CN108081691B - 一种芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料、制备方法及应用。一种芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料，包括树脂、芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物；所述的树脂为环氧树脂或其它热固性树脂；所述的芳纶短纤维薄膜通过干法或湿法制备，面密度为0.1‑500g/m2，由长度2‑50mm，直径5nm‑50μm的芳纶短切纤维构成；所述的芳纶短纤维薄膜置于碳纤维织物的表面，树脂通过压合完全浸渍芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物中。本发明试用范围较广，可用于碳纤维层合板、复合材料夹芯结构和碳纤维‑金属组合结构界面增韧，尤其是当应用于金属芯体的夹芯结构、碳纤维‑金属组合结构时，具有明显的界面增韧效果。

Description

一种芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种具有芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料，该预浸料应用于碳纤维层合板、夹芯结构和碳纤维-金属组合结构。尤其是当应用于夹芯结构和碳纤维-金属界面增韧时，该预浸料能够显著提高夹芯结构面芯界面韧性和碳纤维-金属界面韧性。
背景技术
碳纤维预浸料常用于制备碳纤维层合板、碳纤维-蜂窝夹芯结构和碳纤维-金属组合板，但由一般的碳纤维预浸料所制备的复合材料具有抗冲击性能差、易分层、夹芯结构面芯及碳纤维-金属界面易脱粘等缺点。
目前出现的增强型碳纤维预浸料多采用CF网片、短切碳纤维、热塑性树脂、高分子颗粒等对碳纤维预浸料进行增强，然而这些预浸料在应用中均存在一定缺点。CF网片、短切碳纤维增强的碳纤维预浸料因易与金属发生电化学腐蚀，不适用于增强碳纤维-金属界面；热塑性树脂增强的碳纤维预浸料会限制气泡的排除及层间树脂再分配；高分子颗粒增强的碳纤维预浸料增强效果不明显，且不适用与多孔芯体夹芯材料界面增韧；热塑性树脂纤维增强的碳纤维预浸料在使用中被发现树脂纤维与热固性树脂基体结合强度不高。且目前出现的增强型预浸料多用来提高层合板界面韧性，国内外还没有一种针对提高夹芯结构面芯界面和碳纤维-金属界面韧性的碳纤维预浸料。
为提高层合板层合板、夹芯结构和碳纤维-金属组合结构界面韧性，方便工业化生产制造，要求开发一种满足绝缘、轻质、不限制气泡排除、材料利用率高并且具有优异界面增韧性能的碳纤维预浸料及相应的生产工艺。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种增重小，共固化时不影响气泡排除，不影响树脂重新分配，对夹芯结构和碳纤维-金属组合结构增韧效果明显，且能够避免面板金属界面发生电化学腐蚀的增强型预浸料及相应的生产工艺。
所述的芳纶短纤维增强碳纤维预浸料由芳纶短纤维薄膜、树脂和碳纤维织物组成，所选用的芳纶纤维与碳纤维及玻璃纤维相比，具有更好的柔韧性，这种柔韧性使其能在树脂基体中形成弯曲并相互交联的纤维网。
所述的芳纶短纤维增强碳纤维预浸料用于夹芯结构或碳纤维-金属组合结构时，芳纶短纤维能够在碳纤维-芯体或碳纤维-金属界面形成桥连结构，提供额外连接。尤其是裂纹尖端区域中的桥连作用能够显著提高结构的界面临界能量释放率。当夹芯结构芯体材料为多孔芯体时，芳纶短纤维和富余树脂在孔壁端部形成圆角增韧区，能够有效提高芯体与蒙皮的结合强度。
由增强型预浸料制造的复合材料在界面开裂时，形成“桥”结构的芳纶短纤维会出现两种形式的破坏，即拉断和拔出，拉断和拔出存在竞争关系。芳纶短纤维的弯曲交联特征，使短纤维不容易从基体中拔出，确保了短纤维能够充分发挥增强性能。而碳短纤维或玻璃短纤维柔韧性较差，单根短纤维在基体中不易弯曲，由其增强的复合材料在界面开裂时，短纤维容易从基体中拔出，不能充分发挥碳短纤维的增强性能。
本发明的技术方案：
一种芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料，包括树脂、芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物；
