CN216466314U - 一种热塑性复合材料线(棒)材 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种热塑性复合材料线(棒)材，属于热塑性复合材料线材或棒材领域，该结构包括如下两个部分：热塑性混杂纤维增强芯部和热塑性混杂纤维缠绕表面层，其中热塑性混杂纤维增强芯部采用的增强纤维以高模量碳纤维为主体混杂高韧性纤维构成，采用拉挤成型工艺以热熔法在单向拉挤纤维的连续走纱过程中加热渗入特定热塑性树脂构成复合芯材；在芯材成型完成之后，在外部采用螺旋缠绕工艺将混杂纤维缠绕在芯材表面，缠绕所用纤维以高强度碳纤维为主体的混杂高韧性纤维构成。该复合层状热塑性复合材料棒材或杆材可在表面进行螺纹二次机加工，适用于一些具有螺纹结构的复合材料棒材或杆材的应用。

Description

一种热塑性复合材料线(棒)材

技术领域

本实用新型属于一种热塑性复合材料线材或棒材，特别涉及一种具有拉挤纤维结构和缠绕纤维结构的热塑性复合材料线材或棒材。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着复合材料二次回收利用的发展越来越广泛，热塑性复合材料具有日益广泛的应用前景，各种连续纤维增强热塑性树脂基复合材料不断研发生产，其中拉挤成型工艺简单、生产效率高，可适用于连续纤维与热塑性树脂的复合棒材或杆材的生产。热塑性拉挤纤维复合材料主要应用在油田、工业等领域的棒状和杆状材料。随着复合材料杆材或棒材加工部件的性能不断升级，对于热塑性复合材料棒材和杆材的二次加工成为主要复合材料的加工趋势，而其中的杆材或棒材的螺纹加工成为其中的主要加工方式，但发明人发现：对于拉挤成型的纤维复合材料，由于纤维的力学性能各向异性，在轴向的拉伸强度大、而在径向的拉伸强度较为薄弱，所以在拉挤成型的棒材或杆材的螺纹加工过程中，容易造成纤维径向的损伤。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种热塑性复合材料的棒材或杆材的结构，该结构包括如下两个部分：热塑性混杂纤维增强芯部和热塑性混杂纤维缠绕表面层，其中热塑性混杂纤维增强芯部采用的增强纤维以高模量碳纤维为主体混杂高韧性纤维构成，采用拉挤成型工艺以热熔法在单向拉挤纤维的连续走纱过程中加热渗入特定热塑性树脂构成复合芯材；在芯材成型完成之后，在外部采用螺旋缠绕工艺将混杂纤维缠绕在芯材表面，缠绕所用纤维以高强度碳纤维为主体的混杂高韧性纤维构成。该复合层状热塑性复合材料棒材或杆材可在表面进行螺纹二次机加工，适用于一些具有螺纹结构的复合材料棒材或杆材的应用。

为实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型的第一个方面，提供了一种热塑性复合材料线/棒材，包括:热塑性混杂纤维增强芯部和热塑性混杂纤维缠绕表面层；所述热塑性混杂纤维缠绕表面层缠绕在热塑性混杂纤维增强芯部表面。

为了提高热塑性复合材料的棒材或杆材的二次螺纹加工性能，需要进一步对于拉挤成型热塑性复合材料的纤维增强结构进行强化处理，在拉挤成型的基础上，通过螺旋缠绕工艺形成拉挤成型纤维增强和螺旋缠绕成型纤维增强的二次复合结构热塑性复合材料线材或棒材，通过螺旋缠绕提高径向复合材料的抗破坏特性，从而提高棒状或杆状复合材料螺纹加工能力。

本实用新型的第二个方面，提供了一种热塑性复合材料线/棒材的制备方法，包括：

采用高模量碳纤维、高韧性纤维进行混杂；

采用单向拉挤工艺排布纤维，形成单向拉挤混杂纤维；

加热加压熔融方式将热塑性树脂熔体渗入单向拉挤混杂纤维内部，成型，得到热塑性混杂纤维增强芯；

采用高强度碳纤维和高韧性纤维混杂；

将混杂纤维二维缠绕在所述热塑性混杂纤维增强芯表面；

浸渍热塑性热熔树脂水性乳液，干燥，形成热塑性混杂纤维缠绕表面层，即得。

本实用新型的制备方法简单、力学性能优异、实用性强，易于推广。

本实用新型的第三个方面，提供了任一项所述的热塑性复合材料线/棒材在油田、工业领域中的应用。

由于本申请制备的棒状或杆状复合材料具有较好的抗破坏特性，因此，有望在在油田、工业领域中得到广泛应用。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型在拉挤成型的基础上，通过螺旋缠绕工艺形成拉挤成型纤维增强和螺旋缠绕成型纤维增强的二次复合结构热塑性复合材料线材或棒材，通过螺旋缠绕提高径向复合材料的抗破坏特性，从而提高棒状或杆状复合材料螺纹加工能力。

