一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于高分子材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品及其制備方法。本發(fā)明通過對連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸帶材料的分切成3～10mm后進(jìn)行編織成連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料布或編織成各種零部件形狀，再通過模具，經(jīng)過熱加工制作成任意形狀的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料零部件或制品。本發(fā)明的加工方法可以有效解決利用單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶制作結(jié)構(gòu)性部件加工困難問題，即而使零部件具有更高機(jī)械性能。
【專利說明】一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子材料【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 連續(xù)性纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂是由纖維和樹脂兩部分組成，絕大多數(shù)的熱塑性樹脂 拉伸強(qiáng)度低，但是具有很高的韌性和可塑性；而纖維有很高的拉伸強(qiáng)度，但是容易受到破壞 且不容易成形加工。纖維與樹脂的復(fù)合對二者的缺陷進(jìn)行互補(bǔ)，使得連續(xù)性纖維增強(qiáng)熱塑 性樹脂復(fù)合材料的綜合性能大大提高。與傳統(tǒng)的鋼材和鋁材相比，其密度約為鋼材的1/5， 約為鋁材的1/2 ;比強(qiáng)度與比模量也遠(yuǎn)高于剛和鋁的合金，因此在剛度和強(qiáng)度相同的條件 下具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)，在節(jié)省能源、提高構(gòu)件的使用性能方面是其它材料無法比擬的。
[0003] 熱塑性樹脂可反復(fù)加熱軟化、冷卻固化，常溫下為高分子量固體，是線型或帶少量 支鏈的聚合物，分子間無交聯(lián)，僅借助范德瓦耳斯力或氫鍵互相吸引。在成型加工過程中， 樹脂經(jīng)加壓加熱即軟化和流動，不發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，可以在模具內(nèi)賦形，經(jīng)冷卻定型，制得所 需形狀的制品。在反復(fù)受熱過程中，分子結(jié)構(gòu)基本上不發(fā)生變化，當(dāng)溫度過高、時間過長時， 則會發(fā)生降解或分解，這些都是與熱固性樹脂相區(qū)別的特征。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)對單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶材料進(jìn)行加工制作產(chǎn)品時，是通 過沿著預(yù)浸帶纖維方向橫縱鋪疊，并根據(jù)所需厚度或產(chǎn)品力學(xué)要求鋪疊成一定厚度后，進(jìn) 行熱壓成型。因預(yù)浸帶相鄰兩個預(yù)浸帶纖維方向成0°和90°交叉，所以兩個預(yù)浸帶有一 定耦合應(yīng)力存在，產(chǎn)品變形性大。尤其制作封閉或半封閉性制品以及略復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性部件 時，無法保證產(chǎn)品力學(xué)性能的均衡性，因此也大大降低了其應(yīng)用領(lǐng)域。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明的目的是提供一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品及 其制備方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品的制備方法，該方法包括以下步驟：
[0008] (1)將單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶順著纖維方向進(jìn)行切割，分切成窄幅 預(yù)浸帶；
[0009] (2)將步驟（1)中得到的窄幅預(yù)浸帶利用編織設(shè)備進(jìn)行編織，其中窄幅預(yù)浸帶沿編 織設(shè)備縱向排列的作為經(jīng)紗，沿編織設(shè)備橫向排列的作為緯紗，經(jīng)紗和緯紗通過編織設(shè)備 編織成布狀或零部件的形狀的復(fù)合編織材料；
[0010] (3)將步驟（2)中制得的復(fù)合編織材料通過鋪放設(shè)備，逐層鋪放在模具上，鋪放過 程中，對模具上的復(fù)合編織材料進(jìn)行加熱融化，并用輥筒進(jìn)行輥壓，使相鄰的復(fù)合編織材料 緊密連接在一起，達(dá)到產(chǎn)品所需的厚度后，進(jìn)行冷卻，脫模制得所述連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹 脂制品。
[0011] 步驟（1)中所述的窄幅預(yù)浸帶的寬度為3?IOmm ;
[0012] 步驟（1)中所述的單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶的制備方法包括以下步 驟：將熱塑性樹脂加入到擠出機(jī)中，通過交錯的雙擠出模頭擠出淋膜，通過張力調(diào)節(jié)裝置連 續(xù)纖維平行排列成帶狀，導(dǎo)到雙擠出模頭處，帶狀連續(xù)纖維的兩側(cè)分別與雙擠出模頭接觸， 與擠出的熔融樹脂進(jìn)行浸漬，浸漬后的連續(xù)纖維，導(dǎo)入輥壓裝置，輥壓、冷卻制得單向連續(xù) 纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶。
