CN107662353B - 一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置 - Google Patents
一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107662353B CN107662353B CN201711033956.1A CN201711033956A CN107662353B CN 107662353 B CN107662353 B CN 107662353B CN 201711033956 A CN201711033956 A CN 201711033956A CN 107662353 B CN107662353 B CN 107662353B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- orientation
- staple fiber
- mixed liquor
- liquid
- reinforced polymer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
- B29C70/34—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/06—Fibrous reinforcements only
- B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
- B29C70/12—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of short length, e.g. in the form of a mat
- B29C70/14—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of short length, e.g. in the form of a mat oriented
Abstract
本发明提供了一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，依次包括备料工序、取向工序和成型工序，通过备料工序获得短纤维混合液，通过取向工序对短纤维混合液进行取向，通过成型工序进行短纤维的编织与铺层设计并最终制备得到取向短纤维增强树脂基复合材料。本发明同时还提供了一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置。本发明开创了一种新的取向短纤维增强树脂基复合材料的制备方法，能通过编辑排列短纤维的取向来改善短纤维对树脂基体的增强效果，获得的复合材料性能优良，简化了短纤维取向利用工艺步骤。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强树脂基复合材料制造技术领域，更具体地说是一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料具有优异的机械性能、良好的耐腐蚀性和较低的热膨胀系数，被广泛的用于航空、航天、汽车、船舶及体育休闲等领域。近年来，随着碳纤维制品的广泛使用，生产及使用过程中产生的报废品也大大增加，这些报废品经处理后得到的碳纤维保持良好的性能，具有较高的再利用价值，是短纤维的重要来源。然而，回收的短纤维具有无取向、长短不一、非连续的特点，针对这些特点，如何高价值再利用短纤维是现在面临的一个难点。
对于短碳纤维复合材料，通过重整短碳纤维，提高其在复合材料中的取向性，是提高短碳纤维复合材料性能的一个关键过程。通过重整，纤维的排列更加有序，在复合材料中可以达到更高的纤维含量，因而复合材料不仅在纤维排列方向的性能大大提高，整体性能同样也会提升，另外，由于纤维之间的相互作用减小，模塑时所需压力也会大大减小。
目前，回收得到的短碳纤维大多都采用直接成型技术利用，即将回收碳纤维经进一步短切或者磨碎，直接对其进行成型。该成型方法主要为注塑成型，具体是：将热塑性树脂、碳纤维(短纤维或者磨碎纤维)以及其他添加物和填充物等首先混炼并制备成粒料，然后通过注塑机在高压下(10-100Mpa)进行注塑成型。由于这种成型方法在成型过程中需要较高的压力，因此，纤维的长度不得不控制在很短的范围内，使得到的复合材料的强度和刚性都有明显的下降。并且，直接成型技术纤维含量低(<20％)、排序紊乱，纤维的机械性能无法得到充分的发挥。
而现有的短纤维取向利用技术是依次通过短纤维与溶液混合、纤维取向、短纤维与溶液分离、干燥流程后先制得取向成短纤维毡，其后通过RTM(树脂传递塑模成型)或热压罐成型等纤维成型技术利用。这种方法有很多不足之处，如：
1)短纤维只能制为单向取向毡，无法进行短纤维取向的编织，所制得的复合材料只能做到单向性能或多向性能增强，无法按照材料的性能需求对任意所需方向进行增强；
2)短纤维取向混合液主分散介质为水或有机溶剂，短纤维分离出后会产生大量废液，不利于绿色设计制造，且短纤维混合液中包含粘结剂，使取向后的短纤维粘结成毡，而粘结剂会影响短纤维与基体材料的结合，从而会影响复合材料的性能；
3)制备工艺复杂，取向装置生产效率低，制备取向短纤维毡需排列布置多组取向设备同时工作，装置布置繁杂。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，以期能通过编辑排列短纤维的取向来改善短纤维对树脂基体的增强效果，简化短纤维取向利用工艺步骤。
