CN111251625A - 一种碳纤维预成型体及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纤维预成型体，包括短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料，所述的碳纤维预浸料预浸有粘性树脂，所述的短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料均匀混合，短切碳纤维丝束被碳纤维预浸料中的粘性树脂定型，短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料结合成为有固定形状的预成型体。本方案克服了现有技术当中液体成型和预浸料成型技术当中的缺点，不引入其他的物质，通过预浸料丝束中的树脂进行粘接，相对传统的预成型体，降低产品的内部和表面孔隙率，因此拉伸性能、抗冲击性能提高20%以上。

Description

一种碳纤维预成型体及其制备工艺

技术领域

本发明涉及碳纤维技术领域，主要是涉及一种碳纤维预成型体及其制备工艺。

背景技术

碳纤维复合材料的成型工艺主要包括液体成型工艺和预浸料成型工艺。

在液体成型工艺中，为了避免纤维织物在外部压力下的偏移，会将纤维织物经过定型胶进行预成型。定型胶一般为有机高分子粘接剂，为粉状、膜状或者液体形式，在预成型工艺中置于纤维织物表面或者层间。引入高分子粘接剂的预成型体，会引入纤维和树脂以外的化学成分，会影响产品的机械性能，产品质量的稳定性以及引入有毒有害可挥发物质。

预浸料成型工艺是将已经预浸好树脂的片状纤维材料在模具中，高温高压下成型为产品，而该片状纤维材料主要来自短切纤维织物，短纤维织物有成本低，机械性能为类各向同性，在复合材料产品制备工艺中流动性好，可用于汽车行业零部件的规模化生产。现有的短切纤维成型工艺使用的预浸料通过连续纤维在线切割为短纤维，通过铺放在上下两层胶膜中间进行辊压成型，纤维的铺放不均匀，导致短切纤维的预浸料树脂含量不均匀，厚度不均匀以及后续产品的性能产生缺陷。

发明内容

一、要解决的技术问题

传统液体成型工艺需在纤维丝束表面喷涂一定量的定型粘接剂，以保证形状结构的完整性，且其引入了外部粘接剂；传统预浸料成型工艺会出现由于纤维的铺放不均匀，导致短切纤维的预浸料树脂含量不均匀，厚度不均匀以及后续产品的性能产生缺陷。

为此，本工艺利用碳纤维预浸料中的预浸基质在一定温度下的粘性，将未浸渍树脂的碳纤维进行粘接定型，创造一种新型的预成形体，通过本工艺得到的预成型体可以保证纤维的丝束完整性的同时，不引入外部粘接剂。对传统的预成型体，降低产品的内部和表面孔隙率，因此拉伸性能、抗冲击性能提高20%以上。

二、技术方案

一种碳纤维预成型体，其特征在于：包括短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料，所述的碳纤维预浸料预浸有粘性树脂，所述的短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料均匀混合，短切碳纤维丝束被碳纤维预浸料中的粘性树脂定型，短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料结合成为有固定形状的预成型体。

进一步的，所述的短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料的混合体积比为10%-90%。

进一步的，所述的碳纤维预浸料优选为短切碳纤维预浸料。

进一步的，所述的碳纤维预成型体材料来源为连续的碳纤维丝束和碳纤维预浸料或者未经过化学处理的短切碳纤维丝和预浸料或者为未经过化学处理的回收碳纤维和预浸料余料。

一种碳纤维预成型体制备工艺：其特征在于：包括如下步骤：

S1.将未浸润树脂的碳纤维丝和已经浸润树脂的碳纤维预浸料经过切割机或者撕碎机分别或者同时切割成设定长度的碳纤维短丝束，丝束的长度可以根据切割机的网筛孔尺寸进行设定，为5mm-50mm；

S2.将切割好的短切的碳纤维丝和预浸料按照一定的体积分数的比例进行均匀的混合，比例为10%-90%；

S3.将混合好的碳纤维均匀铺放在传送装置上，经过对辊或者平板结构的压制装置。

进一步的，所述S1步骤当中的未浸润树脂的碳纤维丝和已经浸润树脂的碳纤维预浸料可以同时进料，并进行切割的方式，可以实现碳纤维预浸料和短切碳纤维丝的初步混合，并避免短切碳纤维预浸料粘附在切割刀具上。

