CN106142599A - 一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具及成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具及成型方法，模具包括由上到下依次设置的相适应的上模板、模框和下模板，所述上模板靠近模框的一端或/和所述下模板靠近模框的一端设有凸台，所述凸台的横截面面积小于模框的横截面面积，所述模框上设有与凸台相适应的凹槽，所述凹槽内设有与凸台相适应的模腔。成型方法包括以下步骤：1)在本发明的模具内铺设连续纤维增强热塑性预浸带；2)热压成型；3)冷压成型。本发明的有益效果：模具结构简单，成型容易，使成型后的板材具有优良的力学性能；成型方法简单、效率高，使成型后板材的纤维相互平行且笔直排列，充分发挥纤维的增强作用、提高承载能力。

Description

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具及成型方法

技术领域

本发明主要涉及连续纤维增强热塑性树脂基复合材料制备技术领域，具体是一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具及成型方法。

背景技术

连续纤维增强热塑性复合材料板材由于增强纤维在板材内的连续排列，具有远超短纤维和长纤维增强热塑性复合材料板材的力学性能，具有轻质高强、耐腐蚀、绿色无污染等优异特性，能够作为结构材料使用，是当今的研究和开发的热点。评定连续纤维增强热塑性树脂基复合材料板材性能优劣的关键之一在于是否充分发挥连续纤维的增强效果。

专利CN20108608608该生产工艺包括：首先将热塑性树脂制成一定厚度的薄膜，将制成薄膜的热塑性树脂分置于纤维层上，然后将热塑性树脂和纤维一起加热加压、冷却成型，制得片材，最后将多个片材层层铺设压制成型得到板材。

专利CN2012105603896首先将带状连续纤维预浸料铺放在模具内，然后放入热成型机内无压力合模进行预热，待预浸料软化后加压保温，然后开模；最后将物料移至冷压机中保持压力不变冷却成型，得到连续纤维增强热塑性板材。

专利CN2015102336971该制备工艺是利用浸渍带、纤维束或者混纱对多层浸渍带编织物进行局部或者全部的纵向穿插，形成连续的三维结构，并通过加热加压、冷却定型的过程获得内部具有三维结构的连续纤维增强热塑性预浸带编织物板材。

以上现有的连续纤维增强热塑性树脂基复合材料板材制备工艺，虽然制备 出了具有一定力学性能的复合材料板材，纤维起到了一定的增强效果。但是上述专利只是简单地将连续纤维增强树脂基预浸带层层铺设，忽略了纤维在热压过程中因树脂的流动而发生的位移和弯曲，未能使连续纤维在板材中充分发挥作用，导致拉伸、弯曲和冲击性能降低。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明的目的在于：提供一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型模具，结构简单，成型容易，在板材成型的过程中，通过凸台与凹槽的配合，可以夹紧纤维从而可以保证板材成型后的纤维排列整齐、平直，从而使成型后的板材具有优良的力学性能。

本发明的另一目的在于：提供一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，成型方法简单、效率高，使成型后板材的纤维相互平行且笔直排列，充分发挥纤维的增强作用、提高承载能力。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板、模框和下模板，所述上模板靠近模框的一端或/和所述下模板靠近模框的一端设有凸台，所述凸台的横截面面积小于模框的横截面面积，所述模框上设有与凸台相适应的凹槽，所述凹槽内设有与凸台相适应的模腔。

所述凸台的横截面面积由靠近模框的一端到远离模框一端逐渐增大。

所述凸台为梯形凸台或四棱台形凸台。

所述凸台的斜面与凸台靠近模框一端的平面之间的角度在135°～165°之间。

所述模腔的横截面面积与四棱台形凸台远离模框一端的横截面面积相同。

所述模腔的边角、凸台的边角均为倒圆角。

所述倒圆角的半径为1毫米～5毫米。

所述模腔为正方形或者长方形。

所述模腔的横截面面积为200×200mm²。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，包括以下步骤：

1)在模腔内铺设连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，加压上模板和下模板，且使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台与凹槽的侧壁之间；