[0013] 所述的步驟（2)中得到的復(fù)合編織材料中經(jīng)紗和緯紗緊密排列但不重疊，形成致 密的編織材料；
[0014] 所述的步驟（3)中加熱溫度為熱塑性樹脂的熔融溫度，輥筒的輥壓壓力為1? 3MPa，輥筒溫度為70?90°C ;
[0015] 所述的步驟（3)中模具中設(shè)有冷卻水通道，冷卻時通入冷卻水進(jìn)行冷卻降溫，冷卻 溫度為40°C以下。
[0016] 一種上述方法制得的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品。
[0017] 所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品
[0018] 中纖維的重量百分含量為40%?75% ;熱塑性樹脂的重量百分含量為25%?60%。
[0019] 所述的熱塑性樹脂選自聚烯烴樹脂、熱塑性聚酯、聚酰胺樹脂、聚碳酸酯、其他通 用樹脂或高性能工程塑料中的一種或一種以上；
[0020] 優(yōu)選的，所述的聚烯烴樹脂選自聚丙烯或聚乙烯；
[0021] 所述的熱塑性聚酯選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丙二醇酯或聚對苯 二甲酸丁二醇酯；
[0022] 所述的聚酰胺樹脂選自尼龍6、尼龍66、尼龍12、尼龍1212或尼龍612 ;
[0023] 所述的聚碳酸酯選自脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯或者脂肪族-芳香族聚碳 酸酯；
[0024] 所述的其他通用樹脂選自聚氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯乙烯或 高沖聚苯乙烯；
[0025] 所述的高性能工程塑料選自聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯醚或聚醚酰亞胺。
[0026] 所述的連續(xù)纖維選自E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、凱夫拉纖維、碳纖維或玄武巖纖 維中的一種或一種以上。
[0027] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0028] 1、本發(fā)明的一種利用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶材料加工產(chǎn)品新方法具有 加工操作容易，有利于產(chǎn)品大規(guī)模量產(chǎn)化。
[0029] 2、本發(fā)明的一種利用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶材料加工產(chǎn)品新方法可以 利用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶加工出各種結(jié)構(gòu)性、封閉性部件或產(chǎn)品。大大增強(qiáng)了 其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0030] 3、本發(fā)明的一種利用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶材料加工產(chǎn)品新方法降低 了現(xiàn)有技術(shù)中層與層之間的耦合應(yīng)力，保證了產(chǎn)品形狀的穩(wěn)定性。
[0031] 4、本發(fā)明的一種利用連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶材料加工產(chǎn)品新方法通過 編織成復(fù)合材料布后再制備制品，保證了產(chǎn)品各部位力學(xué)性能的均衡性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中窄幅連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶編織的復(fù)合材料布。
[0033] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中制得的圓管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中制得的波紋板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例3中制得的半球殼的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0037] 實(shí)施例1
[0038] 如圖1、2所示，一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制圓管，按以下方法制得：
[0039] (1)制備單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶：將聚醚醚銅樹脂加入到擠出機(jī)中， 通過交錯的雙擠出模頭擠出淋膜，通過張力調(diào)節(jié)裝置連續(xù)碳纖維平行排列成帶狀，導(dǎo)到雙 擠出模頭處，帶狀連續(xù)碳纖維的兩側(cè)分別與雙擠出模頭接觸，與擠出的熔融樹脂進(jìn)行浸漬， 浸漬后的連續(xù)纖維，導(dǎo)入輥壓裝置，輥壓、冷卻制得單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚銅樹脂預(yù)浸 帶；
