CN114085404B

CN114085404B - 一种高模热熔预浸料及其制备方法

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Publication number: CN114085404B
Application number: CN202111491095.8A
Authority: CN
Inventors: 于水鑫; 张永刚; 李莹莹; 金璐; 王大程; 王飘飘
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2023-09-01
Anticipated expiration: 2041-12-08
Also published as: CN114085404A

Abstract

本发明公开了一种高模热熔预浸料的制备方法，包括以下步骤：(1)利用涂膜工艺将热熔树脂基体制成上下胶膜；(2)控制高模纤维穿纱、展纱过程，使其充分展开、铺平；(3)将上下胶膜分别贴附在高模纤维层两侧面，热压含浸得到高模热熔预浸料。本发明方法主要通过控制展纱过程中的退丝张力，减少了纤维模量、强度损失并提高了预浸料制备的工艺性，且具有低成本、工艺简单、设备要求低、易于操作等优点，适用于各种型号高模碳纤维与适配的热固性树脂，适合大批量推广使用，且制备得到的高模热熔预浸料平整性及质量稳定性好。本发明方法在高性能复合材料制造技术领域有很好的应用价值和经济效益。

Description

一种高模热熔预浸料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高性能纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种高模热熔预浸料及其制备方法。

背景技术

随着国家对轻量化的需求日益增强，新一代航空航天飞行器大量采用纤维增强树脂基复合材料作为承力结构，如临近空间飞行器与人造卫星使用的复合材料一般需要很低的变形量也就是需要高刚度的复合材料，这就要求高模预浸料的制备技术要满足高模纤维复合材料设计要求。预浸料用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是一种半成品材料。

碳纤维是指碳纤维含量在90％以上的无机材料纤维，具有密度小、质轻、高强高模、耐高温、耐磨损等优异性能，一般而言，为运输和使用方便，生产加工得到的碳纤维需被卷成筒状，在使用时，筒状碳纤维经过退丝、展纱等过程即可使用。

公开号为CN104974417A的中国专利文献公开了一种热塑性碳纤维预浸料，包括由多根碳纤维单纱构成的碳纤维束和含浸于所述碳纤维束的热塑性基体树脂，所述热塑性基体树脂为聚丙烯树脂。

公开号为CN105038142B的中国专利文献公开了一种酚醛环氧树脂热熔预浸料制备方法，包括：(1)以液体环氧树脂、固化剂、促进剂和酚醛环氧树脂为原料制得混合树脂；(2)将混合树脂涂布成厚度均匀的胶膜；(3)上下各放置一层胶膜、中间放置玻璃布，含浸、热压后制得预浸料；该预浸料中包括混合树脂和玻璃布层，混合树脂浸渍于玻璃布层，具有良好的力学性能和隔热性能。

公开号为CN113199666A的中国专利文献公开了一种半含浸预浸料制备方法：对第一胶膜进行低克重涂胶；对第二胶膜进行高克重涂胶；将涂胶后的第一胶膜和第二胶膜贴附在纤维层两侧面，并进行热压成型；贴附导气层于热压后的第一胶膜上，形成了上部微浸润层、中部干纱层和底部浸润层的结构，且微浸润层具有透气性；该制备方法能够保留半含浸预浸料固化时的透气连贯性，又提高铺放过程中产品稳定性，防止纱线的滑移、扭曲、分散现象。

现有制备高模热熔预浸料的设备主要为高强预浸料制备设备，在制备高模纤维预浸料过程中容易产生大量毛丝、断丝，从而导致预浸料出现缝隙与毛团等表观质量不达标的现象，且力学性能同样有所损失。

发明内容

本发明提供了一种高模热熔预浸料的制备方法，减少了高模纤维在制备预浸料过程中强度、模量的损失，且工艺性良好、成本低、工艺简单、设备要求低、易于操作、质量稳定性好，制备得到的高模热熔预浸料性能优异。

具体采用的技术方案如下：

一种高模热熔预浸料的制备方法，包括以下步骤：

(1)胶膜制备：利用涂膜工艺将热熔树脂基体制成上下胶膜，所述的胶膜的面密度为10～150g/m²；

(2)高模纤维穿纱、展纱：将高模纤维经穿纱、展纱充分展开、铺平；首先，穿纱过程控制高模纤维走丝角度以减少摩擦，使高模纤维不出现毛团和断丝现象；其次，展纱过程使高模纤维依次穿过若干组展纱梳和展纱辊组，每组展纱梳和展纱辊组中，展纱梳设置在前，展纱辊组设置在后，展纱辊组的展纱力大于展纱梳的展纱力；此外，展纱过程控制退丝张力为0～4N，限定幅宽为150～300mm；