2)将经步骤处理后的上模板、模框和下模板合模成型后的模具放入热压机进行热压成型；

3)热压成型完成后冷压成型，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带板材。

对比现有技术，本发明有益效果在于：

1、本发明在板材热压过程中设置了预浸带端部固定装置，使连续纤维不因熔融树脂的流动而发生弯曲和位移，从而充分发挥了连续纤维的增强效果，使得制备出的板材具有优良的力学性能；模具结构简单，成型方法简单、效率高，使成型后板材的纤维相互平行且笔直排列，充分发挥纤维的增强作用、提高承载能力。

2、凸台的横截面面积由靠近模框的一端到远离模框一端逐渐增大，方便上模板、下模板放置在模框内，且当板材成型后方便脱模；同时通过凸台的斜面和凹槽的配合方便对连续纤维增强热塑性预浸带的夹紧。

3、凸台为梯形凸台，便于在一个方向夹持连续纤维增强热塑性预浸带，凸台为四棱台形凸台，便于在两个方向均夹持连续纤维增强热塑性预浸带。

4、凸台的斜面与凸台靠近模框一端的平面之间的角度在135°～165°之 间，即使得凸台的斜面与竖直面之间的角度控制在15°～45°之间，可以保证凸台的斜面可依靠模具自重及热压设备压力对连续纤维增强热塑性预浸带的夹持效果，方便纤维的夹紧，且不会使纤维断裂。

5、模腔的横截面面积与四棱台形凸台远离模框一端的横截面面积相同，便于板材的成型尺寸的控制。

6、模腔的边角、凸台的边角均为倒圆角，使得上模板、模框和下模板合模后形成的模腔内表面平整光滑，避免了热压过程中模具边角存在应力集中，减少了所制备的板材存在的缺陷，保证了板材物理性能的均一性。

7、模腔的横截面面积为200×200mm²，与实验室中常用的模具相适应，便于板材成型后力学性能标准样品的制备。

8、本发明的连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法简单、效率高，且可以使得成型后的板材中的纤维相互平行且笔直排列，充分发挥纤维的增强作用、提高承载能力。

附图说明

附图1是实施例1的模具结构示意图；

附图2是实施例2的模具结构示意图；

附图3是实施例3的模具结构示意图；

附图4是实施例4的模具结构示意图；

附图5是实施例5的模具结构示意图；

附图6是连续纤维增强热塑性预浸带0°铺设示意图；

附图7是连续纤维增强热塑性预浸带0°、90°铺设示意图；

附图8是连续纤维增强热塑性预浸带0°和90°十字编织铺设示意图；

附图中所示标号：1、上模板；2、模框；3、下模板；4、凸台；5、凹槽； 6、模腔。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。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限定的范围。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板1、模框2和下模板3，上模板1、模框2和下模板3的横截面面积相同。所述上模板1靠近模框2的一端或/和所述下模板3靠近模框2的一端设有凸台4，所述凸台4的横截面面积小于模框2的横截面面积，优选的，所述凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2的一端逐渐增大。所述模框2上设有与凸台4相适应的凹槽5，凹槽5的侧壁的倾斜角度，应该与凸台4的斜面的倾斜角度一致，使得合模后模框2的凹槽5和上模板1、下模板3的凸台4应相对紧密贴合，从而保证了本发明对预浸带的夹持效果。上模板1、模框2和下模板3组装后可使得凸台4压入凹槽5内，避免了溢出物料减弱锁模压力，从而使得压制出的板材外观平整光滑，质地密实，仅需去除飞边，无需复杂的后续处理。所述凹槽5内设有与凸台4相适应的模腔6，模腔6用于板材的成型。

本发明在使用时，先利用上模板1、模框2、下模板3的自重，凸台4和凹槽5的斜面就会均衡有力地夹持连续纤维增强热塑性预浸带，使连续纤维增强热塑性预浸带保持平行，然后在热压过程中，再利用热压设备强大的压力对凸台4和凹槽5的侧壁的作用，将连续纤维增强热塑性预浸带的端部压紧固定，可以防止连续纤维增强热塑性预浸带中的纤维在热压过程中因熔融树脂的流动 而产生弯曲和位移，影响板材的平整性和力学性能，利用本模具可以使纤维充分发挥纤维的增强效果。

