CN105291536B - 一种中空结构热固性复合材料的制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种中空结构热固性复合材料的制备装置和方法。所述的中空结构热固性复合材料的制备装置，其特征在于，包括纱架、预分散装置、浸渍装置、交错齿轮热压装置、烘箱和层压装置，其中，所述的交错齿轮热压装置包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括多个交错排列的齿轮，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合。本发明制得的三维中空热固性复合材料，与目前主要的中空热固性复合材料相比，其制备工艺简单，劳动强度低，自动化程度高，生产效率高，结构可设计性强，保温隔热性能优异，抗冲击性强，介电性能优异，可实现机械自动化以及产业化生产，可应用于航空航天、体育器材、交通运输、电子电器等领域。

Description

一种中空结构热固性复合材料的制备装置和方法
技术领域
本发明涉及一种中空结构热固性复合材料的制备装置和方法，可应用于航空航天、体育器材、交通运输等领域，属于复合材料领域。
背景技术
三维整体中空复合材料具有高强耐压、隔热耐磨、抗冲击性好、整体性能优异的特点，近年来在航空航天、船舶汽车以及建筑行业中的应用越来越广泛。然而三维整体中空复合材料的制备工艺成本高、周期长、效率低，部分制作工艺仅仅局限于实验室，难以实现产业化和自动化。只有攻克复合材料低成本化的技术瓶颈，才能更好的促进我国三维中空结构复合材料制造技术的飞速发展，为新世纪的复合材料工业注入新的活力。因此一种工艺流程少、生产效率高、产品周期短且满足三维中空热固性复合材料所需性能的制备工艺亟待开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺流程少、生产效率高、产品周期短且性能高的中空结构热固性复合材料的制备装置和方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种中空结构热固性复合材料的制备装置，其特征在于，包括纱架、预分散装置、浸渍装置、交错齿轮热压装置、烘箱和层压装置；所述的交错齿轮热压装置包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括多个交错排列的齿轮，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合。
优选地，所述的浸渍装置内设有浸渍辊，浸渍装置上侧设有用于向浸渍装置内供应浸渍液的供应槽。
优选地，所述的中空结构热固性复合材料的制备装置还包括传送装置。
本发明还提供了一种中空结构热固性复合材料的制备方法，其特征在于，采用上述的中空结构热固性复合材料的制备装置，包括：将纤维束从纱架导入预分散装置，在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，将纤维束导入一浸渍装置，该浸渍装置内设有含有第一热固性树脂的浸渍液，纤维束浸渍树脂后，导入交错齿轮热压装置，在一定温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；将织物导入另一浸渍装置，该浸渍装置内设有含有第二热固性树脂的浸渍液，织物浸渍树脂后，通过烘箱使树脂达到半固化状态，得到织物层；将中空纤维层置于上下两层织物层之间，在层压装置中粘合固定，获得中空结构热固性复合材料。
优选地，所得的中空结构热固性复合材料包括上、下两层织物层以及设于上下两层织物层之间的中空纤维层，所述的中空纤维层包括多根纤维，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内。
优选地，所述的含有第一热固性树脂的浸渍液包含热固性树脂、引发剂以及促进剂。
优选地，所述的含有第二热固性树脂的浸渍液包含热固性树脂、引发剂以及促进剂。
优选地，所述的织物为二维平纹织物或毛绒织物。
优选地，所述的纤维束为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维和高密度聚乙烯纤维束中的至少一种。
优选地，所述的第一热固性树脂和第二热固性树脂选自酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂。
优选地，所述的纤维束为连续纤维束。
优选地，所述的第二热固性树脂的固化温度较第一热固性树脂低。
优选地，所述的纤维束的定型温度设定为80℃-150℃。
