CN111251673A - 一种短切纤维增强热塑性预浸织物结构及其制备、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种短切纤维增强热塑性预浸织物结构及其制备、应用，织物的主体增强织物层采用高性能单向排布的碳纤维长丝束制备，在碳纤维长丝束外部采用喷涂方式贴覆带有液体粘合乳液的短切纤维，用以将单向展纱排布的碳纤维单丝进行集合固定，最终在单向碳纤维纱束层外部形成集束短切纤维层；之后采用短切纤维增强的热塑性树脂胶膜贴覆于碳纤维单向织物层表面，形成短切纤维增强热塑性树脂膜叠层结构的预浸织物。该织物首先采用短切纤维贴覆单向长丝束碳纤维的设置结构保证展纱过程中纤维单丝之间不产生后续滑移；之后将短切纤维掺杂于热塑性树脂膜基体中，提高树脂基体膜的拉伸强度和延展韧性，保证预浸织物制备过程中的胶膜稳定性和抗拉伸性能。
Description
技术领域
本发明属于高性能纤维热塑性预浸织物结构，特别涉及一种采用短切纤维混杂增强热塑性树脂膜为基体复合长丝束碳纤维所制备的热塑性碳纤维预浸织物结构。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
热塑性预浸织物是高性能纤维复合材料成型过程中的重要中间产品，该产品可以很好的控制纤维织物中含浸树脂的量，保证树脂在纤维织物中的浸润效果和均一性，为后续高性能纤维复合材料的制备提供稳定保证。目前高性能纤维预浸织物以碳纤维的热塑性预浸织物为重点研发的产品，其主要采用乳液浸渍法、热熔浸渍法，流化床含浸法以及各种不同方法的混合应用，不同的纤维预浸技术各有优势，也有各自不同的问题，其中主要的难点是纤维与树脂之间的浸润问题，除此之外，预浸织物的纤维单向排布和展纱过程中，还存在单丝纤维之间在展纱之后的后续工序过程中的滑移问题，这会造成预浸织物纱线之间的不稳定甚至出现断丝毛丝问题，造成采用该预浸织物制备的复合材料出现各种性能的不稳定。同时为了解决液相基体树脂浸渍纤维过程中的溶剂挥发、含浸效果不稳定等问题，研发者越来越多采用膜状树脂为基体制备热熔热塑性织物，而在这个制备过程中，发明人发现：树脂胶膜基体自身的拉伸性能不强，在在线制备过程中容易出现胶膜的拉伸断裂或者存在拉伸偏移等问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种短切纤维增强热塑性预浸织物的制备结构，该织物的主体增强织物层采用高性能单向排布的碳纤维长丝束制备，在碳纤维长丝束外部采用喷涂方式贴覆带有液体粘合乳液的短切纤维，用以将单向展纱排布的碳纤维单丝进行集合固定，最终在单向碳纤维纱束层外部形成短切纤维层；之后采用短切纤维增强的热塑性树脂胶膜贴覆于碳纤维单向织物层表面，形成短切纤维增强热塑性树脂膜叠层结构的预浸织物。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种短切纤维增强热塑性预浸织物结构，包括：单向碳纤维织物层(1)、短切纤维集束层(2)、短切纤维增强的热塑性树脂胶膜(4)，所述短切纤维集束层(2)喷涂在所述单向碳纤维织物层(1)外部，所述短切纤维增强的热塑性树脂胶膜(4)贴附于所述短切纤维集束层(2)外部。
本发明的原理为：该织物首先采用短切纤维贴覆单向长丝束碳纤维的设置结构保证展纱过程中纤维单丝之间不产生后续滑移；之后将短切纤维掺杂于热塑性树脂膜基体中，提高树脂基体膜的拉伸强度和延展韧性，有效保证预浸织物制备过程中的胶膜稳定性和抗拉伸性能，保证预浸织物产品质量。
本发明的第二个方面，提供了一种短切纤维增强热塑性预浸织物结构的制备方法，包括：
采用单向排布的碳纤维长丝束制备织物的主体增强织物层；
在碳纤维长丝束外部采用喷涂方式贴覆带有液体粘合乳液的短切纤维，在其外部形成短切纤维层；
采用短切纤维增强的热塑性树脂胶膜贴覆于短切纤维层表面，形成短切纤维增强热塑性树脂膜叠层结构的预浸织物。
本申请的操作方法简单、成本低、实用性强，易于规模化生产。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构在制备高性能纤维复合材料中的应用。
由于采用上述方法制备的短切纤维增强热塑性预浸织物避免了单丝纤维间的滑移，树脂基体膜的拉伸强度和延展韧性得到提升，因此，能够满足现有高性能纤维复合材料的制备要求。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的织物首先采用短切纤维贴覆单向长丝束碳纤维的设置结构保证展纱过程中纤维单丝之间不产生后续滑移；之后将短切纤维掺杂于热塑性树脂膜基体中，提高树脂基体膜的拉伸强度和延展韧性，有效保证预浸织物制备过程中的胶膜稳定性和抗拉伸性能，保证预浸织物产品质量。
