CN107399090B - 一种纤维增强发泡复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种含有连续纤维的增强发泡复合材料的制造方法。它采用一个浸渍设备通过施加压力连续地用含有发泡剂的处于液态的基体材料浸透纤维，由于基体材料中含有发泡剂，浸透的纤维离开所述的浸渍设备后基体材料开始发泡，最后固化或者定型，由此含有连续纤维的增强发泡复合材料得以制成。

Description

一种纤维增强发泡复合材料及其制造方法

摘要

本发明披露了一种含有连续纤维的增强发泡复合材料的制造方法。它采用一个浸渍设备通过施加压力连续地用含有发泡剂的处于液态的基体材料浸透纤维，由于基体材料中含有发泡剂，浸透的纤维离开所述的浸渍设备后基体材料开始发泡，最后固化或者定型，由此含有连续纤维的增强发泡复合材料得以制成。

技术领域

本发明涉及一种含有连续纤维的增强发泡复合材料及其制造方法，还涉及一种含有连续纤维的增强发泡复合材料半成品及其制造方法以及由所述半成品制造复合材料的方法，进一步的，本发明还涉及含有所述纤维增强发泡复合材料的复合材料结构。

背景技术

纤维增强复合材料由主要起着增强作用的纤维分散相和主要起着粘结作用的基体材料连续相组成，其性能的关键影响因素之一是纤维和基体材料的界面粘结力，而界面粘结力的关键影响因素之一是基体材料对纤维的浸渍质量，所以制造高性能的纤维增强复合材料的关键之一是提高基体材料对纤维的浸渍质量。同时，减轻质量、提高强度一直是复合材料的发展方向，而使基体材料在成型和固化过程中发泡则是一个非常有效的减轻质量的途径，所以发泡复合材料能够很好地顺应这一发展方向。

当前工业界开发的纤维增强发泡复合材料主要有热塑性发泡复合材料和热固性发泡复合材料两大类。一类是热塑型性发泡复合材料，主要包括聚氯乙烯（PVC）为基体材料的复合材料，其基体树脂中含有低沸点的溶剂，在成型过程中由于高温的作用，溶剂汽化在树脂基体中形成气孔，最终固化形成发泡复合材料，它们以短纤维或者颗粒增强的发泡复合材料为主,其不足之处是纤维含量低,机械强度弱；另一类为热固性发泡复合材料，它们由连续的或者短切的纤维浸透了热固性基体树脂然后在模具中固化，含有发泡剂的基体树脂在模具中发泡固化从而制成发泡复合材料。其浸渍过程通常在常压开放的环境中进行，因此纤维与树脂的浸渍质量不高，导致所制得的复合材料的机械性能不足，而且无法连续成型复杂截面的发泡复合材料型材。

本发明采用密闭的浸渍设备用含有发泡剂的基体材料在一定的压力下连续不断地高质量地浸渍通过浸渍设备的纤维及其织物，而后被浸透的纤维在模具中固化成型，从而制得高性能、高纤维含量的纤维增强发泡复合材料，既提高了性能，又简化了工艺，降低了成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一方面，它提供了一种纤维增强发泡复合材料制品，其特征为：a) 所述纤维增强发泡复合材料中含有排列方向一致的连续纤维（即长度不小于复合材料本身的长度的纤维）作为分散相和具有泡孔结构的基体材料作为连续相; b) 所述纤维增强发泡复合材料中排列方向一致的纤维占所述复合材料中全部纤维重量的比例不低于20%；优选的，不低于40%，更优选的，不低于60%；c） 所述纤维增强发泡复合材料中具有泡孔结构的基体材料的密度不高于所述基体材料在不发泡状态下的密度的80%；优选的，不高于60%，更优选的，不高于40%； d) 所述纤维增强发泡复合材料距离内外表面大于0.25mm 的材料本体为一个整体，没有相互粘接或者机械加工的界面。此处所谓相互粘接的界面是沿着所述复合材料的纵截面将两块材料粘在一起从而形成可以和所述本体材料进行区分的薄层。此处所谓机械加工的界面是指沿着所述复合材料的纵截面进行刨削、打磨从而明显改变其尺寸而形成的可以和本体材料进行区分的表面。

在本发明的一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述连续纤维选自玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、石英纤维、碳纤维、聚合物纤维、天然纤维、金属纤维中的一种或者多种的组合。

