CN110053275B - 一种碳纤维复合材料的制备方法和加工设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料领域，其公开了一种碳纤维复合材料的制备方法，所述的方法具体为：将短切碳纤维和有机材料混合后热压成型即可；所述的热压成型过程中热压温度等于或大于有机材料的熔点，热压成型过程中模压板间距根据碳纤维复合材料的密度进行调整；所述的短切碳纤维和有机材料重量比为95～99.5：0.5～5；所述的碳纤维复合材料的密度为50～1000kg/m3。该方法能够实现碳纤维复合材料如板材、片材等生产，同时，本发明还公开了实施该方法的加工设备。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体为一种碳纤维复合材料的制备方法和加工设备。
背景技术
随着飞机、轨道交通、新型船舶和新能源汽车的发展和节能环保的需求，对交通工具 (汽车、飞机、轨道机车和游轮)的轻量化和舒适性提出了更高的要求，越来越重视交通工具的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)问题。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问 题是和车辆的NVH问题有关系，而各大公司有近20％的研发费用消耗在解决车辆的NVH 问题，NVH处理不好，直接影响乘客的体验。
目前，提高交通工具NVH性能的常规做法是在车厢内部隔层骨架中铺设矿物棉，用于吸声、减震、隔热。由于矿物棉的成分中含有石棉，石棉纤维容易吸入人体内并沉积在 肺部，造成肺部疾病。同时矿物棉的抗水性不好，长期使用后会吸附水蒸气，大大降低了 矿物棉材料的吸声、减震降噪和隔热保温性能。因此，寻找一种环保无石棉，同时具有优 异隔音、减震降噪和保温防寒的新型材料成为人们研究的重点。
常熟市鼎新碳材料有限公司提出一种解决方案，具体为：中国专利申请CN201810067434.1一种碳纤维吸音防寒保温棉的制备方法，其实施例中记载：先将聚丙烯腈纤维的表面经防水涂料表面处理，制备得到氧指数45％的碳纤维，以质量百分比计碳纤维为90％，低熔点聚酯纤维为10％，将碳纤维和低熔点聚酯纤维，经过梳理后进行热处理，热处理温度为50℃，通过非织造方式结合为一体，制备得到密度为13kg/m3的碳纤维复合材料层。其有益效果部分记载：通过非织造方式生产碳纤维吸音防寒保温棉，制得的碳纤维吸音防寒保温棉密度低，导热系数低，隔热保温性好，隔音吸音性能好，在明火中不燃 不熔，无滴落物，无烟毒气体产生，同时还具有防水等特点。
由于其为低密度材料，其为蓬松的材料，类似于玻璃棉(密度为10-48Kg/m3)，其保温、隔音效果自然好，但是不容忽视的问题是：实际应用中需在背面涂覆胶粘剂，使得棉 与车体骨架贴合，粘附性能不好的胶粘剂容易脱胶，同时胶水易渗入到棉中，后期更换维 护时，易产生脱胶、残胶等现象。同时，胶粘剂也存在着环保问题。
并且从现在的技术发展来看，采用碳纤维和聚酯材料制作防火、隔音、保温材料只有 这一条路径。
因为采用有机材料和碳纤维制备保温、防火、隔热材料从现在来看具有一对矛盾项， 即如果有机材料多，则防火、烟雾、隔音、保温则受影响；如果有机材料少，则只能通过蓬松的结构实现防火、隔音、保温的目的，并且任何试图将低比例的有机材料和碳纤维材料制备成为具有较大密度的材料的尝试都是失败的。
所以，上述的矛盾就是本方案提出的基础和出发点。而本方案解决该矛盾的直接工业 应用的目的在于，在保留低密度复合材料的优点的前提下，提高密度，实现可打孔安装。
发明内容
本发明的目的在于提供碳纤维复合材料的制备方法，该方法能够实现碳纤维复合材料 如板材、片材等生产，同时，本发明还公开了实施该方法的加工设备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳纤维复合材料的制备方法，将短 切碳纤维和有机材料混合后热压成型即可；所述的热压成型过程中热压温度等于或大于有 机材料的熔点，热压成型过程中模压板间距根据碳纤维复合材料的密度进行调整；所述的 短切碳纤维和有机材料重量比为95～99.5：0.5～5；所述的碳纤维复合材料的密度为50～ 1000kg/m3。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的有机材料为有机纤维。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的有机材料的熔点为80-110℃。
需要说明的是：在试验过程中，采用高熔点的有机纤维依然也是可行的，比如通用的 尼龙6系列的聚酰胺纤维，其熔点高达200℃以上，如果要采用高熔点的有机材料，对于预热温度、热压温度都要进行相应的调整。
本发明选择低熔点的有机材料的出发点在于，能够通过低熔点有机材料制备出高密度 材料，就没必要采用高熔点的有机材料。
但是，本发明并不将高熔点的有机材料排斥在本发明的保护范围外，本发明的有机材 料的熔点的选择主要还是基于生产成本、工艺难度的选择。
