CN112300534A

CN112300534A - 一种自动铺丝工艺用预浸料及其制备方法

Info

Publication number: CN112300534A
Application number: CN202010962624.7A
Authority: CN
Inventors: 徐畅; 欧秋仁; 陈哲明; 董大为; 王璐
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-09-14
Also published as: CN112300534B

Abstract

本发明提出一种自动铺丝工艺用预浸料及其制备方法，预浸料包括单向增强纤维、浸渍纤维用树脂和表层树脂，采用热熔法工艺制备得到。浸渍纤维用树脂具有低的软化点，双面树脂膜浸渍增强纤维得到的预浸料粘性高、刚性小，具有良好的柔软性，减小预浸料采用自动铺丝工艺铺覆时的拐弯半径，提高预浸料对复杂型面产品的铺层适应性；表层树脂中加入高含量的增韧剂，要求柔软但粘性低、具有一定的刚性，以海岛状复合在预浸料的上下表面，提高预浸料表面与自动铺丝机压辊间的摩擦力。本发明所述的预浸料具有适中的刚性与粘性，满足后续分切工艺和自动铺丝工艺需求，送丝一致性好，生产效率高，可得到力学性能优异的高性能单向纤维复合材料。

Description

一种自动铺丝工艺用预浸料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种自动铺丝工艺用预浸料及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

自动铺丝工艺技术是航空航天领域大型复杂结构复合材料件制备的发展方向，主要特点是可实现复合材料产品的自动化和数字化制造，高速高效，质量稳定可控，在航空航天飞行器、运载火箭和空间结构等产品的结构件制造中所占比重越来越大。预浸料技术是一种将树脂预聚体与纤维或织物在固化成型前预浸复合的工艺方法，易于储存且使用便捷，同时具有良好的表面粘性，便于铺叠成型，纤维准直度高，利于复合材料构件内部应力传递。

复合材料传统的预浸料铺放方式是依靠人工来实现，手工铺放的方式主要依靠人的视觉配合简单的定位手段来实现纤维角度的固定，在保证纤维角度铺放的精确性和一致性方面存在很大的不足，在大尺寸复合材料产品的制造过程中问题尤为突出。适应手工铺层的传统预浸料由于刚性小、粘性大，直接用于自动铺丝工艺时存在预浸料分切易起毛、粘刀，穿丝困难，容易堵塞自动铺丝设备送丝通道等问题。自动铺丝工艺要求预浸料具有常温低粘附性、表面高摩擦特性、铺放工艺温度下高粘附性等性能特点，常规预浸料制备技术较难实现几种性能的兼顾，无法满足自动铺丝工艺性需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种自动铺丝工艺用预浸料及其制备方法。通过多重梯度预浸技术，调整树脂基体和增强纤维的复合温度及压力，实现预浸料截面上树脂体系的梯度分布，可获得预浸料特性的差异性分布；先用粘性大、刚度小、柔软性好的树脂对增强纤维进行充分浸润，然后在浸渍后增强纤维表面复合呈海岛状分布的粘性低、刚度大的树脂层，以此达到对自动铺丝工艺的匹配性。

为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种自动铺丝工艺用预浸料，该预浸料包括单向增强纤维、浸渍纤维用树脂和表层树脂，三者占比如下：

单向增强纤维 50wt％-75wt％；

浸渍纤维用树脂 20wt％-40wt％；

表层树脂 5wt％-10wt％；

其中，表层树脂位于表面，呈海岛状分布；表层树脂中含有增韧剂，增韧剂相对于表层树脂的占比为10wt％-40wt％。

进一步地，单向增强纤维选用碳纤维、玻璃纤维中的一种。

进一步地，浸渍纤维用树脂选用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂中的一种。

进一步地，表层树脂基体选用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂中的一种。

进一步地，增韧剂选用热塑性树脂，包括聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮中的一种或多种。

一种自动铺丝工艺用预浸料制备方法，包括以下步骤：

1)准备单向增强纤维50wt％-75wt％和浸渍纤维用树脂基体20wt％-40wt％、表层树脂基体5wt％-10wt％，表层树脂中含有相对于表层树脂占比10wt％-40wt％的增韧剂；

