改性聚甲基戊烯芯模材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及改性聚甲基戊烯芯模材料的制備方法。改性聚甲基戊烯芯模材料可用于復(fù)合材料帽形加筋壁板的制造，能改善其綜合工藝性能，尤其適用于對(duì)內(nèi)外徑尺寸的精確度要求較高的零件。
技術(shù)背景
[0002]復(fù)合材料以其比強(qiáng)度、比模量高，抗腐蝕、耐疲勞，可設(shè)計(jì)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，已成為航空航天主要結(jié)構(gòu)材料之一。初期的復(fù)合材料應(yīng)用是對(duì)原金屬結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單替代，隨著對(duì)復(fù)合材料特性了解的深入，目前普遍采用不同于以往金屬結(jié)構(gòu)的適合復(fù)合材料特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在航空航天結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)重量是重要的性能指標(biāo)之一，減重對(duì)提高飛行器的機(jī)動(dòng)性、續(xù)航能力、節(jié)約燃油等都有很大的好處。
[0003]在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料加筋板占有很重要的地位。設(shè)計(jì)最小機(jī)翼、尾翼和機(jī)身上的蒙皮壁板廣泛采用桁條加強(qiáng)的加筋層壓板(簡(jiǎn)稱(chēng)“加筋板”)結(jié)構(gòu)。增加的筋條不僅能大大提高板的剛度、增加板的強(qiáng)度、提高穩(wěn)定性，而且附加的重量很小。因此在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料加筋板是經(jīng)常采用的典型結(jié)構(gòu)形式，占有很重要的地位。同時(shí)，有效設(shè)計(jì)最小重量的復(fù)合材料加筋板，對(duì)降低結(jié)構(gòu)重量具有重要意義。復(fù)合材料加筋板能夠承受機(jī)身中拉壓和剪切載荷的作用，其結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的總體和局部剛度，減少了應(yīng)力集中和釘孔對(duì)壁板截面積的削弱，在減重方面擁有很大的優(yōu)勢(shì)。比較典型的加筋結(jié)構(gòu)有T型、J型、L型、帽形等。這些加筋結(jié)構(gòu)一般由蒙皮、緣條和腹板構(gòu)成。加筋結(jié)構(gòu)通常存在結(jié)構(gòu)突變和自由邊，在結(jié)構(gòu)突變和自由邊處不可避免地存在著應(yīng)力集中和膠接面應(yīng)力分布，而膠接面應(yīng)力往往是引起加筋結(jié)構(gòu)發(fā)生分層破壞的重要因素。
[0004]帽形加筋是一種減重效率較高的結(jié)構(gòu)形式，但由于這種結(jié)構(gòu)存在由于積水不容易排出而易造成金屬結(jié)構(gòu)腐蝕的缺點(diǎn)，限制了它的應(yīng)用。復(fù)合材料所具有的優(yōu)異抗腐蝕性能為帽形加筋結(jié)構(gòu)在飛機(jī)上的應(yīng)用提供了條件，較多的飛機(jī)結(jié)構(gòu)采用了帽形加筋，如C-17運(yùn)輸機(jī)的復(fù)合材料平尾等。然而，民用大飛機(jī)上的復(fù)合材料成型是特殊工藝，工藝越復(fù)雜，可靠性就越難控制。例如，復(fù)合材料的帽形加筋板結(jié)構(gòu)其變厚度、變高度、變角度、變截面、變曲率，一次共固化難度非常大，過(guò)程控制非常復(fù)雜。因此，大型客機(jī)后機(jī)身帽形加筋板制件的共固化成型成為國(guó)內(nèi)航空復(fù)合材料制造的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
[0005]成型帽形加筋結(jié)構(gòu)可采用金屬芯模、膨脹橡膠芯模和氣囊加壓等方式進(jìn)行。
