一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料板的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料板的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維復(fù)合材料已經(jīng)越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，而碳纖維復(fù)合材料以熱固性樹(shù)脂為基體成型后，不可避免地面臨著回收等問(wèn)題，所以以高性能熱塑性樹(shù)脂為基體的碳纖維復(fù)合材料越來(lái)越得到應(yīng)用者的重視，成為碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域異?；钴S的熱點(diǎn)。與熱固性樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料相比，熱塑性樹(shù)脂復(fù)合材料具有諸多優(yōu)點(diǎn):(I)制備復(fù)合材料用的預(yù)浸料存放時(shí)間可無(wú)限期且沒(méi)有存放環(huán)境要求；(2)熱塑性碳纖維復(fù)合材料容易回收再利用，無(wú)環(huán)境污染，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、無(wú)污染和自動(dòng)化生產(chǎn)等。(3)熱塑性樹(shù)脂在成型過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，成型速度快，生產(chǎn)效率高。
[0003]但是，熱塑性碳纖維復(fù)合材料也有其不可避免的缺點(diǎn)。首先是熱塑性樹(shù)脂基體的熔融粘度一般都很大，在10Pa.s以上，這使得加工過(guò)程中樹(shù)脂與基體的浸漬過(guò)程非常困難；再者熱塑性樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)特性影響，一般其極性較弱，所以在與纖維形成的界面上結(jié)合強(qiáng)度較低，需要對(duì)普通熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行改性處理。在已有的專(zhuān)利報(bào)道中，針對(duì)熱塑性樹(shù)脂基體的碳纖維復(fù)合材料成型加工，一般都采用半成品預(yù)浸料直接壓制成型，而半成品預(yù)浸料一般采用熔融法制備，具體來(lái)講就是將熱塑性樹(shù)脂形成熔融體，然后高壓浸漬碳纖維，之后自然冷卻收卷得到；還有的嘗試采用粉末法或者溶劑浸漬法制備預(yù)浸料。但是這些方法存在一個(gè)共同的問(wèn)題，就是在預(yù)浸料的成型過(guò)程中完成樹(shù)脂與纖維的完全浸漬，如果含膠量超過(guò)30%以上，預(yù)浸料本身變得硬，碳纖維及其織物自身的柔性特點(diǎn)喪失，對(duì)異形產(chǎn)品的可設(shè)計(jì)性幾乎為零。而且對(duì)于熔融法制備的預(yù)浸料來(lái)講，在后續(xù)的熱塑性復(fù)合材料成型過(guò)程中還需要進(jìn)行樹(shù)脂熱熔的過(guò)程，兩次加熱耗費(fèi)了較多能源，引起成型成本提高的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)以上傳統(tǒng)熱塑性復(fù)合材料的制備工藝問(wèn)題，提供一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料板的制備方法。
[0005]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]一種熱塑性碳纖維復(fù)合材料板的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)將碳纖維織物進(jìn)行快速除膠處理，并且將熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行低溫超細(xì)化粉碎；
[0008](2)將細(xì)化好的熱塑性樹(shù)脂粉末均勻噴涂在碳纖維織物的上表面，然后在碳纖維織物的下表面抽真空，使熱塑性樹(shù)脂粉末涂覆在碳纖維織物表面；
[0009](3)將涂覆有熱塑性樹(shù)脂粉末的碳纖維織物進(jìn)行輥壓半熔滲處理，冷卻后收卷，得到單層預(yù)浸料；
[0010](4)將單層預(yù)浸料以疊層鋪設(shè)的方式放置于真空升降溫模具中，進(jìn)行真空模壓和快速冷卻，得到熱塑性碳纖維復(fù)合材料板。
[0011]優(yōu)選的，步驟(I)中，所述快速除膠采用的是遠(yuǎn)紅外加熱與碳纖維織物瞬時(shí)通電自身發(fā)熱相結(jié)合的方式，其中，遠(yuǎn)紅外加熱的溫度為500-900°C，加熱時(shí)間為30-60分鐘。
[0012]優(yōu)選的，步驟⑴中，所述的超細(xì)化粉碎采用低溫脆化、超細(xì)粉碎以及超聲振蕩篩粉等步驟，低溫脆化在超低溫樹(shù)脂粉碎設(shè)備中進(jìn)行，整個(gè)裝備配有液氮低溫腔，經(jīng)過(guò)低溫冷凍的樹(shù)脂原料由后續(xù)的機(jī)械切削碾壓裝置完成樹(shù)脂粉碎，低溫脆化溫度在零下190°C至零下200°C之間，脆化時(shí)間及粉碎時(shí)間根據(jù)不同樹(shù)脂特性而定。
[0013]優(yōu)選的，所述熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行低溫超細(xì)化粉碎后，得到的熱塑性樹(shù)脂粉末的粒度范圍為5-50微米。
[0014]優(yōu)選的，步驟(2)中，所述噴涂的壓力為0.5-2MPa ;所述真空浸漬為在碳纖維織物的下表面施加真空驅(qū)動(dòng)，真空度為0.06-0.1MPa0