所述凸台4的横截面面积由靠近模框的一端到远离模框一端逐渐增大，方便上模板1、下模板3放置在模框2内，且当板材成型后方便脱模；同时通过凸台4的斜面和凹槽5的配合方便对连续纤维增强热塑性预浸带的夹紧。

所述凸台4为梯形凸台4，且梯形凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2的一端逐渐增大，便于在一个方向均夹持连续纤维增强热塑性预浸带。

所述凸台4为四棱台形凸台4，且四棱台形凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2的一端逐渐增大，便于在两个方向均夹持连续纤维增强热塑性预浸带。

所述凸台4的斜面与凸台4靠近模框2一端的平面之间的角度在135°～165°之间，使得凸台4的斜面与竖直面之间的角度控制在15°～45°之间，以保证凸台4的斜面可依靠模具自重及热压设备压力对连续纤维增强热塑性预浸带的夹持效果。

所述模腔6的横截面面积与四棱台形凸台4远离模框2一端的横截面面积相同，使得合模后模框2的凹槽5和上模板1、下模板3的凸台4应相对紧密贴合，从而保证了本发明对连续纤维增强热塑性预浸带的夹持效果。

所述模腔6的边角、凸台4的边角均为倒圆角，使得上模板1、模框2和下模板3合模后形成的模腔内表面平整光滑，避免了热压过程中模具边角存在应力集中，减少了所制备的板材存在的缺陷，保证了板材物理性能的均一性。

所述倒圆角的半径为1毫米～5毫米。

所述模腔6为正方形或者长方形。

所述模腔的横截面面积为200×200mm²。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，包括以下步骤：

1)在模腔6内铺设连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，连续纤维增强热塑性预浸带的长度大于模框2的长度，加压上模板1和下模板3，且使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台4与凹槽5的侧壁之间；连续纤维增强热塑性预浸带平行铺设或者垂直铺设或者垂直交叉铺设，在上模板1和下模板3上涂抹脱模剂或者铺设聚酯膜，便于成型后的脱模。

4)将经步骤3)处理后的上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具放入热压机进行热压成型，其中预热时间为3分钟，预热温度为220℃，热压温度为220℃，压力为15MPa，保压时间8为min；

5)热压成型完成后冷压成型，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带。冷压成型方式为冷压板中通入冷却水，对上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具进行冷却降温。

实施例1：

如附图1所示，一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板1、模框2和下模板3，所述上模板1靠近模框2的一端设有梯形凸台4，所述梯形凸台4的横截面面积小于模框2的横截面面积，且梯形凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2的一端逐渐增大，所述模框2上设有与梯形凸台相适应的凹槽5，即凹槽5的两个斜面侧边的倾斜角度与梯形凸台两侧边的斜面角度一致，凹槽5的两个斜面侧边的宽度与梯形凸台两侧边的斜面相同，这样在上模板1、模框2、下模板3合模后，模框2和上模板1的上、下模板的锥形斜面应相对应且紧密贴合，从而保证了锥 形斜面对预浸带的夹持效果。所述凹槽5内设有与梯形凸台相适应的模腔6。本实施例在上模板1自重的情况下，模具自重均衡有力地夹持预浸带，然后在热压过程中再利用热压设备强大的压力对斜面的作用，将预浸带端部压紧固定，采用先固定后压片的方式，使得纤维在热压过程中不因熔融树脂的流动而产生弯曲和位移，影响复合材料的力学性能。因此能够充分发挥纤维的增强效果。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，包括以下步骤：

1)如附图6所示，在模腔6内0°铺设连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，连续纤维增强热塑性预浸带的长度大于模框2的长度，加压上模板1和下模板3，在下模板3与模框2之间、上模板与模框2之间均铺设聚酯膜，且使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台4与凹槽5的侧壁之间；