本发明采用连续性纤维增强体和热固性树脂，通过浸渍、热压、烘干、层压等工序一体成型，从而制备出具有质轻、抗冲击、保温、低电磁损耗等优点的三维中空结构的热固性复合材料。本发明的预分散装置，用于分散纤维，并加以低温预烘，提高纤维的蓬松度，便于纤维束充分浸渍树脂。所述的浸渍装置，浸渍辊并排放置，数目可调整，在浸渍辊的作用下，热固性树脂与纤维束均匀混合。所述的交错齿轮热压定形装置，采用多个(几十甚至上百个)齿轮交错排列，当一排预浸料的纤维经过交错齿轮楔形区域时，通过齿轮啮合作用施以挤压变形，同时施以高温，使树脂达到半固化状态，从而制备出结构呈现“X”形的中空纤维层，所述的中空纤维层为多根纤维构成的中空结构，纤维本身可为中空或非中空纤维，可通过调节齿的齿形结构、大小、密度以及相邻两个齿轮的摆放位置来设计中空纤维层的结构，包括中空纤维层的厚度、密度以及形状等，浸渍装置内设有一组并排的浸渍辊，浸渍辊的数目、转速以及树脂的供给速率等因素决定浸渍树脂的量，进而影响复合材料的力学性能、电磁性能等。平纹或绒毛结构的织物浸渍另一固化温度更低的树脂，通过烘箱使树脂达到半固化状态，得到织物层。中空纤维层与上下两层这样的织物层一起通过层压装置，最终获得三维中空结构的复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明制得的三维中空热固性复合材料，与目前主要的中空热固性复合材料相比，其制备工艺简单，劳动强度低，自动化程度高，生产效率高，结构可设计性强，保温隔热性能优异，抗冲击性强，可实现机械自动化以及产业化生产，可应用于航空航天、体育器材、交通运输等领域。
2、本发明所采用的浸渍装置，使得纤维束在一定的张力下展开变宽，当其进入交错齿轮的楔形区域时，纤维束双面不断承受熔体的定形，从而使聚合物熔体渗透到纤维内部，其树脂含量控制精度高，有利于提高其质量和生产效率；另外，本发明制备的三维中空热固性复合材料重量轻，隔音、隔热效果好，缓冲性能强，可作为轻质隔墙、隔音、隔温板等应用于建筑领域，也可作为轻质耐压装置应用于航空航天等领域。同时，三维中空热固性复合材料具有较低的介电常数和介电损耗，是良好的透波材料，可用于制作天线罩，天线基板等。
附图说明
图1是本发明的中空结构热固性复合材料的制备装置结构示意图；
图2是本发明的交错齿轮排列示意图；
图3是本发明的交错齿轮啮合示意图；
图4是中空纤维结构示意图；A为斜视图，B为左视图，C为俯视图，D为前视图。
图5是本发明的三维中空纤维热固性复合材料示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例的中空结构热固性复合材料的制备装置，包括纱架1、预分散装置3、浸渍装置5、交错齿轮热压装置6、烘箱14、传送装置8和层压装置9，其中，所述的交错齿轮热压装置6包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括20个交错排列的齿轮，如图2所示，所述的交错排列是指相邻的齿轮的齿顶15与齿根16交错排列。如图3所示，上下两个齿轮组中的齿轮一一对应，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合。所述的浸渍装置5内设有浸渍辊13，浸渍装置5上侧设有用于向浸渍装置5内供应浸渍液的供应槽4。齿轮具体参数为：齿轮具体参数为：模数＝1，齿数＝32，分度圆直径＝32mm，齿顶圆直径＝34mm，齿根圆直径＝29.5mm，齿轮厚度10mm，齿宽＝5mm，压力角＝20度。
一种中空结构热固性复合材料的制备方法，选用玻璃纤维作为增强材料，选取氰酸酯树脂作为基体，采用上述的中空结构热固性复合材料的制备装置一次成型，具体步骤为：
(1)将玻璃纤维束2从纱架1导入预分散装置3，在分散纤维的同时对纤维进行80℃加热和烘干，使玻璃纤维束2蓬松，以便充分浸渍树脂，将玻璃纤维束2导入一浸渍装置5，该浸渍装置5内设有供应槽4供应的浸渍液，浸渍液成分为德朗D-750单组份低温固化环氧树脂，固化条件80℃，30min，在浸渍辊13的作用下，对玻璃纤维束2进行浸渍，玻璃纤维束2浸渍树脂后，导入交错齿轮热压装置6，在80℃温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；
(2)将二维玻纤布12从卷布辊11上退绕下来，导入另一浸渍装置5，该浸渍装置5内有供应槽4供应的同类型德朗D-750单组份低温固化环氧树脂浸渍液，织物浸渍树脂后，通过80℃烘箱14使树脂达到半固化状态，得到织物层；