[0006]膨脹橡膠芯模成型工藝是指復(fù)合材料預(yù)浸料在閉合性剛性陰模中通過(guò)橡膠芯模的熱膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料加壓固化的成型工藝方法。這種方法無(wú)需外壓源，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品的整體成型，尤其是在具有復(fù)雜腔體的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型中，能夠克服外壓難以傳遞均勻以及腔內(nèi)模具難以脫出甚至無(wú)法脫出的缺點(diǎn)。采用該工藝制造出的一些高性能的復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用于飛機(jī)。對(duì)內(nèi)徑尺寸的精確度要求不高，但對(duì)外徑精度要求較高的構(gòu)件，適合采用膨脹橡膠芯模成型工藝制備。
[0007]然而，膨脹橡膠芯模，以及金屬芯模對(duì)于細(xì)長(zhǎng)，帶曲率或開(kāi)口不暢的帽形結(jié)構(gòu)都存在脫模困難甚至無(wú)法實(shí)施的問(wèn)題。而氣囊加壓方式也存在操作比較困難的問(wèn)題。
[0008]采用水溶材料(如水基凝膠陶瓷材料)作為復(fù)合材料帽形制件的芯模材料，操作簡(jiǎn)便，滿(mǎn)足使用要求，但這種芯模較脆，易碎，操作時(shí)要小心。其表面還存在大量細(xì)孔，如果不進(jìn)行處理，可能造成固化時(shí)過(guò)量的樹(shù)脂滲入微孔中，造成制件貧膠。此外，這種帽形制件的內(nèi)腔質(zhì)量也不佳。
[0009]采用中空或固體橡膠來(lái)成型縱梁芯模，費(fèi)用高，需要脫模劑，存在污染和漏氣問(wèn)題。而采用PTFE芯模價(jià)格昂貴、韌性差。如果單獨(dú)使用聚甲基戊烯作為芯模材料來(lái)制備帽形加筋結(jié)構(gòu)，則存在價(jià)格貴，韌性在某些情況下不能滿(mǎn)足工藝要求等問(wèn)題。因此，需要一種操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定且綜合性能優(yōu)良的改性聚甲基戊烯芯模材料。
[0010]采用本發(fā)明的方法得到的改性聚甲基戊烯粒料來(lái)做縱梁芯模，具有自釋放，非硅，無(wú)污染，穩(wěn)定性好(其熱膨脹系數(shù)為10 6m/°C左右，遠(yuǎn)低于于常用的鋼、鋁等材料制成的芯模的熱膨脹系數(shù):鋼的膨脹系數(shù)為10 5，鋁的膨脹系數(shù)為10 5)，耐高溫，可以共固化成型，費(fèi)用低，可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。典型的是熱塑性改性聚甲基戊烯芯模材料，其具有較高膨脹系數(shù)，冷卻時(shí)可收縮，從而與固化的復(fù)合材料零件脫離，自釋放制造復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明旨在解決傳統(tǒng)芯模工藝及其產(chǎn)品性能存在的不足，提供一種改性聚甲基戊烯芯模材料的制備方法，從而提供一種穩(wěn)定的，綜合性能優(yōu)良的改性聚甲基戊烯芯模材料。本發(fā)明克服了單獨(dú)使用聚甲基戊烯存在價(jià)格貴、性能差的缺點(diǎn)，提供了一種先將聚甲基戊烯與聚丙烯以及三元乙丙橡膠進(jìn)行動(dòng)態(tài)硫化或三元共混從而將聚甲基戊烯改性，再采用Hakke混煉或擠出的方法制備改性聚甲基戊烯芯模材料的工藝方法。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，改性聚甲基戊烯芯模材料的制備方法包括:
[0013](I)聚甲基戊烯材料的動(dòng)態(tài)硫化改性:按重量計(jì)，取5-50份聚丙烯，30-70份聚甲基戊烯，9-60份三元乙丙橡膠，再按總重量的1-10%加入硫磺，將聚甲基戊烯/聚丙烯/三元乙丙橡膠以及硫磺按比例混勻后，將混合物加入溫度為約200-270°C的Hakke混煉機(jī)中塑化l_30min，然后加入總重量的1_10%的硫磺，再混煉15_30min。最后出料，混合物料呈黃色固體狀，經(jīng)粉碎后，得到改性聚甲基戊烯粒料。其中，聚甲基戊烯/聚丙烯/三元乙丙橡膠的配比，按重量計(jì)，優(yōu)選為30-70份/5-20份/15-60份；或者