2)将经步骤1)处理后的上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具放入热压机进行热压成型，其中预热时间为3分钟，预热温度为220℃，热压温度为220℃，压力为15MPa，保压时间8为min；

3)热压成型完成后冷压成型，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带，冷压成型方式为冷压板中通入冷却水，对上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具进行冷却降温。

实施例2：

如附图2所示，一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板1、模框2和下模板3，所述上模板1靠近模框2的一端和所述下模板3靠近模框2的一端设有梯形凸台4，所述梯形凸台4的横截面面积小于模框2的横截面面积，且梯形凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2的一端逐渐增大，所述梯形凸台4的斜面与梯形凸台4靠 近模框2一端的平面之间的角度在135°～165°之间，所述模框2上设有与梯形凸台4相适应的凹槽5，所述凹槽5内设有与梯形凸台4相适应的模腔6。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，包括以下步骤：

1)如附图6所示，在模腔6内0°铺设连续纤维增强热塑性预浸带，可以铺设上下两层连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，连续纤维增强热塑性预浸带的长度大于模框2的长度，加压上模板1和下模板3，且使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台4与凹槽5的侧壁之间，在加压上模板1和下模板3之前首先在下模板3内侧面和上模板1内侧面涂抹脱模剂；

2)将经步骤1)处理后的上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具放入热压机进行热压成型，其中预热时间为3分钟，预热温度为220℃，热压温度为220℃，压力为15MPa，保压时间8为min；

3)热压成型完成后冷压成型，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带，冷压成型方式为冷压板中通入冷却水，对上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具进行冷却降温。

实施例3：

如附图3所示，一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板1、模框2和下模板3，所述上模板1靠近模框2的一端和所述下模板3靠近模框2的一端设有梯形凸台4，所述梯形凸台4的横截面面积小于模框2的横截面面积，且梯形凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2的一端逐渐增大，所述模框2上设有与梯形凸台相适应的凹槽5，所述凹槽5内设有与梯形凸台4相适应的模腔6。上模板1、下模板3上的梯形凸台4相互垂直，相应的模框2上侧的凹槽5和模框2下侧的凹槽5 相互垂直，所述梯形凸台4的斜面与梯形凸台4靠近模框2一端的平面之间的角度在135°～165°之间。便于两个方向夹取连续纤维增强热塑性预浸带。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，包括以下步骤：

1)如附图7所示，在模腔6内0°、90°铺设或者如附图8所示，0°和90°十字编织铺设连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，连续纤维增强热塑性预浸带的长度大于模框2的长度，加压上模板1和下模板3，在下模板3与模框2之间、上模板与模框2之间均铺设聚酯膜，且使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台4与凹槽5的侧壁之间；

2)将经步骤1)处理后的上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具放入热压机进行热压成型，其中预热时间为3分钟，预热温度为220℃，热压温度为220℃，压力为15MPa，保压时间8为min；

3)热压成型完成后冷压成型，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带。冷压成型方式为冷压板中通入冷却水，对上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具进行冷却降温。

实施例4：

如附图4所示，一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板1、模框2和下模板3，上模板1、模框2和下模板3的横截面面积相同。所述上模板1靠近模框2的一端设有四棱台形凸台4，所述四棱台形凸台4的横截面面积小于模框2的横截面面积，所述四棱台形凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2一端逐渐增大，所述四棱台形凸台4的斜面与四棱台形凸台4靠近模框2一端的平面之间的角度在135°～165°之间。所述模框2上设有与四棱台形凸台4相适应的凹槽5，所述 凹槽5内设有与四棱台形凸台相适应的模腔6，所述模腔6的横截面面积与四棱台形凸台远离模框2一端的横截面面积相同，模腔的横截面面积为200×200mm²。本实施例便于两个方向夹取连续纤维增强热塑性预浸带。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，包括以下步骤：

1)如附图7所示，在模腔6内0°、90°铺设或者如附图8所示，0°和90°十字编织铺设连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，连续纤维增强热塑性预浸带的长度大于模框2的长度，加压上模板1和下模板3，在下模板3与模框2之间、上模板与模框2之间均铺设聚酯膜，且使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台4与凹槽5的侧壁之间；