(2)本申请的操作方法简单、成本低、实用性强，易于规模化生产。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本申请实施例1的短切纤维增强热塑性预浸织物的结构示意图，其中，1单向碳纤维织物层，2短切纤维集束层，3增强短切纤维，4短切纤维增强的热塑性树脂胶膜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本申请中，EVA指的是“乙烯-醋酸乙烯共聚物”。
PE纤维指的是超高分子量聚乙烯纤维。
PO纤维指的是聚烯烃纤维。
PPS纤维指的是聚苯硫醚纤维。
一种短切纤维增强热塑性预浸织物的制备结构，该织物的主体增强织物层采用高性能单向排布的碳纤维长丝束制备，在碳纤维长丝束外部采用喷涂方式贴覆带有液体粘合乳液的短切纤维，用以将单向展纱排布的碳纤维单丝进行集合固定，最终在单向碳纤维纱束层外部形成短切纤维层；之后采用短切纤维增强的热塑性树脂胶膜贴覆于碳纤维单向织物层表面，形成短切纤维增强热塑性树脂膜叠层结构的预浸织物。
一种短切纤维增强热塑性预浸织物的制备结构，包括：单向碳纤维织物层、液体粘合乳液浸过的短切纤维，热塑性树脂胶膜；所述单向碳纤维织物层、液体粘合乳液浸过的短切纤维、热塑性树脂胶膜由下到上依次排布；
在一些实施例中，所述热塑性树脂胶膜为短切纤维增强的热塑性树脂胶膜，属于纤维增强热塑性复合材料，可以采用溶液浸渍法、熔体浸渍法、粉末浸渍法、薄膜叠层法、混编法等常规方法制备，也可以采用市售产品。
所述的主体增强织物层采用高性能碳纤维单向排布结构，所用碳纤维可选用T300、T700、T800、T1000、M40、M60、M40J、M60J其中的任意一种或多种混杂，其中单向碳纤维的混杂比例根据预浸织物的性能设计要求灵活掌握，碳纤维单向织物的克重控制在50-200g/m2。
所述的碳纤维长丝束表面所用的短切纤维可用上述类型的碳纤维或者选用玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等其中的任意一种。短切纤维的长度在5-20mm之间，在短切纤维的表面采用热塑性乳液浸渍，所用乳液可选用聚氨酯、聚烯烃、EVA等其中的任意一种，所用乳液固含量控制在40-60％之间。
所述的短切纤维浸渍上述乳液之后，通过喷涂方式喷射于展纱完成后的碳纤维单向织物两侧表面，喷涂压强控制在0.5-2MPa，喷涂厚度控制在0.1-1mm之间。将喷涂之后的单向织物表面进行干燥处理，具体干燥温度和干燥时间根据设计要求灵活调整。
所述的短切纤维增强的热塑性树脂胶膜贴覆于带有短切纤维喷涂层的碳纤维单向织物层表面，该热塑性树脂胶膜的厚度控制在0.5-2mm范围内灵活调整，其中热塑性树脂胶膜可选用聚酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚氨酯、聚乙烯、聚烯烃树脂等其中的任意一种制备。
所述的短切纤维增强的热塑性树脂胶膜的增强短切纤维的长度控制在5-20mm之间，可选用芳纶纤维、PE纤维、PO纤维、PPS纤维、玻璃纤维等一种的任意一种且不局限于以上类型，最终的纤维掺杂比例控制在2-10％范围内。
所述的短切纤维增强的热塑性树脂胶膜通过热熔方式以压力辊贴覆于带有短切纤维喷涂层的碳纤维单向织物层表面，采用的压力控制在2-20MPa范围内，热熔温度根据所用的胶膜基体类型灵活调整。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
一种短切纤维增强热塑性预浸织物，其特征在于，包括：单向碳纤维织物层1、短切纤维集束层2、短切纤维增强的热塑性树脂胶膜4，所述短切纤维集束层2喷涂在所述单向碳纤维织物层1外部，所述短切纤维增强的热塑性树脂胶膜4贴附于所述短切纤维集束层2外部。
本发明提供了一种短切纤维增强热塑性预浸织物的结构具体可实施如下：采用T300高性能单向排布的碳纤维长丝束制备主体增强织物层，最终织物层的克重为50g/m2，在碳纤维织物层两侧采用0.5MPa的喷涂压强喷涂厚度为0.1mm的带有固含量为40％的聚氨酯乳液的长度在5mm的T300碳纤维层，在喷涂完成后，采用120℃、2h的烘干制度进行单向碳纤维表面的短切纤维层的烘干处理。之后采用5mm长度的芳纶纤维以掺杂2％的比例增强聚酰胺树脂胶膜，最终胶膜厚度控制在0.5mm。将短切纤维增强的热塑性树脂胶膜通过2MPa的压力、以180℃的热熔方式贴覆于带有短切纤维喷涂层的碳纤维单向织物层表面形成短切纤维增强热塑性预浸织物。
实施例2
