CN109866437A - 一种碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料成型技术领域。采用薄膜复合技术，保持纤维状态，以透气不透胶的半透膜为载体制备胶膜与预浸料，利用筛网涂敷工艺控制胶膜均匀性，采用透气透胶脱模布与透气毡的组合脱模结构，实现坯料内过量胶液及溶剂气体的有效排放。本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，在匹配筛网的透气不透胶半透膜表面涂刮胶液制备胶膜；碳纤维展宽布平整铺覆在胶膜表面，按常规工艺热压成型。该方法制备的碳纤维展宽布层压复合材料树脂分布均匀，纤维状态保持性好，强度转化率高，操作简单、易控制。适用于热固性树脂基复合材料制备，特别适用于大面积制品的加工，和机械化连续预浸料制备。

Description

一种碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料成型技术领域,涉及织物增强复合材料层压技术，特别涉及碳纤维展宽布增强树脂基复合材料的成型技术。
背景技术
碳纤维的轴向强度和模量高，其杨氏模量是传统玻璃纤维(GF)的3倍多，是芳纶纤维(KF-49)的2倍左右，碳纤维复合材料具有优异的综合力学性能：比强度（强度与密度之比）、比模量（模量与密度之比）和比吸能高（有效破坏长度内单位质量吸收的能量），在等刚度或等强度设计原则下，碳纤维复合材料结构件比低碳钢结构件减重50%以上，比镁铝合金结构件减重达30%，同时可减少接近70%装配零件数量，碳纤维表面光滑、单丝直径小，对树脂的浸润性差，因此，复合材料成型技术成为制约其性能有效发挥的关键因素。
碳纤维展宽布是近年发展的一种新型织物形式，相比传统碳纤维布,特定体积内碳纤维密度高；纤维伸展状态更好，单丝平行度和密度分布均匀,增强碳纤维复合材料的拉伸强力；织物轻薄、扁平，可显著提高复合材料中纤维的体积含量，从而提高产品的断裂强度，相比传统碳纤维复合材料，力学性能可提高15%左右。
也正是由于碳纤维展宽布具有更轻、更薄、单丝排列规整性好的特点，碳纤维展宽布更易变形、多层叠层密实，树脂难以浸润，致使其增强树脂基复合材料的成型工艺性差。
真空辅助灌注成型是复合材料制品的常用成型工艺，但对于排列规则和紧密的碳纤维展宽布来说，由于布层之间压实紧密,树脂胶液难以有效浸润，灌注效率极低，浸渍效果也不好，难以有效成型大尺寸及高厚度的碳纤维展宽布增强的树脂基复合材料。
在手糊和常规模压工艺，树脂浸渍过程易造成纱束结构变形和纤维损伤，不能保证纤维性能的有效发挥。
碳纤维展宽布作为一种新的织物形式，其增强树脂基复合材料的制备方法未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维展宽布增强热固性树脂基复合材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的，采用薄膜复合技术，保持纤维状态，以透气不透胶的半透膜为载体制备胶膜与预浸料，利用筛网涂敷工艺控制胶膜均匀性，采用透气透胶脱模布与透气毡的组合脱模结构，实现坯料内过量胶液及溶剂气体的有效排放。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：
预浸料制备：在匹配筛网的透气不透胶半透膜表面涂刮胶液，取下筛网，得到胶膜；碳纤维展宽布平整铺覆在胶膜表面，得到表面带有半透膜的碳纤维展宽布表面敷胶膜预浸料；
铺层：揭除半透膜，顺序铺层；
热压成型：在模具和铺层间依次设置透气毡和透气透胶脱模布。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：展宽布两面覆胶膜，制备双面带有半透膜的碳纤维展宽布双面敷胶膜预浸料。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：成型压力不大于0.5MPa。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：所述半透膜为环氧或聚酯半透膜。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：所述脱模布为尼龙、聚酯/尼龙、聚四氟乙烯纤维织物或网中的一种。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：所述透气毡为聚酯或环氧类多孔材料，帮助排除复合材料成型过程中多余的空气、溶剂等挥发物，同时吸收层压时挤出的多余树脂。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：预浸料制备过程用胶液粘度不大于300mPa•s, 高密度织物匹配低粘度树脂。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：预浸料制备过程用胶液粘度介于70mPa•s~300mPa•s。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：胶液粘度不大于300mPa•s，筛网目数介于200~500之间。
本发明涉及的碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：预浸料制备过程，碳纤维展宽布与热固性树脂的质量比介于1:3~1:0.725之间。
本发明涉及的碳纤维展宽布树脂基复合材料制备方法，树脂分布均匀并有效浸润，纤维排布状态不被破坏，强度转化率高，操作简单、工艺性好，辅材可重复使用。复合材料制品质地均匀、表面平整、气孔率低，同时具有高抗弹、高承载和低比重的特点，适用于热固性树脂基复合材料制备，特别适用于大面积结构功能一体化制品的加工，和机械化连续预浸料制备。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提出的方案进行进一步说明,但不作为对技术方案的限制。任何一种可以实现本发明的技术方法均构成本发明涉及技术方案的一部分。
