CN114872273A

CN114872273A - 一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法

Info

Publication number: CN114872273A
Application number: CN202210543092.2A
Authority: CN
Inventors: 何继敏; 陈杨
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2022-05-19
Filing date: 2022-05-19
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2042-05-19
Also published as: CN114872273B

Abstract

本发明提供了一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其步骤包括：将由聚合物纤维与无机纤维混合编织的连续纤维混编布经加热熔融、浸渍、固化成型为具有贯穿孔眼的硬质网格状预浸料，剪裁制得硬质网格状预制件作为增强体骨架，放入注塑机嵌件式模具型腔中悬浮式固定，注射聚合物基体对其进行包覆、填充而成型出“钢筋混泥土”式结构的连续纤维增强热塑性复合材料。本发明所述方法制得的产品，聚合物基体与硬质网格状预制件间界面结合性能更为优异，层间剪切强度高，不容易发生注塑层剥离，力学性能极为优异，且制品形状光滑平整。

Description

一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法

技术领域

本发明属于高分子复合材料加工领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料的模内包覆注塑成型方法。

背景技术

目前，长纤维增强热塑性复合材料的注塑成型，在塑化及注射过程中容易发生纤维断裂，导致复合材料制品性能下降。而连续纤维增强热塑性复合材料注塑成型，根据预制件的不同，主要有两种成型方法：一是以GMT（Glass Mat Reinforced Thermoplastics）光滑板材作为预制件，通过注射聚合物基体在其一侧表面成型出辅助结构，如专利CN107567375A，但其界面结合效果差，工作时注塑层容易脱离；二是以单层纤维织物为预制件，注射聚合物基体浸渍纤维从而成型出连续纤维增强热塑性复合材料，如专利CN102529016A，但其注塑过程中柔性纤维织物受到注射基体的冲击而变形，导致制品容易出现翘曲，且由于浸渍效果差、纤维含量低，因此制品性能较差，未得到实际应用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术问题，本发明提供了一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，即通过将聚合物纤维与无机纤维混合编织的连续纤维混编布制成硬质网格状预制件，然后通过模内包覆注塑对其进行全面包覆、填充成型，从而获得“钢筋混泥土”式结构的高性能连续纤维增强复合材料。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，所述方法包括如下步骤：

1）将多片连续纤维混编布对齐叠层铺放后形成叠层混编布，对叠层混编布进行加热，冷却固化后形成具有贯穿孔眼的硬质网格状预浸料；

2）将硬质网格状预浸料裁剪成与制品尺寸形状相符的硬质网格状预制件，将硬质网格状预制件悬浮式固定在嵌件式注塑模具的型腔中，然后将聚合物基体注入嵌件式注塑模具的型腔中，经保压冷却后开模，得到连续纤维增强热塑性复合材料。

其中，所述连续纤维混编布是由聚合物纤维与无机纤维混合编织后形成的网状布。具体为所述连续纤维混编布由玻璃纤维、碳纤维等无机纤维与聚丙烯、聚乙烯等热塑性树脂纤维按不同比例混合成无捻、有捻的纤维束，将纤维束编织成网状布，包括斜纹布、方格布等。

所述聚合物基体为熔体流动速率在40g/10min以上的高流动性树脂或以其为基体的短玻纤增强热塑性树脂。

对叠层混编布的加热方式为非接触加热，例如可以是红外线加热或热风加热。

在对叠层混编布加热时，控制加热温度在聚合物纤维的熔点以上，混编布中的聚合物纤维受热熔融而浸渍其周围纤维，使纤维束发生收缩，平行的纤维束之间出现间隙，从而形成孔眼，且各纤维束接触面之间发生浸渍融合。

步骤1）中将多片连续纤维混编布对齐叠层铺放有两种方式：一是将多片混编布按纤维束方向上下对齐、叠层铺放在铁丝网架上；二是先将多片混编布按纤维束方向上下对齐、叠层铺放在插针板模具中的插针表面，然后上插针板与下插针板合模，使叠层混编布被插针穿透并留在下插针板上。随后上插针板与下插针板开模，叠层混编布留在下插针板上，并被插针穿透。方式二适于获得三维硬质网格状预制件。

步骤1）中的冷却有两种方式：一是自然冷却到室温；二是停止加热后，通过将金属板压在预浸料表面的重力作用或将上插针板与下插针板合模的挤压作用，使预浸料厚度减小10~20%，然后冷却至室温。冷却方式二增加了预浸料各层之间的接触面，提高了界面结合强度和硬质网格状预浸料的刚性，从而使成型制品性能提高。

