CN102514132A - 复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法，该方法为：一、将氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐按0.5～1.0∶0～0.4∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱脱除气泡，得到氢化环氧树脂体系；二、将氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；三、根据所需芯模的形状选择芯模成型模具，将氢化环氧树脂坯件与芯模成型模具组装，采用吹塑工艺使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，然后冷却，得到形状记忆聚合物芯模。本发明制作的形状记忆聚合物芯模成本低，效率高，可重复使用，制作周期短，脱模方便，具有明显的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于芯模制作技术领域，具体涉及一种复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法。
背景技术
纤维缠绕成型技术是指将连续的纤维经浸渍树脂胶液后，在一定的张力作用下，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后固化成型的工艺技术。分干法、湿法和半干法三种缠绕形式。适用于制造圆柱体、圆筒体、球体和某些正曲率回转体制品。该成型技术具有纤维含量高、纤维强度发挥好、纤维缠绕方向可改变以及适合大批量生产等优点，在航空航天及民用领域有着广泛的应用。
复合材料构件缠绕成型用芯模直接影响产品的尺寸精度、内表面质量、成本以及生产周期。目前国内复合材料构件的缠绕成型技术大多采用金属芯模、水溶性砂芯模以及金属骨架外敷石膏层组合式芯模。组合式芯模的优点是骨架可以重复利用，但其结构复杂，无论拆装或者石膏层刮制都需手工操作，机械化程度低，同时石膏层非常脆，容易开裂，芯模成品率不高。水溶性砂芯模相对于金属组合芯模的最大优点是从复合材料制品中拆除比较容易，但芯模重量过大一直是制约水溶砂芯模发展的关键，并且其制作过程大都属于人工操作，效率非常低下，也制约了其发展。金属芯模成本高、重量大且不利于长径比较大的构件成型，使其应用范围也大大受限。
随着复合材料应用要求的不断提高，复合材料构件缠绕成型对芯模材料及芯模的整体刚度、同轴度及组装、拆除等要求越来越高，而现有芯模成本高、结构沉笨、重量大，芯模的组装、拆除及变形均无法满足复合材料缠绕技术的进一步发展，因此开展轻质高刚度芯模材料研究很有必要。同时复合材料应用范围的不断扩大，需求量持续增加，要求其快速批量化生产，这对易成型、易脱模、轻质、低成本芯模材料的应用研究提出了迫切需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法。该方法采用形状记忆聚合物制作复合材料缠绕构件芯模，可实现芯模的快速成型，制作的芯模通过形状记忆聚合物在弹性和刚性间进行转换，容易实现拆模，并达到重复使用的目的，最终实现复合材料产品的快速、高效、低成本制造，进而推动先进材料技术的推广应用和更新换代。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、配制氢化环氧树脂体系：将氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐按0.5～1.0∶0～0.4∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱中，在温度为50℃～60℃的条件下脱除气泡5min～15min，得到氢化环氧树脂体系；
步骤二、制作氢化环氧树脂坯件：将步骤一中所述氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；
步骤三、制作芯模：根据所需芯模的形状选择芯模成型模具，将步骤二中所述氢化环氧树脂坯件与芯模成型模具组装，采用吹塑工艺将组装后的氢化环氧树脂坯件在温度为90℃～140℃，压力为0.2MPa～0.6MPa的条件下保压10min～20min，使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，冷却后脱模得到形状记忆聚合物芯模。
上述步骤一中所述氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐的摩尔比为0.6～0.9∶0.1～0.3∶2.0。
