CN116790009A - 超轻聚酰亚胺纤维预浸料及其制备方法和复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超轻聚酰亚胺预浸料及其制备方法和复合材料，该制备方法包括以下步骤：将热塑或热固性树脂进行涂膜处理，得到树脂胶膜；将聚酰亚胺纤维依次经过如下处理：放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干；3)将步骤2)中经过处理的聚酰亚胺纤维与步骤1)中得到的树脂胶膜进行热压辊复合，得到聚酰亚胺预浸料。本发明能够实现如下有益效果：(1)可以实现超轻聚酰亚胺纤维预浸料的生产；(2)可以提高聚酰亚胺纤维预浸料的生产效率和产能，同时降低生产成本；(3)可以实现聚酰亚胺纤维丝束的展平；(4)可以改善聚酰亚胺纤维预浸料界面性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其涉及聚酰亚胺纤维预浸料及其制备方法和复合材料。
背景技术
近年来，随着新型航天飞行器、国防军工、海洋工业、汽车制造、新能源和体育器械等现代工业的迭代升级，带来的是对具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、抗冲击、抗断裂、抗疲劳和高强轻质材料的迫切需要，这无疑给高性能纤维增强树脂基复合材料提供了广阔的应用市场与发展潜力。
高性能纤维增强树脂基复合材料是一种具有两相或两相以上的结构材料，各相材料在维持其自身基本物理和化学性能的基础上，所制备的复合材料具有无可比拟的性能优势，可满足社会工业化发展的实际需要。目前，主流的增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维(PPTA)、聚对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)等，然而，这类纤维自身的性能缺陷限制了其复合材料的使用领域及寿命。例如，在潮湿环境下，PPTA纤维分子链上含有的极性酰胺基团具有较强的亲水性(吸水性可达7.75％)，因此制备的复合材料的力学性能、尺寸稳定性会受到影响。在光照条件下，PBO纤维分子链上含有的噁唑环对紫外光非常敏感，长期照射后噁唑环会断裂生成结构不稳定的酰胺键，然后分解为小分子单体，这严重限制了PBO纤维的使用价值，此外PBO纤维表面活性低、光滑、与树脂基体的界面粘接性能差，这进一步阻碍了纤维增强体在树脂基复合材料中的增强增韧作用。UHMWPE纤维熔融温度约为136℃，玻璃化转变温度约为95℃，在较高温度(140℃)条件下，使用1h，断裂强度下降率达16.84％，且分子链的—CH2—CH2—结构使纤维表面呈惰性，与树脂基体界面粘接性能差，进一步限制该类复合材料制品的使用温度和领域。
高性能聚酰亚胺(PI)纤维是一类分子主链中含有酰亚胺环结构的类环-链型高性能纤维，具有高强高模(拉伸强度可达4.5GPa、初始模量可达201GPa)、耐高温(起始分解温度＞420℃)、耐低温(-269℃不会脆断)、耐溶剂性、耐紫外辐照、阻燃自熄、高尺寸稳定性、高电绝缘、低介电、低蠕变、低真空挥发度等优异的综合性能。在极端环境(航空航天、深海作业、抢险救灾、国防军工等领域)下，与其他高性能纤维相比具有极大的优势，可用作高性能纤维增强树脂基复合材料的增强体，有望替代其他高性能纤维，提升树脂基复合材料的使用领域、寿命和材料性能的可靠性。
现有技术中聚酰亚胺纤维织物增强聚酰亚胺树脂基复合材料及其制备方法中，大多采用聚酰亚胺纤维织物增强热固性聚酰亚胺树脂，该方法中需要通过热烘除溶剂及环化过程制备预浸料，之后采用热压成型的方式制备聚酰亚胺纤维增强热固性聚酰亚胺树脂复合材料。该材料玻璃化转变温度高达350℃，层间剪切强度可达40MPa，介电常数可低至3.21，表现出优异的综合性能特点。
中国专利申请CN201410366226.3公开了一种聚酰亚胺纤维预浸料及其制备方法与应用，所述聚酰亚胺纤维预浸料包含有40～80％重量含量的聚酰亚胺纤维和20～60％重量含量的树脂。该发明提供的聚酰亚胺纤维预浸料是以聚酰亚胺长纤维或其织物作为强化纤维，通过氰酸酯树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺或苯并噁嗪树脂等的浸润而制备的预浸料。
