CN106476403A - 一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材及其制备方法，该方法具体步骤包括：（1）将第一热塑性树脂片材、碳纤维织布层、第二热塑性树脂片材依次层叠铺放，上下两端用脱模纸覆盖，置于平板热压的上下模具之中；（2）利用平板硫化机进行热压，包括预热、保温保压、保压冷却三个阶段，首先热塑性树脂薄膜受热熔融并开始流动，再在压力的情况下深入渗透到纤维织布当中，填补纤维织布孔隙，最后在压力下冷却以保持材料的平面度以及减少材料内应力。本发明还涉及一种由该模压方法制成的碳纤维增强热塑性树脂超薄片材，该片材具有抗拉强度与抗冲击强度高、耐磨，制造方法简单等优势。

Description

一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维增强树脂基复合片材的应用领域，尤其是涉及一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材及其制备方法。
背景技术
碳纤维是一种性能优异的纤维材料，具有高比强度、高比模量等力学性能以及耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等一系列突出性能，被广泛应用于航天航空、车辆工程、土木建筑等多个领域，被称为21世纪最具生命力的材料。
碳纤维增强树脂基复合材料是碳纤维的一种重要的应用形式，目前碳纤维增强树脂复合材料大多以热固性树脂作为基体材料。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料体现了以下几个方面的优点：断裂韧性强、耐冲击性高，能充分发挥碳纤维的增强性能；加工成型速度快，周期短，且在成型过程中没有发生化学反应；可重复使用，在成型过程中出现的飞边、毛刺以及余料都可再次利用，减少生产过程中的材料消耗；预制体和预浸料的质量稳定，不易变质、发生反应，适于在普通室内环境下长期存放。
但是，热塑性树脂的熔融粘度较高，在热压成型过程中不利于树脂基体对碳纤维的浸润，这直接影响碳纤维与树脂的界面性能，从而影响碳纤维增强热塑性树脂复合材料的整体性能。同时，随着科技的发展对复合材料提出的更为苛刻的要求，普通的碳纤维复合材料难以满足飞行器等高端产品对轻量化和薄层化的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术不足的现状，提供一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材及其制备方法，所述超薄片材的拉伸强度、抗冲击韧性等力学性能优异，且厚度仅为0.1mm~0.3mm。
本发明采用薄膜叠层模压的成型方式制备碳纤维增强热塑性树脂复合材料，具有碳纤维含量高，碳纤维与树脂结合充分，成型产品厚度薄，成型产品力学性能优异等特点。
本发明通过以下技术方案实现。
一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材的制备方法，包括如下步骤：
（1）对碳纤维进行展宽处理，并编织成碳纤维织布；
（2）将步骤（1）的碳纤维织布进行加热处理；
（3）将步骤（2）加热处理后的碳纤维织布与热塑性树脂薄膜交错层叠，得复合材料；使用聚酰亚胺薄膜作为高温脱模纸包覆在复合材料上下两侧，并置于模压模具之中；
（4）使用平板硫化机进行模压成型，得碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材。
优选的，步骤（1）所述展宽处理是碳纤维通过气流展丝、机械展丝或超声波展丝进行宽度上的延展，使碳纤维的宽度从原丝的4mm~8mm展宽成16mm~20mm，同时，经展宽后的碳纤维厚度从原丝的0.08mm~0.12mm减至0.02mm~0.06mm。
优选的，步骤（1）所述碳纤维织布为平纹织布、斜纹织布和缎纹织布的单层织布、多层同相织布或多层异相织布。
优选的，步骤（2）所述加热处理的温度为300℃~400℃，时间为2h~4h，以去除碳纤维在生产和扩丝时带有的微量浆料。
进一步优选的，步骤（2）中的加热处理是将碳纤维织布置于真空电阻炉中，在N2的气氛下，设置温度为300℃、350℃和400℃，保温时间为2h、3h和4h，去除碳纤维织布上少量的热固性浆料，以提高碳纤维织布的表面能，从而增强碳纤维与基体树脂的结合能力。