本发明的另一个目的在于提出一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，是特点是按如下步骤进行：
步骤1、备料
向搅拌装置中依次投入固化剂和液态树脂进行搅拌分散均匀，获得复合液，所述复合液中固化剂的质量为液态树脂质量的2％-20％；向搅拌装置中添加稀释剂进一步搅拌至液体粘度为0.1-20Pa.s，获得稀释后的复合液；再向搅拌装置中加入短纤维并继续搅拌10-20min，获得短纤维混合液并导入储液池，所述短纤维混合液中短纤维的添加量为稀释后的复合液质量的1-60％；
步骤2、取向
将储液池中的短纤维混合液泵送至取向装置中，由取向装置对短纤维混合液进行取向，获得取向短纤维混合液；
步骤3、成型
a)铺层设计
将所述取向短纤维混合液经导流管输送至固定在三轴移动平台Z轴上的出液喷头中，由控制器控制Z轴的移动及设置在导流管上的电磁阀的开关，使取向短纤维混合液按Z轴的移动轨迹流到位于出液喷头下方的模具中，并通过电磁阀控制出液喷头的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布，获得铺放成型的取向短纤维混合液；
b)预成型
将带有铺放成型的取向短纤维混合液的模具经传送带传送至控温隧道中，在温度为50-90℃的环境下加热10-40min，获得复合材料毛坯；
c)热压罐成型
将所述的复合材料毛坯进行预处理后放入热压罐内，对热压罐加温加压至温度为50-200℃、压力为0.1-0.8MPa的成型条件，维持成型条件60-180min，使复合材料毛坯固化成型，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
本发明的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，其特点也在于步骤1中：
所述液态树脂为热固性树脂；
所述固化剂为双氰胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、间苯二甲胺、乙二胺中的一种或多种；
所述稀释剂为丙酮或无水乙醇，所述短纤维为天然纤维以及化学合成纤维的一种或多种；
所述短纤维的长度为1-200mm；
所述搅拌装置的搅拌速度为300-1000r/min；
所述储液池中设有风动振动器，用于降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散，所述风动振动器的振动频率为1000-5000次/分，振幅为1-20mm。
所述液态树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、热固性酚醛树脂的一种或多种。
所述取向装置内设多个相互独立且旋向一致的螺旋流道，通过电机驱动置于所述取向装置中的光轴以100-1000r/min的转速旋转，实现对流经各螺旋流道内的短纤维混合液进行取向。
步骤a)中，所述三轴移动平台的X轴方向和Y轴方向可移动最大距离均为1500mm，Z轴方向可移动最大距离为500mm，三轴移动速度为8-15m/min；
步骤b)中，所述控温隧道的长度为1-2m，控温隧道内传送带持续运行，传送带运行速度为0.05-0.1m/min；
步骤c)中，对所述复合材料毛坯进行预处理，包括如下步骤：
ⅰ、将模具内腔上边沿四周用挡胶条挡住，在复合材料毛坯上依次铺放隔离膜与吸胶材料；
ⅱ、在模具上端设置密封胶条后铺放真空薄膜，通过密封胶条与真空薄膜对模具内的复合材料毛坯进行密封；
ⅲ、在真空薄膜上设真空嘴，打开热压罐操作系统中的真空泵对模具内抽真空至-0.1MPa；
ⅳ、将模具置于工作台上并推入热压罐内。
本发明还提供了一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置，由备料单元、取向装置和成型单元构成；
所述备料单元用于对短纤维和稀释后的复合液进行搅拌，获得短纤维混合液并泵送至取向装置；
所述取向装置用于对短纤维混合液进行取向，获得取向短纤维混合液；
所述成型单元用于接收取向短纤维混合液并依次对其进行铺层设计、预成型及热压罐成型，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
本发明的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置，其结构特点也在于：
所述备料单元是由搅拌装置及储液池通过管道连接构成，所述储液池中设有风动振动器，用于降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散；
所述取向装置与所述备料单元之间设有增压泵，用于将储液池中的短纤维混合液泵入取向装置中；
所述成型单元包括三轴移动平台、控温隧道、热压罐及传送带；在所述三轴移动平台的Z轴上固设出液喷头，所述取向装置与所述出液喷头之间通过导流管相连通，所述导流管上设置有电磁阀，所述传送带上位于所述出液喷头的下方放置有模具，通过控制器控制Z轴的移动及导流管上电磁阀的开关，使出液喷头中的短纤维混合液按Z轴的移动轨迹流到所述模具中，并通过电磁阀控制出液喷头的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布；通过传送带将模具传送至所述控温隧道中进行预成型获得复合材料毛坯，通过所述热压罐对复合材料毛坯进行成型加工，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