(3)热压复合含浸：将上下胶膜分别贴附在高模纤维层两侧面，热压含浸得到高模热熔预浸料。

本发明采用涂膜工艺制备上下胶膜，控制胶膜面密度，在穿纱、展纱过程中尽量减少摩擦，防止纤维毛丝、断丝的产生，且在高模纤维通过容易产生毛丝的展纱梳之后加大展纱力，可以最大程度保证纤维的展开，再通过退丝张力的控制及热压含浸参数的控制，减少高模纤维强度、模量的损失，制备得到高模热熔预浸料。

优选的，所述的热熔树脂基体包括环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂和双马树脂中的至少一种。

优选的，所述的高模纤维模量高于350GPa，包括高模碳纤维。

进一步优选的，所述的高模纤维选自M40J碳纤维、M40X碳纤维、M46J碳纤维、M50J碳纤维、M55J碳纤维或沥青基碳纤维等。

涂膜参数与胶膜面密度息息相关，优选的，步骤(1)中，所述的涂膜参数为：涂膜温度50～200℃，涂膜速度5～15m/min。

优选的，步骤(2)中，控制展纱温度为50～70℃。

优选的，步骤(3)中，热压含浸过程中，压辊≥3组，压辊中上下压辊间隙沿热压含浸方向逐渐减小，在0.1～0.8mm范围内；压辊的温度沿热压含浸方向呈先上升后下降的趋势，在50～200℃范围内；含浸速度为1～10m/min。

含浸压辊≥3组可以使热熔树脂充分浸润高模纤维，避免出现干纱；沿热压含浸方向，压辊中上下压辊间隙逐渐减小，压辊的温度呈先上升后下降的趋势可以使热熔树脂逐步达到浸润纤维的最佳状态，单一的压辊温度和间隙设置会导致热熔树脂不能充分浸润纤维；含浸过程的参数控制不仅与制得的预浸料表观质量相关，更与预浸料进一步制得的复合材料力学性能有直接的关系，含浸效果不好，会导致复合材料力学性能的下降。

本发明还提供了所述的高模热熔预浸料的制备方法制得的高模热熔预浸料。

所述的高模热熔预浸料包括热熔树脂基体和高模纤维，其中，热熔树脂基体含量为20％～45％，高模纤维面密度为50～200g/m²。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明方法在穿纱、展纱过程中尽量减少摩擦，防止纤维毛丝、断丝的产生，且在高模纤维通过容易产生毛丝的展纱梳之后加大展纱力，可以最大程度保证纤维的展开，并控制展纱过程中的退丝张力、限定幅宽及含浸过程，减少了纤维模量、强度损失并提高了预浸料制备的工艺性，制备得到性能优异的高模热熔预浸料。

(2)本发明方法适用于常见的热熔预浸料生产设备，能够显著提高生产速度且节约能源，具有低成本、工艺简单、设备要求低、易于操作等优点，适用于各种型号高模碳纤维与适配的热固性树脂，适合大批量推广使用，且制备得到的高模热熔预浸料平整性及质量稳定性好，本发明方法在高性能复合材料制造技术领域有很好的应用价值和经济效益。

附图说明

图1为展纱过程示意图。

图2为实施例2制得的高模热熔预浸料的表观图片。

图3为热压复合含浸过程示意图。

图中：1高模纤维；2展纱梳；3展纱辊组；40上胶膜；41下胶膜；50第一上压辊；51第一下压辊；52第二上压辊；53第二下压辊；54第三上压辊；55第三下压辊；56第四上压辊；57第四下压辊；58第五上压辊；59第五下压辊；6热压板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。

实施例1

本实施例中，热熔树脂基体选自环氧树脂，高模纤维选自M40X碳纤维，模量高于380GPa。

(1)胶膜制备：利用涂膜工艺将环氧树脂制成上下胶膜，涂膜参数为：涂膜温度60～80℃，涂膜速度5～15m/min，得到面密度为18～22g/m²的胶膜。

(2)高模纤维穿纱、展纱：将M40X碳纤维经穿纱、展纱充分展开、铺平；首先，穿纱过程控制M40X碳纤维走丝角度(最外侧高模纤维与纱架中轴线角度≤60°，角度靠纱架摆放位置与纤维挂纱位置调整)，减少其与设备部件的摩擦，使M40X碳纤维在穿纱过程中不出现毛团和断丝现象；其次，如图1所示，使高模纤维1(M40X碳纤维)依次穿过若干组展纱梳2和展纱辊组3，每组展纱梳和展纱辊组中，展纱梳2设置在前，展纱辊组3设置在后，展纱辊组的展纱力大于展纱梳的展纱力，以最大程度保证纤维的展开；控制退丝张力在3N，展纱温度为60±5℃，限定幅宽300mm。