步骤2）中的悬浮式固定是指：裁剪的硬质网格状预制件的尺寸略小于嵌件式注塑模具型腔尺寸，将硬质网格状预制件放入到嵌件式注塑模具型腔中后，硬质网格状预制件的周围与模具型腔内壁留有间隙。

本发明还提供了一种连续纤维增强热塑性复合材料，其采用上述方法制成。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

相比传统长纤维增强热塑性复合材料注塑成型，本发明由于以硬质网格状预制件为增强体，保持了连续纤维的初始纤维长度，力学性能更加优异，由于聚合物基体完全包覆硬质网格状预制件结构，制品外观质量良好。相比光滑的GMT板材为预制件的模内注塑成型制品，本发明的硬质网格状预制件带有一定数量的孔眼，经聚合物基体包覆、填充成型而获得“钢筋混泥土”式结构，使得聚合物基体与硬质网格状预制件之间的界面结合性能更为优异，层间剪切强度高，不容易发生注塑层剥离；相比柔性纤维织物为预制件的模内注塑成型制品，本发明由于预制件为硬质网格状预浸料，制品界面间浸渍和结合效果好，且由于预制件呈硬质刚性，能够抵制成型过程中的冲击变形，因此制品的力学性能更高且能获得光滑平整的外观。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明所述的混编布结构示意图；

图2为本发明所述的插针板模具结构示意图；

图3为本发明所述的硬质网格状预浸料结构（带矩形通孔）示意图；

图4为本发明所述的硬质网格状预浸料结构（带圆形通孔）示意图；

图5为本发明所述的嵌件式注塑模具结构示意图；

图6为本发明制得的模内包覆注塑成型的连续纤维增强复合材料制品截面结构示意图；

图7为本发明制得的硬质网格状预制件实物照片；

图8为本发明制得的模内包覆注塑成型的连续纤维增强复合材料制品实物照片。

其中：1-连续纤维混编布；2-下插针板；2a-插针；3-上插针板；3a-插针孔；4-硬质网格状预浸料；5-硬质网格状预制件；6-嵌件式模具；6a-顶针。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚，本发明用以下具体实施例进行说明，但本发明绝非限于这些例子。

本发明提供了一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，用于注塑成型连续纤维增强热塑性复合材料，该方法包括如下步骤：

（1）将2片以上的由聚合物纤维与无机纤维混合编织的连续纤维混编布1（如图1所示）进行对齐叠层铺放，形成叠层混编布。

其中，叠层铺放有两种方式：方式一，将多片混编布1按纤维束方向上下对齐、叠层铺放在铁丝网架上；方式二，对于三维硬质网格状预制件，采用铺放方式二，先将多片混编布1按纤维束方向上下对齐、叠层铺放在图2所示插针板模具中的下插针板2的插针2a表面，上插针板3的插针孔3a与下插针板2的插针2a对齐后进行合模，叠层混编布被上插针板3压到下插针板2表面，随后上插针板3与下插针板2开模，叠层混编布留在下插针板2上，且叠层混编布被插针2a穿透。

所述插针板模具的成型部分可根据制品形状设计成所需三维结构。

所述插针可根据网格孔眼需求而设置插针2a形状和数量。

（2）对叠层混编布进行加热，控制加热温度在聚合物纤维的熔点以上，混编布1中的聚合物纤维受热熔融而浸渍其周围纤维，使纤维束发生收缩，平行的纤维束之间出现间隙，且各纤维束接触面之间发生浸渍融合。

（3）冷却固化后形成具有贯穿孔眼的硬质网格状预浸料4，如图3和图4所示。冷却方式有两种：方式一，自然冷却到室温；方式二，停止加热后，通过将金属板压在硬质网格状预浸料表面的重力作用或将上插针板3与下插针板2合模的挤压作用，使预浸料厚度减小10~20%，然后冷却至室温。冷却方式二增加了预浸料各层之间的接触面，提高了界面结合强度和硬质网格状预浸料的刚性，从而使成型制品性能提高。

从铁丝网架上获得的硬质网格状预浸料4的孔眼为矩形通孔，如图3所示；从插针板模具上获得的硬质网格状预浸料4的孔眼为圆形通孔，如图4所示，其为圆柱形插针2a所形成（因插针挤压，纤维束收缩时几乎不产生收缩的矩形通孔）。

