CN117621486A - 一种干纤维自动铺放材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及复合材料技术领域，提供了一种干纤维自动铺放材料及其制备方法和应用。其中，干纤维自动铺放材料的制备方法采用乳液/悬浮液两次浸渍法实现干纤维自动铺放材料的制备，干纤维自动铺放材料包括纤维和网纱。本申请提供的干纤维自动铺放材料的制备方法，可得到适用于自动铺放工艺且具有良好工艺性的干纤维自动铺放材料，进而实现高性能复合材料的低成本稳定制造。
Description
技术领域
本申请涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种干纤维自动铺放材料及其制备方法和应用。
背景技术
先进树脂基复合材料具有高比强、高比模、耐腐蚀、耐疲劳、性能可设计等优势，已经作为重要材料在航空航天领域得到广泛应用。考虑到材料和工艺成本问题，自动化、整体化和低成本制造技术已成为当今复合材料制造发展的主流趋势。基于此现状，国外将自动铺放技术和液态成型技术的优点结合起来，发展了基于自动铺放的干纤维液体成型高韧复合材料技术，该技术正处于迅速发展的阶段，形成了相应的材料牌号，如Hexcel公司的Solvey公司的/>针对大型军民用机翼、尾翼壁板类制件开展了典型件制造验证，针对该技术开展了相应的铺放材料研制和工艺研究，在大型客机的主承力结构制件上开展了工艺验证、静力及装机考核，并初步实现了装机应用，获得了较高的性价比，成为了近年来先进树脂基复合材料领域值得密切关注的新发展方向之一。我国目前未开展针对干纤维自动铺放材料的相关系统研究，国产干纤维自动铺放材料商品化牌号尚属空白，亟需开展相关工作，满足国内航空用复合材料领域的低成本、高性能的迫切需求。
现有的自动铺放液体成型工艺干纤维主要存在以下问题：干纤维由于内聚力较差容易分层，造成分切过程中劈丝、起毛的现象，且分切后宽度偏大，导致自动铺放过程中出丝卡顿，预制体较蓬松；进一步导致在液体成型过程中，复合材料的厚度和树脂含量难以控制。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本申请提供了一种干纤维自动铺放材料及其制备方法和应用，要解决的技术问题是：现有的自动铺放液体成型工艺干纤维的性能较差。
(2)技术方案
第一方面，本申请提供了一种干纤维自动铺放材料的制备方法，包括：
将纤维缠绕在纱筒上，经过金属辊进入槽体，将配制的第一乳液/悬浮液倒入槽体内对纤维进行一次处理，使树脂成分进入纤维束内部，过烘道烘干后得到第一状态纤维；其中，所述第一乳液/悬浮液包括树脂、表面活性剂和溶剂；
将所述第一状态纤维展开至一定宽度，展宽后的纤维经过金属辊进入槽体，将配制的第二乳液/悬浮液倒入槽体内对纤维进行二次处理，使树脂成分保留在纤维束外侧表面，过烘道烘干后得到第二状态纤维；其中，所述第二乳液/悬浮液包括树脂、表面活性剂和溶剂；
将所述第二状态纤维收紧、调整宽度至最终干纤维带的期望宽度，通过热压辊将单根纤维粘结成所需宽度的纤维带，并维持调节后的宽度；
采用热压辊和加热板将网纱与纤维复合，控制上下表面温度，调节复合速度、压辊间隙，控制网纱含量和干纤维自动铺放材料面密度；
将复合后的干纤维带分切成特定宽度的干纤维带或干纤维丝束，并收卷。
更进一步地，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种；其中，所述碳纤维包括T300级、T700级、T800级、T1100级、高模型或其他系列中的一种或多种，结构形式包括单向带、织物。
更进一步地，所述树脂包括未交联或部分交联或完全交联或改性的环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、双马树脂、热塑性树脂中的一种或多种；所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇醚、聚氧乙烯乙基醚或其他表面活性剂中的一种或多种；所述溶剂包括水、乙醇或其他溶剂中的一种或多种。
更进一步地，所述一次处理和所述二次处理的表面活性剂含量为0.5％～2％，含浸速度为1m/min～10m/min，压辊间隙为0.1mm～1mm，烘道温度为70℃～200℃。
更进一步地，所述第一状态纤维的展开方式包括加热辊展开、超声辊震动展开中的一种或两种。
更进一步地，所述网纱为纤维毡，采用熔融纺丝、静电纺丝或湿法成网工艺制造；所述网纱包括聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、酚酞型聚醚砜、聚氨酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或其混合物或共聚物；所述网纱的网丝直径为1μm～50μm，网纱面密度为2g/m2～20g/m2。
更进一步地，热压温度为80℃～200℃；纤维面密度为80g/m2～300g/m2；所述第一状态纤维的表面重量增加量为纤维面密度的0.5％～5％；所述第二状态纤维的表面重量增加量为纤维面密度的0.5％～15％；网纱与纤维复合的上下表面温度为60℃～150℃，复合速度为1m/min～10m/min，压辊间隙为0.1mm～1mm，网纱含量为纤维面密度的1％～15％；网纱使用单面复合形式或双面复合形式。