上述步骤二中所述固化的制度为：在温度为60℃～80℃的条件下固化2h～4h，然后在温度为110℃～130℃的条件下固化2h～4h，最后在温度为150℃～180℃的条件下固化0.5h～1.5h。
上述步骤三中所述芯模成型模具采用分瓣阴模的形式，芯模成型模具内表面的形状与所要制作的芯模外表面形状相同。
上述步骤三中所述冷却的方式为采用氮气吹拂或采用自来水冷却，或者为采用氮气吹拂后再采用自来水冷却。
本发明氢化环氧树脂体系浇注所用的圆筒状模具由圆筒状阳模和圆筒状阴模通过螺栓固定连接而成。
本发明的形状记忆聚合物芯模的使用方法为：按照常规方法将复合材料缠绕至形状记忆聚合物芯模上制备复合材料构件，然后将形状记忆聚合物芯模加热至氢化环氧树脂体系的玻璃化转变温度以上，芯模形状即可回复至初始的圆筒状，最后将形状回复的芯模从复合材料构件的开口处取出。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用形状记忆聚合物制作复合材料缠绕构件芯模，可实现芯模的快速成型，制作的芯模通过形状记忆聚合物在弹性和刚性间进行转换，容易实现拆模，并达到重复使用的目的，最终实现复合材料产品的快速、高效、低成本制造，进而推动先进材料技术的推广应用和更新换代。
2、采用本发明方法制作的形状记忆聚合物芯模质量轻，比重小于1.2g/cm3，约为金属芯模比重的1/7，砂芯模比重的1/3。
3、采用本发明方法制作的形状记忆聚合物芯模结构简单，采用吹塑工艺整体成型，避免了工作量较大的人工组装与拆卸工序。
4、本发明制作的形状记忆聚合物芯模成本低，效率高，可重复使用，制作周期短，脱模方便，具有明显的经济效益。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明采用的圆筒状模具的结构示意图。
图2为本发明第一种具体实施方式采用的芯模成型模具的结构示意图。
图3为本发明第二种具体实施方式采用的芯模成型模具的结构示意图。
附图标记说明：
1-阳模； 2-阴模； 3-封头阴模；
4-筒段模具；5-上阴模；6-***模。
具体实施方式
实施例1
用于复合材料压力容器缠绕成型的形状记忆聚合物芯模的制备：
步骤一、配制氢化环氧树脂体系：将氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐按0.9∶0.1∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱中，在温度为55℃的条件下脱除气泡10min，得到氢化环氧树脂体系；
步骤二、制作氢化环氧树脂坯件：将步骤一中所述氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；所述固化的制度为：在温度为80℃的条件下固化3h，然后在温度为120℃的条件下固化3h，最后在温度为180℃的条件下固化1h；如图1所示，所述圆筒状模具由圆筒状阳模1和圆筒状阴模2通过螺栓固定连接而成；
步骤三、制作芯模：根据所需芯模的形状选择芯模成型模具，如图2所示，该芯模成型模具由封头阴模3和筒段模具4组成，芯模成型模具内表面的形状与所要制作的芯模外表面形状相同，将步骤二中所述氢化环氧树脂坯件与封头阴模3和筒段模具4组装，然后采用吹塑工艺将组装后的氢化环氧树脂坯件在温度为140℃，压力为0.5MPa的条件下保压10min，使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，接着将保压后的氢化环氧树脂坯件采用氮气吹拂后置于自来水中快速冷却，最后脱模得到用于复合材料压力容器缠绕成型的形状记忆聚合物芯模。
本实施例采用吹塑工艺整体成型，避免了工作量较大的人工组装与拆卸工序，制作的形状记忆聚合物芯模结构简单，质量轻，比重小于1.2g/cm3，约为金属芯模比重的1/7，砂芯模比重的1/3，并且芯模可重复使用，具有明显的经济效益。
采用本实施例制作的形状记忆聚合物芯模制备复合材料压力容器，按照常规方法将复合材料缠绕至形状记忆聚合物芯模上制备复合材料压力容器，然后将形状记忆聚合物芯模加热至140℃，芯模形状即可回复至初始的圆筒状，最后将形状回复的芯模从复合材料压力容器的开口处取出。
实施例2
用于复合材料管件缠绕成型的形状记忆聚合物芯模的制备：
步骤一、配制氢化环氧树脂体系：将氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐按0.6∶0.3∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱中，在温度为50℃的条件下脱除气泡5min，得到氢化环氧树脂体系；
步骤二、制作氢化环氧树脂坯件：将步骤一中所述氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；所述固化的制度为：在温度为65℃的条件下固化3h，然后在温度为120℃的条件下固化3h，最后在温度为150℃的条件下固化1h；如图1所示，所述圆筒状模具由圆筒状阳模1和圆筒状阴模2通过螺栓固定连接而成；
