CN109551787A - 一种复合材料型材的先进拉挤成型方法及其成型装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种复合材料型材的先进拉挤成型方法，通过对预浸料依次进行预加热、预固化、固化和后固化处理来制备复合材料型材，通过在预浸料的固化步骤前增设预加热和预固化步骤，使得预浸料在固化之前就具有一定的温度和粘度，避免了快速升温和加压所造成的预浸料大量流失的现象，使得制备的型材具有均匀的树脂含量，同时减少了步进纹和表面褶皱的产生，从而提高复合材料型材的表面质量，进而提升性能。本发明还提供了一种用于复合材料型材的先进拉挤成型方法的成型装置。本发明所制备的复合材料型材可应用于航空航天、新能源发电、国防建设等高科技领域，同样也可应用于交通建筑业，汽车车身、轮毂等各个方面。

Description

一种复合材料型材的先进拉挤成型方法及其成型装置
技术领域
本发明涉及成型技术领域，具体而言，一种复合材料型材的先进拉挤成型方法及其成型装置。
背景技术
拉挤工艺是一种连续生产复合材料型材的方法，它是将诸如无捻玻璃纤维粗纱的连续增强材料在外力的牵引下进行浸渍，然后通过成型模具，使其在模内固化成型，并连续出模，由此形成型材制品的一种生产工艺。利用拉挤工艺生产的产品的拉伸强度高，而且其表面的富树脂层又使其具有良好的防腐性，故可以广泛地应用在具有腐蚀性的环境中。
目前，国内引进的先进拉挤成型工艺(Advanced pultrusion，简称ADP)采用直接热压成型，即预浸料由室温状态直接进入热压模具(热压模具保持恒定温度)中并快速升温至固化温度，但是这种方式会导致树脂不均匀流失，从而使得在温度压力作用下得到的最终制件存在树脂含量与厚度分布不均匀、纤维畸变、表面褶皱和步进纹等缺陷，这些缺陷的存在不仅使制件性能和表面质量下降，而且使材料的性能不能充分发挥，进而拉低了ADP制件的性能优势。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明研究了复合材料型材的先进拉挤成型方法及其成型装置，以提高型材的表面质量并增强其力学性能。
本发明提供的复合材料型材的先进拉挤成型方法，包括：对预浸料依次进行预加热、预固化、固化和后固化处理步骤来制备复合材料型材。
在上述先进拉挤成型方法中，所述预加热包括：利用牵引装置将放料装置中的预浸料牵出至预加热装置中的金属预成型模具中，并且利用所述金属预成型模具中的电加热棒对所述预浸料进行所述预加热，其中，所述金属预成型模具中均铺覆有脱膜材料。
在上述先进拉挤成型方法中，所述预加热的加热温度为80～90℃，时间为75～85min。
在上述先进拉挤成型方法中，所述预固化包括：利用牵引装置将经过所述预加热后得到的预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，并且在所述上下成型模具中对所述预浸料铺层进行所述预固化，其中，所述上下成型模具中铺覆有脱膜材料。
在上述先进拉挤成型方法中，所述预固化的加热温度为100～120℃，时间为10～20min，压力为0.2～0.4MPa。
在上述先进拉挤成型方法中，所述固化包括：利用牵引装置将经过所述预固化后得到的预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，并且在所述上下成型模具中对所述预浸料铺层进行所述固化，其中，所述上下成型模具中铺覆有脱膜材料。
在上述先进拉挤成型方法中，所述固化的加热温度为120～140℃，时间为15～25min，压力为0.6～1.0MPa。
在上述先进拉挤成型方法中，所述后固化包括：利用牵引装置将经过所述固化后得到的预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，并且采用空气加热的方式对所述预浸料铺层进行所述后固化，制得所述复合材料型材，其中，所述中空模具中铺覆有脱膜材料。
在上述先进拉挤成型方法中，所述后固化的加热温度为150～170℃，时间为10～20min。
在上述先进拉挤成型方法中，所述预浸料为环氧树脂基预浸料、酚醛树脂基预浸料、聚酰胺树脂基预浸料、聚醚树脂基预浸料的一种或多种的组合。
在上述先进拉挤成型方法中，所述脱膜材料为聚四氟乙烯膜或可剥布。
本发明还提供了一种用于上述先进拉挤成型方法的成型装置，包括：依次连接的放料装置、预加热装置、预固化装置、固化装置、后固化装置和牵引装置，其中，
所述放料装置包括离合器电机、气涨轴、自动回卷装置；
所述预加热装置包括金属预成型模具，其中，所述金属预成型模具中放置有电加热棒；
所述预固化装置包括上下成型模具，其中，所述上下成型模具中放置有加热装置；
所述固化装置包括上下成型模具，其中，所述上下成型模具中放置有加热装置；
