CN118147947A - 一种用于碳纤维复合材料低温增韧的非织造尼龙网纱的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于碳纤维复合材料低温增韧的非织造尼龙网纱的制备方法，将连续的尼龙纤维切成一定长度的尼龙短纤，之后将其加入到分散剂中，搅拌均匀，使尼龙短纤充分的分散，得到尼龙短纤浆料。然后将尼龙短纤浆料经过抄造机抽滤沉降，在其表面喷粘合剂，烘干干燥处理后得到非织造尼龙网纱。该方法制备得到的非织造尼龙网纱将其插层到复合材料层间能有效提高复合材料超低温环境下的层间韧性。
Description
技术领域
本发明属于先进复合材料低温层间增韧领域，特别涉及一种适用低温层间增韧的非织造尼龙网纱的制备方法。
背景技术
随着星际旅行与深空探测概念的兴起，进一步提升运载火箭的结构效率成为航天领域的热点话题。以液氢、液氧为代表的低温燃料，具有比冲高、绿色无污染等优点，成为替代传统的偏二甲肼的理想航天燃料。然而，由于液氢的密度低，在设计过程中需要体积更大的燃料贮箱，传统以金属作为主体材料的贮箱，会大大增加火箭推进器重量，增大发射成本，降低火箭核心运载效率。碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)具有轻质高强、耐腐蚀及可设计性强等优点，在航空航天、轨道交通、新能源等行业的轻量化过程中起着举足轻重的作用。研究表明选用CFRP作为低温燃料贮箱的主体材料，可以使贮箱减重20％-40％，飞行器的发射成本降低30％，并且随着贮箱体积增大，减重效果愈明显。
在CFRP低温贮箱的应用中，往往呈现明显的渗漏失效先于结构承力失效的特点。渗漏失效主要分为两种形式：扩散渗漏和微裂纹渗漏。流体通过无微裂纹或内部缺陷的层压板时扩散速率很低，因此不必担心扩散渗漏，但要重视微裂纹泄漏性。同时，由于层合板层间没有纤维连接，仅靠树脂粘接，导致容易造成分层损伤，对于贮箱而言，则会形成渗漏通道，对航天火箭造成重大安全隐患。同时碳纤维复合材料中纤维与树脂的热膨胀系数差距极大，在低温下更容易在层间发生应力集中，因此对低温环境使用的复合材料进行增韧改性显得尤为重要。
目前，提高碳纤维复合材料韧性的方法主要有：基体增韧、层间增韧和Z向增韧等。其中，层间增韧是指将复合材料的层间区域作为一个单独可控的对象，并仅对该层间区域进行有选择的增韧，在大幅度提高复合材料层间韧性的同时保持其原有面内力学性能和原有工艺不变。比较普遍的复合材料层间增韧技术主要有：颗粒层间增韧、薄膜层间增韧和纤维层间增韧，其中纤维层间增韧适用范围广，增韧效果好。
中国专利CN114261110A(公开日期为2022年4月1日)公开了一种熔融沉积法制备热塑性无纺布层间增韧碳纤维复合材料的方法，该方法通过线材制备出熔融沉积丝，按照设计以连续方式在同一平面沿四个方向进行打印，打印成无纺布。该方法的优点是能保证增韧层的均一性，也不影响成型过程中树脂的流动性。该方法的缺点是所制备得到的复合材料层间厚度较大，同时制备的热塑性无纺布尺寸也受到限制。
中国专利CN116790092A(公开日期为2023年9月22日)公开了一种超细纤维增韧碳纤维环氧树脂复合材料的方法，该方法通过将高熔点热塑性聚合物和低熔点热塑性聚合物共混得到均一纺丝溶液，通过静电纺丝技术，将均一纺丝溶液制备成超细纤维。该方法的优点是增韧材料能在保持碳纤维复合材料原有形态的情况下，实现对碳纤维复合材料的层间增韧，可显著提升复合材料的冲击性能、层间剪切性能和弯曲性能。但是该方法制备过程较为复杂并且静电纺丝生产效率的限制导致其无法大规模应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于低温增韧碳纤维复合材料的非织造尼龙网纱及其制备方法，该方法克服现有碳纤维复合材料所存在的层间韧性差，增韧组分不均匀等缺点。
本发明的一种用于碳纤维复合材料低温增韧的非织造尼龙网纱的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)将连续的尼龙纤维切成一定长度的尼龙短纤，之后将其加入到分散剂中，高速搅拌，使尼龙短纤均匀分散在分散剂中，得到尼龙短纤浆料。
步骤(2)将步骤(1)得到的尼龙短纤浆料经过成网***抽滤沉降，得到湿态非织造尼龙网纱。
步骤(3)在步骤(2)中得到的湿态非织造尼龙网纱表面喷涂粘合剂，然后经烘干干燥处理后得到非织造尼龙网纱。
