CN110078953A - 一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备方法及装置，将玻璃纤维束浸渍光敏树脂，并在牵引条件下，通过口模后，进行连续固化，即得。本发明与现有烘道热固化相比，本发明制备方法及装置实现了连续固化，节能及减排的统一，具有连续高效、加工成本低廉及节能环保等优点。

Description

一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备方法及装置
技术领域
本发明属于复合材料的制备及装置领域，特别涉及一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备方法及装置。
背景技术
以玻璃纤维以及玻璃纤维制品为增强材料的应用广泛的复合材料，它以强度高，质量轻，性价比高，耐疲劳，耐化学性，工艺制作简单等优点而广泛应用于造船，汽车，航天，建筑家具以及其它的相关领域。玻璃纤维复合材料(以下简称为玻纤复合材料)具有优良的力学性能，(玻纤复合材料)的比强度高，其抗疲劳性能及减振性能优异。其次，玻纤复合材料具有优良的耐化学药品性和老化性。
近年来，随着玻璃纤维材料的发展，玻璃纤维与热固性树脂的复合材料有着很好的前景。热固性树脂由于其耐温性高、受压不易变形、刚性大、硬度高、不易燃、制品尺寸稳定性好等优势，常用于制造增强塑料、泡沫塑料、各种电工用模塑料、浇铸制品等。目前的热固性复合材料成型工艺主要包括手糊成型工艺、模压成型工艺、层压成型工艺、缠绕成型工艺和拉挤成型工艺。其都是采用一定的方法将纤维和基体树脂混合，加热树脂使之固化成型，然后冷却定型得到复合材料。但是由于热固性树脂固化过程中需要加热，为达到较好的固化度，还需要保温一定的时间，固化时间长，固化过程中能耗高，污染大，生产效率低。并且随着能源问题和环境问题的日益严峻，人们迫切希望寻找一种新的低能耗、低污染的技术来缓解能源危机与环境污染。
目前的热固性树脂基复合材料的固化技术主要采用热固化方式。复合材料的传统热固化过程是将预聚物放入热压罐(热压机/高压釜)中，对预聚物构件进行加热和加压，使预聚物与纤维结合并进一步交联固化形成复合材料结构件的过程。热固化时热量由材料外表面向内部传递，预聚体发生放热的交联固化反应，其内部会发生局部热膨胀和固化收缩现象，最终导致复合材料固化变形。并且传统的热固化方式的周期长、能量损耗大、制造成本高，限制了其进一步的发展。
基于这种背景下，光固化技术引起了许多研究人员的注意。光固化反应通常为光引发剂吸收特定波长范围的光，引发单体或其组合物通过链式加成反应得到聚合物。在油墨、分子印刷、生物骨骼和组织工程材料、微芯片、光学树脂、粘土和金属纳米复合材料、液晶材料等领域得到广泛应用。与传统的热固化加工方式相比，这种固化方法的固化速度快、固化条件温和、光源引发无需溶剂且低能耗低污染，可大大缩短其成型时间，提高生产效率，为工厂化大规模生产带来巨大利益，并且光固化玻璃纤维增强复合材料的固化条件比较温和，为节能减排、环境保护带来很大优势。与传统的热固化装置相比，光固化装置更加简便所占空间更少，装置更加节能，装置的保护与维修也更方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备方法及装置，克服现有的传统的热固化工艺的制备周期长、能量损耗大、制造成本高的缺陷，该方法采用连续工艺及装置实现了玻璃纤维增强复合材料的连续制备。
本发明的一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备方法，包括：
将玻璃纤维束浸渍光敏树脂，并在牵引条件下，通过口模后，挤出多余的树脂，进行连续固化，即得连续玻璃纤维增强复合材料。
上述制备方法的优选方式如下：
所述玻璃纤维素浸渍光敏树脂具体为：将纱架上连续玻璃纤维合股后通过装有光敏树脂的浸胶槽，将连续玻璃纤维束进行连续浸渍。
所述光敏树脂为热固性树脂和光引发剂。
所述热固性树脂为不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或几种，光引发剂为自由基型和/或离子型光引发剂。
本发明中光引发剂可以为裂解型自由基光引发剂(Norrish I型)，也可以为夺氢型自由基光引发剂(Norrish II型)，还可以为离子型光引发剂。裂解型自由基光引发剂主要是芳香族羰基化合物，例如，安息香及其衍生物、苯偶酰缩酮类以及酰基膦氧化物等。Norrish II型光引发剂主要是芳香酮类化合物，如二苯甲酮(BP)、硫杂蒽酮、醌类及其衍生物等。离子型光引发剂中常用的是硫鎓盐和碘鎓盐。