中国专利申请CN201910656740.3公开了一种制备聚酰亚胺预浸料的方法，其特征在于，该方法包括：(1)将热塑性聚酰亚胺树脂溶液进行加工处理，得到树脂胶膜；(2)将所述树脂胶膜与聚酰亚胺纤维进行热辊压处理，得到聚酰亚胺预浸料。
上述两件专利文献公开的聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法基本相似，均包含涂膜工序和热压辊复合工序，且树脂含量均控制在20～60％。然而，目前，上述专利文献均没有公开与超轻聚酰亚胺纤维预浸料相关的技术，即无法生产超轻聚酰亚胺纤维预浸料。另外，现有的聚酰亚胺纤维二步法预浸料生产工艺存在无法实现聚酰亚胺丝束的均匀展平的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种超轻聚酰亚胺预浸料的制备方法，其能够解决现有预浸料制备工艺中聚酰亚胺丝束无法均匀展平的问题。
本发明的另一目的在于提供一种超轻聚酰亚胺预浸料，该超轻聚酰亚胺预浸料的单位面积质量可以达到80g/m2以下。
本发明的还一目的在于提供一种复合材料，该复合材料包括超轻聚酰亚胺预浸料。
根据本发明的目的，本发明的第一方面提供了一种超轻聚酰亚胺预浸料的制备方法，其包括以下步骤：
1)将树脂进行涂膜处理，得到树脂胶膜；
2)将聚酰亚胺纤维依次经过如下处理：放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干；
3)将步骤2)中得到的聚酰亚胺纤维与步骤1)中得到的树脂胶膜进行热压辊复合，得到聚酰亚胺预浸料。
通过本发明的制备方法，可以提高聚酰亚胺纤维预浸料的生产效率和产能，同时降低生产成本，改善聚酰亚胺纤维预浸料性能。具体而言，之前上浆是需要对聚酰亚胺纤维单独上浆后再用来生产预浸料，而本专利直接将上浆步骤和预浸料复合步骤连续在一起，节约了上浆时间，减少了人员成本及材料的损耗成本。
优选地，步骤1)中，所述树脂为热塑性或热固性树脂，热塑性树脂包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚甲醛、聚酰胺、聚苯醚等；热固性树脂包括但不限于环氧树脂、聚酯树脂，乙烯基酯，双马来酰胺、热固性聚酰亚胺、氰酸酯等。更优选地，所述树脂为选自聚酰亚胺树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、双马来酰胺树脂中的一种或多种。
优选地，步骤1)中，所述涂膜处理的方法包括：所述涂膜处理的方法包括：将所述树脂进行加热处理，得到熔融状态的树脂，然后进行涂膜，得到所述树脂胶膜。
优选地，步骤2)中，所述聚酰亚胺纤维的拉伸强度≥2.5GPa，模量≥90GPa，玻璃化温度≥320℃，热分解温度≥550℃；和/或
所述聚酰亚胺纤维为聚酰亚胺长纤维和/或聚酰亚胺连续织物。
优选地，步骤2)中，通过纺丝和丝束分齿，得到聚酰亚胺纤维丝束；然后通过上浆，得到湿态聚酰亚胺纤维丝束，其中，所述上浆中采用的上浆剂为水溶性上浆剂。
更优选地，步骤2)中，所述上浆剂中的主官能团为选自环氧基团、氰酸酯基团、异氰酸酯基团、聚氨酯基团、酚醛基团、双马基团中的一种或多种。
优选地，所述展平包括经过上浆后的湿态聚酰亚胺纤维丝束通过展平辊的上下挤压实现平行滑移，最终以平铺的状态进入热炉实现烘干。
优选地，步骤2)中，所述热炉的烘干温度为120-160℃；和/或
所述丝束分齿中，两齿之间的间隙为2-8mm，以便于1-3根(例如，1根、2根或3根)纤维平铺于两齿之间。
本发明中的展平之前为上浆，因此展平主要依靠上浆剂的特性(不仅起到展平剂效果，而且能够改善纤维表面活性，同时烘干过程可以实现定型)和压辊的挤压作用，而现有技术中的预浸料制备方法中即使涉及展平工序，也主要依靠吹气实现展平。
优选地，步骤3)中，所述热辊压处理的条件包括：温度为60-400℃，压力为0.5-4MPa；优选地，所述热辊压处理的条件包括：温度为80-350℃，压力为0.5-2MPa；和/或
所述聚酰亚胺纤维的用量使得所制备得到的预浸料中，所述树脂的含量以质量百分比计为20-60％。
根据本发明的另一目的，本发明的第二方面提供了一种超轻聚酰亚胺预浸料，其由本发明所述方法制备得到，单位面积质量≤80g/m2，层剪切强度为60-80MPa。