更进一步地，所述干纤维自动铺放材料面密度为85g/m2～400g/m2；分切后的特定宽度的干纤维带宽度为75mm、150mm、300mm，特定宽度的干纤维丝束宽度为3.175mm、6.35mm、12.7mm。
第二方面，本申请提供了一种干纤维自动铺放材料，基于如上所述的干纤维自动铺放材料的制备方法得到。
第三方面，本申请提供了一种如上所述的干纤维自动铺放材料的制备方法得到的干纤维自动铺放材料或如上所述的干纤维自动铺放材料在复合材料领域中的应用。
(3)有益效果
本申请的上述技术方案具有如下优点：
本申请第一方面提供的干纤维自动铺放材料的制备方法，可得到适用于自动铺放工艺且具有良好工艺性的干纤维自动铺放材料，进而实现高性能复合材料的低成本稳定制造。
可以理解的是，上述第二方面和第三方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的干纤维自动铺放材料制备装置的示意图。
附图标记：1、纱架，2、第一液体槽，3、第一烘道，4、第二液体槽，5、第二烘道，6、第一热辊，7、热板，8、第二热辊，9、上网纱开卷，10、下网纱开卷，11、第三热辊，12、上收纸轴，13、下收纸轴，14、牵引辊，15、上覆膜轴，16、下覆膜轴，17、覆膜辊，18、切刀，19、收卷机构。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一“、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种干纤维自动铺放材料的制备方法，可由如图1所示的干纤维自动铺放材料制备装置实现，包括以下步骤：
步骤一、基于乳液/悬浮液法对纤维进行一次处理。在溶剂中配制第一乳液/悬浮液，将纤维缠绕在纱筒上，经过金属辊进入槽体，将第一乳液/悬浮液倒入槽体内对纤维进行一次处理，过烘道烘干，得到第一状态纤维。
步骤二、基于乳液/悬浮液法对纤维进行二次处理。将纤维丝束展开至一定宽度，其宽度大于最终干纤维带的期望宽度，在此宽度下，单根纤维间存在一定间隙；在溶剂中配制第二乳液/悬浮液，展宽后的纤维经过金属辊进入槽体，将第二乳液/悬浮液倒入槽体内对纤维进行二次处理，过烘道烘干，得到第二状态纤维。
步骤三、热压粘接。第二状态纤维经收紧、调整宽度至最终干纤维带的期望宽度，通过热压辊将单根纤维粘结成所需的宽度的纤维带，提高带材内部的交联和粘接，减少分层，并维持调节后的宽度。
步骤四、采用热压辊和加热板方法将网纱与纤维复合。控制上下表面温度使得网纱与纤维良好复合，调节复合速度、压辊间隙，控制网纱含量和干纤维自动铺放材料面密度在合适范围。
步骤五、将复合后的干纤维带分切成特定宽度的干纤维带或干纤维丝束，收卷。
在一些实施例中，纤维包括但不限于碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维的一种或几种的组合。其中，碳纤维包括T300级、T700级、T800级、T1100级、高模型或其他系列的一种或多种组合。结构形式包括单向带、织物。
在一些实施例中，第一乳液/悬浮液成分包括未交联或部分交联或完全交联或改性的环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、双马树脂、热塑性树脂的一种或几种的组合，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇醚、聚氧乙烯乙基醚或其他表面活性剂的一种或几种的组合，溶剂为水、乙醇或其他溶剂的一种或多种组合。乳液/悬浮液粒径＜1μm，使树脂成分可以进入纤维束内部。
在一些实施例中，第二乳液/悬浮液成分包括未交联或部分交联或完全交联或改性的环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、双马树脂、热塑性树脂的一种或几种的组合，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇醚、聚氧乙烯乙基醚或其他表面活性剂的一种或几种的组合，溶剂为水、乙醇或其他溶剂的一种或多种组合。乳液/悬浮液粒径10μm～100μm，槽内预置搅拌装置使乳液/悬浮液体系保持稳定，通过浸渍过程使树脂成分保留在纤维束外侧表面。通过两次乳液/悬浮液浸渍处理，充分提高纤维束内聚力，增强分切的尺寸稳定性。
在一些实施例中，网纱为纤维毡，通常采用熔融纺丝、静电纺丝、湿法成网等工艺制造。网纱包括聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、酚酞型聚醚砜、聚氨酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯等或其混合物或共聚物。网丝直径为1μm～50μm，网纱面密度为2g/m2～20g/m2。
在一些实施例中，展开方式包括加热辊展开、超声辊震动展开或两种方法的组合等。
在一些实施例中，一次处理过程，表面活性剂含量0.5％～2％，调节含浸速度为1m/min～10m/min，调节压辊间隙0.1mm～1mm。根据悬浮液成分和溶剂种类，调节烘道温度70℃～200℃。
在一些实施例中，二次处理过程，表面活性剂含量0.5％～2％，调节含浸速度为1m/min～10m/min，调节压辊间隙0.1mm～1mm。根据悬浮液成分和溶剂种类，调节烘道温度70℃～200℃。根据实际需求，也可省略此过程，或使用机械撒粉装置在纤维单侧表面均匀震动铺撒第二乳液/悬浮液中的树脂成分，通过加热熔融使其附着在纤维表面。