实施例一
以500mm×500mm的复合材料板材的制备为例，采用面密度100g/m2、经纬密度6.25×6.25 ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,SW980乙烯基酯树脂为树脂基体；500mm×500mm的300目筛网，530mm×530mm的聚酯型XP1255半透膜备用。
用甲基丙烯酸甲酯稀释乙烯基酯树脂至粘度达到180mpa•s。
筛网居中铺覆在半透膜上，用刮板将含纯树脂20g的胶液通过筛网均匀涂刮在一张半透膜上，取下筛网，得到以半透膜为载体的胶膜。
将500mm×500mm的碳纤维展宽布居中平整铺覆在一张胶膜的胶液面上，将另一张胶膜胶液面对正平整铺覆碳纤维展宽布的另一面，室温条件下凉置4h，得到两侧带有半透膜的双面覆胶的碳纤维展宽布预浸料。
成型时，揭下两侧半透膜，将103层碳纤维展宽布预浸料整齐叠合得到预成型坯料，在坯料上下两侧依次对称铺覆一层KZ60PA脱模布和Bleeder150透气毡，75℃、0.4MPa条件下保温2h，自然降至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度9.8mm、纤维体积含量58.0%、密度为1.58×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料板。
该复合材料板的纤维织物形态保持良好，树脂浸润均匀、无干斑和缺胶现象。4.5g钢质碎片模拟弹的V50=411m/s，弯曲强度530.6MPa、弯曲模量52.2Pa，分别比相应面密度的传统平纹碳纤维增强该树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高10%和15%。
实施例二
以1000mm×1000mm的复合材料弯板的制备为例，采用面密度为200g/m2、经纬密度为12.5×12.5 ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,以改性双酚A型环氧乙烯基酯树脂为树脂基体。
用α-甲基苯乙烯稀释双酚A型环氧乙烯基酯树脂至粘度为90mpa•s，1000mm×1000mm的400目筛网，1025mm×1025mm环氧型Dahltexx的半透膜备用。
采用与实施例一相同的工艺分别制作纯树脂为90g和55g的胶膜。
将1000mm×1000mm的碳纤维展宽布居中平整铺覆在90g的胶膜的胶液面上，将55g的胶膜胶液面对正平整铺覆碳纤维展宽布的另一面，室温条件下凉置 5h，得到两侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料。
成型时，揭下两侧半透膜，将62层碳纤维展宽布预浸料同向整齐叠合得到预成型坯料，在预浸料的上下两侧依次对称铺一层PP85WR脱模布和PB250透气毡入模成型。90℃下，0.3MPa，保温1h，自然将至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度13.3mm、纤维体积含量52.6%、密度为1.55×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料弯板。
该复合材料板的纤维织物形态保持良好，树脂浸润均匀、无干斑和缺胶现象。4.5g钢质碎片模拟弹，测得V50=541.7m/s。弯曲强度为516MPa、弯曲模量为43.5GPa。
实施例三
以500mm×500mm的复合材料弧面板的制备为例，采用面密度为160g/m2、经纬密度为10×10 ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,改性193R邻苯不饱和聚酯树脂为树脂基体。500mm×500mm目数为400目的筛网，520mm×520mm聚酯型XP1255半透膜备用。
向树脂内加入质量分数为1%的KH-570硅烷偶联剂，用苯乙烯稀释该改性193R邻苯不饱和聚酯树脂至粘度达到100mpa•s。
采用与实施例一相同的工艺制作含纯树脂48g的胶膜。将500mm×500mm的碳纤维展宽布居中平整铺覆在胶膜的胶液面上，室温条件下凉置 3.5h，得到单侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料。
成型时，揭下单侧半透膜，将40片碳纤维展宽布预浸料同向整齐叠和得到预成型坯料，在坯料上下两侧随形对称铺置一层PP60脱模布和SK2BB205-2透气毡入模成型。75℃下，0.4MPa，保温2h，自然将至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度6.2mm、纤维体积含量59.0%、密度为1.58×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料弧面板。
该复合材料弧面板的碳纤维展宽布的织物形态保持良好，树脂浸润均匀、无干斑和缺胶现象。1.1g北约弹的V50=556.7m/s，弯曲强度为538MPa、弯曲模量为49.3GPa。
实施例四
以500mm×500mm的复合材料板材的制备为例，采用使用面密度为80g/m2、经纬密度为5×5ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,以改性HR-9588复合型不饱和聚酯树脂为树脂基体。500mm×500mm的200目的筛网，540mm×540mm环氧型Dahltexx sp2半透膜备用。
在改性HR-9588复合型不饱和聚酯树脂内加入质量分数为2%的硅烷偶联剂KH-550，乙酸乙酯稀释树脂至粘度为300mpa•s。采用与实施例一相同的工艺制作含纯树脂30g的胶膜和两侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料，室温条件下凉置 2h。
