CN109702923B - 一种干态纤维织物的膜转移定型方法及其应用 - Google Patents
一种干态纤维织物的膜转移定型方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种干态织物的膜转移定型方法及其应用。方法包括：在离型纸的上表面或下表面上覆盖定型液，溶剂挥发后得到带有粘性薄膜的离型纸；将干态纤维织物在离型纸上沿纤维方向展开，并施加压力使粘性薄膜粘贴在纤维织物表面；将干态纤维织物进行裁剪，得到N个单面带离型纸的纤维织物，分别作为第一层纤维织物、第二层纤维织物，······第N层纤维织物；将带有粘性薄膜的离型纸中的粘性薄膜粘贴在第一层纤维织物未带离型纸的一面；铺覆，铺覆结束后即完成定型，得到纤维预成型体。该方法提高了织物层与层之间的粘接力，降低了纤维定型剂的用量，减少预成型体制备时纤维的变形量、提高纤维预成型体的制备质量，最终确保产品的成型质量。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种干态纤维织物的膜转移定型方法及其应用。
背景技术
复合材料低成本液态成型工艺(如RTM、VARI等)已经广泛应用复合材料各个技术领域，并逐步由生产次承力结构件向主承力结构件方向发展。而复合材料液态成型工艺中有一项关键技术就是产品纤维预成型体的制备技术。纤维预成型体需要大量使用干态碳纤维织物或玻璃纤维织物，干态纤维织物由于没有像预浸料一样浸胶，因此很容易出现变形而导致纤维屈曲、铺层角度偏斜等，并直接影响产品预成型质量及最终产品的质量。因此，在制备纤维预成型体时必须对纤维进行定型处理。
传统的定型处理方法是将纤维预定型剂涂刷在纤维上，待溶剂挥发后纤维变硬。尽管裁减铺层时纤维变形量会比不定型时变小，但由于该方法会使大量定型剂随着溶剂渗入纤维束内部，不仅使织物层与层之间缺少粘接力，而且渗入纤维内部的定型剂还会影响液态成型时树脂在纤维内部的流动，并最终影响产品的成型质量。同时，传统定型方法所用定型剂的量一般为纤维重量的6～10％，会在一定程度上影响复合材料的力学性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有纤维织物定型技术的不足，提供液态成型工艺中一种干态织物的膜转移定型方法，该方法提高了织物层与层之间的粘接力，大幅度降低纤维定型剂的用量，减少预成型体制备时纤维的变形量、提高纤维预成型体的制备质量，最终确保产品的成型质量。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
1、一种干态纤维织物的膜转移定型方法，包括如下步骤：
(1)在离型纸的上表面或下表面上覆盖定型液，溶剂挥发后得到带有粘性薄膜的离型纸；
(2)将干态纤维织物在离型纸上沿纤维方向展开，并施加压力使粘性薄膜粘贴在纤维织物表面；
(3)将经步骤(2)处理后的干态纤维织物进行裁剪，得到N个单面带离型纸的纤维织物，分别作为第一层纤维织物、第二层纤维织物，······第N层纤维织物；
(4)将带有粘性薄膜的离型纸中的粘性薄膜粘贴在第一层纤维织物未带离型纸的一面；
(5)将经步骤(4)处理后的第一层纤维织物铺好后撕去上层的离型纸，再将第二层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第二层纤维织物与第一层纤维织物复合；按照同样的方法铺覆其余层；铺覆结束后即完成定型，得到纤维预成型体。
2、根据技术方案1所述的方法，所述定型液选用液态定型剂或固态定型剂与溶剂配制成的溶液。
3、根据技术方案2所述的定型方法，所用定型液的质量按照如下方法进行确定：定型液中的定型剂的质量占所述干态纤维织物质量的1％～3％。
4、根据技术方案3所述的定型方法，所用的定型液中的固含量为15％～30％。
5、根据技术方案2所述的定型方法，所述定型液为固态定型剂与溶剂配制成的溶液，其中，所述固态定型剂为双酚A型环氧树脂与六氟聚芳醚酮预聚体，所述溶剂为四氢呋喃和丙酮。
