CN111391168B - 一种热塑性复合材料的喷射成型工艺 - Google Patents

一种热塑性复合材料的喷射成型工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，包括以下步骤：(1)向匀速运动的纤维增强体持续喷射加热加压后的树脂粉末，树脂粉末冲击纤维增强体表面并进入纤维束内部，同时树脂粉末的部分动能瞬间转换为热能，使树脂粉末瞬间熔融塑化并浸渍纤维增强体，浸渍后得到预浸料初样；(2)对预浸料初样依次进行预热处理和定型处理，完成后得到热塑性复合材料。本发明有效地提高了热塑性复合材料的浸渍效果。

Description

一种热塑性复合材料的喷射成型工艺
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，具体来说是涉及一种热塑性复合材料低温高速的喷射成型工艺。
背景技术
目前制备连续纤维增强复合材料预浸料的方法主要包含溶液法、熔融法、薄膜法和原位聚合法，各方法分别如下：
(1)溶液法：溶液法是将树脂基体溶解于其良溶剂中，利用溶液的低粘度实现树脂对连续纤维的良好浸渍，最后采用特殊工艺除去溶液中的溶剂。该方法适配的复合材料体系中树脂基体的特性为：①树脂基体在熔融状态下粘度较高，难以实现树脂在熔融状态下对增强纤维的良好浸渍；②树脂本身具有良溶剂，可以较好的实现树脂的溶解和溶剂的析出。通过该方法可有效的制备特殊树脂体系的热塑性复合材料，但其存在明显不足：①树脂基体的可选择性范围窄，不适合聚苯硫醚树脂；②采用溶液法制备热塑性复合材料需要进行树脂溶解、复合材料浸渍和溶剂析出等工序，尤其是树脂溶解和溶剂清洗过程生产效率低、成本高，溶剂挥发对环境造成一定的污染；③能够制备热塑性复合材料树脂的良溶剂均为有机溶剂，溶剂清洗困难，易有小分子溶剂残留在复合材料体系中，使得复合材料制备和使用过程中环境友好性不佳；④由于小分子溶剂难以完全清洗，导致复合材料中存在残留溶剂，造成复合材料成体性能不佳。
(2)熔融法：熔融法是将树脂基体通过塑化工艺充分塑化后浸渍增强纤维，然后定型得到热塑性复合材料的方法。该方法适配的复合材料体系中树脂基体的特性为：①树脂基体熔融后粘度较低，减小树脂对纤维浸渍的难度；②树脂基体在熔融状态下的耐老化性能优异，避免树脂基体长时间在熔融状态下降解或交联。该方法是热塑性复合材料发展的方向和热点，但该方法仍然存在一些不足：①该方案要求树脂的熔融粘度较低；②相较于热固性树脂，热塑性树脂熔融粘度偏高，限制了树脂对纤维的良好浸渍，基于此，需要设计各种辅助浸渍装置改善树脂对纤维的浸渍效果，虽取得了一定效果，但仍难以实现树脂对增强纤维单丝级的浸渍；③熔融浸渍工艺中树脂含量与塑化设备喂料速率、螺杆转速、增强纤维进料速率、口模尺寸、牵引速率等众多因素影响，较难以高精度控制复合材料体系中的树脂含量；
(3)薄膜法：薄膜法是将树脂基体制备成薄膜状态，将薄膜与增强纤维交替排列，引入热场熔融薄膜态树脂，通过外加压力实现树脂对纤维的浸渍。该方法适配的复合材料体系中树脂基体的特性为：①树脂的成膜性能较好；②树脂熔融后粘度较低。该方法存在明显不足，具体为：①采用薄膜法可以较好的控制树脂含量，但是对高性能热塑性树脂成膜性能有较高的要求，且薄膜制备成本较高；②采用薄膜法制备热塑性复合材料内部气体较难以排出，空隙率较高，影响复合材料的整体性能；③树脂对纤维的浸渍性不佳，影响复合材料整体性能。
(3)原位聚合法：原位聚合法是将聚合物单体或预聚体与增强纤维均匀混合，由于聚合物单体和预聚体的分子量低、黏度低，易于快速浸渍增强纤维；当增强纤维与树脂基体完全浸润后，可在一定的条件下引发单体或预聚体聚合，使其聚合成为具有一定强度的高分子聚合物，进而形成复合材料制品。该方法可以借鉴传统热固性复合材料成型技术，制备结构较为复杂的制品，但其存在下列不足：①由于聚合物单体和预聚体在聚合过程中通常伴随较大的收缩，容易导致复合材料尺寸稳定性不佳；②可供原位聚合工艺选择的聚合物单体和预聚体非常有限，导致其该工艺无法被广泛应用；③采用原位聚合工艺制备的复合材料整体性能较差、产品成型周期长。