[0014]聚甲基戊烯/聚丙烯/三元乙丙橡膠三元共混改性:按重量計(jì)，取10-30份聚丙烯，30-70份聚甲基戊烯，15-40份三元乙丙橡膠，將聚甲基戊烯/聚丙烯/三元乙丙橡膠按比例混勻后，將混合物加入至溫度為約200-270°C的塑料擠出機(jī)中塑化l_30min，然后擠出造粒，得到呈白色固體狀的改性聚甲基戊烯粒料。其中，聚甲基戊烯/聚丙烯/三元乙丙橡膠的配比，按重量計(jì)，優(yōu)選為50-70份/10-20份/15-30份。
[0015](2)將所得改性聚甲基戊烯粒料在50-190°C下烘干后，經(jīng)過(guò)擠出成型或模塑成型，得到改性聚甲基戊烯芯模。
[0016]本發(fā)明還涉及利用改性聚甲基戊烯芯模材料制備帽形制件的方法，包括:將環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維預(yù)浸料放置在本發(fā)明的改性聚甲基戊烯芯模材料上，在50-190Γ共固化成型，然后將固化后的環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行脫模，最后得到合格的復(fù)合材料帽形制件。
[0017]優(yōu)選地，聚丙烯為均聚或共聚。
[0018]優(yōu)選地，聚甲基戊烯為擠出級(jí)或成膜級(jí)。
[0019]優(yōu)選地，三元乙丙橡膠為國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口，例如來(lái)自杜邦公司或帝斯曼公司的三元乙丙橡膠產(chǎn)品。
[0020]本發(fā)明還涉及利用上述任一方法制備的改性聚甲基戊烯粒料、改性聚甲基戊烯芯模材料和復(fù)合材料帽形制件。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的方法制備的改性聚甲基戊烯芯模材料可以克服傳統(tǒng)芯模產(chǎn)品性能的不足。它可以替代膨脹橡膠芯模，尤其適宜對(duì)內(nèi)外徑尺寸的精確度都要求較高的零件加工，可用于復(fù)合材料帽形加筋壁板的制造。通過(guò)該芯模制造的復(fù)合材料精度更高、質(zhì)量更高，同時(shí)具有更加優(yōu)異的工藝操作性。根據(jù)本發(fā)明方法得到的改性聚甲基戊烯芯模材料適用于航空、航天、建筑、風(fēng)電、艦船、汽車(chē)及電子等領(lǐng)域的復(fù)合材料帽形加筋結(jié)構(gòu)制件的制造。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1示出了實(shí)施例8的改性聚甲基戊烯芯模材料。
[0023]圖2示出了實(shí)施例9所述的將環(huán)氧樹(shù)脂碳纖維預(yù)浸料放置在改性聚甲基戊烯芯模上的步驟。
[0024]圖3示出了實(shí)施例9所得的復(fù)合材料帽形制件。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，有必要在此指出的是實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行示例性說(shuō)明，而不應(yīng)被理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改變和調(diào)整。
[0026]按照以下實(shí)施例的具體方法制備改性聚甲基戊烯材料后，采用ASTM D638方法測(cè)量其拉伸強(qiáng)度、采用ASTM D3418方法測(cè)量其烯烴結(jié)晶度、同時(shí)采用動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析(DMA)D7028方法測(cè)量其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。
[0027]實(shí)施例1
[0028]動(dòng)態(tài)硫化改性聚甲基戊烯材料的制備:
[0029]按重量計(jì)，取70份聚甲基戊烯，15份聚丙烯，15份三元乙丙橡膠，按總重量的1%加入硫磺，將聚甲基戊烯/聚丙烯/三