2)采用热熔法将浸渍纤维用树脂基体通过多道热压辊压实，得到浸渍纤维用树脂膜；

3)采用热熔法在连续单向增强纤维的双面浸渍所述浸渍纤维用树脂膜，复合得到浸渍预浸料；

4)采用热熔法将表层树脂基体通过多道热压辊压实，得到表层树脂膜；

5)采用热熔法将表层树脂膜复合到浸渍预浸料的上下表面，得到上下表面各覆盖一层海岛状分布表层树脂的预浸料。

进一步地，步骤2)至4)中通过三道热压辊压实。

进一步地，步骤5)中选用表面粗糙且具有凹凸状结构的热压辊，将表层树脂膜与浸渍预浸料进行三道热压辊压实复合，得到上下表面各覆盖一层海岛状分布表层树脂的预浸料。

进一步地，步骤3)中通过调节温度，使浸渍纤维用树脂膜的粘度控制在15000-30000mPa·s之间。

进一步地，步骤5)中通过调节温度，使表层树脂膜的粘度不超过10000mPa·s。

本发明使用热熔法实现双面树脂膜对单向增强纤维的浸渍，得到粘性高、柔软性好的浸渍预浸料；然后在浸渍预浸料的上下表面采用热熔法复合一层粘性低、有一定刚性的树脂膜，得到最终的预浸料；将该预浸料分切后得到适用于自动铺丝工艺的预浸料丝束。

本发明通过对单向增强纤维进行双面树脂膜以及表面复合海岛状分布树脂膜的工艺设计，制备得到刚性与粘性适中的预浸料。双面树脂膜浸渍增强纤维减小预浸料采用自动铺丝工艺铺覆时的拐弯半径，提高预浸料对复杂型面产品的铺层适应性；表层树脂中加入高含量的增韧剂，以海岛状复合在预浸料的上下表面，提高预浸料表面与自动铺丝机压辊间的摩擦力；可得到力学性能优异的高性能单向纤维复合材料。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明的预浸料加入的表层树脂中含有10wt％-40wt％的增韧剂，很好地平衡了预浸料的刚性与粘性(增韧剂含量过低会导致粘度太大，含量过高会导致刚性太大)，克服了传统预浸料刚性小、粘性大的缺点，并解决了传统预浸料直接用于自动铺丝工艺时存在穿丝困难、容易堵塞自动铺丝设备送丝通道的问题。

(2)本发明的预浸料具有海岛状表面，提高了预浸料与自动铺丝机送丝压辊之间的摩擦力，在自动铺放过程中纤维的平直性和一致性比手工铺层好，解决了传统预浸料由于表面光滑，送丝过程中送丝压辊容易打滑的问题。

(3)本发明的预浸料表面是一层高增韧剂含量的树脂薄膜，在提高自动铺放过程中预浸料排气性的同时对复合材料进行层间增韧，使复合材料具有优异的综合力学性能。

(4)本发明的预浸料由于具备浸渍纤维用树脂和表层树脂双层结构，表层树脂中增韧剂的刚性调节，以及海岛状表面，能够适用于自动铺丝工艺，自动铺丝机的铺层效率是手工铺层的5倍以上，极大地提高了铺层效率，有利于降低复合材料的制造成本。

附图说明

图1为本发明提出的一种预浸料横截面示意图；

图2为本发明提出的一种预浸料表面组成示意图；

图3为本发明提出的一种制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案能更明显易懂，特举实施例并结合附图详细说明如下。

本发明提供一种预浸料，用于自动铺丝工艺，结构如图1和2所示。该预浸料由单向增强纤维、浸渍纤维用树脂和表层树脂组成，采用热熔法双面树脂膜浸渍连续增强纤维和海岛状树脂膜复合而成，表层树脂膜位于浸渍增强纤维的上下表面。

本发明采用的纤维为连续单向纤维，对纤维种类没有特殊限制，根据复合材料性能选择合适种类，可以是玻璃纤维、碳纤维等的一种。

本发明对浸渍纤维用树脂的种类没有特殊限制，根据复合材料性能选择合适种类，可以为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂或氰酸酯树脂等的一种。