另外，关于热塑性复合材料的成型通常还有以下技术：
如中国专利号CN102922747B公开的玻璃钢风电机舱罩模具喷射手糊混合成型工艺，在制作增强层时，涉及到的原材料为连续玻璃纤维纱和树脂胶液，其制备过程为：①在环境温度25-30℃条件下，使用快速剪切机构将连续玻璃纤维纱切断成5mm-10mm；②将短切纤维和树脂胶液通过喷枪设备，喷射到模具表面，喷射厚度为1.5mm-2.5mm，而后根据工艺要求固化。但该制备过程存在以下缺点：①连续玻璃纤维纱被切短后，采用该增强体制备的复合材料力学性能较差；②对施工环境温度要求过高，如果温度过高，极易造成喷嘴堵塞；温度过低，造成短切纤维和树脂胶液混合不均匀，固化慢且在受力时存在薄弱区域。
如中国专利号CN107891616A公开的一种树脂基复合材料天线罩喷射成型装置与方法，涉及到的原材料包括增强织物和树脂基体，制备过程为：①将增强织物铺设在阳模上；②开启加热装置，将反应釜升温至90℃后，加入PSA树脂，随后将温度提升至110℃，并搅拌30min后脱泡30min；之后，将树脂基体喷射至增强织物表面；③喷射完毕后，将阴模罩在阳模上固化，固化工艺为170℃/2h、210℃/2h和250℃/4h，之后，关闭烘箱自然冷却至室温。但该制备过程也存在以下缺点：①原材料准备处理过程操作繁琐、周期长；②整个制备过程周期超过10小时，生产效率极其低，且易造成周围环境污染；③在固化的过程中，受到重力的作用，树脂在产品表面会出现不均匀的现象。
如中国专利号CN110201855A公开的一种在碳气凝胶表面喷涂热塑性树脂制备高碳含量复合材料的方法,其技术方案为：首先制备碳气凝胶；然后利用静电喷涂技术，在碳气凝胶表面均匀喷涂一层热塑性树脂材料；利用烘箱加热热塑性树脂使其融化并均匀分布在气凝胶表面，最终冷却后使碳气凝胶表面附着一层均匀的热塑性树脂，以此获得高碳含量的复合材料。但该技术并非连续纤维增强复合材料领域，另外其喷涂为低速喷涂，目的也仅仅是实现均匀分散，并不能实现树脂塑化和对纤维的良好浸渍。
如中国专利号CN110641046A公开的一种连续纤维增强型树脂复合材料的加工装置及加工方法,其技术方案为：包括按顺序布置的纤维架、导纤辊、展纤装置、喷淋系统、预热箱、流延系统、热压辊、冷压辊、裁切装置和收卷装置。连续纤维经导纱辊后通过展纤装置开纤，进入喷淋系统，喷淋头将置于储料箱中的枝接剂喷涂至连续纤维带的表面，进入预热箱预热，然后在高温箱中与流延系统形成的树脂膜经热压辊复合，出高温箱采用冷压辊进行冷却，经裁切、收卷得到连续纤维增强型热塑性树脂复合材料。该技术主要通过喷淋系统进行纤维表面预先处理(喷涂助剂)，起均匀喷洒的目的，不管助剂还是树脂均为低速或靠自重涂敷纤维表面，其并不能实现树脂塑化和对纤维的良好浸渍。
基于上述原因，需要对热塑性复合材料进行更加先进的改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供了一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，本发明所要解决的技术问题是提高热塑性复合材料的浸渍效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，包括以下步骤：
(1)向匀速运动的纤维增强体持续喷射加热加压后的树脂粉末，树脂粉末冲击纤维增强体表面并进入纤维束内部，同时树脂粉末的部分动能瞬间转换为热能，使树脂粉末瞬间熔融塑化并浸渍纤维增强体，浸渍后得到预浸料初样；
(2)对预浸料初样依次进行预热处理和定型处理，完成后得到热塑性复合材料。
所述步骤(1)中树脂粉末的粒径≤100μm，加热温度为低于树脂粉末熔点的10-100℃，加压压力为0.5-5Mpa。
所述步骤(1)中树脂粉末的喷射速率为300m/s-600m/s，喷射距离为5-70mm。
所述步骤(1)中的纤维增强体为连续纤维单向展宽带或织物，为织物时织物克重≤400g/m2。
所述步骤(1)中通过连接于树脂粉末原料装置的送粉系统进行给料，通过输能系统对送粉系统供给的树脂粉末进行加热和加压,通过高压气系统使树脂粉末获得动能，通过喷射系统将树脂粉末喷射至纤维增强体。