所述后固化装置包括中空模具；以及
所述牵引装置包括自动回卷装置，并且用于将预浸料按照所述放料装置、所述预处理装置、所述预固化装置、所述固化装置、所述后固化装置的顺序，从所述放料装置开始依次牵出至后一装置。
本发明提供的复合材料型材的先进拉挤成型方法，通过对复合材料的预浸料依次进行预加热、预固化、固化和后固化这四个处理步骤来制备复合材料型材，本发明在预浸料的固化处理前增设预加热和预固化，使得预浸料在进入固化的成型模具之前粘度已经升高，且预固化的压力较小，预浸料中的树脂几乎没有流出，经过预固化加热的预浸料铺层粘度进一步提高，在固化的较大压力下也仅有少量的树脂流出，小的树脂流失量可以使得所制得的型材的树脂含量更加均匀，并且可以减少步进纹和表面褶皱的产生，进而提升复合材料型材的性能。本发明制造的复合材料型材可应用于航空航天、新能源发电、国防建设等高科技领域，同样也可应用于交通建筑业，汽车车身、轮毂等各个方面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的实施例的复合材料型材的先进拉挤成型方法的工艺曲线。
图2是根据本发明的实施例的用于复合材料型材的先进拉挤成型方法的成型装置的示意图，其中，1表示预浸料，2表示放料装置，3表示预加热装置，4表示预固化装置，5表示固化装置，6表示后固化装置，7表示牵引装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的复合材料型材的先进拉挤成型方法，包括以下步骤：
首先，对预浸料进行预加热处理。在该步骤中，在对预浸料进行预加热处理之前，首先利用牵引装置将放料装置中的预浸料牵出至预加热装置中的金属预成型模具中，并且利用金属预成型模具中的电加热棒对预浸料进行预加热，使预浸料初步成型，其中，如图1所示，预加热的加热温度T1为80～90℃，时间t1为75～85min，其中，该时间包括预浸料从室温上升至该加热温度的升温时间和在该加热温度下的持续时间。在该步骤中，预浸料为环氧树脂基预浸料、酚醛树脂基预浸料、聚酰胺树脂基预浸料、聚醚树脂基预浸料的一种或多种的组合。在该步骤中，金属预成型模具中均铺覆有脱膜材料，其中，脱膜材料为聚四氟乙烯膜或可剥布，脱膜材料可以使预浸料在牵引装置的作用下更容易且更完全地进入到下一装置中。该步骤通过在一定的温度下对预浸料进行一定时间的预加热处理来使预浸料具有一定的粘度，进而确保在接下来的预固化阶段中在对预浸料进行加热加压处理时仅有少量的树脂流出。
其次，对经过预加热后得到的预浸料铺层进行预固化处理。在该步骤中，利用牵引装置将经过预加热后得到的预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，并且在上下成型模具中对预浸料铺层进行加热加压的预固化处理，其中，上下成型模具的上、下两部分成型模具中均铺覆有脱膜材料，脱膜材料为聚四氟乙烯膜或可剥布。在该步骤中，通过将上、下两部分成型模具合模加压来对复合材料进行加压处理，利用加热装置对复合材料进行加热处理，其中，如图1所示，预固化的加热温度T2为100～120℃，时间t2为10～20min，压力P1为0.2～0.4MPa，该时间包括预浸料铺层从预加热温度上升至该加热温度的升温时间和在该加热温度下的持续时间。该步骤通过在一定的压力和温度下对预浸料铺层进行加热加压处理，来保证最终得到的预浸料型材在树脂流失量最小的情况下，仍然具有较低的孔隙率。在该步骤中，如果压力增大，则制成的型材的孔隙率降低，但是压力过大会导致预浸料中树脂流动的驱动力增大，进而引起树脂大量流失，树脂的流失量较大又将使型材的孔隙率增加，所以在该步骤中，控制压力的大小十分重要。
再次，对经过预固化处理后得到的预浸料铺层进行固化处理。在该步骤中，利用牵引装置将经过预固化后得到的预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，并且在上下成型模具中对预浸料铺层进行加热加压的固化处理，其中，上下成型模具的上、下两部分成型模具中均铺覆有脱膜材料，脱膜材料为聚四氟乙烯膜或可剥布。在该步骤中，通过将上、下两部分成型模具合模加压来对预浸料铺层进行加压处理，利用加热装置对预浸料铺层进行加热处理来保证预浸料铺层固化成型，其中，如图1所示，固化的加热温度T3为120～140℃，时间t3为15～25min，压力P2为0.6～1.0MPa，其中，该时间包括预浸料铺层从预固化温度上升至该加热温度的升温时间和在该加热温度下的持续时间。