所述的树脂为环氧树脂或其它热固性树脂；
所述的芳纶短纤维薄膜通过干法或湿法制备，面密度为0.1-500g/m2，由长度2-50mm，直径5nm-50μm的芳纶短切纤维构成；
所述的芳纶短纤维薄膜置于碳纤维织物的表面，树脂通过压合完全浸渍芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物中；
所述的碳纤维为T300级碳纤维、T700级碳纤维、T800级碳纤维、T1000级碳纤维或MJ系列碳纤维。
干法制备芳纶短纤维薄膜，步骤如下：
(1)将芳纶纤维织物切割成包含所需尺寸短纤维的芳纶纤维块；
(2)将芳纶纤维块置于搅拌器中，搅拌，将芳纶纤维块打散，使其在搅拌器上方形成交联的短纤维絮状薄膜；
(3)在保证短纤维絮状薄膜松散的情况下，收集薄膜，铺设成均匀的具有一定面密度的芳纶短纤维薄膜；
(4)将芳纶短纤维薄膜夹在离型纸中间储存。
为保证芳纶纤维不被搅拌器刀片破坏，同时避免纤维缠绕刀片，搅拌器刀片使用钝刀片。
为保证短纤维被充分打散，并得到均匀的絮状纤维薄膜，所述搅拌器转速为2000-30000转/分，每次搅拌短纤维质量与搅拌器容积之比为0.05-1g/L，搅拌时间为1-20分钟。
湿法制备芳纶短纤维薄膜，步骤如下：
(1)将芳纶纤维织物切割成包含所需尺寸短纤维的芳纶纤维块；
(2)将芳纶纤维块和水共同置于搅拌器中搅拌，将芳纶纤维块在水中打散，使其充分均匀分布在水中，继续超声震荡10-30分钟；
(3)震荡结束，用预埋置于超声分散器底部的丝网将芳纶纤维丝捞起，送至干燥箱干燥形成芳纶短纤维薄膜。
为减轻搅拌器负荷，保证水在搅拌器中形成足够的涡流，要求被注入搅拌器的水为搅拌器容器的1/5-1/2，每次搅拌短纤维质量与所注入水的容积之比为0.05-0.5g/L，搅拌器转速为2000-20000转/分，搅拌时间为1-20分钟；干燥箱温度为30℃-90℃，干燥时间为1-10分钟。
一种芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料的制备方法，步骤如下：
预制的树脂胶膜置于碳纤维织物上表面和芳纶短纤维薄膜下表面，所述的芳纶短纤维薄膜覆于碳纤维织物下表面，各部分按照上胶膜、碳纤维织物、芳纶短纤维薄膜和下胶膜铺设，共同通过压合装置使树脂充分浸渍芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物而形成增强型预浸料。
(1)覆膜：在碳纤维织物上表面覆盖上胶膜，在碳纤维织物下表面依次铺设芳纶短纤维薄膜和下胶膜；
(2)压合：将依次铺设的上胶膜、碳纤维织物、芳纶短纤维薄膜和下胶膜共同通过压合装置，使芳纶短纤维薄膜粘覆于碳纤维织物下层形成具有芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料；
(3)收卷储存：将制作好预浸料通过收卷装置收卷储存。
该增强型预浸料应用于夹芯结构或碳纤维-金属组合结构界面增韧。
本发明的有益效果：
1.本发明所开发的增强型碳纤维预浸料具有轻质、绝缘、不限制气泡排除、材料利用率高、增韧效果明显的优点。
2.本发明试用范围较广，可用于碳纤维层合板、复合材料夹芯结构和碳纤维-金属组合结构界面增韧，尤其是当应用于金属芯体的夹芯结构、碳纤维-金属组合结构时，具有明显的界面增韧效果。
3.本发明还开发了一种用于制造该增强型预浸料的生产工艺，尤其是专门设计了制备芳纶短纤维薄膜的方法，使该增强型预浸料能够实现批量生产。
4.本发明所设计的生产工艺与现有预浸料生产工艺相比，增加了芳纶短纤维薄膜制造与铺设环节，方便在现有设计基础上改进，节省设备更新开支。
附图说明
图1为经搅拌器搅拌形成的絮状芳纶短纤维。
图2为面密度为6g/m2的芳纶短纤维薄膜。
图3为热熔法制备具有芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料的工艺示意图。
图4为热熔法制备的具有芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料示意图。
图中：1碳纤维织物；2离型纸；3芳纶短纤维薄膜；4下胶膜；5上胶膜；
6压合装置；7收卷装置；8芳纶短纤维薄膜；9环氧树脂。
具体实施方式