所述步骤(1)中在对应于喷射区域处设置有用于支撑纤维增强体的隔离系统，所述隔离系统包括基板、隔离膜、膜放卷系统和膜收卷系统，其中，膜放卷系统和膜收卷系统分别位于基板两侧，用于使隔离膜与纤维增强体同步运动；隔离膜位于基板与纤维增强体之间，且纤维增强体、隔离膜和基板三者处于贴敷状态。
所述隔离膜为聚酰亚胺隔离膜。
所述步骤(1)中通过纤维放卷系统和产品收卷系统实现纤维增强体的匀速运动。
所述步骤(2)中预热处理时加热温度高于树脂熔点10-30℃。
所述步骤(2)通过预热系统对预浸料初样进行预热，通过定型系统对预热后的预浸料初样进行定型。
采用本发明的优点在于：
1、本发明采用加热加压的方式将固态树脂粉末持续喷射至纤维增强体上，由于树脂粉末具备动能，因此树脂粉末被喷射到纤维增强体上后，树脂粉末将冲击纤维增强体表面并进入纤维束内部，也对纤维起到分散作用，同时树脂粉末的部分动能瞬间转换为热能，使树脂粉末瞬间熔融塑化并浸渍纤维增强体；实现了纤维的分散和树脂对纤维的浸渍，也避免了现场预塑化困难的难题。而通过预热处理和定型处理，则有利于实现预浸料初样的表观平整及均匀性。
2、本发明采用低温粒子作为树脂原材料，温度低于树脂熔点以下10-100℃，非传统熔融塑化后涂敷浸渍。而将加压压力设为0.5-5Mpa，将喷射速率设为300m/s-600m/s，将喷射距离设为5-70mm，则能够将树脂的动能转换为热能，实现树脂粒子自塑化，同时高速粒子能对纤维起较好的分散作用，从而实现纤维的有效分散和树脂对纤维的有效浸渍。整个过程为低温高速喷射成型，能量转换效率高，整体能耗较低，效率高。
3、本发明中纤维增强体可采用连续纤维单向展宽带或织物，为织物时织物克重≤400g/m2。整个工艺对对原材料要求不高，普适性强。
4、本发明设置了对纤维增强体起支撑作用的基板，其能够保证高速树脂粉末粒子喷射至纤维增强体时，待浸渍纤维、隔离膜和基板不发生明显变形。而通过隔离膜则能够避免高速树脂粉末粒子浸渍纤维后粘接至基板，并导致无法脱模。
5、本发明设备操作简单、稳定性好、生产效率高，适用于批量稳定生产。
6、本发明在高速树脂粒子在喷射至织物后，可以较好的分散至织物纤维内部，同时塑化定型，实现树脂对纤维良好的浸渍。进一步的，能够实现树脂对纤维单丝级浸渍。
7、本发明中的树脂含量通过增强纤维移动速率、树脂送粉量共同决定，而这两项指参数均可较好控制，因此有利于提高树脂含量的均匀性和稳定性。
8、本发明整个工艺控制反馈速率快，可用于不同工艺参数条件下的快速切换。
9、本发明整个工艺过程无溶剂引入，环境友好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记为：1、纤维放卷系统，2、纤维增强体，3、树脂粉末，4、喷射系统，5、输能系统，6、高压气系统，7、送粉系统，8、预浸料初样，9、预热系统，10、定型系统，11、产品收卷系统，12、膜收卷系统，13、基板，14、隔离膜，15、膜放卷系统。
具体实施方式
实施例1
本实施例公开了一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，包括以下步骤：
(1)向匀速运动的纤维增强体2持续喷射加热加压后的树脂粉末3，树脂粉末3冲击纤维增强体2表面并进入纤维束内部，同时树脂粉末3的部分动能瞬间转换为热能，使树脂粉末3瞬间熔融塑化并浸渍纤维增强体2，浸渍后得到预浸料初样8。
本步骤中，纤维增强体2为连续纤维单向展宽带或织物，为织物时织物克重≤400g/m2。树脂粉末3的粒径≤100μm，加热温度为低于树脂粉末3熔点的10-100℃，加压压力为0.5-5Mpa，喷射速率为300m/s-600m/s，喷射距离为5-70mm。
本步骤中，树脂粉末3的加热加压以及喷射主要通过送粉系统7、输能系统5、喷射系统4和高压气系统6配合完成，其中，送粉系统7可采用粉料失重称，喷射系统4可采用带喷嘴的喷射器，输能系统5可采用带加热室的加热器，高压气系统6可采用压力为0.5-5Mpa的高压气气源；其具体连接结构为：送粉系统7的一端连接于树脂粉末原料装置(图中未示出)，另一连接于输能系统5。输能系统5的一端连接于高压气系统6，另一端连接于喷射系统4。其中，各系统的作用分别如下：
