CN117141003A - 一种热塑性复合材料成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热塑性复合材料成型方法，以热塑性树脂及增强体为原料、通过三维四向编织工艺得到预制体；所述预制体通过加热、加压、拉伸及热定型后得到所述热塑性复合材料；其中，所述预制体的编织角α为10‑40°；当所述预制体的编织角α满足条件10≤α＜25°时，拉伸操作的拉伸比为101：100‑103：100；当编织角α满足条件25≤α≤40°时，拉伸操作的拉伸比为103：100‑105：100。本发明热塑性复合材料成型方法工艺流程简便，可操作性强，通过拉伸操作调节材料的取向性，不仅改善了编织结构损伤的问题，同时提升了复合材料的结晶度和取向度，提升了复合材料的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种热塑性复合材料成型方法。
背景技术
热塑性复合材料具有比强度高、耐腐蚀性好、耐冲击性强、成本较低和可重复利用等优点。在航空航天领域，如飞机压力舱壁板、货舱底板、机身固定翼等方面，在汽车领域，例如汽车保险杠、底板、发动机罩等方面，另外在生物医学领域，如骨钉、髓内板、骨折支架等方面，热塑性复合材料均有广泛的应用。这些应用领域充分利用了热塑性复合材料的优点，以满足各自领域对材料性能和性能要求的需求。
热塑性复合材料主要成型方式有注射成型、层压成型、滚压成型和模压成型等。其中，模压成型是一种将定量的模压原料放入模具中，选择合适的温度和压力后，经过固化成型的方法。在成型过程中需要加热和加压使热塑性树脂熔融并充满模腔，同时增强体纤维也会随之流动。对于三维编织预制体来说，由于其独特的编织结构使得成型复合材料有着良好的抗弯性能和抗疲劳损伤等优点，而传统的模压成型方式会对编织结构造成破坏，从而影响复合材料的力学性能。因此，研究出一种可以保持三维编织预制体结构的模压成型方法是当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明公开一种热塑性复合材料成型方法，采用该方法进行三维编织工艺编织的热塑性复合材料预制体的成型，可在加热预制体后对预制体进行拉伸、加压，从而保持热塑性复合材料的编织结构，提升了复合材料的力学性能。
为了实现以上技术目的，一方面，本发明提出了一种热塑性复合材料成型方法，以热塑性树脂及增强体为原料、通过三维四向编织工艺得到预制体；所述预制体通过加热、加压、拉伸及热定型后得到所述热塑性复合材料；其中，所述预制体的编织角α为10-40°；当所述预制体的编织角α满足条件10≤α＜25°时，拉伸操作的拉伸比为101：100-103：100；当编织角α满足条件25≤α≤40°时，拉伸操作的拉伸比为103：100-105：100。
相对于机织工艺及传统二维编制工艺，三维四向编织工艺在水平、垂直和厚度方向上交织纤维，通过控制四个方向的编织轴向使得纤维在织物中分布更均匀，因而采用三维四向编织工艺所制备热塑性复合材料可提供更好的强度、刚度和耐用性；但正由于三维四向编织预制体中增强纤维在多个方向上分布的特殊结构，采用传统模压成型时对预制体编制结构的破坏更明显，并由此影响复合材料的力学性能。
本发明研发团队基于长期研发经验提出了上述针对三维四向编织工艺所制备热塑性复合材料的成型方法，即在传统模压成型的基础上增加了拉伸操作；此外，本发明研发团队通过大量实验发现，采用三维四向编织工艺所制备预制体的编织角α的大小将影响拉伸操作时的拉伸比，可选的，所述预制体的编织角α为10-40°；进一步可选的，当所述预制体的编织角α满足条件10≤α＜25°时，拉伸操作的拉伸比为101：100-103：100；当编织角α满足条件25≤α≤40°时，拉伸操作的拉伸比为103：100-105：100。由此，本发明通过对编制预制体进行加热、加压、拉伸及热定型，可消除加热、加压过程中树脂流动而造成的增强纤维位移或扭曲，进而调节材料的取向性并控制聚合物分子链的方向排列，从而提升了复合材料的取向度和结晶度、保证复合材料的机械性能。
采用上述技术方案进行预制体成型时，首先需对预制体进行加热操作，使得其所包含的热塑性树脂熔融，随后再进行加压和拉伸操作。需注意的是，本发明对进行加压和拉伸操作的时间节点不做限定，在具体实施时可采用先拉伸、后加压，再热定型的操作方式，也可采用同时拉伸、加压，后热定型的操作方式来制备热塑性复合材料，或采用其他操作方式，对加压和拉伸操作时间节点的选择并不由此限定本发明的保护范围内。