所述牵引条件为：牵引速度为3m/min～20m/min。
所述连续固化为：经LED紫外光源的连续照射10s-300s进行光固化。
本发明中的紫外连续照射时间介于10s～300s之间，照射时间仅需控制在10s～300s之间即可使热固性树脂完成固化，相比于传统的热固化工艺，大大提高了固化速度，节省了固化时间。
本发明中的连续玻璃纤维增强复合材料固化成型线速度介于3m/min～20m/min之间(牵引速度)，具体速度与LED紫外面光源的长度有关。只要保证紫外连续照射时间介于10s～300s之间，保证连续玻璃纤维束在前进过程中得到充分的紫外光照射，完成光固化过程即可。
所述LED紫外光源为LED面光源，波长为320nm-400nm。
本发明中的LED紫外光源为LED面光源，波长为320nm-400nm。传统汞光源存在功耗大、寿命短、点发射光分布不均匀等弊端。本专利中使用的LED紫外面光源则克服了这些缺点，具有单波长、光强高、低功耗、寿命长以及光分布均匀等突出优势，为实验与实际生产提供了设备上的可能。确定波长的紫外LED面光源发射的波长稳定，能够发挥在特定波长处有较好吸收的光引发剂的较佳效果，使固化速度与固化效果都达到更高的标准。
本发明对LED紫外面光源光强及尺寸并没有特殊限制。但光强过小会影响，会降低固化速度；光强过强，会提高光源成本。一般以100mW/cm2-1500mW/cm2为佳，更好的为200mW/cm2-1200mW/cm2，最佳为300mW/cm2-800mW/cm2。
本发明提供一种所述方法制备的连续玻璃纤维增强复合材料。
本发明还提供一种所述连续玻璃纤维增强复合材料的应用。
本发明的一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备装置，连续制备装置延玻璃纤维牵引运动方向依次设有纱架1、浸胶槽2、口模3、光固化装置4，拉挤系统5及复合材料切割包装系统6；拉挤系统5设有上下对应配合的拉挤辊。
所述纱架1和浸胶槽2之间设有导向辊。
将纱架1上的连续玻璃纤维合股后，通过装有光敏树脂的浸胶槽2进行连续浸渍，得到充分浸胶的玻璃纤维束，在拉挤系统5的作用下，充分浸胶的玻璃纤维束通过口模3后经过光固化装置4进行光照射及固化，最后通过切割包装系统6后得到玻璃纤维复合材料制品。
经过口模由拉挤系统拉出的连续玻璃纤维束时大部分多余的树脂在通过口模时被口模挤压而流回了浸胶槽。
有益效果
本发明提供的连续玻璃纤维增强复合材料的制备工艺及装置实现了连续固化，节能及减排的统一，具有连续高效、加工成本低廉及节能环保等优点。
LED紫外光源耗能低，相比于传统的汞光源或热固化所需的烘道，大大降低了能源消耗。另外，LED紫外光源照射后的热固性树脂/玻璃纤维复合材料制品的气味极小，光固化过程反应充分，极大地减少了未固化的热固性树脂中挥发成分对空气的污染，达到了节能减排的统一，由于光固化装置体积较小装置简便，极大地节省了空间，其低功率也大大地降低了耗电量，加工成本低廉，为大规模的工厂化生产带来了相当大的益处。
附图说明
图1为本发明的连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备工艺过程示意图；其中1是连续玻璃纤维束的纱架，2是装有光敏树脂混合液的浸胶槽，3是口模，4是LED紫外面光源即光固化装置，5是拉挤系统，6是复合材料切割包装系统，7是成品。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
光引发剂二芳基六氟磷酸碘鎓盐、1173、651购自Sigma；
环氧树脂E-51，购自济南易盛树脂有限公司；
不饱和聚酯树脂Y-191，购自镇江市利德尔复合材料有限公司。本发明连续制备装置延玻璃纤维牵引运动方向依次设有纱架1、浸胶槽2、口模3、光固化装置4，拉挤系统5及复合材料切割包装系统6；拉挤系统5设有上下对应配合的拉挤辊。
纱架1上的玻璃纤维通过合股后，通过装有光敏树脂的浸胶槽2进行连续浸渍，得到充分浸胶的玻璃纤维束，在拉挤系统5的作用下，充分浸胶的玻璃纤维束通过口模3后经过光固化装置4进行光照射及固化，最后通过切割包装系统6后得到玻璃纤维复合材料制品。
实施例1
光固化制备玻纤增强复合材料。选用环氧树脂，光引发剂选择二芳基六氟磷酸碘鎓盐并以质量百分比2wt％的量加入到环氧树脂中，在搅拌机下充分搅拌20min后倒入浸胶槽。光源选用波长为395nm、长度10m的LED紫外面光源，设置光照强度为1200mW/cm2。
