CN110576531A - 一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，属于复合材料技术领域。将PEEK树脂与分散剂以1：(2～6)的重量比混合均匀后，放入到浸胶槽中，将单向平行张紧的碳纤维在牵引力的作用下输送到浸胶槽中进行浸渍，浸渍后的碳纤维经高温烘道后，再经热压辊压实,最后卷绕成卷,得到预浸丝；连续牵引预浸丝通过熔融的热塑性树脂，然后3D打印到模具上，即得。本发明将预浸丝与熔融树脂融合制造，有利于在线制造并能保证产品的一致性和整体性能，避免了层间分离的风险，可实现各种复杂形状构件的快速打印制造，打印质量好，效率高。制得的复合材料适用于航空航天、电子、汽车等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术
连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料，是一种将碳纤维分散于热塑性树脂基体中的碳纤维增强复合材料，由于其具有优异的力学性能、轻量性、耐磨损性、尺寸稳定性、导电性及抗腐蚀性等，因而广泛应用于汽车、航空器、电气/电子仪器、光学仪器、精密仪器、娱乐/玩具、家庭/办公用品、建筑材料等广泛的领域，并且需求量也在逐年增加。
聚醚醚酮(PEEK)，是一种性能优秀的特种工程塑料，与其它特种工程塑料相比具有更多的优势，例如耐磨、耐高温，高强度高模量，阻燃抗辐射等等。此外聚醚醚酮(PEEK)在熔点以上时，有良好的热稳定性和熔融流动性，因此聚醚醚酮(PEEK)还具有热塑性塑料的典型加工性能。连续碳纤维增强PEEK复合材料不仅在耐腐蚀性、高强度、低密度等方面拥有与热固性树脂碳纤维复合材料相同的优点，更是在废料可再生利用、生产效率高等方面具有天然优势。连续碳纤维增强PEEK复合材料的应用领域十分广泛，航空航天、医疗、电子电气等领域都有出现他们的身影。
现有技术中，连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的最常用的制备方法有，熔融浸渍法、粉末浸渍法等。熔融浸渍法是先将树脂加热熔融，然后纤维通过熔融树脂得到浸渍，特别适用于结晶性树脂制备预浸料，由于在浸渍过程中不使用溶剂，因而减少了环境污染，节省了材料；粉末浸渍是将粉末状树脂以各种不同方式与增强纤维的单丝接触，适合连续纤维浸渍的粉末浸渍法主要有静电流化床法和树脂粉末槽法，静电流化床法：纤维束进入流化床，流化床中是带有静电的呈流化状态的树脂粉末，当纤维束通过时，树脂粉末沉积在纤维束上，然后进行加热融化，形成良好的浸渍；树脂粉末槽法：纤维通过导向辊进入树脂槽，在一组浸渍辊的作用下分散，吸附树脂粉末，然后通过加热装置进行浸渍。熔融浸渍法和粉末浸渍法都存在浸渍效果不佳的问题，生产的预浸带在使用时都存在一个共同缺点，即带子刚硬、柔性差。
3D打印是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。热塑性的高分子聚合物很容易进行挤出、吹塑和注射加工，因此成为3D打印高分子材料中开发作为成熟的类型，这些材料包括多种工程塑料和生物塑料。工程塑料主要有丙烯腈-丁二烯-苯乙共聚物、聚碳酸酯等；生物塑料主要包括聚乳酸、聚己内酯等。
现有技术中，连续纤维增强热塑性树脂复合材料的3D打印试件普遍存在力学性能不佳的问题，为提高纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印试件的力学性能，研究人员提出了连续纤维增强复合材料FDM工艺，目前对该工艺的研究仍处于起步阶段。2014年，美国Mark Forged公司研发了连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料3D打印机Mark One，成功实现了连续纤维增强尼龙复合材料的制造，该打印机采用两个独立喷头；一个喷头挤出热塑性树脂；另外一个输送连续纤维预浸丝束，实现构件轮廓与内部填充结构的制造，以兼顾复合材料零件精度与性能；2015年，东京理科大学的研发人员同样采用连续纤维预浸丝束进行连续碳纤维增强聚乳酸(PLA)复合材料的FDM工艺研究，当纤维含量为6.6％时，所制备复合材料试样的拉伸强度达到了200MPa，弹性模量达到20GMPa，相比采用FDM工艺制造的普通PLA试样，强度和模量分别增加了6倍和4倍。现有技术中，尚没有采用PEEK树脂作为3D打印原料制备连续碳纤维增强PEEK复合材料的，这是因为，PEEK树脂熔融温度高，需要的热量更大，粘度比较大,如果用PEEK树脂作为3D打印原料，会存在工艺性不好，难以打印成型的问题。
基于此，本发明提供一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的3D打印制备方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，成型效果好，制得的3D打印试件力学性能好。
技术方案
一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将PEEK树脂与分散剂以1：(2～6)的重量比混合均匀后，放入到浸胶槽中，将单向平行张紧的碳纤维在牵引力的作用下输送到浸胶槽中进行浸渍，浸渍后的碳纤维经高温烘道后，再经热压辊压实,最后卷绕成卷,得到预浸丝；
(2)将热塑性树脂加热熔融后，连续牵引步骤(1)的预浸丝通过熔融的热塑性树脂，然后3D打印到模具上，即得连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的3D打印线材。
进一步，步骤(1)中，所述分散剂为乙醇。
进一步，步骤(1)中，预浸丝的厚度为0.1mm～0.3mm，宽度为1mm～3mm。
进一步，步骤(1)中，高温烘道的温度为360～380℃。
进一步，步骤(2)中，牵引预浸丝通过熔融的热塑性树脂前，预先将预浸丝预热至300℃。
进一步，步骤(2)中，所述热塑性树脂为PPS树脂(聚苯硫醚树脂)。
进一步，步骤(2)中，3D打印时，打印温度为320～350℃，打印速度为100～200mm/min。
进一步，步骤(2)中，所述3D打印线材中，连续碳纤维的数量为1～5束，连续纤维在线材中均匀分布，或者根据实际需要，采用多束连续纤维随机分布。
