CN105291448B - 一种三维中空复合材料的制备装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维中空复合材料的制备装置和方法。所述的三维中空复合材料的制备装置，其特征在于，包括纱架、预分散装置、熔融浸渍装置、热压定型装置、热压辊和烘箱，所述的熔融浸渍装置内设有浸渍辊，熔融浸渍装置上设有挤出机；所述的热压定型装置包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括多个交错排列的齿轮，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合。本发明采用熔融浸渍热压工艺制得三维中空热塑性复合材料，与目前主要的三维中空热固性复合材料相比，其制备工艺简单，劳动强度低，自动化程度高，对环境友好，对工人身体伤害小，生产效率高，可实现产业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维中空复合材料的制备装置和方法，可应用于航空航天、船舶汽车和近海油田等领域，属于中空复合材料领域。
背景技术
三维整体中空复合材料，具有高强耐压、隔热耐磨、抗冲击性好、整体性优异的特点，近年来在航空航天、船舶汽车以及近海油田行业中的应用越来越广泛。目前，中空复合材料的树脂基体主要采用热固性树脂，然而，热固性树脂具有不可回收、污染环境并且对工人的身体造成伤害等缺点，而且，三维整体中空复合材料的制备工艺成本高、周期长、生产效率低、不利于产业化生产。一种其制备工艺简单，劳动强度低，自动化程度高，对环境友好，对工人身体伤害小，生产效率高，可实现产业化生产的三维中空热塑性复合材料的制备方法亟待开发。
发明内容
本发明的目的是开发一种其制备工艺简单，劳动强度低，自动化程度高，对环境友好，对工人身体伤害小，生产效率高，可实现产业化生产的三维中空热塑性复合材料制备装置和方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种三维中空复合材料的制备装置，其特征在于，包括纱架、预分散装置、熔融浸渍装置、热压定型装置、热压辊和烘箱，所述的熔融浸渍装置内设有浸渍辊，熔融浸渍装置上设有挤出机；所述的热压定型装置包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括多个交错排列的齿轮，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合。
优选地，所述的三维中空复合材料的制备装置还包括切割装置。
优选地，所述的三维中空复合材料的制备装置还包括传送装置。
本发明还提供了一种三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，采用上述的三维中空复合材料的制备装置，包括：将纤维束从纱架导入预分散装置，在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，将纤维束导入熔融浸渍装置，所述的熔融浸渍装置中设有熔融的第一热塑性树脂，纤维束浸渍第一热塑性树脂后，导入热压定型装置，在第一热塑性树脂的热变形温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；将织物与第二热塑性树脂膜通过热压辊进行热压粘合，制备出复合材料，将中空纤维层置于上下两层复合材料之间，在烘箱中粘合固定，获得三维中空复合材料。
优选地，所述的织物为连续纤维制成的二维织物。
优选地，所述的织物为二维平纹织物或毛绒织物。
优选地，所述的热压定形装置及热压辊所用热处理的方式为传导加热、介电加热和电磁辐射加热中的至少一种。
优选地，所述的第一热塑性树脂和第二热塑性树脂选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)和聚醚酰亚胺(PEI)。
优选地，所述的第二热塑性树脂的熔点较第一热塑性树脂的熔点低。
优选地，所述的纤维束为高强高模聚乙烯、玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的至少一种。中空纤维层可以选用同种高性能纤维，也可以选用不同种类的高性能纤维。
优选地，所述的烘箱温度设为第二热塑性树脂的熔点。
优选地，所得的三维中空复合材料包括上、下两层复合材料层以及设于上下两层复合材料层之间的中空纤维层，所述的中空纤维层包括多根纤维，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内。
本发明采用高性能连续性纤维束及其织物和热塑性树脂通过熔融浸渍热压成型工艺制备而成。热压定形装置采用多个(几十甚至上百个)齿轮交错排列，通过热处理使齿轮表面温度达到第一热塑性树脂的热变形温度，当纤维复合材料经过热处理的交错齿轮楔形区域时，通过齿轮啮合作用施以挤压变形，从而制备出结构呈现“X”形的中空纤维层；中空纤维层的结构(厚度和形状)可通过调节齿的齿形结构、大小、密度以及相邻两个齿轮的摆放位置来实现。熔融浸渍装置内设有一组并排的浸渍辊，浸渍辊的数目、转速以及挤出机的挤出速率等因素决定浸渍树脂的量，从而决定复合材料的力学性能、电磁性能等。
