CN114131796A - 适于大型复合材料结构件用的轻质高强阳模制造方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适于大型复合材料结构件用的轻质高强阳模制造方法及应用，属于复合材料及骨架填充制作阳模领域，本发明提出一种轻质高强阳模制造技术，是使用聚氨酯发泡和可溶性芯模并用的方法，将聚氨酯泡沫包裹在可溶性芯模中，能够明显降低可溶性芯模的密度，避免可溶性芯模的重量过大，在加工时和骨架发生滑移的现象，溶解后能够快速抽出泡沫，大大减少了拆除的时间和风险。同时表面由可溶性芯模制成，强度较高，成型过程中不易发生形变。因此轻质高强阳模制造技术是一种高效、环保的骨架填充方法和阳模制造技术，能够为复合材料成型提供更加优异的阳模制作解决方案。
Description
技术领域
本发明属于复合材料及骨架填充制作阳模技术领域，具体地，涉及一种适于大型复合材料结构件用的轻质高强阳模制造方法及应用。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料是一种高性能的材料，被广泛应用于船舶、航空等各个工业领域。船舶用复合材料结构尺寸大，载荷复杂，为了保证复合材料结构在长期的海洋环境下的可靠性，船舶用大尺度复合材料结构一般采用“钢骨架+复合材料蒙皮”的结构形式，从而提高结构的整体刚度和强度。为保证复合材料和骨架的结构一体性，需要依托骨架成型复合材料蒙皮。在骨架上成型复合材料的过程中，需要在钢骨架的基础上成型阳模，因此需要使用填充物对骨架镂空区域进行填充，随后对填充物进行加工成为阳模，然后在阳模上进行复合材料成型，在完成复合材料成型后并对发泡的聚氨酯进行拆除。目前对骨架填充材料主要包括可溶性芯模和聚氨酯泡沫两种，泡沫的优点是质量较轻，填充方便，但同时存在强度较低，当受到压力较大时会发生形变，造成表面线型误差较大，泡沫拆除工作在密集的骨架中进行时，拆除难度大、工期长、容易对复合材料和骨架造成损伤。可溶性芯模填充钢骨架则对骨架要求较高，填充料在固化前都需使用模具固定，以免可溶性芯模在烘干成型的过程中发生倒塌、掉落等问题，同时加工过程中因为可溶性芯模自重较大，在翻转过程中容易滑移，因此虽然其强度高、烘干后不易形变、拆除简单，但因为成型难度较高可溶性芯模在复合材料+钢骨架结构应用中也一直难以推广。
在骨架填充阳模制作复合材料方面，填充物的压缩强度，填充效果和拆除效果都是至关重要的因素，目前常用的方法有可溶性芯模法和泡沫发泡填充法。专利申请号CN109723924 A中公开一种用于船舶的碳纤维弯头，包括弯头管身和设在弯头管身两端口内的螺纹套，螺纹套采用聚四氟乙烯制成，弯头管身由树脂基体固化制成。使用可溶性芯模填充在模具中，并预先加入聚四氟乙烯螺纹套，经过注射后效果良好，并能够回收冲洗出的可溶性芯模原料。专利申请号CN 106853694 A涉及一种基于水溶性型芯的SQRTM成型工艺碳纤维格栅的制备方法，该方法首先是以可溶性材料来制备格栅的型芯，在其上面进行碳纤维预浸料铺贴，采用SQRTM成型工艺进行制件固化，后期通过一定压力的自来水将其水溶性芯模溶解，脱模得到格栅制件。该方法解决了格栅高曲率复杂制件的脱模问题，采用的SQRTM工艺，结合了预浸料工艺和液体RTM成型技术，有效的降低了制造成本，制备出净成型制件的同时也保证了制件的高性能要求。为复合材料航空复杂曲率的零部件提供了可行解决方案。但这些方法比较适合于小型制件，在骨架+复合材料体系等大型复合材料结构件成型中可溶性芯模填充后，因厚度过大难以烘干，生产效率较低，因此本专利提出了一种轻质高强阳模制造技术。
发明内容
为解决复合材料+钢骨架结构成型过程中填充时的问题，本发明提出了一种轻质高强阳模制造技术，是使用聚氨酯发泡和可溶性芯模并用的方法，将聚氨酯泡沫包裹在可溶性芯模中，能够明显降低可溶性芯模的密度，避免可溶性芯模的重量过大，在加工时和骨架发生滑移的现象，溶解后能够快速抽出泡沫，大大减少了拆除的时间和风险。同时表面由可溶性芯模制成，强度较高，成型过程中不易发生形变。因此轻质高强阳模制造技术是一种高效、环保的骨架填充方法和阳模制造技术，能够为复合材料成型提供更加优异的阳模制作解决方案。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：
适于大型复合材料结构件用的轻质高强阳模制造方法，包括如下步骤：
步骤一、分别制备质量分数为5%~20%的聚乙烯醇水溶液和质量分数为20%~40%的聚乙烯吡咯烷酮水溶液；