（4）将硬质网格状预浸料4裁剪成与制品尺寸形状相符的硬质网格状预制件5，其尺寸略小于嵌件式注塑模具型腔尺寸。

（5）将硬质网格状预制件5作为增强体骨架置于图5所示的嵌件式注塑模具6的型腔中，可利用模腔表面的顶针6a，对硬质网格状预制件5进行悬浮支撑固定，使硬质网格状预制件5的周围与模腔内壁留有间隙。然后，注塑机将聚合物基体注入嵌件式注塑模具6型腔，通过硬质网格状预制件5与模腔内壁之间的间隙和硬质网格状预制件5上的网格孔眼，对硬质网格状预制件5表面和孔眼进行包覆、填充，同时聚合物基体对纤维束进行渗透、浸渍，注塑层与填充体形成相互连通且网状交织结构，保压冷却后，开模得到类似“钢筋混泥土”式结构（图6）的连续纤维增强热塑性复合材料。

所述连续纤维混编布1由玻璃纤维、碳纤维等无机纤维与聚丙烯、聚乙烯等热塑性树脂纤维按不同比例混合成无捻、有捻的纤维束，将纤维束编织成网状布，包括斜纹布、方格布等。

所述聚合物基体为熔体流动速率在40g/10min以上的高流动性树脂或以其为基体的短玻纤增强热塑性树脂。较高的注射温度可以降低聚合物基体的熔体黏度，从而降低充模流动阻力，并促进熔体渗透纤维和提高基体与硬质网格状预制件3间界面结合性能，注射速度不应过低，以保证熔体充满模腔，获得良好的包覆质量。

所述叠层混编布的加热方式为非接触加热，可采用红外线加热、热风式加热（如烘箱加热）。

实施例1

使用PP纤维与玻璃纤维质量比为4：6，两者纤维直径相同，单位面积质量为950 g/m²的正交混编布1；将混编布1裁剪成一定尺寸，按纤维束方向上下对齐、叠层铺放4层在烘箱内的铁丝网架上，加热温度185℃，加热时间90min。自然冷却后得到矩形孔眼尺寸约为0.9mm×0.7mm，纤维束宽约为2.5mm的硬质网格状预浸料4片材；利用裁剪机对其进行裁剪，形成略小于注塑模具模腔尺寸（195mm×40mm×4.2mm）的硬质网格状预制件5，其实物如图7所示。

注塑工艺参数设置为系统注射速度50%，系统保压压力80bar，模具温度70℃，熔体温度270℃；将硬质网格状预制件5放入图5所示嵌件式注塑模具6的模腔中，利用模腔表面的顶针6a，对硬质网格状预制件5进行悬浮支撑固定。注射PP基体（熔体流动速率100g/10min）对硬质网格状预制件5进行包覆、填充，保压15s、冷却45s后开模取出，得到实物如图8所示的“钢筋混泥土”式结构的连续纤维增强聚丙烯复合材料制品，为便于观察，PP基体中添加少量黑色母粒，可观察到制品表面完全被PP基体所覆盖，且表面平整光滑。经测试，所制得的连续纤维增强聚丙烯复合材料制品的玻纤含量为40.59%，其拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度和缺口冲击分别可达196.43MPa、187.91MPa、21.49MPa和110.935kJ/m²，其拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度相比纯PP试样分别提高了876.29%、521.60%、1122.56%。

采用玻纤含量为40%（由同种PP基体制得，此含量下制品性能最优）的长玻纤增强PP粒料进行注塑成型制得长玻纤增强PP复合材料，其拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度分别为108.95MPa、151.61MPa和18.875kJ/m²，显著低于近乎相同玻纤含量的上述本发明制得的模内包覆注塑成型制品。

实施例2

使用PP纤维与玻璃纤维质量比为4：6，单位面积质量为950 g/m²的正交混编布1；将混编布1裁剪成一定尺寸，按纤维束方向上下对齐、叠层铺放5层在烘箱内的铁丝网架上，加热温度185℃，加热时间90min。加热结束后迅速将一金属板放置在铁丝网架上的预浸料（熔融状态）上方，在重力作用下使预浸料厚度约减小10%至3.64mm（预浸料四周的铁丝网架上放置3.5mm厚铁片，防止预浸料厚度减少过大），并冷却至常温。得到矩形孔眼尺寸约为0.7mm×0.5mm，纤维束宽约为3.1mm的硬质网格状预浸料4片材；利用裁剪机对其进行裁剪，形成略小于模腔尺寸（195mm×40mm×4.2mm）的硬质网格状预制件5。

