一種複合材料成型工藝的製作方法

2023-06-25 22:33:41

專利名稱：一種複合材料成型工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於材料製備技術領域，涉及一種複合材料成型工藝，所述複合材料包括 表層以及位於表層內的芯層，所述芯層一般為泡沫，表層為織物。
背景技術：
對於一些複合材料，例如厚度較厚的復材製品，一般IOmm以上，例如斜坡板、床 板、衝浪板、牆板、座椅、風電葉片等等，普遍採用雙層結構，即表層以及位於表層內的芯層， 其製備工藝例如手糊成型及預浸料模壓成型工藝均已被廣泛應用，但各自存在缺點。手糊成型工藝，生產效率低、速度慢、生產周期長，產品質量不夠穩定。由於操作人 員技能水平不同及製作環境條件的影響故產品質量穩定性差；生產環境差，氣味大，加工時 粉塵多，而預浸料模壓成型工藝，表面效果容易存在缺陷，易造成針孔和色差。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於現有一些複合材料(主要是那些包括表層以及 位於表層內的芯層，且芯層一般為泡沫，表層一般為織物的複合材料)普遍採用如手糊或 預浸料模壓等成型工藝製備，製成的產品存在產品質量(主要體現在產品的物理性能上) 不夠穩定或產品表面存在針孔和色差等問題，並針對這些問題提供一種複合材料成型工 藝。本發明通過第一技術方案解決上述所提到的問題一種複合材料成型工藝，所述複合材料包括表層以及位於表層內的芯層，所述芯 層為泡沫，該工藝包括a、所述複合材料表層的製備步驟；b、複合材料表層包覆在芯層上的步驟；C、對複合材料固化成型的步驟；其特徵在於所述複合材料表層包括由預浸料織物構成的外層以及位於外層及芯層之間、包覆 在芯層上的、由織物構成的內層，所述a步驟包括複合材料外層的製備步驟及複合材料內 層的製備步驟；所述複合材料外層的製備步驟包括(1)、在鋪有第一樹脂調配物的具有密封性的複合材料外層保護膜上鋪上織物，使 織物與複合材料外層保護膜緊密貼合；(2)、將複合材料外層相對於複合材料外層保護膜的另一面貼在含有第一樹脂調 配物的模具面上；使織物與模具面緊密貼合；(3)、撕開複合材料外層保護膜；所述複合材料內層的製備步驟包括①、將預浸料織物鋪在複合材料外層織物面上，使預浸料織物與複合材料外層織
4物面緊密貼合；②、在預浸料織物上再鋪上預浸料織物，使預浸料織物之間緊密貼合；③、重複②步驟，直到複合材料內層鋪完。正如本說明書背景技術部分所述，現有技術(例如手糊成型及預浸料模壓成型工 藝)均存在各自的缺點，同時考慮到人們對本發明所述複合材料的要求(即複合材料表面 具有優良的外觀，而複合材料整體上又要具備較穩定的物理性能(例如拉伸、抗壓、層間結 合等))，所以，本發明將複合材料的表層分為外層和內層，並相應的用兩種不同的方法來分 別製備複合材料的外層和內層。產生複合材料表面針孔及不光滑的原因至少在於複合材料表面的樹脂調配物分 布不均，樹脂調配物分布過多，容易在複合材料表面產生積膠，分布過少，容易在複合材料 表面產生缺膠或針孔的現象。通常，解決上述問題可以使用如下技術方案在刷有樹脂的模具面上鋪上織物，使織物與模具面緊密貼合；在織物上刷上樹脂， 然後再在刷上樹脂的織物上鋪上織物，使兩織物緊密貼合，直到複合材料外層鋪完。上述技術方案是一種通過人為的方法(例如通過刮板或滾輪之類的工具)將織物 很好的貼合在模具面上，去除多餘的樹脂調配物和氣泡，或者使樹脂調配物不足的地方浸 潤到樹脂調配物，避免產生積膠和缺膠等表觀效果不良的情況，但這樣的技術方案也存在 這樣的缺點，即在去除多餘樹脂調配物和氣泡時(一般採用壓的手段)，會破壞複合材料外 層表面織物的紋路，並且本發明發現在趕氣泡時，如果操作不慎，會在複合材料外層織物之 間產生局部的負壓，容易導致空氣進入，從而致使去除氣泡失敗。本發明所述第一技術方案的複合材料外層製備步驟的一個顯著特徵在於在複合 材料外層頂面(底面為與模具面貼合的一面)設置了複合材料外層保護膜，該膜的一個優 點在於去除多餘樹脂調配物和氣泡時，壓力直接作用於保護膜，並不會破壞複合材料外層 頂面，另一個優點在於保護膜所具有的密封性，在除氣泡的過程中，只要從複合材料外層的 側邊(相對於頂面和底面而言)趕走空氣後，由於織物表面有保護膜的阻擋作用，空氣不會 再進入到織物和模具間，而此時處在保護膜以下的複合材料外層類似於真空狀態，有一定 的負壓，可以使織物更好地貼合在模具上，進一步避免缺膠積膠等問題，提升外觀效果。當然，複合材料外層可以含有單層或多層織物，當複合材料外層含有多層織物時， 只需在第一技術方案的(1)步驟和(2)步驟之間增設以下兩個步驟i、在織物上鋪上第一樹脂調配物，然後再在鋪上第一樹脂調配物的織物上鋪上織 物，使兩織物緊密貼合；ii、重複i步驟，直到複合材料外層鋪完。本發明發現用第一技術方案的複合材料內層的製備步驟來完成複合材料內層的 製備，至少可以保證複合材料內層尺寸大小的穩定，同時改進複合材料整體的物理性能在複合材料表層的製備過程中，一般是用含有樹脂的織物(例如本發明所述工藝 在複合材料外層及內層所分別使用的鋪有第一樹脂調配物的織物和預浸料織物)進行鋪 層。在鋪層時，一般的人工操作不能確保每次樹脂調配物用量都相同；這會使複合材料內層 織物(例如厚度等)的尺寸大小不一致，當複合材料受到外力時(例如拉伸，受壓等)，複合 材料內層不能均勻的分散外力(例如在積膠處所受的力較大)，從而影響複合材料整體的
5物理性能；而第一技術方案在複合材料內層的製備步驟中使用的預浸料織物樹脂調配物的 含量均勻一致，可避免此問題。本發明發現，採用第一技術方案至少可以滿足複合材料表面具有優良的外觀，而 複合材料整體上又要具備較穩定的物理性能，這也說明，複合材料外層對複合材料物理性 能穩定性的影響要小於複合材料內層。