本发明对表层树脂的种类没有特殊限制，树脂基体可以为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂等的一种；表层树脂中加入增韧剂，增韧剂选用热塑性树脂，可以为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮中的一种或多种，添加量为表层树脂基体的10wt％-40wt％，优选比例为25wt％-30wt％。

单向增强纤维的质量占比为50wt％-75wt％，浸渍纤维用树脂的质量占比为20wt％-40wt％，表层树脂的质量占比为5wt％-10wt％。优选地，单向增强纤维的质量占比为65wt％-70wt％，浸渍纤维用树脂的质量占比为25wt％-27wt％，表层树脂的质量占比为5wt％-8wt％。

本发明的浸渍纤维用树脂基体和表层树脂基体包括固化剂和其他必备的助剂等，固化剂和助剂含量根据实际需要调整。

本发明还提供一种预浸料制备方法，工艺流程如图3所示，具体通过以下步骤实现：

1、准备预浸料用浸渍纤维用树脂基体、表层树脂基体和单向增强纤维；

根据生产需要，确定这两种树脂基体种类、含量及纤维种类、含量、形式，这两种树脂基体包括树脂单体、固化剂、各类助剂，搅拌均匀脱泡得到预浸料用树脂基体，纤维经过常规表面处理后备用。

2、制备浸渍纤维用树脂膜。

选择合适温度和压力制备能满足热熔法制备预浸料的树脂膜，具体工艺为本领域公知技术，本领域技术可根据树脂种类等确定合适的工艺。优选地，树脂膜面密度根据实际需要设定，偏差应控制在±10％以内。

3、双面树脂膜浸渍增强纤维。

本步骤中，优选预浸料复合温度保证树脂基体在该温度下的粘度为15000-30000mPa·s，优选复合压力保证预浸料满足100％的浸润度要求。本发明热熔法制备预浸料采用现有预浸料生产设备进行复合，其他工艺可以根据实际情况调整。

4、制备表层树脂膜。

向树脂基体中加入增韧剂，得到高增韧剂含量的表层树脂基体。选择合适温度和压力制备能满足热熔法制备预浸料的树脂膜，具体工艺为本领域公知技术，本领域技术可根据树脂种类等确定合适的工艺。优选地，树脂膜面密度根据实际需要设定，偏差应控制在±10％以内。

5、表层树脂膜与步骤3的预浸料复合。

本步骤中，优选预浸料复合温度保证树脂基体在该温度下的粘度不超过10000mPa·s，使树脂在压辊作用下向内尽可能渗透浸渍。本发明热熔法制备预浸料采用表面不光滑、呈凹凸状分布的热压辊增大摩擦力，将表层树脂膜与浸渍纤维进行三道热压辊压实复合，得到表面覆盖一层海岛状分布树脂的预浸料，形成如图2所示的微观结构。

