CN106891550A - 碳纤维‑黄麻混杂复合材料杆及其制备方法 - Google Patents

碳纤维‑黄麻混杂复合材料杆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳纤维‐黄麻混杂复合材料杆及其制备方法，制备方法如下：通过拉挤成型工艺，黄麻纤维、碳纤维分别通过纱架、矩形纤维分散架、浸渍槽、圆环形纤维分散器、预成型模具，然后通过圆柱形高温口模固化成型。复合材料杆的直径为2～22mm，皮层厚度为0.5～2mm，树脂基体为环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯或聚氨酯树脂。本发明的碳纤维‑黄麻混杂纤维杆既具有黄麻纤维复合材料的轻质、高阻尼等特点，同时具有碳纤维复合材料的高力学性能与耐腐蚀性能；拉挤工艺制备高效且解决了黄麻纤维难以用于拉挤工艺的难题。

Description

碳纤维-黄麻混杂复合材料杆及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆及其制备方法。
背景技术
纤维增强树脂杆具有轻质高强、耐腐蚀等优异性能，已被广泛应用于建筑、航空航天、船舶、石油化工、电力、体育及军工与民用等各个方面的领域。常用的纤维增强树脂杆有碳纤维杆、玻璃纤维杆、玄武岩纤维杆及其混杂纤维杆，如皮层为玻璃纤维芯层为碳纤维的复合电缆芯。
某些应用方面，如减震杆，需要纤维增强树脂杆具有较高的阻尼性能，然而常用的纤维增强树脂杆达不到此要求。另一些应用方面，如建筑装饰品、工艺品，并不要求纤维增强树脂杆具有太高的力学性能，尤其是拉伸性能，这样导致采用常用纤维增强树脂杆的性价比较低。考虑到可用于新型复合材料的植物纤维不仅具有较高的阻尼性能、一定的力学性能且价格低廉，尤其是黄麻纤维，可将其作为新型复合材料杆的增强材料。但是，黄麻纤维并不是连续的单根纤维，市场上的黄麻纱线均是经过特殊工艺纺制而成的。该黄麻纱线力学性能较低，不足以支持利用拉挤工艺制备的黄麻纤维增强树脂杆所需的阻力，进而较难进行黄麻纤维增强树脂杆的拉挤工艺制备。另一方面，因黄麻纤维较易吸收水分，黄麻纤维复合材料在使用过程中易受到自然环境(如湿气及其与温度耦合环境)的影响，致黄麻纤维与树脂间界面发生退化，降低了复合材料的长期性能，尤其是在多雨潮湿等地区。
发明内容
基于以上不足之处，本发明公开一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆及其制备方法，该制备方法成功解决了黄麻纤维较难用于拉挤工艺的难题；所制备的碳纤维-黄麻纤维混杂纤维杆既具有黄麻纤维复合材料的轻质、高阻尼等特点，同时具有碳纤维复合材料的高力学性能与耐腐蚀性能。
本发明所采用的技术如下：一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维，采用通过拉挤成型工艺，其具体制备方法如下：
步骤一：碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；
步骤二：碳纤维与黄麻纤维分别通过纤维分散架有序地进入树脂基体浸渍槽；
步骤三：经过步骤二后的碳纤维与黄麻纤维通过圆环形纤维分散器，其中碳纤维在圆环形分散器的外圈上均匀分布，黄麻纤维在圆环形分散器的内圈上均匀分布；
步骤四：经过步骤三后的黄麻纤维需单独通过预成型模具进行芯层预成型；
步骤五：经过步骤三后的碳纤维均匀包裹在经过步骤四后的黄麻纤维表面，并一起进入高温口模；
步骤六：经过步骤五后的碳纤维与黄麻纤维通过后固化箱再通过牵引机；
步骤七：待高温口模与后固化箱均达设定温度后，将配好的树脂基体倒入树脂浸渍槽或注胶机中，按一定牵引速率运行牵引机，开始进行复合材料杆的拉挤制备，所制备的产品经过缠绕机缠绕成卷。
本发明还具有如下技术特征：
1、如上所述浸渍槽用注胶机代替。
2、如上所述的黄麻纤维为黄麻纱线，纱支4.2支，股线1股，捻度326捻/m，纱线直径0.4～0.5mm。
