CN110466216A - 真空灌注用碳纤维板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种真空灌注用碳纤维板及其制备方法，属于复合材料制造领域。碳纤维板主体的上下两面贴覆有上保护布及下保护布，碳纤维板主体两端的上下两面由过渡区变为减薄区，减薄区宽度为5～10mm，减薄区与碳纤维板主体上下两面的单面厚度落差为0.3～0.5mm，过渡区与减薄区夹角为135°～170°。采用碳纤维/环氧树脂湿法拉挤工艺，纱架上的碳纤维在浸胶槽中浸润后，经预成型调整与保护布一起进入拉挤模具升温固化，固化成型后在牵引机牵引下由打磨系统和清洁系统进行表面打磨处理，最后根据产品长度要求用切断机定长，所述的浸胶槽设置树脂体外循环混合系统，所述的预成型为温控式多道预成型，每道预成型用模板均采用分层设计，且安装有加热器。

Description

真空灌注用碳纤维板及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料制造领域，详细地讲是一种真空灌注用碳纤维板及其制备方法。
背景技术
众所周知，真空灌注VRIM工艺是一种制备大尺寸复合材料制品的液体模塑成型技术，是目前世界上先进的高性能低成本复合材料制备工艺，在风电领域应用广泛。VRIM工艺可低压成型只需一个大气压的真空压力，不需额外加压)，整个工艺过程可在常温下进行，能耗低，在真空环境下树脂浸润碳纤维，制品中的气泡极少。真空灌注工艺中经常使用预成型好的碳纤维板作为预埋增强件，且以多层碳纤维板层叠为主。
碳纤维板是复合材料行业的常规产品之一，目前常见的碳纤维板为平板结构。如碳纤维板需要后续粘接时，一般有两种方式，一是成型后在粘接前打磨粘接面，二是成型时表面铺覆保护膜脱模布，粘接前将保护膜揭掉，表面形成凹凸面。如CN201474156U介绍了一种碳纤维板材，板材的上、下表面为凹凸面，利于粘接，表面贴附一层保护膜；CN201486161U介绍了碳纤维板材，其上、下表面或其中一面贴附一层离型纸作为保护膜，保护膜可从板材表面剥离。
碳纤维板通常用模压、热压罐、预浸料/真空、拉挤等工艺生产。拉挤工艺将预浸树脂后的纤维和织物拉过加热的金属模具，使之固化成型，其特点是连续成型，效率高、产品质量稳定；批量生产时材料利用率高，工艺成本低，可实现制件的低成本化；通过更换模具可以制造各种截面的型材。CN105904746A介绍了风力叶片用的热固性碳纤维板制造方法及生产线，该方法采用拉挤工艺，在密封浸胶盒、自动供配料装置、固化模出口端对中校正装置、表面抛光处理装置、直线检测及反馈等方面进行了改进和创新。
现有碳纤维板的问题是多为平板结构，如图1所示，上下表面为脱模布1、3，中间为碳纤维层2，脱模布揭除后会形成中间凹陷区4和边沿凸起区5，如图2所示，当两层碳纤维板层叠时，为使树脂易于进入两层板之间，一般在两层板中间夹一层玻纤毡6，但由于中间凹陷区4和边沿凸起区5的存在，灌注树脂7难于渗入两层板之间，易造成两层板之间出现干纱、憋气、缺料等缺陷，影响两层板的粘接强度。如采用表面打磨方式，一般板材表面无打磨层，直接对碳纤维层进行打磨会破坏碳纤维强度。
现有碳纤维板拉挤制备方法的问题包括：浸胶槽内树脂长期使用后易出现粘度上升，新树脂直接添加入浸胶槽，老树脂和新树脂混合不均匀等问题；预成型结构简单，难以保证纤维分布的均匀性和保护布位置的准确性，且无加热控温，因树脂温度偏低，粘度偏高，浸胶后的碳纤维进入预成型时易造成起毛、模口堵塞等问题；板材需要打磨时，拉挤与打磨无法同步进行。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种真空灌注用碳纤维板及其制备方法，不易形成气孔缺陷，可以提高层间粘接力，产品生产效率高，质量稳定。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种真空灌注用碳纤维板，设有碳纤维板主体，其特征在于，碳纤维板主体的上下两面贴覆有上保护布及下保护布，碳纤维板主体两端的上下两面由过渡区变为减薄区，减薄区宽度为5～10mm，减薄区与碳纤维板主体上下两面的单面厚度落差为0.3～0.5mm，过渡区与减薄区夹角为135°～170°。