进一步的，所述的传送装置上通过网或者平板进行振动，将混合的纤维丝束进行二次均匀排布，并控制料厚为5mm-50mm。

进一步的，所述的压制装置设置一定的温度，为40℃-100℃和一定的压力，压力可以经过纤维的类型和混合比例进行设计。

进一步的，所述的在热压的过程中，预成型体的上下可以铺放离尘膜或者离尘纸，防止外部灰尘进入同时隔绝外部空气和温度，以延长材料的保存周期。

通过本处理的纤维材料一般保质期为常温6个月以上。短切碳纤维和短切预浸料在热压后经过冷却定型装置，并成型。

进一步的，所述的粘性树脂，由以下组分构成：

40%至90%重量份数的缩水甘油醚类环氧树脂;

2%～26%重量份数的三氮化硼乙胺络合物等合成固化剂;

组份2%～3% 重量份数的聚乙烯醇缩丁醛;

组份2%～7%重量份数的尿醛三聚氰胺树脂;

组份4%-6%量份数的异氰酸酯;

该粘性树脂组成物在短切碳纤维丝束之间具有良好的粘合性，即使在高温和高压的情况下其粘合力也不减小，该粘性树脂组成物是通过由混合装置将上述组份混合，或通过由一单螺旋挤出机、双螺旋挤出机、捏和机或班伯里混合机将上述混合物熔融捏和来制备的。

进一步的，使用均匀混合装置将碳纤维丝束和碳纤维预浸料均匀混合，该均匀混合装置包括混合箱、进料箱以及出料箱，通过将待混合均匀的碳纤维丝束和碳纤维预浸料从进料箱的进料口处送入到混料箱中，然后开启驱动机构，通过驱动机构带动混料杆转动，进而带动混料杆上的搅动棍对其内的碳纤维丝束和碳纤维预浸料现搅动，混料杆转动一定时间后，再开启压缩机构，通过压缩机构驱使混料杆在垂直方向上上下运动。通过混料杆的转动以及上下的运动，使得在混料箱内的料剂在不同方向上都能充分被搅拌，进而使料剂能够被充分混合均匀。

有益效果

1.克服了现有技术当中液体成型和预浸料成型技术当中的缺点，不引入其他的物质，利用主要利用了碳纤维预浸料中的预浸基质在一定温度下的粘性，可将未浸渍树脂的碳纤维进行粘接定型。传统工艺需在纤维丝束表面喷涂一定量的定型粘接剂，以保证形状结构的完整性。通过本工艺得到的预成型体可以保证纤维的丝束完整性的同时，不引入外部粘接剂。通过预浸料丝束中的树脂进行粘接，相对传统的预成型体，降低产品的内部和表面孔隙率，因此拉伸性能、抗冲击性能提高20%以上。

2.本技术未引入粘接剂，而是使用碳纤维和浸渍树脂的碳纤维预浸料，最大程度的保证了材料的稳定性。同时材料来源可以为回收再利用的碳纤维材料，极大地提高了材料的使用率，降低了产品的使用成本。

具体实施方式：

实施例1：测量碳纤维预浸料最佳反应温度，以使得此时碳纤维预浸料中的树脂的粘性最大。

选用的粘性树脂，由以下组分构成：

50%重量份数的缩水甘油醚类环氧树脂;24%重量份数的三氮化硼乙胺络合物等合成固化剂;组份3% 重量份数的聚乙烯醇缩丁醛;组份7%重量份数的尿醛三聚氰胺树脂;组份6%量份数的异氰酸酯。

测定碳纤维预浸料的粘性温度的步骤为：添加粘性树脂到含搅拌器的测试装置中；添加诱导冷凝剂到所述测试装置中；运转搅拌器；和按照表1的温度列表升高温度，直到运转所述搅拌器所使用的扭矩值超过极限，使用高压釜反应器作为所述测试装置，使用一系列含量的所添加的诱导冷凝剂，重复所述测试，每一诱导冷凝剂含量下，对所述粘性温度进行最小二乘法拟合，添加异戊烷作为诱导冷凝剂，观察混合刀片旋转停止时的温度，确定所述扭矩值已超过极限的时刻，测试装置上施加真空，搅拌器是以恒定速率旋转的混合刀片。

表1

经过数据验证，50℃下，实施例1当中的树脂的粘性最大，因此在50℃下将短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料进行混合，会取得最佳的技术效果。

实施例2：测量所述的短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料的最佳混合比例。

选用的粘性树脂，由以下组分构成：

66%重量份数的缩水甘油醚类环氧树脂;20%重量份数的三氮化硼乙胺络合物等合成固化剂;组份2% 重量份数的聚乙烯醇缩丁醛;组份6%重量份数的尿醛三聚氰胺树脂;组份6%量份数的异氰酸酯。

