CN114621584B - 一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料及其制备方法，该复合材料是将连续纤维通过浸渍液浸渍后，经过施压、加热反应后成型制得，所述浸渍液由聚氨酯预聚物、内酰胺、阴离子引发剂制成。与现有技术相比，本发明所使用的浸渍液具有流动性好，易浸渍的特点，制备的连续纤维增强复合材料相比于传统纤维增强复合材料具有更好的弹性以及抗弯曲性能，而相比于纯弹性体具有更高的强度和刚度，且生产设备简单，操作容易，成型周期短，生产效率高，可用于制备大尺寸制品。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，利用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等连续纤维增强PA6、PA66、PA12等聚酰胺热塑性树脂，制成的连续纤维增强热塑性复合材料具有高比强度和刚度，韧性高，可应用于航空航天、建筑建材和汽车运输等领域。如专利CN106084606A，将制成的树脂组合物涂布到连续纤维上进行常温预浸,再根据设定的层压工艺流程，加热、加压制备出连续纤维增强的热塑性复合材料。
目前，国内对连续纤维增强热塑性复合材料的制备已有相关报道，大多纤维增强热塑性复合材料都是通过热塑性树脂熔体与纤维复合，通常需要树脂在高温下与纤维进行浸渍。如专利申请CN111452254A通过挤出机挤出热塑性树脂，利用淋膜淋到连续纤维上，再通过浸渍辊使树脂均匀浸渍纤维，采用上下合模方式成型。
弹性体基复合材料近年来也有不少研究，如专利申请JP2009/506177公开了一种增强聚丙烯材料，其组分包括软质聚丙烯材料、玻璃纤维和加工助剂等，具有良好的耐刮擦性和柔软性。但是聚丙烯中的乙丙橡胶含量高，与基体相容性较差。专利申请CN104788876A，介绍了一种增强聚烯烃材料，其具有良好的力学性能及良好的弹性，但将混合好的原料融入到双螺杆中熔融造粒的成型方式复杂，且耗时长。
热塑性聚酰胺弹性体有着诸多优良的特点，其不仅弹性性能、耐磨性能、耐油性能、耐臭氧性能优良，且强度高、韧性好、耐磨耐寒。且其加工成型速度快，易于脱膜。聚酰胺弹性体复合材料具有优良的力学性能同时也能保证有良好的弹性，具有很大的潜力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料及其制备方法，该方法成型速度快、生产效率高，且制备的连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料具有良好的弹性、耐磨性且强度高、韧性好。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料，该复合材料是将连续纤维通过浸渍液浸渍后，经过施压、加热反应后成型制得，所述浸渍液由聚氨酯预聚物、内酰胺、阴离子引发剂制成。
所述的连续纤维为连续玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等高性能纤维中的一种。其中，连续纤维与热塑性聚酰胺弹性体的重量比为45:100~60:100。
所述浸渍液中，内酰胺与聚氨酯预聚物的重量比为100: 20~100，阴离子引发剂的用量为内酰胺重量的0.2%~2%。
所述聚氨酯预聚物由摩尔比为1:2的二元醇类与二异氰酸酯类反应得到。其中，二元醇类为聚乙二醇，分子量为600、800、1000、1500、2000、6000、8000、10000、20000中的一种或几种；所述二异氰酸酯类为甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯中的一种。
所述的内酰胺为丁内酰胺、己内酰胺、辛内酰胺、癸内酰胺和十二内酰胺的一种或几种。
所述阴离子引发剂是指具有内酰胺阴离子结构的化合物。
所述连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法如下：
1）将二异氰酸酯类加入二元醇类中，75~80℃下反应1~1.2小时，得到聚氨酯预聚物；
2）将内酰胺加热至完全熔融，再加入阴离子引发剂，140~160℃下真空下除水30~40min，解除真空后冷却至100℃，加入聚氨酯预聚物混合均匀，得到浸渍液；
3）将经过烘干处理的连续纤维提前放入预热温度为80~120℃的模具中，再将浸渍液注入模具内浸渍连续纤维，接着真空状态下进行施压，加热至150~180℃，反应10~45min，最终成型得到连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料。
步骤1)、2）制备聚氨酯预聚物以及浸渍液的反应均需在氮气环境中进行。此外，为保证成功得到浸渍液，需对聚醚二元醇类进行充分干燥，防止与二异氰酸酯类反应时发生交联反应导致实验失败。
步骤3）中，连续纤维应提前放入模具中预热，预热温度应大于树脂的结晶温度，小于树脂的聚合温度，故选择80~120℃，优选100℃。所述模具为自行设计的适用于热塑性树脂模塑成型工艺以及热压成型工艺的成型模具。
步骤（3）所述抽真空以及施压等一系列操作是为了提高浸润性、降低孔隙率，增强聚氨酯与内酰胺混合液对连续纤维的浸润效果。
通过调整浸渍液各组分的重量百分比，以调控复合材料的拉伸强度以及弹性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的浸渍液由聚氨酯预聚物、内酰胺、阴离子引发剂制成，浸渍液的流动性好、粘度低，可实现对连续纤维的良好浸渍，和增强纤维复合后，在原有热塑性聚酰胺弹性体的高弹性的基础上，得到增强及耐磨的复合材料。同时，本发明自行设计的适用于热塑性树脂模塑成型工艺以及热压成型工艺的成型模具，设备简单，操作容易，成型周期短，生产效率高，可用于制备大尺寸制品。
附图说明