步骤二、将聚乙烯醇水溶液和聚乙烯吡咯烷酮水溶液混合成可溶性胶体，然后加入可溶性芯模固体料，搅拌均匀，制备成可溶性芯模料；在可溶性胶体制备中，所述混合的体积比为聚乙烯吡咯烷酮水溶液：聚乙烯醇水溶液=100:（50~150）；所述的可溶性芯模固体料：可溶性胶体的质量比为100：（5~30）；
步骤三、将制备好的可溶性芯模料铺在模具中铺放10~50mm后压实，然后放入泡沫块，在模具和泡沫间填满配好的可溶性芯模料，压实，最后在表面铺上可溶性芯模料，压实后转入烘箱，100±5℃烘干2小时，120±5℃烘干24小时，形成可溶性泡沫芯模；
步骤四、将制备好的可溶性泡沫芯模填充骨架中，在缝隙中加入发泡料使可溶性泡沫芯模与骨架粘接紧实，完成填充过程，在表面涂刷封闭层，机加工后得到需要的阳模。
步骤一中，将聚乙烯醇溶解在水中，在90℃~105℃的恒温水浴30~120分钟，制备聚乙烯醇水溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解在水中，搅拌至分散均匀，静止20~120分钟，制备聚乙烯吡咯烷酮水溶液。
步骤二中，所述的可溶性芯模固体料为石英砂、玻璃微珠、白炭黑、埃洛石和白刚玉中的至少一种。
步骤三中，所述的泡沫块为聚氨酯泡沫、PVC泡沫或聚苯乙烯泡沫。
步骤三中，所述的模具和泡沫间的可溶性芯模料厚度为10~50mm。
步骤三中，所述的泡沫块尺寸为50mm*50mm*50mm~3000mm*3000mm*3000mm。
步骤四中，所述的封闭层包括本体树脂胶衣、不饱和聚酯树脂腻子，厚度为0.1~2mm。
本发明还提供所述轻质高强阳模制备方法在大型复合材料结构件成型中的应用。
与现有的填充骨架的阳模相比，本发明具有以下优点：
1、本发明中用于填充用的可溶性芯模，其中间加入了泡沫芯模，相比传统的石英砂料可溶性芯模，能够明显减轻芯模的重量，更适合应用于填充和实际，有利于生产过程中的移动和翻转，内部的泡沫能够重复利用，有利于环保和生产。
2、本发明中的轻质高强阳模制造技术相比聚氨酯泡沫，由于表面有一层可溶性芯模，能够用水冲洗，溶解可溶性砂料后快速拆除内部的泡沫，拆除效率大大提高，对骨架和复合材料的损伤也明显减少。
3、本发明中轻质高强阳模制造技术通过表面制作可溶性芯模，表面强度相比一般的泡沫强度更高，复合材料成型过程中不易发生变形，更加可靠。
附图说明
图1是可溶性泡沫芯模制造技术示意图；
图2是轻质高强阳模填充骨架示意图；
图3是可溶性芯模泡沫压缩性能测试结果；
图中：1、泡沫块；2、模具；3、可溶性芯模料；4、发泡料；5、骨架；6、可溶性泡沫芯模。
具体实施方式
一种轻质高强阳模制造技术及其制备方法与应用，包括如下步骤：
第一步，将聚乙烯醇溶解在水中，在恒温水浴30~120分钟，将聚乙烯吡咯烷酮溶解在水中，搅拌至分散均匀，静止20~120分钟；
第二步，将聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮溶液按照一定比例混合成可溶性胶体，然后加入可溶性芯模固体料，搅拌均匀，制备成可溶性芯模料；
第三步，将混合好的可溶性芯模料铺在模具中铺放10~50mm后压实，然后放入泡沫块，在模具和泡沫间填满配好的可溶性芯模料，压实，最后在表面铺上可溶性芯模料，压实后转入烘箱，100±5℃烘干2小时，120±5℃烘干24小时；
第四步，将制备好的可溶性泡沫芯模填充骨架中，在缝隙中加入发泡料使可溶性泡沫芯模与骨架粘接紧实，完成填充过程，在表面涂刷封闭层，机加工后得到需要的阳模。
所述的聚乙烯醇质量分数为5%~20%。
所述的恒温水浴温度为90℃~105℃。
所述的聚乙烯吡咯烷酮质量分数为20%~40%。
所述的混合比例为聚乙烯吡咯烷酮：聚乙烯醇 =100:（50~150）。
所述的可溶性芯模固体料包括石英砂、玻璃微珠、白炭黑、埃洛石、白刚玉。
所述的泡沫块包括聚氨酯泡沫、PVC泡沫、聚苯乙烯泡沫。
所述的可溶性芯模固体料：可溶性胶体的比例为100：（5~30）。
所述的模具和泡沫间的可溶性芯模料厚度为10~50mm。
所述的泡沫块尺寸为50mm*50mm*50mm~3000mm*3000mm*3000mm。
所述的封闭层包括本体树脂胶衣、不饱和聚酯树脂腻子，厚度为0.1~2mm。
由上述的制备方法制得的一种轻质高强阳模制造技术。
一种轻质高强阳模制造技术应用于复合材料用发泡制作的阳模模具中。
为有效保护和解释本发明，将结合实例对本发明进行进一步的详细描述，本发明的保护范围适用但不仅限于以下实例。
实施例1：