[0040] 將上述厚度為0. 15mm單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚銅樹脂預(yù)浸帶順著纖維方向進(jìn) 行切割，進(jìn)行分切成寬度為7mm的窄幅預(yù)浸帶；
[0041] (2)將步驟（1)中得到的窄幅預(yù)浸帶利用編織設(shè)備進(jìn)行編織，其中窄幅預(yù)浸帶沿編 織設(shè)備縱向排列的作為經(jīng)紗，沿編織設(shè)備橫向排列的作為緯紗，利用編制編織設(shè)備和工藝 將經(jīng)紗與緯紗交織在一起織成寬度為2400mm復(fù)合材料布，并保持相鄰的經(jīng)紗或緯紗緊密 但不重疊的排列在一起，形成致密復(fù)合材料布；
[0042] (3)將復(fù)合材料布通過鋪放設(shè)備，首先對復(fù)合材料布加熱至335°C使聚醚醚銅樹 脂融化后，再將其纏繞在直徑為IOOmm表面鍍聚四氟的金屬圓柱上，邊纏繞邊通過溫度為 90°C、壓力為IMPa的氣壓輥輥壓，纏繞20圈后對模具通入冷水，使其溫度降低到40°C后脫 模，制得壁厚為6mm、內(nèi)徑為100mm，長度為2400mm的圓管，圓管中纖維的重量百分含量為 40%。
[0043] 實(shí)施例2
[0044] 如圖1、3所示，一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制波紋板，按以下方法制得：
[0045] (1)制備單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶：將熱聚丙烯樹脂加入到擠出機(jī)中， 通過交錯的雙擠出模頭擠出淋膜，通過張力調(diào)節(jié)裝置連續(xù)E-玻璃纖維平行排列成帶狀，導(dǎo) 到雙擠出模頭處，帶狀E-玻璃連續(xù)纖維的兩側(cè)分別與雙擠出模頭接觸，與擠出的熔融樹脂 進(jìn)行浸漬，浸漬后的連續(xù)E-玻璃纖維，導(dǎo)入輥壓裝置，輥壓、冷卻制得單向連續(xù)E-玻璃纖維 增強(qiáng)聚丙烯樹脂預(yù)浸帶；
[0046] 將上述厚度為0. 17mm單向連E-續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯樹脂預(yù)浸帶順著纖維方向 進(jìn)行切割，進(jìn)行分切成寬度為IOmm的窄幅預(yù)浸帶；
[0047] (2)將步驟（1)中得到的窄幅預(yù)浸帶利用編織設(shè)備進(jìn)行編織，其中窄幅預(yù)浸帶沿編 織設(shè)備縱向排列的作為經(jīng)紗，沿編織設(shè)備橫向排列的作為緯紗，利用編制編織設(shè)備和工藝 將經(jīng)紗與緯紗交織在一起織成寬度為3000mm復(fù)合材料布，并保持相鄰的經(jīng)紗或緯紗緊密 但不重疊的排列在一起，形成致密復(fù)合材料布。
[0048] (3)將寬度為3000mm復(fù)合材料布裁剪成寬度不變，長度為5000mm的復(fù)合材料 布，并邊鋪放于凸凹不平的模具上，邊加熱溫度到180°C使聚丙烯樹脂熔融，邊通過溫度為 70°C、壓力為IMPa的氣壓輥對熔融復(fù)合材料布進(jìn)行輥壓。多次重復(fù)鋪放20層復(fù)合材料布 后對模具通入冷水，使其溫度降低到30°C后脫模，形成與模具形狀一致，厚度為6. 8_的連 E-續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯樹脂復(fù)合材料的波紋板，波紋板中纖維的重量百分含量為75%。
[0049] 所述的單向連E-續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯樹脂預(yù)浸帶也可采購遼寧遼杰科技有限 公司生產(chǎn)的TPAC聚丙烯預(yù)浸帶。
[0050] 實(shí)施例3
[0051] 如圖1、4所示，一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制半球殼，按以下方法制得：
[0052] (1)制備單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶：將聚苯硫醚樹脂加入到擠出機(jī)中， 通過交錯的雙擠出模頭擠出淋膜，通過張力調(diào)節(jié)裝置連續(xù)凱夫拉纖維平行排列成帶狀，導(dǎo) 到雙擠出模頭處，帶狀連續(xù)凱夫拉纖維的兩側(cè)分別與雙擠出模頭接觸，與擠出的熔融樹脂 進(jìn)行浸漬，浸漬后的連續(xù)凱夫拉纖維，導(dǎo)入輥壓裝置，輥壓、冷卻制得單向連續(xù)凱夫拉纖維 增強(qiáng)聚苯硫醚樹脂預(yù)浸帶；
[0053] 將上述制得的厚度為0. 16mm單向連續(xù)凱夫拉纖維增強(qiáng)聚苯硫醚樹脂預(yù)浸帶順著 纖維方向進(jìn)行切割，進(jìn)行分切成寬度為3mm的窄幅預(yù)浸帶；
[0054] (2)將步驟（1)中得到的窄幅預(yù)浸帶利用編織設(shè)備進(jìn)行編織，其中窄幅預(yù)浸帶沿編 織設(shè)備縱向排列的作為經(jīng)紗，沿編織設(shè)備橫向排列的作為緯紗，利用編制編織設(shè)備和工藝 將經(jīng)紗與緯紗交織在一起織成厚度為0. 32mm，球體內(nèi)徑分別為60mm、60. 64mm、61. 28mm...... 65. 76mm，其中內(nèi)徑的按0. 64mm的公差依次增加。并保持相鄰的經(jīng)紗或緯紗緊密但不重疊 的排列在一起，形成致密編織復(fù)合材料半球殼。