所述的上保护布及下保护布覆盖范围超过过渡区1～3mm。
所述的上保护布及下保护布为尼龙纤维或玻璃纤维，厚度为0.1～0.2mm。
一种制备前述真空灌注用碳纤维板的方法，采用碳纤维/环氧树脂湿法拉挤工艺，纱架上的碳纤维在浸胶槽中浸润后，经预成型调整与保护布一起进入拉挤模具升温固化，固化成型后在牵引机牵引下由打磨系统和清洁系统进行表面打磨处理，最后根据产品长度要求用切断机定长，其特征在于：
所述的浸胶槽设置树脂体外循环混合系统，浸胶槽内的老树脂从浸胶槽底部经过滤后流出，新树脂根据浸胶槽内树脂消耗速度从专用管路注入，老树脂和新树脂在螺旋混胶器内充分混合后形成混合树脂，从浸胶槽上部注入浸胶槽,完成了树脂体外循环混合；
所述的预成型为温控式多道预成型，每道预成型用模板均采用分层设计，且安装有加热器,第一道预成型用模板分为六层，上下对称分布，从中线往两侧依次为碳纤维层A、碳纤维层B、保护布；第二道预成型用模板分为四层，上下对称分布，从中线往两侧依次为碳纤维半部合并层、保护布；第三道预成型用模板分为三层，上下对称分布，中间为碳纤维整体合并层，两侧为保护布；根据工艺需要使用第一道预成型及第二道预成型，或使用第一道预成型、第二道预成型及第三道预成型。
所述的温控式多道预成型，其中第一道预成型温度控制在40～50℃，第二道预成型温度控制在60～70℃，第三道预成型温度控制在80～90℃。
所述的保护布可以从第一道预成型用模板引入，也可以从第二道预成型用模板或第三道预成型用模板引入。
所述的保护布为干布，在进入拉挤模具入口时直接浸润并与碳纤维层结合为一体。
所述的打磨系统为喷砂打磨方式。
所述的清洁系统为吹风和擦拭结合的方式。
本发明的有益效果是，真空灌注用碳纤维板生产效率高，质量稳定，能保证浸胶槽内树脂粘度的稳定性，延长树脂使用时间，保证了纤维的分布均匀性和保护布的准确定位，减少了起毛、模口堵塞等问题。通过在两侧设置减薄区和过渡区，在用于真空灌注多层贴合预埋时，容易将板材间空气排出，不易形成气孔缺陷，可以提高层间粘接力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1 是本发明背景技术碳纤维板截面结构图。
图2是本发明背景技术碳纤维板层叠后真空灌注示意图。
图3是本发明碳纤维板截面结构图。
图4是本发明碳纤维板局部放大图。
图5是本发明碳纤维板层叠后真空灌注示意图。
图6是本发明碳纤维板制备方法示意图。
图7是本发明第一道预成型模板截面结构图。
图8是本发明第二道预成型模板截面结构图。
图9是本发明第三道预成型模板截面结构图。
图中 1.上保护布，2.碳纤维板主体，3.下保护布，4.中间凹陷区，5.边沿凸起区，6.玻纤毡，7.树脂，8.碳纤维板主体，9.上保护布，10.下保护布，11.减薄区，12.过渡区，13.两层碳纤维板中间区，14.U形空腔，15.纱架，16.浸胶槽，17.预成型，18.拉挤模具，19.打磨系统，20.清洁系统，21.牵引机，22.切断机，23.老树脂，24.新树脂，25.螺旋混胶器，26.混合树脂，27.保护布，28.碳纤维层A，29.碳纤维层B，30.加热器，31.碳纤维半部合并层，32.碳纤维整体合并层。
具体实施方式
