CN110757845A - 一种制备连续纤维增强复合材料的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其包括注胶设备、模具及牵引装置，注胶设备与模具相连，复合材料的基体材料和增强材料经由注胶设备进入到模具，成型后的复合材料经牵引装置牵拉脱出模具，所述注胶设备包括具有连续锥形腔的注胶盒，所述注胶盒的入口附近开有注胶口。本发明还提供一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其采用前述设备，以酚醛树脂作为基体材料，酚醛树脂的固化前体组合物中添加热塑性树脂粉末，并以高于500rpm转速搅拌不低于3分钟，并且在成型过程中对树脂预热和/或对注胶盒加热。采用本实施例的设备和方法，可以精确定位纤维材料，并对纤维进行充分的浸胶和预成型，有效提高了复合材料的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料及其制备工艺技术领域，具体涉及一种制备连续纤维增强复合材料的设备及方法。
背景技术
拉挤成型工艺是将浸透过液态基体材料的连续纤维纱及织物等，在牵引力的作用下，通过具有等截面型腔的模具固化或者定型，连续不断地生产出长度不限的复合材料。目前复合材料拉挤模具一般长度在600毫米到1000毫米之间，其中900～1000毫米长的拉挤模具被广泛使用。
已有的复合材料拉挤成型工艺中，树脂连续注射法浸渍纤维是一种有效的方法，它将树脂按照实际需求量连续不断地注入专门设计的注胶盒的型腔中，使通过所述注胶盒型腔的纤维迅速被浸透后进入连接在注胶盒后段的模具型腔中固化或者定型，在不少设计中，注胶盒被设计成模具入口的一部分发挥着同样的功能。现有的树脂连续注射法中注胶口开在注胶盒的型腔中间，在采用的基体材料粘度很大或者含有填料比较多的时候，尤其是在使用纤维毡或者织物的时候，树脂难以浸透纤维，或者填料难以渗透入纤维，造成复合材料性能瑕疵，存在改进之处。
同时，玻璃纤维增强酚醛树脂工字梁的制造过程中，需要采用玻璃纤维连续毡或者缝编毡，如果酚醛树脂中加入填料较多，则很难完全浸透纤维，这样就使对酚醛树脂改性受到很多限制。
总之，现有的连续纤维增强复合材料和它的生产方式存在诸多需要改进之处。
发明专利内容
为解决上述问题，本发明提供一种制备连续纤维增强复合材料的设备及方法，通过独特的工艺技术使得复合材料中的基体材料能够充分浸润纤维材料，并对受力类型和受力大小不同的区域填充不同含量的单向纤维，有效提升了材料在使用中的综合性能。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明首先提供一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其包括注胶设备、模具及牵引装置，注胶设备与模具相连，复合材料的基体材料和增强材料经由注胶设备进入到模具，所述注胶设备包括具有连续锥形腔的注胶盒，所述注胶盒的入口附近开有注胶口，所述注胶口位于表层增强材料和内层增强材料之间，用于将基体材料注入表层增强材料和其他增强材料之间，成型后的复合材料经牵引装置牵拉脱出模具。
进一步，所述注胶盒与模具相连接或者与模具一体制造，注胶盒的锥形腔自注胶盒入口向出口为连续收缩，其出口大于或者等于目标复合材料的截面尺寸；优选地，收缩夹角为0.2-3°。
进一步，所述注胶盒的入口端设有穿纱板，穿纱板上设有注胶口、下毡入口和单向纱入口，单向纱入口设于下毡入口之上，注胶口设于上毡与单向纱入口之间，优选地，还设有上毡入口，单向纱入口设于上毡入口和下毡入口之间，注胶口设于上毡入口与单向纱入口之间。
进一步，所述注胶盒入口处设有储胶段，用于储存基体材料，使纤维在进入注胶盒的连续锥形腔22之前被储胶段中的基体材料浸润。
进一步，所述储胶段开设有注胶孔，用于向所述储胶段注胶。
进一步，所述储胶段上设有溢流口。
进一步，所述溢流口处设有树脂收集装置和循环泵，树脂收集装置用于收集溢流口流出的树脂，循环泵用于将收集装置内的树脂泵回储胶段或原料箱。