在本发明的另一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自无机材料、有机聚合物材料和金属材料中的一种或者多种的组合。

在本发明的再一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料通过低沸点物质汽化或者气化发泡膨胀或者通过其基体材料中的组分相互反应产生气体而发泡膨胀而形成泡孔结构。

在本发明的又一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自热塑型聚合物和热固性聚合物中的一种或者多种的组合。所述热塑型聚合物基体材料选自聚氯乙烯，聚乙烯，聚丙烯，尼龙，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚甲醛，PBT， 聚丁烯，聚乙烯醇，热塑型聚氨酯；所述热固性聚合物基体材料选自不饱和树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、三聚氰胺缩甲醛、酚醛树脂、聚氨酯、氰酸酯、马来酸酐树脂。

在本发明的又一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自无机材料中的一种或者多种的组合。所述无机材料选自水泥、石膏、玻璃、陶土、混凝土、陶瓷、石墨、碳、菱苦土，石英。

在本发明的另一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自金属材料中的一种或者多种的组合。所述金属材料选自铝，钢，镁，钛，铜，金，银，锡，铅，铂，铑，锶以及它们的合金。

在本发明的再一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强复合材料，其特征为：所述纤维增强发泡复合材料表面覆盖有薄膜或者织物，并且薄膜或者织物与所述纤维增强发泡复合材料的本体材料之间的界面材料与所述复合材料的基体材料相同。

在本发明的又一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述复合材料靠近表面的增强材料为纤维织物，并且浸渍所述纤维织物的基体材料与所述复合材料的基体材料相同。

本发明第二方面，它提供了一种复合材料结构，其特征为，所述复合材料结构含有前面所述的纤维增强发泡复合材料。

本发明的第三方面，它提供了一种纤维增强发泡复合材料半成品。其特征为：a)所述纤维增强发泡复合材料半成品中含有排列方向一致的连续纤维（即长度不小于复合材料半成品本身的长度的纤维）作为分散相和含有发泡剂的基体材料作为连续相; b) 所述纤维增强发泡复合材料半成品中排列方向一致的纤维占所述复合材料半成品中全部纤维重量的比例不低于20%；优选的不低于40%，更优选的不低于60%；c) 所述纤维增强发泡复合材料半成品需要重新定型或者二次固化形成复合材料; d) 所述的纤维增强发泡复合材料半成品制得的复合材料中的基体材料密度不高于所述基体材料不发泡状态下的密度的80%，优选的不高于60%，更优选的不高于40%；

本发明的第四方面，它提供了一种复合材料制备方法，其特征为：所述复合材料由前面所述的纤维增强复合材料半成品二次成型制成，所述的二次成型工艺选自拉挤、模压、真空袋压、缠绕、连续板层压、冲压、卷管、真空吸塑、切粒注塑或挤出、BMC、SMC。

本发明的第五方面，它提供了一种纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述纤维增强发泡复合材料的制造方法是连续不断地进行的并且包含以下步骤：i)将连续的纤维用处于液体状态的基体材料浸渍；ii）对浸渍了基体材料的连续纤维进行挤压从而对包裹在纤维上的液态基体材料产生压力以达到尽可能地使基体材料将纤维浸渍完全的效果；iii）在加热或者产生化学反应的条件下使基体材料产生气体从而生成气泡而膨胀；iv）牵引浸透了基体材料的连续纤维通过模具型腔，使膨胀的基体材料在所述的模具型腔内固化、硬化、半硬化或者定型。

在本发明的一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述液态基体材料浸渍纤维的步骤在密闭设备的型腔内进行，通过对浸渍纤维的液态基体材料产生压力，使所述得基体材料对所述的纤维浸渍完全。

在本发明的另一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述液态基体材料浸渍纤维的设备与基体材料固化、硬化、半硬化或者定型的定型模具的型腔同轴心，但是相互分离。

在本发明的再一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述模具入口具有与模具同心相连而又可以拆分的刮板，其型腔出口近似或等于模具型腔，用来刮除多余的液态基体材料。

在本发明的又一个有利的实施方式中，提供了一种纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：a）所述浸渍纤维的步骤在密闭的浸渍设备的型腔内进行；b）所述浸渍设备与所述定型模具同轴心相连；c) 所述浸渍设备的型腔与所述定型模具的型腔中至少有一段入口小于出口，使所述基体材料能够在其中发泡膨胀。