如图3、图4、图5所示，本发明真空灌注用的碳纤维板由复合材料碳纤维板主体8、上保护布9、下保护布10、两端的减薄区11、过渡区12组成。其两端减薄区11宽度A为5～10mm，减薄区11与中间区的单面（即碳纤维板主体上或下面）厚度落差B为0.3～0.5mm，过渡区12与减薄区11夹角C为135°～170°。碳纤维板主体8上、下表面分别贴覆上保护布9、下保护布10，上保护布9、下保护布10材质可为尼龙纤维或玻璃纤维，厚度为0.1～0.2mm，上保护布9、下保护布10如为尼龙纤维材质，一般不需打磨，直接揭除形成粗糙面即可，如为玻璃纤维材质，玻璃纤维布作为打磨层对内部的碳纤维起保护作用，可以最大限度减小打磨对碳纤维板强度的影响，打磨后表面粗糙度Ra6.3～Ra25。上保护布9、下保护布10覆盖范围超过过渡区12外端1～3mm，上保护布9、下保护布10可揭除或打磨保护布形成粗糙表面。碳纤维板主体8在用于真空灌注多层贴合预埋时，在两层碳纤维板主体的减薄区11会形成U形空腔14,灌注树脂7会在此区域形成富树脂区,容易沿玻纤毡6进入两层碳纤维板中间区13,从而将板材间空气排出，不易形成气孔缺陷，可以提高层间粘接力，板材的断裂韧度≥200J/m2。
如图6、图7、图8、图9所示，制造上述真空灌注用碳纤维板的方法，采用碳纤维/环氧树脂湿法拉挤工艺，纱架15上的碳纤维在浸胶槽16中浸润后，经多道预成型17调整，与保护布27一起进入拉挤模具18升温固化，固化成型后在牵引机21牵引下由打磨系统19和清洁系统20进行表面打磨处理，最后根据产品长度要求用切断机22定长。浸胶槽16设置了树脂体外循环混合系统，浸胶槽16内的老树脂23从浸胶槽底部经过滤后流出，新树脂24根据浸胶槽内树脂消耗速度从专用管路注入，老树脂23和新树脂24在螺旋混胶器25内充分混合后形成混合树脂26，从浸胶槽上部注入浸胶槽16。通过树脂体外循环混合系统，能保证浸胶槽内16树脂粘度的稳定性，延长树脂使用时间。设置了多道温控式预成型17模板，每道预成型模板均采用分层设计，且安装有加热器30,第一道预成型分为六层，上下对称分布，从中线往两侧依次为碳纤维层A28、碳纤维层B29、保护布27；第二道预成型分为四层，上下对称分布，从中线往两侧依次为碳纤维半部合并层31、保护布27；第三道预成型分为三层，上下对称分布，中间为碳纤维整体合并层32，两侧为保护布27。多道预成型17用模板保证了纤维的分布均匀性和保护布的准确定位。保护布27固定装置既可以安装尼龙脱模布，也可以安装玻璃纤维布，安装位置可调。在拉挤模具18和牵引机21之间设置了打磨系统19和清洁系统20，可以根据产品要求进行碳纤维板的在线打磨和清洁。多道温控式预成型17，第一道温度控制在40～50℃，第二道温度控制在60～70℃，第三道温度控制在80～90℃，通过温度控制，使树脂温度逐步提高，粘度逐步减低，碳纤维浸润更加充分。所述的多道温控式预成型17用模板，根据工艺需要可以使用两道或三道预成型模板。保护布可以从第一道预成型引入，也可以从第二道或第三道预成型引入，保护布为干布，在进入拉挤模具18入口时直接浸润并与碳纤维层结合为一体。打磨系统19优选为喷砂打磨方式，清洁系统20优选为吹风和擦拭结合的方式。
本发明提供的真空灌注用碳纤维板，通过在两侧设置减薄区和过渡区，在用于真空灌注多层贴合预埋时，在两层碳纤维板的减薄区会形成U形空腔14,灌注树脂7会在此区域形成富树脂区,容易沿玻纤毡6进入两层碳纤维板中间区13,从而将板材间空气排出，不易形成气孔缺陷，可以提高层间粘接力，保证板材的断裂韧度≥200J/m2。碳纤维板表面的保护布，如为尼龙纤维材质，一般不需打磨，直接揭除形成粗糙面即可；如为玻璃纤维材质，玻璃纤维布作为打磨层对内部的碳纤维起保护作用，可以最大限度减小打磨对碳纤维板强度的影响。
本发明提供的真空灌注用碳纤维板制备方法，产品生产效率高，质量稳定。通过设置树脂体外循环混合系统，能保证浸胶槽内树脂粘度的稳定性，延长树脂使用时间；设置多道温控式预成型模板，保证了纤维的分布均匀性和保护布的准确定位，通过预成型模板的温度控制，使树脂温度逐步提高，粘度逐步减低，减少了起毛、模口堵塞等问题，碳纤维浸润更加充分；在拉挤模具18和牵引机21之间设置了打磨系统19和清洁系统20，可以根据产品要求进行碳纤维板的在线打磨和清洁。
实施例一：
碳纤维板总宽度100mm，厚度2mm，两侧减薄区宽度A为5mm，减薄区与中间区单面厚度落差B为0.3mm，过渡区与减薄区夹角C为145°。保护布材质为尼龙纤维，厚度为0.1mm，保护布覆盖范围超过过渡区1mm，其制备方法如下：
