一種樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法；切取單向連續(xù)纖維片，縫合；將縫合的纖維片開纖處理，將開纖處理的纖維片放置到下加熱板上的擋板之間，端部用耐熱帶固定，在纖維片上面放置干燥處理后的熱塑性樹脂膜，形成層積物；利用平板加熱機，將加熱板預熱到成型溫度，把裝有層積物的成型板放置在加熱機內，分段加壓將纖維含浸在熱塑性樹脂中；在積層板成型模具上，將預浸料裁成片狀，按照鋪層角度0/90積層，在每一層預浸料的表面鋪放同一尺寸的熱塑性樹脂膜；放置在加熱機中，升壓到10MPa，降溫到110℃，減壓，脫模，得樹脂預浸纖維片復合材料層壓板；本方法制造設備簡易，低成本，復合材料輕量，具有優(yōu)異的抗沖擊性。
【專利說明】一種樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法。
【背景技術】
[0002]作為熱塑性樹脂的工程塑料具有容易再生、尺寸精度高、價格低廉、耐沖擊性強等優(yōu)點，其主要用于汽車，電器，光學設備，IT關連部件。熱可塑性樹脂和強化纖維復合后得到的剛性材料可以作為飛機結構材料。由于熱塑性樹脂高分子結構特征，加熱熔融后的粘度仍然很高，因此，利用簡易設備，制造熱可塑性樹脂纖維含浸后的復合材料，和利用環(huán)氧樹脂等低粘度樹脂比較，相對很難。到目前為止，將玻璃纖維、碳纖維短切后與熱塑型樹脂混合，可以獲得短纖維強化復合材料。關于連續(xù)纖維強化熱可塑性樹脂復合材料的制造方法，一般情況下，將連續(xù)纖維含浸于熱可塑性樹脂中，將纖維沿著單一方向拉伸形成片狀。這樣獲得的預浸料，改變纖維的方向復數(shù)層積，加熱將樹脂熔融后加壓制得復合材料。熱可塑性樹脂預浸料工業(yè)制品評價方法主要從樹脂的含浸狀態(tài)、強化纖維配向的均一程度、樹脂和纖維的接著狀態(tài)幾方面進行評價。由于樹脂的粘度與樹脂的機械特性密切相關，例如聚碳酸酯樹脂的耐沖擊性和它的高粘度成比例，像這樣的樹脂，在樹脂制造商推薦的成型加工溫度下加熱，粘度仍然很高，和纖維束的含浸很困難。因此，針對制造高粘度熱可塑性樹脂預浸料及其相關制品已有各種各樣的專利發(fā)明，例如，給纖維施加張力向單方向拉伸的同時，將樹脂和纖維在離型紙上含浸的方法(特開1985 - 027208號公報)；在金屬板上，增強纖維和熱可塑性樹脂卷纏附著熱加工法(特開1995 - 308991號公報)；樹脂粉末與纖維含浸法(特開2005 - 239843號公報);開纖后的增強纖維片上，熱可塑性樹脂纖維制造的熱可塑性樹脂不織布與之重疊，加熱加壓法(特開2003 - 165851號公報);增強纖維和熱可塑性樹脂基體纖維開纖處理同時，進行混合后，擴展為片狀的制造方法(特開1994 - 322159號公報)；增強纖維單方向拉伸成片狀后，導入到熱可塑性樹脂浴中，使樹脂附著在纖維上的制造方法(特開2005 - 255927號公報)。
[0003]作為一般的熱可塑性樹脂預浸料的制造方法，可塑性樹脂加熱熔融，加壓使連續(xù)增強纖維含浸時，樹脂粘度高，生產速度慢，要確保充分的樹脂含浸時間，并且，樹脂粘度極高的情況下，會含浸不良，導致預浸料的空隙多。為了提高生產速度，可以增加壓力，使樹脂的含浸速度加快，然而壓力過高，導致整列的連續(xù)纖維局部間隔增大，使預浸料的質量低下。同時，為了使連續(xù)纖維含浸樹脂時保持整列狀態(tài)，必須給纖維施加高張力，導致預浸料的制造設備成本很高。粉末狀可塑性樹脂和纖維附著制造預浸料的方法，制造均勻的粉末狀樹脂很困難，導致基體樹脂制造成本高，調整粉末狀樹脂的附著量也很困難。
[0004]對于玻璃纖維、碳纖維等連續(xù)強化纖維片，為了維持單束纖維的收束性、可操作性及運送時纖維片的配向性，在制造纖維的過程中，纖維表面使用上漿劑進行處理，同時，為改善熱塑性樹脂和強化纖維的接著性，把強化纖維片開纖處理，樹脂含浸時效果很明顯。未開纖時，含浸效率低，含浸不充分，導致復合材料的機械性能低下。關于強化纖維束開纖的方法，有利用機械沖擊的方法將集束纖維束開纖，還有把片狀的纖維束傳送過程中進退摩擦開纖維。上述方法，為了解決開纖處理后的增強纖維片的可操作性惡化和維持樹脂含浸時纖維配向均一性，必須給連續(xù)纖維片施加過大的張力，這樣導致設備的復雜化和高成本。另外，也有采用丙酮含浸法，除去縫合處理后的纖維片表面上漿劑和耦合劑進行開纖處理，再給開纖處理后的纖維片表面附著耦合劑，這樣的方法，在烘干溶劑丙酮的工藝過程中，不可避免給環(huán)境帶來污染，并且，纖維片再附著耦合劑，很難保證耦合劑均一附著在纖維片表面，導致纖維和樹脂基體接著不均，預浸料質量容易出現(xiàn)缺陷。
