入下层预浸带或者预浸片1B的上表面；同理，位于下层的预浸带或者预浸片1B中的一部分短切玻璃纤维3会流动到下层预浸带或者预浸片1B和上层预浸带或者预浸片1A的交界面10处，并且嵌入上层预浸带或者预浸片1A的下表面。由此实现在成型过程中，短切玻璃纤维3在上下两层预浸带或者预浸片1A和1B的交界面处实现搭接并贯穿相邻预浸带或者预浸片，起到桥联左右，从而可获得优异的力学性能。冷却定型后，获得片材。

实验表明，与不含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片所制得的片材的性能相比，不含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片制得的木材的弯曲强度为220MPa，双缺口剪切强度为8MPa，本方法制得的片材的弯曲强度提高到250MPa，双缺口剪切强度提高到10MPa。由此可见，相关性能有了显著提高。

按照图4和图5，可以制作得到包含两层以上的所述的含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1的片材，图中示意了四层的所述的含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1的片材。其具体制作过程与上述包含两层的所述的含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片1的片材的制作方法类似。其不同之处在于，处于从上往下数第二层的预浸带或者预浸片1D的上下表面会同时有一部分短切玻璃纤维3嵌入。

更具体地，此时，位于顶层的预浸带或者预浸片1C中的一部分短切玻璃纤维3会流动到顶层预浸带或者预浸片1C和第二层预浸带或者预浸片1D的交界面10处，并且嵌入第二层预浸带或者预浸片1D的上表面；同理，位于第二层的预浸带或者预浸片1D中的一部分短切玻璃纤维3会流动到第二层预浸带或者预浸片1D和顶层预浸带或者预浸片1C的交界面10处，并且嵌入顶层预浸带或者预浸片1C的下表面。由此实现在成型过程中，短切玻璃纤维3在顶层和第两层预浸带或者预浸片1C和1D的交界面处实现搭接并贯穿相邻预浸带或者预浸片，起到桥联左右，从而可获得优异的力学性能。与此类似，在第二层预浸带或者预浸片1D和第三层预浸带或者预浸片1E之间，或者在第三层预浸带或者预浸片1E和底层预浸带或者预浸片1F之间，也有相同的情形。因此，在整个片材的成型过程中，短切玻璃纤维3在各个相邻层预浸带或者预浸片的交界面处实现搭接并贯穿相邻预浸带或者预浸片，起到桥联左右，从而获得优异的力学性能。冷却定型后，获得片材。

实验数据同样证明，由此方法得到的片材的弯曲强度和双缺口剪切强度等性能指标都比不含有短切玻璃纤维3的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带或者预浸片所制得的片材的性能指标更为优异。

综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (15)

1.一种制造片材的方法，包括以下步骤：

步骤(1)，热塑性树脂与短切纤维在挤出机内均匀混合，形成均匀混合物，

步骤(2)，所述的均匀混合物进入熔融浸渍口模，形成含有短切纤维的热塑性树脂熔体，

步骤(3)，提供连续纤维，使所述的连续纤维从所述的熔融浸渍口模的进纤口进入所述的熔融浸渍口模的内部，与所述的带有短切纤维的热塑性树脂熔体接触并在所述的熔融浸渍口模内完成浸渍过程，形成中间产物，

步骤(4)，牵引所述的中间产物脱离所述的熔融浸渍口模后，经辊压冷却，形成规定宽幅的内部含有短切纤维的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片；

步骤(5)，将所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片裁剪为成型模具规定的尺寸，将至少两条所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者两片所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸片由下到上重叠地铺放在所述的成型模具中，

步骤(6)，将所述成型模具放置在压机上进行模压成型，在成型过程中保持规定时间的温度和压力，所述温度高于所述热塑性树脂的熔点，所述压力为5MPa～20MPa，所述规定时间能够使得所述的预浸带或者片在所述的温度、压力下熔融、流动，并且使得所述的短切纤维也随之流动迁移，以实现所述的短切纤维之间的搭接或者所述的短切纤维贯穿所述的热塑性树脂，冷却定型后，获得片材。

2.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，所述的挤出机为单螺杆或者双螺杆挤出机。

3.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，所述的熔融浸渍口模与所述的挤出机相连接。

4.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，在上述的步骤(3)中，连续纤维在进入所述的熔融浸渍口模的进纤口之前，经过预热。

5.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，在上述的步骤(6)中，所述压机为平板硫化机。

6.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，所述的连续纤维是玻璃纤维、碳纤维或者玄武岩纤维。

7.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，所述的热塑性树脂是聚丙烯、尼龙、聚苯硫醚或者聚醚醚酮。

8.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，所述的短切纤维与连续纤维采用同样材质。

9.根据权利要求1所述的制造片材的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的短切纤维与所述的热塑性树脂的质量比在3∶97至10∶90之间。

10.根据权利要求1所述的制造片材的方法，所述的连续纤维占所述片材的总质量的30％-70％。

11.根据权利要求1所述的制造片材的方法，在步骤(6)中，所述温度高于所述热塑性树脂的熔点以上至少20摄氏度。

12.根据权利要求1所述的制造片材的方法，在步骤(6)中，所述规定时间为15～60分钟。

13.根据权利要求1所述的制造片材的方法，步骤(5)可以替换为如下步骤：

将所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片裁剪为成型模具规定的尺寸，对所述的裁剪后的所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者预浸片进行编织，将至少两条所述的编织后的连续纤维增强热塑性树脂预浸带或者两片所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸片由下到上重叠地铺放在所述的成型模具中。

14.根据权利要求1所述的制造片材的方法，在步骤(5)中，所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带为两条或者所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸片为两片。

15.根据权利要求1-14所述的制造片材的方法所制得的片材。