一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法
2023-04-22 18:35:51
一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法
【專利摘要】本發明創造提供一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，預先將樹脂單絲和連續纖維絲束編織為複合絲，複合絲中樹脂基體包裹在連續纖維絲束的表面，之後加熱模壓，在此過程中樹脂基體和連續纖維得以較好地浸潤結合，且可精確地控制連續纖維在複合材料中的比例，模具可設計出不同形狀的腔型，從而能成型特定橫截面形狀的實心棒材。本方法適合用於成型形狀較複雜的複合材料製品，且可一次成型，生產效率高，連續纖維在複合材料中均勻分布，避免了明顯的纖維分層問題，所得的複合材料製品強度大大提升。
【專利說明】一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法
【技術領域】
[0001]本發明創造涉及材料製備【技術領域】，涉及一種複合材料的成型方法。
【背景技術】
[0002]隨著材料科學技術的發展，複合材料製備技術成為當今世界研究的熱點之一。目前國內製備連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的方法有拉擠成型法、輥軋法、擠出法、粉末模壓法、纏繞法等，這些方法各有優缺點，然而這些方法存在的共同局限性是成型的複合材料只能是片材、帶材或管材，無法成型實心棒材。
[0003]並且，現有的成型方法很難滿足增強纖維與基體樹脂均勻分布和基體樹脂對增強纖維完全浸潰的要求，中國專利CN101259752提供的複合材料成型方法中採用纖維層置於模具腔後再加入樹脂的方式來實現樹脂浸潤纖維，這種方式獲得的複合材料中連續纖維呈層狀分布，纖維層間的結合強度相對較弱，這就使得複合材料在一定載荷下，容易從纖維層間剝離破壞，使其強度大大降低。
[0004]複合材料實心棒材可應用於複合材料細長杆件、緊固件等零部件的製造，具有巨大的應用價值，因此需要一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料實心棒材的成型方法。
【發明內容】
[0005]本發明創造要解決的問題是提供一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料實心棒材的成型方法，且實現連續纖維在實心棒材的截面的均勻分布。
[0006]為解決上述技術問題，本發明創造採用的技術方案是:一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，包括以下步驟:
[0007]S1.預編織複合絲:將熱塑性樹脂單絲與連續纖維絲束的外層纖維絲編織，形成樹脂單絲包裹連續纖維絲束的複合絲，然後將所述複合絲截成絲段；
[0008]S2.投放絲段入模具:根據複合材料製品所需的密度和體積，稱取一定質量的所述絲段放入模壓複合材料的模具腔中，所述模具包括為壓制複合材料提供壓力的陽模和用於成型特定橫截面形狀棒材的陰模，將所述絲段投放入所述陰模中，合上陽模；
[0009]S3.加熱後模壓:將裝配後的模具置於加熱套中加熱至樹脂熔化，樹脂完全熔化後用壓力機壓頭將所述陽模壓入所述陰模；
[0010]S4.脫模:模壓至所需規格尺寸後停止加熱並保持模壓的壓力，冷卻至樹脂硬固後解除壓力，然後脫模。
[0011]其中，SI中樹脂單絲的數量根據複合材料中所需的樹脂與連續纖維的比例確定。可通過調整樹脂單絲和連續纖維束的編織密度來控制複合材料中樹脂和連續纖維的比例。
[0012]其中，SI中所述的絲段長度與複合材料製品的尺寸成正比，即尺寸越小的製品所需的絲段長度越短，尺寸越大的製品所需的絲段長度越長。