6、根据技术方案1至5任一项所述的定型方法，在步骤(1)中，采用喷涂或涂刷的方法覆盖定型溶液。
7、根据技术方案1至5任一项所述的定型方法，所述干态纤维织物为碳纤维织物、玻璃纤维织物、石英纤维织物、玄武岩纤维织物中的任一种或多种。
8、一种纤维预成型体，采用技术方案1至7任一项所述的定型方法制备而成。
9、一种技术方案8所述的纤维预成型体，所述纤维预成型体的纤维含量为55％～65％。
10、一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)按照技术方案1至7任一项所述定型方法制备纤维预成型体；
(b)将预成型体装入RTM模具内，合模，密封；
(c)注胶；和
(d)固化，得到所述复合材料。
有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明方法打破了传统纤维预定型时在纤维表面涂刷或喷涂定型剂的思路，提出将定型剂预先涂刷或喷涂在离型纸上，形成点状或薄片状粘接薄膜，整个预成型体制备过程中，不需要对纤维进行加热处理，室温下经预定型处理的纤维具有和预浸料相当的裁剪性、铺覆工艺性；
本发明提供的成型方法可以只需纤维重量1％～3％的定型剂，而且定型剂只留在纤维的表面，没有渗入纤维的内部，因此不会影响液态成型时树脂在纤维内部的流动，可以有效保证产品的成型质量；该方法在不影响液态成型工艺中树脂的流动的前提下，使纤维定型剂保留在织物表面，不仅可以提高织物层与层之间的粘接力，而且会大幅度降低纤维定型剂的用量，同时还能使经定型处理的纤维织物具有和预浸料相当的工艺铺覆性，从而减少预成型体制备时纤维的变形量、提高纤维预成型体的制备质量，最终确保产品的成型质量。
采用该方法制备预成型体时不需要加热，只需在室温下施加接触压力即可将定型剂膜转移到干态织物表面，实现干态织物的定型处理，室温定型则使纤维预成型体制备的难度和成本更低、质量更高。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种干态纤维织物的膜转移定型方法，包括如下步骤：
(1)在离型纸的上表面或下表面上覆盖定型液，覆盖方法可以为喷涂或刷涂，溶剂挥发后得到带有点状或薄片状粘性薄膜的离型纸；
在该步骤中，定型液可以直接选用现有的液态定型剂，也可以选用固态定型剂与溶剂配制成的溶液。无论是液态定型剂还是用固态定型剂与溶剂配制成的溶液，本发明对其中的定型剂的种类没有特别的限定，采用现有的定型剂均可实现本发明的使用效果。例如，液态定型可以选用Tack328。当所述定型液为固态定型剂与溶剂配制成的溶液时，所述固态定型剂可以选用双酚A型环氧树脂和六氟聚芳醚酮预聚体，所述溶剂可以选用四氢呋喃和丙酮。
无论采用哪一种，在本发明的优选实施方式中，定型剂的质量均只占到干态纤维织物质量的1％～3％，例如，可以为1％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2％、2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％、2.9％、3％。也可以根据这一要求确定定型液的用量。更加优选地，所用的定型液中的固含量为15％～30％，可以为该范围内的任意值(包含端点值)，例如，可以为15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％。
(2)将干态纤维织物在离型纸上沿纤维方向展开，并施加压力使粘性薄膜粘贴在纤维织物表面；在该步骤中，所述干态纤维织物可以为碳纤维织物、玻璃纤维织物、石英纤维织物、玄武岩纤维织物中的任一种或多种。干态纤维织物可以采用现有的市售产品，其性质(比如厚度、宽度、密度、纤维类型等)由其本身决定，本发明对其未做具体限定。