(3)热压复合含浸：将上胶膜40和下胶膜41分别贴附在展开铺平后的高模纤维1(M40X碳纤维)两侧面，热压含浸得到高模热熔预浸料，热压含浸过程如图3所示，压辊为5组，沿热压含浸方向，5组压辊中上下压辊间隙逐渐减小，第一上压辊50和第一下压辊51的间隙为0.28±0.02mm、第二上压辊52和第二下压辊53的间隙为0.26±0.02mm、第三上压辊54和第三下压辊55的间隙为0.24±0.02mm、第四上压辊56和第四下压辊57的间隙为0.2±0.02mm、第五上压辊58和第五下压辊59的间隙为0.18±0.02mm；且沿热压含浸方向，5组压辊的温度呈先上升后下降的趋势，依次设置为75±5℃、80±5℃、80±5℃、75±5℃、70±5℃，热压板6的温度与其左侧压辊组的温度相同，含浸速度为1～10m/min，具体含浸速度根据预浸料表观质量状态调整。

本实施例制得的高模热熔预浸料中，环氧树脂含量为34±3％，M40X碳纤维面密度为78±3g/m²。测试得到，该高模热熔预浸料的0°拉伸模量高于200GPa。

实施例2

本实施例中，热熔树脂基体选自环氧树脂，高模纤维选自M55J碳纤维，模量高于540GPa。

(1)胶膜制备：利用涂膜工艺将环氧树脂制成上下胶膜，涂膜参数为：涂膜温度60～80℃，涂膜速度5～15m/min，得到面密度为23～29g/m²的胶膜。

(2)高模纤维穿纱、展纱：将M55J碳纤维经穿纱、展纱充分展开、铺平，首先，穿纱过程控制M55J碳纤维走丝角度(最外侧高模纤维与纱架中轴线角度≤45°，角度靠纱架摆放位置与纤维挂纱位置调整)，减少其与设备部件的摩擦，使M55J碳纤维在穿纱过程中不出现毛团和断丝现象；其次，使M55J碳纤维依次穿过若干组展纱梳和展纱辊组，每组展纱梳和展纱辊组中，展纱梳设置在前，展纱辊组设置在后，展纱辊组的展纱力大于展纱梳的展纱力，展纱温度为60±5℃，控制退丝张力在2N，调整展纱辊组的展纱力使限定幅宽达到300mm。

(3)热压复合含浸：将上下胶膜分别贴附在M55J碳纤维层两侧面，热压含浸得到高模热熔预浸料，热压含浸过程中，压辊为5组，沿热压含浸方向，5组压辊中上下压辊间隙依次设置为0.28±0.02mm、0.26±0.02mm、0.24±0.02mm、0.22±0.02mm、0.22±0.02mm；且沿热压含浸方向，5组压辊的温度呈先上升后下降的趋势，依次设置为75±5℃、80±5℃、80±5℃、75±5℃、70±5℃，含浸速度为1～5m/min，具体含浸速度根据预浸料表观质量状态调整。

本实施例制得的高模热熔预浸料的表观图片如图2所示，平整性及质量稳定性好，其中，环氧树脂含量为34±3％，M55J碳纤维面密度为100±5g/m²。测试得到，该高模热熔预浸料的0°拉伸模量高于250GPa。

实施例3

本实施例中，热熔树脂基体选自氰酸酯树脂，高模纤维选自M55J碳纤维，模量高于540GPa。

(1)胶膜制备：利用涂膜工艺将氰酸酯树脂制成上下胶膜，涂膜参数为：涂膜温度50～70℃，涂膜速度5～15m/min，得到面密度为38～42g/m²的胶膜。

(2)高模纤维穿纱、展纱：将M55J碳纤维经穿纱、展纱充分展开、铺平，首先，穿纱过程控制M55J碳纤维走丝角度(最外侧高模纤维与纱架中轴线角度≤45°，角度靠纱架摆放位置与纤维挂纱位置调整)，减少其与设备部件的摩擦，使M55J碳纤维在穿纱过程中不出现毛团和断丝现象；其次，使M55J碳纤维依次穿过若干组展纱梳和展纱辊组，每组展纱梳和展纱辊组中，展纱梳设置在前，展纱辊组设置在后，展纱辊组的展纱力大于展纱梳的展纱力，展纱温度为60±5℃，控制退丝张力在0N，调整展纱辊组的展纱力使限定幅宽达到300mm。