送粉系统7连接于树脂粉末原料装置进行给料，用于使树脂粉末3均匀的输送至输能系统5，保证树脂粉末3在空间的均匀分布及输送速度的均匀性，进而实现喂料的稳定性。
输能系统5用于对树脂粉末3进行加热和加压，使树脂粉末3获得一定的能量。
高压气系统6用于使静止状态的树脂粉末3获得动能，而后以一定的速度从喷射系统4喷射至纤维增强体2表面。
(2)得到预浸料初样8后，对预浸料初样8依次进行预热处理和定型处理，完成后得到热塑性复合材料。具体的，先采用预热系统9对预浸料初样8进行预热，预热系统9可采用红外辐射预热方式，预热处理时加热温度高于树脂熔点10-30℃；预热完成后再采用φ100-150mm双辊的定型系统10对预热后的预浸料初样8进行定型，完成后得到热塑性复合材料。
本实施例中，纤维增强体2的匀速运动由纤维放卷系统1和产品收卷系统11配合实现，其中，优选纤维放卷系统1和产品收卷系统11配合使纤维增强体2在水平方向匀速运动，而优选送粉系统7、输能系统5、喷射系统4和高压气系统6连接后从纤维增强体2的上方向纤维增强体2喷射树脂粉末3。进一步的，预热系统9和定型系统10依次设置在喷射系统4与产品收卷系统11之间，最后经定型系统10定型得到的产品由产品收卷系统11收卷。
实施例2
本实施例公开了一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，包括以下步骤：
(1)向匀速运动的纤维增强体2持续喷射加热加压后的树脂粉末3，树脂粉末3冲击纤维增强体2表面并进入纤维束内部，同时树脂粉末3的部分动能瞬间转换为热能，使树脂粉末3瞬间熔融塑化并浸渍纤维增强体2，浸渍后得到预浸料初样8。
本步骤中，纤维增强体2为连续纤维单向展宽带或织物，为织物时织物克重≤400g/m2。树脂粉末3的粒径90μm，加热温度为低于树脂粉末3熔点的20-80℃，加压压力为1-3Mpa，喷射速率为400m/s-500m/s，喷射距离为10-50mm。
本步骤中，树脂粉末3的加热加压以及喷射主要通过送粉系统7、输能系统5、喷射系统4和高压气系统6配合完成，其中，送粉系统7可采用粉料失重称，喷射系统4可采用带喷嘴的喷射器，输能系统5可采用带加热室的加热器，高压气系统6可采用压力为0.5-5Mpa的高压气气源；其具体连接结构为：送粉系统7的一端连接于树脂粉末原料装置(图中未示出)，另一连接于输能系统5。输能系统5的一端连接于高压气系统6，另一端连接于喷射系统4。
(2)得到预浸料初样8后，对预浸料初样8依次进行预热处理和定型处理，完成后得到热塑性复合材料。具体的，先采用预热系统9对预浸料初样8进行预热，预热系统9可采用红外辐射预热方式，预热处理时加热温度高于树脂熔点15-25℃；预热完成后再采用φ100-150mm双辊的定型系统10对预热后的预浸料初样8进行定型，完成后得到热塑性复合材料。
实施例3
本实施例公开了一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，包括以下步骤：
(1)向匀速运动的纤维增强体2持续喷射加热加压后的树脂粉末3，树脂粉末3冲击纤维增强体2表面并进入纤维束内部，同时树脂粉末3的部分动能瞬间转换为热能，使树脂粉末3瞬间熔融塑化并浸渍纤维增强体2，浸渍后得到预浸料初样8。
本步骤中，纤维增强体2为连续纤维单向展宽带或织物，为织物时织物克重≤400g/m2。树脂粉末3的粒径80μm，加热温度为低于树脂粉末3熔点的50℃，加压压力为2Mpa，喷射速率为450m/s，喷射距离为30mm。
本步骤中，树脂粉末3的加热加压以及喷射主要通过送粉系统7、输能系统5、喷射系统4和高压气系统6配合完成，其中，送粉系统7可采用粉料失重称，喷射系统4可采用带喷嘴的喷射器，输能系统5可采用带加热室的加热器，高压气系统6可采用压力为0.5-5Mpa的高压气气源；其具体连接结构为：送粉系统7的一端连接于树脂粉末原料装置(图中未示出)，另一连接于输能系统5。输能系统5的一端连接于高压气系统6，另一端连接于喷射系统4。