以下通过三组实施例来实施本发明提出的方法制备本发明提出的预浸料。

实施例1

预浸料的组成如下：

T700连续单向碳纤维 65wt％-68wt％；

中温固化环氧树脂 25wt％-26wt％；

聚醚酮增韧环氧树脂 7wt％-8wt％，其中增韧剂占比为28wt％-30wt％。

制备方法的步骤如下：

1、准备预浸料用中温固化环氧树脂基体、聚醚酮增韧环氧树脂基体和T700连续单向碳纤维。

2、制备浸渍纤维用树脂膜，选择合适温度和辊间压力，将中温固化环氧树脂膜的面密度控制在60±5g/m²。

3、将步骤2中的树脂膜对T700连续单向碳纤维进行双面浸渍，采用表面光滑的热压辊，选择复合温度85℃，树脂粘度25000mPa·s。

4、制备表层树脂膜，选择合适温度和辊间压力，将聚醚酮增韧环氧树脂膜的面密度控制在10±1g/m²。

5、将步骤3的浸渍T700连续单向碳纤维双面复合步骤4的树脂膜，采用表面不光滑、呈凹凸状分布的热压辊，选择复合温度75℃，树脂粘度9000mPa·s。

上述预浸料制备的复合材料拉伸性能和孔隙率如表1所示。

实施例2

预浸料的组成如下：

T700连续单向碳纤维 50wt％-52wt％；

高温固化环氧树脂 39wt％-40wt％；

聚醚酮增韧环氧树脂 9wt％-10wt％，其中增韧剂占比为10wt％-13wt％。

制备方法的步骤如下：

浸渍纤维用树脂膜的复合温度80℃，树脂粘度30000mPa·s；表层树脂膜的复合温度100℃，树脂粘度8000mPa·s；其他工艺条件与实施例1相同。

上述预浸料制备的复合材料拉伸性能和孔隙率如表1所示。

实施例3

预浸料的组成如下：

T700连续单向碳纤维 72wt％-75wt％；

双马来酰亚胺树脂 20wt％-22wt％；

聚砜增韧树脂 5wt％-6wt％，其中增韧剂占比为39wt％-40wt％。

制备方法的步骤如下：

浸渍纤维用树脂膜的复合温度90℃，树脂粘度15000mPa·s；表层树脂膜的复合温度95℃，树脂粘度10000mPa·s；其他工艺条件与实施例1相同。

上述预浸料制备的复合材料拉伸性能和孔隙率如表1所示。

以下两组对比例采用传统的制备方法来制备现有的预浸料。

对比例1

预浸料的组成如下：

T700连续单向碳纤维 68wt％-70wt％；

中温固化环氧树脂 30wt％-32wt％。

制备方法步骤为：表层树脂和浸渍纤维用树脂基体都选用中温固化环氧树脂，表层树脂中不加增韧剂。浸渍纤维用树脂膜的复合温度90℃，树脂粘度28000mPa·s；表层树脂膜的复合温度85℃，树脂粘度10000mPa·s；其他制备条件与实施例1相同。

上述预浸料制备的复合材料拉伸性能和孔隙率如表1所示。

对比例2

预浸料的组成如下：

T700连续单向碳纤维 45wt％-50wt％；

中温固化环氧树脂 5wt％-10wt％；

聚醚酮增韧环氧树脂 40wt％-45wt％，其中增韧剂聚醚酮占比为28wt％-30wt％。

制备方法的步骤为：浸渍纤维用树脂膜的复合温度75℃，树脂粘度25000mPa·s；表层树脂膜的复合温度80℃，树脂粘度9000mPa·s；其他制备条件与实施例1相同。

上述预浸料制备的复合材料拉伸性能和孔隙率如表1所示。

表1

从表1中可以看出，两组对比例的增强纤维和树脂基体用量都超出了本发明限定的比例，制备出的预浸料所进一步得到的复合材料拉伸性能明显下降，孔隙率大幅度上升，复合材料的内部质量明显变差；而本发明的预浸料由于恰当的基体比例和增韧剂比例，使得拉伸强度更高，拉伸模量更大，孔隙率更小，性能优异。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，本发明的保护范围以权利要求所述为准。

Claims

1.一种自动铺丝工艺用预浸料，其特征在于，包括单向增强纤维、浸渍纤维用树脂和表层树脂，三者占比如下：

单向增强纤维 50wt％-75wt％；

浸渍纤维用树脂 20wt％-40wt％；

表层树脂 5wt％-10wt％；

2.如权利要求1所述的自动铺丝工艺用预浸料，其特征在于，单向增强纤维选用碳纤维、玻璃纤维中的一种。

3.如权利要求1所述的自动铺丝工艺用预浸料，其特征在于，浸渍纤维用树脂选用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂中的一种。

4.如权利要求1所述的自动铺丝工艺用预浸料，其特征在于，表层树脂基体选用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、氰酸酯树脂中的一种。

5.如权利要求1所述的自动铺丝工艺用预浸料，其特征在于，增韧剂选用热塑性树脂，包括聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚醚醚酮中的一种或多种。

6.一种自动铺丝工艺用预浸料制备方法，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2)至4)中通过三道热压辊压实。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中选用表面粗糙且具有凹凸状结构的热压辊，将表层树脂膜与浸渍预浸料进行三道热压辊压实复合，得到上下表面各覆盖一层海岛状分布表层树脂的预浸料。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3)中通过调节温度，使浸渍纤维用树脂膜的粘度控制在15000-30000mPa·s之间。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤5)中通过调节温度，使表层树脂膜的粘度不超过10000mPa·s。