所述出液喷头内部沿短纤维混合液的流向呈由圆柱形腔体平滑渐收为扁平形腔体的结构，出液喷头内部高80mm，所述圆柱形腔体的内径为8-16mm，所述扁平形腔体的宽度为2-6mm、长度为8-16mm。
所述取向装置的结构设置为：
一竖置的筒体内腔由上至下呈内径递减的“T”形台阶状结构，依次形成储液腔和取向腔；
由电机驱动可转的光轴在所述筒体的中心沿轴向自所述储液腔延伸至所述取向腔的底端，所述光轴由自上至下布置的小径段和大径段构成；
所述储液腔的外壁设有开口并通过管道与增压泵相连通，用于存储由增压泵泵入的短纤维混合液，所述光轴的小径段自所述储液腔延伸至所述取向腔的上端部；
所述取向腔内壁具有多个相互独立且旋向一致的螺旋槽，所述光轴的大径段位于所述取向腔内并与所述取向腔的内壁紧密贴合，使多个螺旋槽形成多个相互独立的螺旋流道，且短纤维混合液沿螺旋流道向下运动的旋转方向与所述光轴的旋向一致，通过驱动装置驱动所述光轴旋转，实现对流经各螺旋流道内的短纤维混合液进行取向；
在所述螺旋流道的末端与所述取向腔的底端之间具有与所述螺旋槽相契合的过渡结构，所述过渡结构是自螺旋流道的末端螺旋向上延伸至临近所述取向腔内壁，以所述过渡结构与所述取向腔内壁之间的空隙形成出液口，所述出液口与所述过渡结构相交的端面呈自上至下由螺旋线切向渐变至竖直方向的圆弧状结构；
所述筒体的底部具有与各出液口一一对应设置的过渡通孔，所述过渡通孔的顶端与所述出液口的底端相衔接，底端与导流管相连。
所述储液腔与所述取向腔之间设有过渡腔，所述过渡腔的内径小于所述储液腔的内径，大于所述取向腔的内径，用于使短纤维混合液由储液腔平缓流入至取向腔中；
所述过渡通孔自顶端向下平缓渐变为圆形并向下延伸形成圆形通道，所述圆形通道的内径为8-16mm；
所述取向腔的内径为30-300mm，长度为100-600mm，所述螺旋槽数量为2-10个，牙宽为10-30mm，牙深5-15mm，牙距为2-30mm，螺旋槽螺旋升角为10-40°，所述圆弧状结构的半径为10-30mm。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明中，短纤维是直接在树脂溶液中取向，取向完成后通过三轴移动平台进行短纤维的编织与铺层设计，开创了一种新的取向短纤维增强树脂基复合材料的制备方法，且获得的复合材料性能优良；
2、本发明中，短纤维混合液是由液态热固性树脂与短纤维直接混合，短纤维在树脂中取向编辑完成后直接进行成型，无需在短纤维取向后进行纤维分散介质(复合液)与短纤维的分离，舍弃了现有工艺中产生大量废液的弊端，解决了现有技术短纤维取向后分散介质(复合液)处理的难题；
3、本发明可通过控制三轴移动平台上出液喷头的水平移动方向实现短纤维的不同取向编织铺放，可根据复合材料所需性能对纤维的取向与结构分布进行相应的铺层设计，不仅弥补了现有工艺只能制备单向取向毡的不足，其适用性更广，开创了一种新的短纤维取向编辑方法；
4、本发明的取向装置结构设计新颖，是通过驱动光轴旋转带动光轴表面的短纤维混合液运动，在螺旋流道中形成流速梯度，同时利用螺旋的离心作用，使短纤维在溶液中形成取向，其短纤维取向性高、取向结构均匀且可适用于较长的短纤维取向；
5、本发明生产效率高，取向装置可外接与螺旋流道相同数量的导流管，且可由各导流管一一对应地外接多台三轴移动平台，同时制备不同取向、结构的复合材料坯件，整体装置布置简单，易于实现产业化生产；
6、本发明的短纤维增强树脂基复合材料中纤维含量、树脂种类及纤维分布结构的可控性高，可通过调整短纤维质量比及选择合适的树脂来制备所需的不同性能的复合材料。
附图说明
图1是本发明制备取向短纤维增强树脂基复合材料装置的整体结构示意图；
图2是本发明中取向装置的结构示意图；
图3是本发明取向装置的外筒的结构示意图；
图4是图3的A向剖视结构示意图；
图5是图3的B向剖视结构示意图；
图6是本发明取向装置的喷头盖外端面的结构示意图；
图7是本发明取向装置的喷头盖内端面的结构示意图；
图8是本发明出液喷头的剖视结构示意图。
图中，1搅拌装置；2储液池；3风动振动器；4增压泵；5取向装置；6导流管；7三轴移动平台；8出液喷头；9电磁阀；10控温隧道；11热压罐；12传送带；13工作台；14模具；15筒体；16储液腔；17取向腔；18过渡腔；19电机；20光轴；21螺旋流道；22过渡结构；23出液口；24套筒；25喷头盖；26过渡通孔。
具体实施方式
实施例一：
参见图1，本实施例的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法是按如下步骤进行：
步骤1、备料
向搅拌装置1中依次投入50g二乙烯三胺固化剂和1000g的牌号为E-51双酚A型环氧树脂，以500r/min的速度搅拌同时添加无水乙醇，至粘度为12Pa.s时停止添加，获得稀释后的复合液；再向搅拌装置1中加入300g短纤维并继续搅拌10min，获得短纤维混合液并导入储液池2，保持储液池2中的风动振动器3以3000次/分的振动频率、3mm的振幅持续运行，以降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散；
步骤2、取向
设置增压泵4压力为0.4MPa，打开增压泵4，将储液池2中的短纤维混合液泵送至取向装置5的4个螺旋流道21中，通过电机19驱动光轴20以300r/min的转速旋转，带动光轴20表面的短纤维混合液运动，在螺旋流道21中形成流速梯度，同时利用螺旋的离心作用，使短纤维在溶液中形成取向，获得取向短纤维混合液；