在本发明中，低熔点有机材料优选为LMPA低熔点尼龙，LMPA低熔点尼龙在大量的文献中均有报道，如CN103525357，其制备的尼龙熔点为120-135℃之间；Cavus等(Cavus，S,Gurkaynak M A.Influence of mono functional reactants on the physicalproperties of dimer acid-based polyamindes【J】.polymers for AdvancedTechnologies，2006，17(1)：30-36制 备的熔点为102.4℃的低熔点尼龙等。
并且在本发明中，有机材料的选择并不仅仅局限于聚酰胺树脂，采用聚酯树脂等依然 也是可行的。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的方法包括如下步骤：
步骤1：将碳纤维和有机材料混合，得到混合物；
步骤2：将混合物进行预热；
步骤3：将预热后的混合物进行热压成型。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的步骤1具体为：
步骤S11：将一定比例丝状的碳纤维和丝状的有机纤维经过混合、排列并通过切割机 构切割成为预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；
步骤S12：所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱并逐层叠加形成具有一定厚 度的层叠物。
所述的短切碳纤维的直径为5～8μm，密度为1.76～1.80g/cm3；短切碳纤维的长度为 2-10cm，优选3-7cm；短切有机纤维的直径和长度优选与短切碳纤维的规格一致，当然短切有机纤维也可以比短切碳纤维更细或更粗，优选更细，这样短切碳纤维和短切有机纤维可以混合更为均匀。
本文所述的碳纤维和有机纤维混合、排列的目的是使碳纤维和有机纤维能在切割过程 中均匀混合分布，这是实现高品质的复合材料的一种有效的改进措施。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的步骤S11中，所述的切割机构的下方 设置传送带；经过切割机构切割形成的短切碳纤维和短切有机纤维掉落在传送带上并逐层 叠加形成层叠物。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的步骤2中，预热操作的预热温度低于 有机材料的熔点20-30℃，预热时间为1-10min。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的步骤3中，模压温度高于有机材料的 熔点温度10-20℃，模压时间为1-10min。
本发明的预热操作的目的是使层叠物在进入模压机之前尽可能的缩小和热压温度的 差距，这样热压效果会更好。所以预热时间和预热温度可以进行灵活调节，只要能够尽可 能的降低与模压温差即可。
可以理解的，模压温度略高于熔点温度，其目的是用于使有机纤维能够熔融使碳纤维 之间能够紧密结合。
在上述的碳纤维复合材料的制备方法中，所述的步骤3中，热压成型步骤采用模压机 实施，所述的混合物的厚度和模压板设定的间距的比例按碳照纤维复合材料的密度来进行 设定。
同时，本发明还公开了一种用于实施如上所述的制备方法的加工设备，包括依次布置 的传送带、预热机构、模压机；所述的传送带上方设有用于将碳纤维丝和有机纤维丝切割 成预设长度的切割机构；
需要说明的是：切割机构在本领域中是常用的，任何具有切割功能的设备均可实现本 发明的目的。在切割过程中，应当按照设定的长度对纤维进行切割。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法采用热压的方法将混合均匀的短切碳纤维和有机材料进行热压，热压温 度高于有机物的熔点，能够有效的将混合材料制备成为稳固的、均一的固体，在保留了碳 纤维的各种优点的情况下，实现了通过该方法制备得到的产品的可打孔的目的，通过试验 证实，该方法制备得到的产品结构也非常稳固。
附图说明
图1为本发明的加工设备实施例的结构示意图；
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在没有做出创造性劳动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。
加工设备实施例
本实施例主要阐述用于实现本发明目的的加工设备，后续实施例再描述具体的复合材 料及其制备方法。
本发明的加工设备如下(参阅图1)：
一种碳纤维复合材料的加工设备，包括依次布置的传送带1、预热机构2、模压机3；所述的传送带1上方设有用于将碳纤维丝A和有机纤维丝B切割成预设长度的切割机构4；
所述的切割机构4包括相对布置的牵引压辊41和切割辊42，所述的预热机构2为预热烘道。
为了保证碳纤维丝A和有机纤维丝B能够有足够的牵引力到达牵引压辊41的位置，在牵引压辊41之前还可以设置一对压辊，该压辊通过电机驱动，将碳纤维丝A和有机纤 维丝B通过这一对压辊输出到牵引压辊41的位置，通过切割辊42将牵引压辊41表面的 纤维丝切断。
模压机3上设置有上模压板31和下模压板32，复合材料的密度通过上模压板31和下 模压板32之间的间距来进行调整，比如如果要复合材料的密度大一点，那么上模压板31和下模压板32之间的间距就应当小一点，这是本领域惯用的操作，对此本实施例不再过 多阐述。为了保持一定的模压温度，上模压板31和下模压板32上可以以任一方式或者均 设置电加热丝的方式提供热压热量。