根据本发明的还一目的，本发明的第三方面提供了一种复合材料，其包括本发明所述的超轻聚酰亚胺预浸料。
通过上述技术方案，相比于现有技术，本发明能够实现如下有益效果：
(1)可以实现超轻聚酰亚胺纤维预浸料的生产；
(2)可以提高聚酰亚胺纤维预浸料的生产效率和产能，同时降低生产成本；
(3)可以实现聚酰亚胺纤维丝束的展平；
(4)可以改善聚酰亚胺纤维预浸料界面性能。
附图说明
图1示出本发明的超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备工艺流程图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如前所述，本发明的第一方面提供了一种超轻聚酰亚胺预浸料的制备方法，其包括以下步骤：
1)将树脂进行涂膜处理，得到树脂胶膜；
2)将聚酰亚胺纤维依次经过如下处理：放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干；
3)将步骤2)中得到的聚酰亚胺纤维与步骤1)中得到的树脂胶膜进行热压辊复合，得到聚酰亚胺预浸料。
应予说明，本发明中，超轻聚酰亚胺预浸料是指聚酰亚胺预浸料的单位面积质量≤80g/m2，树脂含量是指单面面积预浸料中树脂的质量除以预浸料的质量。
本发明中，所述“树脂胶膜”是指树脂经过加工处理后，所得到的具有一定粘结性的薄膜。根据本发明，所述树脂能够通过挤出、刮涂形成胶膜。
根据本发明，所述树脂为热塑性或热固性树脂，可以为选自聚酰亚胺树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、双马来酰胺树脂中的任一种或两种以上，但并不限于此。
本发明中，所述热塑或热固性树脂可由二酸酐和二胺聚合得到。
本发明中，优选地，所述二酸酐选自均苯四甲酸二酐(PMDA)、2,3,3”,4”-联苯四甲酸二酐(α-BPDA)、3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐(s-BPDA)、3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐(BTDA)、3,3’,4,4’-联苯醚四酸二酐(ODPA)和含氟二酐(TFDA)中的至少一种；所述二胺选自间苯二胺(s-PDA)、对苯二胺(p-PDA)、1,3-双(4-氨基苯氧基)苯(TPER)、4,4’-二氨基二苯醚(ODA)、3,4’-二氨基二苯醚(3,4’-ODA)和含氟二胺(如TFDB)中的至少一种，优选为1,3-双(4-氨基苯氧基)苯(TPER)和4,4’-二氨基二苯醚(ODA)的组合。
根据本发明，所述加工处理制备得到的所述树脂胶膜的厚度，可以在较大范围内变动，本领域技术人员可以根据试验条件进行合理调节。在本发明中，优选地，所述加工处理使得制备得到的所述树脂胶膜的厚度为50-280μm，更优选为70-180μm，进一步优选为75-100μm。在这样的厚度下，所述树脂胶膜与聚酰亚胺纤维能够更好地粘结并成型，获得更高力学性能的聚酰亚胺预浸料。
根据本发明，所述聚酰亚胺纤维为能够作为增强体用于热塑性聚酰亚胺树脂的聚酰亚胺纤维，所述聚酰亚胺纤维可以在较宽范围内选择，优选情况下，所使用的聚酰亚胺纤维的拉伸强度≥2.5GPa，模量≥90GPa，玻璃化温度≥320℃，热分解温度≥550℃。
为了满足良好的加工性能以及所制备得到的预浸料用作复合材料的耐高温性和低介电性，优选地，所使用的聚酰亚胺纤维的拉伸强度为2.8-4.5GPa，模量为100-150GPa，玻璃化温度为350-400℃，热分解温度为580-630℃；进一步优选地，满足上述条件的聚酰亚胺纤维可以为聚酰亚胺长纤维和/或聚酰亚胺连续织物，上述聚酰亚胺纤维均为本领域的常规原料，均可通过商购获得，例如购自江苏先诺新材料科技有限公司，牌号为S35的聚酰亚胺长纤维和牌号为W-200的聚酰亚胺连续织物(面密度200g/m2，径向力＞1600N/cm)。
根据一种优选的实施方式，当所述聚酰亚胺纤维为聚酰亚胺长纤维和/或聚酰亚胺连续织物时，由于所述聚酰亚胺长纤维0°铺层具有更好的力学性能，所述聚酰亚胺连续织物0°与90°方向可承受相同的力，从而能够在热压条件下与树脂胶膜更好地结合，进一步制得性能优异的复合材料。
