CN109676908B - 一种短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法 - Google Patents

一种短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法 Download PDF

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Abstract

一种短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，涉及一种短纤维增强热塑性聚合物制备管材的方法。目的是解决缠绕成形工艺无法实现短纤维增强热塑性聚合物复合管材的制备的问题。方法：制备连续短纤维增强热塑性聚合物预浸料，将连续型薄带状预浸料缠绕在芯模上，并套上具有内径夹具，得到预制体，对预制体加热使热塑性聚合物轻度熔化后并在此温度下保温，保温结束后将内径调节夹具的内径缩小至管材设计尺寸，然后冷却脱模。本发明将短纤维和热塑性聚合物制备成薄带状预浸料，缠绕至芯模上加热进行层间粘合，通过调节内径调节夹具控制管材壁的厚度，实现短纤维增强热塑性聚合物复合管的缠绕成形。本发明适用于缠绕制备热塑性聚合物管材。

Description

一种短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法
技术领域
本发明涉及一种短纤维增强热塑性聚合物制备管材的方法。
背景技术
纤维增强热塑性聚合物复合材料经济性好、机械性能高，应用领域十分广泛。其中热塑性聚合物主要为常用的聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯等，增强纤维分为天然纤维和人工纤维两种。天然纤维包括木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维及秸秆纤维等天然存在的纤维。天然纤维具有来源广泛、绿色环保等突出优点，且在装饰装修、园林设施等众多领域中得到广泛应用；人工纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、金属纤维等，因其超高的力学强度、模量、抗疲劳等性能，人工纤维复合材料被作为结构材料和功能件在航空航天、化学防腐、风力发电等领域广泛应用。缠绕成型具体工艺是将连续纤维或布带浸渍树脂胶液后制备成预浸料，然后将预浸料按照一定规律缠绕到芯模上，经固化和脱模，最终制备成复合材料制品。缠绕成型是制备管道类型材的主要方法之一。缠绕成型常用的纤维为连续型人工纤维，树脂胶液为热固性树脂。为保证预浸料层间结合紧密和连续纤维的完全舒展，缠绕过程中需要对预浸料施加张力，而连续型人工纤维便是张力的主要受体。由于缠绕成型的高精度和可设计性强等优点，缠绕成型在航空航天、军工及民品方面得到广泛应用。如直升飞机传动轴，航天器的发动机等。
目前，短纤维增强热塑性聚合物复合材料由于韧性强且可多次加工等优势得到广泛的应用。因此，利用短纤维增强热塑性聚合物复合材料制备管材日益受到人们的期待。但是，现有的缠绕工艺适用于人工纤维增强热固性树脂，在向人工纤维施加张力缠绕过程中便可进行层间结合。然而，短纤维增强热塑性聚合物需要加热至轻度熔化才能进行层间粘合，轻度熔化后的短纤维增强热塑性聚合物拉伸性能急剧下降，无法承载缠绕时所需的张力。因此，现有缠绕成形工艺无法实现短纤维增强热塑性聚合物复合管材的制备。
发明内容
本发明为了解决现有缠绕成形工艺无法实现短纤维增强热塑性聚合物复合材料管材的制备的问题，提出一种短纤维增强热塑性聚合物复合管的制备方法。
本发明短纤维增强热塑性聚合物复合管的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一、连续短纤维增强热塑性聚合物预浸料的制备：
称取短纤维、热塑性聚合物粒子和加工助剂，混合均匀后经热压或挤出得到连续型薄带状预浸料；
所述热压通过连续压机实现，所述挤出通过挤出机实现；
所述短纤维和热塑性聚合物粒子的质量比为(0.1～9)：1；
所述热塑性聚合物粒子和加工助剂的质量比为1:(0.02～0.08)；
所述加工助剂为偶联剂、润滑剂中的一种或两种；所述偶联剂为钛酸脂类偶联剂、异氰酸酯类偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂、马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或几种；所述润滑剂为PE蜡、石蜡、硬脂酸中的一种或几种；
所述薄带状预浸料的厚度为0.5～2.5mm；所述短纤维长度小于100mm；
所述热塑性聚合物粒子为聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或工程塑料；所述工程塑料为聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛或改性聚苯醚和热塑性聚酯；
所述短纤维为木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维、秸秆纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、金属纤维中的一种或几种；