进一步，所述模具具有透气钢芯模，透气钢芯模设于上模与下模之间。
进一步，所述透气钢芯模周面上布置有多个沿模具长度方向延伸的排气槽，优选地，排气槽的深度为0.1～2mm，宽度为0.05～2mm；模具的出口端设有环围透气钢芯模周向布置的环形排气空腔，所述排气空腔与所述排气槽连通，在排气空腔上还设有延伸连通至外部的排气孔，优选地，对透气钢表面进行镀铬或者渗氮处理。
本发明还提供一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其采用前述的用于制备连续纤维增强复合材料的设备。
进一步，所述复合材料采用树脂作为基体材料，拉挤过程中对树脂本身和/或注胶盒中的树脂进行加热，加热温度为30～130℃；优选地，加热温度为35℃～100℃；更优地，加热温度为40℃～90℃。
进一步，所述复合材料采用酚醛树脂作为基体材料，酚醛树脂的固化前体组合物种添加热塑性树脂粉末，并以高于500rpm转速搅拌不低于3分钟。
采用本发明的设备和方法制备连续纤维增强复合材料，可以利用注胶盒前端设置的穿纱板在拉挤过程中对纤维纱和纤维毡的空间位置进行精确的定位；利用连续锥形型腔的注胶盒浸润纤维，对纤维进行浸胶和预成型；可以对内层纤维先浸润再浸润表层纤维，可以在加工过程中对注胶盒进行加温，保证树脂能够很好地浸润纤维；并且通过对树脂预热还能加速树脂的固化，提高拉挤速度。
进一步，一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其特征在于，通过排布在所述注胶盒的入口端的穿纱板上的纱孔对穿过穿纱板的单向纱进行定位，使单向纱能够根据设计要求进入到型材中的相对应位置，根据型材投影并放大到穿纱板的面积进行分区，根据设计的需要安排各个分区的单向纱的密度。
进一步地，使型材在应力大的部分在穿纱板上的投影分区的单向纱密度高于型材受应力小的部分在穿纱板上的投影分区。
其技术效果为：可以根据复合材料型材的受力要求设计型材各部分的纤维含量，以最大限度地发挥纤维的增强效果，可以使用高粘度的基体材料树脂很好地浸润纤维，可以使基体材料树脂中的填料均匀地分布于复合材料中。
附图说明
图1所示为本发明的制备连续纤维增强复合材料的设备的示意图；
图2所示为本发明的制备连续纤维增强复合材料的设备的储胶盒结构示意图；
图3所示为本发明的实施例3的工字梁型材的截面结构示意图；
图4所示为本发明的实施例3的第一穿纱板的结构示意图；
图5所示为本发明的实施例3的模具示意图；
图6所示为图5中B-B截面示意图。
其中：
1：复合材料； 513：下毡入口； 35：排气孔；
11：表面毡； 514：单向纱入口； 36：排气槽
12：连续毡； 2：注胶盒； 3D：模具出口端；
13：单向纤维； 21：储胶段； 3C：模具入口端；
14：上翼板； 211：注胶口； 4：牵引装置；
15：腹板； 22：连续锥形腔； 61：原料箱；
16：下翼板； 3：模具； 62：泵；
51:第一穿纱板； 31：上模； 63：注料管；
52：第二穿纱板； 32：下模； 64：回料管。
511：上毡入口； 33：透气钢芯模；
512：注胶口； 34：排气空腔；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例加以说明：
实施例1：
本实施例提供一种用于制备连续纤维增强复合材料的设备，其包括注胶设备、模具3及牵引装置4以及现有技术中的原料箱61、泵62、注料管63。注胶设备的注胶盒2与模具3的模具入口端3C相连，复合材料的基体材料和增强材料经由注胶设备进入到模具，成型后的复合材料经牵引装置4牵拉脱出模具，所述注胶盒2的入口附近开有注胶口211或511，用将基体材料注入表层增强材料和其他增强材料之间。
本申请在此基础上，在注胶盒2的前部增设了储胶段21，使得纤维在进入注胶盒2之前能够先在储胶段21受到基体材料的浸润；在注胶盒的内部设有连续锥形腔22，连续锥形腔22自注胶盒入口向出口为连续收缩，其收缩角为0.2～3°，连续锥形腔22出口不小于最终所需材料的截面尺寸。注胶盒2与模具3相连接或者与模具3一体制造。在储胶段21上设有注胶口211，通过该注胶口211可以向储胶段注入流体态的基体材料，如液态的树脂材料等，使得储胶段21 内能够保持一定的基体材料液面。储胶段21前端设有穿纱板，以方便作为复合材料增强相的单向纤维能够按照设计的方式进入到特定位置。