圖1為實施例所述複合材料在下模的鋪層結構示意圖；圖2為實施例所述複合材料合模後的結構示意圖。
具體實施例方式技術人員利用本說明書第一技術方案已經能夠使製得的複合材料克服現有複合 材料的各種缺點，例如物理性能不穩定及外觀性能的改進。而根據實際使用複合材料的情 況看，還需要提升複合材料的物理性能，因此，本具體實施方式

有必要在發明內容所述技術 方案的基礎上，對本發明的其它技術方案予以闡述。I.複合材料各層之間的結合力提升複合材料的物理性能的第一方面在於提升複合材料各層之間的結合力，由於 本說明書所述複合材料分為外層、內層及芯層，因此至少需要使外層和內層之間牢固結合、 內層和芯層之間牢固結合。(1).複合材料外層和內層之間的結合力本具體實施方式

在複合材料外層的製備步驟中的(1)步驟和(2)步驟之間設有靜
置步驟。設置靜置步驟的原因在於第一樹脂調配物具有流動性，如果剛鋪完外層馬上將 外層保護膜撕開，進行內層的鋪層，由於第一樹脂調配物還未固化，粘度低，對於織物沒有 很好的束縛性，所以輕微的刮碰就會影響外層的結構。通過靜置步驟，第一樹脂調配物達到 凝膠狀態時，第一樹脂調配物已經有一定的粘度，對纖維有一定的固結作用，輕微的碰觸不 至於對外層結構造成破壞。對於靜置時間，一般不能讓第一樹脂調配物完全固化，因為完全固化後，不利於內 層和外層的結合，外層的第一樹脂調配物也不能擠出。為此，本具體實施方式

認為靜置時間 應當到第一樹脂調配物處於發生凝膠的臨界點時為止，所述發生凝膠的臨界點的判定標準 為可從第一樹脂調配物拉出連續長絲或者也可通過粘度計(通過粘度計測試，是指在製作 產品前，調配同樣配比的樹脂，用粘度計測定其粘度隨時間的變化，認定粘度達到某一樹脂 可視為開始凝膠。用粘度計測定是事先進行的，在操作過程中一般還是使用拉絲的方式) 測定第一樹脂調配物達到某一粘度。本具體實施方式

對於靜置時間沒有很精確地要求，只 是提供一個操作時間的參考。(2).複合材料內層和芯層之間的結合力本具體實施方式

在複合材料內層製備步驟及複合材料表層包覆在芯層上的步驟 之間設置在複合材料內層預浸料織物上鋪上第一樹脂的步驟。在實際製備複合材料的過程中，芯層(泡沫)往往需要按照要求進行形狀上的加工，在加工時，如果對泡沫表面造成損傷，如凹陷劃痕等，或者加工時尺寸發生偏差，將泡沫 包裹預浸料織物後放入模具，在上述存在缺陷的地方，內層和泡沫契合得不是很好，例如存 在縫隙。在成型固化時，因為樹脂具有流動性，在縫隙處，即泡沫尺寸偏小的地方，導致缺膠 等問題，從而無法有效傳遞壓力，影響複合材料內層和芯層之間的結合力，而在鋪完內層後 在內層上再鋪上第一樹脂(例如環氧樹脂)，則可有效的避免這類問題的發生。11.複合材料內層與外層中樹脂調配物的選擇提升複合材料的物理性能的第二方面在於選擇合適的樹脂調配物。1.第一樹脂調配物的選擇第一樹脂調配物一般包括如下組分樹脂、用於樹脂固化的固化劑以及提升樹脂 固化速度的促進劑，其中樹脂和固化劑為第一樹脂調配物的必要成分，而促進劑為第一樹 脂調配物的可選成分，對於樹脂，由於環氧樹脂本身力學性能較好，粘接性較好，本具體實 施方式一般選用環氧樹脂，通常不同廠商不同牌號的環氧樹脂力學性能不同，可根據產品 實際用途，選擇適合產品的環氧樹脂，而固化劑可以是現有樹脂固化劑。本具體實施方式

對樹脂、固化劑及促進劑的投放比例沒有什麼限制，因為發明人 發現不同的比例對本具體實施方式

所述複合材料的影響很小，但應當注意的是，固化劑相 對於樹脂存在一個最小的投放量，技術人員可以參考相關技術文件容易的得到這一最小投 放量。2.預浸料樹脂的選擇在實際操作過程中，預浸料織物一般在市場上有銷售，本具體實施方式

所述預浸 料樹脂一般選擇環氧樹脂，並且在購買時，所述環氧樹脂本身通常已經添加了一定比例的 固化劑，因此無需調配。III.複合材料內層與外層的比例提升複合材料的物理性能的第三方面在於選擇調整複合材料內層與外層的厚度 比例。從本說明書發明內容部分的描述可知，複合材料外層對複合材料物理性能穩定性 的影響要小於複合材料內層，事實上，複合材料內層對複合材料整體物理性能是起主要貢 獻的複合材料外層含有比例較高的第一樹脂樹調配物，而複合材料內層含有的預浸料 樹脂含量穩定，且所佔比例較低(一般外層含有大約50%左右(質量百分數)的第一樹脂 調配物，而內層含有大約30%左右(質量百分數)的預浸料樹脂)；本具體實施方式

發現複合材料最終主要靠織物中的纖維來提供力學性能，而第一 樹脂調配物或者預浸料樹脂等樹脂類原料在複合材料中，主要起到傳遞受力的作用，樹脂 類原料本身是脆性的，不利於提供力學性能，所以樹脂含量降低有利於提升複合材料的整 體物理性能，因此複合材料外層的厚度至少應小於複合材料內層的厚度。IV.構成複合材料外層織物和構成複合材料內層預浸料織物的選擇提升複合材料的物理性能的第四方面在於選擇合適的織物。一般而言，複合材料外層和內層所使用的織物可以是碳纖織物、玻纖織物或者芳 綸織物，織物的選擇，根據複合材料的實際用途決定，對於力學性能要求不高，質量沒太大 限制(玻纖密度比碳纖大，比強度比碳纖低)，需要節約成本的可以採用玻纖。對於力學性能要求較高的可選用碳纖，但碳纖抗撞擊效果較差，如對抗撞擊有一定要求可選用芳綸纖 維。實際使用過程中，碳纖玻纖運用較多，芳綸使用較少。如果複合材料對於某一方向力學性能要求較高則可選用單向布，如果複合材料需 要各項力學性能各項同性，則可以選用平紋、斜紋或者都軸向的織物作為增強體。還有使用 短切氈做增強體的，不過力學性能較差。實際使用過程中，一般都使用單向布、平紋、斜紋， 有特殊需要時會使用多軸向織物。實施例本實施例所使用的第一樹脂調配物為由環氧樹脂及固化劑按質量比為10 3的 比例調配成的，所述環氧樹脂及固化劑均由陶氏化學生產，環氧樹脂牌號為730E，固化劑牌 號為735H，複合材料外層保護膜選用PE薄膜。一 .在製備複合材料前的準備工作在製備複合材料前，先進行準備工作，將增強用纖維布(也即織物，3K平紋碳布) 裁切成需要的規格、調配第一樹脂調配物、準備模具、機臺預熱等，見圖2，本實施例所使用 的模具分為上模5和下模6，上模5和下模6均為腔體結構。二 .複合材料外層2的製備本實施例所述複合材料外層只有一層3K平紋碳布構成，先在下模6的腔體內表面塗抹一層脫模劑(根據實際需求選擇，例如漢高公司生 產的Frekote 55-NC)，以保證產品成型後能順利脫模；在工作平臺上鋪一層PE薄膜(圖1圖2均為示出)(可以用其他材質薄膜替代， 厚度差不多就可以了)，厚度10 μ m左右，尺寸比3K平紋碳布略大即可，四邊各超出50mm左 右，將PE薄膜鋪平後，在PE薄膜表面刷一層薄薄第一樹脂調配物，將3K平紋碳布居中平鋪 在PE膜上，保持織物平整，然後再在3K平紋碳布上均勻地刷一層第一樹脂調配物。最後， 在下模6腔體內表面刷一層薄薄的第一樹脂調配物，將3K平紋碳布連同PE薄膜一起反貼 在下模6腔體內表面內，即無PE薄膜的一面和下模6腔體內表面貼合，有PE薄膜的一面向 外與空氣接觸，然後用用刷子或滾筒將3K平紋碳布連同PE薄膜一起壓實，用工具趕走氣泡 和多餘樹脂。三.製備完複合材料外層2後的靜置將位於下模6內的複合材料外層2靜置，一般而言，當第一樹脂調配物處於發生凝 膠的臨界點時，可以判斷已經完成對複合材料外層2的靜置，在實際操作中，技術人員可以 很容易的知曉何時完成對複合材料外層2的靜置，通常第一樹脂調配物可拉出長絲即說明 第一樹脂調配物已經處於發生凝膠的臨界點。本實施例是將PE膜撕開一個角，測試織物上 的樹脂是否處於凝膠狀態。當然，對於不同的樹脂以及不同的操作環境溫溼度，樹脂達到發生凝膠的臨界點 的時間(也即靜置時間)也不同，對於第一樹脂調配物而言，大約為1-2小時。當第一樹脂調配物已經達到凝膠臨界點時，將PE薄膜撕去。四、複合材料內層3的製備先將3K平紋碳布浸入浸料中，從而形成預浸料布(也即預浸料織物)；本實例使 用的東麗(T0RAYA)產品，牌號P3252S的預浸料布(不需要做預浸料操作)。然後將預浸料布鋪在複合材料外層2上，用滾筒將預浸料布壓實壓平或用手工將
8預浸料布捋平，不能殘留氣泡，從而使預浸料布和外層的3K平紋碳布緊密貼合；隨後，在預浸料布上再鋪上預浸料布，用滾筒將預浸料布壓實壓平或用手工將預 浸料布捋平，不能殘留氣泡，從而使預浸料布和預浸料布緊密貼合；最後重複上面一段文字所描述的操作，直到複合材料內層3鋪完(本實施例所述 複合材料內層3共有6層預浸料布)。位於上模5內的複合材料外層7及內層8分別與位於下模6內的複合材料內層3 及外層2的製備方法相同，因此，技術人員可以參照二、三、四的內容完成位於上模5內的復 合材料內層8及外層7的製備。五.對複合材料芯層4的包覆和複合材料的固化成型為增強芯層4(即泡沫)與預浸料布之間的界面結合力，可以先在位於下模6內的 複合材料內層3預浸料布和泡沫4之間再刷一層環氧樹脂；然後，在位於下模6內的複合材料內層3的預浸料布上放置泡沫，使用漸層式的包 覆方法(即預浸料布包覆到泡沫4表面的長度逐漸減少)將預浸料布包覆到泡沫4外圍， 在包覆過程中，用滾筒將預浸料布壓實壓平或用手工將預浸料布捋平，不能殘留氣泡，從而 使預浸料布和泡沫4緊密貼合；接著，將完成位於上模5內的複合材料外層7和內層8製備的上模5合在下模6 上，從而形成如圖2所示的合模結構；最後，將整個模具(包括上模5和下模6)置於硫化機內進行加熱，溫度、時間、壓力視泡沫種類、密度、樹脂種類、固化溫度等一系列因素而定。一般 來說，泡沫的密度越大施加壓力越大，樹脂固化溫度越高，機臺溫度越高，常溫固化的樹脂， 可以不加熱，模具越大施加壓力越大。本實施例中，泡沫密度為75Kg/m3、硫化機內溫度為 135°C、壓強為lOMPa、固化時間為50min。加壓加熱完成後，待模具冷卻，開模、脫模即得復 合材料產品。下表為實施例所述複合材料產品的表面質量表(表1)及將該複合材料產品用做 CT床板的質量表(表2)。表權利要求
一種複合材料成型工藝，所述複合材料包括表層以及位於表層內的芯層，所述芯層為泡沫，該工藝包括a、所述複合材料表層的製備步驟；b、複合材料表層包覆在芯層上的步驟；c、對複合材料固化成型的步驟；其特徵在於所述複合材料表層包括由預浸料織物構成的外層以及位於外層及芯層之間、包覆在芯層上的、由織物構成的內層，所述a步驟包括複合材料外層的製備步驟及複合材料內層的製備步驟；所述複合材料外層的製備步驟包括(1)、在鋪有第一樹脂調配物的具有密封性的複合材料外層保護膜上鋪上織物，使織物與複合材料外層保護膜緊密貼合；(2)、將複合材料外層相對於複合材料外層保護膜的另一面貼在含有第一樹脂調配物的模具面上；使織物與模具面緊密貼合；(3)、撕開複合材料外層保護膜；所述複合材料內層的製備步驟包括①、將預浸料織物鋪在複合材料外層織物面上，使預浸料織物與複合材料外層織物面緊密貼合；②、在預浸料織物上再鋪上預浸料織物，使預浸料織物之間緊密貼合；③、重複②步驟，直到複合材料內層鋪完。
2.根據權利要求1所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於在(2)步驟和(3)步驟 之間設有靜置步驟，該步驟將複合材料外層靜置直到第一樹脂調配物處於發生凝膠的臨界點ο
3.根據權利要求1所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於b步驟以及③步驟之間 還設有在複合材料內層預浸料織物上鋪上第一樹脂的步驟，所述第一樹脂為環氧樹脂。
4.根據權利要求1所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於(1)步驟和(2)步驟之 間還包括i、在織物上鋪上第一樹脂調配物，然後再在鋪上第一樹脂調配物的織物上鋪上織物， 使兩織物緊密貼合；ii、重複i步驟，直到複合材料外層鋪完。
5.根據權利要求1所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於所述織物及預浸料織物 中的織物為碳纖織物、玻纖織物或者芳綸織物中的一種。
6.根據權利要求4所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於所述織物及預浸料織物 中的織物為3K平紋碳布。
7.根據權利要求1或2或3或4或5或6所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於 所述複合材料外層保護膜為PE膜。
8.根據權利要求1或2或3或4或5或6所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於 所述第一樹脂調配物中的樹脂為環氧樹脂。
9.根據權利要求1或2或3或4或5或6所述的一種複合材料成型工藝，其特徵在於預浸料織物所使用的樹脂為環氧樹脂。
全文摘要
本發明屬於材料製備技術領域，涉及一種複合材料成型工藝，為了解決現有一些複合材料(主要是那些包括表層以及位於表層內的芯層，且芯層一般為泡沫，表層一般為織物的複合材料)普遍採用如手糊或預浸料模壓等成型工藝製備，製成的產品存在產品質量(主要體現在產品的物理性能上)不夠穩定或產品表面存在針孔和色差等問題，本發明提供了一種複合材料成型工藝，該工藝分別用兩種不同的方法來製備複合材料的內層和外層，使用本發明技術方案即可有效的解決上述技術問題。
文檔編號B32B37/06GK101973153SQ201010265599
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者周新樂, 孫昊, 朱家強, 王明, 羅劍嵐, 趙鵬飛 申請人:上海晉飛複合材料科技有限公司