CN108215383A - 可快速复合成型的热塑性预浸织物结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，属于高性能纤维预浸织物制备领域。所述可快速复合成型的热塑性预浸织物结构包括第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层均采用热塑性纤维织物或熔融热塑性粉体构成；第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层均采用热塑性纤维混杂碳纤维形成二维织物结构；主体热熔纤维层由高强碳纤维单向织物构成，所述主体热熔纤维层能够通电产生热效应将所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层的热熔纤维熔融，最终形成碳纤维预浸原料。本发明预浸布成型速度快，冷却迅速热惯性小，避免了大量的加热能量损失。

Description

可快速复合成型的热塑性预浸织物结构
技术领域
本发明涉及高性能纤维预浸织物制备领域，特别是指一种可快速复合成型的热塑性预浸织物结构。
背景技术
连续碳纤维长丝或碳纤维混合其他纤维的混杂纤维增强织物预浸料或预浸布，基于碳纤维的高强度高模量以及其他高韧性纤维的力学特性优势，在工业、农业、交通以及航空航天复合材料制品的加工领域得到了广泛应用。随着碳纤维热塑性树脂复合材料的不断发展和加工技术的不断提高，一种作为碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的中间半成品原料——热塑性碳纤维预浸料或碳纤维混杂预浸料也得到了较快的发展。
目前的碳纤维或碳纤维混杂纤维预浸料的制备主要采用热熔浸渍法、溶液浸渍法或者粉末浸渍法制备。而对于目前的热塑性树脂的熔融较难控制的问题，各种加热装备的结构设计成为研究的重点，但鉴于机械装备技术的诸多问题，要顺利实现高效率连续化的连续纤维热塑性预浸布的制备仍然存在较大困难；而高性能热塑性树脂的溶解也是无法解决的问题，因此对于溶剂的选择和溶剂毒性的避免也是严重的技术壁垒。
而碳纤维是一种半导体特性的无机材质纤维，自身通电会瞬时产生较大的热效应，利用碳纤维通电发热的特性可制备不同类型的电加热装置，例如红外电热线、红外加热元件等，而在碳纤维混杂预浸布的制备过程中，尤其是热塑性树脂预浸料的制备过程中，要快速达到热塑性树脂基材(粉末、纤维等)的熔融是关键的技术步骤，传统的制备技术往往通过外部加热的方式达到熔融效果，过程长、能耗大、连续化效果不好。因此尝试一种利用碳纤维通电产生热效应的新型热熔复合的预浸布成型方式成为研究的新颖方向。
发明内容
本发明提供一种可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其可在传动辊的加压过程中同时进行表面通电，通过瞬时碳纤维热效应完成熔融浸渍过程，预浸布成型速度快，冷却迅速热惯性小，避免了大量的加热能量损失。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，依次包括第一表面熔融纤维层、第一中间混杂编织织物层、主体热熔纤维层、第二中间混杂编织织物层、第二表面熔融纤维层，其中：
所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层均采用热塑性纤维织物或熔融热塑性粉体构成；
所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层均采用热塑性纤维混杂碳纤维形成二维织物结构；
所述主体热熔纤维层由高强碳纤维单向织物构成，所述主体热熔纤维层能够通电产生热效应将所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层的热熔纤维熔融，最终形成碳纤维预浸原料。
进一步的，所述主体热熔纤维层的碳纤维采用T300、T700、T800、T1000中的一种。
进一步的，所述主体热熔纤维层的碳纤维的排布幅宽控制在0.5-1.6m范围内。
进一步的，所述主体热熔纤维层的碳纤维的面密度控制在16-22g/m2范围内。
进一步的，所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层的二维织物结构采用平纹、斜纹、缎纹中的一种。
进一步的，所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层的热塑性纤维采用UHMWPE纤维、芳纶纤维中的一种，碳纤维采用T300、T700、T800、T1000中的一种，所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层的纤维的排布幅宽控制在0.5-1.6m范围内。
进一步的，所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层的热塑性纤维织物均采用二维的平纹、斜纹、缎纹中的一种，或者直接采用熔融热塑性粉体形式。
进一步的，所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层中的粉体的颗粒度控制在800-2000目之间，所用的热塑性树脂材质采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮中的一种。
