CN106113811A - 热塑性连续纤维复合材料及其制备方法和生产装置 - Google Patents

热塑性连续纤维复合材料及其制备方法和生产装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种热塑性连续纤维复合材料的制备方法，其步骤包括：将纤维织物铺设在相邻两层热塑性无纺布之间，使得所述纤维织物与所述热塑性无纺布交叉排布得到铺装件；对所述铺装件进行预压处理制得预制件；对所述预制件进行热压熔融成型处理，制得热塑性连续纤维复合材料。该制备方法工艺简单、适于自动化生产。本发明还提供一种由该方法制得的热塑性连续纤维复合材料和用于生产该复合材料的装置，所述热塑性连续纤维复合材料各层之间结合紧密，所提供的装置组成简单、易于调整工艺步骤。

Description

热塑性连续纤维复合材料及其制备方法和生产装置
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种热塑性连续纤维复合材料及其制备方法和生产装置。
背景技术
热塑性高分子材料因其具有耐腐蚀、比重小、易加工等特点，被广泛应用于日常生活用品、服装服饰、汽车装饰等行业，经过30多年的高速发展，热塑性高分子及其复合材料制造业取得了显著的进步，2013年，全球塑料消耗量达到2.99亿吨，中国接近7500万吨，占国内生产总值的3.3%左右，是七大战略性新兴产业所占比重的近一半。目前，利用热塑性高分子来制备纤维织物复合材料是本领域发展的新方向，纤维织物复合材料常用的原材料有PP、PE、PA6、PA66、TPU等，一种成型技术是利用挤出成型技术，由于热塑性高分子熔融后的粘度普遍较高，在利用挤出机制备纤维织物复合材料时，纤维织物与热塑性高分子颗粒混合熔融后不利于充模，易损坏挤出装置；另外一种是采用薄膜技术来制备纤维织物复合材料，但也存在因热塑性薄膜空隙率较小，从而阻碍了热塑性薄膜层与纤维织物之间的粘结。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种工艺简单、层间结合紧密的热塑性连续纤维复合材料及其制备方法和生产装置。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
（1）将纤维织物铺设在相邻两层热塑性无纺布之间，使得所述纤维织物与所述热塑性无纺布交叉排布得到铺装件；
（2）对所述铺装件进行预压处理制得预制件；其中，预压处理的目的是为了除去各层之间残余的空气、使制得的所述预压铺装层表面平整；
（3）对所述预制件进行热压熔融成型处理，制得热塑性连续纤维复合材料。在该步骤（3）中，所述预制件进行热压熔融成型处理时，由于表面的热塑性无纺布表面最先受热从而发生熔融现象，同时由于所述热塑性无纺布孔隙率较高，因此熔融后的热塑性无纺布具有较好的流动性，会充分浸润所述纤维织物，避免了所述纤维织物与热塑性材料基体层之间结合不紧密现象。
基于上述，所述步骤（2）还包括对所述预制件进行Z向增强纤维缝纫处理的分步骤。所述预制件进行Z向增强纤维缝纫处理后，使得所述热塑性无纺布层与所述纤维织物层之间增设了一层加固结构，进一步提升了各层的结合力。
基于上述，所述步骤（1）还包括在所述热塑性无纺布表面和/或所述纤维织物表面进行喷涂纳米材料的分步骤。
基于上述，所述步骤（1）还包括在所述铺装件表面进行喷涂纳米材料的分步骤。
其中，所述制备方法中，所述热塑性无纺布原料为PP、PE、PA6、PA66、TPU中的一种或几种的组合；所述纤维织物和所述Z向增强纤维原料为PP纤维、PE纤维、PA6纤维、PA66纤维、玻璃纤维和碳纤维中的一种或几种的组合；所述纤维织物是将上述纤维进行机织或编织形成2维、2.5维或3维的编织物。
本发明是一种由上述热塑性连续纤维复合材料的制备方法制得的热塑性连续纤维复合材料，它包括至少两层热塑性无纺布层和设置在相邻两层所述热塑性无纺布层之间的纤维织物，所述纤维织物与所述热塑性无纺布交叉排布。
基于上述，所述热塑性连续纤维复合材料还包括将所述热塑性无纺布层和所述纤维织物缝纫在一起的Z向增强纤维。