[0005]對于層壓構件，各層越薄，復合物構件的強度越高，因此，首先要獲得薄型預浸料，通常的纖維開纖處理是預浸料薄層化的手段之一。短時間內，不增加基材和設備成本的前提下，如果能提供工業(yè)品質良好的寬幅熱塑性樹脂預浸料，利用這種預浸料的復合材料具有優(yōu)越的成本優(yōu)勢，其在汽車、建筑、飛機等領域將得到廣泛應用。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，利用熔融樹脂基體浸潰縫合及剪切開纖處理后的連續(xù)增強纖維，使用簡易設備和較短的制造時間，制備纖維含浸狀態(tài)良好、強化纖維配向均一的熱塑性樹脂預浸料和熱固性樹脂預浸料及其復合材料制品。
[0007]本發(fā)明所述的一種樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，具體步驟如下:
[0008](I)首先切取單向連續(xù)纖維片，將切取的纖維片用縫紉機縫合，縫合線選用具有耐熱性的，縫合間隔20mm，沿著和纖維方向垂直處將整個纖維片進行縫合處理，縫合時，纖維片端部不進行反復縫合；
[0009](2)將縫合處理的纖維片進行開纖處理，利用切割刀，從每個縫合間隔的中心處，沿著與纖維方向成固定角度處切開，切割長度2mm,切割幅寬方向間距50mm,纖維片端部不剪切，切割處是樹脂流入纖維束內的經(jīng)路；
[0010](3)將熱塑性樹脂干燥，熱塑性樹脂成型用加熱板由上部加熱加壓板和下部加熱加壓板構成，薄鋁制作的擋板間隔放置，上下加熱板粘貼耐熱帶；將開纖處理的纖維片放置到下加熱板上的擋板之間，端部用耐熱帶固定，在纖維片上面放置干燥處理后的熱塑性樹脂膜，形成層積物；
[0011](4)利用平板加熱機，將加熱板預熱到成型溫度310°C，把裝有層積物的成型板放置在加熱機內，預熱10分鐘后，分段加壓將纖維含浸在熱塑性樹脂中，升壓間隔2min，每次加壓 0.0625Mpa,加壓到 0.25MPa ；0.25-0.75MPa 之間，每次加壓 0.125MPa ；0.75-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa，升壓時間間隔用計時器計量，手動升壓；升壓到1.75MPa后，維持壓力不變，關閉加熱機開關，自然冷卻到190°C，然后利用加熱機的水冷系統(tǒng)，將溫度降到120°C，緩慢減壓，脫摸；
[0012]或加熱機預熱5min，隨后升壓時間間隔為lmin，每次加壓0.125MPa,加壓到
0.75MPa ；0.75-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa,共計分9個階段升壓，合計時間14min ；
[0013]或加熱機預熱3min，隨后升壓時間間隔為lmin,每次加壓0.125MPa，加壓到
0.25MPa ；0.25-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa,共計分7個階段升壓，合計時間IOmin ；
[0014](5)在積層板成型的模具上，將得到的熱塑性樹脂預浸料裁成片狀，然后按照鋪層角度0/90/90/0/0/90/90/0積層，同時，在每一層熱塑性樹脂預浸料的表面鋪放同一尺寸的熱塑性樹脂膜；將鋪放積層料的模具放置在加熱機中，310°C預熱lOmin，和制造熱塑性樹脂預浸料時溫度相同，升壓方式為每隔lmin，升壓IMPa，升壓到4MPa ;接著，每分鐘升壓2MPa,升壓到lOMPa，壓力維持在lOMPa，關掉加熱機電源開關，自然冷卻到190°C，然后，利用加熱機的水冷系統(tǒng)，繼續(xù)降溫到110°C，緩慢減壓，脫模，得樹脂預浸纖維片復合材料層壓板。