首先将未浸润树脂的碳纤维丝和已经浸润树脂的碳纤维预浸料经过切割机或者撕碎机分别或者同时切割成设定长度的碳纤维短丝束，丝束的长度可以根据切割机进行设定，为5mm-50mm。其次，将切割好的短切的碳纤维丝和预浸料按照实验组1-9的体积分数的比例进行均匀的混合。将混合好的碳纤维均匀铺放在传送装置上，经过对辊或者平板结构的压制装置。传送装置上通过网或者平板进行振动，将混合的纤维丝束进行二次均匀排布，并控制料厚为5mm-50mm。压制装置设置为50℃和一定的压力。得到成品的纤维织物之后，计算短切碳纤维丝束的融合度和分散度（表2所示），该融合度指的是短切碳纤维丝束融合进碳纤维预浸料当中的百分比。该分散度指的是短切碳纤维在预成型体中的分散程度。

所述实验组分布为：

实验组1：10%的短切碳纤维丝束，90%的碳纤维预浸料；

实验组2：20%的短切碳纤维丝束，80%的碳纤维预浸料；

实验组3：30%的短切碳纤维丝束，70%的碳纤维预浸料；

实验组4：40%的短切碳纤维丝束，60%的碳纤维预浸料；

实验组5：50%的短切碳纤维丝束，50%的碳纤维预浸料；

实验组6：60%的短切碳纤维丝束，40%的碳纤维预浸料；

实验组7：70%的短切碳纤维丝束，30%的碳纤维预浸料；

实验组8：80%的短切碳纤维丝束，20%的碳纤维预浸料；

实验组9：90%的短切碳纤维丝束，10%的碳纤维预浸料；

表2

经过数据验证， 10%的短切碳纤维丝束，90%的碳纤维预浸料；和20%的短切碳纤维丝束，80%的碳纤维预浸料；和30%的短切碳纤维丝束，70%的碳纤维预浸料，至少能达到95%短切碳纤维丝融合在碳纤维预浸料当中，且采用本方案的短切碳纤维丝束至少能达到60%的融合度。50%的短切碳纤维丝束，50%的碳纤维预浸料；和60%的短切碳纤维丝束，40%的碳纤维预浸料；和70%的短切碳纤维丝束，30%的碳纤维预浸料；和80%的短切碳纤维丝束，20%的碳纤维预浸料，至少能达到80%短切碳纤维的均匀分散，因此本方案优选短切碳纤维含量为50%-80%。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种碳纤维预成型体，其特征在于：包括短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料，所述的碳纤维预浸料预浸有粘性树脂，所述的短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料均匀混合，短切碳纤维丝束被碳纤维预浸料中的粘性树脂定型，短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料结合成为有固定形状的预成型体。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维预成型体，其特征在于：所述的短切碳纤维丝束和碳纤维预浸料的混合体积比为10%-90%。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维预成型体，其特征在于：所述的碳纤维预浸料为短切碳纤维预浸料。

4.一种碳纤维预成型体制备工艺：其特征在于：包括如下步骤：

S1.将未浸润树脂的碳纤维丝和已经浸润树脂的碳纤维预浸料经过切割机或者撕碎机分别或者同时切割成设定长度的碳纤维短丝束，丝束的长度可以根据切割机或撕碎机进行设定，为5mm-50mm；

S2.将切割好的短切的碳纤维丝和预浸料按照一定的体积分数的比例进行均匀的混合，比例为10%-90%；

S3.将混合好的碳纤维均匀铺放在传送装置上，经过对辊或者平板结构的压制装置，由送料量和压制装置的空间来决定预成型体的形状和孔隙密度。

5.根据权利要求4所述的一种碳纤维预成型体制备工艺，其特征在于：所述的传送装置上通过网或者平板进行振动，将混合的纤维丝束进行二次均匀排布，并控制料厚为5mm-50mm。

6.根据权利要求5所述的一种碳纤维预成型体制备工艺，其特征在于：所述S1步骤当中的未浸润树脂的碳纤维丝和已经浸润树脂的碳纤维预浸料可以同时进料。

7.根据权利要求6所述的一种碳纤维预成型体制备工艺：其特征在于：所述的压制装置压制温度为40℃-100℃。

8.根据权利要求4-7所述的任一碳纤维预成型体制备工艺，其特征在于:在热压的过程中，预成型体的上下可以铺放离尘膜或者离尘纸。