CN106671538B - 具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种具有半封闭蜂窝中间层结构的热塑性复合材料及其制备方法。本发明提供一种具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，所述热塑性复合材料包括三层结构，所述第一层和第三层分别与所述第二层通过焊接方式连接；其中，所述第二层的上表面设置有多个第一凹槽，所述第二层的下表面设置有多个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布；并且，所述第一层、第二层和第三层的材料为热塑性聚合物、纤维增强的热塑性复合材料或无机粒子增强的热塑性复合材料。本发明所得具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其具有低密度、高刚度，以及可进行进一步热塑性加工成型的优点。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种具有半封闭蜂窝中间层结构的热塑性复合材料及其制备方法。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料由于具有韧性高、成型周期短、加工能耗低等特点，正在多个领域逐渐替代传统热固性复合材料成为工业界广泛关注的一种新型材料。在一些具有减重需求的领域，复合材料一般被制备成具有类似三明治结构的夹层板以进一步降低材料的整体重量。传统的夹层材料主要以铝制或芳纶纸制蜂窝为主。但在热塑性复合材料中，由于树脂基体与这些蜂窝夹层结构的相容性不好，所以往往制得的复合材料性能并不理想，由于上述的蜂窝结构无法进一步变形，使得所成型的板材无法充分发挥热塑性复合材料可以进一步进行热塑性加工的特点。近年来人们也参考传统蜂窝结构发展了一些热塑性蜂窝，这些蜂窝有效解决了上述的问题，但带来的新问题是这种热塑性蜂窝生产效率仍然不高，同时蜂窝与底板间的接触面积有限，无法充分保证底板与夹层的连接强度，复合材料整体的强度自然也就无法保证了。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其具有低密度、高刚度，以及可进行进一步热塑性加工成型的优点。
本发明的技术方案：
本发明提供一种具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其包括三层结构，所述第一层和第三层分别与所述第二层通过焊接方式连接；其中，所述第二层的上表面设置有多个第一凹槽，所述第二层的下表面设置有多个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布；并且，所述第一层、第二层和第三层的材料为热塑性聚合物、纤维增强的热塑性复合材料或无机粒子增强的热塑性复合材料。
进一步，所述第一凹槽和第二凹槽为矩形凹槽、三角形凹槽、或者梯形凹槽。
所述第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布是指在第二层的上表面或者下表面上，第一凹槽和第二凹槽的投影交替分布，在横向上第一凹槽的投影位于两个第二凹槽投影之间，在竖向上第一凹槽的投影位于两个第二凹槽投影之间。
进一步，所述纤维增强的热塑性复合材料指连续纤维增强的热塑性复合材料或非连续纤维增强的热塑性复合材料。
进一步，所述第一层、第二层和第三层均为热塑性聚合物片材或板材；
或为：纤维增强的热塑性复合材料片材或板材；
或为：无机粒子增强的热塑性复合材料片材或板材。
优选的，所述第二层的制备方法为：将热塑性聚合物与非连续纤维或者无机粒子通过热压成型或注塑成型方式得到。
进一步，所述无机粒子为碳纳米管、纳米二氧化硅、蒙脱土或晶须。
进一步，所述焊接工艺为电阻焊接、熔融焊接或超声焊接。
所述热塑性聚合物选自聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚芳硫醚砜、聚醚酰亚胺、芳香族聚酰胺、脂肪族聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯或聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。