进一步，本发明对拉伸操作的温度不做限定，可选为低于热塑性树脂熔融温度10-20℃的温度，此时热塑性树脂处于半熔融状态，更利于拉伸操作的进行，通过拉伸以消除树脂流动对增强纤维丝形变的影响。
需注意的是，本发明对拉伸操作中所施加的负荷及拉伸载荷不作限定，在具体热塑性复合材料成型过程中可选择合适的拉伸负荷方式及拉伸荷载拉伸加热后的预制体，由此形成的技术方案均在本发明保护范围内。
进一步，所述预制体采用热塑性树脂纤维和增强体纤维合股制备。
更进一步的，所述增强体纤维占预制体的质量分数为10%-60%。再进一步的，所述增强体纤维占预制体的质量分数为32%-52%。再进一步的，所述增强体纤维占预制体的质量分数为40%-50%。由此可通过控制预制体中增强体纤维的含量，进一步平衡热塑性复合材料的强度、刚度、韧性等性能。
更进一步的，本发明对复合材料所用热塑性树脂纤维和增强体纤维的种类不做限定，所述热塑性树脂纤维包括聚丙烯、聚乳酸、尼龙纤维和聚醚醚酮中的一种或多种；所述增强体纤维包括碳纤维、玻璃纤维、麻纤维和玄武岩纤维中的一种或多种，本领域内普通技术人员可根据需要选择合适的热塑性树脂纤维和增强体纤维，由此形成的技术方案均在本发明保护范围内。
与现有技术相比，本发明热塑性复合材料成型方法通过对经三维四向编织工艺制得的预制体进行加热、加压、拉伸及热定型，根据编织角设置合适的拉伸比，实现成型，该方法的工艺流程简便，可操作性强，通过拉伸操作调节材料的取向性，不仅改善了编织结构损伤的问题，同时提升了复合材料的结晶度和取向度，提升了复合材料的力学性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为实施例1和对比例1的载荷位移曲线对比图；
图2为实施例2和对比例2所制备复合材料的宏观形貌对比图；
图3为实施例2与对比例2所制备复合材料的载荷位移曲线对比图；
图4为实施例2与对比例2所制备复合材料的剪切强度对比图；
图5为实施例4和对比例3的载荷位移曲线对比图；
图6为不同质量分数复合材料弯曲强度和弯曲模量曲线对比图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，给出了本发明的较佳实施例。但应当理解为这些实施例仅用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并无意于限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提出了一种热塑性复合材料成型方法，以热塑性树脂及增强体为原料、通过三维四向编织工艺得到预制体；所述预制体通过加热、加压、拉伸及热定型后得到所述热塑性复合材料；其中，所述预制体的编织角α为10-40°；当所述预制体的编织角α满足条件10≤α＜25°时，拉伸操作的拉伸比为101：100-103：100；当编织角α满足条件25≤α≤40°时，拉伸操作的拉伸比为103：100-105：100。
可选的，所述拉伸温度为低于热塑性树脂熔融温度10-20℃的温度。
可选的，所述预制体采用热塑性树脂纤维和增强体纤维合股制备。
进一步可选的，所述增强体纤维占预制体的质量分数为10%-60%。更进一步可选的，所述增强体纤维占预制体的质量分数为32%-52%。再进一步可选为的，所述增强体纤维占预制体的质量分数为40%-50%。
进一步可选的，所述热塑性树脂纤维包括聚丙烯、聚乳酸、尼龙纤维和聚醚醚酮中的一种或多种。
进一步可选的，所述增强体纤维包括碳纤维、玻璃纤维、麻纤维和玄武岩纤维中的一种或多种。
本实施例所示所述预制体的成型方法在成型模具中进行，该成型模具设置用于放置预制体的凹槽，并可形成与凹槽匹配的用于预制体成型的空间；此外，该成型模具还设置用于对加热后的预制体进行拉伸的技术特征，比如在一些可选实施方式中，可设置用于固定预制体的一端、拉伸预制体的另一端的技术特征，或设置固定预制体中间部分、拉伸预制体两端的技术特征等。需注意的是，对成型模具的选择并不由此限定本发明的保护范围，本领域内普通技术人员可基于本发明技术方案，通过非创造性的劳动选择合适的成型模具进行热塑性复合材料成型操作，由此形成的技术方案均在本发明保护范围内。
实施例1
本实施例展示一种工况下的热塑性复合材料成型方法，需注意，本实施例仅为较优展示，并由此限定本发明的保护范围。
具体的，该方法以聚乳酸及增强体玻璃纤维为原料、通过三维四向编织工艺得到预制体，所述预制体通过加热、加压、拉伸及热定型后得到所述热塑性复合材料。其中，预制体的编织角α为10°，长度为240mm，宽度为10mm，厚度为7mm，玻璃纤维增强体占预制体的质量分数为42%。