本发明的第六个方面，它提供了一种纤维增强发泡复合材料半成品的制造方法，其特征为：所述纤维增强发泡复合材料半成品的制造方法是连续不断地进行的并且包含以下步骤：i)将连续的纤维用处于液体状态的含有发泡剂的基体材料浸渍；ii）对浸渍了基体材料的连续纤维进行挤压从而对包裹在纤维上的液态基体材料产生压力以达到尽可能地使基体材料将纤维浸渍完全的效果；

在本发明的一个有利的实施方式中，提供了一种所述的纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述液态基体材料浸渍纤维的步骤在密闭设备的型腔内进行，通过对浸渍纤维的液态基体材料产生压力，使所述得基体材料对所述的纤维浸渍完全。

附图说明

图1是本发明的第一较佳实施例的侧视剖视图。

图2是本发明的第二较佳实施例的侧视剖视图。

图3是本发明的第三较佳实施例的侧视剖视图。

图4是本发明的第四较佳实施例的侧视剖视图。

图5是本发明的第五较佳实施例的侧视剖视图。

具体实施方式

以下将结合附图说明本发明的纤维浸渍系统的多个较佳实施例。

（第一较佳实施例）:

图1是本发明的第一较佳实施例的侧视剖视图，纤维1自左向右进入密闭的浸渍设备2，浸渍设备2的型腔中有一段挤压段3，其入口大于出口，还有一段入口保压段4，其入口与出口的截面尺寸相等或者接近，紧接着还有一个浸渍腔6，其环绕着通过其中的纤维形成一个空腔，紧接着浸渍腔的有一段出口保压段7，其截面尺寸与入口保压段相等或者接近，浸渍设备2上开有注射口5与浸渍腔6相连通，图中向上的箭头示出了液态基体材料通过注射口5进入浸渍腔6；与浸渍设备2前后排布的还有成型模具9，成型模具9的内部型腔与浸渍设备的内部型腔同轴心，优选的，成型模具9的入口端安排有刮板8，刮板8中有供纤维通过的型腔并且与成型模具9的型腔同轴，优选的,刮板8中的型腔出口截面尺寸等于成型模具9的型腔截面尺寸，更优选的,刮板8中的型腔入口大于出口。在本发明的实施过程中，纤维1依次通过密闭的浸渍设备2中的型腔，在浸渍腔6中被液态的基体材料浸透，然后通过刮板8中的型腔进入成型模具9，在成型模具9中的型腔中发泡定型，最后形成纤维增强发泡复合材料10被连续不断地牵引出模具。可选的，被浸渍透的纤维1在离开浸渍设备2后进入成型模具9之前即开始发泡。在本发明实施案例的实施过程中，密闭的浸渍设备2中的挤压段3、入口保压段4和出口保压段7确保了液态的基体材料在浸渍腔6中具有足够的压力从而完全浸透纤维。

可选的，本实施案例也可以用来制备纤维增强发泡复合材料半成品。即纤维1被连续地牵引通过密闭的浸渍设备2并被含有发泡剂的液态基体材料浸透，然后不马上进入成型模具9成型，而是作为半成品进入二次成型工序，包括但不限于作为半成品通过拉挤工艺、模压工艺、层压工艺、连续板工艺、缠绕工艺、冲压工艺、真空吸塑工艺、被切粒后注射工艺二次成型。

（第二较佳实施例）:

图2是本发明的第二较佳实施例的侧视剖视图，第二较佳实施例与第一较佳实施例类似，区别在于将浸渍设备2的注射口5安置于接近于浸渍设备2的入口处，同时取消了入口保压段4和出口保压段7。其好处是只用较小的压力就可以将液态的基体材料注入浸渍设备2同时也能通过挤压段3对基体材料产生压力从保证液态基体材料对纤维的浸渍质量。

（第三较佳实施例）:

图3是本发明的第三较佳实施例的侧视剖视图，第三较佳实施例与第一较佳实施例类似。区别在于浸渍设备2的型腔与成型模具9的型腔同轴心地连接为一个整体，同时在浸渍腔6的后端存在一个膨胀段11，其入口小于出口。其好处是液态基体材料在膨胀段中可以逐步膨胀而且不会泄漏。可选的，浸渍设备2和成型模具9可以作为一个整体加工制造。