成型时，揭下两侧半透膜，将112片碳纤维展宽布预浸料整齐叠合得到预成型坯料，在坯料的上下两侧对称铺层一层TP300脱模布和WF240透气毡入模成型。90℃下，0.5MPa，保温1.5h，自然降至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度8.2mm、纤维体积含量61.4%、密度为1.60×103kg/m3碳纤维展宽布复合材料板。
制得的碳纤维展宽布复合材料平板，复合材料内树脂浸润均匀、无干斑和缺胶现象，气孔率低。4.5g钢质碎片模拟弹的V50=407.5m/s，弯曲强度为577MPa、弯曲模量为54.4GPa，比相应面密度的传统平纹碳纤维增强该树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了约14.5%和11.1% 。
实施例五
以直径为350mm的复合材料圆盖的制备为例，采用面密度为200g/m2、经纬密度为12.5×12.5ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,以改性VER-2/4602双酚A环氧乙烯基酯树脂为树脂基体。 400mm×400mm的500目的筛网，420mm×420mm的聚酯型XP1255半透膜备用。
在乙烯基酯树脂内加入质量分数为1.5%的硅烷偶联剂KH560，用1:1的甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯的混合液稀释乙烯基酯树脂至粘度为70mpa•s,
采用与实施例一相同的工艺制作含纯树脂30g的胶膜。将400mm×400mm的碳纤维展宽布居中平整铺覆在胶膜的胶液面上，室温条件下凉置 6h，得到单侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料。
成型时，揭下半透膜，将46片碳纤维展宽布预浸料同向整齐叠合得到预成型坯料，在坯料上下两侧对称铺层一层PAS85RS脱模布和WF330N透气毡。80℃下，0.15MPa，保温1.5h，自然降至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度10.2mm、纤维体积含量49.8%、密度为1.54×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料板材。水刀切割制得碳纤维展宽布复合材料圆盖。
该复合材料圆板的纤维织物形态保持良好，树脂浸润均匀、无干斑和缺胶现象。4.5g钢质碎片模拟弹测得V50=401.1m/s，弯曲强度为503MPa、弯曲模量为49.1GPa，比相应面密度的传统平纹碳纤维增强该树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了约8%和13%。
实施例六
以500mm×500mm的复合材料板材的制备为例，采用面密度为140g/m2、经纬密度为8.75×8.75ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,以MFE-3改性乙烯基酯树脂为树脂基体。500mm×500mm的300目筛网，530mm×530mm环氧型Dahltexx半透膜备用。
在树脂内加入质量分数为2%的硅烷偶联剂KH570，用1:1的α-甲基苯乙烯与甲基丙羟乙酯的混合液稀释树脂至粘度为150mpa•s。
采用与实施例二相同的工艺分别制作含纯树脂35g和20g的的胶膜和两侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料。
成型时，揭下两侧半透膜，将39片碳纤维展宽布预浸料同向整齐叠合得到预成型坯料，在坯料上下两侧对称铺层一层TP200脱模布和PB150透气毡入模成型。95℃下，0.3MPa，保温1.5h，自然降至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度6.1mm、纤维体积含量51.0%、密度为1.55×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料薄板。4.5g钢质碎片模拟弹的V50=336.3m/s。弯曲强度为523.6MPa、弯曲模量为51.7GPa，比相应面密度的传统平纹碳纤维增强该树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量分别提高了约12%和8.7%。
实施例七
以500mm×500mm的复合材料板材的制备为例，采用面密度为100g/m2、经纬密度为6.25×6.25ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,以191A邻苯不饱和聚酯树脂为树脂基体。500mm×500mm的250目筛网，530mm×530mm的聚酯型XP1255半透膜备用。
在191A邻苯不饱和聚酯树脂内加入质量分数为2.5%的硅烷偶联剂KH570，苯乙烯稀释树脂至胶液粘度为220mpa•s。
采用与实施例一相同的工艺制作含纯树脂为45g的胶膜。将500mm×500mm的碳纤维展宽布居中平整铺覆在胶膜的胶液面上，室温条件下凉置 2.5h，得到单侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料。
成型时，揭下单侧半透膜，将47片碳纤维展宽布预浸料同向整齐叠合得到预成型坯料，在坯料上下两侧对称铺一层PAC100BS脱模布和LJT204透气毡入模成型。95℃下，0.35MPa，保温1.5h，自然降至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度5.0-5.1mm、纤维体积含量52.3%、密度为1.55×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料板。