步骤二、将连续型薄带状预浸料通过张力控制器缠绕在芯模上，在预浸料外部套上具有内径调节夹具，得到预制体；
所述在芯模缠绕的连续型薄带状预浸料的总厚度大于管材设计壁厚的1.5～2mm；
所述内径调节夹具为圆筒形，内径调节夹具的内表面为抛光面，内径调节夹具筒壁上轴向设置有弧形开口，开口处筒壁的两个端面为弧形，开口处筒壁的两个端面外表面分别设置有第一螺母和第二螺母，第一螺母和第二螺母通过螺栓连接，通过调节螺栓能够实现内径调节夹具的内径的调节；内径调节夹具处于张开状态时内表面为椭圆形，内径调节夹具处于夹紧状态时筒壁上开口处筒壁的两个弧形端面重合，内径调节夹具的内表面为圆形；
步骤三、将预制体加热至连续型薄带状预浸料的软化温度，连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温，保温结束后将内径调节夹具的内径缩小至管材设计尺寸，然后冷却并拆除内径调节夹具，即完成；
所述连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温的时间为2～3min；
本发明原理及有益效果为：
本发明针对短纤维增强热塑性聚合物复合管材制备时无法实现缠绕成形的问题，将短纤维和热塑性聚合物粒子经热压或挤出，得到连续型薄带状预浸料，通过向连续型薄带状预浸料施加张力并缠绕至芯模上，然后加热进行层间粘合；在加热粘合过程中，通过调节内径调节夹具控制层间紧密程度和管材壁的厚度，从而实现短纤维增强热塑性聚合物复合管的缠绕成形；即本发明采用短纤维增强热塑性聚合物预浸料，并采用先缠绕后加热层间粘合的方法制备管材，制备过程中内径可调节的夹具用以短纤维增强热塑性聚合物预浸料轻度熔化后的固定。芯模缠绕的连续型薄带状预浸料的总厚度大于管材设计壁厚，连续型薄带状预浸料全部软化后将内径调节夹具的内径缩小至管材设计尺寸能够保证复合材料层间结合紧密。
附图说明
图1为本发明内径调节夹具处于夹紧状态时的结构示意图；
图2为本发明内径调节夹具的处于张开状态时的结构示意图。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式短纤维增强热塑性聚合物复合管的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一、连续短纤维增强热塑性聚合物预浸料的制备：
称取短纤维、热塑性聚合物粒子和加工助剂，混合均匀后经热压或挤出得到连续型薄带状预浸料；
步骤二、将连续型薄带状预浸料通过张力控制器缠绕在芯模上，在预浸料外部套上具有内径调节夹具，得到预制体；所述在芯模缠绕的连续型薄带状预浸料的总厚度大于管材设计壁厚的1.5～2mm；
步骤三、将预制体加热至连续型薄带状预浸料的软化温度，连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温，保温结束后将内径调节夹具的内径缩小至管材设计尺寸，然后冷却并拆除内径调节夹具，即完成。
本实施方式原理及有益效果为：
本实施方式针对短纤维增强热塑性聚合物复合管材制备时无法实现缠绕成形的问题，将短纤维和热塑性聚合物粒子经热压或挤出，得到连续型薄带状预浸料，通过向连续型薄带状预浸料施加张力并缠绕至芯模上，然后加热进行层间粘合；在加热粘合过程中，通过调节内径调节夹具控制层间紧密程度和管材壁的厚度，从而实现短纤维增强热塑性聚合物复合管的缠绕成形；即本实施方式采用短纤维增强热塑性聚合物预浸料，并采用先缠绕后加热层间粘合的方法制备管材，制备过程中内径可调节的夹具用以短纤维增强热塑性聚合物预浸料轻度熔化后的固定。芯模缠绕的连续型薄带状预浸料的总厚度大于管材设计壁厚，热塑性聚合物粒子全部软化后将内径调节夹具的内径缩小至管材设计尺寸能够保证复合材料层间结合紧密。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述热压通过连续压机实现，所述挤出通过挤出机实现。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述短纤维和热塑性聚合物粒子的质量比为(0.1～9)：1。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述热塑性聚合物粒子和加工助剂的质量比为1:(0.02～0.08)。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一所述加工助剂为偶联剂、润滑剂中的一种或两种；所述偶联剂为钛酸脂类偶联剂、异氰酸酯类偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂、马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或几种；所述润滑剂为PE蜡、石蜡、硬脂酸中的一种或几种。