3、如上所述的树脂基体为环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯或聚氨酯树脂。
4、如上所述黄麻纤维用其它植物纤维替代。
5、采用如上制备方法制得的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆，其复合材料杆的直径为2～22mm，皮层厚度为0.5～2mm。
本发明的制备方法成功地解决了黄麻纤维较难应用于拉挤工艺的难题，且方法简易，便于实施；有效地将黄麻纤维保护在碳纤维层内，使得所制备的碳纤维-黄麻纤维混杂纤维杆既具有黄麻纤维复合材料的轻质、高阻尼等特点，同时具有碳纤维复合材料的高力学性能与耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的结构示意图，其中：13.芯层，14.皮层；
图2为本发明的制备方法设备结构图，其中：1.纤维辊，2.纤维，3.矩形纤维分散器，4.浸渍槽，5.碳纤维，6.黄麻纤维，7.圆形纤维分散器，8.芯层预成型模具，9.圆柱形高温口模，10.后固化箱，11.牵引机，12.缠绕机；
图3为本发明的圆环形纤维分散器的示意图，其中：15.纤维通道孔。
具体实施方式
下面根据附图举例对本发明作进一步的说明：
实施例1
一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法如下，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维。
1)选用连续长碳纤维束、连续长黄麻纱线分别为皮层增强纤维、芯层增强纤维，选用环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯及聚氨酯树脂中的一种作为树脂基体体系；
2)利用拉挤成型工艺：工艺所用拉挤机组成部分包括纱架、矩形纤维分散架、浸渍槽或为注胶机，注射成型工艺用、圆环形纤维分散器、芯层预成型模具、圆柱形高温口模、后固化箱、牵引机及缠绕机；碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；树脂置于浸渍槽内或注胶机中；牵引速率为10～200cm/min的牵引作用下，两种纤维从纱架上牵出，通过矩形纤维分散架进入浸渍槽内(采用注胶机时无此步骤)，并被树脂充分浸渍，接着均匀穿过圆环形纤维分散器(碳纤维、黄麻纤维分别位于外圈、内圈)，然后黄麻纤维单独进入聚四氟乙烯制芯层预成型模(或为钢制预成模具并适当进行预热，采用注射成型工艺时需在其前端添加注射盒)进行芯层预成型，碳纤维再均匀包裹在预成型后的黄麻芯层表面，一起通过圆柱形高温口模(采用注射成型工艺时需在其前端添加注射盒)，固化成型，并根据工艺要求选择是否通过后固化箱进行后固化，最后成型复合材料杆通过牵引机并利用缠绕机缠绕成卷，形成皮层为碳纤维芯层为黄麻纤维的增强树脂复合材料杆产品；通过控制芯层预成型模具与圆柱形高温口模尺寸，控制复合材料杆的直径为2～22mm，碳纤维皮层厚度为0.5～2mm。
采用如上方法制得的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的直径为2～22mm，碳纤维增强皮层厚度为0.5～2mm。所述的复合材料杆所用的碳纤维为连续3～48K的碳纤维束，黄麻纤维为直径0.4-0.5mm的连续长黄麻纱线，树脂基体为环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯或聚氨酯树脂。如上所述黄麻纤维也可以用植物纤维替代。
本实施例制备的皮层为碳纤维芯层为黄麻纤维的增强树脂基复合材料杆成功解决了黄麻纤维较难应用于拉挤工艺的难题，且方法简易，便于实施；有效地将黄麻纤维保护在碳纤维层内，使得所制备的碳纤维-黄麻纤维混杂纤维杆既具有黄麻纤维复合材料的轻质、高阻尼等特点，同时具有碳纤维复合材料的高力学性能与耐腐蚀性能。
实施例2