(3)将经步骤(2)处理后的干态纤维织物进行裁剪，裁剪可以根据所需要的角度和/或大小进行，从而得到N个单面带离型纸的纤维织物，分别作为第一层纤维织物、第二层纤维织物，······第N层纤维织物；需要说明的是，裁剪的数量可以根据设计需求确定，例如，在其它条件均不考虑的情况下，当所采用的干态纤维织物的厚度较薄时，可能裁剪的数量会较多，当所采用的干态纤维织物的厚度较厚时，可能裁剪的数量会较少。一般来说，数量不会低于3个，所以N为大于2的自然数。
(4)将带有粘性薄膜的离型纸中的粘性薄膜粘贴在第一层纤维织物未带离型纸的一面；
(5)将经步骤(4)处理后的第一层纤维织物铺好后撕去上层的离型纸，再将第二层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第二层纤维织物与第一层纤维织物复合；
按照同样的方法铺覆其余层；例如，铺覆第三层时，先撕去第二层纤维织物上层的离型纸，再将第三层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第三层纤维织物与第二层纤维织物复合；例如，当还有第四层纤维织物时，铺覆第四层时，先撕去第三层纤维织物上层的离型纸，再将第四层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第四层纤维织物与第三层纤维织物复合；
铺覆结束后即完成定型，得到纤维预成型体。一般来说，该纤维预成型体为平板型的纤维预成型体。
综上可以看出，该方法将溶液状的定型剂均匀覆盖在离型纸上，溶剂挥发后定型剂在离型纸上形成粘性层(即粘性薄膜)；将成卷的织物在涂有定型剂的离型纸上沿纤维方向展开，通过一定的接触压力使定型剂粘性薄膜转移到干态织物表面，织物铺好后再将离型纸撕掉，定型剂则保留在织物表面，从而使干态织物具有和预浸料相当的工艺性。本发明大幅减少定型剂的用量，定型剂粘接层保留在织物表面，提高铺层时的粘接力；预成型体制备时不需要对织物进行加热或抽真空处理即可完成的制备，保证纤维预成型体的制备质量。本发明方法打破了传统纤维预定型时在纤维表面涂刷或喷涂定型剂的思路，整个预成型体制备过程中，不需要对纤维进行加热处理，室温下经预定型处理的纤维具有和预浸料相当的裁剪性、铺覆工艺性。
本发明提供的成型方法可以只需纤维重量1％～3％的定型剂，而且定型剂只留在纤维的表面，没有渗入纤维的内部，因此不会影响液态成型时树脂在纤维内部的流动，可以有效保证产品的成型质量；该方法在不影响液态成型工艺中树脂的流动的前提下，使纤维定型剂保留在织物表面，不仅可以提高织物层与层之间的粘接力，而且会大幅度降低纤维定型剂的用量，同时还能使经定型处理的纤维织物具有和预浸料相当的工艺铺覆性，从而减少预成型体制备时纤维的变形量、提高纤维预成型体的制备质量，最终确保产品的成型质量。
采用该方法制备预成型体时不需要加热，只需在室温下施加接触压力即可将定型剂膜转移到干态织物表面，实现干态织物的定型处理，室温定型则使纤维预成型体制备的难度和成本更低、质量更高。
本发明还提供了一种纤维预成型体，采用上述定型方法制备而成。当采用优选的技术方案时，所述纤维预成型体的纤维含量为55％～65％。
本发明还提供的一种上述纤维预成型体的应用，可以利用本发明方法制得的纤维预成型体制备复合材料。具体可以按照如下步骤制备复合材料：
(a)按照本发明提供的定型方法制备纤维预成型体；
(b)将预成型体装入RTM模具内，合模，密封；
(c)注胶；和
(d)固化，得到所述复合材料。
利用本发明定型方法制得的纤维预成型体制备复合材料时，可以采用RTM(ResinTransfer Molding)法进行制备，所用的RTM模具、注胶工艺条件和固化工艺条件均可以采用现有技术。例如，注胶所用的树脂可以采用现有的环氧树脂，固化工艺条件可以根据注胶所用的树脂确定。
以下是本发明列举的实施例。
实施例1
定型剂材料：溶液型定型剂Tack328(溶液型，固体含量17％)
织物类型：G0827单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型T300-3k。
第一步，按每平米29.1g称取Tack328定型剂(固含量相当于G0827织物重量的3％)并均匀喷涂在离型纸上，待溶剂挥发后定型剂会在离型纸上形成均匀点状或薄片状粘性薄膜；