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一所述薄带状预浸料的厚度为0.5～2.5mm；所述短纤维长度小于100mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一所述热塑性聚合物粒子为聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或工程塑料；所述工程塑料为聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛或改性聚苯醚和热塑性聚酯。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：结合图1～2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二所述内径调节夹具为圆筒形，内径调节夹具的内表面为抛光面，内径调节夹具筒壁1上轴向设置有弧形开口，开口处筒壁的两个端面为弧形，开口处筒壁的两个端面外表面分别设置有第一螺母3和第二螺母4，第一螺母3和第二螺母4通过螺栓5连接，通过调节螺栓5能够实现内径调节夹具的内径的调节；内径调节夹具处于张开状态时内表面为椭圆形，内径调节夹具处于夹紧状态时筒壁1上开口处筒壁的两个弧形端面重合，内径调节夹具的内表面为圆形。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤一所述短纤维为木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维、秸秆纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、金属纤维中的一种或几种。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三所述连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温的时间为2～3min。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本发明短纤维增强热塑性聚合物复合管的制备方法按照以下步骤进行：
步骤一、连续短纤维增强热塑性聚合物预浸料的制备：
称取长度为50～100mm的竹纤维、热塑性聚合物粒子和加工助剂，混合均匀后经热压或挤出得到连续型薄带状预浸料；
所述热压通过连续压机实现，所述挤出通过挤出机实现；
所述短纤维和热塑性聚合物粒子的质量比为3：2；
所述热塑性聚合物粒子和加工助剂的质量比为1:0.03；
所述加工助剂为偶联剂和润滑剂；所述偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂；润滑剂为石蜡和硬脂酸；石蜡、硬脂酸和热塑性聚合物粒子的质量比为0.01:0.01:1；
所述薄带状预浸料的厚度为1mm，宽度20mm；所述短纤维长度小于100mm；
所述热塑性聚合物粒子为聚丙烯；
步骤二、将连续型薄带状预浸料通过张力控制器缠绕在芯模上，缠绕张力为5MPa，缠绕5层，在预浸料外部套上具有内径调节夹具，得到预制体；
所述在芯模缠绕的连续型薄带状预浸料的总厚度为5mm；
所述内径调节夹具为圆筒形，内径调节夹具的内表面为抛光面，内径调节夹具筒壁1上轴向设置有弧形开口，开口处筒壁的两个端面为弧形，开口处筒壁的两个端面外表面分别设置有第一螺母3和第二螺母4，第一螺母3和第二螺母4通过螺栓5连接，通过调节螺栓5能够实现内径调节夹具的内径的调节；内径调节夹具处于张开状态时内表面为椭圆形，内径调节夹具处于夹紧状态时筒壁1上开口处筒壁的两个弧形端面重合，内径调节夹具的内表面为圆形；
步骤三、将预制体加热至175℃，连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温，保温结束后将内径调节夹具的内径缩小88mm，使预浸带的厚度由5mm缩小至4mm，4mm即为管材壁厚，然后冷却并拆除内径调节夹具，即完成；
所述连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温的时间为3min；
将50～100mm的竹纤维与聚丙烯按质量比为6:4进行混合，偶联剂选用马来酸苷接枝聚丙烯，与聚丙烯的质量比为0.03:1，润滑剂选用石蜡和硬脂酸，与聚丙烯的质量比为0.01:0.01:1。将上述的原料统一放入混料机，混合均匀后经造粒挤出制备宽20mm，厚1mm连续型预浸带，将预浸带施加5MPa的张力缠绕在直径为80mm的芯模上，缠绕5层，预浸带厚度为5mm。然后安装内径可调节卡夹具，制备预制体。再将预制体放入烘箱，加热至175℃，保温3min，使每一层预浸带均已融化，取出预制体，将内径缩小至88mm，使预浸带的厚度缩小至4mm即管材壁厚，冷却后脱模。
本实施例将短纤维和热塑性聚合物粒子经热压或挤出，得到连续型薄带状预浸料，通过向连续型薄带状预浸料施加张力并缠绕至芯模上，然后加热进行层间粘合；在加热粘合过程中，通过调节内径调节夹具控制层间紧密程度和管材壁的厚度，从而实现短纤维增强热塑性聚合物复合管的缠绕成形；芯模缠绕的连续型薄带状预浸料的总厚度大于管材设计壁厚，连续型薄带状预浸料全部软化后将内径调节夹具的内径缩小至管材设计尺寸能够保证复合材料层间结合紧密。本实施例制备的管材公称压力为5.3MPa，超过了PE100级要求。