本实施例中具体的热定型方法包括：首先将所述预制体置于成型模具中，并固定预制体的前后端，然后实现合模；预热热压机至160℃，预热完成后将模具放置于压台上进行加热；随后通过外力带动预制体的一端实现拉伸，拉伸比为101:100，拉伸温度为160℃；拉伸完成后继续加热至185℃、压力8MPa条件下进行加压热定型，热定型时间为约25min；热定型完成后关闭热压机，待冷却固化得到玻璃纤维增强聚乳酸复合材料。
对复合材料进行层间剪切性能测试，测试仪器为LE5305力试万能材料试验机，测试标准采取ASTM D2344（《聚合物基复合材料及其层压板短梁强度标准试验方法》）。本实施例复合材料的剪切载荷峰值353N。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，拉伸操作时的拉伸比为105:100。经检测，本对比例所制得玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的剪切载荷峰值为232N。
图1示出了实施例1和对比例1的载荷位移曲线对比。由图1可证实，实施例1的剪切载荷峰值大于对比例1的剪切载荷峰值，从而可推断当编织角较小时，增大拉伸比会导致编织结构散乱、影响最终复合材料三维编织的结构完整性，进而降低复合材料的剪切强度性能。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，所述预制体的编织角α为16°，拉伸操作时的拉伸比为103:100；经加热、拉伸、加压和热定型后得到玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，经检测，本实施例复合材料的剪切载荷峰值591N。
对比例2
本对比例采用传统模压成型工艺进行热塑性复合材料模压成型，与实施例2的不同之处在于成型过程中未进行拉伸操作，加热后的预制体经加压、热定型、冷却固化得到玻璃纤维增强聚乳酸复合材料。经检测，该复合材料的剪切载荷峰值为445N。
图2示出了实施例2和对比例2所制备复合材料的宏观形貌。通过图2可证实，采取本发明热塑性复合材料成型方法所制备复合材料纤维的配列规整，预制体的结构保留完整，有更好的抗弯能力，具有更佳的机械性且便于后续加工成型；而对比例2所示复合材料的编织结构散乱，将影响了复合材料力学性能稳定度，使得复合材料的脆性加大。
图3和图4分别示出了实施例2与对比例2所制备复合材料的载荷位移曲线及剪切强度对比图，剪切强度的测量方法与实施例1中所用层间剪切性能测试方法相同，剪切强度的计算公式为，其中ILSS为复合材料的横向短梁剪切强度，MPa；F max为试样最大载荷，N；b和h分别是试样的宽度和厚度测量值，mm。由图3和图4可证实，相较于传统的未进行拉伸模压成型的工艺，实施例2复合材料具有更高的剪切强度和抗剪性能，能够承受更大的剪切力而不发生破坏。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，所述预制体的编织角α为26°，拉伸操作时的拉伸比为103:100；经加热、拉伸、加压和热定型后得到玻璃纤维增强聚乳酸复合材料。经检测，本实施例复合材料的剪切载荷峰值379N。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，所述预制体的编织角α为40°，拉伸操作时的拉伸比为105:100；经加热、拉伸、加压和热定型后得到玻璃纤维增强聚乳酸复合材料。经检测，本实施例复合材料的剪切载荷峰值285N。
对比例3
本对比例与实施例4的不同之处在于，拉伸操作时的拉伸比为101:100。经检测，本对比例所制得玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的剪切载荷峰值为163N。
实施例4和对比例3的载荷位移曲线对比如图5所示。由图5可验证，当预制体的编织角α较大时，采取过小的拉伸比会使得复合材料力学性能下降严重。由此推断，当预制体的编织角α较大，三维编织结构在一定程度上将会受到编织角α大小的影响，若采取过低的拉伸比将无法改善这一情况。此外，通过结合实施例1、对比例1可证实，相较于编织角α较小的试样，编织角α较大的试样的受到拉伸比的影响更明显，拉伸比不匹配导致对比例2复合材料结构破坏更为严重，剪切载荷峰值为降低更幅度更大。