[0015]所述的纖維片為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維及陶瓷纖維。
[0016]所述的樹脂是熱固性樹脂、熱塑性樹脂或熱固性樹脂與熱塑性樹脂的復合物。
[0017]所述熱塑性樹脂包括:氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮或聚醚醚酮中的任何一種。
[0018]所述熱固性樹脂包括環(huán)氧樹脂、苯酚樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨酯樹脂脂、聚氨酯丙烯酸酯樹脂、乙烯基酯樹脂、氰酸酯樹脂、苯氧樹脂、醇酸樹脂、馬來酰亞胺樹脂或者是這些樹脂的復合。
[0019]本發(fā)明方法同樣適用于制備熱固性樹脂預浸料，紫外線固化樹脂預浸料及其復合材料制品，制備步驟如下:
[0020](I)將膏狀的樹脂涂抹在縫合開纖等處理后的纖維片上，常溫下，用手動輥或者壓片機，把樹脂加壓浸潰在纖維束中，獲得紫外線固化樹脂預浸料。
[0021](2)本發(fā)明在獲得紫外線固化樹脂層壓型復合材料構件時，增強纖維片是干燥的，樹脂可以保存在試管內，這和通常預浸料相比較，可以降低管理成本。
[0022]關于上述熱塑性樹脂預浸料或熱固性樹脂預浸料的制造，對于纖維片實施縫合處理后剪切開纖處理，取得以下發(fā)明效果:
[0023]物理效果
[0024]纖維片縫合后，實施一定角度剪切開纖處理，改善了纖維片和樹脂的含浸性，同時改善了預浸料成型工藝性和復合材料的力學性能。以發(fā)明實施例中的碳纖維增強聚碳酸酯樹脂預浸料為例:工藝條件I獲得的預浸料彎曲強度為580MPa(JIS K7074)。
[0025]經(jīng)濟效果
[0026]制造設備的簡易化，低成本化；本發(fā)明制造的熱塑性樹脂預浸料，與現(xiàn)在通用的熱塑性樹脂預浸料一樣可以鋪放到模具中加熱成型，制造多種形狀的制件，用作汽車材料、建筑材料、電機材料等。特別是在實施例中獲得的聚碳酸酯樹脂纖維增強復合材料，輕量，具有優(yōu)異的抗沖擊性，耐候性好，尺寸精度高，是優(yōu)秀的低成本工程塑料，適合制造汽車車身外殼或者可再利用的汽車零部件。另外，由于樹脂優(yōu)異的抗沖擊性，可以制造防彈盾牌
坐寸ο
【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028](I)首先切取單向連續(xù)碳纖維片，纖維方向長250mm，幅寬:230mm。其次，將上述切取的碳纖維片利用工業(yè)縫紉機縫合，縫合線選用具有較高耐熱性的，縫合間隔20mm，沿著和纖維方向垂直處將整個碳纖維片進行縫合處理?？p合時，碳纖維片端部不進行反復縫
口 ο[0029](2)將上述縫合處理的碳纖維片進行開纖處理，利用切割刀，從每個縫合間隔的中心處，沿著與纖維方向成固定角度處切開，切割長度2mm,切割幅寬方向間距50mm (纖維片端部不剪切)。切割處是樹脂流入纖維束內的經(jīng)路。
[0030](3)熱塑性樹脂使用聚碳酸酯樹脂膜(230mmX 140mm)。將該聚碳酸酯樹脂膜定溫干燥。由上部加熱加壓板和下部加熱加壓板構成的熱塑性樹脂成型用加熱板，把薄鋁制作的擋板間隔為230mm放置，上下加熱板粘貼耐熱帶.其次，將上述的縫合處理和開纖處理的碳纖維片放置到前面提到的下加熱板上的擋板之間，端部用耐熱帶固定，在纖維片上面放置上述干燥處理后的聚碳酸酯樹脂膜，形成層積物。
[0031](4)作為預熱和加壓手段，利用平板加熱機，將加熱板預熱到成型溫度310°C，把上述裝有層積物的成型板放置在加熱機內，預熱10分鐘后，分段加壓將碳纖維含浸在聚碳酸酯樹脂中，升壓間隔2min，每次加壓0.0625MPa,加壓到0.25MPa;0.25-0.75MPa之間，每次加壓0.125MPa;0.75-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa，升壓時間間隔用計時器計量，手動升壓。升壓到1.75MPa后，維持壓力不變，關閉加熱機開關，自然冷卻到190°C，然后利用加熱機的水冷系統(tǒng)，將溫度降到120°C，緩慢減壓，脫摸。本發(fā)明方法獲得的聚碳酸酯樹脂碳纖維預浸料，質量良好。