实施例1
一种碳纤维复合材料
其原材料材料参数为：碳纤维所占总质量百分比为95％，有机纤维为5％，碳纤维质 量为261.25g，有机纤维质量为13.75g，其中碳纤维的直径选用8μm，密度为1.8g/cm3，有机纤维为LMPA聚酰胺材质，熔点100℃；
生产工艺：
本工艺采用如上所述的碳纤维复合材料的加工设备加工。
步骤1：将碳纤维和有机材料混合，得到混合物；
步骤1具体包括如下子步骤：
步骤S11：将一定比例丝状的碳纤维和丝状的有机纤维经过混合、排列并并通过切割 机构切割成为预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；调节切割机构切纱速率为5Hz，切 纱时间为1min；切纱长度为：3cm。
步骤S12：所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱并逐层叠加形成具有一定厚 度的层叠物；经过切割机构进行切纱处理后，测得层叠物厚度为2cm，总质量为280g；
步骤2：将混合物经传送带先进入到预热烘道进行预热；烘道设定温度为80℃；
步骤3：将预热后的混合物进行热压成型，模压成型温度为120℃，模压间距调节为0.5cm，模压时间为1min。
产品参数：成型后的复合材料规格为1000mm×1000mm×5mm，密度为55kg/m3。
实施例2
一种碳纤维复合材料
其原材料材料参数为：碳纤维所占总质量百分比为99.5％，有机纤维为0.5％，碳纤维 质量为9360g，有机纤维质量为46.8g，其中碳纤维的直径选用5μm，密度为1.76g/cm3，有机纤维为LMPA聚酰胺材质，熔点100℃；
生产工艺：
步骤1：将碳纤维和有机材料混合，得到混合物；
步骤1具体包括如下子步骤：
步骤S11：将一定比例丝状的碳纤维和丝状的有机纤维经过混合、排列并并通过切割 机构切割成为预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；调节切割机构的切纱速率为24Hz， 切纱时间为2.5min；切纱长度为：6.5cm。
步骤S12：所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱并逐层叠加形成具有一定厚 度的层叠物；经过切割机构进行切纱处理后，测得层叠物厚度为4cm，总质量为7600g；
步骤2：将混合物经传送带先进入到预热烘道进行预热；烘道设定温度为80℃；
步骤3：将预热后的混合物进行热压成型，模压成型温度为120℃，模压间距调节为3cm，模压时间为3min。
产品参数：成型后的复合材料规格为1000mm×1000mm×30mm，密度为312kg/m3。
实施例3
一种碳纤维复合材料
其原材料材料参数为：碳纤维所占总质量百分比为97％，有机纤维为3％，碳纤维质 量为3376g，有机纤维质量为105g，其中碳纤维的直径选用7μm，密度为1.78g/cm3，有 机纤维为LMPA聚酰胺材质，熔点100℃；
生产工艺：
步骤1：将碳纤维和有机材料混合，得到混合物；
步骤1具体包括如下子步骤：
步骤S11：将一定比例丝状的碳纤维和丝状的有机纤维经过混合、排列并并通过切割 机构切割成为预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；调节切割机构的切纱速率为16Hz， 切纱时间为2min；切纱长度为：4cm。
步骤S12：所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱并逐层叠加形成具有一定厚 度的层叠物；经过切割机构进行切纱处理后，测得层叠物厚度为2.8cm，总质量为2880g；
步骤2：将混合物经传送带先进入到预热烘道进行预热；烘道设定温度为80℃；
步骤3：将预热后的混合物进行热压成型，模压成型温度为120℃，模压间距调节为2cm，模压时间为2.5min。
产品参数：成型后的复合材料规格为1000mm×1000mm×20mm，密度为174kg/m3。
对比例一
参考公开申请的专利申请CN108486767A，先将聚丙烯腈纤维的表面经防水涂料表面 处理，制备得到氧指数45％的碳纤维，以质量百分比计碳纤维为90％，低熔点聚酯纤维为 10％，将碳纤维和低熔点聚酯纤维，经过梳理后进行热处理，热处理温度为50℃，通过非织造方式结合为一体，制备得到密度为13kg/m3的碳纤维复合材料层。
以实施例一、二、三与对比实施例一进行性能对比，测试项目和测试方法及结果见下 表：
通过上述试验数据我们可以得到如下结论：
本发明的产品的制备过程中，将混合均匀的短切碳纤维和有机材料进行热压，热压温 度高于有机物的熔点，能够有效的将混合材料制备成为稳固的、均一的固体，在保留了碳 纤维的各种优点的情况下，实现了通过该方法制备得到的产品的可打孔的目的，通过试验 证实，该方法制备得到的产品结构也非常稳固。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背 离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从 哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权 利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有 变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法具体为：将短切碳纤维和有机材料混合后热压成型即可；所述的热压成型过程中热压温度等于或大于有机材料的熔点，热压成型过程中模压板间距根据碳纤维复合材料的密度进行调整；所述的短切碳纤维和有机材料重量比为95～99.5：0.5～5；所述的碳纤维复合材料的密度为50～1000kg/m3；