在一些实施例中，热压温度与悬浮液成分、网纱材料种类等相关，推荐的热压温度80℃～200℃。
在一些实施例中，纤维面密度为80g/m2～300g/m2。第一状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的0.5％～5％。
在一些实施例中，第二状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的0.5％～15％。在保证干纤维带整体性的同时，为了防止阻碍后续液体成型工艺的树脂渗流，表面重量增加量建议小于5％。由此，实现液体成型过程中复合材料厚度的有效控制。
在一些实施例中，网纱与纤维复合过程，控制上表面温度60℃～150℃之间，下表面温度60℃～150℃之间，调节复合速度为1m/min～10m/min，调节压辊间隙0.1mm～1mm之间，控制网纱含量合适范围为纤维面密度的1％～15％，建议面密度不超过10g/m2。网纱使用单面复合形式或双面复合形式，根据实际使用需求，某些情况下可以不复合网纱。
在一些实施例中，干纤维自动铺放材料面密度合适范围为85g/m2～400g/m2。分切后的特定宽度的干纤维带宽度为75mm、150mm、300mm，适用于自动铺带工艺；特定宽度的干纤维丝束宽度为3.175mm、6.35mm、12.7mm，适用于自动丝束铺放工艺。
第二方面，本申请提供了一种干纤维自动铺放材料，基于如上所述的干纤维自动铺放材料的制备方法得到。
第三方面，本申请提供了一种如上所述的干纤维自动铺放材料的制备方法得到的干纤维自动铺放材料或如上所述的干纤维自动铺放材料在复合材料领域中的应用。
下面结合具体试验例进行说明。
试验例1
采用T800级碳纤维，第一乳液/悬浮液成分为环氧树脂，表面活性剂为聚乙二醇醚，溶剂为水，第一状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的3.5％；第二乳液/悬浮液成分为环氧树脂，溶剂为水，第二状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的5％；网纱与碳纤维单面复合，复合过程上表面温度65℃，下表面温度120℃，调节复合速度为2m/min，调节压辊间隙0.3mm，控制网纱含量6％，控制干纤维自动铺放材料面密度200g/m2，得到T800级碳纤维干纤维自动铺放材料。
试验例2
采用T1100级碳纤维，第一乳液/悬浮液成分为双马树脂，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，溶剂为乙醇，第一状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的4％；第二乳液/悬浮液成分为双马树脂，溶剂为乙醇，第二状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的4％；网纱与碳纤维单面复合，复合过程上表面温度70℃，下表面温度130℃，调节复合速度为3m/min，调节压辊间隙0.3mm，控制网纱含量7％，控制干纤维自动铺放材料面密度195g/m2，得到T1100级碳纤维干纤维自动铺放材料。
试验例3
采用M40J级碳纤维，第一乳液/悬浮液成分为环氧树脂，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，溶剂为水，第一状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的4.5％；第二乳液/悬浮液成分为环氧树脂，溶剂为丙酮，第二状态纤维表面重量增加量为纤维面密度的3.5％；网纱与碳纤维单面复合，复合过程上表面温度60℃，下表面温度120℃，调节复合速度为3m/min，调节压辊间隙0.3mm，控制网纱含量8％，控制干纤维自动铺放材料面密度210g/m2，得到M40J级碳纤维干纤维自动铺放材料。
本申请提供的干纤维自动铺放材料的制备方法，可用于自动铺放工艺成型。本申请创造性地提出乳液/悬浮液两次浸渍法提升纤维束内聚力：采用纤维一次表面处理的办法，可提高干纱束内的粘结力以提升整体性，同时不显著降低复合材料Tg；采用匹配的乳液/悬浮液二次表面处理的方法，提升纤维的抱合力及整体性；采用网纱与纤维复合，可直接采用现有的预浸设备制备，无需另制备干纤维自动铺放材料的专用设备，节约成本；效率高，可批量制备，配合适应分切，可制备任意面密度的铺放材料。本申请在高性能复合材料制造技术领域有很好的应用价值和经济效益。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，包括：
将纤维缠绕在纱筒上，经过金属辊进入槽体，将配制的第一乳液/悬浮液倒入槽体内对纤维进行一次处理，使树脂成分进入纤维束内部，过烘道烘干后得到第一状态纤维；其中，所述第一乳液/悬浮液包括树脂、表面活性剂和溶剂；
将所述第一状态纤维展开至一定宽度，展宽后的纤维经过金属辊进入槽体，将配制的第二乳液/悬浮液倒入槽体内对纤维进行二次处理，使树脂成分保留在纤维束外侧表面，过烘道烘干后得到第二状态纤维；其中，所述第二乳液/悬浮液包括树脂、表面活性剂和溶剂；
将所述第二状态纤维收紧、调整宽度至最终干纤维带的期望宽度，通过热压辊将单根纤维粘结成所需宽度的纤维带，并维持调节后的宽度；