(3)将中空纤维层置于上下两层织物层之间，在传送装置8的作用下输送到层压装置9中粘合固定，层压装置9的温度设在240-260℃之间，压强设在0.2-0.5MPa之间，然后在80℃烘箱14中进行后固化30分钟，获得中空结构热固性复合材料。所得三维中空复合材料的厚度为5毫米，横压强度为1MPa，测试标准《ASTM C365》；边压强度为：1.5MPa，测试标准《ASTM C364》；弯曲强度200MPa，测试标准《ASTM C393》。介电常数为2-3，介电正切损耗角0.003-0.01。
如图5所示，所得的中空结构热固性复合材料包括上、下两层织物层17以及设于上下两层织物层17之间的中空纤维层18，如图4所示，所述的中空纤维层18包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内，从图4D中可以看出，中空纤维层18的截面呈多个X形。
随着4G时代的到来，现有的实心玻璃钢结构天线罩存在透波性能差、强度不足、重量重等缺点，已经不能够满足通讯领域快速发展的需要。本实施例的中空结构的复合材料因其轻质、高强、透波性好等特点可广泛应用于雷达罩、民用移动天线罩等移动通讯领域。
实施例2
一种中空结构热固性复合材料的制备方法，采用实施例1中的中空结构热固性复合材料的制备装置一次成型，具体步骤为：
(1)将碳纤维束从纱架1导入预分散装置3，在分散纤维的同时对纤维进行80℃加热和烘干，使碳纤维束蓬松，以便充分浸渍树脂，将碳纤维束导入一浸渍装置5，该浸渍装置5内设有供应槽4供应的浸渍液(由环氧树脂618、固化剂聚酞胺651、稀释剂环氧丙烷丁基醚660按重量比100∶50∶30配成)，在浸渍辊13的作用下，对碳纤维束进行浸渍，碳纤维束浸渍树脂后，导入交错齿轮热压装置6，在80-100℃下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；
(2)将二维玻纤布12从卷布辊11上退绕下来，导入另一浸渍装置5，该浸渍装置5内有供应槽4供应的浸渍液，(由环氧树脂618、固化剂聚酞胺651、稀释剂环氧丙烷丁基醚660按重量比100∶50∶30配成)织物浸渍树脂后，通过烘箱14在80-100℃之间使树脂达到半固化状态，得到织物层；
(3)将中空纤维层置于上下两层织物层之间，在传送装置8的作用下输送到层压装置9中粘合固定，层压装置9的温度设在90-110℃之间，压强设在0.2-0.5MPa之间，固化时间60min，然后在80-100℃烘箱14中进行后固化，获得中空结构热固性复合材料。所得三维中空复合材料的厚度为5毫米，横压强度为1.5MPa，测试标准《ASTM C365》；边压强度为：2MPa，测试标准《ASTM C364》；弯曲强度200MPa，测试标准《ASTM C393》。
如图5所示，所得的中空结构热固性复合材料包括上、下两层织物层17以及设于上下两层织物层17之间的中空纤维层18，如图4所示，所述的中空纤维层18包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内，从图4D中可以看出，中空纤维层18的截面呈多个X形。
本实施例制得的碳纤中空热固性复合材料具有质轻、降噪、耐高温、抗腐蚀等特点，可用于飞机及高速列车刹车***、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。
实施例3
一种中空结构热固性复合材料的制备方法，采用类似于实施例1中的中空结构热固性复合材料的制备装置一次成型，区别在于，了增加复合材料的抗冲击性能，交错齿轮的齿数不变，齿轮模数减小到0.5，齿宽减小到2mm，得到的中空纤维层较实施例1密度更大，抗冲击性更好。
上述的中空结构热固性复合材料的制备方法的具体步骤为：
(1)将玻璃纤维束2从纱架1导入预分散装置3，在分散纤维的同时对纤维进行90℃加热和烘干，使玻璃纤维束2蓬松，以便充分浸渍树脂，将玻璃纤维束2导入一浸渍装置5，该浸渍装置5内设有供应槽4供应的浸渍液(双酚A环氧乙烯基酯树脂901-VP，固化剂甲乙酮，促进剂异锌酸钴，三者分别以重量比100，10，1配比混合而成)，在浸渍辊13的作用下，对玻璃纤维束2进行浸渍，玻璃纤维束2浸渍树脂后，导入交错齿轮热压装置6，在40-60℃温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；
(2)将二维玻纤布12从卷布辊11上退绕下来，导入另一浸渍装置5，该浸渍装置5内有供应槽4供应同类型的双酚A环氧乙烯基酯树脂901-VP浸渍液，织物浸渍树脂后，通过30-50℃烘箱14使树脂达到半固化状态，得到织物层；