最后，对经过固化处理后的得到的预浸料铺层进行后固化处理，在该步骤中，利用牵引装置将经过固化后得到的预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，其中，中空模具中铺覆有脱膜材料，脱膜材料为聚四氟乙烯膜或可剥布。在该步骤中，采用空气加热的方式对预浸料铺层进行后固化处理，其中，后固化的加热温度T4为150～170℃，时间t4为10～20min，其中，该时间包括预浸料铺层从固化温度上升至该加热温度的升温时间和在该加热温度下的持续时间。
本发明提供的用于复合材料型材的先进拉挤成型方法的成型装置，包括依次连接的放料装置、预加热装置、预固化装置、固化装置、后固化装置和牵引装置，其中，放料装置包括离合器电机、气涨轴、自动回卷装置；预加热装置包括金属预成型模具，其中，金属预成型模具中放置有电加热棒；预固化装置包括上下成型模具，其中，上下成型模具的上、下两部分成型模具中均放置有加热装置；固化装置包括上下成型模具，其中，上下成型模具的上、下两部分成型模具中均放置有加热装置；后固化装置包括中空模具，以及牵引装置包括自动回卷装置，并且用于将预浸料按照放料装置、预处理装置、预固化装置、固化装置、后固化装置的顺序，从放料装置开始依次牵出至后一装置。
本发明提供的复合材料型材的先进拉挤成型方法，通过对复合材料的预浸料依次进行预加热、预固化、固化和后固化这四个处理步骤来制备复合材料型材，通过严格地控制各个步骤的加热温度和压力来最小化树脂的流失量，使得所制得的型材的树脂含量更加均匀，从而减少步进纹和表面褶皱的产生，进而提升复合材料型材的性能。
实施例1
利用牵引装置将放料装置中的环氧树脂基预浸料牵出至预加热装置的金属预成型模具中，利用该模具中的电加热棒在80℃的温度下将处于室温的环氧树脂基预浸料升温并加热75min，使预浸料初步成型并具有一定的粘度，然后利用牵引装置将该环氧树脂基预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，在0.2MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对环氧树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在100℃的温度下将该环氧树脂基预浸料铺层升温并加热10min，然后利用牵引装置将经过预固化后的环氧树脂基预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，在0.6MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对环氧树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在120℃的温度下将该环氧树脂基预浸料铺层升温并加热15min，最后利用牵引装置将经过固化后得到的环氧树脂基预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，采用空气加热的方式在150℃的温度下将环氧树脂基预浸料铺层升温并加热10min以进行后固化处理，在该实施例中，金属预成型模具、上下成型模具以及中空模具这些放置预浸料的装置中均铺覆有聚四氟乙烯膜。
实施例2
利用牵引装置将放料装置中的酚醛树脂基预浸料牵出至预加热装置中的金属预成型模具中，利用该模具中的电加热棒在85℃的温度下将处于室温的酚醛树脂基预浸料升温并加热80min，使预浸料初步成型并具有一定的粘度，然后利用牵引装置将该酚醛树脂基预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，在0.3MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对酚醛树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在110℃的温度下将该酚醛树脂基预浸料铺层升温并加热20min，然后利用牵引装置将经过预固化后的酚醛树脂基预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，在0.8MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对酚醛树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在130℃的温度下将该酚醛树脂基预浸料铺层升温并加热20min，最后利用牵引装置将经过固化后得到的酚醛树脂基预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，采用空气加热的方式在160℃的温度下将酚醛树脂基预浸料铺层升温并加热15min以进行后固化处理，在该实施例中，金属预成型模具、上下成型模具以及中空模具这些放置预浸料的装置中均铺覆有聚四氟乙烯膜。
实施例3