优选的，步骤（3）所述的热塑性树脂薄膜为聚碳酸酯、聚丙烯和聚醚醚酮薄膜等热塑性工程塑料的一种以上。
优选的，步骤（4）所述模压成型是利用平板硫化机，使用三段加压法对复合材料进行模压，具体过程包括以下三个阶段：
1）预热阶段：设置压力为0~0.2MPa ，温度为220~250℃，时间为10min~15min；使得热塑性树脂受热熔融流动，并与碳纤维织布初步接触，填补纤维丝束间及纤维织布层间的空隙。
2）保温保压阶段：设置压力为2~2.5MPa ，温度为220~250℃，时间为10min~15min；使得熔融的热塑性树脂在压力下流动，充分浸润碳纤维织布，填补纤维丝束中单丝与单丝之间的空隙。
3）保压冷却阶段：设置压力为2~2.5MPa ，温度从220~250℃冷却至室温，时间为10min~15min；热塑性树脂在压力环境下冷却，能避免复合片材中气泡、孔隙等缺陷的产生，同时减少复合材料的内应力，使所得的碳纤维增强热塑片材有较高的平面度。
由以上的制备方法制得的一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材，该片材的增强材料为碳纤维织布，基体材料为热塑性树脂，片材的厚度为0.1mm~0.3mm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与技术效果：
1、本发明的碳纤维增强热塑性树脂超薄片材在具有较高的抗拉性能等力学性能和界面性能的基础上，兼具厚度薄，质量轻等优势，同时该碳纤维增强热塑性树脂超薄片材可回收反复利用；
2、本发明的制备方法方便易行，成型设备容易获得，成型周期短，生产成本低，且得到的超薄片材中碳纤维完全被树脂所浸润，界面性能突出。
附图说明
图1为单层的碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材的示意图；
1-热压上模具；2-上PI脱模纸层；3-上PC树脂层；4-单层碳纤维织物层；5-下PC树脂层；6-下PI脱模纸层；7-热压下模具。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
材料：展宽碳纤维平纹织布、聚碳酸酯树脂薄膜、聚酰亚胺树脂薄膜（脱模纸）
展宽碳纤维平纹织布中单根碳纤维丝束宽度为16mm，织物单位体积质量为1.67 g/cm3；聚碳酸酯树脂薄膜的密度为 1.2 g/cm3，厚度为0.125mm；聚酰亚胺树脂薄膜的密度为1.4 g/cm3，厚度为0.05mm，工作温度为300℃以上。
制备过程：
1、将宽度为16mm的展宽碳纤维丝束置于真空电阻炉中，在N2的气氛下，设置温度为300℃，保温2h以去除碳纤维丝束表面浆料，而后将碳纤维丝束编织成具有平纹图案的单层碳纤维织布。
2、将上PI脱模纸层2、上PC树脂层3、单层碳纤维织物层4、下PC树脂层5、下PI脱模纸层6依次层叠，置于平板热压上模具1、热压下模具7之间，如图1所示。
3、（1）预热阶段：设置平板硫化机压力为0MPa（上下模具刚好接触）、温度为220℃，预热10min；（2）保温保压阶段：增大压力至2MPa，温度为220℃，保温10min；（3）保压冷却阶段：保持2MPa的压力，通过水冷模具的方式冷却至室温，时间为10min，脱模得到单层的碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材。所得的碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材厚度为0.2mm，单位体积质量为2.2g/cm3，拉伸强度为408MPa。
实施例2
材料：展宽碳纤维平纹织布、聚碳酸酯树脂薄膜、聚酰亚胺树脂薄膜（脱模纸）
展宽碳纤维平纹织布中单根碳纤维丝束宽度为18mm，织物单位体积质量为1.34 g/cm3；聚碳酸酯树脂薄膜的密度为 1.2 g/cm3，厚度为0.125mm；聚酰亚胺树脂薄膜的密度为1.4 g/cm3，厚度为0.05mm，工作温度为300℃以上。
制备过程：
1、将宽度为18mm的展宽碳纤维丝束置于真空电阻炉中，在N2的气氛下，设置温度为350℃，保温3h以去除碳纤维丝束表面浆料，而后将碳纤维丝束编织成具有平纹图案的单层碳纤维织布。
2、将上PI脱模纸层2、上PC树脂层3、单层碳纤维织物层4、下PC树脂层5、下PI脱模纸层6依次层叠，置于平板热压上模具1、热压下模具7之间，如图1所示。