基于上述，它还包括纳米材料层，所述纳米材料层设置在所述热塑性无纺布表面和/或所述纤维织物表面。
本发明还提供一种用于上述热塑性连续纤维复合材料的装置，它包括至少两个热塑性无纺布供给装置、至少一个纤维织物供给装置、预压装置和模具热压熔融成型装置；所述热塑性无纺布供给装置与所述纤维织物供给装置以交叉排布的形式设置在所述预压装置之前，在所述预压装置之后设置所述模具热压熔融成型装置。具体地，所述纤维织物与所述热塑性无纺布进行交叉排布形成的铺装件经所述预压装置预压后得到预制件，该预制件再经模具热压熔融成型装置进行热压熔融成型处理，从而得到热塑性连续纤维复合材料。
其中，所述热塑性无纺布供给装置和所述纤维织物供给装置是一种设置有中心轴的放线辊，用于对所述热塑性无纺布和所述纤维织物进行放卷和铺装排布；所述预压装置是用于对交叉排布的热塑性无纺布层和纤维织物层进行预压处理，除去各层之间残余的空气、使制得的所述预压铺装层表面平整，优选地，所述预压装置为轧辊；所述模具热压熔融成型装置是用于对所述预制件进行热压熔融成型处理，并使其成型成一定的形状。
基于上述，用于生产热塑性连续纤维复合材料的装置，它还包括Z向增强纤维缝纫装置，所述Z向增强纤维缝纫装置设置在所述预压装置和所述模具热压熔融成型装置之间。
基于上述，用于生产热塑性连续纤维复合材料的装置，它还包括纳米材料喷涂装置，所述纳米材料喷涂装置设置在所述热塑性无纺布供给装置和纤维织物供给装置之间、或设置在所述热塑性无纺布和所述预压装置之间。
其中，所述纳米材料喷涂装置是用于对所述热塑性无纺布的表面和/或所述纤维织物的表面进行喷涂纳米材料，使得制得的产品具有不同的物理或电学性能；所述Z向增强纤维缝纫装置是用于对所述热塑性无纺布层和所述纤维织物层进行Z向增强纤维缝纫，使得所述热塑性无纺布层与所述纤维织物层之间增设了一层加固结构，进一步提升了各层的结合力。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明提供的热塑性无纺布具有优异的透气性和透液性；纤维织物层中各纤维交错排布、结合紧密；在相邻两层所述热塑性无纺布之间铺装所述纤维织物，所述纤维织物与所述热塑性无纺布之间配比可调；在对所述预制件进行热压熔融成型处理时，熔融后的热塑性无纺布会充分浸润所述纤维织物，避免了纤维织物与热塑性材料基体层之间结合不紧密现象。
进一步讲，通过对所述预制件进行Z向增强纤维缝纫处理进一步提升了所述热塑性连续纤维复合材料层间结合力，且使得所述热塑性连续纤维复合材料表面具有一定的美观度。
更进一步讲，在制备所述热塑性连续纤维复合材料过程中可直接在所述热塑性无纺布上和所述纤维织物上喷涂纳米材料，喷涂的纳米材料与所述热塑性无纺布和所述纤维织物之间结合紧密，且不会增加熔融热塑性无纺布的粘度，使得由该方法制备的热塑性连续纤维复合材料形状可根据模型任意调节。
本发明所述提供用于生产热塑性连续纤维复合材料的装置组成简单、易于调整工艺步骤，可以实现连续化、自动化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的热塑性连续纤维复合材料结构示意图。
图2为实施例1提供的生产热塑性连续纤维复合材料的装置示意图。
图3为本发明实施例2提供的热塑性连续纤维复合材料结构示意图。
图4为本发明实施例2提供生产热塑性连续纤维复合材料的装置示意图。
图5为本发明实施例3提供的热塑性连续纤维复合材料结构示意图。
图6为本发明实施例3提供的生产热塑性连续纤维复合材料的装置示意图。
图7为本发明实施例4提供的热塑性连续纤维复合材料结构示意图。
图中：1、热塑性无纺布层；2、纤维织物；3、Z向增强纤维；4、纳米材料层；101、热塑性无纺布供给装置；102、纤维织物供给装置；6、纳米材料喷涂装置；7、Z向增强纤维缝纫装置；8、预压装置；9、模具热压熔融成型装置。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种热塑性连续纤维复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）在温度为200℃条件下，采用螺杆挤出机将聚丙烯颗粒加热熔融形成熔体，所述熔体从所述挤出机中挤出并输出至熔体喷射模头，然后向所述熔体喷射模头型腔中通入热空气，使得所述熔体在负压作用下从所述熔体喷射模头型腔中喷出形成熔喷纤维，将制得的一部分所述熔喷纤维经热轧成型处理从而制得聚丙烯材质的热塑性无纺布；将制得的一部分所述熔喷纤维制成3维编织的纤维织物；另一部分作为Z向增强纤维；