第二步，将成卷G0827单向碳纤维织物在涂有定型剂的离型纸上沿纤维方向展开，通过一定的接触压力使定型剂薄膜转移到干态纤维织物表面，并将织物和离型纸一起收卷、备用；
第三步，将预定型处理的成卷的G0827单向碳纤维织物展开，裁剪成300mm×300mm的尺寸共13块，得到13个单面带离型纸的纤维织物，分别标记为第一层纤维织物、第二层纤维织物，第三层纤维织物，第四层纤维织物，第五层纤维织物，第六层纤维织物，第七层纤维织物，第八层纤维织物，第九层纤维织物，第十层纤维织物，第十一层纤维织物，第十二层纤维织物，第13层纤维织物；
第四步，将带有粘性薄膜的离型纸中的粘性薄膜粘贴在第一层纤维织物未带离型纸的一面，使第一层纤维织物的两面均粘粘有粘性薄膜(或者说是离型纸)；在该步骤中，可以按照第一步中的方法对离型纸进行处理；
第五步，制备平板预成型体：
将经第四步处理后的第一层纤维织物铺好后撕去上层的离型纸，再将第二层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第二层纤维织物与第一层纤维织物复合；
按照同样的方法铺覆第三层、第四层，······直至第十三层；具体来说，铺覆第三层时，先撕去第二层纤维织物上层的离型纸，再将第三层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第三层纤维织物与第二层纤维织物复合；铺覆第四层时，先撕去第三层纤维织物上层的离型纸，再将第四层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第四层纤维织物与第三层纤维织物复合；
铺覆结束后即完成定型，得到平板型纤维预成型体。
整个预成型体制备过程中，不需要对纤维进行加热处理，只需施加接触压力即可完成平板预成型体的制备，制备的预成型体具有较好的整体性、可搬运性及装模性，其复合材料纤维体积含量可以达到55～65％。
实施例2
定型剂材料：双酚A型环氧树脂与六氟聚芳醚酮预聚体(干态定型剂)。
溶剂：四氢呋喃与丙酮按重量比1：1制成的混合溶剂。
织物类型：G0827单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型T300-3k。
第一步，将干态定型剂(双酚A型环氧树脂与六氟聚芳醚酮预聚体)溶于四氢呋喃与丙酮的混合溶剂(重量比1：1)中，制成固体含量30％的定型剂溶液。
第二步，按固含量相当于G0827织物重量的1％称取定型剂溶液，并均匀涂刷在离型纸上，待溶剂挥发后定型剂会在离型纸上形成均匀点状或薄片状粘性薄膜；
第三步，将成卷G0827单向碳纤维织物在涂有定型剂的离型纸上沿纤维方向展开，通过一定的接触压力使定型剂薄膜转移到纤维织物表面，将织物和离型纸一起收卷、备用；
第四步，将预定型处理的成卷的G0827单向碳纤维织物展开，裁剪成300mm×300mm的尺寸共13块，得到13个单面带离型纸的纤维织物，分别标记为第一层纤维织物、第二层纤维织物，第三层纤维织物，第四层纤维织物，第五层纤维织物，第六层纤维织物，第七层纤维织物，第八层纤维织物，第九层纤维织物，第十层纤维织物，第十一层纤维织物，第十二层纤维织物，第十三层纤维织物；
第五步，将带有粘性薄膜的离型纸中的粘性薄膜粘贴在第一层纤维织物未带离型纸的一面，使第一层纤维织物的两面均粘粘有粘性薄膜(或者说是离型纸)；在该步骤中，可以按照第一步中的方法对离型纸进行处理；
第六步，制备平板预成型体：
将经第五步处理后的第一层纤维织物铺好后撕去上层的离型纸，再将第二层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第二层纤维织物与第一层纤维织物复合；