步骤3、成型
a)铺层设计
将取向短纤维混合液经4根导流管6一一对应地输送至分别固定在4台三轴移动平台7Z轴上的出液喷头8中，于控制器输入预设垂直交叉取向轨迹，由控制器控制各三轴移动平台7Z轴的移动及设置在各导流管6上的电磁阀9的开关，使取向短纤维混合液按各三轴移动平台7Z轴的移动轨迹流到位于各出液喷头8下方的长、宽、高为15cm×15cm×2cm的模具14中，并通过各导流管6上的电磁阀9控制相应的各出液喷头8的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布，获得铺放成型的取向短纤维混合液；
b)预成型
将带有铺放成型的取向短纤维混合液的模具14经传送带12以0.1m/min的速度传送至长2m的控温隧道10并在控温隧道中持续运行，在温度为50℃的环境下加热20min，获得复合材料毛坯；
c)热压罐成型
对复合材料毛坯进行预处理，包括如下步骤：
ⅰ、将模具内腔上边沿四周用挡胶条挡住，在复合材料毛坯上依次铺放隔离膜与吸胶材料；
ⅱ、在模具上端设置密封胶条后铺放真空薄膜，通过密封胶条与真空薄膜对模具内的复合材料毛坯进行密封；
ⅲ、在真空薄膜上设真空嘴，打开热压罐操作系统中的真空泵对模具内抽真空至-0.1MPa；
ⅳ、将模具置于工作台上并推入热压罐内；
再对热压罐11依次进行升温、加压、保温至温度为100℃、压力为0.5MPa的成型条件，并维持成型条件180min，使复合材料毛坯固化成型，再对热压罐11进行降温和卸压，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
其中，步骤a)中，三轴移动平台7的X轴方向和Y轴方向可移动最大距离均为1500mm，Z轴方向可移动最大距离为500mm，三轴移动速度为8-15m/min。
参见图1，本实施例的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置是由备料单元、取向装置5和成型单元构成；
备料单元用于对短纤维和稀释后的复合液进行搅拌，获得短纤维混合液并泵送至取向装置5；
取向装置5用于对短纤维混合液进行取向，获得取向短纤维混合液；
成型单元用于接收取向短纤维混合液并依次对其进行铺层设计、预成型及热压罐11成型，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
备料单元是由搅拌装置1及储液池2通过管道连接构成，储液池2中设有风动振动器3，用于降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散；
取向装置5与备料单元之间设有增压泵4，用于将储液池2中的短纤维混合液泵入取向装置5中；
成型单元包括三轴移动平台7、控温隧道10、热压罐11及传送带12；在三轴移动平台7的Z轴上固设出液喷头8，取向装置5与出液喷头8之间通过导流管6相连通，导流管6上设置有电磁阀9，传送带12上位于出液喷头8的下方放置有模具14，通过控制器控制Z轴的移动及导流管6上电磁阀9的开关，使出液喷头8中的短纤维混合液按Z轴的移动轨迹流到模具14中，并通过电磁阀9控制出液喷头8的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布；通过传送带12将模具14传送至控温隧道10中进行预成型获得复合材料毛坯，通过热压罐11对复合材料毛坯进行成型加工，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
其中，参见图8，出液喷头8内部沿短纤维混合液的流向呈由圆柱形腔体平滑渐收为扁平形腔体的结构，出液喷头8内部高80mm，圆柱形腔体的内径为8mm，扁平形腔体的宽度为4mm、长度为4mm。
本实施例中，参见图2至图5，取向装置5的结构具体是：
一竖置的筒体15内腔由上至下呈内径递减的“T”形台阶状结构，依次形成储液腔16和取向腔17；
由电机19驱动可转的光轴20在筒体15的中心沿轴向自储液腔16延伸至取向腔17的底端，光轴20由自上至下布置的小径段和大径段构成，且大径段的长度小于取向腔的长度10-30mm；
储液腔16的外壁设有开口并通过管道与增压泵4相连通，用于存储由增压泵4泵入的短纤维混合液，光轴20的小径段自储液腔16延伸至取向腔17的上端部；
取向腔17内壁具有多个相互独立且旋向一致的螺旋槽，光轴20的大径段位于取向腔17内并与取向腔17的内壁紧密贴合，使多个螺旋槽形成多个相互独立的螺旋流道21，且短纤维混合液沿螺旋流道21向下运动的旋转方向与光轴20的旋向一致，通过驱动装置驱动光轴20旋转，实现对流经各螺旋流道21内的短纤维混合液进行取向；
在螺旋流道21的末端与取向腔17的底端之间具有与螺旋槽相契合的过渡结构22，过渡结构22是自螺旋流道21的末端螺旋向上延伸至临近取向腔17内壁，以过渡结构22与取向腔17内壁之间的空隙形成出液口23，出液口23与过渡结构22相交的端面呈自上至下由螺旋线切向渐变至竖直方向的圆弧状结构；通过设置上述过渡结构22并形成出液口23，使取向完成后的短纤维混合液能在无冲击的情况下流出取向装置5，平缓地流入导流管6。
筒体15的顶端装配有套筒24，底端装配有喷头盖25，参见图6至图7，喷头盖25上具有与各出液口23一一对应设置的过渡通孔26，过渡通孔26的顶端与出液口23的底端相衔接，底端与导流管6相连。
作为对取向装置5结构的进一步优化，本实施例中：
储液腔16与取向腔17之间设有过渡腔18，过渡腔18的内径小于储液腔16的内径，大于取向腔17的内径，用于使短纤维混合液由储液腔16平缓流入至取向腔17中；