Claims (10)

1.一种短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
步骤一、连续短纤维增强热塑性聚合物预浸料的制备：
称取短纤维、热塑性聚合物粒子和加工助剂，混合均匀后经热压或挤出得到连续型薄带状预浸料；
步骤二、将连续型薄带状预浸料通过张力控制器缠绕在芯模上，在预浸料外部套上具有内径调节夹具，得到预制体；所述在芯模缠绕的连续型薄带状预浸料的总厚度大于管材设计壁厚的1.5～2mm；
步骤三、将预制体加热至连续型薄带状预浸料的软化温度，连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温，保温结束后将内径调节夹具的内径缩小至管材设计尺寸，然后冷却并拆除内径调节夹具，即完成。
2.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤一所述热压通过连续压机实现，所述挤出通过挤出机实现。
3.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤一所述短纤维和热塑性聚合物粒子的质量比为(0.1～9)：1。
4.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤一所述热塑性聚合物粒子和加工助剂的质量比为1:(0.02～0.08)。
5.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤一所述加工助剂为偶联剂、润滑剂中的一种或两种；所述偶联剂为钛酸脂类偶联剂、异氰酸酯类偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂、马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂、硅烷偶联剂中的一种或多种的组合；所述润滑剂为PE蜡、石蜡、硬脂酸中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤一所述薄带状预浸料的厚度为0.5～2.5mm；所述短纤维长度小于100mm。
7.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤一所述热塑性聚合物粒子为聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物或工程塑料；所述工程塑料为聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛或改性聚苯醚和热塑性聚酯。
8.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤二所述内径调节夹具为圆筒形，内径调节夹具的内表面为抛光面，内径调节夹具筒壁(1)上轴向设置有弧形开口，开口处筒壁的两个端面为弧形，开口处筒壁的两个端面外表面分别设置有第一螺母(3)和第二螺母(4)，第一螺母(3)和第二螺母(4)通过螺栓(5)连接，通过调节螺栓(5)能够实现内径调节夹具的内径的调节；内径调节夹具处于张开状态时内表面为椭圆形，内径调节夹具处于夹紧状态时筒壁(1)上开口处筒壁的两个弧形端面重合，内径调节夹具的内表面为圆形。
9.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤一所述短纤维为木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维、秸秆纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、金属纤维中的一种或多种的组合。
10.根据权利要求1所述的短纤维增强热塑性聚合物缠绕成型制备管材的方法，其特征在于：步骤三所述连续型薄带状预浸料全部软化后在软化温度下保温的时间为2～3min。
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