所述连续纤维选自：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、聚酯纤维、尼龙纤维或金属纤维；所述非连续纤维选自：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维或晶须。
本发明还提供了上述具有半封闭蜂窝结构的热塑性复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)利用热塑性聚合物、纤维增强的热塑性复合材料或无机粒子增强的热塑性复合材料制备第一层板材或片材、第三层板材或片材；
2)利用热塑性聚合物、纤维增强的热塑性复合材料或无机粒子增强的热塑性复合材料制备第二层板材或片材，所得第二层板材或片材的上表面有多个第一凹槽，下表面有多个第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽在第二层板材或片材的上表面或者下表面的投影交替分布；
3)将第一层板材或片材、第二层板材或片材、第三层板材或片材通过焊接的方式连接形成具有半封闭蜂窝结构的热塑性复合材料。
进一步，上述方法还包括步骤4)，对所得具有半封闭蜂窝结构的热塑性复合材料进行退火处理。退火条件根据所选材料确定，退火温度为所选聚合物的玻璃化转变温度附近。
本发明中，第一层、第三层板材或片材通过热压成型、挤出成型等常规成型方式即可。第二层采用热压成型、注射成型的方式即可。
本发明的有益效果：
本发明较现有技术的优点主要在于：①本发明所得第二层(夹层)为半封闭结构，增加了第二层(芯层)与第一、第三层间(上下皮层)的接触面积从而提高了夹层结构抵抗分层的能力；②通过焊接的方式连接第一层、第二层和第三层，皮层与芯层之间的结合由热塑性聚合物熔融后分子链相互穿透缠结形成，这种结合方式能够明显改善由热固性粘接剂粘接两层由于相容性不匹配而造成的结合强度差的情况，从而提高具有三层结构的热塑性复合材料的强度。
本发明具有三明治结构的热塑性复合材料夹层使用材料可以与上下皮层所使用的热塑性树脂基体一致，这样解决了使用不同材料可能引起的相容性问题。本发明所得热塑性树脂基复合材料具有低密度、高强度特点，同时，这种材料具有损伤容限大、韧性高、耐温性好、可进一步进行热塑性成型加工制备结构相对复杂的复合材料结构的特点。
附图说明：
图1为本发明实施例1制备芯层(第二层)的模具示意图。
图2为本发明实施例2制备芯层(第二层)的模具示意图。
图3为实施例3所得热塑性复合材料的结构示意图。
具体实施方式
本发明利用热塑性聚合物片材挤出成型、热压成型或利用注塑成型方式，形成一种具有半封闭立体结构的中间支撑层；然后采用焊接(电阻焊接、熔融焊接或超声焊接等)工艺将纤维增强的热塑性树脂基复合材料预浸料片材或板材与支撑层连接形成具有三明治结构的热塑性复合材料。
以下实施例只是几种典型的实施方式，并不能起到限制本发明的作用，本领域的技术人员可以参照实施例对技术方案进行合理的设计，同样能够获得本发明的结果。
实施例1
所选材料为：聚苯硫醚薄膜、聚苯硫醚粒料、玻璃纤维、碳纤维单向带；
具有三明治结构的热塑性复合材料的制备方法为：
1)上下层(第一层、第三层)的制备：
称取聚苯硫醚薄膜50份(质量分数)与碳纤维单向带50份(质量分数)，将聚苯硫醚薄膜与碳纤维单向带进行铺层、叠加，置于平板硫化机上层压成型，成型压力10MPa,成型温度320℃，时间20min，冷却后取出制品，即为上下层的层压板；
2)芯层(第二层)的制备：
①长纤增强粒料的制备
将聚苯硫醚粒料与玻璃纤维纱束通过长纤粒料模头复合、挤出、切粒得到长纤增强聚苯硫醚粒料；挤出机各区段温度设置260℃、280℃、300℃、310℃、310℃、310℃、310℃、310℃、310℃，305℃；主喂料速率30rpm，主机转速140rpm，牵引速率20rpm；
②芯层的制备
将制备的长纤增强聚苯硫醚粒料干燥后，通过注塑机注射第二层：第二层的上表面有多个梯形第一凹槽，下表面设置有多个梯形第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布；注塑机各区段温度设置为260℃，320℃，310℃；所得芯层冷却后取出制件，120℃退火处理4h；
3)具有夹层结构(三明治结构)的复合材料的制备：
将步骤2)注塑得到的芯层夹在上下层的层压板(步骤1制得的层压板)之间，置于平板硫化机上；通电，通过电阻焊接连接层压板与芯层，得到具有半封闭蜂窝夹层结构的三明治结构的热塑性复合材料；其中，焊接功率为50kW/m2，时间10min，压力5MPa；冷却后卸去压力，取出制件；120℃退火处理4h。
