基于碳纖維紙的蜂窩芯及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型的基于碳纖維紙的蜂窩芯及其制備方法，包括將碳纖維紙涂膠、疊層、熱壓，制成蜂窩疊塊，然后將蜂窩疊塊拉伸后浸膠1～8次，最后一次浸膠烘干后固化，以及對浸膠固化后的蜂窩進(jìn)行片切的步驟。本發(fā)明使用的基材是碳纖維紙，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，如導(dǎo)電性、電熱性能、吸波性能等，而且由于碳纖維紙中的纖維是以短纖維的形式無規(guī)排列，性能呈各向同性，因此，對性能均勻性要求高的工業(yè)領(lǐng)域，碳纖維紙更有優(yōu)勢。用該種紙制成的蜂窩成本低，在導(dǎo)電性能、電熱性能和吸波性能上較芳綸蜂窩均具有較大改善，而且具有蜂窩結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)良力學(xué)性能。
【專利說明】基于碳纖維紙的蜂窩芯及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料工程領(lǐng)域，具體地說，涉及一種基于碳纖維紙的蜂窩芯及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]蜂窩芯是在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合天然蜂窩結(jié)構(gòu)形狀，用人造紙制成的具有整體呈蜂窩狀的材料。由于該結(jié)構(gòu)具有極好的穩(wěn)定性，極高的比強(qiáng)度。在復(fù)合材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。常見的人造蜂窩有紙蜂窩芯、纖維布蜂窩和鋁蜂窩芯等，紙蜂窩芯主要包括牛皮紙蜂窩和芳綸紙蜂窩。其中，牛皮紙蜂窩芯一般不進(jìn)行浸膠，強(qiáng)度較低，主要用在包裝領(lǐng)域。芳綸紙蜂窩芯的原材料成本高，使其在對成本敏感的軌道交通、汽車工業(yè)的使用中受限。纖維布蜂窩在制造成本上要遠(yuǎn)高于紙蜂窩。鋁蜂窩易發(fā)生腐蝕，而且在于纖維樹脂基復(fù)合材料面板粘接成夾層材料時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)的差異大，使用過程中易產(chǎn)生粘接面的破壞。
[0003]碳纖維紙由按重量百分比計(jì)50%_85%的碳纖維與15%_50%的紙漿(植物纖維和/或合成纖維)所組成。具有導(dǎo)電性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、效率高、可撓曲、可粘合、屏蔽性能、加工性能好，且制作簡單、成本低、無污染。碳纖維紙具有導(dǎo)電性，其電阻率可以從107-10_3Q -cm范圍變化。優(yōu)異的電熱性能，發(fā)熱溫度范圍通常是30-250°C，電熱轉(zhuǎn)換效率> 97%，比傳統(tǒng)材料節(jié)能15%_30%，它的熱輻射轉(zhuǎn)換率> 70%，而且還放射出具有保健功能的5-20iim的遠(yuǎn)紅外線。同時(shí)，碳纖維紙是一種電阻型吸波材料，對電磁波有一定的吸收和反射性能，可用做吸波材料。
[0004]作為功能材料，碳纖維所具有的優(yōu)異物理、化學(xué)性能，碳纖維紙都能具有，而且碳纖維紙由短纖維無規(guī)排列，性能呈各向同性，對性能均勻性要求高的地方，碳纖維紙更有優(yōu)勢，目前碳纖維導(dǎo)電紙及其復(fù)合材料的研究與應(yīng)用已經(jīng)引起了國內(nèi)廣泛的重視，軍事和民用工業(yè)上也得到了很多可喜的成績。碳纖維紙廣泛用于防靜電包裝、電磁屏蔽、面狀發(fā)熱、耐熱阻燃、新能源、電化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。用碳纖維紙制成蜂窩，可以達(dá)到耐高溫、輕量化、屏蔽及改善零部件力學(xué)性能等要求，在抗靜電、發(fā)熱、現(xiàn)代武器、航空航天等領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種新型的基于碳纖維紙的蜂窩芯。
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供上述蜂窩芯的制備方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明首先提供一種基于碳纖維紙的蜂窩芯的制備方法，包括以下步驟:
[0008]I)將碳纖維紙涂膠、疊層、熱壓，制成蜂窩疊塊；根據(jù)蜂窩的尺寸限定疊紙的層數(shù)和單張紙的長度；
[0009]2)將蜂窩疊塊拉伸后浸膠I?8次，每次浸膠后將蜂窩烘干，最后一次浸膠烘干后固化；[0010]3)對浸膠固化后的蜂窩進(jìn)行片切，即得基于碳纖維紙的蜂窩芯成品。
[0011]其中，步驟2)中浸膠使用的浸膠液為質(zhì)量百分含量10%?40%的酚醛樹脂溶液或聚酰亞胺樹脂溶液，使用的溶劑為乙醇或丙酮。