本发明涉及一种具有芳纶短纤维增强型碳纤维预浸料及生产工艺，其特征是：预浸料由碳纤维织物、上胶膜、下胶膜和芳纶短纤维薄膜组成；所述的芳纶短纤维薄膜在碳纤维织物下面，所述的上胶膜在碳纤维织物上面，所述的下胶膜在芳纶短纤维薄膜下面，所述的上、下胶膜通过压合完全浸渍芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物。
首先制备胶膜，将树脂放在胶槽中加热熔融，然后由涂胶棍将树脂涂在离型纸上，冷却形成胶膜，最后收卷供复合使用。
干法或湿法制备芳纶短纤维薄膜。
将制备好的胶膜，按照上胶膜、芳纶短纤维薄膜、碳纤维织物和下胶膜的铺层顺序，共同缓慢通过压合装置，使树脂浸渍芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物得到具有芳纶短纤维增韧的碳纤维预浸料。
实施例1
干法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长6mm，搅拌器转速20000转/分钟，每次搅拌Kevlar短纤维质量与搅拌器容积之比为0.2g/L，搅拌时间2分钟，Kevlar短纤维薄膜面密度12g/m2。
实施例2
干法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长8mm，搅拌器转速20000转/分钟，每次搅拌Kevlar短纤维质量与搅拌器容积之比为0.15g/L，搅拌时间2分钟，Kevlar短纤维薄膜面密度6g/m2。
实施例3
干法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长6mm，搅拌器转速20000转/分钟，每次搅拌Kevlar短纤维质量与搅拌器容积之比为0.1g/L，搅拌时间2分钟，Kevlar短纤维薄膜面密度3g/m2。
实施例4
干法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长6mm，搅拌器转速20000转/分钟，每次搅拌Kevlar短纤维质量与搅拌器容积之比为0.15g/L，搅拌时间2分钟，Kevlar短纤维薄膜面密度12g/m2。
实施例5
干法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长6mm，搅拌器转速20000转/分钟，每次搅拌Kevlar短纤维质量与搅拌器容积之比为0.2g/L，搅拌时间2分钟，Kevlar短纤维薄膜面密度50g/m2。
实施例6
湿法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长14mm，搅拌器转速15000转/分钟，搅拌时间3分钟，超声震荡时间10分钟，干燥箱温度90℃，干燥2分钟，Kevlar短纤维薄膜面密度3g/m2。
实施例7
湿法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长14mm，搅拌器转速15000转/分钟，搅拌时间3分钟，超声震荡时间15分钟，干燥箱温度50℃，干燥3分钟，Kevlar薄膜面密度12g/m2。
实施例8
湿法制备Kevlar短纤维薄膜，所述Kevlar方块边长14mm，搅拌器转速15000转/分钟，搅拌时间3分钟，超声震荡时间15分钟，干燥箱温度50℃，干燥5分钟，Kevlar薄膜面密度50g/m2。
设计双悬臂梁实验测试芳纶短纤维增强碳纤维预浸料对几种碳纤维-金属组合梁界面的增韧效果。组合梁试件由普通碳纤维预浸料、增强型预浸料和金属基板在模具中共固化成型。试件上面板由9层普通预浸料和1层增强型预浸料组成，下面板由2层普通预浸料组成，中间的金属基板分别为Alporas闭孔泡沫铝板、Alulight闭孔泡沫铝板、80#和2400#碳化硅砂纸表面抛光的铝合金板。其中增强型预浸料有芳纶短纤维的一面位于碳纤维-金属交界面，实验使用实施例1所制备的增强型预浸料。
表1增强型预浸料对不同碳纤维-金属组合梁的增韧结果对比
Figure BDA0001508880500000071
组合梁试件长170mm，宽20mm，芳纶短纤维增强界面有一条由两层铝箔形成的长50mm，厚24μm的预制裂缝。采用双悬臂梁实验测量几种增韧试件的临界能量释放率，并与未使用增强型预浸料的试件对比。