[0032](5)樹脂含浸增強纖維片的工藝條件1:加熱機預熱lOmin，隨后升壓時間間隔為2min,每次加壓0.0625MPa,加壓到0.25MPa; 0.25-0.75MPa之間，每次加壓
0.125MPa;0.75-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa,共計分11個階段升壓,合計時間32min。
[0033]工藝條件2,加熱機預熱5min,隨后升壓時間間隔為lmin,每次加壓0.125MPa,加壓到0.75MPa ；0.75-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa,共計分9個階段升壓，合計時間14min。
[0034]工藝條件3，加熱機預熱3min，隨后升壓時間間隔為lmin，每次加壓0.125MPa，。加壓到0.25MPa ；0.25-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa，共計分7個階段升壓，合計時間IOmin0
[0035](6)對于工藝1，沿幅寬方向間隔50mm剪切開纖處理的增強纖維片與聚碳酸酯樹脂含浸狀態(tài)良好；
[0036]對于工藝2，沿幅寬方向間隔25mm剪切開纖處理的增強纖維片與聚碳酸酯樹脂含浸狀態(tài)良好；
[0037]對于工藝3，沿幅寬方向間隔50mm剪切開纖處理的增強纖維片與聚碳酸酯樹脂含浸狀態(tài)不良；
[0038]根據(jù)上述的實驗結果，關于加壓時間和剪切開纖間隔對樹脂和纖維浸潤程度影響，剪切開纖間隔小，有利于樹脂和纖維的含浸；加壓速度慢，有利于提高樹脂對纖維的含浸性。
[0039]對于上述工藝條件下獲得的預浸料，分別進行三點彎曲試驗(JISKK7074)，工藝條件1、工藝條件2和工藝條件3獲得的預浸料的彎曲強度分別是:580MPa，574MPa和541MPa，結果和預浸料的外觀質量一致。(7)在積層板成型的模具上，將上述得到的聚碳酸酯樹脂預浸料裁成200X120mm片狀，然后按照鋪層角度0/90/90/0/0/90/90/0積層，同時，在每一層聚碳酸酯樹脂預浸料的表面鋪放同一尺寸的聚碳酸酯樹脂膜。將鋪放積層料的模具放置在上述制造聚碳酸酯樹脂預浸料使用的加熱機中，310°C預熱IOmin (和制造聚碳酸酯樹脂預浸料時溫度相同)，升壓方式為每隔lmin，升壓IMPa，升壓到4MPa ;接著，每分鐘升壓2MPa，升壓到lOMPa，壓力維持在lOMPa，關掉加熱機電源開關，自然冷卻到190°C，然后，利用加熱機的水冷系統(tǒng)，繼續(xù)降溫到110°C，緩慢減壓，脫模。利用以上成型方法，可以獲得聚碳酸酯樹脂碳纖維在纖維方向異性的復合材料層壓板。
[0040] 實施例2
[0041 ] ( I)利用本發(fā)明，可以制造熱固性樹脂基體預浸料。熱固性樹脂基體可以是環(huán)氧樹月旨、苯酚樹脂、不飽和聚酯樹脂、苯氧樹脂、醇酸樹脂等或者是這些樹脂的混合，并且，在常溫下，浸潰纖維，利用紫外線固化樹脂。以下利用紫外線固化樹脂作為基體，說明熱固性樹脂積層復合材料板的制造方法。與上述實施例1所敘述的制造熱塑性樹脂預浸料的方法一樣，利用非常簡單的設備，快速制造復合材料構件。
[0042](2)將膏狀的樹脂涂抹在縫合開纖等處理后的纖維片上，常溫下，用手動輥或者壓片機，把樹脂加壓浸潰在纖維束中，獲得紫外線硬化樹脂預浸料。將該預浸料復數(shù)鋪層，在常溫下，利用手動輥或壓片機加壓，除去層間空氣，使得層間相互緊密接觸后，利用紫外線照射固化，獲得紫外線硬化樹脂層壓型復合材料構件。
【權利要求】
1.一種樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，其特征在于: (1)首先切取單向連續(xù)纖維片，將切取的纖維片用縫紉機縫合，縫合線選用具有耐熱性的，縫合間隔20mm，沿著和纖維方向垂直處將整個纖維片進行縫合處理，縫合時，纖維片端部不進行反復縫合； (2)將縫合處理的纖維片進行開纖處理，利用切割刀，從每個縫合間隔的中心處，沿著與纖維方向成固定角度處切開，切割長度2mm,切割幅寬方向間距50mm,纖維片端部不剪切，切割處是樹脂流入纖維束內的經(jīng)路； (3)將熱塑性樹脂干燥，熱塑性樹脂成型用加熱板由上部加熱加壓板和下部加熱加壓板構成，薄鋁制作的擋板間隔放置，上下加熱板粘貼耐熱帶；將開纖處理的纖維片放置到下加熱板上的擋板之間，端部用耐熱帶固定，在纖維片上面放置干燥處理后的熱塑性樹脂膜，形成層積物； (4)利用平板加熱機，將加熱板預熱到成型溫度310°C，把裝有層積物的成型板放置在加熱機內，預熱10分鐘后，分段加壓將纖維含浸在熱塑性樹脂中，升壓間隔2min，每次加壓0.0625Mpa，加壓到 