根据本发明，步骤2)中，与现有技术相比，本发明的预浸料制备工艺增加了上浆、展丝工序，参见图1的制备工艺流程图，工艺流程包括放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干、以及胶膜复合等工序。
上浆的目的不仅在于提升纤维表面的界面结合力、除静电，更重要的是为了便于聚酰亚胺纤维丝束的展平，此种上浆剂在溶剂中具有一定的润滑作用，但是在干态下具有一定的粘性，且富含N和O极性官能团，增加了纤维表面的极性。
优选地，本发明所采用的上浆剂为水溶性上浆剂，更优选为环氧基团、氰酸酯基团、异氰酸酯基团、聚氨酯基团、酚醛基团、双马基团中的一种或多种主官能团的合成物，例如，主官能团为环氧基团与氰酸酯基团的合成物、环氧基团与异氰酸酯基团的合成物。其中，进一步优选上浆剂不带苯环，更进一步优选水溶性上浆剂的制备原料包括TDE85环氧上浆剂。
应予说明，本发明中采用的水溶性上浆剂可以从现有技术中公开的水溶性上浆剂中加以选择，可以采用本领域的常规方法进行制备，只要主官能团能够符合上述条件即可。
本发明中，展平的方法为先对聚酰亚胺纤维进行上浆，然后湿态的聚酰亚胺上浆纤维丝束在张力和特种浆液的作用下，通过展平辊的上下挤压实现平行滑移，最终以平铺的状态进入烘干炉实现干燥，同时也是对丝束平铺状态的定型。
根据本发明，为了进一步提高所制备得到的预浸料用作复合材料的耐高温性和低介电性，优选地，步骤3)中，所述聚酰亚胺纤维的用量使得所制备得到的预浸料中，所述聚酰亚胺纤维的含量为50-90重量％，优选为60-70重量％。
根据本发明，热辊压处理的条件根据所采用的树脂种类而定，优选地，步骤3)中，所述热辊压处理的条件包括：温度为60-400℃，压力为0.5-4MPa。如此，能够使得聚酰亚胺纤维更均匀地分散在树脂胶膜中，有利于获得高性能的复合材料。
具体地，所述热压处理的方法可以为在上述条件下，将所述树脂胶膜与聚酰亚胺纤维进行接触，然后通过辊压机加热辊压，使得树脂与增强纤维完全复合。
在本发明的一个优选实施方式中，对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用热塑性或热固性树脂进行涂膜，然后用于复合工序。聚酰亚胺纤维依次经过放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干、与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿(即，经过两齿之间)，每根齿之间的间隙(即，两齿之间的间隙)例如为3.2mm，便于2～3根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。上浆剂为水溶性浆剂，环保无污染，主官能团为环氧基团与氰酸酯基团的合成物，便于后续与环氧树脂界面结合强度的提高。在上浆剂对纤维加湿润滑的前提下，上浆的纤维经过挤压辊和展平辊的作用可使纤维丝束均匀的排布在展平辊上。经过展平的纤维通过热炉烘干，此时纤维呈现片状，此时进入复合机与胶膜进行复合。
本发明的第二方面提供了由本发明所述方法制备得到的超轻聚酰亚胺预浸料。
根据本发明，由本发明所述方法制备得到的超轻聚酰亚胺预浸料，不易变质，能够很好的满足长期储存和运输的要求，并且单位面积质量≤80g/m2，层剪切强度为60-80MPa，同时兼具超轻性能和良好的界面性能。单位面积质量优选≤70g/m2，更优选≤60g/m2，进一步优选≤50g/m2，更进一步优选≤40g/m2。
本发明的第三方面提供了一种复合材料，该复合材料包括本发明所述的聚酰亚胺预浸料。
根据本发明，所述复合材料可以采用本领域的常规方法进行制备，例如，可以为将本发明所述的聚酰亚胺预浸料进行热压成型处理，所述热压成型处理的条件可以为在2-6MPa的压力下，在100-400℃下，保温1-4h，得到所述复合材料。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
应予说明，以下实施例中，聚酰亚胺纤维采用江苏先诺新材料科技有限公司生产的高强型聚酰亚胺纤维，型号为S35-0.5K/500D(拉伸强度为3.5GPa，模量为130GPa，玻璃化温度为350℃，热分解温度为590℃)。层剪切强度通过ASTM D2344测得。
实施例1～3用以说明超轻聚酰亚胺预浸料的制备。实施例中采用的设备参见图1，图1示出本发明的超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备工艺流程图。
