CN111923441B - 一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法，包括1：制备预浸料并对预浸料进行铺贴压实；2：采用模压‑真空袋法对裁剪后的预浸料进行固化成型；3：对预进料进行测试分析；步骤4：判断预浸料的工艺参数是否满足要求，如果是，则采用热压罐成型方法制备聚酰亚胺树脂基复合材料，如果否，重新调整预浸料的工艺参数，重复步骤2‑4，本发明解决了聚酰亚胺树脂基复合材料高温固化后孔隙率大及高温力学性能保留率低、聚酰亚胺树脂基复合材料热压罐成型成本高难模拟的问题。

Description

一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法
技术领域
本发明属于耐高温树脂基复合材料的制备领域，具体涉及一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法。
背景技术
热固性聚酰亚胺树脂在-269-400℃的温度范围内能保持较高的物理机械性能，还具有优异的耐候性、电绝缘性、耐磨性、抗高温辐射性能，合成途径较多，并可用多种方法加工成型，所以在航空、航天、电器、机械、化工、微电子、仪表、石油化工、计量等高技术领域有广泛应用，并已成为全球火箭、宇航等尖端科技领域不可缺少的材料之一。热固性聚酰亚胺虽然具有以上优异的综合性能，但由于其分子结构的特殊性(链中多是芳香环重复结构)和高温下的低流动性使其在成型工艺上有非常高的技术要求，成型压力大、成型温度高、成型时间长。当前常用的成型工艺，主要分为3类：热模压成型法，热压罐成型法以及冷压烧结成型法等，除短纤维模压件采用普通热模压成型工艺外，其它各种构件：层压平板、各种类型加强版、大型结构部件(如机身、抓盒、方向舵、升降舵、垂尾、平尾等)均采用热压罐/真空袋成型工艺。
聚酰亚胺树脂在反应过程中需要经过溶剂挥发、酰胺化、亚胺化、交联固化等多个阶段，整个工艺过程比较复杂。其中，前3步为预处理阶段，主要是单体之间的相互反应并伴随有大量的气体产生，同时树脂粘度从极低的几十厘泊变化到几十万厘泊，然后经过高温高压发生交联固化反应，树脂成型工艺十分复杂。最后一步交联固化，依然有约2％～4％的挥发份产生。正是由于聚酰亚胺树脂本身组分较多、反应复杂，且每一步反应都有小分子逸出，因此，将树脂配置过程中和预处理过程中的小分子气体及时完全地排出，是影响制件有无缺陷的关键工艺，否则气体包埋在制件内部，就会导致零件产生气孔缺陷，从而影响复合材料的力学性能。另外，构件采用的聚酰亚胺树脂溶液本身体系稳定性较差，温度、湿度等外在环境因素的波动，对于构件内部质量均会有所影响。同时，热压罐成型聚酰亚胺基碳纤维复合材料由于制备工艺较为复杂，并且对设备要求高、影响因素多，容易造成制件缺陷发生概率较大，质量不稳定，合格率偏低。特别是使用温度越高的聚酰亚胺树脂，这种情况越严重。
本发明的技术方案
发明解决的技术问题：
聚酰亚胺树脂基复合材料高温固化后孔隙率大(＞2％)的问题。
聚酰亚胺树脂基复合材料热压罐成型成本高难模拟的问题。
聚酰亚胺树脂基复合材料高温力学性能保留率低的问题。
本发明的技术方案：
一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备预浸料并对预浸料进行铺贴压实；
步骤2：采用模压-真空袋法对裁剪后的预浸料进行固化成型；
步骤3：对固化成型后的预进料进行测试分析；
步骤4：根据步骤3的测试结果，判断预浸料的工艺参数是否满足要求，如果是，则采用热压罐成型方法制备聚酰亚胺树脂基复合材料，如果否，重新调整预浸料的工艺参数，重复步骤2-4。