在优选的实施例中，储胶段21处还设有溢流口，用于将储胶段21内多余的基体材料排出，使得储胶段21中的基体材料液面能够保持在一定高度。同时，在该溢流口处设置回料管64，储胶段21中多余的基体材料可以通过该回料管64回流至原料箱中。
在优选的实施例中，穿纱板包括第一穿纱板51和第二穿纱板52，第一穿纱板51设计方式如图4所示，具有上毡入口511、单向纱入口514和下毡入口513，单向纱入口514位于上毡入口511和下毡入口之513间，在单向纱入口514和上毡入口511之间设有注胶口512。注胶口512开在上部纤维毡的下方，使基体材料注到上部纤维毡下方的单向纱上。其技术效果为：基体材料先浸透单向纱，再自内向外浸透表面的纤维毡和/或织物，当基体材料含有很多填料时，这种方法可以使填料均匀地分布于复合材料中，而不会像传统的工艺一样因为注在表面的纤维毡和/或织物的外表面而被其过滤而富集在复合材料的表面。
在优选的实施例中，通过排布在所述注胶盒2的入口端的第一穿纱板51上的纱孔514对穿过穿纱板的单向纱进行定位，使单向纱能够根据设计要求进入到型材中的相对应位置，根据型材投影并放大到穿纱板的面积进行分区，根据设计的需要安排各个分区的单向纱的密度。
在优选的实施例中，使型材在弯曲载荷下受压应力部分在穿纱板上的投影分区的单向纱密度高于型材受拉应力部分在穿纱板上的投影分区。
在优选的实施例中，模具3具有透气钢芯模33，透气钢芯模33设于上模31与下模32之间。所述透气钢芯模33周面上布置有多个沿模具3长度方向延伸的排气槽36，模具的出口端 3D设有环围透气钢芯模33周向设置的环形排气空腔34，排气空腔34与排气槽36连通，在排气空腔34上还设有延伸连通至外部的排气孔35，如图5和图6所示。基体材料固化时产生的小分子可以通过排气系统排出模具，留下的孔隙由基体材料填充，于是可以提高拉挤复合材料的密实度从而提高其强度。
实施例2：
本实施例提供一种用于制备连续纤维增强树脂复合材料的方法，其采用实施例1中的设备，将树脂预热至60～80℃，使其粘度降低，再注入注胶盒用于浸润纤维，并通过穿纱板将连续纤维依次送入到注胶设备和模具中，成型后借助牵引设备将复合材料从模具中脱出。本实施例的方法利用注胶盒2前端设置的穿纱板，在拉挤工艺中对纤维纱和纤维毡的空间位置进行精确的定位；利用连续锥形型腔的注胶盒浸润纤维，对纤维进行浸胶和预成型；同时在加工过程中对注胶盒进行加温，保证树脂能够很好地浸润纤维。
复合材料采用酚醛树脂作为基体材料，酚醛树脂的固化前体组合物种添加热塑性树脂粉末，并以高于500rpm转速搅拌不低于3分钟。拉挤过程中对注胶盒中的树脂进行加热，加热温度控制在40℃～90℃之间。高粘度的树脂可以在注胶盒中被加热降低粘度，从而保证树脂能够很好地浸润纤维；同时，对树脂预热还能加速树脂的固化，提高拉挤速度。
实施例3：
本实施例提供一种用于制备连续纤维增强树脂复合材料的方法，除了对树脂不进行预热外，其他采用实施例2相同的方法，但是在拉挤过程中对注胶盒加热使其中的树脂温度控制在40℃～90℃之间。这样既可以达到实施例2的技术效果，又能防止树脂在预热过程中过早地固化。
实施例4
本实施例提供一种用于制备连续纤维增强酚醛树脂复合材料的方法，除了模具设计略有不同，其他采用实施例3相同的方法，该实施例的模具3中具有如图6所示的工字型型腔。所述透气钢芯模33周面上布置有多个沿模具3长度方向延伸的排气槽36，模具的出口端3D设有环围透气钢芯模33周向布置的排气空腔34，排气空腔34与排气槽36连通，在排气空腔34上设有延伸连通至外部的排气孔35，如图5和图6所示。酚醛树脂固化时产生的小分子可以通过由排气空腔34和排气孔35构成的排气系统排出模具，留下的孔隙由树脂填充，于是可以提高酚醛拉挤复合材料的密实度从而提高其强度。
实施例5：