将240g聚乙烯吡咯烷酮倒入360g水中搅拌均匀，静止1小时。将60g聚乙烯醇加入1000ml烧杯中，然后加入540ml水，95℃水浴2小时，静置后使用。将溶解后的聚乙烯吡咯烷酮溶液和聚乙烯醇溶液混合，搅拌均匀，加入12kg石英砂，将石英砂充分搅拌粘上胶料。在1200mm*900mm*700mm的模具中铺放50mm的可溶性芯模料，然后用木板压实，放入尺寸为1100*800*600mm的聚氨酯泡沫在中央，然后在模具和聚氨酯泡沫间的空隙填入砂料，压实后在最上层铺放50mm砂料压实。转移至鼓风干燥烘箱中100℃烘干2小时、120℃烘干24小时。
烘干拆除模具，得到可溶性泡沫芯模。
在填充骨架时，把可溶性泡沫芯模放入骨架中，然后倒入少许发泡料，使可溶性泡沫芯模和骨架粘接，经过机加工后，在表面刷涂一层本体胶衣，然后在表面成型复合材料面层，待复合材料成型后，拆除骨架和聚可溶性芯模间的少许泡沫，使用清水冲刷可溶性芯模表面，待砂料重新溶解后，将内部的泡沫取出，完成拆除。
实施例2
将22g聚乙烯吡咯烷酮加入78g水中搅拌均匀，静置1小时消泡。将5g聚乙烯醇加入95g水中，在95℃恒温水浴锅中水浴1.5小时。将得到的聚乙烯吡咯烷酮溶液和聚乙烯醇溶液混合均匀成为胶黏剂，在胶黏剂中加入667g石英砂，然后搅拌均匀，砂料混合完毕后加入500mm*300mm*200mm的模具中，压实后铺层厚度为20mm，然后放入预制的480mm*280mm*180mm的泡沫，在四周填入砂子压实后，在表面压实20mm的砂料。转移至烘箱中烘干24小时，待砂料完全固化后在模具中取出。并使用同一可溶性芯模料及泡沫制作50mm*50mm*50mm的试样进行压缩性能测试，测试结果如图3所示，压缩强度平均为2.86MPa。
在可溶性芯模表面刮涂2mm厚的原子灰，固化后在表面成型复合材料盒体，待复合材料固化后，将原子灰打磨清除，然后使用水冲洗可溶性芯模，待砂料被冲洗溃散后，抽出其中的泡沫，完成泡沫拆除。
需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.适于大型复合材料结构件用的轻质高强阳模制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、分别制备质量分数为5%~20%的聚乙烯醇水溶液和质量分数为20%~40%的聚乙烯吡咯烷酮水溶液；
步骤二、将聚乙烯醇水溶液和聚乙烯吡咯烷酮水溶液混合成可溶性胶体，然后加入可溶性芯模固体料，搅拌均匀，制备成可溶性芯模料；在可溶性胶体制备中，所述混合的体积比为聚乙烯吡咯烷酮水溶液：聚乙烯醇水溶液=100:（50~150）；所述的可溶性芯模固体料：可溶性胶体的质量比为100：（5~30）；
步骤三、将制备好的可溶性芯模料铺在模具中铺放10~50mm后压实，然后放入泡沫块，在模具和泡沫间填满配好的可溶性芯模料，压实，最后在表面铺上可溶性芯模料，压实后转入烘箱，100±5℃烘干2小时，120±5℃烘干24小时，形成可溶性泡沫芯模；
步骤四、将制备好的可溶性泡沫芯模填充骨架中，在缝隙中加入发泡料使可溶性泡沫芯模与骨架粘接紧实，完成填充过程，在表面涂刷封闭层，机加工后得到需要的阳模。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，将聚乙烯醇溶解在水中，在90℃~105℃的恒温水浴30~120分钟，制备聚乙烯醇水溶液；将聚乙烯吡咯烷酮溶解在水中，搅拌至分散均匀，静止20~120分钟，制备聚乙烯吡咯烷酮水溶液。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述的可溶性芯模固体料为石英砂、玻璃微珠、白炭黑、埃洛石和白刚玉中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述的泡沫块为聚氨酯泡沫、PVC泡沫或聚苯乙烯泡沫。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述的模具和泡沫间的可溶性芯模料厚度为10~50mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述的泡沫块尺寸为50mm*50mm*50mm~3000mm*3000mm*3000mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述的封闭层包括本体树脂胶衣、不饱和聚酯树脂腻子，厚度为0.1~2mm。
8.根据权利要求1-7任意一种所述轻质高强阳模制备方法在大型复合材料结构件成型中的应用。
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