所述的预分散装置在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，使纤维束蓬松软化，以便接下来更好地浸渍树脂。所述的挤出机作用在于挤出熔融的树脂，为接下来高性能纤维束的浸渍做准备。所述的熔融浸渍装置内设有一组并排的浸渍辊，可以使纤维束达到均匀分散的效果，同时通过张力的作用使纤维束经过每一根浸渍辊时促使熔体进入纤维束之间，从而实现良好的浸渍。所述的热压定形装置为一排交错排列的齿轮，通过热处理使齿轮表面温度达到树脂的热变形温度，当浸渍得到的纤维复合材料经过热处理的交错齿轮楔形区域时，通过齿轮啮合作用施以挤压变形，从而制备出结构呈现“X”形的中空纤维层，所述的中空纤维层为多根纤维构成的中空结构，纤维本身可为中空或非中空纤维。所述的热压辊，可以采用传导加热、介电加热、电磁加热和激光加热等，其作用在于把织物与树脂预先粘合固定，形成二维复合材料，以便与中空纤维层充分粘合，提高复合材料的界面性能。所述的烘箱温度设为第二热塑性树脂的熔点，其作用在于使织物中的树脂再次熔融，把已定型的中空纤维层与二维织物复合材料粘合固定，然后在传送装置的作用下经过切割装置，得到所要求尺寸的三维中空热塑性复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用熔融浸渍热压工艺制得三维中空热塑性复合材料，与目前主要的三维中空热固性复合材料相比，其制备工艺简单，劳动强度低，自动化程度高，对环境友好，对工人身体伤害小，生产效率高，可实现产业化生产；
(2)本发明所采用的熔融浸渍装置，使得纤维束在一定的张力下展开变宽，当其进入齿轮的楔形区域时，纤维束双面不断承受熔体的挤压，从而使聚合物熔体渗透到纤维内部，实现单丝级的浸渍，其树脂含量控制精度高，有利于提高其质量和生产效率；
(3)本发明对中空纤维结构具有较强的可设计性：可通过调节齿的齿形结构、大小、密度以及交错齿轮的排布方式获得不同厚度和形状的中空纤维层；
(4)本发明制备的三维中空热塑性复合材料重量轻，隔音、隔热效果好，缓冲性能强，其废料可回收再利用，可作为轻质隔墙、隔音、隔温板等应用于建筑、汽车工业领域，也可作为轻质耐压装置应用于航空航天等领域。同时，三维中空热塑性复合材料具有很低的介电常数和介电损耗，可以作为印刷电路板和天线罩材料。
附图说明
图1是三维中空复合材料的制备装置结构示意图；
图2是本发明的交错齿轮排列示意图；
图3是本发明的交错齿轮啮合示意图；
图4是本发明的中空纤维结构示意图；A为斜视图，B为左视图，C为俯视图，D为前视图。
图5是本发明的三维中空热塑性复合材料示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的三维中空复合材料的制备装置，包括纱架1、预分散装置2、熔融浸渍装置3、热压定型装置6、传送装置9、热压辊10、烘箱11和传送装置，所述的熔融浸渍装置3内设有浸渍辊5，熔融浸渍装置3上设有挤出机4；所述的热压定型装置6包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括20个交错排列的齿轮，如图2所示，所述的交错排列是指相邻的齿轮的齿顶15与齿根16交错排列，如图3所示，上下两个齿轮组中的齿轮一一对应，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合。齿轮具体参数为：模数＝1，齿数＝32，分度圆直径＝32mm，齿顶圆直径＝34mm，齿根圆直径＝29.5mm，齿轮厚度10mm，齿宽＝5mm，压力角＝20度。所述的热压定形装置及热压辊所用热处理的方式为传导加热方式。
一种三维中空复合材料的制备方法，采用上述的三维中空复合材料的制备装置，所用的纤维束为玻璃纤维束，所述的织物采用二维玻纤织物，具体步骤为：将一排纤维束12从纱架1导入预分散装置2，在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，使纤维束蓬松，以便更好地浸渍树脂，将纤维束导入熔融浸渍装置3，所述的熔融浸渍装置3中设有由挤出机4供应的熔融的聚丙烯树脂，在浸渍辊5的作用下，对纤维束进行浸渍，纤维束浸渍聚丙烯树脂后，导入热压定型装置6，热压定型装置6的温度设定在聚丙烯树脂的热变形温度55-65℃之间，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层13；将织物7与聚乙烯树脂膜8分别从卷布辊和卷膜辊上退绕下来，通过热压辊10进行热压粘合，其温度设在130-140℃之间(聚乙烯树脂熔点)，制备出复合材料，将中空纤维层置于上下两层复合材料之间，在传送装置的作用下送入烘箱11中粘合固定，烘箱温度设在130-140℃之间(聚乙烯树脂熔点)，获得三维中空复合材料，通过切割装置切割成所需大小。所得三维中空复合材料的厚度为5毫米，横压强度为0.4MPa，测试标准《ASTM C365》；边压强度为：1.2MPa，测试标准《ASTMC364》。介电常数为2-3，介电正切损耗角0.003-0.01。
如图5所示，所得的三维中空复合材料包括上、下两层二维复合材料17以及设于上下两层复合材料17之间的中空纤维层18，如图4所示，所述的中空纤维层18包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内，从图4D中可以看出，中空纤维层18的截面呈多个X形。