(2)得到预浸料初样8后，对预浸料初样8依次进行预热处理和定型处理，完成后得到热塑性复合材料。具体的，先采用预热系统9对预浸料初样8进行预热，预热系统9可采用红外辐射预热方式，预热处理时加热温度高于树脂熔点20℃；预热完成后再采用φ100-150mm双辊的定型系统10对预热后的预浸料初样8进行定型，完成后得到热塑性复合材料。
实施例4
在实施例1—3中任一实施例的基础上，本实施例在步骤(1)中对应于喷射区域处设置有用于支撑纤维增强体2的隔离系统，所述隔离系统包括基板13、隔离膜14、膜放卷系统15和膜收卷系统12，其中，膜放卷系统15和膜收卷系统12分别位于基板13两侧，用于使隔离膜14与纤维增强体2以相同的速度同步运动；隔离膜14为聚酰亚胺隔离膜14，位于基板13与纤维增强体2之间，且纤维增强体2、隔离膜14和基板13三者处于贴敷状态。
实施例5
本实施例对实施例1—4所制备产品，采用ASTM D3039进行了拉伸性能测试，其测试性能均能达到如下表所示结果：
性能 测试方法 结果
0°拉伸强度 ASTM D 3039 2200MPa
0°拉伸模量 ASTM D 3039 120GPa
90°拉伸强度 ASTM D 3039 36MPa
90°拉伸模量 ASTM D 3039 9GPa
由上述验证方法及验证结果可知，本发明能够提高热塑性复合材料的浸渍效果，进而能够大幅提高产品性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）向匀速运动的纤维增强体持续喷射加热加压后的树脂粉末，树脂粉末冲击纤维增强体表面并进入纤维束内部，同时树脂粉末的部分动能瞬间转换为热能，使树脂粉末瞬间熔融塑化并浸渍纤维增强体，浸渍后得到预浸料初样；
（2）对预浸料初样依次进行预热处理和定型处理，完成后得到热塑性复合材料；
所述步骤（1）中树脂粉末的粒径≤100μm，加热温度为低于树脂粉末熔点的10-100℃，加压压力为0.5-5Mpa；
所述步骤（1）中树脂粉末的喷射速率为300m/s-600m/s，喷射距离为5-70mm。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：所述步骤（1）中的纤维增强体为连续纤维单向展宽带或织物，为织物时织物克重≤400g/m2。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：所述步骤（1）中通过连接于树脂粉末原料装置的送粉系统进行给料，通过输能系统对送粉系统供给的树脂粉末进行加热和加压, 通过高压气系统使树脂粉末获得动能，通过喷射系统将树脂粉末喷射至纤维增强体。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：所述步骤（1）中在对应于喷射区域处设置有用于支撑纤维增强体的隔离系统，所述隔离系统包括基板、隔离膜、膜放卷系统和膜收卷系统，其中，膜放卷系统和膜收卷系统分别位于基板两侧，用于使隔离膜与纤维增强体同步运动；隔离膜位于基板与纤维增强体之间，且纤维增强体、隔离膜和基板三者处于贴敷状态。
5.根据权利要求4所述的一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：所述隔离膜为聚酰亚胺隔离膜。
6.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：所述步骤（1）中通过纤维放卷系统和产品收卷系统实现纤维增强体的匀速运动。
7.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：所述步骤（2）中预热处理时加热温度高于树脂熔点10-30℃。
8.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料的喷射成型工艺，其特征在于：所述步骤（2）通过预热系统对预浸料初样进行预热，通过定型系统对预热后的预浸料初样进行定型。
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