进一步的，步骤1所述的制备预浸料具体是：将质量分数为40％聚酰胺酸溶液按照刷至碳纤维织物上制备成一定含胶量的预浸料，并将预浸料室温放置至溶剂部分挥发。
进一步的，预浸料的含胶量质量分数为42％±3％。
进一步的，碳纤维织物为T700、T300、T800碳纤维织物。
进一步的，将预浸料室温放置至溶剂挥发后，预浸料的挥发份含量不超过3％。
进一步的，步骤1所述的对预浸料进行铺贴压实，具体为：将预浸料进行剪裁成若干块，将若干裁剪后的预浸料从下至上铺贴，每铺贴5-8层进行一次热压实。
进一步的，步骤2的具体过程为：用丙酮将模压模具擦拭干净，并用脱模剂擦拭模压模具，使模压模具内表面附着一层脱模剂薄膜，将步骤1所得预浸料上下表面依次铺放多种辅助材料并密封，形成真空组合系统，放置在模压模具上，开始按照一定温度梯度升温并加压，热压后自然冷却至室温。
进一步的，所述的辅助材料为Thermalimide P3耐高温隔离膜、6-8层EW-210无碱玻璃布及POLYMIDE真空袋膜。
进一步的，所述的温度梯度为：(160℃-180℃)/2h+(260℃-280℃)/2h+(310℃-330℃)/2h+(360℃-380℃)/2h。
进一步的，加压过程为：先在280℃恒温1h时，加压1MPa，在310℃-330℃恒温0.5h时，将压力从1MPa增加至2MPa。
本发明的有益效果：
本发明解决了聚酰亚胺树脂基复合材料高温固化后孔隙率大(＞2％)及高温力学性能保留率低的问题；解决了聚酰亚胺树脂基复合材料热压罐成型成本高难模拟的问题，本发明所制备聚酰亚胺树脂基复合材料室温弯曲强度在500MPa～550MPa之间，高温弯曲强度在400MPa～450MPa之间，高温力学性能保留率≥80％，孔隙率＜2％，可用于制备飞机机尾罩及后体边条等耐高温结构件。
具体实施方式
现有的制备方法由于聚酰亚胺树脂本身组分较多、反应复杂，每一步反应都有小分子逸出，在树脂配置过程中和预处理过程中的小分子气体不能及时完全地排出，气体包埋在制件内部，导致零件产生气孔缺陷，从而影响复合材料的力学性能；另外，现有的热压罐成型工艺针对不同聚酰亚胺树脂体系进行工艺摸索所需时间长，效率低，成本高。本发明所要解决的技术问题是，提供一种低成本、高效率的模压-真空袋结合的方法模拟热压罐成型工艺，并在固化过程中采用分步亚胺化及阶梯式加压制备在350℃具有优异力学性能保留率的聚酰亚胺树脂基复合材料的方法。
实施例1
将质量分数为40％聚酰胺酸溶液刷至T700碳纤维织物上制备成含胶量42％的预浸料，室温晾置24h，将预浸料剪裁为尺寸为140x70mm的小块，然后进行预浸料铺贴，共铺贴20层，每铺贴5层进行一次热压实。
用丙酮将模压模具内表面擦拭干净，并用脱模剂擦拭模具内表面，使模具内表面附着一层脱模剂薄膜，然后在压实后的预浸料表面依次铺放一层Thermalimide P3耐高温隔离膜和6-8层EW-210无碱玻璃布，保证表面平整贴合，最后用POLYMIDE真空袋膜和耐高温胶条密封，放置在模压模具中，开启压机开始进行升温及加压，固化制度为160℃/2h+280℃/2h+310℃/2h+380℃/2h，280℃恒温1h时加压1MPa，310℃恒温0.5h时压力由1MPa增加至2MPa。最后冷却至室温固化结束。
测试复合材料常温及高温(350℃)弯曲强度和弯曲模量；采用扫描电子扫描显微镜(SEM)观察复合材料表面形态及破坏后截面形态。
采用热压罐成型方法制备该聚酰亚胺树脂基复合材料，固化制度为160℃/2h+280℃/2h+310℃/2h+380℃/2h，280℃恒温1h时加压1MPa，310℃恒温0.5h时压力由1MPa增加至2MPa。最后冷却至室温固化结束。制备的复合材料350℃弯曲强度为450MPa，350℃弯曲模量为37GPa.