本发明的有益之处在于：本发明提供了一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，首先将碳纤维与PEEK树脂复合而成预浸丝材，然后由于PEEK的工艺性不好，不适合或者很难高效打印，因此在预浸丝的外面包裹一层PPS，使顺利实施3D打印。本发明将预浸丝材与熔融树脂融合制造方式有利于在线制造并能保证产品的一致性和整体性能，树脂间的结合有利于保证复材基体的整体性，避免层间分离的风险，可以实现各种复杂形状构件的快速打印制造，打印质量好，打印效率高。制得的复合材料适用于航空航天、电子、汽车、机械等领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将PEEK树脂与分散剂乙醇1:5混合均匀后，放入到浸胶槽中，将单向平行张紧的T800碳纤维在牵引力的作用下输送到浸胶槽中进行浸渍，浸渍后的碳纤维经380℃的高温烘道后，再经热压辊压实,最后卷绕成卷,得到厚度为0.3mm、宽度为3mm的预浸丝；
(2)将热塑性树脂(PPS树脂)加热熔融后，将预浸丝预热至300℃，连续牵引预浸丝通过熔融的热塑性树脂(PPS树脂与预浸丝的重量比为30：70)，然后将单根包裹着PPS的预浸丝3D打印到模具上，打印温度为340℃，打印速度为100mm/min，即得连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的3D打印线材。
将得到的连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料进行弯曲性能实验，弯曲试验按照GB/T 1449-2005标准测试，测得复合材料的弯曲强度为186Mpa，复合材料的力学性能测试拉伸强度测试参考标准为GB 3357-82，测得拉伸强度为225Mpa。
实施例2
一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将PEEK树脂与分散剂乙醇1:3混合均匀后，放入到浸胶槽中，将单向平行张紧的T800碳纤维在牵引力的作用下输送到浸胶槽中进行浸渍，浸渍后的碳纤维经360℃的高温烘道后，再经热压辊压实,最后卷绕成卷,得到厚度为0.3mm、宽度为3mm的预浸丝；
(2)将热塑性树脂(PPS树脂)300℃加热熔融后，将预浸丝预热至300℃，连续牵引预浸丝通过熔融的热塑性树脂(PPS树脂与预浸丝的重量比为20：80)，然后将单根包裹着PPS的预浸丝3D打印到模具上，打印温度为340℃，打印速度为150mm/min，即得连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的3D打印线材。
将得到的连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料进行弯曲性能实验，弯曲试验按照GB/T 1449-2005标准测试，测得复合材料的弯曲强度为195Mpa，复合材料的力学性能测试拉伸强度测试参考标准为GB 3357-82，测得拉伸强度为231Mpa。
实施例3
一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将PEEK树脂与分散剂乙醇1:4混合均匀后，放入到浸胶槽中，将单向平行张紧的T800碳纤维在牵引力的作用下输送到浸胶槽中进行浸渍，浸渍后的碳纤维经360℃的高温烘道后，再经热压辊压实,最后卷绕成卷,得到厚度为0.3mm、宽度为3mm的预浸丝；
(2)将热塑性树脂(PPS树脂)300℃加热熔融后，将预浸丝预热至300℃，连续牵引预浸丝通过熔融的热塑性树脂(PPS树脂与预浸丝的重量比为30：70)，采用5丝束的打印头，将包裹着PPS的预浸丝3D打印到模具上，打印温度为340℃，打印速度为150mm/min，即得连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的3D打印线材。
将得到的连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料进行弯曲性能实验，弯曲试验按照GB/T 1449-2005标准测试，测得复合材料的弯曲强度为192Mpa，复合材料的力学性能测试拉伸强度测试参考标准为GB 3357-82，测得拉伸强度为230Mpa。
Claims (7)
1.一种连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将PEEK树脂与分散剂以1：(2～6)的重量比混合均匀后，放入到浸胶槽中，将单向平行张紧的碳纤维在牵引力的作用下输送到浸胶槽中进行浸渍，浸渍后的碳纤维经高温烘道后，再经热压辊压实,最后卷绕成卷,得到预浸丝；
(2)将热塑性树脂加热熔融后，连续牵引步骤(1)的预浸丝通过熔融的热塑性树脂，然后3D打印到模具上，即得连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的3D打印线材。
2.如权利要求1所述连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述分散剂为乙醇。
3.如权利要求1所述连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预浸丝的厚度为0.1mm～0.3mm，宽度为1mm～3mm。
4.如权利要求1所述连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述高温烘道的温度为360～380℃。
5.如权利要求1所述连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，牵引预浸丝通过熔融的热塑性树脂前，预先将预浸丝预热至300℃。
6.如权利要求1所述连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述热塑性树脂为PPS树脂。
7.如权利要求1至6任一项所述连续碳纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，3D打印时，打印温度为320～350℃，打印速度为100～200mm/min。
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2019
- 2019-10-22 CN CN201911006333.4A patent/CN110576531A/zh not_active Withdrawn
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