所得具有三明治结构的热塑性复合材料的性能如下：
密度0.99g/cm3，纤维主轴方向平拉强度34MPa，平压强度70MPa，平压模量1.43GPa，I型层间断裂韧性1.35KJ/m2。
平拉强度根据GB/T 1452进行测定，平压强度与平压模量根据GB/T 1453进行测定，I型层间断裂韧性根据GB/T 28891进行测定。
实施例2
所选材料为：聚醚醚酮粒料
具有三明治结构的热塑性基树脂复合材料的制备方法为：
将聚醚醚酮粒料压制成聚醚醚酮片材；
1)上下皮层的制备
将聚醚醚酮片材裁切成300*300mm尺寸，将玻纤布裁成300*300mm尺寸，将40份(重量)片材与60份(重量)玻纤方格布在压机上层压复合得到单层复合材料片材；热压工艺条件为热压温度390℃，热压压力20MPa,热压时间300min；
2)芯层的制备：
将聚醚醚酮片材置于模具中在压机上压制得到芯层，芯层的上表面有多个三角形第一凹槽，下表面设置有多个三角形第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布；
3)具有夹层结构(三明治结构)的复合材料的制备：
将芯材切割成300*300mm尺寸，通过远红外加热将步骤1)制备的片材与步骤2)制备的蜂窝芯材的待焊接面加热，将代焊面迅速贴合并在压力下降温冷却得到具有半封闭蜂窝夹层结构的三明治结构的复合材料；红外加热温度为390℃，时间3min，压力5MPa。
所得具有三明治结构的热塑性复合材料的性能如下：
密度1.14g/cm3，平拉强度26MPa，平压强度57MPa，平压模量0.98GPa，I型层间断裂韧性1.5KJ/m2。
实施例3
所选材料为：聚芳硫醚砜粒料
具有三明治结构的热塑性复合材料的制备方法为：
1)上下皮层的制备：
将聚芳硫醚砜粒料加入挤出机中，通过浸渍口模将聚芳硫醚砜与碳纤维方格布进行复合得到聚芳硫醚砜/碳纤维方格布片材；挤出机各区段温度设置260℃、280℃、310℃、320℃、325℃、325℃、325℃、325℃、325℃，320℃；主喂料速率30rpm，主机转速140rpm，牵引速率20rpm；
2)芯层的制备：
将聚芳硫醚砜粒料加入注塑机中，注塑得到芯层，芯层的上表面有多个矩形第一凹槽，下表面设置有多个矩形第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布；注塑工艺条件为注塑机三段温度，260℃，325℃，320℃。
3)具有半封闭蜂窝夹层结构的三明治结构的复合材料的制备：
通过电阻焊接方式将皮层与芯层焊接起来得到具有三明治结构的热塑性复合材料，焊接功率为50kW/m2，时间10min，压力5MPa。
所得具有三明治结构的热塑性复合材料的性能如下：密度0.85g/cm3，平拉强度29MPa，平压强度66MPa，平压模量1.02GPa，I型层间断裂韧性1.67KJ/m2。
对比例1
所选材料为：聚芳硫醚砜粒料
1)上下皮层的制备：
将聚芳硫醚砜粒料加入挤出机中，通过单向带浸渍口模将聚芳硫醚砜与碳纤维单向带进行复合得到聚芳硫醚砜/碳纤维单向带；挤出机各区段温度设置260℃、280℃、310℃、320℃、325℃、325℃、325℃、325℃、325℃，320℃；主喂料速率30rpm，主机转速140rpm，牵引速率20rpm；
2)芯层的制备方法：
将聚芳硫醚砜粒料加入注塑机中，注塑得到芯层，芯层的上表面有多个矩形第一凹槽，下表面设置有多个矩形第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布；注塑工艺条件为注塑机三段温度，260℃，325℃，320℃。
3)具有三明治结构(其中夹层具有半封闭蜂窝结构)的复合材料的制备：
通过胶结的方式连接皮层与芯层制备夹层结构；选用的胶结剂为3M DP460，胶层厚度0.2mm。
所得具有三明治结构的热塑性复合材料的性能如下：密度0.85g/cm3，平拉强度19MPa，平压强度26MPa，平压模量1.02GPa，I型层间断裂韧性0.31KJ/m2。
与实施例3相比，由于热塑性树脂与热固的胶粘剂的相容性的问题，皮层与芯层的连接强度不如采用焊接方式中同种热塑性聚合物分子的相互穿透形成的连接强；这将导致夹层结构受到载荷时不能有效地传递应力，强度大幅度地劣化。
Claims (12)