步骤三、制作芯模：根据所需芯模的形状选择芯模成型模具，如图3所示，该芯模成型模具由上阴模5和***模6组成，芯模成型模具内表面的形状与所要制作的芯模外表面形状相同，将步骤二中所述氢化环氧树脂坯件与上阴模5和***模6组装，然后采用吹塑工艺将组装后的氢化环氧树脂坯件在温度为100℃，压力为0.4MPa的条件下保压10min，使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，接着将保压后的氢化环氧树脂坯件置于自来水中快速冷却，最后脱模得到用于复合材料管件缠绕成型的形状记忆聚合物芯模。
本实施例采用吹塑工艺整体成型，避免了工作量较大的人工组装与拆卸工序，制作的形状记忆聚合物芯模结构简单，质量轻，比重小于1.2g/cm3，约为金属芯模比重的1/7，砂芯模比重的1/3，并且芯模可重复使用，具有明显的经济效益。
采用本实施例制作的形状记忆聚合物芯模制备复合材料管件，按照常规方法将复合材料缠绕至形状记忆聚合物芯模上制备复合材料管件，然后将形状记忆聚合物芯模加热至110℃，芯模形状即可回复至初始的圆筒状，最后将形状回复的芯模从复合材料管件的开口处取出。
实施例3
用于复合材料压力容器缠绕成型的形状记忆聚合物芯模的制备：
步骤一、配制氢化环氧树脂体系：将氢化环氧树脂和顺丁烯二酸酐按1.0∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱中，在温度为60℃的条件下脱除气泡15min，得到氢化环氧树脂体系；
步骤二、制作氢化环氧树脂坯件：将步骤一中所述氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；所述固化的制度为：在温度为60℃的条件下固化4h，然后在温度为110℃的条件下固化4h，最后在温度为160℃的条件下固化1.5h；如图1所示，所述圆筒状模具由圆筒状阳模1和圆筒状阴模2通过螺栓固定连接而成；
步骤三、制作芯模：采用与实施例1相同的芯模成型模具，芯模成型模具内表面的形状与所要制作的芯模外表面形状相同，将步骤二中所述氢化环氧树脂坯件与封头阴模3和筒段模具4组装，然后采用吹塑工艺将组装后的氢化环氧树脂坯件在温度为120℃，压力为0.6MPa的条件下保压20min，使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，接着将保压后的氢化环氧树脂坯件采用氮气吹拂快速冷却，最后脱模得到用于复合材料压力容器缠绕成型的形状记忆聚合物芯模。
本实施例采用吹塑工艺整体成型，避免了工作量较大的人工组装与拆卸工序，制作的形状记忆聚合物芯模结构简单，质量轻，比重小于1.2g/cm3，约为金属芯模比重的1/7，砂芯模比重的1/3，并且芯模可重复使用，具有明显的经济效益。
采用本实施例制作的形状记忆聚合物芯模制备复合材料压力容器，按照常规方法将复合材料缠绕至形状记忆聚合物芯模上制备复合材料压力容器，然后将形状记忆聚合物芯模加热至130℃，芯模形状即可回复至初始的圆筒状，最后将形状回复的芯模从复合材料压力容器的开口处取出。
实施例4
用于复合材料管件缠绕成型的形状记忆聚合物芯模的制备：
步骤一、配制氢化环氧树脂体系：将氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐按0.5∶0.4∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱中，在温度为50℃的条件下脱除气泡10min，得到氢化环氧树脂体系；
步骤二、制作氢化环氧树脂坯件：将步骤一中所述氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；所述固化的制度为：在温度为70℃的条件下固化2h，然后在温度为130℃的条件下固化3h，最后在温度为150℃的条件下固化0.5h；如图1所示，所述圆筒状模具由圆筒状阳模1和圆筒状阴模2通过螺栓固定连接而成；
步骤三、制作芯模：采用与实施例2相同的芯模成型模具，芯模成型模具内表面的形状与所要制作的芯模外表面形状相同，将步骤二中所述氢化环氧树脂坯件与上阴模5和***模6组装，然后采用吹塑工艺将组装后的氢化环氧树脂坯件在温度为90℃，压力为0.2MPa的条件下保压15min，使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，接着将保压后的氢化环氧树脂坯件采用氮气吹拂后置于自来水中快速冷却，最后脱模得到用于复合材料管件缠绕成型的形状记忆聚合物芯模。
本实施例采用吹塑工艺整体成型，避免了工作量较大的人工组装与拆卸工序，制作的形状记忆聚合物芯模结构简单，质量轻，比重小于1.2g/cm3，约为金属芯模比重的1/7，砂芯模比重的1/3，并且芯模可重复使用，具有明显的经济效益。
采用本实施例制作的形状记忆聚合物芯模制备复合材料管件，按照常规方法将复合材料缠绕至形状记忆聚合物芯模上制备复合材料管件，然后将形状记忆聚合物芯模加热至100℃，芯模形状即可回复至初始的圆筒状，最后将形状回复的芯模从复合材料管件的开口处取出。
实施例5
用于复合材料管件缠绕成型的形状记忆聚合物芯模的制备：
步骤一、配制氢化环氧树脂体系：将氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐按0.8∶0.2∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱中，在温度为50℃的条件下脱除气泡10min，得到氢化环氧树脂体系；
步骤二、制作氢化环氧树脂坯件：将步骤一中所述氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；所述固化的制度为：在温度为80℃的条件下固化2h，然后在温度为130℃的条件下固化2h，最后在温度为150℃的条件下固化1h；如图1所示，所述圆筒状模具由圆筒状阳模1和圆筒状阴模2通过螺栓固定连接而成；
步骤三、制作芯模：采用与实施例2相同的芯模成型模具，芯模成型模具内表面的形状与所要制作的芯模外表面形状相同，将步骤二中所述氢化环氧树脂坯件与上阴模5和***模6组装，然后采用吹塑工艺将组装后的氢化环氧树脂坯件在温度为110℃，压力为0.3MPa的条件下保压10min，使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，接着将保压后的氢化环氧树脂坯件采用氮气吹拂后置于自来水中快速冷却，最后脱模得到用于复合材料管件缠绕成型的形状记忆聚合物芯模。
本实施例采用吹塑工艺整体成型，避免了工作量较大的人工组装与拆卸工序，制作的形状记忆聚合物芯模结构简单，质量轻，比重小于1.2g/cm3，约为金属芯模比重的1/7，砂芯模比重的1/3，并且芯模可重复使用，具有明显的经济效益。
采用本实施例制作的形状记忆聚合物芯模制备复合材料管件，按照常规方法将复合材料缠绕至形状记忆聚合物芯模上制备复合材料管件，然后将形状记忆聚合物芯模加热至120℃，芯模形状即可回复至初始的圆筒状，最后将形状回复的芯模从复合材料管件的开口处取出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、配制氢化环氧树脂体系：将氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐按0.5～1.0∶0～0.4∶2.0的摩尔比混合均匀后放入真空干燥箱中，在温度为50℃～60℃的条件下脱除气泡5min～15min，得到氢化环氧树脂体系；
步骤二、制作氢化环氧树脂坯件：将步骤一中所述氢化环氧树脂体系浇注至圆筒状模具，然后将浇注后的模具置于烘箱中固化，冷却至室温后脱模得到氢化环氧树脂坯件；
步骤三、制作芯模：根据所需芯模的形状选择芯模成型模具，将步骤二中所述氢化环氧树脂坯件与芯模成型模具组装，采用吹塑工艺将组装后的氢化环氧树脂坯件在温度为90℃～140℃，压力为0.2MPa～0.6MPa的条件下保压10min～20min，使氢化环氧树脂坯件变形成芯模形状，冷却后脱模得到形状记忆聚合物芯模。
2.根据权利要求1所述的复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法，其特征在于，步骤一中所述氢化环氧树脂、己二醇二缩水甘油醚和顺丁烯二酸酐的摩尔比为0.6～0.9∶0.1～0.3∶2.0。
3.根据权利要求1所述的复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法，其特征在于，步骤二中所述固化的制度为：在温度为60℃～80℃的条件下固化2h～4h，然后在温度为110℃～130℃的条件下固化2h～4h，最后在温度为150℃～180℃的条件下固化0.5h～1.5h。
4.根据权利要求1所述的复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法，其特征在于，步骤三中所述芯模成型模具采用分瓣阴模的形式，芯模成型模具内表面的形状与所要制作的芯模外表面形状相同。
5.根据权利要求1所述的复合材料构件缠绕成型用形状记忆聚合物芯模的制作方法，其特征在于，步骤三中所述冷却的方式为采用氮气吹拂冷却或采用自来水冷却，或者为采用氮气吹拂后再采用自来水冷却。
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