本实施例制得的三维中空复合材料与传统热固性的玻纤复合材料相比具有减轻质量、降噪的效能，可用于制造保险杠横梁、仪表板骨架、发动机罩盖、防石击罩、座椅骨架、行李架和车顶棚等多种车用零部件，在汽车工业中具有广阔的应用前景。
实施例2
一种三维中空复合材料的制备方法，采用实施例1中的三维中空复合材料的制备装置，所用的纤维束为碳纤维束，所述的织物采用碳纤平纹布，具体步骤为：将一排纤维束12从纱架1导入预分散装置2，在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，使纤维束蓬松，以便更好地浸渍树脂，将纤维束导入熔融浸渍装置3，所述的熔融浸渍装置3中设有由挤出机4供应的熔融的聚醚醚酮树脂，在浸渍辊5的作用下，对纤维束进行浸渍，纤维束浸渍聚醚醚酮树脂后，导入热压定型装置6，热压定型装置6的温度设定在聚醚醚酮树脂的热变形温度160-170℃之间，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层13；将织物7与聚乙烯树脂膜8分别从卷布辊和卷膜辊上退绕下来，通过热压辊10进行热压粘合，其温度设在130-140℃之间(聚乙烯树脂熔点)，制备出复合材料，将中空纤维层置于上下两层复合材料之间，在传送装置的作用下送入烘箱11中粘合固定，烘箱温度设在130-140℃之间(聚乙烯树脂熔点)，获得三维中空复合材料，通过切割装置切割成所需大小。所得三维中空复合材料的厚度为5毫米，横压强度为0.3MPa，测试标准《ASTM C365》；边压强度为：1.0MPa，测试标准《ASTM C364》。
如图5所示，所得的三维中空复合材料包括上、下两层二维复合材料17以及设于上下两层复合材料17之间的中空纤维层18，如图4所示，所述的中空纤维层18包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内，从图4D中可以看出，中空纤维层18的截面呈多个X形。
本实施例制得的碳纤中空热塑性复合材料与实施例1制得的玻纤中空热塑性复合材料相比具有质量轻、高比强度、耐腐蚀、耐疲劳强度高、防静电火灾等优点，可应用于近海油田领域，如制作海水管道、防火防水管道、格栅框架、浮力组件等。
实施例3
一种三维中空复合材料的制备装置，类似于实施例1，区别在于：为了增加复合材料的抗冲击性能，交错齿轮的齿数不变，齿轮模数减小到0.5，齿宽减小到2mm，得到的中空纤维层13较实施例1密度更大，抗冲击性更好。
一种三维中空复合材料的制备方法，采用上述的三维中空复合材料的制备装置，所用的纤维束为玻璃纤维束，所述的织物采用碳纤平纹布，具体步骤为：将一排纤维束12从纱架1导入预分散装置2，在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，使纤维束蓬松，以便更好地浸渍树脂，将纤维束导入熔融浸渍装置3，所述的熔融浸渍装置3中设有由挤出机4供应的熔融的聚醚醚酮树脂，在浸渍辊5的作用下，对纤维束进行浸渍，纤维束浸渍聚醚醚酮树脂后，导入热压定型装置6，热压定型装置6的温度设定在聚醚醚酮树脂的热变形温度160-170℃之间，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层13；将织物7与聚苯硫醚树脂膜分别从卷布辊和卷膜辊上退绕下来，通过热压辊10进行热压粘合，其温度设在260-280℃之间(聚苯硫醚树脂熔点)，制备出复合材料，将中空纤维层置于上下两层复合材料之间，在传送装置的作用下送入烘箱11中粘合固定，烘箱温度设在260-280℃之间(聚苯硫醚树脂熔点)，获得三维中空复合材料，通过切割装置切割成所需大小。所得三维中空复合材料的厚度为5毫米，横压强度为0.8MPa，测试标准《ASTM C365》；边压强度为：1.6MPa，测试标准《ASTM C364》。介电常数为2-3，介电正切损耗角0.003-0.01。
如图5所示，所得的三维中空复合材料包括上、下两层二维复合材料17以及设于上下两层复合材料17之间的中空纤维层18，如图4所示，所述的中空纤维层18包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内，从图4D中可以看出，中空纤维层18的截面呈多个X形。
本实施例制得的三维中空热塑性复合材料与实施例1制得的玻纤中空热塑性复合材料相比具有质量轻、抗冲击性好、耐腐蚀、耐高温、耐辐射等优点，可广泛应用于飞机制件的制造中，如飞机落架舱门、吊顶部件、副翼翼肋、除冰面板等。
实施例4