利用牵引装置将放料装置中的酚醛树脂基预浸料牵出至预加热装置中的金属预成型模具中，利用该模具中的电加热棒在90℃的温度下将处于室温下的酚醛树脂基预浸料升温并加热85min，使预浸料初步成型并具有一定的粘度，然后利用牵引装置将该酚醛树脂基预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，在0.4MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对酚醛树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在120℃的温度下将该酚醛树脂基预浸料铺层升温并加热20min，然后利用牵引装置将经过预固化后的酚醛树脂基预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，在1.0MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对酚醛树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在140℃的温度下将该酚醛树脂基预浸料铺层升温并加热25min，最后利用牵引装置将经过固化后得到的酚醛树脂基预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，采用空气加热的方式在170℃的温度下将酚醛树脂基预浸料铺层升温并加热15min以进行后固化处理，在该实施例中，金属预成型模具、上下成型模具以及中空模具这些放置预浸料的装置中均铺覆有可剥布。
实施例4
利用牵引装置将放料装置中的聚酰胺树脂基预浸料牵出至预加热装置中的金属预成型模具中，利用该模具中的电加热棒在82℃的温度下将处于室温下的聚酰胺树脂基预浸料升温并加热78min，使预浸料初步成型并具有一定的粘度，然后利用牵引装置将该聚酰胺树脂基预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，在0.25MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对聚酰胺树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在105℃的温度下将该聚酰胺树脂基预浸料铺层升温并加热15min，然后利用牵引装置将经过预固化后的聚酰胺树脂基预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，在0.7MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对聚酰胺树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在125℃的温度下将该聚酰胺树脂基预浸料铺层升温并加热18min，最后利用牵引装置将经过固化后得到的聚酰胺树脂基预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，采用空气加热的方式在155℃的温度下将聚酰胺树脂基预浸料铺层升温并加热20min以进行后固化处理，在该实施例中，金属预成型模具、上下成型模具以及中空模具这些放置预浸料的装置中均铺覆有可剥布。
实施例5
利用牵引装置将放料装置中的聚醚树脂基预浸料牵出至预加热装置中的金属预成型模具中，利用该模具中的电加热棒在88℃的温度下将处于室温下的聚醚树脂基预浸料升温并加热85min，使预浸料初步成型并具有一定的粘度，然后利用牵引装置将该聚醚树脂基预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，在0.35MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对聚醚树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在115℃的温度下将该聚醚树脂基预浸料铺层升温并加热18min，然后利用牵引装置将经过预固化后的聚醚树脂基预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，在0.9MPa的压力下采用上下成型模具合模的方式对聚醚树脂基预浸料铺层进行加压处理，同时利用模具中的加热装置在135℃的温度下将该聚醚树脂基预浸料铺层升温并加热23min，最后利用牵引装置将经过固化后得到的聚醚树脂基预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，采用空气加热的方式在165℃的温度下将聚醚树脂基预浸料铺层升温并加热20min以进行后固化处理，在该实施例中，金属预成型模具、上下成型模具以及中空模具这些放置预浸料的装置中均铺覆有可剥布。