过渡通孔26自顶端向下平缓渐变为圆形并向下延伸形成圆形通道，圆形通道的内径为10mm；
取向腔17的内径与光轴20的外径均为60mm，取向腔17长度为200mm，光轴大径段长度为190mm，螺旋槽数量为4个，牙宽为10mm，牙深10mm，牙距为30mm，螺旋槽螺旋升角为15°，圆弧状结构的半径为10mm。
实施例二：
参见图1，本实施例的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法是按如下步骤进行：
步骤1、备料
向搅拌装置1中依次投入160g二乙烯三胺固化剂和1000g的牌号为NPEF-170双酚F型环氧树脂，以500r/min的速度搅拌同时添加无水乙醇，至粘度为3Pa.s时停止添加，获得稀释后的复合液；再向搅拌装置1中加入500g短纤维并继续搅拌20min，获得短纤维混合液并导入储液池2，保持储液池2中的风动振动器3以3000次/分的振动频率、3mm的振幅持续运行，以降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散；
步骤2、取向
设置增压泵4压力为0.1MPa，打开增压泵4，将储液池2中的短纤维混合液泵送至取向装置5的4个螺旋流道21中，通过电机19驱动光轴20以600r/min的转速旋转，带动光轴20表面的短纤维混合液运动，在螺旋流道21中形成流速梯度，同时利用螺旋的离心作用，使短纤维在溶液中形成取向，获得取向短纤维混合液；
步骤3、成型
a)铺层设计
将取向短纤维混合液经4根导流管6一一对应地输送至分别固定在4台三轴移动平台7Z轴上的出液喷头8中，于控制器输入预设垂直交叉取向轨迹，由控制器控制各三轴移动平台7Z轴的移动及设置在各导流管6上的电磁阀9的开关，使取向短纤维混合液按各三轴移动平台7Z轴的移动轨迹流到位于各出液喷头8下方的长、宽、高为15cm×15cm×2cm的模具14中，并通过各导流管6上的电磁阀9控制相应的各出液喷头8的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布，获得铺放成型的取向短纤维混合液；
b)预成型
将带有铺放成型的取向短纤维混合液的模具14经传送带12以0.1m/min的速度传送至长2m的控温隧道10并在控温隧道中持续运行，在温度为90℃的环境下加热20min，获得复合材料毛坯；
c)热压罐成型
对复合材料毛坯进行预处理，包括如下步骤：
ⅰ、将模具内腔上边沿四周用挡胶条挡住，在复合材料毛坯上依次铺放隔离膜与吸胶材料；
ⅱ、在模具上端设置密封胶条后铺放真空薄膜，通过密封胶条与真空薄膜对模具内的复合材料毛坯进行密封；
ⅲ、在真空薄膜上设真空嘴，打开热压罐操作系统中的真空泵对模具内抽真空至-0.1MPa；
ⅳ、将模具置于工作台上并推入热压罐内；
再对热压罐11依次进行升温、加压、保温至温度为120℃、压力为0.6MPa的成型条件，并维持成型条件120min，使复合材料毛坯固化成型，再对热压罐11进行降温和卸压，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
其中，步骤a)中，三轴移动平台7的X轴方向和Y轴方向可移动最大距离均为1500mm，Z轴方向可移动最大距离为500mm，三轴移动速度为8-15m/min。
本实施例的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置结构与实施例一基本相同，其区别仅在于，本实施例中，出液喷头8内部沿短纤维混合液的流向呈由圆柱形腔体平滑渐收为扁平形腔体的结构，出液喷头8内部高80mm，圆柱形腔体的内径为8mm，扁平形腔体的宽度为4mm、长度为8mm。
实施例三：
参见图1，本实施例的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法是按如下步骤进行：
步骤1、备料
向搅拌装置1中依次投入100g二乙烯三胺固化剂和1000g的牌号为GY-2聚酰亚胺树脂，以500r/min的速度搅拌同时添加丙酮，至粘度为5Pa.s时停止添加，获得稀释后的复合液；再向搅拌装置1中加入400g短纤维并继续搅拌15min，获得短纤维混合液并导入储液池2，保持储液池2中的风动振动器3以3000次/分的振动频率、3mm的振幅持续运行，以降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散；
步骤2、取向
设置增压泵4压力为0.3MPa，打开增压泵4，将储液池2中的短纤维混合液泵送至取向装置5的4个螺旋流道21中，通过电机19驱动光轴20以400r/min的转速旋转，带动光轴20表面的短纤维混合液运动，在螺旋流道21中形成流速梯度，同时利用螺旋的离心作用，使短纤维在溶液中形成取向，获得取向短纤维混合液；
步骤3、成型
a)铺层设计
将取向短纤维混合液经4根导流管6一一对应地输送至分别固定在4台三轴移动平台7Z轴上的出液喷头8中，于控制器输入预设垂直交叉取向轨迹，由控制器控制各三轴移动平台7Z轴的移动及设置在各导流管6上的电磁阀9的开关，使取向短纤维混合液按各三轴移动平台7Z轴的移动轨迹流到位于各出液喷头8下方的长、宽、高为15cm×15cm×2cm的模具14中，并通过各导流管6上的电磁阀9控制相应的各出液喷头8的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布，获得铺放成型的取向短纤维混合液；
b)预成型