本发明提供了一种短切纤维增强热塑性预浸织物的结构具体可实施如下：采用M60J高性能单向排布的碳纤维长丝束制备主体增强织物层，最终织物层的克重为200g/m2，在碳纤维织物层两侧采用2MPa的喷涂压强喷涂厚度为1mm的带有固含量为45％的EVA乳液的长度在20mm的芳纶纤维层，在喷涂完成后，采用130℃、1h的烘干制度进行单向碳纤维表面的短切纤维层的烘干处理。之后采用10mm长度的玻璃纤维以掺杂6％的比例增强聚丙烯树脂胶膜，最终胶膜厚度控制在1mm。将短切纤维增强的热塑性树脂胶膜通过3MPa的压力、以150℃的热熔方式贴覆于带有短切纤维喷涂层的碳纤维单向织物层表面形成短切纤维增强热塑性预浸织物。
实施例3
本发明提供了一种短切纤维增强热塑性预浸织物的结构具体可实施如下：采用T1000高性能单向排布的碳纤维长丝束制备主体增强织物层，最终织物层的克重为100g/m2，在碳纤维织物层两侧采用1MPa的喷涂压强喷涂厚度为0.8mm的带有固含量为55％的聚烯烃乳液的长度在7mm的M60碳纤维层，在喷涂完成后，采用127℃、2h的烘干制度进行单向碳纤维表面的短切纤维层的烘干处理。之后采用10mm长度的PO纤维以掺杂6％的比例增强聚乙烯树脂胶膜，最终胶膜厚度控制在1.5mm。将短切纤维增强的热塑性树脂胶膜通过5MPa的压力、以130℃的热熔方式贴覆于带有短切纤维喷涂层的碳纤维单向织物层表面形成短切纤维增强热塑性预浸织物。
实施例4
本发明提供了一种短切纤维增强热塑性预浸织物的结构具体可实施如下：采用M40高性能单向排布的碳纤维长丝束制备主体增强织物层，最终织物层的克重为150g/m2，在碳纤维织物层两侧采用2MPa的喷涂压强喷涂厚度为0.6mm的带有固含量为60％的聚氨酯乳液的长度在10mm的T1000碳纤维层，在喷涂完成后，采用129℃、1.5h的烘干制度进行单向碳纤维表面的短切纤维层的烘干处理。之后采用11mm长度的PE纤维以掺杂9％的比例增强聚酰胺树脂胶膜，最终胶膜厚度控制在0.9mm。将短切纤维增强的热塑性树脂胶膜通过12MPa的压力、以170℃的热熔方式贴覆于带有短切纤维喷涂层的碳纤维单向织物层表面形成短切纤维增强热塑性预浸织物。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，包括：单向碳纤维织物层(1)、短切纤维集束层(2)、短切纤维增强的热塑性树脂胶膜(4)，所述短切纤维集束层(2)喷涂在所述单向碳纤维织物层(1)外部，所述短切纤维增强的热塑性树脂胶膜(4)贴附于所述短切纤维集束层(2)外部。
2.如权利要求1所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述碳纤维为T300、T700、T800、T1000、M40、M60、M40J、M60J其中的任意一种或多种混杂。
3.如权利要求1所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述短切纤维的长度在5-20mm之间，表面采用热塑性乳液浸渍。
4.如权利要求1所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述短切纤维采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的任意一种。
5.如权利要求3所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述乳液为聚氨酯、聚烯烃或EVA中的任意一种，所用乳液固含量控制在40-60％之间。
6.如权利要求1所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述短切纤维增强的热塑性树脂胶膜(4)的厚度为0.5-2mm。
7.如权利要求1所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述热塑性树脂胶膜为聚酰胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚氨酯、聚乙烯、或聚烯烃树脂中的任意一种。
8.如权利要求1所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构，其特征在于，短切纤维增强的热塑性树脂胶膜(4)中的短切纤维的长度为5-20mm，选用芳纶纤维、PE纤维、PO纤维、PPS纤维、玻璃纤维中的任意一种。
9.一种短切纤维增强热塑性预浸织物结构的制备方法，其特征在于，包括：
采用单向排布的碳纤维长丝束制备织物的主体增强织物层；
在碳纤维长丝束外部采用喷涂方式贴覆带有液体粘合乳液的短切纤维，在其外部形成短切纤维层；
采用短切纤维增强的热塑性树脂胶膜贴覆于短切纤维层表面，形成短切纤维增强热塑性树脂膜叠层结构的预浸织物。
10.权利要求1-8任一项所述的短切纤维增强热塑性预浸织物结构在制备高性能纤维复合材料中的应用。
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