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例以聚醚醚酮及增强体碳纤维为原料、通过三维四向编织工艺得到预制体，所述预制体的编织角α为13°，碳纤维增强体占预制体的质量分数为30%；预热及拉伸温度为150℃，拉伸比为102:100；加压热定型的条件为175℃、2Mpa，热定型的时间为约30min；热定型完成后关闭热压机，待冷却固化得到碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。经检测，本实施例复合材料的剪切载荷峰值536N。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例以聚丙烯及增强体麻纤维为原料、通过三维四向编织工艺得到预制体，所述预制体的编织角α为30°，麻纤维增强体占预制体的质量分数为35%；预热及拉伸温度为150℃，拉伸比为104:100；加压热定型的条件为375℃、1Mpa，热定型的时间为约60min；热定型完成后关闭热压机，待冷却固化得到碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。经检测，本实施例复合材料的剪切载荷峰值499N。
实施例7
基于实施例1所示的热塑性复合材料成型方法，本实施例对预制体中增强体纤维的质量占比进行了探索和优化。制备了5个梯度的玻璃纤维占预制体质量分数并制备相应的玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，随后对复合材料进行弯曲性能测试。测试仪器为LE5305力试万能材料试验机，测试标准采取GB/T 1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》。
图6示出了预制体中不同增强体质量分数玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的弯曲强度和弯曲模量对比图。由图6可验证，由于聚乳酸复合材料具有一定的脆性，当预制体中所添加玻璃纤维质量分数从32%上升至42%时，复合材料力学性能呈现上升趋势，缓解了因聚乳酸本身性质带来的抗弯性较差的问题。当玻璃纤维质量分数从42%上升至52%时，弯曲强度和弯曲模量呈现下降趋势，推测可能是由于增强体纤维引入过多，影响了复合材料界面结合，并进一步影响了三维编织的花节结构，导致复合材料的力学性能下降。故本发明技术方案中所述增强体纤维占预制体的质量分数可选为10%-60%，进一步可选为32%-52%，更进一步可选为40%-50%。
需注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明；本实施例尺寸数据并不定限定本技术方案，只是展示其中一种具体的工况。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单改进和润饰，都应当视为属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于，以热塑性树脂及增强体为原料、通过三维四向编织工艺得到预制体；所述预制体通过加热、加压、拉伸及热定型后得到所述热塑性复合材料；其中，所述预制体的编织角α为10-40°；当所述预制体的编织角α满足条件10≤α＜25°时，拉伸操作的拉伸比为101：100-103：100；当编织角α满足条件25≤α≤40°时，拉伸操作的拉伸比为103：100-105：100。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料成型方法，其特征在于，所述拉伸温度为低于热塑性树脂熔融温度10-20℃的温度。
3.根据权利要求1所述的热塑性复合材料成型方法，其特征在于，所述预制体采用热塑性树脂纤维和增强体纤维合股制备。
4.根据权利要求3所述的热塑性复合材料成型方法，其特征在于，所述增强体纤维占预制体的质量分数为10%-60%。
5.根据权利要求4所述的热塑性复合材料成型方法，其特征在于，所述增强体纤维占预制体的质量分数为32%-52%。
6.根据权利要求5所述的热塑性复合材料成型方法，其特征在于，所述增强体纤维占预制体的质量分数为40%-50%。
7.根据权利要求3所述的热塑性复合材料成型方法，其特征在于，所述热塑性树脂纤维包括聚丙烯、聚乳酸、尼龙纤维和聚醚醚酮中的一种或多种。
8.根据权利要求3所述的热塑性复合材料成型方法，其特征在于，所述增强体纤维包括碳纤维、玻璃纤维、麻纤维和玄武岩纤维中的一种或多种。
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