CN104416912A - 一种连续纤维增强热塑性树脂制品及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种连续纤维增强热塑性树脂制品及其制备方法。本发明通过对连续纤维增强热塑性预浸带材料的分切成3～10mm后进行编织成连续纤维增强热塑性树脂复合材料布或编织成各种零部件形状，再通过模具，经过热加工制作成任意形状的连续纤维增强热塑性复合材料零部件或制品。本发明的加工方法可以有效解决利用单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带制作结构性部件加工困难问题，即而使零部件具有更高机械性能。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种连续纤维增强热塑性树脂制品及其制备方法。
背景技术
连续性纤维增强热塑性树脂是由纤维和树脂两部分组成，绝大多数的热塑性树脂拉伸强度低，但是具有很高的韧性和可塑性；而纤维有很高的拉伸强度，但是容易受到破坏且不容易成形加工。纤维与树脂的复合对二者的缺陷进行互补，使得连续性纤维增强热塑性树脂复合材料的综合性能大大提高。与传统的钢材和铝材相比，其密度约为钢材的1/5，约为铝材的1/2；比强度与比模量也远高于刚和铝的合金，因此在刚度和强度相同的条件下具有质量轻的特点，在节省能源、提高构件的使用性能方面是其它材料无法比拟的。
热塑性树脂可反复加热软化、冷却固化，常温下为高分子量固体，是线型或带少量支链的聚合物，分子间无交联，仅借助范德瓦耳斯力或氢键互相吸引。在成型加工过程中，树脂经加压加热即软化和流动，不发生化学交联，可以在模具内赋形，经冷却定型，制得所需形状的制品。在反复受热过程中，分子结构基本上不发生变化，当温度过高、时间过长时，则会发生降解或分解，这些都是与热固性树脂相区别的特征。
现有技术对单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带材料进行加工制作产品时，是通过沿着预浸带纤维方向横纵铺叠，并根据所需厚度或产品力学要求铺叠成一定厚度后，进行热压成型。因预浸带相邻两个预浸带纤维方向成0°和90°交叉，所以两个预浸带有一定耦合应力存在，产品变形性大。尤其制作封闭或半封闭性制品以及略复杂的结构性部件时，无法保证产品力学性能的均衡性，因此也大大降低了其应用领域。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明的目的是提供一种连续纤维增强热塑性树脂制品及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种连续纤维增强热塑性树脂制品的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）将单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带顺着纤维方向进行切割，分切成窄幅预浸带；
（2）将步骤（1）中得到的窄幅预浸带利用编织设备进行编织，其中窄幅预浸带沿编织设备纵向排列的作为经纱，沿编织设备横向排列的作为纬纱，经纱和纬纱通过编织设备编织成布状或零部件的形状的复合编织材料；
（3）将步骤（2）中制得的复合编织材料通过铺放设备，逐层铺放在模具上，铺放过程中，对模具上的复合编织材料进行加热融化，并用辊筒进行辊压，使相邻的复合编织材料紧密连接在一起，达到产品所需的厚度后，进行冷却，脱模制得所述连续纤维增强热塑性树脂制品。
步骤（1）中所述的窄幅预浸带的宽度为3～10mm；
步骤（1）中所述的单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制备方法包括以下步骤：将热塑性树脂加入到挤出机中，通过交错的双挤出模头挤出淋膜，通过张力调节装置连续纤维平行排列成带状，导到双挤出模头处，带状连续纤维的两侧分别与双挤出模头接触，与挤出的熔融树脂进行浸渍，浸渍后的连续纤维，导入辊压装置，辊压、冷却制得单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带。
所述的步骤（2）中得到的复合编织材料中经纱和纬纱紧密排列但不重叠，形成致密的编织材料；
所述的步骤（3）中加热温度为热塑性树脂的熔融温度，辊筒的辊压压力为1～3MPa，辊筒温度为70～90℃；
所述的步骤（3）中模具中设有冷却水通道，冷却时通入冷却水进行冷却降温，冷却温度为40℃以下。
一种上述方法制得的连续纤维增强热塑性树脂制品。
所述的连续纤维增强热塑性树脂制品
中纤维的重量百分含量为40%～75%；热塑性树脂的重量百分含量为25%～60%。
所述的热塑性树脂选自聚烯烃树脂、热塑性聚酯、聚酰胺树脂、聚碳酸酯、其他通用树脂或高性能工程塑料中的一种或一种以上；
优选的，所述的聚烯烃树脂选自聚丙烯或聚乙烯；
所述的热塑性聚酯选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯；
所述的聚酰胺树脂选自尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或尼龙612；
所述的聚碳酸酯选自脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯或者脂肪族-芳香族聚碳酸酯；