[0013]進一步，在確定了 SI中樹脂和連續纖維比例的前提下，S2中所述絲段的質量等於所要生產的複合材料製品的密度乘以其體積，再加上3%?5%的揮發物、毛刺的損耗。[0014]其中，S3中的加熱溫度根據所採用的熱塑性樹脂的固有屬性來確定，對於溶化後黏度較大的熱塑性樹脂，最高加熱溫度設置為該樹脂熔點以上25°C?40°C，S3中的加熱溫度從室溫逐步上升至所述樹脂熔點以上25 V?40°C，並在所述樹脂熔點以上25 V?40°C保溫至樹脂完全熔化。
[0015]其中，在確定了成型複合材料的密度和體積規格的前提下，S3中壓力機壓頭在2S-4S內模壓複合材料至所需規格尺寸，並保壓至樹脂硬固。
[0016]進一步，S3中的模壓為快速模壓，即壓力機壓頭在2S?4S內將陽模壓入陰模，這個過程中產生的揮發性氣體勢必會造成複合材料製品中產生氣泡、分層等缺陷，因此S2中放入絲段之前，在模具腔壁上設置排氣凹槽或排氣孔。
[0017]通過以上步驟，採用預先編織的方法將連續纖維絲束和樹脂單絲混編為複合絲，並將截出的絲段投放入模具腔中，加熱至樹脂熔化，熔化後的樹脂浸潤其周圍的連續纖維，因此可實現樹脂和連續纖維較好地浸潤結合，加熱後的複合材料在陽模的壓力下，成型為陰模模腔形狀的實心棒材。
[0018]加熱後模壓的過程中，連續纖維的的結構和性能未發生質的變化，而樹脂基體則在高溫下熔化為粘流狀態，在壓力作用下粘裹著連續纖維流動直至填滿模具腔，此過程中，樹脂和連續纖維得以良好的浸潤結合，且複合材料可根據模腔形狀一次成型為特定橫截面形狀的實心棒材。
[0019]本發明創造具有的優點和積極效果是:
[0020]1.預先編織複合絲，並截取絲段放入模具腔中，之後採用先加熱後模壓的方式將複合絲的絲段壓製成實心棒材，在此過程中樹脂基體和連續纖維得以較好地浸潤結合，且模具可設計出不同形狀的腔型，從而能成型特定橫截面形狀的實心棒材。
[0021]2.在SI中可精確地控制樹脂和連續纖維在複合材料中的比例。
[0022]3.樹脂基體和連續纖維結合緊密，連續纖維在複合材料中均勻分布，避免了明顯的纖維分層問題，所得的複合材料製品強度大大提升。
[0023]4.本方法適合用於成型形狀較複雜的複合材料製品，且可一次成型，生產效率高，可實現生產過程的機械化和自動化，用於大批量生產複合材料製品。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明中複合絲的編織結構示意圖；
[0025]圖2是本發明中模具的結構示意圖，本發明所述的模具設計樣式不局限與此圖所示樣式。
[0026]圖中:1 一連續纖維絲束；2—樹脂單絲；3—壓力機壓頭；4一陽模；
[0027]5—陰模；
【具體實施方式】
[0028]本發明的核心思路是預先將樹脂單絲2和連續纖維絲束I編織為複合絲，複合絲中樹脂基體包裹在連續纖維絲束I的表面，之後加熱模壓，在加熱過程中樹脂基體熔化流動，從而與連續纖維較好地浸潤結合，模壓過程中的壓力使樹脂包裹著連續纖維在模具腔中流動直至充滿模具腔，從而成型出模具腔形狀的實心棒材，並可根據不同的棒材橫截面和尺寸要求設計不同的模具。
[0029]本發明所涉及的連續纖維為各種有機或無機纖維，沒有限定某種特定的纖維；本發明所涉及的熱塑性樹脂包括所有熱塑性樹脂，並未限定某種特定的熱塑性樹脂，本發明所述的最高加熱溫度需根據所採用的熱塑性樹脂的固有屬性來確定，對於熔化後黏度較大的熱塑性樹脂，最高加熱溫度以該熱塑性樹脂熔點以上30°C為宜。
[0030]下面結合附圖對本發明創造的具體實施例做詳細說明:
[0031]實施例1:
[0032]本發明採用預先編織然後加熱模壓的方法來製備連續纖維增強熱塑性樹脂複合材料實心棒材。此處以通過附圖2模具製備連續碳纖維增強聚醚醚酮樹脂基複合材料半圓柱型實心棒材為例來闡述本發明的工藝技術。首先利用編織機將數根(根據增強纖維與樹脂基體的比例來確定，如16根)直徑為0.1?0.2mm (如0.15mm)的聚醚醚酮單絲編織包裹在一束連續碳纖維(如規格為3K的碳纖維)表面形成複合絲，將複合絲截成所需長度尺寸(與陰模模腔的長度相同，如40mm)的絲段，將數根(根據最終製備的棒材直徑尺寸來確定，如23根)的絲段放入陰模5模腔中，合上陽模4，將裝好的模具置於加熱套中加熱，加熱到聚醚醚酮熔點以上25?40°C (30°C為最佳)保溫10?15min，然後用壓力機壓頭3以1.2?