0.25MPa ；0.25-0.75MPa 之間，每次加壓 0.125MPa ；0.75-1.75MPa 之間，每次加壓0.25MPa，升壓時間間隔用計時器計量，手動升壓；升壓到1.75MPa后，維持壓力不變，關閉加熱機開關，自然冷卻到190°C，然后利用加熱機的水冷系統(tǒng)，將溫度降到120°C，緩慢減壓，脫摸； 或加熱機預熱5min，隨后升壓時間間隔為lmin，每次加壓0.125MPa,加壓到0.75MPa ；.0.75-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa,共計分9個階段升壓，合計時間14min ； 或加熱機預熱3min，隨后升壓時間間隔為lmin，每次加壓0.125MPa，加壓到0.25MPa ；.0.25-1.75MPa之間，每次加壓0.25MPa,共計分7個階段升壓，合計時間IOmin ； (5)在積層板成型的模具上，將得到的熱塑性樹脂預浸料裁成片狀，然后按照鋪層角度0/90/90/0/0/90/90/0積層，同時，在每一層熱塑性樹脂預浸料的表面鋪放同一尺寸的熱塑性樹脂膜；將鋪放積層料的模具放置在加熱機中，310°C預熱lOmin，和制造熱塑性樹脂預浸料時溫度相同，升壓方式為每隔lmin，升壓IMPa，升壓到4MPa ;接著，每分鐘升壓2MPa，升壓到lOMPa，壓力維持在lOMPa，關掉加熱機電源開關，自然冷卻到190°C，然后，利用加熱機的水冷系統(tǒng)，繼續(xù)降溫到110°C，緩慢減壓，脫模，得樹脂預浸纖維片復合材料層壓板。
2.根據(jù)權利要求1所述的樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，其特征在于:所述的纖維片為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維及陶瓷纖維。
3.根據(jù)權利要求1所述的樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，其特征在于:所述的樹脂是熱固性樹脂、熱塑性樹脂或熱固性樹脂與熱塑性樹脂的復合物。
4.根據(jù)權利要求3所述的樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，其特征在于:所述熱塑性樹脂包括:氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮或聚醚醚酮中的任何一種。
5.根據(jù)權利要求3所述的樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，其特征在于:所述熱固性樹脂包括環(huán)氧樹脂、苯酚樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨酯樹脂脂、聚氨酯丙烯酸酯樹脂、乙烯基酯樹脂、氰酸酯樹脂、苯氧樹脂、醇酸樹脂、馬來酰亞胺樹脂或者是這些樹脂的復合。
6.根據(jù)權利要求1所述的樹脂預浸纖維片復合材料的制造方法，其特征在于:將膏狀的樹脂涂抹在縫合開纖處理后的纖維片上，常溫下，用手動輥或者壓片機，把樹脂加壓浸潰在纖維束中，將該預浸料復數(shù)鋪層，在常溫下，利用手動輥或壓片機加壓，除去層間空氣，使得層間相互緊密接觸后，利用紫外線照射固化，獲得紫外線硬化樹脂層壓型復合材料 。
【文檔編號】B29C70/42GK103507280SQ201210211526
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月21日 優(yōu)先權日:2012年6月21日
【發(fā)明者】張東杰, 徐永田, 楊曉峰, 馬曉坤, 石大川 申請人:中國石油天然氣股份有限公司