所述的其他通用树脂选自聚氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯乙烯或高冲聚苯乙烯；
所述的高性能工程塑料选自聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯醚或聚醚酰亚胺。
所述的连续纤维选自E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、凯夫拉纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的一种或一种以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种利用连续纤维增强热塑性树脂预浸带材料加工产品新方法具有加工操作容易，有利于产品大规模量产化。
2、本发明的一种利用连续纤维增强热塑性树脂预浸带材料加工产品新方法可以利用连续纤维增强热塑性树脂预浸带加工出各种结构性、封闭性部件或产品。大大增强了其应用领域。
3、本发明的一种利用连续纤维增强热塑性树脂预浸带材料加工产品新方法降低了现有技术中层与层之间的耦合应力，保证了产品形状的稳定性。
4、本发明的一种利用连续纤维增强热塑性树脂预浸带材料加工产品新方法通过编织成复合材料布后再制备制品，保证了产品各部位力学性能的均衡性。
附图说明
图1为本发明实施例中窄幅连续纤维增强热塑性树脂预浸带编织的复合材料布。
图2为本发明实施例1中制得的圆管的结构示意图。
图3为本发明实施例2中制得的波纹板的结构示意图。
图4为本发明实施例3中制得的半球壳的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1、2所示，一种连续纤维增强热塑性树脂制圆管，按以下方法制得：
（1）制备单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带：将聚醚醚铜树脂加入到挤出机中，通过交错的双挤出模头挤出淋膜，通过张力调节装置连续碳纤维平行排列成带状，导到双挤出模头处，带状连续碳纤维的两侧分别与双挤出模头接触，与挤出的熔融树脂进行浸渍，浸渍后的连续纤维，导入辊压装置，辊压、冷却制得单向连续碳纤维增强聚醚醚铜树脂预浸带；
将上述厚度为0.15mm单向连续碳纤维增强聚醚醚铜树脂预浸带顺着纤维方向进行切割，进行分切成宽度为7mm的窄幅预浸带；
（2）将步骤（1）中得到的窄幅预浸带利用编织设备进行编织，其中窄幅预浸带沿编织设备纵向排列的作为经纱，沿编织设备横向排列的作为纬纱，利用编制编织设备和工艺将经纱与纬纱交织在一起织成宽度为2400mm复合材料布，并保持相邻的经纱或纬纱紧密但不重叠的排列在一起，形成致密复合材料布；
（3）将复合材料布通过铺放设备，首先对复合材料布加热至335℃使聚醚醚铜树脂融化后，再将其缠绕在直径为100mm表面镀聚四氟的金属圆柱上，边缠绕边通过温度为90℃、压力为1MPa的气压辊辊压，缠绕20圈后对模具通入冷水，使其温度降低到40℃后脱模，制得壁厚为6mm、内径为100mm，长度为2400mm的圆管，圆管中纤维的重量百分含量为40%。
实施例2
如图1、3所示，一种连续纤维增强热塑性树脂制波纹板，按以下方法制得：
（1）制备单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带：将热聚丙烯树脂加入到挤出机中，通过交错的双挤出模头挤出淋膜，通过张力调节装置连续E-玻璃纤维平行排列成带状，导到双挤出模头处，带状E-玻璃连续纤维的两侧分别与双挤出模头接触，与挤出的熔融树脂进行浸渍，浸渍后的连续E-玻璃纤维，导入辊压装置，辊压、冷却制得单向连续E-玻璃纤维增强聚丙烯树脂预浸带；
将上述厚度为0.17mm单向连E-续玻璃纤维增强聚丙烯树脂预浸带顺着纤维方向进行切割，进行分切成宽度为10mm的窄幅预浸带；
（2）将步骤（1）中得到的窄幅预浸带利用编织设备进行编织，其中窄幅预浸带沿编织设备纵向排列的作为经纱，沿编织设备横向排列的作为纬纱，利用编制编织设备和工艺将经纱与纬纱交织在一起织成宽度为3000mm复合材料布，并保持相邻的经纱或纬纱紧密但不重叠的排列在一起，形成致密复合材料布。
（3）将宽度为3000mm复合材料布裁剪成宽度不变，长度为5000mm的复合材料布，并边铺放于凸凹不平的模具上，边加热温度到180℃使聚丙烯树脂熔融，边通过温度为70℃、压力为1MPa的气压辊对熔融复合材料布进行辊压。多次重复铺放20层复合材料布后对模具通入冷水，使其温度降低到30℃后脱模，形成与模具形状一致，厚度为6.8mm的连E-续玻璃纤维增强聚丙烯树脂复合材料的波纹板，波纹板中纤维的重量百分含量为75%。
所述的单向连E-续玻璃纤维增强聚丙烯树脂预浸带也可采购辽宁辽杰科技有限公司生产的TPAC聚丙烯预浸带。
实施例3
如图1、4所示，一种连续纤维增强热塑性树脂制半球壳，按以下方法制得：
（1）制备单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带：将聚苯硫醚树脂加入到挤出机中，通过交错的双挤出模头挤出淋膜，通过张力调节装置连续凯夫拉纤维平行排列成带状，导到双挤出模头处，带状连续凯夫拉纤维的两侧分别与双挤出模头接触，与挤出的熔融树脂进行浸渍，浸渍后的连续凯夫拉纤维，导入辊压装置，辊压、冷却制得单向连续凯夫拉纤维增强聚苯硫醚树脂预浸带；
将上述制得的厚度为0.16mm单向连续凯夫拉纤维增强聚苯硫醚树脂预浸带顺着纤维方向进行切割，进行分切成宽度为3mm的窄幅预浸带；