(2)本实用新型的结构简单、力学性能优异、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是一种热塑性复合材料的棒材或杆材的结构示意图，该结构包括如下两个部分：热塑性混杂纤维增强芯部1和热塑性混杂纤维缠绕表面层2。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种热塑性复合材料的棒材或杆材的结构，该结构包括如下两个部分：热塑性混杂纤维增强芯部和热塑性混杂纤维缠绕表面层，其中热塑性混杂纤维增强芯部采用的增强纤维以高模量碳纤维为主体混杂高韧性纤维构成，采用拉挤成型工艺以热熔法在单向拉挤纤维的连续走纱过程中加热渗入特定热塑性树脂构成复合芯材；在芯材成型完成之后，在外部采用螺旋缠绕工艺将混杂纤维缠绕在芯材表面，缠绕所用纤维以高强度碳纤维为主体的混杂高韧性纤维构成。该复合层状热塑性复合材料棒材或杆材可在表面进行螺纹二次机加工，适用于一些具有螺纹结构的复合材料棒材或杆材的应用。

所述的热塑性混杂纤维增强芯，采用的高模量碳纤维可选用M40、M40J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种，所用的高韧性纤维可选用芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维等其中的任意一种，两种纤维的混杂比例根据使用要求灵活调节。以兼顾材料的刚性和韧性，使增强芯具有更好的支撑和抗拉作用。

本申请对所述的热塑性混杂纤维增强芯的热塑性树脂基体的具体类型并不作特殊的限定，可选用聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、热塑性聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺等中的任意一种，树脂基体含量控制在40-60％范围内，以利于纤维的分布和树脂的浸渍。

所述的热塑性混杂纤维增强芯将混杂纤维单向排布后经过一定直径的型腔模具后，采用加热加压熔融方式将热塑性树脂熔体渗入单向拉挤混杂纤维内部，加热加压的温度控制在180-290℃范围内，加压压强控制在2-8MPa范围内。最终成型的热塑性混杂纤维增强芯的直径控制在1-10mm范围内根据应用要求灵活调节。

所述的热塑性混杂纤维缠绕表面层在热塑性混杂纤维增强芯制备完成后在其表面采用二维缠绕工艺制备，可采用高强度碳纤维和高韧性纤维混杂缠绕成型，其中高强度碳纤维可选用T300、T700、T800、T1000碳纤维中的任意一种，所用的高韧性纤维可选用芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维等其中的任意一种，两种纤维的混杂比例根据设计要求灵活调整，所述的缠绕过程采用缠绕方式可选用环向缠绕、螺旋缠绕、纵向缠绕等任意一种缠绕方式，其中环向缠绕的缠绕角控制在85-90°范围内，螺旋缠绕的缠绕角控制在45-70°，纵向缠绕的缠绕角不超过25°，以更好地提高径向复合材料的抗破坏特性及螺纹加工能力。

所述的热塑性混杂纤维缠绕表面层的制备，在混杂纤维二维缠绕在芯部表面后浸渍热塑性热熔树脂水性乳液，该热熔胶类型可根据之后涂敷的粉体类型灵活设计，热熔胶水性乳液的浓度控制在3％～10％之间，缠绕表面层浸渍上述浓度的热熔胶后经80～120℃的干燥处理，以提高复合材料的界面剪切强度及综合力学性能。

本申请对所述的热塑性混杂纤维缠绕表面层的热塑性树脂基体乳液的具体组成并不作特殊的限定，可选用聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、热塑性聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺等中的任意一种，树脂基体含量控制在40-60％范围内，以获得较好的分散性、稳定性，有效提高了复合材料与树脂基体的界面剪切强度。

随着热塑性混杂纤维缠绕表面层的厚度的增加，复合材料的径向抗破坏能力及螺纹加工能力得到提高，但若热塑性混杂纤维缠绕表面层的厚度超过5mm，继续增大厚度对径向抗破坏能力提升不大，还会影响复合材料整体的力学性能。因此，在一些实施例中，所述的热塑性混杂纤维缠绕表面层的厚度控制在1-5mm范围内。

下面结合具体的实施例，对本实用新型做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本实用新型的解释而不是限定。

实施例1

一种热塑性复合材料棒材或杆材具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和热塑性混杂纤维缠绕表面层2两部分，其中采用混杂比例5:1将M40碳纤维和芳纶K49纤维进行混杂，采用单向拉挤工艺排布纤维，之后以220℃温度和2MPa压强采用熔渗方式在纤维单丝内部复合树脂含量为55％的热塑性聚酯(PET)基体形成直径4mm的增强芯1。待热塑性混杂纤维增强芯1制备完成后在表面采用T300碳纤维和PBO纤维以5:2的比例进行混杂，以缠绕角85-90°的环向缠绕工艺进行表面增强层2加工。再缠绕混杂纤维的同时，将缠绕纤维浸渍浓度10％的热塑性聚丙烯乳液，之后将其在120℃进行2小时干燥成型制备厚度3mm的树脂含量55％的表面增强层2。