[0055] (3)將最小內(nèi)徑即內(nèi)徑為60mm的編織復(fù)合材料半球殼放在直徑為60mm的半球體 模具上，并邊加熱到280°C使聚苯硫醚樹脂熔融，邊通過溫度為80°C、壓力為IMPa的氣壓輥 對熔融編織復(fù)合材料半球殼進(jìn)行全面輥壓。重復(fù)鋪放逐漸增大的10個編織復(fù)合材料半球， 通過邊鋪放、邊加熱熔融、邊輥壓后，對模具通冷水，冷卻至溫度為35°C后脫模，最終形成厚 度為3. 2mm的連續(xù)凱夫拉纖維增強(qiáng)聚苯硫醚樹脂復(fù)合材料的半球殼，半球殼中纖維的重量 百分含量為50%。
[0056] 所述的單向連續(xù)凱夫拉纖維增強(qiáng)聚苯硫醚樹脂預(yù)浸帶為遼寧遼杰科技有限公司 TPAC凱夫拉聚苯硫醚預(yù)浸帶。
[0057] 對實(shí)施例中制得的產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果如下表1 :
[0058] 表 1
[0059]
【權(quán)利要求】
1. 一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品的制備方法，其特征在于：該方法包括以下步 驟： (1) 將單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶順著纖維方向進(jìn)行切割，分切成窄幅預(yù)浸 帶； (2) 將步驟（1)中得到的窄幅預(yù)浸帶利用編織設(shè)備進(jìn)行編織，其中窄幅預(yù)浸帶沿編織設(shè) 備縱向排列的作為經(jīng)紗，沿編織設(shè)備橫向排列的作為緯紗，經(jīng)紗和緯紗通過編織設(shè)備編織 成布狀或零部件的形狀的復(fù)合編織材料； (3) 將步驟（2)中制得的復(fù)合編織材料通過鋪放設(shè)備，逐層鋪放在模具上，鋪放過程中， 對模具上的復(fù)合編織材料進(jìn)行加熱融化，并用輥筒進(jìn)行輥壓，使相鄰的復(fù)合編織材料緊密 連接在一起，達(dá)到產(chǎn)品所需的厚度后，進(jìn)行冷卻，脫模制得所述連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制 品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1)中所述的窄幅預(yù)浸帶的寬度 為3?10mm 〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1)中所述的單向連續(xù)纖維增強(qiáng) 熱塑性樹脂預(yù)浸帶的制備方法包括以下步驟：將熱塑性樹脂加入到擠出機(jī)中，通過交錯的 雙擠出模頭擠出淋膜，通過張力調(diào)節(jié)裝置連續(xù)纖維平行排列成帶狀，導(dǎo)到雙擠出模頭處，帶 狀連續(xù)纖維的兩側(cè)分別與雙擠出模頭接觸，與擠出的熔融樹脂進(jìn)行浸漬，浸漬后的連續(xù)纖 維，導(dǎo)入輥壓裝置，輥壓、冷卻制得單向連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂預(yù)浸帶。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述的步驟（2)中得到的復(fù)合編織材 料中經(jīng)紗和緯紗緊密排列，形成致密的編織材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：所述的步驟（3)中加熱溫度為熱塑性 樹脂的熔融溫度，輥筒的輥壓壓力為1?3MPa，輥筒溫度為70?90°C ; 所述的步驟（3)中模具中設(shè)有冷卻水通道，冷卻時通入冷卻水進(jìn)行冷卻降溫，冷卻溫度 為40°C以下。
6. -種上述權(quán)利要求1-5中任一所述的方法制得的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品，其特征在于：所述的連續(xù)纖 維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品中纖維的重量百分含量為40%?75% ;熱塑性樹脂的重量百分含量 為 25% ?60%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品，其特征在于：所述的熱塑性 樹脂選自聚烯烴樹脂、熱塑性聚酯、聚酰胺樹脂、聚碳酸酯、其他通用樹脂或高性能工程塑 料中的一種或一種以上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品，其特征在于：所述的聚烯烴 樹脂選自聚丙烯或聚乙烯； 所述的熱塑性聚酯選自聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丙二醇酯或聚對苯二甲 酸丁二醇酯； 所述的聚酰胺樹脂選自尼龍6、尼龍66、尼龍12、尼龍1212或尼龍612 ; 所述的聚碳酸酯選自脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯或者脂肪族-芳香族聚碳酸 醋； 所述的其他通用樹脂選自聚氯乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚苯乙烯或高沖 聚苯乙烯； 所述的高性能工程塑料選自聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚苯醚或聚醚酰亞胺。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂制品，其特征在于：所述的連續(xù)纖 維選自E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、凱夫拉纖維、碳纖維或玄武巖纖維中的一種或一種以上。
【文檔編號】B29C70/30GK104416912SQ201310376547
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】楊桂生, 邢明祥 申請人:遼寧遼杰科技有限公司