采用热压辊和加热板将网纱与纤维复合，控制上下表面温度，调节复合速度、压辊间隙，控制网纱含量和干纤维自动铺放材料面密度；
将复合后的干纤维带分切成特定宽度的干纤维带或干纤维丝束，并收卷。
2.如权利要求1所述的干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或多种；其中，所述碳纤维包括T300级、T700级、T800级、T1100级、高模型或其他系列中的一种或多种，结构形式包括单向带、织物。
3.如权利要求1所述的干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，所述树脂包括未交联或部分交联或完全交联或改性的环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、双马树脂、热塑性树脂中的一种或多种；所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇醚、聚氧乙烯乙基醚或其他表面活性剂中的一种或多种；所述溶剂包括水、乙醇或其他溶剂中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，所述一次处理和所述二次处理的表面活性剂含量为0.5％～2％，含浸速度为1m/min～10m/min，压辊间隙为0.1mm～1mm，烘道温度为70℃～200℃。
5.如权利要求1所述的干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，所述第一状态纤维的展开方式包括加热辊展开、超声辊震动展开中的一种或两种。
6.如权利要求1所述的干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，所述网纱为纤维毡，采用熔融纺丝、静电纺丝或湿法成网工艺制造；所述网纱包括聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚苯硫醚、聚砜、聚醚砜、酚酞型聚醚砜、聚氨酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或其混合物或共聚物；所述网纱的网丝直径为1μm～50μm，网纱面密度为2g/m2～20g/m2。
7.如权利要求1所述的干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，热压温度为80℃～200℃；纤维面密度为80g/m2～300g/m2；所述第一状态纤维的表面重量增加量为纤维面密度的0.5％～5％；所述第二状态纤维的表面重量增加量为纤维面密度的0.5％～15％；网纱与纤维复合的上下表面温度为60℃～150℃，复合速度为1m/min～10m/min，压辊间隙为0.1mm～1mm，网纱含量为纤维面密度的1％～15％；网纱使用单面复合形式或双面复合形式。
8.如权利要求1所述的干纤维自动铺放材料的制备方法，其特征在于，所述干纤维自动铺放材料面密度为85g/m2～400g/m2；分切后的特定宽度的干纤维带宽度为75mm、150mm、300mm，特定宽度的干纤维丝束宽度为3.175mm、6.35mm、12.7mm。
9.一种干纤维自动铺放材料，其特征在于，基于如权利要求1至8任一项所述的干纤维自动铺放材料的制备方法得到。
10.如权利要求1至8任一项所述的干纤维自动铺放材料的制备方法得到的干纤维自动铺放材料或如权利要求9所述的干纤维自动铺放材料在复合材料领域中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311808812.4A CN117621486A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种干纤维自动铺放材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311808812.4A CN117621486A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种干纤维自动铺放材料及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117621486A true CN117621486A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90025314
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311808812.4A Pending CN117621486A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种干纤维自动铺放材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117621486A (zh) |
-
2023
- 2023-12-26 CN CN202311808812.4A patent/CN117621486A/zh active Pending
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