(3)将中空纤维层置于上下两层织物层之间，在传送装置8的作用下输送到层压装置9中粘合固定，层压装置9的温度设在40-60℃之间，压强设在0.2-0.5MPa之间，然后在40-60℃烘箱14中进行后固化30分钟，获得中空结构热固性复合材料。所得三维中空复合材料的厚度为5毫米，横压强度为1.5MPa，测试标准《ASTM C365》；边压强度为：1.5MPa，测试标准《ASTM C364》；弯曲强度250MPa，测试标准《ASTM C393》。介电常数为2-3，介电正切损耗角0.003-0.01。
如图5所示，所得的中空结构热固性复合材料包括上、下两层织物层17以及设于上下两层织物层17之间的中空纤维层18，如图4所示，所述的中空纤维层18包括多根纤维构成的中空结构，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内，从图4D中可以看出，中空纤维层18的截面呈多个X形。
本实施例制得的玻纤中空热固性复合材料同实施例1相比抗冲击性更好，同时拥有耐高温，耐腐蚀等特点，可用于高频数字印刷线路板、天线罩、船艇、体育运动器件、建筑材料等。

Claims (9)

1.一种中空结构热固性复合材料的制备装置，其特征在于，包括纱架（1）、预分散装置（3）、浸渍装置（5）、交错齿轮热压装置（6）、烘箱（14）和层压装置（9）；所述的交错齿轮热压装置（6）包括上下两个齿轮组，每个齿轮组均包括多个交错排列的齿轮，上下两个齿轮组中对应的齿轮相互啮合；连续纤维束从纱架（1）导入预分散装置（3），在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，将纤维束导入一浸渍装置（5），该浸渍装置（5）内设有含有第一热固性树脂的浸渍液，纤维束浸渍树脂后，导入交错齿轮热压装置（6），在一定温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；所述的中空纤维层包括多根纤维，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内。
2.如权利要求1所述的中空结构热固性复合材料的制备装置，其特征在于，所述的浸渍装置（5）内设有浸渍辊（13），浸渍装置（5）上侧设有用于向浸渍装置（5）内供应浸渍液的供应槽（4）。
3.如权利要求1所述的中空结构热固性复合材料的制备装置，其特征在于，所述的中空结构热固性复合材料的制备装置还包括传送装置（8）。
4.一种中空结构热固性复合材料的制备方法，其特征在于，采用权利要求1-3中任一项所述的中空结构热固性复合材料的制备装置，包括：将纤维束从纱架（1）导入预分散装置（3），在分散纤维的同时对纤维进行加热和烘干，将纤维束导入一浸渍装置（5），该浸渍装置（5）内设有含有第一热固性树脂的浸渍液，纤维束浸渍树脂后，导入交错齿轮热压装置（6），在一定温度下，通过齿轮的啮合作用对纤维束进行定型，得到中空纤维层；将织物导入另一浸渍装置（5），该浸渍装置（5）内设有含有第二热固性树脂的浸渍液，织物浸渍树脂后，通过烘箱（14）使树脂达到半固化状态，得到织物层；将中空纤维层置于上下两层织物层之间，在层压装置（9）中粘合固定，获得中空结构热固性复合材料。
5.如权利要求4所述的中空结构热固性复合材料的制备方法，其特征在于，所得的中空结构热固性复合材料包括上、下两层织物层以及设于上下两层织物层之间的中空纤维层，所述的中空纤维层包括多根纤维，每根纤维均呈波浪状并设于一竖直平面内。
6.如权利要求4所述的中空结构热固性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的含有第一热固性树脂的浸渍液包含热固性树脂、引发剂以及促进剂。
7.如权利要求4所述的中空结构热固性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的织物为二维平纹织物或毛绒织物。
8.如权利要求4所述的中空结构热固性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纤维束为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶纤维和高密度聚乙烯纤维束中的至少一种。
9.如权利要求4所述的中空结构热固性复合材料的制备方法，其特征在于，所述的第一热固性树脂和第二热固性树脂选自酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯以及硅醚树脂。
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