[0012]步驟I)中所述的碳纖維紙由50?85重量份的碳纖維和15?50重量份的沉析纖維(植物纖維和/或合成纖維)制成。作為功能材料，碳纖維所具有的優(yōu)異物理、化學(xué)性能，碳纖維紙都能具有，且制作簡單、成本低、無污染。
[0013]步驟I)中涂膠使用粘度為25?35s/50mL的改性環(huán)氧型膠粘劑作為芯條膠。該芯條膠可在_50°C?150°C下長期使用，優(yōu)異的耐濕熱性能，常溫下剪切強(qiáng)度大于30MPa。
[0014]步驟I)中熱壓時(shí)，先在70°C?100°C下預(yù)熱30min?60min，然后于100°C?130°C凝膠90min?150min，最后于150°C?180°C固化2h?5h，熱壓壓力為3MPa?7MPa。
[0015]步驟2)中將蜂窩疊塊用拉伸機(jī)以5?25mm/min的拉伸速度進(jìn)行拉伸。
[0016]步驟2)中每次浸膠的浸泡時(shí)間為0.5h?lh，晾置0.5h?Ih后，在70°C?100°C的烘箱中預(yù)熱30min?60min,然后于10CTC?15CTC烘干90min?150min ;在進(jìn)行固化時(shí)，先于70 V?100°C預(yù)熱30min?60min，然后于100°C?150°C凝膠90min?150min，最后于150°C?250°C固化2h?4h。
[0017]本發(fā)明還提供由上述方法制備的基于碳纖維紙的蜂窩芯。本發(fā)明制備的蜂窩芯具有耐高溫、輕量化、屏蔽及改善零部件力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，可以在抗靜電、發(fā)熱、現(xiàn)代武器、航空航天等領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。
[0018]本發(fā)明使用的基材是碳纖維紙，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，如導(dǎo)電性、電熱性能、吸波性能等，而且由于碳纖維紙中的纖維是以短纖維的形式無規(guī)排列，性能呈各向同性，因此，對性能均勻性要求高的工業(yè)領(lǐng)域，碳纖維紙更有優(yōu)勢。用該種紙制成的碳纖維紙蜂窩在碳纖維紙優(yōu)良特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合了蜂窩的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢，使碳纖維紙蜂窩芯不僅具有導(dǎo)電、電熱、吸波等性能，同時(shí)具有輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)優(yōu)勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1?3中基于碳纖維紙的蜂窩芯制備工藝流程。
[0020]圖2和圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中制得的蜂窩芯的蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0021]圖2中，L表示蜂窩的縱向，W表示蜂窩的橫向，T表示蜂窩的高度，a表示蜂窩名義格孔邊長。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段，所用原料均為市售商品。
[0023]實(shí)施例1基于碳纖維紙的蜂窩芯及其制備
[0024]制得的基于碳纖維紙的蜂窩芯格孔的邊長大小為3.67mm,密度為64kg/m3,制備方法具體包括如下步驟:
[0025](I)將厚度為0.08mm的碳纖維紙(由重量百分比為80%的碳纖維和20%的植物纖維制成)作為原料紙利用沾有芯條膠的涂膠輥進(jìn)行涂膠，再將多層(層數(shù)根據(jù)蜂窩塊的尺寸確定)涂膠后的原料紙錯(cuò)層疊合，最后利用熱壓機(jī)熱壓，制成蜂窩疊塊。芯條膠為改性環(huán)氧型膠粘劑，粘度為35s/50mL。熱壓時(shí)，首先在80°C下預(yù)熱45min，然后120°C凝膠120min，最后180°C固化3.5h，熱壓壓力為6MPa。
[0026](2)將蜂窩疊塊用拉伸機(jī)以15mm/min的拉伸速度拉伸后，形成如圖2所示的六邊形蜂窩孔格的白蜂窩塊。
[0027](3)將白蜂窩塊在浸膠機(jī)中進(jìn)行浸膠固化，浸膠液的組成為:質(zhì)量百分含量25%的酚醛樹脂溶液，溶劑為工業(yè)酒精(工業(yè)酒精中乙醇的質(zhì)量百分含量為99%)。本步驟中根據(jù)白蜂窩塊密度確定浸膠次數(shù)。白蜂窩塊每次浸膠后在烘箱中進(jìn)行烘干，并進(jìn)行稱量，按照密度在烘干前后的損失量來計(jì)算烘干后密度的估計(jì)值，多次浸膠烘干后達(dá)到所需密度值，并在最后一次烘干后固化，即完成整個(gè)浸膠固化過程。本實(shí)施例中對白蜂窩塊進(jìn)行六次浸膠。每次浸膠的浸泡時(shí)間為Ih,晾置lh。每次浸膠后在烘箱中于80°C預(yù)熱60min,然后于120°C烘干60min。最后固化時(shí)，先于80°C預(yù)熱60min，然后于120°C凝膠150min，最后170°C固化4h0
[0028](4)對浸膠固化后蜂窩進(jìn)行片切。