一种三维中空复合材料的制备方法，采用实施例3中的三维中空复合材料的制备装置，所用的纤维束为芳纶纤维束，所述的织物采用芳纶平纹布，具体步骤为：将一排纤维束12从纱架1导入预分散装置2，在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，使纤维束蓬松，以便更好地浸渍树脂，将纤维束导入熔融浸渍装置3，所述的熔融浸渍装置3中设有由挤出机4供应的熔融的聚醚酰亚胺树脂，在浸渍辊5的作用下，对纤维束进行浸渍，纤维束浸渍聚醚酰亚胺树脂后，导入热压定型装置6，热压定型装置6的温度设定在聚醚酰亚胺树脂的热变形温度190-210℃之间，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层13；将织物7与聚苯硫醚树脂膜分别从卷布辊和卷膜辊上退绕下来，通过热压辊10进行热压粘合，其温度设在260-280℃之间(聚苯硫醚树脂熔点)，制备出复合材料，将中空纤维层置于上下两层复合材料之间，在传送装置的作用下送入烘箱11中粘合固定，烘箱温度设在260-280℃之间(聚苯硫醚树脂熔点)，获得三维中空复合材料，通过切割装置切割成所需大小。所得三维中空复合材料的厚度为5毫米，横压强度为0.4MPa，测试标准《ASTM C365》；边压强度为：1.3MPa，测试标准《ASTM C364》。介电常数为2-2.5，介电正切损耗角0.005-0.01。
如图5所示，所得的三维中空复合材料包括上、下两层二维复合材料17以及设于上下两层复合材料17之间的中空纤维层18，如图4所示，所述的中空纤维层18包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内，从图4D中可以看出，中空纤维层18的截面呈多个X形。
为了提高所得复合材料的抗冲击性，交错齿轮参数设置同实施例3，本实施例制得的芳纶中空热塑性复合材料不仅耐高温，而且抗冲击性、能量吸收性好，可应用于耐高温的发动机面板、抗冲击的汽车前缘以及装甲车的防弹装甲等。
Claims (10)
1.一种三维中空复合材料的制备装置，其特征在于，包括纱架（1）、预分散装置（2）、熔融浸渍装置（3）、热压定型装置（6）、热压辊（10）和烘箱（11），所述的熔融浸渍装置（3）内设有浸渍辊（5），熔融浸渍装置（3）上设有挤出机（4）；所述的热压定型装置（6）包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括多个交错排列的齿轮，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合；所得的三维中空复合材料包括上、下两层二维复合材料（17）以及设于上下两层复合材料（17）之间的中空纤维层（18）；所述的中空纤维层（18）包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内；高性能连续性纤维束浸渍第一热塑性树脂后，导入热压定型装置（6），在第一热塑性树脂的热变形温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层。
2.如权利要求1所述的三维中空复合材料的制备装置，其特征在于，还包括切割装置。
3.如权利要求1所述的三维中空复合材料的制备装置，其特征在于，还包括传送装置。
4.一种三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一项所述的三维中空复合材料的制备装置，包括：将纤维束从纱架（1）导入预分散装置（2），在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，将纤维束导入熔融浸渍装置（3），所述的熔融浸渍装置（3）中设有熔融的第一热塑性树脂，纤维束浸渍第一热塑性树脂后，导入热压定型装置（6），在第一热塑性树脂的热变形温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；将织物与第二热塑性树脂膜通过热压辊（10）进行热压粘合，制备出复合材料，将中空纤维层置于上下两层复合材料之间，在烘箱中粘合固定，获得三维中空复合材料。
5.如权利要求4所述的三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，所述的织物为连续纤维制成的二维织物。
6.如权利要求4所述的三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，所述的热压定形装置及热压辊所用热处理的方式为传导加热、介电加热和电磁辐射加热中的至少一种。
7.如权利要求4所述的三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，所述的第一热塑性树脂和第二热塑性树脂选自聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚醚醚酮、聚苯硫醚和聚醚酰亚胺。
8.如权利要求4所述的三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，所述的第二热塑性树脂的熔点较第一热塑性树脂的熔点低。
9.如权利要求4所述的三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纤维束为高强高模聚乙烯、玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维中的至少一种。
10.如权利要求4所述的三维中空复合材料的制备方法，其特征在于，所述的烘箱温度设为第二热塑性树脂的熔点。
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