2)将经步骤1)处理后的上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具放入热压机进行热压成型，其中预热时间为3分钟，预热温度为220℃，热压温度为220℃，压力为15MPa，保压时间8为min；

3)热压成型完成后冷压成型，冷压成型方式为冷压板中通入冷却水，对上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具进行冷却降温，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带板材，如附图7或附图8所示。

实施例5：

如附图5所示，一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板1、模框2和下模板3，上模板1、模框2和下模板3横截面大小一致，所述上模板1靠近模框2的一端和所述下模板3靠近模框2的一端均设有四棱台形凸台4，所述四棱台形凸台4的横截面面积小于模框2的横截面面积，所述四棱台形凸台4的横截面面积由靠近模框2的一端到远离模框2一端逐渐增大。所述四棱台形凸台4的斜面与四棱台形凸台4靠近 模框2一端的平面之间的角度在135°～165°之间。所述模框2上设有与四棱台形凸台4相适应的凹槽5，所述凹槽5内设有与四棱台形凸台4相适应的模腔6，所述模腔6的横截面面积与四棱台形凸台4远离模框2一端的横截面面积相同，所述模腔6为正方形，且模腔6的横截面面积为200×200mm²。所述模腔6的边角、四棱台形凸台4的边角均为倒圆角，所述倒圆角的半径为5毫米。

一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，包括以下步骤：

1)在模腔6内0°、90°铺设或者0°和90°十字编织铺设连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，连续纤维增强热塑性预浸带的长度大于模框2的长度，加压上模板1和下模板3，在下模板3与模框2之间、上模板与模框2之间均铺设聚酯膜，且使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台4与凹槽5的侧壁之间；

2)将经步骤1)处理后的上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具放入热压机进行热压成型，其中预热时间为3分钟，预热温度为220℃，热压温度为220℃，压力为15MPa，保压时间8为min；

3)热压成型完成后冷压成型，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带。冷压成型方式为冷压板中通入冷却水，对上模板1、模框2和下模板3合模成型后的模具进行冷却降温。

Claims (10)

1.一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，包括由上到下依次设置的相适应的上模板(1)、模框(2)和下模板(3)，其特征在于：所述上模板(1)靠近模框(2)的一端或/和所述下模板(3)靠近模框(2)的一端设有凸台(4)，所述凸台(4)的横截面面积小于模框(2)的横截面面积，所述模框(2)上设有与凸台(4)相适应的凹槽(5)，所述凹槽(5)内设有与凸台(4)相适应的模腔(6)。

2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述凸台(4)的横截面面积由靠近模框(2)的一端到远离模框(2)一端逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述凸台(4)为梯形凸台或四棱台形凸台。

4.根据权利要求3所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述凸台(4)的斜面与凸台(4)靠近模框(2)一端的平面之间的角度在135°～165°之间。

5.根据权利要求3所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述模腔(6)的横截面面积与四棱台形凸台远离模框(2)一端的横截面面积相同。

6.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述模腔(6)的边角、凸台(4)的边角均为倒圆角。

7.根据权利要求6所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述倒圆角的半径为1毫米～5毫米。

8.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述模腔(6)为正方形或者长方形。

9.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的模具，其特征是：所述模腔(6)的横截面面积为200×200mm²。

10.一种连续纤维增强热塑性预浸带制板材的成型方法，其特征是：包括以下步骤：

1)在模腔(6)内铺设连续纤维增强热塑性预浸带，且同向的连续纤维增强热塑性预浸带相互平行，加压上模板(1)和下模板(3)，使得连续纤维增强热塑性预浸带的两边缘能够压紧在凸台(4)与凹槽(5)的斜面之间；

2)将经步骤1)处理后的上模板(1)、模框(2)和下模板(3)合模成型后的模具放入热压机进行热压成型；

3)热压成型完成后冷压成型，冷压成型完成后即可脱膜得到连续纤维增强热塑性预浸带板材。