（第四较佳实施例）:

图4是本发明的第四较佳实施例的侧视剖视图,第四较佳实施例与第三较佳实施例类似，区别在于将注射口5安排与浸渍设备的入口处，同时取消了入口保压段4和出口保压段7，其好处与第二较佳实施例相同，即减少了液态基体材料注入浸渍设备2的压力。

（第五较佳实施例）:

图5是本发明的第五较佳实施例的侧视剖视图,第五较佳实施例与第一较佳实施例类似，区别在于将薄膜或者织物5从成型模具9入口处喂入。其好处在于可以制造带有表面保护性或者装饰性的薄膜或者织物的纤维增强发泡复合材料，同时还可以防止基体材料在成型模具9入口处泄漏浪费。

虽然以上结合了较佳实施例对本发明的纤维增强发泡复合材料及其制造方法进行了说明，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，上述示例仅是用来说明的，而不能作为对本发明的限制。因此，可以在权利要求书的实质精神范围内对本发明进行变型。这些变型都将落在本发明的权利要求书所要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种纤维增强发泡复合材料制造设备，其特征为，包括浸渍设备和成型模具，所述浸渍设备具有轴向延伸的周向密闭的空腔，所述成型模具具有轴向延伸的周向密闭的模具型腔，所述空腔具有依次连接的挤压段、入口保压段、浸渍腔和出口保压段，所述挤压段的入口径向尺寸大于出口径向尺寸，所述入口保压段的入口径向截面尺寸和出口径向截面尺寸大体相等，所述出口保压段的径向截面尺寸与入口保压段的径向截面尺寸大体相等，所述浸渍设备上开有连通至所述浸渍腔的注射口，所述浸渍设备和成型模具以所述空腔和模具型腔同轴方式前后排布，所述浸渍设备的空腔出口径向尺寸小于所述成型模具的模具型腔的入口径向尺寸，所述浸渍设备与所述成型模具之间具有容纳材料发泡的轴向间距或所述浸渍设备的空腔和成型模具的型腔之间通过膨胀段轴向连接为一个整体，所述膨胀段的入口径向尺寸小于出口径向尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种纤维增强发泡复合材料制造设备，其特征在于，在与所述浸渍设备同轴分离设置的所述成型模具的入口处设有向其型腔内喂入薄膜或织物的装置。

3.一种纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述纤维增强发泡复合材料的制造方法是采用前述权利要求1或2所述的制造设备连续不断地进行的并且包含以下步骤：i)牵引连续的纤维通过所述浸渍设备的空腔使纤维被处于液体状态的基体材料浸渍；ii）在所述空腔内对浸渍了基体材料的连续纤维进行挤压从而对包裹在纤维上的液态基体材料产生压力以达到尽可能地使基体材料将纤维浸渍完全的效果；iii）在加热或者产生化学反应的条件下使基体材料产生气体从而生成气泡而膨胀；iv）牵引浸透了基体材料的连续纤维通过成型模具的模具型腔的同时使基体材料在所述的模具型腔内发泡膨胀、固化、硬化、半硬化或者定型；其中，所述步骤i)和步骤ii）在所述浸渍设备的周向密闭的空腔内完成。

4.根据权利要求3所述的纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述周向密闭的浸渍设备的型腔具有保压段或挤压段，所述保压段或挤压段内浸渍纤维的液态基体材料的压力高于常压，使所述基体材料对所述的纤维浸渍完全。

5.根据权利要求3所述的纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述液态基体材料浸渍纤维的设备与基体材料固化、硬化、半硬化或者定型的定型模具的型腔同轴心，但是相互分离。

6.根据权利要求3中所述的纤维增强发泡复合材料的制造方法，其特征为：所述模具入口具有与模具同心相连而又可以拆分的刮板，其型腔出口近似或等于模具型腔，用来刮除多余的液态基体材料。

7.一种纤维增强发泡复合材料，其特征为：a) 所述纤维增强发泡复合材料中含有排列方向一致的连续纤维作为增强相和具有泡 孔结构的基体材料作为基体相; b) 所述纤维增强发泡复合材料中排列方向一致的纤维占所述复合材料中全部纤维重量的比例不低于20%；c)所述纤维增强发泡复合材料中具有泡 孔结构的基体材料的密度不高于所述基体材料在不发泡状态下的密度的80%； d) 所述纤维增强发泡复合材料距离内外表面大于0.25mm的材料本体为一个整体，没有相互粘接或者机械加工的界面；e）所述纤维增强发泡复合材料采用权利要求3~6任一所述的方法连续浸渍发泡固化成型。