短切碳纤维和有机材料混合的方法为：将丝状的碳纤维和丝状的有机纤维混合、排列并通过切割机构切割成为预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱并逐层叠加形成具有一定厚度的层叠物。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的有机材料为有机纤维。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的有机材料的熔点为80-110℃。
4.根据权利要求1所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
步骤1：将碳纤维和有机材料混合，得到混合物；
步骤2：将混合物进行预热；
步骤3：将预热后的混合物进行热压成型。
5.根据权利要求4所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：
步骤S11：将丝状的碳纤维和丝状的有机纤维混合、排列并通过切割机构切割成为预设长度的短切碳纤维和短切有机纤维；
步骤S12：所述的短切碳纤维和短切有机纤维形成混合纱并逐层叠加形成具有一定厚度的层叠物。
6.根据权利要求5所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤S11中，所述的切割机构的下方设置传送带；经过切割机构切割形成的短切碳纤维和短切有机纤维掉落在传送带上并逐层叠加形成层叠物。
7.根据权利要求4所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2中，预热操作的预热温度低于有机材料的熔点20-30℃，预热时间为1-10min。
8.根据权利要求4所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，模压温度高于有机材料的熔点温度10-20℃，模压时间为1-10min。
9.根据权利要求4所述的纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤3中，步骤3采用模压机实施，所述的混合物的厚度和模压板设定的间距的比例按碳照纤维复合材料的密度来进行设定。
10.一种用于实施权利要求1-4任一所述的制备方法的加工设备，其特征在于，包括依次布置的传送带、预热机构、模压机；所述的传送带上方设有用于将碳纤维丝和有机纤维丝切割成预设长度的切割机构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yang Jin Inventor after: Yang Ganfeng Inventor after: Yang Kejian Inventor after: Song Tingbai Inventor after: Liu Lin Inventor after: Chen Xudong Inventor before: Yang Jin Inventor before: Yang Ganfeng Inventor before: Yang Kejian Inventor before: Song Tingbai Inventor before: Liu Lin |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20201208 Address after: No. 120, Tianan Zhigu Exhibition Service Center, No. 18, Chuangxing Avenue, hi tech Innovation Park, Qingyuan City, Guangdong Province Applicant after: GUANGDONG HANGKE NEW MATERIAL Co.,Ltd. Applicant after: GUANGDONG JUHANG INSTITUTE FOR ADVANCED MATERIALS Co.,Ltd. Address before: 511500 Tian'an Zhigu Exhibition Center No. 120, No. 18 Chuangxing Avenue, Science and Technology Innovation Park, Qingyuan High-tech Zone, Guangdong Province Applicant before: GUANGDONG HANGKE NEW MATERIAL Co.,Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |