CN103552170B - 一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法 - Google Patents
一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于复合材料预浸料制备领域，涉及一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法。在预浸料增强纤维排布过程中，将热塑性纤维引入增强纤维表面，再通过热压辊将预浸料树脂胶膜与热塑性纤维单向带及增强纤维单向带复合，最终制备成热塑性树脂纤维单向带增韧的高韧性预浸料产品。本发明工艺过程简单易实施，并且可实现高韧性预浸料的连续化生产，可大幅提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于复合材料预浸料制备领域，涉及一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法。
背景技术
纤维增强树脂基复合材料由于其比强度、比刚度较高、具有良好的抗疲劳断裂性能、结构可设计性强、耐环境性能优越等特点，而成为继铝合金、钢、钛合金之后的第四大航空结构材料。在航空工业中，复合材料特别是碳纤维复合材料早已大量用于次承力件，目前在飞行器的机翼、机身等主承力件中也占有越来越大的比重。这就对复合材料的损伤容限提出了要求，特别是针对复合材料层间韧性不足，抗冲击损伤能力有限这一问题，长期以来一直是研究的热点。
为解决此问题，已提出了多种改进措施，传统的复合材料增韧方法广泛采用热塑性组分进行增韧，将改性剂热塑性树脂直接加入到树脂基体中来达到增韧的目的，但这种方法可能会大幅增加树脂基体的黏度，进而降低复合材料中间产品预浸料的工艺性能，如热塑性组分加入后预浸料的手感黏性、可铺覆性、固化工艺的宽容度等。
为获得更加高效、合理的增韧方法，国内、外学者进行了大量的研究，目前应用较为成熟的增韧技术当属由Cytec公司提出的层间增韧技术。层间增韧就是将韧性材料以某种形式***复合材料层间，通过提高层间塑性区域来阻碍层间裂纹的扩展，进而提高复合材料的层间断裂韧性和抗冲击性能。中国专利ZL2006100993819将热塑性薄膜铺放在增强织物的层间以达到增韧之目的，其增韧复合材料的CAI得到显著提高。层间增韧技术能够大幅度提高复合材料的韧性关键在于层间增韧材料的选择，随着技术的进步，已经发展了多种形式的层间增韧材料，其中薄膜结构形式的层间增韧材料应用最为广泛，但薄膜结构的层间增韧形式仍然存在着众多问题，如热塑性薄膜会限制在复合材料成型过程中气泡的排除、层与层之间树脂的再分配等。且传统的层间增韧方法均是将增韧材料作为一个独立的个体，经手工铺放等方法***到增强材料层间，工艺过程较为繁琐，效率较低，并且增韧材料主要为热塑性树脂成分，可铺覆性能较差，严重影响了复合材料制备过程中的工艺性能。
发明内容
本发明的目的是：提出一种可铺覆性能好、工艺过程简单、工作效率高的热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法。
本发明的技术方案是：
按照预浸料面密度要求，将增强纤维丝束架上引出的每束增强纤维在预浸机上进行排布并展开，形成增强纤维单向带；
将热塑性纤维丝束引入预浸机增强纤维上方，并均匀展开，形成热塑性树脂纤维单向带，热塑性纤维单向带面密度控制在10g/m2～40g/m2，热塑性纤维单向带与增强纤维单向带幅宽相等，并左右对齐，热塑性纤维位于增强纤维带正上方，两者之间留有间距；
(5)在预浸机纤维展开区和树脂复合区之间设置穿纱装置，穿纱装置在热塑性纤维单向带与增强织物单向带之间每隔10～200mm将一束热塑性纤维丝束横穿过增强纤维单向带与热塑性纤维单向带中间；
(6)将热塑性单向带增韧织物与预浸料胶膜复合，并经过热压工艺使预浸料胶膜树脂浸润增强纤维，得到热塑性树脂纤维单向带增韧预浸料。
所述的热塑性树脂纤维为下列热塑性树脂之一：聚醚醚酮、聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性树脂聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚酰胺、聚烯烃。
所述的热塑性树脂纤维直径控制在1μm～20μm之间。
所述的增强纤维是玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维中的一种。
所述的增强纤维是单向纤维无纬布或增强纤维织造布，其织造形式是单向织物或平纹织物或缎纹织物或斜纹织物或非屈曲织物。
所述的预浸料胶膜基体为下列树脂之一：环氧树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、双马来酰亚胺树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、聚酰亚胺树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、酚醛树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、苯并噁嗪树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、氰酸酯树脂基体及其与热塑性树脂的共混物。
所述的热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的上下表面有脱模纸、聚乙烯薄膜作为保护层。
本发明的优点是：首先，该工艺方法所采用增韧材料为湿法或熔融纺丝制备的热塑性纤维的机织物，相对于静电纺丝工艺能耗低、产量大、便于实现大规模化生产；其次，热塑性纤维单向带具有良好的透气、透胶性能，在保证优异的增韧功效的同时能有效地保证复合材料成型后的内部质量；再次，该方法制备的预浸料产品有良好的手感黏性、可铺覆性，具有良好的工艺性能；并且，该高韧性预浸料制备技术实现了复合材料的增韧过程与增韧材料制备过程融为一体，提高了层间增韧复合材料的生产效率，极大降低了层间增韧复合材料过程中的人工成本。
本专利提出一种可连续化生产高韧性预浸料产品的工艺方法，在预浸料增强纤维排布过程中，将热塑性纤维单向带引入增强纤维表面，再通过热压辊将预浸料树脂胶膜与热塑性树脂纤维单向带及增强纤维复合，最终制备成热塑性树脂纤维单向带增韧预浸料产品。本专利可大幅提高增韧预浸料的制备效率，并且可实现连续化工业生产。制备的高韧性预浸料的增韧结构为热塑性纤维单向带，透气、透胶性能良好，不影响预浸料层合板固化成型中的排气过程，对层与层之间树脂的再分配影响较小，并且增韧材料外层仍附有铺覆性很好的热固性树脂成分，不影响预浸料的手感黏性、可铺覆性等工艺性能。
附图说明
图1是本发明热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料生产流程图；
图2是本发明热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料产品示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。本发明在预浸料增强纤维排布过程中，将热塑性纤维单向带2引入增强纤维单向带1表面，再通过热压辊将预浸料胶膜树脂基体3与热塑性树脂纤维单向带2及增强纤维单向带1复合，最终制备成热塑性树脂纤维单向带增韧预浸料产品。
一种热塑性树脂纤维单向带增韧预浸料的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照预浸料面密度要求，将增强纤维丝束架上引出的每束增强纤维在预浸机上进行排布并展开，形成增强纤维单向带1；
(2)将热塑性纤维丝束引入预浸机增强纤维上方，并均匀展开，形成热塑性树脂纤维单向带2，热塑性纤维单向带2面密度控制在10g/m2～40g/m2，热塑性纤维单向带2与增强纤维单向带1幅宽相等，并左右对齐，热塑性纤维单向带2位于增强纤维单向带1正上方，两者之间留有间距；
(3)在预浸机纤维展开区和树脂复合区之间设置穿纱装置，每隔10～200mm，穿纱装置将一束热塑性纤维丝束3横穿过增强纤维单向带1与热塑性纤维单向带2中间，以防止热塑性纤维2嵌入增强纤维1内部而影响增韧效果；
(4)将增强纤维单向带1、热塑性树脂纤维单向带2与预浸料胶膜树脂基体3复合，并经过热压工艺使预浸料胶膜树脂基体3浸润增强纤维1与热塑性纤维2，得到热塑性树脂纤维单向带增韧预浸料。
(5)将预浸料上表面的脱模纸剥离并覆上聚乙烯薄膜5后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜5、脱模纸6作为保护层的高韧性预浸料产品。
具体实施例
实施例1
选用聚酰胺PA6单向纤维作为增韧材料，纤维平均直径约5μm，CCF300碳纤维作为增强材料。在CCF300碳纤维排布完成后，将PA6纤维单向带引入CCF300碳纤维表面，PA6纤维单向带面密度控制在10g/m2。每隔25mm，穿纱装置将一束PA6纤维丝束横穿过CCF300碳纤维单向带与PA6纤维单向带中间，以防止PA6纤维嵌入碳纤维内部而影响增韧效果。再通过热压辊将环氧树脂基预浸料胶膜与PA6纤维及CCF300碳纤维复合，制备成PA6纤维单向带增韧的高韧性预浸料产品。将预浸料上表面的脱模纸剥离并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脱模纸作为保护层的PA6单向纤维增韧的高韧性CCF300/环氧树脂预浸料产品。
实施例2
选用聚醚砜PES单向纤维作为增韧材料，纤维平均直径约15μm，T700碳纤维作为增强材料。在T700碳纤维排布完成后，将PES纤维单向带引入T700碳纤维表面，PES纤维单向带面密度控制在10g/m2。每隔100mm，穿纱装置将一束PES纤维丝束横穿过T700碳纤维单向带与PES纤维单向带中间，以防止PES纤维嵌入碳纤维内部而影响增韧效果。再通过热压辊将环氧树脂基预浸料胶膜与PES纤维及T700碳纤维复合，制备成PES纤维单向带增韧的高韧性预浸料产品。将预浸料上表面的脱模纸剥离并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脱模纸作为保护层的PES单向纤维增韧的高韧性T700/环氧树脂预浸料产品。
实施例3
选用聚醚酮PEK单向纤维作为增韧材料，纤维平均直径约15μm，HKT800碳纤维作为增强材料。在HKT800碳纤维排布完成后，将PEK纤维单向带引入HKT800碳纤维表面，PEK纤维单向带面密度控制在15g/m2。每隔80mm，穿纱装置将一束PEK纤维丝束横穿过HKT800碳纤维单向带与PEK纤维单向带中间，以防止PEK纤维嵌入碳纤维内部而影响增韧效果。再通过热压辊将双马树脂基预浸料胶膜与PEK纤维及HKT800碳纤维复合，制备成PEK纤维单向带增韧的高韧性预浸料产品。将预浸料上表面的脱模纸剥离并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脱模纸作为保护层的PEK单向纤维增韧的高韧性HKT800/双马树脂预浸料产品。
实施例4
选用聚醚醚酮PEEK单向纤维作为增韧材料，纤维平均直径约15μm，玻璃纤维作为增强材料。在玻璃纤维排布完成后，将PEEK纤维单向带引入玻璃纤维表面，PEEK纤维单向带面密度控制在15g/m2。每隔120mm，穿纱装置将一束PEEK纤维丝束横穿过玻璃纤维单向带与PEEK纤维单向带中间，以防止PEEK纤维嵌入玻璃纤维内部而影响增韧效果。再通过热压辊将氰酸酯树脂基预浸料胶膜与PEEK纤维及玻璃纤维复合，制备成PEEK纤维单向带增韧的高韧性预浸料产品。将预浸料上表面的脱模纸剥离并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脱模纸作为保护层的PEEK单向纤维增韧的高韧性玻璃纤维/氰酸酯树脂预浸料产品。
实施例5
选用聚砜PSF单向纤维作为增韧材料，纤维平均直径约12μm，芳纶纤维作为增强材料。在芳纶纤维排布完成后，将PSF纤维单向带引入芳纶纤维表面，PSF纤维单向带面密度控制在12g/m2。每隔120mm，穿纱装置将一束PSF纤维丝束横穿过玻璃纤维单向带与PSF纤维单向带中间，以防止PSF纤维嵌入玻璃纤维内部而影响增韧效果。再通过热压辊将氰酸酯树脂基预浸料胶膜与PSF纤维及芳纶纤维复合，制备成PSF纤维单向带增韧的高韧性预浸料产品。将预浸料上表面的脱模纸剥离并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脱模纸作为保护层的PSF单向纤维增韧的高韧性芳纶纤维/氰酸酯树脂预浸料产品。
Claims (7)
1.一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法，其特征在于，
(1)按照预浸料面密度要求，将增强纤维丝束架上引出的每束增强纤维在预浸机上进行排布并展开，形成增强纤维单向带；
(2)将热塑性纤维丝束引入预浸机增强纤维上方，并均匀展开，形成热塑性树脂纤维单向带，热塑性树脂纤维单向带面密度控制在10g/m2～40g/m2，热塑性树脂纤维单向带与增强纤维单向带幅宽相等，并左右对齐，热塑性树脂纤维位于增强纤维单向带正上方，两者之间留有间距；
(3)在预浸机纤维展开区和树脂复合区之间设置穿纱装置，穿纱装置在热塑性树脂纤维单向带与增强纤维单向带之间每隔10～200mm将一束热塑性纤维丝束横穿过增强纤维单向带与热塑性树脂纤维单向带中间，形成热塑性树脂单向带增韧织物；
(4)将热塑性树脂单向带增韧织物与预浸料胶膜复合，并经过热压工艺使预浸料胶膜树脂浸润增强纤维，得到热塑性树脂纤维单向带增韧预浸料。
2.根据权利要求1中所述的一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法，其特征在于，所述的热塑性树脂纤维为下列热塑性树脂之一：聚醚醚酮、聚醚酮、聚砜、聚醚砜、热塑性树脂聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚酰胺、聚烯烃。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法，其特征在于，所述的热塑性树脂纤维直径控制在1μm～20μm之间。
4.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法，其特征在于，所述的增强纤维是玻璃纤维或碳纤维或芳纶纤维中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法，其特征在于，所述的增强纤维是单向纤维无纬布。
6.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法，其特征在于，所述的预浸料胶膜基体为下列树脂之一：环氧树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、双马来酰亚胺树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、聚酰亚胺树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、酚醛树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、苯并噁嗪树脂基体及其与热塑性树脂的共混物、氰酸酯树脂基体及其与热塑性树脂的共混物。
7.根据权利要求1所述的一种热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的制备方法，其特征在于，所述的热塑性树脂纤维单向带增韧单向预浸料的上下表面有脱模纸、聚乙烯薄膜作为保护层。
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