（2）在相邻两层所述聚丙烯热塑性无纺布层之间铺设所述纤维织物，经辊轧、Z向增强纤维缝纫处理形成预制件，所述预制件在温度为160℃条件下经轧辊热压成型处理，从而制得聚丙烯连续纤维复合材料成品。
由本实施例提供的热塑性连续纤维复合材料的制备方法制得的聚丙烯连续纤维复合材料，它具有五层结构，具体结构如图1所示，它包括三层聚丙烯材质的热塑性无纺布层1，相邻两层的所述热塑性无纺布层1之间均铺设有一层所述纤维织物2；同时，在所述热塑性无纺布层1和所述纤维织物2内部还通过缝纫处理设置有Z向增强纤维3，所述Z向增强纤维3为聚丙烯纤维。
本实施例还提供一种用于生产上述热塑性连续纤维复合材料的装置，如图2所示，为生产上述热塑性连续纤维复合材料的装置示意图，它包括三个热塑性无纺布供给装置101、两个纤维织物供给装置102、预压装置8、Z向增强纤维缝纫装置7和模具热压熔融成型装置9。所述热塑性无纺布和所述纤维织物铺装后经所述预压装置8预压处理并经Z向增强纤维缝纫装置7进行缝纫，然后传送至模具热压熔融成型装置9中进行热压熔融处理，从而得到热塑性连续纤维复合材料。
实施例2
本实施例提供一种热塑性连续纤维复合材料的制备方法，其步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于：
所述步骤（1）还包括在温度为150℃条件下，采用喷涂机在所述聚乙烯材质的热塑性无纺布的一侧表面喷涂纳米材料形成纳米材料层，所述纳米材料可以为氧化铝、氧化锌、氧化铜、纳米炭黑、碳纳米纤维、碳纳米纤维、纳米石墨烯、纳米黏土管等。
由本实施例提供的热塑性连续纤维复合材料的制备方法制得的聚乙烯连续纤维复合材料，它具有八层结构，具体结构如图3所示，它包括三层聚乙烯材质的热塑性无纺布层1，三层所述热塑性无纺布层1一侧表面均喷涂有纳米氧化层4，所述纳米氧化层为纳米氧化铜层；且相邻两层所述聚丙烯材质的热塑性无纺布层1之间均铺设有一层玻璃纤维织物2；在所述热塑性无纺布层1和所述玻璃纤维织物2内部还通过缝纫处理设置有Z向增强纤维3，所述Z向增强纤维3为玻璃纤维。
本实施例所提供一种用于生产上述热塑性连续纤维复合材料的装置具体组成与实施例1中的装置组成大致相同，不同之处在于如图4所示，为有生产上述热塑性连续纤维复合材料的装置组装示意图，本实施例中的装置还包括一组纳米材料喷涂装置6，所述纳米材料喷涂装置6设置在所述预压装置8之前。
实施例3
本实施例提供一种热塑性连续纤维复合材料的制备方法，其步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于：
本实施例所采用的原材料为TPU和PA6的组合；
所述步骤（2）还包括在温度为150℃条件下，采用喷涂机在所述预制件表面进行喷涂纳米材料的分步骤，所述纳米材料可以为氧化铝、氧化锌、氧化铜等。
由本实施例提供的热塑性连续纤维复合材料的制备方法制得的热塑性连续纤维复合材料，它具有七层结构，具体结构如图5所示，它包括三层聚乙烯材质的热塑性无纺布层1，相邻两层所述聚丙烯材质的热塑性无纺布层1之间均铺设有一层碳纤维织物2；在所述热塑性连续纤维复合材料两侧还分别设置有一层纳米氧化层4；所述纳米氧化层为氧化锌层；在所述热塑性无纺布层1和所述碳纤维织物2内部还通过缝纫处理设置有Z向增强纤维3，所述Z向增强纤维3为碳纤维。
本实施例所提供一种用于生产上述热塑性连续纤维复合材料的装置具体组成与实施例1中的装置组成大致相同，不同之处在于如图6所示，为有生产上述热塑性连续纤维复合材料的装置示意图，本实施例中的装置还包括两组纳米材料喷涂装置6，所述纳米材料喷涂装置6分别设置在所述预压装置8之前及热塑性无纺布供给装置101和碳纤维织物供给装置102之间。