一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法如下，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维。
1)选用台塑集团产TC36S型号、12K规格的连续长碳纤维束作为混杂杆的碳纤维保护层增强纤维，选用潍坊万德孚家居用品有限公司提供的孟加拉进口连续长黄麻纱线(纱支4.2支，股线1股，捻度326捻/m，纱线直径0.4～0.5mm)作为混杂杆杆芯增强纤维，树脂体系选用环氧树脂体系，其成分以凤凰牌双酚A型环氧树脂E51为树脂、嘉兴市清洋化学有限公司产的甲基六氢邻苯二甲酸酐为固化剂、济南易盛树脂有限公司产的DMP30为促进剂及北京科拉斯技术有限公司(AXEL)产的型号为INT-1890M的脱模剂为内脱模剂，其质量配比按顺序为100:80:2:1。
2)利用拉挤成型工艺：工艺所用拉挤机组成部分包括纱架、矩形纤维分散架、浸渍槽、圆环形纤维分散器、芯层预成型模具、圆柱形高温口模、后固化箱、牵引机及缠绕机；碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；树脂置于浸渍槽内；牵引速率为20cm/min的牵引作用下，两种纤维从纱架上牵出，穿过矩形纤维分散架进入浸渍槽内，并被树脂充分浸渍，接着均匀穿过圆环形纤维分散器(碳纤维、黄麻纤维分别位于外圈、内圈)，然后黄麻纤维单独进入聚四氟乙烯制芯层预成型模具进行芯层预成型，碳纤维再均匀包裹在预成型后的黄麻芯层表面，一起通过圆柱形高温口模，固化成型，并通过后固化箱进行后固化，最后成型复合材料杆通过牵引机并利用缠绕机缠绕成卷，形成皮层为碳纤维芯层为黄麻纤维的增强树脂基复合材料杆产品；通过控制芯层预成型模具与圆柱形高温口模尺寸，控制复合材料杆的直径为8mm，碳纤维皮层厚度为1mm。
实施例3
一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法如下，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维。
1)选用台塑集团产TC36S型号、12K规格的连续长碳纤维束作为混杂杆的碳纤维保护层增强纤维，选用潍坊万德孚家居用品有限公司提供的孟加拉进口连续长黄麻纱线(纱支4.2支，股线1股，捻度326捻/m，纱线直径0.4～0.5mm)作为混杂杆杆芯增强纤维，树脂体系选用环氧树脂体系，其成分以凤凰牌双酚A型环氧树脂E51为树脂、嘉兴市清洋化学有限公司产的甲基六氢邻苯二甲酸酐为固化剂、济南易盛树脂有限公司产的DMP30为促进剂及北京科拉斯技术有限公司(AXEL)产的型号为INT-1890M的脱模剂为内脱模剂，其质量配比按顺序为100:80:2:1。
2)利用拉挤成型工艺：工艺所用拉挤机组成部分包括纱架、矩形纤维分散架、浸渍槽、圆环形纤维分散器、芯层预成型模具、圆柱形高温口模、后固化箱、牵引机及缠绕机；碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；树脂置于浸渍槽内；牵引速率为12cm/min的牵引作用下，两种纤维从纱架上牵出，穿过矩形纤维分散架进入浸渍槽内，并被树脂充分浸渍，接着均匀穿过圆环形纤维分散器(碳纤维、黄麻纤维分别位于外圈、内圈)，然后黄麻纤维单独进入聚四氟乙烯制芯层预成型模具进行芯层预成型，碳纤维再均匀包裹在预成型后的黄麻芯层表面，一起通过圆柱形高温口模，固化成型，并通过后固化箱进行后固化，最后成型复合材料杆通过牵引机并利用缠绕机缠绕成卷，形成皮层为碳纤维芯层为黄麻纤维的增强树脂基复合材料杆产品；通过控制芯层预成型模具与圆柱形高温口模尺寸，控制复合材料杆的直径为19mm，碳纤维皮层厚度为2mm。
实施例4
一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法如下，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维。