进一步的，所述热塑性预浸织物结构的通电熔融浸渍方式，将所述第一表面熔融纤维层、第一中间混杂编织织物层、主体热熔纤维层、第二中间混杂编织织物层、第二表面熔融纤维层这五层叠层结构织物在固定传动辊上连续传动，在传动辊之间施加一定的压力对织物叠层结构进行加压，加压的压强控制在2-10MPa范围内，传动辊的转动速度控制在2-10m/min，传动辊体配有辅助通电装置对辊体进行通电，电压根据碳纤维的面密度在10-50V之间调整，最终保证织物整体的温度在树脂基体的热熔温度要求范围完成熔融浸渍过程。
本发明具有以下有益效果：
本发明的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，织物自身可通电发热的达到熔融热塑性树脂粉体层热塑性纤维丝束，形成熔融浸渍复合结构的预浸织物结构，该织物结构包括：第一表面熔融纤维(粉体)层、第一中间混杂编织织物层、主体热熔纤维层、第二中间混杂编织织物层以及第二表面熔融纤维(粉体)层五层结构叠合组成，其中预浸叠层织物的表面熔融纤维(粉体)层采用热塑性纤维织物或熔融热塑性粉体构成；上下两层的中间混杂编织织物层采用热塑性纤维混杂碳纤维形成二维织物结构为整个预浸织物布主要提供热塑性纤维韧性同时辅助碳纤维起到刚度增强；主体热熔纤维层由高强碳纤维单向织物构成，该热熔纤维层可通电产生热效应将表面熔融纤维(粉体)层的热熔纤维熔融，最终形成碳纤维预浸原料，该预浸织物结构可在传动辊的加压过程中同时进行表面通电，通过瞬时碳纤维热效应完成熔融浸渍过程，预浸布成型速度快，冷却迅速热惯性小，避免了大量的加热能量损失。
附图说明
图1为本发明的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构的结构示意图，其中：1第一表面熔融纤维层、2第一中间混杂编织织物层、3主体热熔纤维层、4第二中间混杂编织织物层、5第二表面熔融纤维层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，如图1所示，依次包括第一表面熔融纤维(粉体)层1、第一中间混杂编织织物层2、主体热熔纤维层3、第二中间混杂编织织物层4、第二表面熔融纤维(粉体)层5，其中：
第一表面熔融纤维层1和第二表面熔融纤维层5均采用热塑性纤维织物或熔融热塑性粉体构成；
第一中间混杂编织织物层2和第二中间混杂编织织物层4均采用热塑性纤维混杂碳纤维形成二维织物结构；
主体热熔纤维层3由高强碳纤维单向织物构成，主体热熔纤维层3能够通电产生热效应将第一表面熔融纤维层1和第二表面熔融纤维层5的热熔纤维熔融，最终形成碳纤维预浸原料。
本发明的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，织物自身可通电发热的达到熔融热塑性树脂粉体层热塑性纤维丝束，形成熔融浸渍复合结构的预浸织物结构，该织物结构包括：第一表面熔融纤维(粉体)层、第一中间混杂编织织物层、主体热熔纤维层、第二中间混杂编织织物层以及第二表面熔融纤维(粉体)层五层结构叠合组成，其中预浸叠层织物的表面熔融纤维(粉体)层采用热塑性纤维织物或熔融热塑性粉体构成；上下两层的中间混杂编织织物层采用热塑性纤维混杂碳纤维形成二维织物结构为整个预浸织物布主要提供热塑性纤维韧性同时辅助碳纤维起到刚度增强；主体热熔纤维层由高强碳纤维单向织物构成，该热熔纤维层可通电产生热效应将表面熔融纤维(粉体)层的热熔纤维熔融，最终形成碳纤维预浸原料，该预浸织物结构可在传动辊的加压过程中同时进行表面通电，通过瞬时碳纤维热效应完成熔融浸渍过程，预浸布成型速度快，冷却迅速热惯性小，避免了大量的加热能量损失。
优选的，主体热熔纤维层3的碳纤维可以采用T300、T700、T800、T1000中的任意一种。
进一步的，主体热熔纤维层3的碳纤维的排布幅宽控制在0.5-1.6m范围内。
进一步的，主体热熔纤维层3的碳纤维的面密度控制在16-22g/m2范围内，可以根据使用要求灵活调整。
优选的，第一中间混杂编织织物层2和第二中间混杂编织织物层4的二维织物结构采用平纹、斜纹、缎纹中的任意一种。
作为本发明的一种改进，第一中间混杂编织织物层2和第二中间混杂编织织物层4的热塑性纤维采用UHMWPE纤维、芳纶纤维中的任意一种，碳纤维采用T300、T700、T800、T1000中的任意一种，两种纤维的混杂比例可以根据使用要求灵活调整，第一中间混杂编织织物层2和第二中间混杂编织织物层4的纤维的排布幅宽与上述的主体热熔纤维层3的一致，控制在0.5-1.6m范围内。
优选的，第一表面熔融纤维层1和第二表面熔融纤维层5的热塑性纤维织物均可以采用二维的平纹、斜纹、缎纹中的任意一种，或者直接采用熔融热塑性粉体形式。
进一步的，第一表面熔融纤维层1和第二表面熔融纤维层5中的粉体的颗粒度控制在800-2000目之间，所用的热塑性树脂材质可以采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮中的任意一种且不局限于此范围内。
本发明中，热塑性预浸织物结构的通电熔融浸渍方式，将第一表面熔融纤维层1、第一中间混杂编织织物层2、主体热熔纤维层3、第二中间混杂编织织物层4、第二表面熔融纤维层5这五层叠层结构织物在固定传动辊上连续传动，在传动辊之间施加一定的压力对织物叠层结构进行加压，加压的压强控制在2-10MPa范围内，传动辊的转动速度控制在2-10m/min，传动辊体配有辅助通电装置对辊体进行通电，电压根据碳纤维的面密度在10-50V之间调整，最终保证织物整体的温度在树脂基体的热熔温度要求范围完成熔融浸渍过程。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的特征和细节，但所列过程和数据并不意味着对本发明范围的限制。
实施例1