本实施例提供一种用于加工复合材料工字梁型材的设备及方法，该工字梁型材如图3所示，具有上翼板14、下翼板16和腹板15，上翼板14和下翼板16通过腹板15连接，型材具有工字型截面；上翼板14中的单向纤维体积含量大于腹板15和下翼板16中的单向纤维体积含量。该工字梁受力时，上翼板14受压应力，下翼板16受拉应力，腹板15沿着惯性中轴可分割为与上翼板相连的受压应力的部分和与下翼板相连的受拉应力的部分，腹板受压部分的单向纤维体积含量大于受拉部分的单向纤维体积含量。
工字梁型材由无碱无捻玻璃纤维粗纱和玻璃纤维连续毡12和聚酯表面毡11以及酚醛树脂用注射拉挤工艺制成，所采用单向纱为无碱玻璃纤维粗纱沿着弯曲正应力方向分布成为单向纤维13。复合材料的整体单向纤维体积含量为56％，其基体树脂的配方见附表1，其单向纤维的分布、加工工艺参数及工字梁型材性能详情参见附表2：
附表1实施例3中不同工字梁型材的配方举例
本实施例采用实施例1提供的设备，其穿纱板包括第一穿纱板51和第二穿纱板52，穿纱板设计方式如图4所示，具有上毡入口511、单向纱入口514和下毡入口513，单向纱入口位于上毡入口和下毡入口之间，在单向纱入口和上毡入口之间设有注胶口211。注胶口开在上部纤维毡的下方，使基体材料注到上部纤维毡下方的玻璃纤维粗纱上。
本实施例中，通过排布在所述注胶盒2的入口端的第一穿纱板51上的纱孔514对穿过穿纱板的单向纱进行定位，使单向纱能够根据设计要求进入到型材中的相对应位置，根据型材投影并放大到穿纱板的面积进行分区，根据设计的需要安排各个分区的单向纱的密度。
本实施例中，使型材在弯曲载荷下受压应力部分在穿纱板上的投影分区的单向纱密度高于型材受拉应力部分在穿纱板上的投影分区。采用实施例1的设备制备本实施例中的工字梁型材，模具左侧用于制备受压应力的上翼板，右侧用于制备受拉应力的下翼板，中间是腹板，在受弯曲载荷时，上下翼板受的应力大于中间腹板，所以第一穿纱板51上两端的的单向纱入口纱孔的数量就多于中间的纱孔数量。在本案例中，对应于上翼板、下翼板和中间腹板受压应力的部分和受拉应力的部分的无碱玻璃纤维粗砂的数量分别为23、21、17、13，从而得到附表2所示的单向纤维含量分布。
复合材料的单向纤维1-3的体积含量＝(单向纱重量/单向纱密度)/复合材料的体积。复合材料单向纱重量按照《玻璃纤维增强塑料树脂含量试验方法》GB/T 2577测试得出，测试中用蒸馏水将燃烧后的残余物中的颗粒杂质和纤维毡清洗去除。
该实施例的模具3中具有如图6所示的工字型型腔。所述上模31和下模32与透气钢芯模 33之间设有沿透气钢芯模33周向布置并且平行于模具3长度方向的排气槽36，模具的出口端 3D设有沿透气钢芯模33周向布置的排气空腔34与所述排气槽36连通，在排气空腔34上设有延伸连通至外部的排气孔35，如图5和图6所示。酚醛树脂固化时产生的小分子可以通过由排气空腔34和排气孔35构成的排气系统排出模具，留下的孔隙由树脂填充，于是可以提高酚醛拉挤复合材料的密实度从而提高其强度。
采用本实施例的设备加工连续纤维增强树脂复合材料时，先对配好的固化前体组合物以 1000转/分钟搅拌5分钟，配好后的固化前体组合物的粘度为500～4000mPa.s。在拉挤过程中对注胶盒进行加热而使其中的基体材料控制在一定的温度，加热温度条件见附表2，其技术效果为降低了树脂的粘度，预热了树脂，同时也不让树脂过早地凝胶，既提高了纤维浸渍质量，又可以保证树脂均匀固化。
附表2：单向纤维的分布、加工工艺参数及工字梁型材性能
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (15)
1.一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，包括注胶设备、模具及牵引装置，注胶设备与模具相连，复合材料的基体材料和增强材料经由注胶设备进入到模具，成型后的复合材料经牵引装置牵拉脱出模具，所述注胶设备包括具有连续锥形腔的注胶盒，所述注胶盒的入口附近开有注胶口，所述注胶口位于表层增强材料和内层增强材料之间。