实施例2
将质量分数为40％聚酰胺酸溶液刷至T700碳纤维织物上制备成含胶量41％的预浸料，室温晾置24h，将预浸料剪裁为尺寸为140x70mm的小块，然后进行预浸料铺贴，共铺贴20层，每铺贴5层进行一次热压实。
用丙酮将模压模具内表面擦拭干净，并用脱模剂擦拭模具内表面，使模具内表面附着一层脱模剂薄膜，然后在压实后的预浸料表面依次铺放一层Thermalimide P3耐高温隔离膜和6-8层EW-210无碱玻璃布，保证表面平整贴合，最后用POLYMIDE真空袋膜和耐高温胶条密封，放置在模压模具中，开启压机开始进行升温及加压，固化制度为180℃/2h+280℃/2h+330℃/2h+380℃/2h，280℃恒温1h时加压1MPa，330℃恒温0.5h时压力由1MPa增加至2MPa。最后冷却至室温固化结束。
测试复合材料常温及高温(350℃)弯曲强度和弯曲模量；采用扫描电子扫描显微镜(SEM)观察复合材料表面形态及破坏后截面形态。
采用热压罐成型方法制备该聚酰亚胺树脂基复合材料，固化制度为180℃/2h+280℃/2h+330℃/2h+380℃/2h，280℃恒温1h时加压1MPa，330℃恒温0.5h时压力由1MPa增加至2MPa。最后冷却至室温固化结束。制备的复合材料350℃弯曲强度为480MPa，350℃弯曲模量为38GPa。
从上述实施例可以看出，本发明提出耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法，针对现有的制备方法由于聚酰亚胺树脂本身组分较多、反应复杂，每一步反应都有小分子逸出，在树脂配置过程中和预处理过程中的小分子气体不能及时完全地排出，气体包埋在制件内部，导致零件产生气孔缺陷，从而影响复合材料的力学性能；另外，现有的热压罐成型工艺针对不同聚酰亚胺树脂体系进行工艺摸索所需时间长，效率低，成本高的问题。

Claims (3)

1.一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：制备预浸料并对预浸料进行铺贴压实；具体是：将质量分数为40%聚酰胺酸溶液按照刷至碳纤维织物上制备成一定含胶量的预浸料，并将预浸料室温放置至溶剂部分挥发，预浸料的含胶量质量分数为42%±3%，所述的将预浸料室温放置至溶剂挥发后，预浸料的挥发份含量不超过3%；将预浸料进行剪裁成若干块，将若干裁剪后的预浸料从下至上铺贴，每铺贴5-8层进行一次热压实；
步骤2：采用模压-真空袋法对裁剪后的预浸料进行固化成型；具体过程为：用丙酮将模压模具擦拭干净，并用脱模剂擦拭模压模具，使模压模具内表面附着一层脱模剂薄膜，将步骤1所得预浸料上下表面依次铺放多种辅助材料并密封，形成真空组合系统，放置在模压模具上，开始按照一定温度梯度升温并加压，热压后自然冷却至室温，温度梯度为：（160℃-180℃）/2h+（260℃-280℃）/2h+（310℃-330℃）/2h+（360℃-380℃）/2h；加压过程为：先在280℃恒温1h时，加压1MPa，在310℃-330℃恒温0.5h时，将压力从1MPa增加至2MPa；
步骤3：对固化成型后的预浸料 进行测试分析；
步骤4：根据步骤3的测试结果，判断预浸料的工艺参数是否满足要求，如果是，则采用热压罐成型方法制备聚酰亚胺树脂基复合材料，如果否，重新调整预浸料的工艺参数，重复步骤2-4。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法，其特征在于：所述的碳纤维织物为T700、T300、T800碳纤维织物。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温聚酰亚胺树脂基复合材料制备方法，其特征在于：所述的辅助材料为Thermalimide P3耐高温隔离膜、6-8层EW-210无碱玻璃布及POLYMIDE真空袋膜。
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