[0029]實(shí)施例1中制備的格孔邊長為3.67，密度為64kg/m3的蜂窩芯的非穩(wěn)定性壓縮強(qiáng)度為 3.2MPa。
[0030]實(shí)施例2基于碳纖維紙的蜂窩芯及其制備
[0031]制得的基于碳纖維紙的蜂窩芯格孔大小為1.83mm,密度為48kg/m3,制備方法與實(shí)施例I的區(qū)別在于:
[0032]碳纖維紙厚度為0.05mm(由重量百分比為70%的碳纖維、15%的植物纖維及15%的合成纖維制成)。步驟(I)中使用的改性環(huán)氧型芯條膠的粘度為25s/50mL。步驟(2)將蜂窩疊塊用拉伸機(jī)以5mm/min的拉伸速度拉伸。步驟(3)中浸膠次數(shù)為三次。浸膠液的組成為:質(zhì)量百分含量10%的酚醛樹脂溶液，溶劑為工業(yè)酒精(工業(yè)酒精中乙醇的質(zhì)量百分含量為99%)。固化時(shí)，先于85°C預(yù)熱45min，然后于125°C凝膠120min，最后180°C固化3h。
[0033]實(shí)施例2中制備的格孔邊長為1.83mm，密度為48kg/m3的蜂窩芯的平壓強(qiáng)度是
2.37MPa。
[0034]實(shí)施例3基于碳纖維紙的蜂窩芯及其制備
[0035]制得的基于碳纖維紙的蜂窩芯格孔大小為2.75mm,密度為32kg/m3,制備方法與實(shí)施例I的區(qū)別在于:
[0036]碳纖維紙厚度為0.04mm(由重量百分比為75%的碳纖維和25%的合成纖維制成)。步驟(I)中使用的改性環(huán)氧型芯條膠的粘度為30s/50mL。步驟(2)將蜂窩疊塊用拉伸機(jī)以25mm/min的拉伸速度拉伸。步驟(3)中浸膠次數(shù)為兩次。浸膠液的組成為:質(zhì)量百分含量20%的聚酰亞胺樹脂溶液，溶劑為工業(yè)丙酮(工業(yè)丙酮中丙酮的質(zhì)量百分含量為98%)。固化時(shí)，先于100°C預(yù)熱50min，然后于160°C凝膠lOOmin，最后220°C固化4h。
[0037]實(shí)施例3中制備的格孔邊長為2.75mm，密度為32kg/m3的蜂窩芯的平壓強(qiáng)度是
1.98MPa0
[0038]實(shí)施例1?3中基于碳纖維紙的蜂窩芯制備工藝流程如圖1所示。
[0039]本發(fā)明實(shí)施例1中制得的蜂窩芯的蜂窩結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。圖2中，L表示蜂窩的縱向，W表示蜂窩的橫向，T表示蜂窩的高度，a表示蜂窩名義格孔邊長，W與紙張層數(shù)n的關(guān)系為:W=3a*n/2，L與單層紙長度I的關(guān)系為:L=31/4。[0040]雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于碳纖維紙的蜂窩芯的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將碳纖維紙涂膠、疊層、熱壓，制成蜂窩疊塊； 2)將蜂窩疊塊拉伸后浸膠I?8次，每次浸膠后將蜂窩烘干，最后一次浸膠烘干后固化； 3)對浸膠固化后的蜂窩進(jìn)行片切，即得基于碳纖維紙的蜂窩芯成品； 其中，步驟I)中所述的碳纖維紙由50?85重量份的碳纖維和15?50重量份的沉析纖維制成；所述沉析纖維包括但不限于植物纖維和/或合成纖維； 步驟2)中浸膠使用的浸膠液為質(zhì)量百分含量10%?40%的酚醛樹脂溶液或聚酰亞胺樹脂溶液，使用的溶劑為乙醇或丙酮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)中涂膠使用粘度為25-35s/50mL的改性環(huán)氧型膠粘劑作為芯條膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟I)中熱壓時(shí)，先在70°C?100°C下預(yù)熱30min?60min，然后于100°C?130°C凝膠90min?150min，最后于150°C?180°C固化2h?油，熱壓壓力為3MPa?7MPa。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中將蜂窩疊塊用拉伸機(jī)以5?25mm/min的拉伸速度進(jìn)行拉伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中每次浸膠的浸泡時(shí)間為0.5h?Ih,晾置0.5h?Ih后，在70°C?100 °C的烘箱中預(yù)熱30min?60min，然后于100 °C?150°C烘干90min?150min ;在進(jìn)行固化時(shí)，先于70°C?100°C預(yù)熱30min?60min，然后于100°C?150°C凝膠 90min ?150min，最后于 150°C?250°C 固化 2h ?4h。
6.由權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述方法制備的基于碳纖維紙的蜂窩芯。
【文檔編號】B31D3/02GK103737988SQ201410004961
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】隋廣忠 申請人:蘇州芳磊蜂窩復(fù)合材料有限公司