（2）将步骤（1）中得到的窄幅预浸带利用编织设备进行编织，其中窄幅预浸带沿编织设备纵向排列的作为经纱，沿编织设备横向排列的作为纬纱，利用编制编织设备和工艺将经纱与纬纱交织在一起织成厚度为0.32mm，球体内径分别为60mm、60.64mm、61.28mm……65.76mm，其中内径的按0.64mm的公差依次增加。并保持相邻的经纱或纬纱紧密但不重叠的排列在一起，形成致密编织复合材料半球壳。
（3）将最小内径即内径为60mm的编织复合材料半球壳放在直径为60mm的半球体模具上，并边加热到280℃使聚苯硫醚树脂熔融，边通过温度为80℃、压力为1MPa的气压辊对熔融编织复合材料半球壳进行全面辊压。重复铺放逐渐增大的10个编织复合材料半球，通过边铺放、边加热熔融、边辊压后，对模具通冷水，冷却至温度为35℃后脱模，最终形成厚度为3.2mm的连续凯夫拉纤维增强聚苯硫醚树脂复合材料的半球壳，半球壳中纤维的重量百分含量为50%。
所述的单向连续凯夫拉纤维增强聚苯硫醚树脂预浸带为辽宁辽杰科技有限公司TPAC凯夫拉聚苯硫醚预浸带。
对实施例中制得的产品进行性能测试，测试结果如下表1：
表1
| 实施例 | 冲击强度KJ/m2 | 弯曲强度MPa |
| 实施例1 | 831 | 899 |
| 实施例2 | 201 | 305 |
| 实施例3 | 891 | 561 |
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续纤维增强热塑性树脂制品的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）将单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带顺着纤维方向进行切割，分切成窄幅预浸带；
（2）将步骤（1）中得到的窄幅预浸带利用编织设备进行编织，其中窄幅预浸带沿编织设备纵向排列的作为经纱，沿编织设备横向排列的作为纬纱，经纱和纬纱通过编织设备编织成布状或零部件的形状的复合编织材料；
（3）将步骤（2）中制得的复合编织材料通过铺放设备，逐层铺放在模具上，铺放过程中，对模具上的复合编织材料进行加热融化，并用辊筒进行辊压，使相邻的复合编织材料紧密连接在一起，达到产品所需的厚度后，进行冷却，脱模制得所述连续纤维增强热塑性树脂制品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的窄幅预浸带的宽度为3～10mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制备方法包括以下步骤：将热塑性树脂加入到挤出机中，通过交错的双挤出模头挤出淋膜，通过张力调节装置连续纤维平行排列成带状，导到双挤出模头处，带状连续纤维的两侧分别与双挤出模头接触，与挤出的熔融树脂进行浸渍，浸渍后的连续纤维，导入辊压装置，辊压、冷却制得单向连续纤维增强热塑性树脂预浸带。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（2）中得到的复合编织材料中经纱和纬纱紧密排列，形成致密的编织材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）中加热温度为热塑性树脂的熔融温度，辊筒的辊压压力为1～3MPa，辊筒温度为70～90℃；
所述的步骤（3）中模具中设有冷却水通道，冷却时通入冷却水进行冷却降温，冷却温度为40℃以下。
6.一种上述权利要求1-5中任一所述的方法制得的连续纤维增强热塑性树脂制品。
7.根据权利要求6所述的连续纤维增强热塑性树脂制品，其特征在于：所述的连续纤维增强热塑性树脂制品中纤维的重量百分含量为40%～75%；热塑性树脂的重量百分含量为25%～60%。
8.根据权利要求7所述的连续纤维增强热塑性树脂制品，其特征在于：所述的热塑性树脂选自聚烯烃树脂、热塑性聚酯、聚酰胺树脂、聚碳酸酯、其他通用树脂或高性能工程塑料中的一种或一种以上。
9.根据权利要求8所述的连续纤维增强热塑性树脂制品，其特征在于：所述的聚烯烃树脂选自聚丙烯或聚乙烯；
所述的热塑性聚酯选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯；
所述的聚酰胺树脂选自尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或尼龙612；
所述的聚碳酸酯选自脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯或者脂肪族-芳香族聚碳酸酯；
所述的其他通用树脂选自聚氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯乙烯或高冲聚苯乙烯；
所述的高性能工程塑料选自聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯醚或聚醚酰亚胺。
10.根据权利要求7所述的连续纤维增强热塑性树脂制品，其特征在于：所述的连续纤维选自E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、凯夫拉纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的一种或一种以上。
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