2.4T (如1.8T)的力將陽模4壓入陰模5直到模壓至所需規格尺寸，保壓5?IOmin後冷卻脫模，得到所需規格尺寸(如直徑為4.7mm，長度為40mm)的連續碳纖維增強聚醚醚酮樹脂基複合材料半圓柱型實心棒材。
[0033]實施例2:
[0034]將數根(如8根)直徑為0.1?0.2mm (如0.18mm)的尼龍6單絲均勻編織包裹在一束連續芳綸纖維(如規格為600dtex的芳綸纖維)表面製成複合絲，將複合絲截成與陰模5模腔的長度相同(如80mm)的絲段，將數根(如23根)絲段放入陰模5模腔中，合上陽模4，將裝好的模具置於加熱裝置中加熱，加熱到尼龍6熔點以上25?40°C (30°C為最佳)保溫10?15min，然後用壓力機壓頭3以2.4?4.8T (如3T)的力將陽模4壓入陰模5直到模壓至所需規格尺寸，保壓5?IOmin後冷卻脫模，得到所需規格尺寸(如長度為80mm)的連續芳綸纖維增強尼龍6樹脂基複合材料實心棒材。
[0035]實施例3:
[0036]將數根(如32根)直徑為0.1?0.2mm (如0.16mm)的聚苯硫醚單絲均勻編織包裹在一束玻璃纖維(如規格為600tex的玻璃纖維)表面製成複合絲,將複合絲截成與陰模5模腔的長度相同(如100mm)的絲段，將數根(如16根)絲段放入陰模5模腔中，合上陽模4，將裝好的模具置於加熱裝置中加熱，加熱到聚苯硫醚熔點以上25?40°C (30°C為最佳)保溫10?15min，然後用壓力機壓頭3以1.2?2.4T (如1.8T)的力將陽模4壓入陰模5直到模壓至所需規格尺寸，保壓5?IOmin後冷卻脫模，得到所需規格尺寸(如長度為100mm)的連續玻璃纖維增強聚苯硫醚樹脂基複合材料實心棒材。
[0037]如圖2所示的模具僅是以棒材橫截面形狀呈半圓形為例，本發明中的模具設計樣式不局限與此圖所示樣式，模具可設計為任意所需的形狀和尺寸。
[0038]以上對本發明創造的實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明創造的較佳實施例，不能被認為用於限定本發明的實施範圍。凡依本發明創造範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本專利涵蓋範圍之內。
【權利要求】
1.一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:包括以下步驟: 51.預編織複合絲:將熱塑性樹脂單絲與連續纖維絲束外層的纖維絲編織，形成樹脂單絲包裹連續纖維絲束的複合絲，然後將所述複合絲截成絲段； 52.投放絲段入模具:根據複合材料製品所需的密度和體積，稱取一定質量的所述絲段放入模壓複合材料的模具腔中，所述模具包括為壓制複合材料提供壓力的陽模和用於成型特定橫截面形狀棒材的陰模，將所述絲段投放入所述陰模中，合上陽模； 53.加熱後模壓:將裝配後的模具置於加熱套中加熱至樹脂熔化，樹脂完全熔化後用壓力機壓頭將所述陽模壓入所述陰模； 54.脫模:模壓至所需規格尺寸後停止加熱並保持模壓的壓力，冷卻至樹脂硬固後解除壓力，然後脫模。
2.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:S1中樹脂單絲的數量根據複合材料中所需的樹脂與連續纖維的比例確定。
3.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:在確定了 SI中樹脂和連續纖維比例的前提下，S2中所述絲段的質量等於所要生產的複合材料製品的密度乘以其體積，再加上3%?5%的揮發物、毛刺的損耗。
4.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:在確定了成型複合材料的密度和體積規格的前提下，S3中壓力機壓頭在2S-4S內模壓複合材料至所需規格尺寸，並保壓至樹脂硬固。
5.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:S3中的加熱溫度從室溫逐步上升至所述樹脂熔點以上25°C?40°C，並在所述樹脂熔點以上25°C?40°C保溫至樹脂完全熔化。
6.根據權利要求5所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:S3中的加熱溫度從室溫逐步上升至所述樹脂熔點以上30°C，並在所述樹脂熔點以上30°C保溫至樹脂完全熔化。
7.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:S2中放入絲段之前，在模具腔壁上設置排氣凹槽或排氣孔。
8.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:所述樹脂單絲為聚醚醚銅單絲、尼龍6單絲或聚苯硫醚單絲。
9.根據權利要求1所述的一種連續纖維增強熱塑性樹脂基複合材料的成型方法，其特徵在於:所述連續纖維絲束為碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、硼纖維或聚酯纖維其中的一種或其中任意兩種或兩種以上的纖維組合。
【文檔編號】B29C70/54GK103817956SQ201410116105
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】焦莎, 趙國盟, 何建平, 張曉玲, 於建政, 鄭曉冬 申請人:航天精工股份有限公司