设置牵引速度为20m/min。在拉挤系统的牵引下，使充分浸胶的玻璃纤维束通过口模后进行光照射及固化，最后通过切割装置后得到玻璃纤维复合材料制品。经测定，所得的复合材料的横截面的巴氏硬度为50±5，拉伸强度为975±50MPa，弹性模量为47±2GPa(力学性能测试参照JG/T 406)。
对比例1
现有技术的热固化制备玻纤增强复合材料。选用环氧树脂，热引发剂选择过氧化苯甲酰(BPO)并以质量百分比2wt％的量加入到环氧树脂中，在搅拌机下充分搅拌20min后倒入浸胶槽。热烘箱连接长度为10m，设置烘箱温度为400℃。设置牵引速度为1m/min。
在牵引装置的牵引下，使充分浸胶的玻璃纤维束通过口模后进行热固化，最后通过切割装置后得到玻璃纤维复合材料制品。经测定，所得的复合材料的横截面的巴氏硬度为40±5，拉伸强度为825±50MPa，弹性模量为48±2GPa(力学性能测试参照JG/T 406)。相比于热固化装置，光固化体系的生产速度提高了20倍。
实施例2
光固化制备玻纤增强复合材料。将不饱和聚酯树脂、3wt％光引发剂(1173与651的质量比50：50的混合物)在搅拌机下充分搅拌20min后倒入浸胶槽。光源选用波长为365nm、长度2m的LED紫外面光源，设置光照强度为300mW/cm2。设置牵引速度为3m/min。在牵引装置的牵引下，使充分浸胶的玻璃纤维束进行光照射及固化，最后通过切割装置后得到玻璃纤维复合材料制品。经测定，所得的复合材料的横截面的巴氏硬度为45±5，拉伸强度为1097±50MPa，弹性模量为43±2GPa(力学性能测试参照JG/T 406)。
对比例2
现有技术的热固化制备玻纤增强复合材料。将不饱和聚酯树脂、2wt％热引发剂(BPO)在搅拌机下充分搅拌20min后倒入浸胶槽。热烘箱连接长度为30m，设置烘箱温度为400℃。设置牵引速度为3m/min。在牵引装置的牵引下，使充分浸胶的玻璃纤维束通过口模后进行热固化，最后通过切割装置后得到玻璃纤维复合材料制品。经测定，所得的复合材料的横截面的巴氏硬度为45±5，拉伸强度为950±50MPa，弹性模量为45±2GPa(力学性能测试参照JG/T 406)。相比于热固化装置，光固化体系的生产空间节约大概9％，耗电量节约5倍以上。

Claims (10)

1.一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备方法，包括：
将玻璃纤维束连续浸渍光敏树脂，并在牵引条件下，通过口模后，在LED紫外光源照射下进行连续光固化，即得连续玻璃纤维增强复合材料。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述光敏树脂包含热固性树脂和光引发剂。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述热固性树脂为不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或几种，光引发剂为自由基型和/或离子型光引发剂。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述牵引条件为：牵引速度为3m/min～20m/min。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述连续固化为：经LED紫外光源的连续照射10s-300s进行光固化。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述LED紫外光源为LED面光源，波长为320nm-400nm，强度为100mW/cm2-1500mW/cm2。
7.一种权利要求1所述方法制备的连续玻璃纤维增强复合材料。
8.根据权利要求7所述连续玻璃纤维增强复合材料的应用。
9.一种连续玻璃纤维增强复合材料的连续制备装置，其特征在于：连续制备装置延玻璃纤维牵引运动方向依次设有纱架(1)、浸胶槽(2)、口模(3)、光固化装置(4)，拉挤系统(5)及复合材料切割包装系统(6)；拉挤系统(5)设有上下对应配合的拉挤辊。
10.根据权利要求9所述装置，其特征在于，所述纱架(1)和浸胶槽(2)之间设有导向辊。
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