附图的目的在于更加清晰的说明本发明中的实施例，并不是对本发明的限制。
图1为本发明的连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的成型装置。
具体实施方式
为了使本发明中的技术细节和方案表达的更加清晰，下面结合实施例作进一步的说明。
实施例中所采用的聚醚二元醇类为聚乙二醇（PEG）。
实施例中所采用的二异氰酸酯类为甲苯二异氰酸酯（TDI）。
实施例中所采用的阴离子引发剂为己内酰胺钠。
实施例中所使用的连续纤维为单片连续玻璃纤维布，连续纤维的干燥环境为80℃。实验开始之前预先平铺于模具内部。
实施例中模具所使用的加热方式为油加热。
实施例中在浸渍液倒入模具之前，需要对模具进行抽真空，其目的是为了排除模具内部的空气，保证制品的孔隙率低，且使浸渍液在常压状态下良好浸渍玻璃纤维。
实施例1
一种续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法：
（1）将经过烘干处理的连续玻璃纤维放入预热温度为100℃的模具中，保持内部负压，备用。
（2）取适量TDI，将其倒入干燥的熔融PEG（分子量为2000 g/mol）中，其中TDI与PEG的摩尔比为2:1，在80℃机械搅拌下反应1h，得到聚氨酯预聚物，自然冷却备用。
（3）称量适量己内酰胺完全熔融，然后加入己内酰胺重量0.7%的阴离子引发剂，接着抽真空进行除水操作，得到溶液。
（4）取定量聚氨酯预聚物加入上述溶液中，混合均匀，得到浸渍液，其中聚氨酯预聚物与己内酰胺的重量比为40:100。
（5）将浸渍液注入到(1)中的模具中，然后在真空状态下进行施压，最后设定反应温度为150℃，反应20min，反应结束后自然冷却得到连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料。
实施例2
一种续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法：
（1）将经过烘干处理的连续玻璃纤维放入预热温度为100℃的模具中，保持内部负压，备用。
（2）取适量TDI，将其加入干燥的熔融PEG（分子量为6000 g/mol）中，其中TDI与PEG的摩尔比为2:1，在80℃机械搅拌下反应1h，得到聚氨酯预聚物，自然冷却备用。
（3）称量适量己内酰胺加热至完全熔融，然后加入己内酰胺重量0.5%的阴离子引发剂，接着抽真空进行除水操作，得到溶液。
（4）取定量聚氨酯预聚物加入上述溶液中，混合均匀，得到浸渍液，其中聚氨酯预聚物与己内酰胺的重量比为30:100。
（5）将浸渍液注入到(1)中的模具中，然后在真空状态下进行施压，最后设定反应温度为160℃，反应20min，反应结束后自然冷却得到连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料。
实施例3
一种续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法：
（1）将经过烘干处理的连续碳纤维放入预热温度为100℃的模具中，保持内部负压，备用。
（2）取适量TDI，将其倒入干燥的熔融PEG（分子量为8000 g/mol）中，其中TDI与PEG的摩尔比为2:1，在80℃机械搅拌下反应1h，得到聚氨酯预聚物，自然冷却备用。
（3）称量适量己内酰胺完全熔融，然后加入己内酰胺重量0.8%的阴离子引发剂，接着抽真空进行除水操作，得到溶液。
（4）取定量聚氨酯预聚物加入上述溶液中，混合均匀，得到浸渍液，其中聚氨酯预聚物与己内酰胺的重量比为40:100。
（5）将浸渍液注入到(1)中的模具中，然后在真空状态下进行施压，最后设定反应温度为180℃，反应20min，反应结束后自然冷却得到连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料。
以上所述仅为本发明的优选实例，但不限于本发明。对于本领域的普通技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
1）将二异氰酸酯类加入二元醇类中，二元醇类与二异氰酸酯类的摩尔比为1:2，75~80℃下反应1~1.2小时，得到聚氨酯预聚物；所述二元醇类为聚乙二醇，分子量为600、800、1000、1500、2000、6000、8000、10000、20000中的一种或几种；
2）将内酰胺加热至完全熔融，再加入阴离子引发剂，140~160℃下真空下除水30~40min，解除真空后冷却至100℃，加入聚氨酯预聚物混合均匀，得到浸渍液；
所述浸渍液中，内酰胺与聚氨酯预聚物的重量比为100: 20~100，阴离子引发剂的用量为内酰胺重量的0.2%~2%；
3）将经过烘干处理的连续纤维提前放入预热温度为80~120℃的模具中，再将浸渍液注入模具内浸渍连续纤维，接着真空状态下进行施压，加热至150~180℃，反应10~45min，最终成型得到连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，所述的连续纤维为连续玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，所述二异氰酸酯类为甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，所述的内酰胺为丁内酰胺、己内酰胺、辛内酰胺、癸内酰胺和十二内酰胺的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，所述阴离子引发剂是指具有内酰胺阴离子结构的化合物。
6.一种根据权利要求1~5任一项所述的制备方法得到的连续纤维增强热塑性聚酰胺弹性体复合材料。
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