所述步骤(1)中的尼龙纤维可以选择聚己内酰胺纤维、聚己二酰己二胺纤维、聚十二内酰胺纤维、聚癸二酰己二胺、聚十二烷二酰己二胺纤维等不同碳链长度二胺与二酸缩合所得尼龙纤维的一种或多种的混合物，尼龙纤维直径为10-50μm，短切尼龙纤维长度为10-25mm。分散剂可以选择聚乙烯亚胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、氧化聚乙烯蜡、聚乙二醇200中的一种或多种与水的混合物，分散剂含量为水的含量的0.001wt％-1wt％。
所述步骤(3)中的粘合剂可以选择聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、环氧树脂等一种或多种混合物的水的分散物。干燥温度为40℃-100℃，时间为3h-12h。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下效果：
1、本发明制备的低温层间增韧非织造尼龙网纱厚度和面密度可控，同时可根据复合材料制备工艺和制备条件合理调节非织造尼龙网纱的熔点、溶解性、纤维直径和纤维密度。
2、本发明中非织造尼龙网纱不仅能在常温下对复合材料有增韧效果，在超低温(低于液氮温度-196℃)下仍能对碳纤维复合材料有良好的层间增韧效果。
(3)本发明中的非织造尼龙网纱适用于预浸料模压工艺、真空树脂灌注工艺等不同复合材料成型工艺，同时能保证非织造尼龙网纱的引入不会使复合材料纤维体积含量明显下降。
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。
一种用于碳纤维复合材料低温增韧的非织造尼龙网纱的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1)将连续的尼龙纤维切成一定长度的尼龙短纤，之后将其加入到分散剂中，高速搅拌，使尼龙短纤均匀分散在分散剂中，得到尼龙短纤浆料；
尼龙纤维为不同碳链长度二胺与二酸缩合所得，具体为聚己内酰胺纤维、聚己二酰己二胺纤维、聚十二内酰胺纤维、聚癸二酰己二胺、聚十二烷二酰己二胺纤维中的一种或多种混合物，尼龙纤维直径为10-50μm，短切尼龙纤维长度为10-25mm。
分散剂为聚乙烯亚胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、氧化聚乙烯蜡、聚乙二醇200中的一种或多种与水的混合物，分散剂含量为水的含量的0.001wt％-1wt％。
步骤(2)将步骤(1)得到的尼龙短纤浆料经过成网***抽滤沉降，得到湿态非织造尼龙网纱；
步骤(3)在步骤(2)中得到的湿态非织造尼龙网纱表面喷涂粘合剂，然后经烘干干燥处理后得到非织造尼龙网纱。
粘合剂为聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、环氧树脂中的一种或多种混合物的水的分散物。
干燥温度为40℃-100℃，时间为3h-12h。非织造尼龙网纱厚度小于等于50μm，面密度为4gsm-20gsm。
本发明制备得到的非织造尼龙网纱能在低温环境下实现对复合材料的层间增韧。
实施例1
(1)将直径为15μm的连续聚己内酰胺纤维切成长度10-15mm聚己内酰胺短切纤维，然后称取30g的聚己内酰胺短切纤维并将其加入到0.01％聚乙烯醇分散液中，高速搅拌，使聚己内酰胺短切纤维均匀的分散在聚乙烯醇分散液中，得到聚己内酰胺短切纤维浆料。
(2)将步骤(1)得到的聚己内酰胺短切纤维浆料经过成网***抽滤沉降，得到湿态非织造聚己内酰胺纤维网纱。
(3)在步骤(2)得到的湿态非织造聚己内酰胺纤维网纱表面喷涂0.2g环氧树脂粘合剂，在60℃下干燥12h得到非织造聚己内酰胺纤维网纱，网纱面密度为8gsm，厚度为30μm。
(4)将碳纤维/环氧单向预浸带裁剪成所需尺寸，将步骤(3)得到的非织造聚己内酰胺纤维网纱与碳纤维/环氧预浸料交叉铺放，铺放完成后将其置于模具中。
(5)将步骤(4)中的模具放入热压机中固化成型，抽真空30min，使模具内保持真空状态。固化成型制度根据预浸料中环氧树脂固化制度，本次预浸料树脂固化制度为：100℃/1h+120℃/1h+180℃/4h。固化完成后保压降温，即可得到增韧后碳纤维复合材料。
实施例2
(1)将直径为25μm的连续聚十二烷二酰己二胺纤维切成长度10-20mm聚十二烷二酰己二胺短切纤维，然后称取40g的聚十二烷二酰己二胺短切纤维并将其加入到0.01％聚乙二醇200分散液中，高速搅拌，使聚十二烷二酰己二胺短切纤维均匀的分散在聚乙二醇200分散液中，得到聚十二烷二酰己二胺短切纤维浆料。
(2)将步骤(1)得到的聚十二烷二酰己二胺短切纤维浆料经过成网***抽滤沉降，得到湿态非织造聚十二烷二酰己二胺纤维网纱。
(3)在步骤(2)得到的湿态非织造聚十二烷二酰己二胺网纱表面喷涂0.3g聚氨酯粘合剂，在80℃下干燥10h得到非织造聚十二烷二酰己二胺纤维网纱，网纱面密度为12gsm，厚度为40μm。