实施例4
本实施例提供一种热塑性连续纤维复合材料的制备方法，其步骤与实施例1中的步骤大致相同，不同之处在于：
所述步骤（1）还包括在温度为150℃条件下，采用喷涂机在所述聚乙烯材质的热塑性无纺布和在所述玻璃纤维织物的一侧表面喷涂纳米材料形成纳米材料层，所述纳米材料可以为氧化铝、氧化锌、氧化铜、纳米炭黑、碳纳米纤维、碳纳米纤维、纳米石墨烯、纳米黏土管。
由本实施例提供的热塑性连续纤维复合材料的制备方法制得的聚乙烯连续纤维复合材料，它具有十层结构，具体结构如图7所示，它包括三层聚乙烯材质的热塑性无纺布层1，相邻两层所述热塑性无纺布层1之间均铺设有一层玻璃纤维织物2；在所述纤维织物1一侧表面和所述热塑性连续纤维复合材料两侧均喷涂有纳米氧化层4；所述纳米氧化层为纳米氧化铜层。在所述热塑性无纺布层1和所述纤维织物2内部还通过缝纫处理设置有Z向增强纤维3，所述Z向增强纤维3为玻璃纤维。
本实施例所提供一种用于生产上述热塑性连续纤维复合材料的装置具体组成与实施例3中的装置相同。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种热塑性连续纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纤维织物铺设在相邻两层热塑性无纺布之间，使得所述纤维织物与所述热塑性无纺布交叉排布得到铺装件；
（2）对所述铺装件进行预压处理制得预制件；
（3）对所述预制件进行热压熔融成型处理，制得热塑性连续纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的热塑性连续纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）还包括对所述预制件进行Z向增强纤维缝纫处理的分步骤。
3.根据权利要求1或2所述的热塑性连续纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）还包括在所述热塑性无纺布表面和/或所述纤维织物表面进行喷涂纳米材料的分步骤。
4.根据权利要求3所述的热塑性连续纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）还包括在所述铺装件表面进行喷涂纳米材料的分步骤。
5.一种由权利要求1所述的热塑性连续纤维复合材料的制备方法制得的热塑性连续纤维复合材料，其特征在于，它包括至少两层热塑性无纺布层和设置在相邻两层所述热塑性无纺布层之间的纤维织物，所述纤维织物与所述热塑性无纺布交叉排布。
6.根据权利要求5所述的热塑性连续纤维复合材料，其特征在于，它还包括将所述热塑性无纺布层和所述纤维织物缝纫在一起的Z向增强纤维。
7.根据权利要求5或6所述的热塑性连续纤维复合材料，其特征在于，它还包括纳米材料层，所述纳米材料层设置在所述热塑性无纺布表面和/或所述纤维织物表面。
8.一种用于生产权利要求5所述热塑性连续纤维复合材料的装置，其特征在于，它包括至少两个热塑性无纺布供给装置、至少一个纤维织物供给装置、预压装置和模具热压熔融成型装置；所述热塑性无纺布供给装置与所述纤维织物供给装置以交叉排布的形式设置在所述预压装置之前，在所述预压装置之后设置所述模具热压熔融成型装置；所述纤维织物与所述热塑性无纺布进行交叉排布形成的铺装件经所述预压装置预压后，再经模具热压熔融成型装置进行热压熔融成型处理。
9.根据权利要求8所述的用于生产热塑性连续纤维复合材料的装置，其特征在于，它还包括Z向增强纤维缝纫装置，所述Z向增强纤维缝纫装置设置在所述预压装置和所述模具热压熔融成型装置之间。
10.根据权利要求8或9所述的用于生产热塑性连续纤维复合材料的装置，其特征在于，它还包括纳米材料喷涂装置，所述纳米材料喷涂装置设置在所述热塑性无纺布供给装置和纤维织物供给装置之间、或设置在所述热塑性无纺布和所述预压装置之间。
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