另外，实施例和对比例中采用的上浆剂均为水溶性浆剂，环保无污染。其中，主官能团为环氧基团与氰酸酯基团的合成物的上浆剂是采用TDE85环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司)和双酚F型氰酸酯(扬州天启新材料股份有限公司)作为原料制备得到，主官能团为环氧基团与异氰酸酯基团的合成物的上浆剂是采用TDE85环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司)和异氰酸酯(山东汇邦新材料科技有限公司)作为原料制备得到，主官能团为E51型环氧基团与双酚F型氰酸酯基团的合成物的上浆剂采用E51型环氧树脂(济南晴天化工科技有限公司)和双酚F型氰酸酯(扬州天启新材料股份有限公司)作为原料制备得到。
具体制备方法参考专利申请CN201711442951.4的实施例1中记载的方法，具体为：将环氧树脂与氰酸酯树脂(或异氰酸酯树脂)在50℃按摩尔比为1：0.8混合均匀，再与阴离子表面活性剂PAM按摩尔比为1：0.05混合均匀，加入蒸馏水稀释均匀搅拌30min，得到水溶性上浆剂。
实施例1：
对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司，环氧树脂TDE85)进行涂膜，然后用于复合工序。在涂膜工序上，取35g的环氧树脂于100℃加热处理，得到熔融态的环氧树脂，使用胶膜机将熔融的树脂挤出，得到厚度为80μm的树脂胶膜。在复合工序上，纤维依次经过放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干、与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿，每根齿之间的间隙为3.2mm，便于1根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。上浆剂为水溶性浆剂，环保无污染，主官能团为环氧基团与氰酸酯基团的合成物，便于后续与环氧树脂界面结合强度的提高。在上浆剂对纤维加湿润滑的前提下，上浆的纤维经过挤压辊和展平辊的作用可使纤维丝束均匀的排布在展平辊上。经过展平的纤维通过150℃的热炉烘干，此时纤维呈现片状，此时进入复合机与胶膜进行复合。此条件制备的预浸料克重40g/m2，预浸料中树脂质量分数为40％，制备的复合材料层间剪切强度为65MPa。
实施例2：
对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司，环氧树脂TDE85)进行涂膜，然后用于复合工序。在涂膜工序上，取35g的环氧树脂于100℃加热处理，得到熔融态的环氧树脂，使用胶膜机将熔融的树脂挤出，得到厚度为80μm的树脂胶膜。在复合工序上，纤维依次经过放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干、与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿，每根齿之间的间隙为6mm，便于1根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。上浆剂为水溶性浆剂，环保无污染，主官能团为环氧基团与氰酸酯基团的合成物，便于后续与环氧树脂界面结合强度的提高。在上浆剂对纤维加湿润滑的前提下，上浆的纤维经过挤压辊和展平辊的作用可使纤维丝束均匀的排布在展平辊上。经过展平的纤维通过150℃的热炉烘干，此时纤维呈现片状，此时进入复合机与胶膜进行复合。此条件制备的预浸料克重30g/m2，预浸料中树脂质量分数为40％，制备的复合材料层间剪切强度为70MPa。
实施例3：