1)选用台塑集团产TC36S型号、12K规格的连续长碳纤维束作为混杂杆的碳纤维保护层增强纤维，选用潍坊万德孚家居用品有限公司提供的孟加拉进口连续长黄麻纱线(纱支4.2支，股线1股，捻度326捻/m，纱线直径0.4～0.5mm)作为混杂杆杆芯增强纤维，树脂体系选用乙烯基酯树脂体系，其成分以华东理工大学华昌聚合物有限公司产的MFE-双酚2A型乙烯基酯树脂为树脂、上海谱振生物科技有限公司产的叔丁基过氧化氢(TBHP)为促进剂、青岛飞洋商贸有限公司产的Perkadox 16为引发剂及北京科拉斯技术有限公司(AXEL)产的型号为INT-1890M的脱模剂为内脱模剂，其质量配比按顺序为100:1:0.2:1。
2)利用拉挤成型工艺：工艺所用拉挤机组成部分包括纱架、矩形纤维分散架、浸渍槽、圆环形纤维分散器、芯层预成型模具、圆柱形高温口模、后固化箱、牵引机及缠绕机；碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；树脂置于浸渍槽内；牵引速率为20cm/min的牵引作用下，两种纤维从纱架上牵出，穿过矩形纤维分散架进入浸渍槽内，并被树脂充分浸渍，接着均匀穿过圆环形纤维分散器(碳纤维、黄麻纤维分别位于外圈、内圈)，然后黄麻纤维单独进入聚四氟乙烯制芯层预成型模具进行芯层预成型，碳纤维再均匀包裹在预成型后的黄麻芯层表面，一起通过圆柱形高温口模，固化成型，并通过后固化箱进行后固化，最后成型杆通过牵引机并利用缠绕机缠绕成碳纤维再均匀包裹在预成型后的黄麻芯层表面，一起通过圆柱形高温口模，固化成型，并通过后固化箱进行后固化，最后成型复合材料杆通过牵引机并利用缠绕机缠绕成卷，形成皮层为碳纤维芯层为黄麻纤维的增强树脂基复合材料杆产品；通过控制芯层预成型模具与圆柱形高温口模尺寸，控制复合材料杆的直径为8mm，碳纤维皮层厚度为1mm。
实施例5
一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法如下，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维。
1)选用台塑集团产TC36S型号、12K规格的连续长碳纤维束作为混杂杆的碳纤维保护层增强纤维，选用潍坊万德孚家居用品有限公司提供的孟加拉进口连续长黄麻纱线(纱支4.2支，股线1股，捻度326捻/m，纱线直径0.4～0.5mm)作为混杂杆杆芯增强纤维。树脂体系选用环氧树脂与聚氨酯树脂两种树脂体系，其中环氧树脂体系以凤凰牌双酚A型环氧树脂E51为树脂、嘉兴市清洋化学有限公司产的甲基六氢邻苯二甲酸酐为固化剂、济南易盛树脂有限公司产的DMP30为促进剂及北京科拉斯技术有限公司(AXEL)产的型号为INT-1890M的脱模剂为内脱模剂，其质量配比按顺序为100:80:2:1；聚氨酯树脂体系选用巴斯夫聚氨酯(中国)有限公司产的型号为C6226/101的双组份热固型聚氨酯树脂体系，其多元醇组分与异氰酸酯组分的质量配比为1:1.259。
2)利用拉挤成型工艺：工艺所用拉挤机组成部分包括纱架、矩形纤维分散架、浸渍槽、圆环形纤维分散器、芯层预成型模具、注胶机、圆柱形高温口模、后固化箱、牵引机及缠绕机；碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；环氧树脂体系置于浸渍槽内；牵引速率为30cm/min的牵引作用下，两种纤维从纱架上牵出，穿过矩形纤维分散架，仅碳纤维进入浸渍槽内，并被环氧树脂充分浸渍，接着穿过圆环形纤维分散器(碳纤维、黄麻纤维分别位于外圈、内圈)，然后黄麻纤维单独进入前端接有注射盒(使黄麻纱线被聚氨酯充分浸渍)的钢制预成模具进行芯层预成型(不预热)，碳纤维再均匀包裹在预成型后的黄麻芯层表面，一起通过圆柱形高温口模，固化成型，并通过后固化箱进行后固化，最后成型复合材料杆通过牵引机并利用缠绕机缠绕成卷，形成皮层为碳纤维芯层为黄麻纤维的增强树脂基复合材料杆产品；通过控制芯层预成型模具与圆柱形高温口模尺寸，控制复合材料杆的直径为8mm，碳纤维皮层厚度为1mm。
实施例6