(3)热压复合含浸：将上下胶膜分别贴附在M55J碳纤维层两侧面，热压含浸得到高模热熔预浸料，热压含浸过程中，压辊为5组，沿热压含浸方向，5组压辊中上下压辊间隙依次设置为0.28±0.02mm、0.26±0.02mm、0.24±0.02mm、0.22±0.02mm、0.22±0.02mm；且沿热压含浸方向，5组压辊的温度呈先上升后下降的趋势，依次设置为65±5℃、70±5℃、75±5℃、73±5℃、70±5℃，含浸速度为1～2m/min，具体含浸速度根据预浸料表观质量状态调整。

本实施例制得的高模热熔预浸料中，氰酸酯树脂含量为36±2％，M55J碳纤维面密度为143±3g/m²。测试得到，该高模热熔预浸料的0°拉伸模量高于300GPa。

实施例4

本实施例中，热熔树脂基体选自环氧树脂，高模纤维选自沥青基碳纤维，模量高于600GPa。

(1)胶膜制备：利用涂膜工艺将环氧树脂制成上下胶膜，涂膜参数为：涂膜温度60～70℃，涂膜速度3～10m/min，得到面密度为18～20g/m²的胶膜。

(2)高模纤维穿纱、展纱：将沥青基碳纤维经穿纱、展纱充分展开、铺平，沥青基碳纤维在纱架挂纱过程中易断裂，所以在纤维排纱路径时需错位放置纤维筒，减小弯折幅度、减小走丝角度以保护纤维，即穿纱过程控制沥青基碳纤维走丝角度(最外侧高模纤维与纱架中轴线角度≤15°，角度靠纱架摆放位置与纤维挂纱位置调整)，减少其与设备部件的摩擦，使沥青基碳纤维在穿纱过程中不出现毛团和断丝现象；其次，使沥青基碳纤维依次穿过若干组展纱梳和展纱辊组，每组展纱梳和展纱辊组中，展纱梳设置在前，展纱辊组设置在后，展纱辊组的展纱力大于展纱梳的展纱力，展纱温度为60±5℃，控制退丝张力在0N，调整展纱辊组的展纱力使限定幅宽达到150mm。

(3)热压复合含浸：将上下胶膜分别贴附在沥青基碳纤维层两侧面，热压含浸得到高模热熔预浸料，热压含浸过程中，压辊为5组，沿热压含浸方向，5组压辊中上下压辊间隙依次设置为0.28±0.02mm、0.26±0.02mm、0.24±0.02mm、0.22±0.02mm、0.22±0.02mm；且沿热压含浸方向，5组压辊的温度呈先上升后下降的趋势，依次设置为65±5℃、70±5℃、75±5℃、73±5℃、70±5℃，含浸速度为1～2m/min，具体含浸速度根据预浸料表观质量状态调整。

本实施例制得的高模热熔预浸料中，环氧树脂含量为20±3％，沥青基碳纤维面密度为150±5g/m²。测试得到，该高模热熔预浸料的0°拉伸模量高于400GPa。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高模热熔预浸料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3)热压复合含浸：将上下胶膜分别贴附在高模纤维层两侧面，热压含浸得到高模热熔预浸料；

所述的高模纤维模量高于350GPa，包括高模碳纤维；

步骤(3)中，热压含浸过程中，压辊≥3组，压辊中上下压辊间隙沿热压含浸方向逐渐减小，在0.1～0.8mm范围内；压辊的温度沿热压含浸方向呈先上升后下降的趋势，在50～200℃范围内；含浸速度为1～10m/min。

2.根据权利要求1所述的高模热熔预浸料的制备方法，其特征在于，所述的热熔树脂基体包括环氧树脂、酚醛树脂、氰酸酯树脂和双马树脂中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的高模热熔预浸料的制备方法，其特征在于，所述的高模碳纤维包括M40J碳纤维、M40X碳纤维、M46J碳纤维、M50J碳纤维、M55J碳纤维或沥青基碳纤维。

4.根据权利要求1所述的高模热熔预浸料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的涂膜参数为：涂膜温度50～200℃，涂膜速度5～15m/min。

5.根据权利要求1所述的高模热熔预浸料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，控制展纱温度为50～70℃。

6.根据权利要求1～5任一所述的高模热熔预浸料的制备方法制得的高模热熔预浸料。

7.根据权利要求6所述的高模热熔预浸料，其特征在于，所述的高模热熔预浸料包括热熔树脂基体和高模纤维，其中，热熔树脂基体含量为20％～45％，高模纤维面密度为50～200g/m²。