对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用氰酸酯树脂(扬州天启新材料股份有限公司，双酚F型氰酸酯树脂)进行涂膜，然后用于复合工序。在涂膜工序上，取35g的氰酸酯树脂于100℃加热处理，得到熔融态的氰酸酯树脂，使用胶膜机将熔融的树脂挤出，得到厚度为80μm的树脂胶膜。在复合工序上，纤维依次经过放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干、与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿，每根齿之间的间隙为6mm，便于1根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。上浆剂为水溶性浆剂，环保无污染，主官能团为环氧基团与异氰酸酯基团的合成物，便于后续与环氧树脂界面结合强度的提高。在上浆剂对纤维加湿润滑的前提下，上浆的纤维经过挤压辊和展平辊的作用可使纤维丝束均匀的排布在展平辊上。经过展平的纤维通过130℃的热炉烘干，此时纤维呈现片状，此时进入复合机与胶膜进行复合。此条件制备的预浸料克重30g/m2，预浸料中树脂质量分数为40％，制备的复合材料层间剪切强度为62MPa。
对比例1：
对比例1与实施例1对比，区别在于不包括展平工序。
对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司，环氧树脂TDE85)进行涂膜，然后用于复合工序。在涂膜工序上，取35g的环氧树脂于100℃加热处理，得到熔融态的环氧树脂，使用胶膜机将熔融的树脂挤出，得到厚度为80μm的树脂胶膜。在复合工序上，纤维依次经过放丝、丝束分齿、上浆、烘干、与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿，每根齿之间的间隙为3.2mm，便于1根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。上浆剂为水溶性浆剂，环保无污染，主官能团为环氧基团与氰酸酯基团的合成物，便于后续与环氧树脂界面结合强度的提高。在上浆剂对纤维上浆的前提下，通过150℃的热炉烘干，此时纤维呈束状，此时进入复合机与胶膜进行复合。此条件制备的预浸料克重100g/m2，预浸料中树脂质量分数为40％，制备的复合材料层间剪切强度为60MPa。
对比例2：
对比例2与实施例1对比，区别在于不包括上浆工序。
对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司，环氧树脂TDE85)进行涂膜，然后用于复合工序。在涂膜工序上，取35g的环氧树脂于100℃加热处理，得到熔融态的环氧树脂，使用胶膜机将熔融的树脂挤出，得到厚度为80μm的树脂胶膜。在复合工序上，纤维依次经过放丝、丝束分齿、展平与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿，每根齿之间的间隙为3.2mm，便于1根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。纤维经过挤压辊和展平辊的作用可使纤维丝束均匀的排布在展平辊上，此时纤维呈现扁束状，此时进入复合机与胶膜进行复合。此条件制备的预浸料克重80g/m2，预浸料中树脂质量分数为40％，制备的复合材料层间剪切强度为56MPa。
对比例3：
对比例3与实施例1对比，区别在于不包括上浆工序和展平工序。
对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司，环氧树脂TDE85)进行涂膜，然后用于复合工序。在涂膜工序上，取35g的环氧树脂于100℃加热处理，得到熔融态的环氧树脂，使用胶膜机将熔融的树脂挤出，得到厚度为80μm的树脂胶膜。在复合工序上，纤维依次经过放丝、丝束分齿与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿，每根齿之间的间隙为3.2mm，便于1根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。此时纤维呈现束状进入复合机与胶膜进行复合。此条件制备的预浸料克重105g/m2，预浸料中树脂质量分数为40％，制备的复合材料层间剪切强度为51MPa。
对比例4：
对比例4与实施例1相比，区别在于改变了上浆剂配方，实施例1中采用的上浆剂不带苯环，而对比例4中采用的上浆剂带苯环。