按照同样的方法铺覆第三层、第四层，······直至第十三层；具体来说，铺覆第三层时，先撕去第二层纤维织物上层的离型纸，再将第三层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第三层纤维织物与第二层纤维织物复合；铺覆第四层时，先撕去第三层纤维织物上层的离型纸，再将第四层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第四层纤维织物与第三层纤维织物复合；
铺覆结束后即完成定型，得到平板型纤维预成型体。
整个预成型体制备过程中，不需要对纤维进行加热处理，只需施加接触压力即可完成平板预成型体的制备，制备的预成型体具有较好的整体性、可搬运性及装模性，其复合材料纤维体积含量可以达到55～65％。
实施例3(现有的定型方法)
定型剂材料：溶液型定型剂Tack328(溶液型，固体含量17％)
织物类型：G0827单向碳纤维织物，面密度165g/m2，纤维类型T300-3k。
第一步，将成卷G0827单向碳纤维织物展开，按每平米58.2称取Tack328定型剂(固含量相当于G0827织物重量的6％)，将定型剂直接喷洒在纤维上；
第二步，待定型剂溶剂挥发后将织物裁剪成300mm×300mm的尺寸共13块；
第三步，逐层铺敷13层织物，注意轻拿轻放，避免纤维变形。
本发明的预成型体制备方法见实例1和实例2，现有技术制备预成型体的方法见实例3。
将两种方法制备好的预成型体装入密闭的2mmRTM平板模具内，按如下注胶工艺完成力学性能测试用RTM平板制备：(1)RTM树脂采用航天特种材料及工艺技术研究所生产的6808RTM中温环氧树脂；(2)注射温度60℃，注射压力0.6MPa；(3)固化工艺130℃/2h。
通过对两种平板力学性能的测试，对比织物定型方法的好坏。本发明与现有技术制备的纤维预成型体及其复合材料情况见表1所示。
表1
从实验结果看，本发明不仅定型效果好，而且由于定型剂用量少不会对RTM树脂的注胶时间及复合材料的力学性能造成影响。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种干态纤维织物的膜转移定型方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在离型纸的上表面或下表面上覆盖定型液，溶剂挥发后得到带有粘性薄膜的离型纸；所述定型液为固态定型剂与溶剂配制成的溶液；其中，所述固态定型剂为双酚A型环氧树脂与六氟聚芳醚酮预聚体，所述溶剂为四氢呋喃和丙酮；所用定型液的质量按照如下方法进行确定：定型液中的定型剂的质量占所述干态纤维织物质量的1％～3％；所用的定型液中的固含量为15％～30％；采用喷涂或涂刷的方法覆盖定型液；
(2)将干态纤维织物在离型纸上沿纤维方向展开，并施加压力使粘性薄膜粘贴在纤维织物表面；
(3)将经步骤(2)处理后的干态纤维织物进行裁剪，得到N个单面带离型纸的纤维织物，分别作为第一层纤维织物、第二层纤维织物，······第N层纤维织物；
(4)将带有粘性薄膜的离型纸中的粘性薄膜粘贴在第一层纤维织物未带离型纸的一面；
(5)将经步骤(4)处理后的第一层纤维织物铺好后撕去上层的离型纸，再将第二层纤维织物未带离型纸的另一面铺覆上去，并施加压力使第二层纤维织物与第一层纤维织物复合；按照同样的方法铺覆其余层；铺覆结束后即完成定型，得到纤维含量为55％～65％的纤维预成型体。
2.根据权利要求1所述的定型方法，其特征在于：所述干态纤维织物为碳纤维织物、玻璃纤维织物、石英纤维织物、玄武岩纤维织物中的任一种或多种。
3.一种纤维预成型体，其特征在于：采用权利要求1或2所述的定型方法制备而成。
4.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)按照权利要求1或2所述定型方法制备纤维预成型体；
(b)将预成型体装入RTM模具内，合模，密封；
(c)注胶；和
(d)固化，得到所述复合材料。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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