该复合材料板的纤维织物形态保持良好，树脂浸润均匀、无干斑和缺胶现象。4.5g钢质碎片模拟弹的V50=291.8m/s，弯曲强度为528.9MPa、弯曲模量为52.1GPa。
实施例八
以500mm×500mm的复合材料板材的制备为例，采用面密度为150g/m2、经纬密度为9.35×9.35ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,以SH332改性不饱和聚酯树脂为树脂基体。500mm×500mm的300目筛网，530mm×530mm的环氧型Dahltexx sp2半透膜备用。
在树脂内加入质量分数为1%的硅烷偶联剂KH550，将1:2的苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的混合液稀释至胶液粘度为160mpa•s。
采用与实施例一相同的工艺制作含纯树脂28g的胶膜和两侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料，室温条件下凉置 4.5h。
成型时，揭下两侧半透膜，将68片碳纤维展宽布预浸料整齐叠合得到预成型坯料，在坯料上下两侧对称铺一层KZ60PA脱模布和PB300透气毡入模成型。75℃下，0.2MPa，保温1.5h，自然降至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度11.0mm、纤维体积含量52.1%、密度为1.55×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料板。4.5g钢质碎片模拟弹的V50=426.5m/s，弯曲强度为498.1MPa、弯曲模量为47.7GPa。
实施例九
以600mm×500mm的复合材料平板的制备为例，采用面密度为160g/m2、经纬密度为10×10 ends/10cm的碳纤维展宽布为增强体,以2960P-V环氧乙烯基酯树脂为树脂基体。600mm×500mm的500目的筛网，630mm×530mm环氧型Dahltexx半透膜备用。
在树脂内加入质量分数为3%的硅烷偶联剂KH560，用α-甲基苯乙烯稀释至胶液粘度为80mpa•s。
采用与实施例二相同的工艺分别制作含纯树脂为40g和15g的胶膜。将600mm×500mm的碳纤维展宽布居中平整铺覆在40g的胶膜的胶液面上，将15g的胶膜胶液面对正平整铺覆碳纤维展宽布的另一面，室温条件下凉置 6h，得到两侧带有半透膜的碳纤维展宽布预浸料。
成型时，揭下两侧半透膜，将38片预浸料同向整齐叠合得到预成型坯料，在坯料上下两侧对称铺一层PAS85RS脱模布和PB250透气毡入模成型。80℃、0.15MPa条件下，保温2h，自然降至室温出模，揭掉脱模布和透气毡得到厚度7.1mm、纤维体积含量48.1%、密度为1.53×103kg/m3的碳纤维展宽布复合材料平板。
该复合材料平板的纤维织物形态保持良好，树脂浸润均匀、无干斑和缺胶现象。4.5g钢质碎片模拟弹的V50=367.2m/s，弯曲强度为477.8MPa、弯曲模量为42.2GPa。

Claims (10)

1.一种碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，包括预浸料制备、铺层和热压成型，其特征在于：
预浸料制备：在匹配筛网的透气不透胶半透膜表面涂刮胶液，取下筛网，得到胶膜；碳纤维展宽布平整铺覆在胶膜表面，得到表面带有半透膜的碳纤维展宽布表面敷胶膜预浸料；
铺层：揭除半透膜，顺序铺层；
热压成型：在模具和铺层间依次设置透气毡和透气透胶脱模布。
2.根据权利要求1所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：展宽布两面覆胶膜。
3.根据权利要求1或2任意一项所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：预浸料制备过程用胶液粘度不大于300mPa•s, 高密度织物匹配低粘度树脂。
4.根据权利要求1或2任意一项所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：成型压力不大于0.5MPa。
5.根据权利要求1或2任意一项所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：所述半透膜为环氧或聚酯半透膜。
6.根据权利要求1或2任意一项所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：所述脱模布为尼龙、聚酯/尼龙、聚四氟乙烯纤维织物或网中的一种。
7.根据权利要求1或2任意一项所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：所述透气毡为聚酯或环氧类多孔材料。
8.根据权利要求3所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：预浸料制备过程用胶液粘度介于70mPa•s~300mPa•s。
9.根据权利要求3所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：胶液粘度不大于300mPa•s，筛网目数介于200~500之间。
10.根据权利要求1或2任意一项所述碳纤维展宽布热固性树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：预浸料制备过程，碳纤维展宽布与热固性树脂的质量比介于1:3~1:0.725之间。
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