一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法如下，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维。
1)选用台塑集团产TC36S型号、12K规格的连续长碳纤维束作为混杂杆的碳纤维保护层增强纤维，选用潍坊万德孚家居用品有限公司提供的孟加拉进口连续长黄麻纱线(纱支4.2支，股线1股，捻度326捻/m，纱线直径0.4～0.5mm)作为混杂杆杆芯增强纤维。树脂体系选用巴斯夫聚氨酯(中国)有限公司产的型号为C6226/101的双组份热固型聚氨酯树脂体系，其多元醇组分与异氰酸酯组分的质量配比为1:1.259。
2)利用拉挤成型工艺：工艺所用拉挤机组成部分包括纱架、矩形纤维分散架、浸渍槽、圆环形纤维分散器、芯层预成型模具、注胶机、圆柱形高温口模、后固化箱、牵引机及缠绕机；碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；聚氨酯树脂体系置于注胶机中，注胶机管道连接钢制预成型模具与圆柱形高温口模前端的注射盒；牵引速率为180cm/min的牵引作用下，两种纤维从纱架上牵出，穿过矩形纤维分散架，接着穿过圆环形纤维分散器(碳纤维、黄麻纤维分别位于外圈、内圈)，然后黄麻纤维单独进入前端接有注射盒(使黄麻纤维被聚氨酯充分浸渍)的钢制预成模具进行芯层预成型(不预热)，碳纤维再均匀包裹在预成型后的黄麻芯层表面，一起通过前端接有注射盒(使碳纤维被聚氨酯充分浸渍)的圆柱形高温口模，固化成型，并通过后固化箱进行后固化，最后成型复合材料杆通过牵引机并利用缠绕机缠绕成卷，形成皮层为碳纤维芯层为黄麻纤维的增强树脂基复合材料杆产品；通过控制芯层预成型模具与圆柱形高温口模尺寸，控制复合材料杆的直径为8mm，碳纤维皮层厚度为1mm。

Claims (6)

1.一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法，复合材料杆的皮层为碳纤维，芯层为黄麻纤维，采用通过拉挤成型工艺，其特征在于，具体制备方法如下：
步骤一：碳纤维辊固定于纱架两侧，黄麻纤维辊固定于纱架内侧，并位于碳纤维辊中间；步骤二：碳纤维与黄麻纤维分别通过纤维分散架有序地进入树脂基体浸渍槽；
步骤三：经过步骤二后的碳纤维与黄麻纤维通过圆环形纤维分散器，其中碳纤维在圆环形分散器的外圈上均匀分布，黄麻纤维在圆环形分散器的内圈上均匀分布；
步骤四：经过步骤三后的黄麻纤维需单独通过预成型模具进行芯层预成型；
步骤五：经过步骤三后的碳纤维均匀包裹在经过步骤四后的黄麻纤维表面，并一起进入高温口模；
步骤六：经过步骤五后的碳纤维与黄麻纤维通过后固化箱再通过牵引机；
步骤七：待高温口模与后固化箱均达设定温度后，将配好的树脂基体倒入树脂浸渍槽或注胶机中，按一定牵引速率运行牵引机，开始进行复合材料杆的拉挤制备，所制备的产品经过缠绕机缠绕成卷。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法，其特征在于：所述浸渍槽用注胶机代替。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法，其特征在于：所述的黄麻纤维为黄麻纱线，纱支4.2支，股线1股，捻度326捻/m，纱线直径0.4～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法，其特征在于：所述的树脂基体为环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯或聚氨酯树脂。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆的制备方法，其特征在于，所述黄麻纤维用其它植物纤维替代。
6.根据权利要求1-4任一项制备方法制得的一种碳纤维-黄麻混杂复合材料杆，其特征在于，复合材料杆的直径为2～22mm，皮层厚度为0.5～2mm。
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