主体热熔纤维层采用面密度12g/m2、幅宽0.5米的T300单向织物维持固定张力，两侧表面选用UHMWPE纤维为主体混杂T300碳纤维的平纹织物结构制备幅宽0.5米的中间混杂编织织物层，中间混杂编织织物层的外表面选用聚乙烯纤维制备平纹织物表面熔融纤维层，总体厚度控制在0.5mm；
上述叠层织物以10m/min的传动速度在固定传动辊上连续传动，传动辊之间施加10MPa的压强，传动辊体配有辅助通电装置对辊体通50V电压，使表面熔融纤维层熔融，形成快速复合热塑性预浸织物。
实施例2
主体热熔纤维层采用面密度16g/m2、幅宽1.6米的T700单向织物维持固定张力，两侧表面选用UHMWPE纤维为主体混杂T700碳纤维的缎纹织物结构制备幅宽1.6米的中间混杂编织织物层，中间混杂编织织物层的外表面选用聚丙烯纤维制备平纹表面熔融纤维层，总体厚度控制在0.9mm；
上述叠层织物以8m/min的传动速度在固定传动辊上连续传动，传动辊之间施加5MPa的压强，传动辊体配有辅助通电装置对辊体通20V电压，使表面熔融纤维层熔融，形成快速复合热塑性预浸织物。
实施例3
主体热熔纤维层采用面密度22g/m2、幅宽1.6米的T800单向织物维持固定张力，两侧表面选用芳纶纤维为主体混杂T800碳纤维的斜纹织物结构制备幅宽1.6米的中间混杂编织织物层，中间混杂编织织物层的外表面选用聚苯乙烯制备颗粒度2000目的表面熔融粉体层，总体厚度控制在0.5mm；
上述叠层织物以9m/min的传动速度在固定传动辊上连续传动，传动辊之间施加6MPa的压强，传动辊体配有辅助通电装置对辊体通30V电压，使表面熔融粉体层熔融，形成快速复合热塑性预浸织物。
实施例4
主体热熔纤维层采用面密度18g/m2、幅宽1米的T1000单向织物维持固定张力，两侧表面选用UHMWPE纤维为主体混杂T1000碳纤维的斜纹织物结构，制备幅宽1米的中间混杂编织织物层，中间混杂编织织物层的外表面选用聚苯硫醚制备颗粒度1500目的表面熔融纤维粉体层，总体厚度控制在0.8mm；
上述叠层织物以7m/min的传动速度在固定传动辊上连续传动，传动辊之间施加6MPa的压强，传动辊体配有辅助通电装置对辊体通40V电压，使表面熔融粉体层熔融，形成快速复合热塑性预浸织物。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，依次包括第一表面熔融纤维层、第一中间混杂编织织物层、主体热熔纤维层、第二中间混杂编织织物层、第二表面熔融纤维层，其中：
所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层均采用热塑性纤维织物或熔融热塑性粉体构成；
所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层均采用热塑性纤维混杂碳纤维形成二维织物结构；
所述主体热熔纤维层由高强碳纤维单向织物构成，所述主体热熔纤维层能够通电产生热效应将所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层的热熔纤维熔融，最终形成碳纤维预浸原料。
2.根据权利要求1所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述主体热熔纤维层的碳纤维采用T300、T700、T800、T1000中的一种。
3.根据权利要求2所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述主体热熔纤维层的碳纤维的排布幅宽控制在0.5-1.6m范围内。
4.根据权利要求3所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述主体热熔纤维层的碳纤维的面密度控制在16-22g/m2范围内。
5.根据权利要求1所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层的二维织物结构采用平纹、斜纹、缎纹中的一种。
6.根据权利要求5所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层的热塑性纤维采用UHMWPE纤维、芳纶纤维中的一种，碳纤维采用T300、T700、T800、T1000中的一种，所述第一中间混杂编织织物层和第二中间混杂编织织物层的纤维的排布幅宽控制在0.5-1.6m范围内。
7.根据权利要求1所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层的热塑性纤维织物均采用二维的平纹、斜纹、缎纹中的一种，或者直接采用熔融热塑性粉体形式。
8.根据权利要求7所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述第一表面熔融纤维层和第二表面熔融纤维层中的粉体的颗粒度控制在800-2000目之间，所用的热塑性树脂材质采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮中的一种。
9.根据权利要求1所述的可快速复合成型的热塑性预浸织物结构，其特征在于，所述热塑性预浸织物结构的通电熔融浸渍方式，将所述第一表面熔融纤维层、第一中间混杂编织织物层、主体热熔纤维层、第二中间混杂编织织物层、第二表面熔融纤维层这五层叠层结构织物在固定传动辊上连续传动，在传动辊之间施加一定的压力对织物叠层结构进行加压，加压的压强控制在2-10MPa范围内，传动辊的转动速度控制在2-10m/min，传动辊体配有辅助通电装置对辊体进行通电，电压根据碳纤维的面密度在10-50V之间调整，最终保证织物整体的温度在树脂基体的热熔温度要求范围完成熔融浸渍过程。
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