将带有铺放成型的取向短纤维混合液的模具14经传送带12以0.1m/min的速度传送至长2m的控温隧道10并在控温隧道中持续运行，在温度为70℃的环境下加热20min，获得复合材料毛坯；
c)热压罐成型
对复合材料毛坯进行预处理，包括如下步骤：
ⅰ、将模具内腔上边沿四周用挡胶条挡住，在复合材料毛坯上依次铺放隔离膜与吸胶材料；
ⅱ、在模具上端设置密封胶条后铺放真空薄膜，通过密封胶条与真空薄膜对模具内的复合材料毛坯进行密封；
ⅲ、在真空薄膜上设真空嘴，打开热压罐操作系统中的真空泵对模具内抽真空至-0.1MPa；
ⅳ、将模具置于工作台上并推入热压罐内。
再对热压罐11依次进行升温、加压、保温至温度为110℃、压力为0.4MPa的成型条件，并维持成型条件140min，使复合材料毛坯固化成型，再对热压罐11进行降温和卸压，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
其中，步骤a)中，三轴移动平台7的X轴方向和Y轴方向可移动最大距离均为1500mm，Z轴方向可移动最大距离为500mm，三轴移动速度为8-15m/min。
本实施例的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置结构与实施例二一致，本实施例中不做赘述。
Claims (10)
1.一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、备料
向搅拌装置中依次投入固化剂和液态树脂进行搅拌分散均匀，获得复合液，所述复合液中固化剂的质量为液态树脂质量的2％-20％；向搅拌装置中添加稀释剂进一步搅拌至液体粘度为0.1-20Pa.s，获得稀释后的复合液；再向搅拌装置中加入短纤维并继续搅拌10-20min，获得短纤维混合液并导入储液池，所述短纤维混合液中短纤维的添加量为稀释后的复合液质量的1-60％；
步骤2、取向
将储液池中的短纤维混合液泵送至取向装置中，由取向装置对短纤维混合液进行取向，获得取向短纤维混合液；
步骤3、成型
a)铺层设计
将所述取向短纤维混合液经导流管输送至固定在三轴移动平台Z轴上的出液喷头中，由控制器控制Z轴的移动及设置在导流管上的电磁阀的开关，使取向短纤维混合液按Z轴的移动轨迹流到位于出液喷头下方的模具中，并通过电磁阀控制出液喷头的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布，获得铺放成型的取向短纤维混合液；
b)预成型
将带有铺放成型的取向短纤维混合液的模具经传送带传送至控温隧道中，在温度为50-90℃的环境下加热10-40min，获得复合材料毛坯；
c)热压罐成型
将所述复合材料毛坯进行预处理后放入热压罐内，对热压罐加温加压至温度为50-200℃、压力为0.1-0.8MPa的成型条件，维持成型条件60-180min，使复合材料毛坯固化成型，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，其特征是步骤1中：
所述液态树脂为热固性树脂；
所述固化剂为双氰胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、间苯二甲胺、乙二胺中的一种或多种；
所述稀释剂为丙酮或无水乙醇，所述短纤维为天然纤维以及化学合成纤维的一种或多种；
所述短纤维的长度为1-200mm；
所述搅拌装置的搅拌速度为300-1000r/min；
所述储液池中设有风动振动器，用于降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散，所述风动振动器的振动频率为1000-5000次/分，振幅为1-20mm。
3.根据权利要求2所述的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，其特征是：所述液态树脂为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、热固性酚醛树脂的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，其特征是：所述取向装置内设多个相互独立且旋向一致的螺旋流道，通过电机驱动置于所述取向装置中的光轴以100-1000r/min的转速旋转，实现对流经各螺旋流道内的短纤维混合液进行取向。
5.根据权利要求1所述的制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，其特征是：
步骤a)中，所述三轴移动平台的X轴方向和Y轴方向可移动最大距离均为1500mm，Z轴方向可移动最大距离为500mm，三轴移动速度为8-15m/min；
步骤b)中，所述控温隧道的长度为1-2m，控温隧道内传送带持续运行，传送带运行速度为0.05-0.1m/min；
步骤c)中，对所述复合材料毛坯进行预处理，包括如下步骤：
ⅰ、将模具内腔上边沿四周用挡胶条挡住，在复合材料毛坯上依次铺放隔离膜与吸胶材料；
ⅱ、在模具上端设置密封胶条后铺放真空薄膜，通过密封胶条与真空薄膜对模具内的复合材料毛坯进行密封；
ⅲ、在真空薄膜上设真空嘴，打开热压罐操作系统中的真空泵对模具内抽真空至-0.1MPa；
ⅳ、将模具置于工作台上并推入热压罐内。
6.一种使用权利要求1所述制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法的装置，其特征是：由备料单元、取向装置(5)和成型单元构成；
