CN106868676A - 一种三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法，其特征在于先将聚酰亚胺纤维与聚甲醛纤维制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，混编织物经模压制成纤维增强复合材料。本发明实现了在简单工艺条件下制备不同结构的聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料，保证增强纤维获取有效长度、得到充分浸渍、在基体内均匀分散，并可达到极高的添加量，最大程度发挥纤维对聚甲醛强度、模量的改善效果；对聚酰亚胺纤维表面处理后解决聚甲醛基体与增强纤维相容性差的问题。

Description

一种三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料及其制备方法。
背景技术
聚甲醛（POM）是重要的工程塑料之一，具有优良的机械性能、尺寸稳定性、耐化学腐蚀性、耐疲劳性、耐蠕变性、自润滑性能好等优点，广泛应用于机械制造、电子电器等领域。但是当聚甲醛应用于对力学强度、模量有更高要求的大型结构制件、汽车配件等领域时性能仍有待进一步提高，纤维增强是改善聚甲醛力学性能最有效的改性手段。聚酰亚胺纤维具有耐高温、耐辐射以及高强度、高模量等特性，加入到聚甲醛基体内制备纤维增强复合材料将有效提高基体的强度、模量及耐热性等。
现有的纤维增强聚甲醛复合材料制备技术多采用双螺杆共混法或连续长纤维浸渍法制备复合材料颗粒，再经过注塑成型的方式制备复合材料制品。而在双螺杆挤出或者注塑成型的过程中，纤维的长度、长度分布的均一性和纤维分散均匀性难以保证，致使纤维的增强效果大打折扣。此外由于聚甲醛具有高结晶性，且与纤维相容性差，致使超高含量纤维难以加入，而注塑成型方式对熔体流动性的要求也限制了复合材料中可加入的纤维含量。因此解决基体与纤维的相容性、改善浸渍效果、保证纤维有效长度、开发超高含量纤维增强复合材料的成型方法对于提高纤维增强聚甲醛复合材料的力学强度具有重要意义。
国内聚甲醛纤维纺丝技术正处于开发阶段，对于聚甲醛纤维的应用研究也处于探索中，因此没有可以借鉴的混编纤维增强聚甲醛复合材料制备相关的混编和成型技术。由于聚酰亚胺的导热系数低，尤其低于碳纤维，如借鉴专利CN201310324483用于热塑性纤维增强复合材的混编织物及其制备方法，直接将两束纤维并线或相互均匀混合加工成纱线，聚酰亚胺纤维可能会对聚甲醛纤维包覆并起到隔热的作用，模压成型过程中聚甲醛纤维不能快速熔融，导致成型温度提高或成型时间延长，且复合材料中容易出现未熔的聚甲醛纤维。
发明内容
本发明以经表面处理的聚酰亚胺纤维长丝为纱芯，聚甲醛纤维长丝作为外包纱，制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，经模具热压后制备纤维增强聚甲醛复合材料，以解决传统纤维增强聚甲醛复合材料存在的聚甲醛与纤维的相容性差、纤维长度和分散均匀性难保证等问题；实现以简单的工艺制备长纤维增强聚甲醛复合材料，可一次成型制备不同规格、不同结构的复合材料制品，并保持长纤维增强的优势及特性。
本发明技术方案：选用聚酰亚胺纤维作为增强纤维，按体积含量为10-65%的聚酰亚胺纤维与聚甲醛纤维制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，经模具热压后，聚甲醛纤维熔融，聚酰亚胺纤维均匀分散在聚甲醛基体中，从而制成聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料。
所述聚酰亚胺纤维为长丝，单丝直径为5-20微米。
所述的聚甲醛纤维为长丝，是以聚甲醛颗粒为原料，经熔融纺丝制备的，纤维单丝直径为15-38微米，聚酰亚胺纤维经无水乙醇清洗后采用硅烷偶联剂对纤维表面进行处理，硅烷偶联剂为KH550或/和KH570，质量分数为2-5%。
本发明所述的三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料制备步骤：（1）以聚酰亚胺纤维长丝为纱芯，聚甲醛纤维长丝作为外包纱，制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，尺寸可根据需求调整；（2）将三维混编织物放置模具上，再将模具放入真空热压成型机内，升温至175-185℃，抽真空，保温60-90 min后对模具加压0.5-1.2 MPa，保压10-30min后去除压力，在模具不加压的情况下停留5 min，然后继续加压至0.5-1.2 MPa，再次抽真空，30 min后除去真空，模具压力降至0.3 MPa，缓慢降温，待温度降至60℃以下进行脱模。
本发明特点在于先将聚甲醛纤维长丝和聚酰亚胺纤维长丝制成包覆纱后编织成三维织物，再通过模压成型法制备复合材料制品，可根据制品尺寸和结构的需求制备织物，在简单的工艺条件下即可实现不同结构复合材料的制备，可保证纤维分散均匀，浸润充分，经表面处理解决纤维与基体相容性差的问题，并可实现超高含量纤维增强聚甲醛复合材料制品的制备，最大程度实现聚酰亚胺纤维对聚甲醛基体的增强效果，强度、弹性模量都得到大幅的提高。
表面处理的聚酰亚胺纤维长丝为纱芯，聚甲醛纤维长丝作为外包纱，外包纱聚甲醛纤维按照螺旋的方式对芯纱聚酰亚胺纤维进行包覆制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，防止聚甲醛纤维单丝由于被包覆、混合在聚酰亚胺纤维中而造成成型后的复合材料中仍有未能熔的聚甲醛纤维存在。
具体实施方式
实施例1
采用质量分数为3%的硅烷偶联剂对聚酰亚胺纤维表面进行处理，将处理后的聚酰亚胺纤维长丝按体积含量为10%与聚甲醛纤维长丝制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，然后将混编织物放置到模具内，再将模具放入真空热压成型机内，升温至175℃，抽真空，保温60 min后对模具加压0.8 MPa，保压15 min后去除压力，在模具不加压的情况下停留5min，然后继续加压至0.8 MPa，再次抽真空，30 min后除去真空，模具压力降至0.3 MPa，缓慢降温，待温度降至60℃以下进行脱模，获取的聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料拉伸强度为101 MPa。
实施例2
采用质量分数为3%的硅烷偶联剂对聚酰亚胺纤维表面进行处理，将处理后的聚酰亚胺纤维长丝按体积含量为20%与聚甲醛纤维长丝制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，然后将混编织物放置到模具内，再将模具放入真空热压成型机内，升温至175℃，抽真空，保温80 min后对模具加压0.8 MPa，保压15 min后去除压力，在模具不加压的情况下停留5min，然后继续加压至0.8 MPa，再次抽真空，30 min后除去真空，模具压力降至0.3 MPa，缓慢降温，待温度降至60℃以下进行脱模，获取的聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料拉伸强度为169 MPa。
实施例3
采用质量分数为3%的硅烷偶联剂对聚酰亚胺纤维表面进行处理，将处理后的聚酰亚胺纤维长丝按体积含量为30%与聚甲醛纤维长丝制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，然后将混编织物放置到模具内，再将模具放入真空热压成型机内，升温至180℃，抽真空，保温60 min后对模具加压0.8 MPa，保压15 min后去除压力，在模具不加压的情况下停留5min，然后继续加压至0.8 MPa，再次抽真空，30 min后除去真空，模具压力降至0.3 MPa，缓慢降温，待温度降至60℃以下进行脱模，获取的聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料拉伸强度为219 MPa。
实施例4
采用质量分数为3%的硅烷偶联剂对聚酰亚胺纤维表面进行处理，将处理后的聚酰亚胺纤维长丝按体积含量为50%与聚甲醛纤维长丝制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，然后将混编织物放置到模具内，再将模具放入真空热压成型机内，升温至180℃，抽真空，保温80 min后对模具加压1 MPa，保压15 min后去除压力，在模具不加压的情况下停留5 min，然后继续加压至1 MPa，再次抽真空，30 min后除去真空，模具压力降至0.3 MPa，缓慢降温，待温度降至60℃以下进行脱模，获取的聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料拉伸强度为274MPa。
实施例5
采用质量分数为3%的硅烷偶联剂对聚酰亚胺纤维表面进行处理，将处理后的聚酰亚胺纤维长丝按体积含量为65%与聚甲醛纤维长丝制成包覆纱，采用包覆纱进行编织制成三维混编织物，然后将混编织物放置到模具内，再将模具放入真空热压成型机内，升温至185℃，抽真空，保温80 min后对模具加压1 MPa，保压15 min后去除压力，在模具不加压的情况下停留5 min，然后继续加压至1 MPa，再次抽真空，30 min后除去真空，模具压力降至0.3MPa，缓慢降温，待温度降至60℃以下进行脱模，获取的聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料，拉伸强度为306 MPa。