1)采用碳纤维/环氧树脂湿法拉挤工艺，纱架15上的碳纤维在浸胶槽16中浸润，浸胶槽16设置树脂体外循环混合系统。
2)浸胶后的碳纤维经两道预成型17调整，第一道温度控制在40℃，第二道温度控制在60℃，保护布从第一道预成型17引入。
3)碳纤维与保护布27一起进入拉挤模具18升温固化。
4)固化成型后的碳纤维板在牵引机21牵引下进入切断机22，根据产品长度要求用切断机22定长。
5)碳纤维板使用时将保护布揭掉并层叠后进行真空灌注。
实施例二：
碳纤维板总宽度100mm，厚度5mm，两侧减薄区宽度A为10mm，减薄区与中间区单面厚度落差B为0.5mm，过渡区与减薄区夹角C为170°。保护布材质为玻璃纤维，厚度为0.2mm，保护布覆盖范围超过过渡区2mm，其制备方法如下：
1)采用碳纤维/环氧树脂湿法拉挤工艺，纱架15上的碳纤维在浸胶槽16中浸润，浸胶槽16设置树脂体外循环混合系统。
2)浸胶后的碳纤维经三道预成型17调整，第一道温度控制在45℃，第二道温度控制在65℃，第三道温度控制在85℃，保护布从第三道预成型17引入。
3)碳纤维与保护布27一起进入拉挤模具18升温固化。
4)固化成型后的碳纤维板在牵引机21牵引下进行在线打磨和清洁。
5)碳纤维板根据产品长度要求用切断机22定长。
6)碳纤维板层叠后进行真空灌注。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种真空灌注用碳纤维板，设有碳纤维板主体，其特征在于，碳纤维板主体的上下两面贴覆有上保护布及下保护布，碳纤维板主体两端的上下两面由过渡区变为减薄区，减薄区宽度为5～10mm，减薄区与碳纤维板主体上下两面的单面厚度落差为0.3～0.5mm，过渡区与减薄区夹角为135°～170°。
2.根据权要求1所述真空灌注用碳纤维板，其特征在于所述的上保护布及下保护布覆盖范围超过过渡区1～3mm。
3.根据权要求1所述真空灌注用碳纤维板，其特征在于所述的上保护布及下保护布为尼龙纤维或玻璃纤维，厚度为0.1～0.2mm。
4.一种制备权利要求1所述真空灌注用碳纤维板的方法，采用碳纤维/环氧树脂湿法拉挤工艺，纱架上的碳纤维在浸胶槽中浸润后，经预成型调整与保护布一起进入拉挤模具升温固化，固化成型后在牵引机牵引下由打磨系统和清洁系统进行表面打磨处理，最后根据产品长度要求用切断机定长，其特征在于：
所述的浸胶槽设置树脂体外循环混合系统，浸胶槽内的老树脂从浸胶槽底部经过滤后流出，新树脂根据浸胶槽内树脂消耗速度从专用管路注入，老树脂和新树脂在螺旋混胶器内充分混合后形成混合树脂，从浸胶槽上部注入浸胶槽,完成了树脂体外循环混合；
所述的预成型为温控式多道预成型，每道预成型用模板均采用分层设计，且安装有加热器,第一道预成型用模板分为六层，上下对称分布，从中线往两侧依次为碳纤维层A、碳纤维层B、保护布；第二道预成型用模板分为四层，上下对称分布，从中线往两侧依次为碳纤维半部合并层、保护布；第三道预成型用模板分为三层，上下对称分布，中间为碳纤维整体合并层，两侧为保护布；根据工艺需要使用第一道预成型及第二道预成型，或使用第一道预成型、第二道预成型及第三道预成型。
5.根据权利要求4所述真空灌注用碳纤维板的方法，其特征在于所述的温控式多道预成型，其中第一道预成型温度控制在40～50℃，第二道预成型温度控制在60～70℃，第三道预成型温度控制在80～90℃。
6.根据权利要求4所述真空灌注用碳纤维板的方法，其特征在于所述的保护布可以从第一道预成型用模板引入，也可以从第二道预成型用模板或第三道预成型用模板引入。
7.根据权利要求4所述真空灌注用碳纤维板的方法，其特征在于所述的保护布为干布，在进入拉挤模具入口时直接浸润并与碳纤维层结合为一体。
8.根据权利要求4所述真空灌注用碳纤维板的方法，其特征在于所述的打磨系统为喷砂打磨方式。
9.根据权利要求4所述真空灌注用碳纤维板的方法，其特征在于所述的清洁系统为吹风和擦拭结合的方式。
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