所述备料单元用于对短纤维和稀释后的复合液进行搅拌，获得短纤维混合液并泵送至取向装置(5)；
所述取向装置(5)用于对短纤维混合液进行取向，获得取向短纤维混合液；
所述成型单元用于接收取向短纤维混合液并依次对其进行铺层设计、预成型及热压罐(11)成型，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
7.根据权利要求6所述的一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置，其特征是：
所述备料单元是由搅拌装置(1)及储液池(2)通过管道连接构成，所述储液池(2)中设有风动振动器(3)，用于降低短纤维混合液的含气率并保持短纤维在溶液中均匀分散；
所述取向装置(5)与所述备料单元之间设有增压泵(4)，用于将储液池(2)中的短纤维混合液泵入取向装置(5)中；
所述成型单元包括三轴移动平台(7)、控温隧道(10)、热压罐(11)及传送带(12)；在所述三轴移动平台(7)的Z轴上固设出液喷头(8)，所述取向装置(5)与所述出液喷头(8)之间通过导流管(6)相连通，所述导流管(6)上设置有电磁阀(9)，所述传送带(12)上位于所述出液喷头(8)的下方放置有模具(14)，通过控制器控制Z轴的移动及导流管(6)上电磁阀(9)的开关，使出液喷头(8)中的短纤维混合液按Z轴的移动轨迹流到所述模具(14)中，并通过电磁阀(9)控制出液喷头(8)的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布；通过传送带(12)将模具(14)传送至所述控温隧道(10)中进行预成型获得复合材料毛坯，通过所述热压罐(11)对复合材料毛坯进行成型加工，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。
8.根据权利要求7所述的一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置，其特征是：所述出液喷头(8)内部沿短纤维混合液的流向呈由圆柱形腔体平滑渐收为扁平形腔体的结构，出液喷头(8)内部高80mm，所述圆柱形腔体的内径为8-16mm，所述扁平形腔体的宽度为2-6mm、长度为8-16mm。
9.根据权利要求6所述的一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置，其特征是所述取向装置(5)的结构设置为：
一竖置的筒体(15)内腔由上至下呈内径递减的“T”形台阶状结构，依次形成储液腔(16)和取向腔(17)；
由电机(19)驱动可转的光轴(20)在所述筒体(15)的中心沿轴向自所述储液腔(16)延伸至所述取向腔(17)的底端，所述光轴(20)由自上至下布置的小径段和大径段构成；
所述储液腔(16)的外壁设有开口并通过管道与增压泵(4)相连通，用于存储由增压泵(4)泵入的短纤维混合液，所述光轴(20)的小径段自所述储液腔(16)延伸至所述取向腔(17)的上端部；
所述取向腔(17)内壁具有多个相互独立且旋向一致的螺旋槽，所述光轴(20)的大径段位于所述取向腔(17)内并与所述取向腔(17)的内壁紧密贴合，使多个螺旋槽形成多个相互独立的螺旋流道(21)，且短纤维混合液沿螺旋流道(21)向下运动的旋转方向与所述光轴(20)的旋向一致，通过驱动装置驱动所述光轴(20)旋转，实现对流经各螺旋流道(21)内的短纤维混合液进行取向；
在所述螺旋流道(21)的末端与所述取向腔(17)的底端之间具有与所述螺旋槽相契合的过渡结构(22)，所述过渡结构(22)是自螺旋流道(21)的末端螺旋向上延伸至临近所述取向腔(17)内壁，以所述过渡结构(22)与所述取向腔(17)内壁之间的空隙形成出液口(23)，所述出液口(23)与所述过渡结构(22)相交的端面呈自上至下由螺旋线切向渐变至竖直方向的圆弧状结构；
所述筒体(15)的底部具有与各出液口(23)一一对应设置的过渡通孔(26)，所述过渡通孔(26)的顶端与所述出液口(23)的底端相衔接，底端与导流管(6)相连。
10.根据权利要求9所述的一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置，其特征是：
所述储液腔(16)与所述取向腔(17)之间设有过渡腔(18)，所述过渡腔(18)的内径小于所述储液腔(16)的内径，大于所述取向腔(17)的内径，用于使短纤维混合液由储液腔(16)平缓流入至取向腔(17)中；
所述过渡通孔(26)自顶端向下平缓渐变为圆形并向下延伸形成圆形通道，所述圆形通道的内径为8-16mm；
所述取向腔(17)的内径为30-300mm，长度为100-600mm，所述螺旋流道(21)数量为2-10个，牙宽为10-30mm，牙深5-15mm，牙距为2-30mm，螺旋槽螺旋升角为10-40°，所述圆弧状结构的半径为10-30mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711033956.1A CN107662353B (zh) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | 一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711033956.1A CN107662353B (zh) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | 一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107662353A CN107662353A (zh) | 2018-02-06 |