2.根据权利要求1所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述注胶盒入口处设有储胶段，用于储存基体材料，使纤维在进入注胶盒的连续锥形腔之前被储胶段中的基体材料浸润。
3.根据权利要求2所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述储胶段开设有注胶口，用于向所述储胶段注胶。
4.根据权利要求3所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述储胶段上设有溢流口。
5.根据权利要求4所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述溢流口处设有收集装置和循环泵，收集装置用于收集溢流口流出的基体材料，循环泵用于将收集装置内的基体材料泵回储胶段或原料箱。
6.根据权利要求1—5任一所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述注胶盒与模具相连接或者与模具一体制造，注胶盒的锥形腔自注胶盒入口向出口为连续收缩，其出口大于或者等于目标复合材料的截面尺寸；优选地，收缩夹角为0.2-3°。
7.根据权利要求1—5所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述注胶盒的入口端设有穿纱板，穿纱板上设有纱孔，纱孔的布置与目标成型材料中纤维分布结构相适应。
8.根据权利要求7所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述穿纱板上还设有注胶口和下毡入口，所述纱孔包括单向纱入口，单向纱入口设于下毡入口之上；优选地，穿纱板上还设有上毡入口，所述注胶口设于上毡入口与单向纱入口之间。
9.根据权利要求1—5任一所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述模具具有透气钢芯模，透气钢芯模设于上模与下模之间。
10.根据权利要求9所述的一种制备连续纤维增强复合材料的设备，其特征在于，所述透气钢芯模周面上布置有多个沿模具长度方向延伸的排气槽，模具的出口端设有环围透气钢芯模周向布置有环形排气空腔，所述排气空腔与所述排气槽连通，在排气空腔上还设有延伸连通至外部的排气孔。
11.一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1～10任一所述的用于制备连续纤维增强复合材料的设备，并且将基体材料通过所述注胶口注在表层增强材料和内层增强材料之间。
12.根据权利要求11所述的一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其特征在于，所述复合材料采用树脂作为基体材料，拉挤过程中对树脂本身或者对注胶盒中的树脂进行加热，加热温度为30～130℃；优选地，加热温度为35℃～100℃；更优地，加热温度为40℃～90℃。
13.根据权利要求12所述的一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其特征在于，所述复合材料采用酚醛树脂作为基体材料，酚醛树脂的固化前体组合物中添加热塑性树脂粉末，并以高于500rpm转速搅拌不低于3分钟。
14.根据权利要求11所述的一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其特征在于，注胶盒的入口端设有与目标成型材料中纤维分布结构相适应的纱孔，所述纱孔根据型材投影并放大到穿纱板的面积进行分区，根据设计的需要安排各个分区的单向纱的密度，通过纱孔对穿过穿纱板的单向纱进行定位，使单向纱能够根据设计要求进入到最终成型材料中的相对应位置。
15.根据权利要求11所述的一种制备连续纤维增强复合材料的方法，其特征在于，纱孔的设计满足型材受应力大的部分在穿纱板上的投影分区的单向纱密度高于型材受应力小的部分在穿纱板上的投影分区的单向纱密度。
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