本发明提供了一种复合材料型材的先进拉挤成型方法，通过对复合材料的预浸料依次进行预加热、预固化、固化和后固化处理来制备复合材料型材，通过增设预加热和预固化来采用逐步升温和逐步加压的方式进行预浸料的处理，使得预浸料在进入固化步骤之前就具有一定的粘度和温度，从而避免了预浸料由室温快速升至固化温度以及快速加压所造成的预浸料大量流失且流失不均匀的现象，使得制备的型材具有均匀的树脂含量，同时还减少了步进纹和表面褶皱的产生，从而提高复合材料型材的表面质量，进而提升了型材的性能。本发明所制备的复合材料型材可应用于航空航天、新能源发电、国防建设等高科技领域，同样也可应用于交通建筑业，汽车车身、轮毂等各个方面。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种复合材料型材的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述先进拉挤成型方法包括：对预浸料依次进行预加热、预固化、固化和后固化处理来制备复合材料型材。
2.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述预加热包括：利用牵引装置将放料装置中的预浸料牵出至预加热装置中的金属预成型模具中，并且利用所述金属预成型模具中的电加热棒对所述预浸料进行所述预加热，其中，所述金属预成型模具中均铺覆有脱膜材料。
3.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述预加热的加热温度为80～90℃，时间为75～85min。
4.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述预固化包括：利用牵引装置将经过所述预加热后得到的预浸料铺层牵出至预固化装置的上下成型模具中，并且在所述上下成型模具中对所述预浸料铺层进行所述预固化，其中，所述上下成型模具中铺覆有脱膜材料。
5.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述预固化的加热温度为100～120℃，时间为10～20min，压力为0.2～0.4MPa。
6.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述固化包括：利用牵引装置将经过所述预固化后得到的预浸料铺层牵出至固化装置的上下成型模具中，并且在所述上下成型模具中对所述预浸料铺层进行所述固化，其中，所述上下成型模具中铺覆有脱膜材料。
7.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述固化的加热温度为120～140℃，时间为15～25min，压力为0.6～1.0MPa。
8.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述后固化包括：利用牵引装置将经过所述固化后得到的预浸料铺层牵出至后固化装置的中空模具中，并且采用空气加热的方式对所述预浸料铺层进行所述后固化，制得所述复合材料型材，其中，所述中空模具中铺覆有脱膜材料。
9.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述后固化的加热温度为150～170℃，时间为10～20min。
10.根据权利要求1所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述预浸料为环氧树脂基预浸料、酚醛树脂基预浸料、聚酰胺树脂基预浸料、聚醚树脂基预浸料的一种或多种的组合。
11.根据权利要求2、4、6或8所述的先进拉挤成型方法，其特征在于，所述脱膜材料为聚四氟乙烯膜或可剥布。
12.一种用于权利要求1～11任一项所述的先进拉挤成型方法的成型装置，其特征在于，包括：依次连接的放料装置、预加热装置、预固化装置、固化装置、后固化装置和牵引装置，其中，
所述放料装置包括离合器电机、气涨轴、自动回卷装置；
所述预加热装置包括金属预成型模具，其中，所述金属预成型模具中放置有电加热棒；
所述预固化装置包括上下成型模具，其中，所述上下成型模具中放置有加热装置；
所述固化装置包括上下成型模具，其中，所述上下成型模具中放置有加热装置；
所述后固化装置包括中空模具；以及
所述牵引装置包括自动回卷装置，并且用于将预浸料按照所述放料装置、所述预处理装置、所述预固化装置、所述固化装置、所述后固化装置的顺序从所述放料装置开始依次牵出至后一装置。
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