注塑工艺参数设置为系统注射速度50%，系统保压压力80bar，模具温度70℃，熔体温度270℃；将硬质网格状预制件5放入图5所示嵌件式注塑模具6的模腔中，利用模腔表面的顶针6a，对硬质网格状预制件5进行悬浮支撑固定。注射PP基体（熔体流动速率100g/10min）对硬质网格状预制件5进行包覆、填充，保压15s、冷却45s后开模取出，得到连续纤维增强聚丙烯复合材料制品，经测试，其玻纤含量为45.77%，其拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度（抗冲击性能由于过高，试样未冲断）分别可达206.14MPa、201.38MPa和22.07MPa，其拉伸强度、弯曲强度相比纯PP试样分别提高了924.55%、566.16%。

实施例3

使用PP纤维与玻璃纤维质量比为4：6，单位面积质量为950 g/m²的正交混编布1；将混编布1裁剪成一定尺寸，按纤维束方向上下对齐、叠层铺放4层在插针板模具（平板结构）中的下插针板2的插针2a表面。插针2a前端呈圆锥形，后端呈圆柱形，插针2a直径为2mm、高10mm，并呈5mm×5mm的矩形阵列排布。上插针板3的插针孔3a与下插针板2的插针2a对齐后进行合模，叠层混编布被上插针板3压到下插针板2表面，随后上插针板3与下插针板2开模，叠层混编布留在下插针板2上，并被插针2a穿透。采用红外线加热，加热温度250℃左右，加热时间10min，冷却后得到圆形通孔直径约为2mm的硬质网格状预浸料4片材。利用裁剪机对其进行裁剪，形成略小于模腔尺寸（195mm×40mm×4.2mm）的硬质网格状预制件5。

注塑工艺参数设置为系统注射速度50%，系统保压压力80bar，模具温度70℃，熔体温度270℃；将硬质网格状预制件5放入图5所示嵌件式注塑模具6的模腔中，利用模腔表面的顶针6a，对硬质网格状预制件5进行悬浮支撑固定。注射PP基体（熔体流动速率100g/10min）对硬质网格状预制件5进行包覆、填充，保压15s、冷却45s后开模取出，得到连续纤维增强聚丙烯复合材料制品。经测试，所制得的连续纤维增强聚丙烯复合材料制品的玻纤含量为39.72%，其拉伸强度、弯曲强度、层间剪切强度和缺口冲击分别可达201.34MPa、195.26MPa、21.85MPa和116.361kJ/m²，其拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度相比纯PP试样分别提高了900.70%、545.91%、1182.36%。

从上述实施例可知，本发明制得的连续纤维增强聚丙烯复合材料制品具有极为优异的力学性能和良好外观质量，且性能显著优于相同玻纤含量下的长玻纤增强聚丙烯复合材料制品。

以上实施例显示和描述了本发明的主要特征和主要优点进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，所述连续纤维混编布是由聚合物纤维与无机纤维混合编织后形成的网状布。

3.如权利要求2所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，所述聚合物纤维包括但不限于聚丙烯纤维、聚乙烯纤维，所述无机纤维包括但不限于玻璃纤维、碳纤维。

4.如权利要求2所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，所述聚合物基体为熔体流动速率在40g/10min以上的高流动性树脂或以其为基体的短玻纤增强热塑性树脂。

5.如权利要求2所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，对叠层混编布的加热方式为非接触加热。

6.如权利要求2所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，对叠层混编布加热时，控制加热温度在聚合物纤维的熔点以上。

7.如权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，步骤1）将多片连续纤维混编布对齐叠层铺放有两种方式：一是将多片混编布按纤维束方向上下对齐、叠层铺放在铁丝网架上；二是先将多片混编布按纤维束方向上下对齐、叠层铺放在插针板模具中的插针表面，然后上插针板与下插针板合模，使叠层混编布被插针穿透并留在下插针板上。

8.如权利要求7所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，步骤1）中的冷却有两种方式：一是自然冷却到室温；二是停止加热后，通过将金属板压在预浸料表面的重力作用或将上插针板与下插针板合模的挤压作用，使预浸料厚度减小10~20%，然后冷却至室温。

9.如权利要求1所述的一种连续纤维增强热塑性复合材料模内包覆注塑成型方法，其特征在于，步骤2）中的悬浮式固定是指：裁剪的硬质网格状预制件的尺寸略小于嵌件式注塑模具型腔尺寸，将硬质网格状预制件放入到嵌件式注塑模具型腔中后，硬质网格状预制件的周围与模具型腔内壁留有间隙。

10.一种连续纤维增强热塑性复合材料，其特征在于，其采用权利要求1-9任一所述的方法制成。