1.具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述热塑性复合材料包括三层结构，第一层和第三层分别与第二层通过焊接方式连接；其中，所述第二层的上表面设置有多个第一凹槽，所述第二层的下表面设置有多个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽在第二层的上表面或者下表面的投影交替分布；并且，所述第一层、第二层和第三层的材料为热塑性聚合物、纤维增强的热塑性复合材料或无机粒子增强的热塑性复合材料。
2.根据权利要求1所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽为矩形凹槽、三角形凹槽、或者梯形凹槽。
3.根据权利要求1或2所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述纤维增强的热塑性复合材料指连续纤维增强的热塑性复合材料或非连续纤维增强的热塑性复合材料。
4.根据权利要求1或2所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述第一层、第二层和第三层均为热塑性聚合物片材或板材；
或为：纤维增强的热塑性复合材料片材或板材；
或为：无机粒子增强的热塑性复合材料片材或板材。
5.根据权利要求3所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述第二层的制备方法为：将热塑性聚合物与非连续纤维或者无机粒子通过热压成型或注塑成型方式得到。
6.根据权利要求4所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述第二层的制备方法为：将热塑性聚合物与非连续纤维或者无机粒子通过热压成型或注塑成型方式得到。
7.根据权利要求1或2所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述焊接工艺为电阻焊接、熔融焊接或超声焊接。
8.根据权利要求5所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述焊接工艺为电阻焊接、熔融焊接或超声焊接。
9.根据权利要求1或2所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述热塑性聚合物选自聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚芳硫醚砜、聚醚酰亚胺、芳香族聚酰胺、脂肪族聚酰胺、或聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。
10.根据权利要求3所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料，其特征在于，所述连续纤维选自：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、硼纤维、聚酯纤维、尼龙纤维或金属纤维；所述非连续纤维选自：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维、尼龙纤维或晶须；所述无机粒子为碳纳米管、纳米二氧化硅、蒙脱土或晶须。
11.权利要求1～10任一项所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)利用热塑性聚合物、纤维增强的热塑性复合材料或无机粒子增强的热塑性复合材料制备第一层板材或片材、第三层板材或片材；
2)利用热塑性聚合物、纤维增强的热塑性复合材料或无机粒子增强的热塑性复合材料制备第二层板材或片材，所得第二层板材或片材的上表面有多个第一凹槽，下表面有多个第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽在第二层板材或片材的上表面或者下表面的投影交替分布；
3)将第一层板材或片材、第二层板材或片材、第三层板材或片材通过焊接的方式连接形成具有半封闭蜂窝结构的热塑性复合材料。
12.根据权利要求11所述具有半封闭蜂窝夹层结构的热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤4)，对所得具有半封闭蜂窝结构的热塑性复合材料进行退火处理。
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