该复合材料具有较好的径向抗破坏特性及螺纹加工能力。

实施例2

一种热塑性复合材料棒材或杆材具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和热塑性混杂纤维缠绕表面层2两部分，其中采用混杂比例5:3将M60碳纤维和芳纶K129纤维进行混杂，采用单向拉挤工艺排布纤维，之后以200℃温度和4MPa压强采用熔渗方式在纤维单丝内部复合树脂含量为50％的聚丙烯基体形成直径3mm的增强芯1。待热塑性混杂纤维增强芯1制备完成后在表面采用T700碳纤维和UHMWPE纤维以3:2的比例进行混杂，以缠绕角45-70°的螺旋缠绕工艺进行表面增强层2加工。再缠绕混杂纤维的同时，将缠绕纤维浸渍浓度10％的热塑性聚氨酯乳液，之后将其在110℃进行3小时干燥成型制备厚度4mm的树脂含量55％的表面增强层2。

该复合材料具有较好的径向抗破坏特性及螺纹加工能力。

实施例3

一种热塑性复合材料棒材或杆材具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和热塑性混杂纤维缠绕表面层2两部分，其中采用混杂比例6:1将M40J碳纤维和芳纶K29纤维进行混杂，采用单向拉挤工艺排布纤维，之后以250℃温度和5MPa压强采用熔渗方式在纤维单丝内部复合树脂含量为53％的热塑性聚酯(PET)基体形成直径3mm的增强芯1。待热塑性混杂纤维增强芯1制备完成后在表面采用T1000碳纤维和PBO纤维以7:2的比例进行混杂，以缠绕角不超过15°的纵向缠绕工艺进行表面增强层2加工。再缠绕混杂纤维的同时，将缠绕纤维浸渍浓度6％的热塑性PET乳液，之后将其在140℃进行4小时干燥成型制备厚度3mm的树脂含量55％的表面增强层2。

该复合材料具有较好的径向抗破坏特性及螺纹加工能力。

实施例4

一种热塑性复合材料棒材或杆材具体包括热塑性混杂纤维增强芯1和热塑性混杂纤维缠绕表面层2两部分，其中采用混杂比例3:1将M60J碳纤维和芳纶K129纤维进行混杂，采用单向拉挤工艺排布纤维，之后以240℃温度和6MPa压强采用熔渗方式在纤维单丝内部复合树脂含量为52％的热塑性聚酯(PET)基体形成直径5mm的增强芯1。待热塑性混杂纤维增强芯1制备完成后在表面采用T800碳纤维和PBO纤维以5:1的比例进行混杂，以缠绕角85-90°的环向缠绕工艺进行表面增强层2加工。再缠绕混杂纤维的同时，将缠绕纤维浸渍浓度8％的热塑性聚烯烃乳液，之后将其在120℃进行5小时干燥成型制备厚度1mm的树脂含量65％的表面增强层2。

该复合材料具有较好的径向抗破坏特性及螺纹加工能力。

最后应该说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。上述虽然对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种热塑性复合材料线/棒材，其特征在于，包括: 热塑性混杂纤维增强芯部和热塑性混杂纤维缠绕表面层；所述热塑性混杂纤维缠绕表面层缠绕在热塑性混杂纤维增强芯部表面;

所述缠绕的方式为缠绕角为85-90°的环向缠绕或缠绕角不超过25°纵向缠绕中的任意一种；

所述热塑性混杂纤维增强芯的直径为1-10mm；

所述热塑性混杂纤维缠绕表面层的厚度为1-5mm。

2.如权利要求1所述的热塑性复合材料线/棒材，其特征在于，所述热塑性混杂纤维增强芯采用高模量碳纤维、高韧性纤维混杂而成。

3.如权利要求2所述的热塑性复合材料线/棒材，其特征在于，所述高模量碳纤维选用M40、M40J、M55、M55J、M60或M60J中的任意一种。

4.如权利要求2所述的热塑性复合材料线/棒材，其特征在于，所述高韧性纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维或PBO纤维中的任意一种。

5.如权利要求1所述的热塑性复合材料线/棒材，其特征在于，所述热塑性混杂纤维缠绕表面层采用高强度碳纤维和高韧性纤维混杂缠绕成型；

其中，高强度碳纤维为T300、T700、T800或T1000碳纤维中的任意一种。

6.如权利要求5所述的热塑性复合材料线/棒材，其特征在于，所用的高韧性纤维为芳纶纤维、UHMWPE纤维或PBO纤维中的任意一种。

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