| CN107662353B true CN107662353B (zh) | 2019-08-30 |
Family
ID=61143992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711033956.1A Active CN107662353B (zh) | 2017-10-30 | 2017-10-30 | 一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107662353B (zh) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL9200625A (nl) * | 1992-04-03 | 1993-11-01 | Dsm Nv | Niet-geweven uit polyolefinevezels bestaande laag voor toepassing in een gelaagde antiballistische structuur. |
| US7610659B2 (en) * | 2005-10-06 | 2009-11-03 | Arden Companies | Apparatus and method for making a polymer fill |
| CN102535259B (zh) * | 2011-12-29 | 2015-05-20 | 洛阳理工学院 | 一种铝纤维表面毡及其制备方法 |
| CN106758481B (zh) * | 2016-11-25 | 2018-10-23 | 北京化工大学 | 一种制备短切纤维连续取向毡的方法及装置 |
-
2017
- 2017-10-30 CN CN201711033956.1A patent/CN107662353B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107662353A (zh) | 2018-02-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108454084B (zh) | 可同步改性浸渍的连续碳纤维复合材料3d打印装置及方法 | |
| CN102990946B (zh) | 一种采用微波超声固化纤维增强复合材料构件的方法及其专用装置 | |
| CN102702679B (zh) | 一种深潜用高强固体浮力材料的制备方法 | |
| CN107244082B (zh) | 一种薄壁变厚度复合材料天线罩的成型方法 | |
| CN103182784A (zh) | 一种碳纤维复合材料结构件真空灌注成型方法 | |
| CN101913254A (zh) | 多层纤维复合积层型材的立式拉挤成形工艺及装置 | |
| CN102146196B (zh) | 一种高阻尼环氧树脂复合材料的制备方法 | |
| CN103737736B (zh) | 一种长纤维增强热塑性复合树脂粒料的制备装置及其制备方法 | |
| CN1761561A (zh) | 树脂传递模塑成形法 | |
| CN105261497B (zh) | 一种高电压等级绝缘拉杆预制件及其制备工艺 | |
| CN113085221B (zh) | 一种连续纤维增强热塑性树脂真空袋压成型装置及方法 | |
| CN104164053A (zh) | 一种流动可控环氧树脂预浸料及其制备方法 | |
| CN102166862A (zh) | 一种促进树脂流动的高性能预制增强织物及其制备方法 | |
| CN102260389A (zh) | 制备长纤维增强热塑性树脂复合材料的方法和装置 | |
| CN109624351A (zh) | 一种用于三维编织的预浸胶纤维束制备方法 | |
| CN201824563U (zh) | 多层纤维复合积层型材的立式拉挤成形装置 | |
| CN109808196A (zh) | 一种层间含高取向度碳纳米管的纤维层合复合材料及其制备方法 | |
| CN107662353B (zh) | 一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置 | |
| CN105415706A (zh) | 复合材料夹芯结构真空灌注一次成型方法 | |
| CN103171154A (zh) | 一种纤维增强环氧树脂拉挤棒的制造方法及设备 | |
| CN207240859U (zh) | 一种纤维增强热固性树脂基复合材料3d打印装置 | |
| CN101837643A (zh) | 低密度树脂传递模塑成型工艺及其配套生产设备 | |
| CN109624355A (zh) | 高性能vari工艺成型复合材料的出胶结构及方法 | |
| CN112976221A (zh) | 连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3d打印成型设备及方法 | |
| CN104309132A (zh) | 采用纤维增强材料与基体制造增强复合材料制品的方法及成型模具 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |