一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝的製作方法

2023-05-03 07:04:46 1

本發明涉及高分子材料製備技術領域，尤其涉及一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝。

背景技術：

碳纖維預浸料廣泛應用於釣具、運動器材、體育用品、航空航天、交通工具等領域，尤其隨著汽車工業的發展對輕量化的要求越來越高，碳纖維及其複合材料在汽車上的應用越來越廣泛。碳纖維預浸料是用控制量的樹脂浸漬碳纖維或其織物後形成的中間材料，碳纖維預浸料的成型不需要樹脂的灌注，環境友好，預浸料成型產品樹脂含量穩定，表面質量好，工藝簡單；碳纖維預浸料可通過熱壓罐、真空輔助以及模壓工藝成型複合材料產品，目前效率較高的是預浸料模壓工藝。

預浸料模壓成型工藝是將裁切好的預浸料按照鋪層設計鋪敷到金屬模腔中預定型，然後轉移到壓機上，在一定溫度和壓力下固化成型，待冷卻到低溫後取出產品的工藝過程。和其他預浸料成型工藝相比，預浸料模壓工藝生產效率較高，製品尺寸精確表面光潔，製品的外觀尺寸重複性好，生產成本低，易實現機械化和自動化。

但是，現有的預浸料模壓工藝需要將預浸料製成預成形體後方可模壓，脫模劑的塗覆及模具的清潔耗時費力且影響環境，每一個成型周期均需要模具的充分冷卻後方可脫模，導致其單個成型周期一般不低於1小時，成型效率低於金屬、塑料等其他汽車用材料的成型，進而限制了碳纖維材料在汽車上的應用。

因此，需要一種新的技術手段解決上述問題。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中碳纖維預浸料模壓工藝周期長，成型效率低的問題，本發明提出了一種高效、快速、提高生產效率、低碳低能耗、且成型成品質量好的碳纖維預浸料快速模壓成型工藝。

技術方案：為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為：一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝，以碳纖維預浸料為成型材料，以預浸料模壓工藝為基礎，其材料和設備包括：快速固化/高玻璃化溫度碳纖維預浸料、鋪疊操作臺、預浸料模壓用壓機、自清潔不粘模具、自動裁床和真空泵；主要包括熱鋪放工藝、熱取件工藝以及自清潔不粘模具的自清潔工藝，具體如下：

(1)熱鋪放工藝：將自清潔不粘模具升溫至固化溫度，再進行預浸料的裁剪和鋪疊：將用自動裁床裁切好的預浸料按照鋪層設計進行鋪疊，將鋪疊好的預浸料轉移至自清潔不沾模具型腔中進行熱鋪放；

(2)在線模壓固化工藝：對熱鋪放的材料進行合模加壓並抽真空，合模後在0.4-1.2mpa的壓力下預壓實5-30s並同時進行抽真空，真空度不低於-97kpa，再將壓力升至3-20mpa熱壓成型0.5-1.5min，所述在線模壓固化工藝與熱鋪放工藝同時進行；

(3)熱取件以及自清潔工藝：固化成型後直接在固化溫度下開模取出產品，無需降低到較低的溫度(60℃以下)即可轉移到冷模具中冷卻後處理，模具無需清理，直接進入下一周期熱鋪放工藝，其中在線模壓固化工藝、下一周期熱鋪放工藝以及上一周期的產品冷卻後處理工藝同時進行，最終產品無翹曲變形。

所述自清潔不粘模具基材為金屬材料製備而成，其型腔塗覆一層不粘塗層；無需塗覆脫模劑，產品脫模時無殘留，無需額外的模具清潔工藝。

所述不粘塗層為聚四氟乙烯、矽膠材料中的一種或兩種混合；在在室溫到200℃的固化溫度範圍內，在3-20mpa的固化壓力下，在10萬模次以內，不發生起泡、開裂、脫落、變色等問題。

更為優選的，所述碳纖維預浸料的增強材料為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、其他有機或無機纖維、其他有機或無機纖維的混編物中的一種或多種混合。

更為優選的，所述碳纖維預浸料的基體材料為熱固性樹脂或熱塑性樹脂。

更進一步的，所述熱固性樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯中的一種或多種混合。

更進一步的，所述熱塑性樹脂為尼龍樹脂、聚甲醛樹脂中的一種或兩種混合。

更為優選的，所述固化溫度為室溫-200℃。

更進一步的，所述熱鋪放溫度、熱取件溫度為80-200℃。

更為優選的，所述碳纖維預浸料為1min內可固化的預浸料。

有益效果：本發明提供的一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝，以碳纖維預浸料為成型材料，以預浸料模壓工藝為基礎，可實現在線模壓固化工藝、下一周期熱鋪放工藝以及上一周期的產品冷卻後處理工藝同時進行，最終產品無翹曲變形。整個工藝無需預成型、塗脫模劑、模具清理步驟，省去了每個成型周期的模具升降溫時間，從而大幅節省了成型時間，提高了生產效率，減少了升降溫耗電成本，改善了成型環境，最終的成型周期最短可以控制在5min以內，成型產品質量良好，可滿足汽車件要求和生產趨勢要求。

附圖說明

圖1為本發明一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝流程示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明：

實施例1：

一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝，其中預浸料為單向碳纖維環氧樹脂預浸料，固化溫度150℃，在150℃下可保持20s不凝膠不固化，固化時間1min，固化後玻璃化溫度140-150℃，採用平板自清潔不粘模具。所述自清潔不粘模具基材為金屬材料製備而成，其型腔塗覆一層不粘塗層；無需塗覆脫模劑，產品脫模時無殘留，無需額外的模具清潔工藝。所述不粘塗層為聚四氟乙烯；在室溫到200℃的固化溫度範圍內，在3-20mpa的固化壓力下，在10萬模次以內，不發生起泡、開裂、脫落、變色等問題。

請參照圖1，具體工藝步驟如下：打開設備將自清潔不粘模具快速加熱到固化溫度150℃，同時用自動裁床裁剪單向碳纖維環氧樹脂預浸料，然後將裁剪好的相同面積(300*600)的單向碳纖維環氧樹脂預浸料進行鋪疊，並轉移到平板自清潔不粘模具型腔中，鋪層按照全部0°鋪疊20層；閉合模具，打開真空泵抽真空，並以0.4-0.6mpa的壓力進行預壓實5-10s；將壓力增加到8-10mpa，並保溫保壓0.5-1min固化成型；固化結束後，停止抽真空，打開模具直接熱取件，並將其放入到冷模具中冷卻，模具無需清理，直接進入下一成型周期，整個成型循環周期用時2.5-4min，且產品無翹曲無變形。

經測試，上述成型件的基本性能為：

0°拉伸強度1723mpa，0°拉伸模量124gpa；

90°拉伸強度45mpa，90°拉伸模量8.9gpa；

0°壓縮強度1275mpa；

與常規碳纖維環氧樹脂預浸料模壓成型複合材料性能相當。

實施例2：

一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝，其中預浸料為單向碳纖維環氧樹脂預浸料，固化溫度90℃，在90℃下可保持30s不凝膠不固化，固化時間1min，固化後玻璃化溫度80-90℃，並採用平板自清潔不粘模具。所述自清潔不粘模具基材為金屬材料製備而成，其型腔塗覆一層不粘塗層；無需塗覆脫模劑，產品脫模時無殘留，無需額外的模具清潔工藝。所述不粘塗層為矽膠材料；在室溫到200℃的固化溫度範圍內，在3-20mpa的固化壓力下，在10萬模次以內，不發生起泡、開裂、脫落、變色等問題。

請參照圖1，具體工藝步驟如下：打開設備將自清潔不粘模具快速加熱到90℃，同時用自動裁床裁剪單向碳纖維環氧樹脂預浸料，然後將裁剪好的相同面積(300*600)的單向碳纖維環氧樹脂預浸料進行鋪疊，並轉移到平板自清潔不粘模具型腔中，鋪層按照[0°/90°]5s進行；閉合模具，打開真空泵抽真空，並以0.6-0.8mpa的壓力進行預壓實10-30s；將壓力增加到10-14mpa，並保溫保壓0.5-1min固化成型；固化結束後，停止抽真空，打開模具直接熱取件，並將其放入到冷模具中冷卻，模具無需清理，直接進入下一成型周期，整個成型循環周期用時3-4min，產品無翹曲無變形。

經測試，上述成型件的基本性能為：拉伸強度873mpa，拉伸模量57gpa。

實施例3：

一種碳纖維預浸料快速模壓成型工藝，其中預浸料為平紋碳纖維環氧樹脂預浸料，固化溫度120℃，在120℃下可保持30s不凝膠不固化，固化時間1min，固化後玻璃化溫度110-120℃，並採用平板自清潔不粘模具。所述自清潔不粘模具基材為金屬材料製備而成，其型腔塗覆一層不粘塗層；無需塗覆脫模劑，產品脫模時無殘留，無需額外的模具清潔工藝。所述不粘塗層為聚四氟乙烯、矽膠材料兩種混合；在室溫到200℃的固化溫度範圍內，在3-20mpa的固化壓力下，在10萬模次以內，不發生起泡、開裂、脫落、變色等問題。

請參照圖1，具體工藝步驟如下：打開設備將自清潔不粘模具快速加熱到120℃，同時用自動裁床裁剪單向碳纖維環氧樹脂預浸料，然後將裁剪好的10層相同面積(300*600)的平紋碳纖維環氧樹脂預浸料進行鋪疊，並轉移到平板自清潔不粘模具型腔中；閉合模具，打開真空泵抽真空，並以0.8-1.0mpa的壓力進行預壓實20-30s；將壓力增加到12-16mpa，並保溫保壓0.5-1min固化成型；固化結束後，停止抽真空，打開模具直接熱取件，並將其放入到冷模具中冷卻，模具無需清理，直接進入下一成型周期，整個成型循環周期用時3-4min，產品無翹曲無變形。

經測試，上述成型件的基本性能為：拉伸強度935mpa，拉伸模量63gpa。

應當指出，以上具體實施方式僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。