[0015]優(yōu)選的，步驟(3)中，所述輥壓半熔滲處理為首先通過(guò)上下并排設(shè)置，且相向轉(zhuǎn)動(dòng)的加熱輥對(duì)浸漬有熱塑性樹(shù)脂粉末的碳纖維織物進(jìn)行加熱，使熱塑性樹(shù)脂粉末處于半熔融狀態(tài)，然后通過(guò)加熱輥對(duì)碳纖維織物的碾壓，將半熔融的熱塑性樹(shù)脂粉末粘附在碳纖維上。
[0016]優(yōu)選的，所述加熱輥的加熱溫度為高于熱塑性樹(shù)脂粉末熔點(diǎn)的50°C，所述加熱輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為4-20米/分鐘。
[0017]優(yōu)選的，步驟(4)中，所述真空模壓的真空度為0.06-0.1MPa，壓制溫度為根據(jù)樹(shù)脂類(lèi)型而定，壓制壓力為10-25MPa，壓制時(shí)間為5_10分鐘，所述快速冷卻速率為15°C /分鐘。
[0018]優(yōu)選的，所述熱塑性樹(shù)脂為聚乙烯樹(shù)脂、聚丙烯樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、聚酰胺樹(shù)脂、聚氯乙烯樹(shù)脂、聚苯乙烯樹(shù)脂、聚碳酸酯樹(shù)脂、聚苯醚樹(shù)脂以及聚砜樹(shù)脂中的一種或多種。
[0019]優(yōu)選的，步驟(4)中制得的熱塑性碳纖維復(fù)合材料板中，碳纖維的質(zhì)量百分含量為50-70%，熱塑性樹(shù)脂的質(zhì)量百分含量為30-50%。
[0020]優(yōu)選的，所述碳纖維織物選用單向碳纖維帶、碳纖維二維織物或碳纖維三維織物，其中，二維織物包括平紋、斜紋、緞紋以及以上各種多軸向的混雜編織形式；三維織物包括三維四向、三維五向等多種三維編織結(jié)構(gòu)。
[0021]本發(fā)明的有益技術(shù)效果為:
[0022]1、本發(fā)明利用低溫超細(xì)化樹(shù)脂粉體處理技術(shù)，結(jié)合粉末噴涂與真空浸漬技術(shù)以及對(duì)于粉末的半熔融粘接技術(shù)，在粉末預(yù)浸料制備的同時(shí)保證熱塑性樹(shù)脂粉體的不連續(xù)狀態(tài)，從而保留了碳纖維織物自身的柔性，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸布的靈活形狀可設(shè)計(jì)性。
[0023]2、本發(fā)明的主要優(yōu)勢(shì)還包括將預(yù)浸布的熔融與熱塑性復(fù)合材料制備的加熱步驟合為一體，采用真空快速模壓技術(shù)，在模壓壓制產(chǎn)品的同時(shí)保證體系的真空度，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂粉體熔融與制品成型快速完成，該方法時(shí)間短、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)效率高。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為樹(shù)脂粉末噴涂碳纖維柔性預(yù)浸料制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為熱塑性碳纖維復(fù)合材料板的快速壓制真空模具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]其中，1、放紗架，2、快速除膠裝置，3、高壓噴涂真空浸漬裝置，4、熱壓裝置，5、收卷裝置，6、壓制模具，7、真空系統(tǒng)，8、預(yù)浸料。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028]實(shí)施例1
[0029]選用聚酰胺樹(shù)脂為熱塑性基體樹(shù)脂，碳纖維選用二維平紋織物為增強(qiáng)材料，含膠量為40%，將聚酰胺樹(shù)脂經(jīng)過(guò)液氮低溫粉碎為超細(xì)化粉末，顆粒度控制在30微米。如圖1所示將碳纖維平紋織物通過(guò)放紗架I放下進(jìn)入快速除膠裝置2中進(jìn)行除膠處理，整個(gè)處理過(guò)程中選用碳纖維電熱元件為遠(yuǎn)紅外熱源，外熱源的溫度為500°C，處理時(shí)間為30分鐘。將除膠后的碳纖維平紋布置于高壓噴涂真空浸漬裝置3，采用干粉噴頭對(duì)上述碳纖維平紋布進(jìn)行高壓噴涂，噴涂壓力為0.8MPa，噴頭距離碳纖維平紋織物的高度為30cm，噴涂過(guò)程中施加抽真空，真空度保持在0.1MPa，最終碳纖維織物表面涂覆樹(shù)脂粉體重量百分含量為40%。之后將涂覆超細(xì)粉體的纖維織物進(jìn)入熱壓裝置4中，通過(guò)加熱輥擠壓加熱將樹(shù)脂粉體形成半熔融狀態(tài)，加熱溫度為260°C，然后加壓成型，加熱輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速率為5米/分鐘，預(yù)浸料8通過(guò)收卷裝置5收集。
[0030]如圖2所示，利用以上制備的粉末涂層柔性碳纖維預(yù)浸料8為單層，成型制品形狀為平板狀，將壓制模具6預(yù)熱至250°C，在預(yù)熱后的壓制模具6內(nèi)鋪設(shè)上述單層預(yù)浸料8，采用疊層方式鋪設(shè)，總鋪層數(shù)為20層，鋪設(shè)好預(yù)浸料8之后合模加壓，壓制壓力為15MPa，成型時(shí)間為5分鐘，整個(gè)過(guò)程中用真空系統(tǒng)7抽真空，真空度保持在0.08MPa。加壓結(jié)束后停止加熱開(kāi)啟快速冷卻系統(tǒng)，冷卻速度為15°C /分鐘，將壓制模具6的溫度降至室溫后取出修邊，表面拋光后即可得到熱塑性復(fù)合材料平板制品。
[0031]實(shí)施例2
[0032]選用聚乙烯樹(shù)脂為熱塑性基體樹(shù)脂，碳纖維選用二維斜紋織物為增強(qiáng)材料，含膠量為45 %，將聚酰胺樹(shù)脂經(jīng)過(guò)液氮低溫粉碎為超細(xì)化粉末，顆粒度控制在20微米。如圖1所示，將上述碳纖維斜紋織物通過(guò)放紗架I在快速除膠裝置2中進(jìn)行除膠處理，整個(gè)處理過(guò)程中選用碳纖維電熱元件