Claims (5)

1.一种三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于：选用聚酰亚胺纤维作为增强纤维，按体积含量为10-65%的聚酰亚胺纤维与聚甲醛纤维制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，经模具热压后，聚甲醛纤维熔融，聚酰亚胺纤维均匀分散在聚甲醛基体中，从而制成聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料。
2.根据权利要求1所述的三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于：所述聚酰亚胺纤维为长丝，单丝直径为5-20微米。
3.根据权利要求1所述的三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料，其特征在于：所述的聚甲醛纤维为长丝，是以聚甲醛颗粒为原料，经熔融纺丝制备的，单丝直径为15-38微米。
4. 根据权利要求1-3任一项所述的三维混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法，其特征在于：（1）以聚酰亚胺纤维长丝为纱芯，聚甲醛纤维长丝作为外包纱，制成包覆纱，再进行编织制成三维混编织物，尺寸可根据需求调整；（2）将三维混编织物放置模具上，再将模具放入真空热压成型机内，升温至175-185℃，抽真空，保温60-90 min后对模具加压0.5-1.2 MPa，保压10-30 min后去除压力，在模具不加压的情况下停留5 min，然后继续加压至0.5-1.2 MPa，再次抽真空，30 min后除去真空，模具压力降至0.3 MPa，缓慢降温，待温度降至60℃以下进行脱模。
5.根据权利要求4所述的混编聚酰亚胺纤维增强聚甲醛复合材料的制备方法，其特征在于：聚酰亚胺纤维经无水乙醇清洗后采用硅烷偶联剂对纤维表面进行处理，硅烷偶联剂为KH550和/或KH570，质量分数为2-5%。
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