表1给出了双悬臂梁实验的实验结果，结果显示，未使用增强型预浸料的试件中，金属基板为2400#砂纸打磨铝合金板、80#砂纸打磨铝合金板、Alulight泡沫铝板和Alporas泡沫铝板的组合梁平均临界能量释放率分别为105J/m2、174J/m2、27J/m2和1566J/m2结。与上述试件对应，使用实施例1所制备的增强型预浸料增韧的试件平均能量释放率分别为151J/m2、441J/m2、511J/m2和2720J/m2。这表明芳纶短纤维增强碳纤维预浸料对不同金属基板的碳纤维-金属界面均具有良好的增韧效果，且从表中趋势可看出，金属表面粗糙度越大，增强型预浸料的增韧效果越好。
表2不同预浸料增韧夹芯梁的极限载荷和能量吸收率对比
Figure BDA0001508880500000081
采用三点弯曲实验，测试不同面密度芳纶短纤维薄膜增强碳纤维预浸料对碳纤维-泡沫铝夹芯结构面芯界面的增韧效果。夹芯梁试件长180mm，宽14mm，Alporas泡沫铝芯体厚度15mm，上下面板由6层碳纤维预浸料组成，面板厚度各为1mm。其中增韧试件分别使用实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8所制备的增强型碳纤维预浸料增韧面芯界面。
三点弯曲实验分别测量了有、无增韧试件的极限载荷和能量吸收率，实验结果如表2所示。实验结果显示，实施例7所制备的芳纶短纤维增强碳纤维预浸料可使碳纤维-泡沫铝夹芯结构极限载荷提高38.3％，实施例5所制备的芳纶短纤维增强碳纤维预浸料可使碳纤维-泡沫铝夹芯结构能量吸收提高80.5％，考虑相应试件结构重量分别仅上升0.77％和2.53％，本发明所提供的增强型预浸料具有良好的增强效率。

Claims (3)

1.一种芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料的制备方法，其特征在于，所述的芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料包括树脂、芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物；
所述的树脂为环氧树脂或其它热固性树脂；
所述的芳纶短纤维薄膜通过湿法制备，面密度为0.1-500g/m2，由长度2-50mm，直径5nm-50μm的芳纶短切纤维构成；
所述的芳纶短纤维薄膜置于碳纤维织物的表面，树脂通过压合完全浸渍芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物中；
预制的树脂胶膜置于碳纤维织物上表面和芳纶短纤维薄膜下表面，所述的芳纶短纤维薄膜覆于碳纤维织物下表面，各部分按照上胶膜、碳纤维织物、芳纶短纤维薄膜和下胶膜铺设，共同通过压合装置使树脂充分浸渍芳纶短纤维薄膜和碳纤维织物而形成增强型预浸料；
(1)覆膜：在碳纤维织物上表面覆盖上胶膜，在碳纤维织物下表面依次铺设芳纶短纤维薄膜和下胶膜；
(2)压合：将依次铺设的上胶膜、碳纤维织物、芳纶短纤维薄膜和下胶膜共同通过压合装置，使芳纶短纤维薄膜粘覆于碳纤维织物下层形成具有芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料；
(3)收卷储存：将制作好预浸料通过收卷装置收卷储存；
所述湿法制备芳纶短纤维薄膜，步骤如下：
(1)将芳纶纤维织物切割成包含所需尺寸短纤维的芳纶纤维块；
(2)将芳纶纤维块和水共同置于搅拌器中搅拌，将芳纶纤维块在水中打散，使其充分均匀分布在水中，继续超声震荡10-30分钟；
(3)震荡结束，用预埋置于超声分散器底部的丝网将芳纶纤维丝捞起，送至干燥箱干燥形成芳纶短纤维薄膜；
注入搅拌器的水为搅拌器容器的1/5-1/2，每次搅拌短纤维质量与所注入水的容积之比为0.05-0.5g/L，搅拌器转速为2000-20000转/分，搅拌时间为1-20分钟；干燥箱温度为30℃-90℃，干燥时间为1-10分钟；
所述的搅拌器刀片使用钝刀片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维为T300级碳纤维、T700级碳纤维、T800级碳纤维、T1000级碳纤维或MJ系列碳纤维。
3.采用权利要求1或2所述的制备方法得到的芳纶短纤维增强的碳纤维预浸料应用于夹芯结构或碳纤维-金属组合结构界面增韧。
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