8.根据权利要求7所述的纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述连续纤维选自玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、石英纤维、碳纤维、聚合物纤维、天然纤维、金属纤维中的一种或者多种的组合。

9.根据权利要求7所述的纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自无机材料、有机聚合物材料和金属材料中的一种或者多种的组合。

10.权利要求9所述的纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料通过低沸点物质汽化或者气化发泡膨胀或者通过其基体材料中的组分相互反应产生气体而发泡膨胀而形成泡孔结构。

11.根据权利要求9所述的纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自热塑型聚合物和热固性聚合物中的一种或者多种的组合;所述热塑型聚合物基体材料选自聚氯乙 烯，聚乙烯，聚丙烯，尼龙，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚甲醛，PBT， 聚丁烯，聚乙烯醇，热塑型 聚氨酯；所述热固性聚合物基体材料选自不饱和树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、三聚氰胺缩 甲醛、酚醛树脂、聚氨酯、氰酸酯、马来酸酐树脂。

12.根据权利要求9所述的纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自无机材料中的一种或者多种的组合;所述无机材料选自水泥、石膏、玻璃、陶土、混凝土、陶瓷、石墨、 碳、菱苦土，石英。

13.根据权利要求9所述的纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述基体材料选自金属材料中的一种或者多种的组合;所述金属材料选自铝，钢，镁，钛，铜，金，银，锡，铅，铂，铑，锶以及它们的合金。

14.根据权利要求7所述的纤维增强复合材料，其特征为：所述纤维增强发泡复合材料表面覆盖有薄膜或者织物，并且薄膜或者织物与所述纤维增强发泡复合材料的本体材料之间的界面材料与所述复合材料的基体材料相同。

15.根据权利要求7所述的纤维增强发泡复合材料，其特征为：所述复合材料靠近表面的增强材料为纤维织物，并且浸渍所述纤维织物的基体材料与所述复合材料的基体材料相同。

16.一种复合材料结构，其特征为，所述复合材料结构含有权利要求7~15任一所述的纤维增强发泡复合材料。

17.一种纤维增强发泡复合材料半成品的制造方法，其特征为：所述纤维增强发泡复合材料半成品的制造方法是连续不断地进行的并且包含以下步骤：i)将连续的纤维用处于液体状态的含有发泡剂的基体材料浸渍；ii）对浸渍了基体材料的连续纤维进行挤压从而对包裹在纤维上的液态基体材料产生压力以达到尽可能地使基体材料将纤维浸渍完全的效果；所述步骤i)和步骤ii）在同一个周向密闭的浸渍设备的空腔内完成后输出所述半成品，所述空腔具有依次连接的挤压段、入口保压段、浸渍腔和出口保压段，所述挤压段的入口径向尺寸大于出口径向尺寸，所述入口保压段的入口径向截面尺寸和出口径向截面尺寸大体相等，所述出口保压段的径向截面尺寸与入口保压段的径向截面尺寸大体相等，所述浸渍设备上开有连通至所述浸渍腔的注射口。

18.一种复合材料半成品，其特征在于，a) 所述纤维增强发泡复合材料半成品中含有排列方向一致的连续纤维作为分散相和含有发泡剂的基体材料作为连续相，所述连续纤维是指长度不小于复合材料半成品本身的长度的纤维; b)所述纤维增强发泡复合材料半成品中排列方向一致的纤维占所述复合材料半成品中全部纤维重量的比例不低于20%；c) 所述纤维增强发泡复合材料半成品需要重新定型或者二次固化形成复合材料; d) 所述的纤维增强发泡复合材料半成品制得的复合材料中的基体材料密度不高于所述基体材料不发泡状态下的密度的80% ；e）所述纤维增强发泡复合材料半成品采用权利要求17所述的制造方法由所述纤维连续地在周向密闭的浸渍设备空腔中被液态的所述基体材料浸渍而成。

19.一种复合材料制备方法，其特征在于，采用权利要求18的半成品后二次成型制成，所述的二次成型工艺选自拉挤、模压、真空袋压、缠绕、连续 板层压、冲压、卷管。

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