3、（1）预热阶段：设置平板硫化机压力为0MPa（上下模具刚好接触）、温度为235℃，预热10min；（2）保温保压阶段：增大压力至2.25MPa，温度为235℃，保温10min；（3）保压冷却阶段：保持2.25MPa的压力，通过水冷模具的方式冷却至室温，时间为10min，脱模得到单层的碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材。所得的碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材厚度为0.18mm，单位体积质量为2.0g/cm3，拉伸强度为422MPa。
实施例3
材料：展宽碳纤维平纹织布、聚碳酸酯树脂薄膜、聚酰亚胺树脂薄膜（脱模纸）
展宽碳纤维平纹织布中单根碳纤维丝束宽度为20mm，织物单位体积质量为1.21g/cm3；聚碳酸酯树脂薄膜的密度为 1.2 g/cm3，厚度为0.125mm；聚酰亚胺树脂薄膜的密度为1.4g/cm3，厚度为0.05mm，工作温度为300℃以上。
制备过程：
1、将宽度为20mm的展宽碳纤维丝束置于真空电阻炉中，在N2的气氛下，设置温度为400℃，保温4h以去除碳纤维丝束表面浆料，而后将碳纤维丝束编织成具有平纹图案的单层碳纤维织布。
2、将上PI脱模纸层2、上PC树脂层3、单层碳纤维织物层4、下 PC树脂层5、下PI脱模纸层6依次层叠，置于平板热压上模具1、热压下模具7之间，如图1所示。
3、（1）预热阶段：设置平板硫化机压力为0MPa（上下模具刚好接触）、温度为250℃，预热15min；（2）保温保压阶段：增大压力至2.5MPa，温度为250℃，保温15min；（3）保压冷却阶段：保持2.5MPa的压力，通过水冷模具的方式冷却至室温，时间为15min，脱模得到单层的碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材。所得的碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材厚度为0.15mm，单位体积质量为1.8g/cm3，拉伸强度为438MPa。

Claims (7)

1.一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对碳纤维进行展宽处理，并编织成碳纤维织布；
（2）将步骤（1）的碳纤维织布进行加热处理；
（3）将步骤（2）加热处理后的碳纤维织布与热塑性树脂薄膜交错层叠，得复合材料；使用聚酰亚胺薄膜作为高温脱模纸包覆在复合材料上下两侧，并置于模压模具之中；
（4）使用平板硫化机进行模压成型，得碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述展宽处理是碳纤维通过气流展丝、机械展丝或超声波展丝进行宽度上的延展，使碳纤维的宽度从原丝的4mm~8mm展宽成16mm~20mm，同时，经展宽后的碳纤维厚度从原丝的0.08mm~0.12mm减至0.02mm~0.06mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述碳纤维织布为平纹织布、斜纹织布和缎纹织布的单层织布、多层同相织布或多层异相织布。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述加热处理的温度为300℃~400℃，时间为2h~4h，以去除碳纤维在生产和扩丝时带有的微量浆料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的热塑性树脂薄膜为聚碳酸酯、聚丙烯和聚醚醚酮薄膜中的一种以上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述模压成型是利用平板硫化机，使用三段加压法对复合材料进行模压，具体过程包括以下三个阶段：
1）预热阶段：设置压力为0~0.2MPa ，温度为220~250℃，时间为10min~15min；
2）保温保压阶段：设置压力为2~2.5MPa ，温度为220~250℃，时间为10min~15min；
3）保压冷却阶段：设置压力为2~2.5MPa ，温度从220~250℃冷却至室温，时间为10min~15min。
7.由权利要求1-6任一项所述的制备方法制得的一种碳纤维织布增强热塑性树脂超薄片材，其特征在于，该片材的增强材料为碳纤维织布，基体材料为热塑性树脂，片材的厚度为0.1mm~0.3mm。
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