对超轻聚酰亚胺纤维预浸料的制备方法采用的是二步热熔法，首先采用环氧树脂(天津晶东化学复合材料公司，环氧树脂TDE85)进行涂膜，然后用于复合工序。在涂膜工序上，取35g的环氧树脂于100℃加热处理，得到熔融态的环氧树脂，使用胶膜机将熔融的树脂挤出，得到厚度为80μm的树脂胶膜。在复合工序上，纤维依次经过放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干、与胶膜复合等流程。其中，分齿为纤维丝束每根经过一个齿，每根齿之间的间隙为3.2mm，便于1根纤维平铺于每齿之间，防止纤维运行过程发生发生缠绕和扭曲。上浆剂为水溶性浆剂，环保无污染，主官能团为E51型环氧基团与双酚F型氰酸酯基团的合成物，便于后续与环氧树脂界面结合强度的提高。在上浆剂对纤维加湿润滑的前提下，上浆的纤维经过挤压辊和展平辊的作用可使纤维丝束均匀的排布在展平辊上。经过展平的纤维通过150℃的热炉烘干，此时纤维呈现片状，此时进入复合机与胶膜进行复合。此条件制备的预浸料克重43g/m2，预浸料中树脂质量分数为40％，制备的复合材料层间剪切强度为62MPa。
将上述实施例1～3与对比例1～4的实验结果汇总于下表1中。由下表1可以看出，实施例1～3能够制备出超轻预浸料，克重(即，单位面积质量)可达40g/m2以下，且该预浸料具有较高的层间剪切强度。与此相对，对比例1和3无法制备出超轻预浸料，对比例2的预浸料虽然相对较轻，但层间剪切强度较低。另外，对比例4虽然可以制备出超轻预浸料，但是纤维展宽后宽度小于实施例1，且层间剪切强度弱于实施例1。
表1
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种超轻聚酰亚胺预浸料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将树脂进行涂膜处理，得到树脂胶膜；
2)将聚酰亚胺纤维依次经过如下处理：放丝、丝束分齿、上浆、展平、烘干；
3)将步骤2)中经过处理的聚酰亚胺纤维与步骤1)中得到的树脂胶膜进行热压辊复合，得到聚酰亚胺预浸料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1)中，所述树脂为热塑性树脂或热固性树脂，为选自聚酰亚胺树脂、环氧树脂、氰酸酯树脂、酚醛树脂、双马来酰胺树脂中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤1)中，所述涂膜处理的方法包括：将所述树脂进行加热处理，得到熔融状态的树脂，然后进行涂膜，得到所述树脂胶膜。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤2)中，所述聚酰亚胺纤维的拉伸强度≥2.5GPa，模量≥90GPa，玻璃化温度≥320℃，热分解温度≥550℃；和/或
所述聚酰亚胺纤维为聚酰亚胺长纤维和/或聚酰亚胺连续织物。
5.根据权利要求1或2中所述的方法，其中，步骤2)中，通过纺丝和丝束分齿，得到聚酰亚胺纤维丝束；然后通过上浆，得到湿态聚酰亚胺纤维丝束，其中，所述上浆中采用的上浆剂为水溶性上浆剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤2)中，所述展平包括经过上浆后的湿态聚酰亚胺纤维丝束通过展平辊的上下挤压实现平行滑移，最终以平铺的状态进入热炉实现烘干；和/或
所述上浆剂中的主官能团为选自环氧基团、氰酸酯基团、异氰酸酯基团、聚氨酯基团、酚醛基团、双马基团中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤2)中，所述热炉的烘干温度为120-160℃；和/或
所述丝束分齿中，两齿之间的间隙为2-8mm，使1～3根纤维平铺于两齿之间。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤3)中，所述热辊压处理的条件包括：温度为60-400℃，压力为0.5-4MPa；优选地，所述热辊压处理的条件包括：温度为80-350℃，压力为0.5-2MPa；和/或
所述聚酰亚胺纤维的用量使得所制备得到的预浸料中，所述树脂的含量为20-60质量％。
9.一种超轻聚酰亚胺预浸料，由权利要求1～8中任一项所述的方法制备得到，单位面积质量≤80g/m2，层剪切强度为60-80MPa。
10.一种复合材料，包括权利要求9所述的超轻聚酰亚胺预浸料。
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