(4)将碳纤维/环氧单向预浸带裁剪成所需尺寸，将步骤(3)得到的非织造聚十二烷二酰己二胺纤维网纱与碳纤维/环氧预浸料交叉铺放，铺放完成后将其置于模具中。
(5)将步骤(4)中的模具放入热压机中固化成型，抽真空30min，使模具内保持真空状态。固化成型制度根据预浸料中环氧树脂固化制度，本次预浸料树脂固化制度为：100℃/1h+120℃/1h+180℃/4h。固化完成后保压降温，即可得到增韧后碳纤维复合材料。
实施例3
(1)将直径为30μm的连续聚己二酰己二胺纤维切成长度10-15mm聚己二酰己二胺短切纤维，然后称取50g的聚己二酰己二胺短切纤维并将其加入到0.02％聚乙烯醇分散液中，高速搅拌，使聚己二酰己二胺短切纤维均匀的分散在聚乙烯醇分散液中，得到聚己二酰己二胺短切纤维浆料。
(2)将步骤(1)得到的聚己二酰己二胺短切纤维浆料经过成网***抽滤沉降，得到湿态非织造聚己二酰己二胺纤维网纱。
(3)在步骤(2)得到的湿态非织造聚己二酰己二胺纤维网纱表面喷涂0.4g环氧树脂粘合剂，在80℃下干燥12h得到非织造聚己二酰己二胺纤维网纱，网纱面密度为15gsm，厚度为45μm。
(4)将碳纤维/环氧单向预浸带裁剪成所需尺寸，将步骤(3)得到的非织造聚己二酰己二胺纤维网纱与碳纤维/环氧预浸料交叉铺放，铺放完成后将其置于模具中。
(5)将步骤(4)中的模具放入热压机中固化成型，抽真空30min，使模具内保持真空状态。固化成型制度根据预浸料中环氧树脂固化制度，本次预浸料树脂固化制度为：100℃/1h+120℃/1h+180℃/4h。固化完成后保压降温，即可得到增韧后碳纤维复合材料。
对比例1
(1)将直径为30μm连续聚醚砜纤维切成长度10-12mm聚醚砜短切纤维，然后称取30g的聚醚砜短切纤维并将其加入到0.01％聚乙二醇200分散液中，高速搅拌，使聚醚砜短切纤维均匀的分散在聚乙二醇200分散液中，得到聚醚砜短切纤维浆料。
(2)将步骤(1)得到的聚醚砜短切纤维浆料经过成网***抽滤沉降，得到湿态非织造聚醚砜纤维网纱。
(3)在步骤(2)得到的湿态非织造聚醚砜纤维网纱表面喷涂0.3g聚氨酯粘合剂，在80℃下干燥10h得到非织造聚醚砜纤维网纱，网纱面密度为12gsm，厚度为40μm。
(4)将碳纤维/环氧单向预浸带裁剪成所需尺寸，将步骤(3)得到的非织造聚醚砜纤维网纱与碳纤维/环氧预浸料交叉铺放，铺放完成后将其置于模具中。
(5)将步骤(4)中的模具放入热压机中固化成型，抽真空30min，使模具内保持真空状态。固化成型制度根据预浸料中环氧树脂固化制度，本次预浸料树脂固化制度为：100℃/1h+120℃/1h+180℃/4h。固化完成后保压降温，即可得到增韧后碳纤维复合材料。
实施实例和对比例制备的增韧碳纤维复合材料Ⅰ型层间断裂韧性测试结果如上表所示。对比可以看出非织造尼龙网纱/碳纤维复合材料的常低温Ⅰ型层间断裂韧性均高于非织造聚醚砜网纱/碳纤维复合材料。证明本方法制备的非织造尼龙网纱可以有效提高复合材料在低温环境下的韧性。
Claims (7)
1.一种用于碳纤维复合材料低温增韧的非织造尼龙网纱的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1)将连续的尼龙纤维切成一定长度的尼龙短纤，之后将其加入到分散剂中，高速搅拌，使尼龙短纤均匀分散在分散剂中，得到尼龙短纤浆料；
步骤(2)将步骤(1)得到的尼龙短纤浆料经过成网***抽滤沉降，得到湿态非织造尼龙网纱；
步骤(3)在步骤(2)中得到的湿态非织造尼龙网纱表面喷涂粘合剂，然后经烘干干燥处理后得到非织造尼龙网纱。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中的尼龙纤维为不同碳链长度二胺与二酸缩合所得，具体为聚己内酰胺纤维、聚己二酰己二胺纤维、聚十二内酰胺纤维、聚癸二酰己二胺、聚十二烷二酰己二胺纤维中的一种或多种混合物，尼龙纤维直径为10-50μm，短切尼龙纤维长度为10-25mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中的分散剂为聚乙烯亚胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、氧化聚乙烯蜡、聚乙二醇200中的一种或多种与水的混合物，分散剂含量为水的含量的0.001wt％-1wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中的粘合剂为聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、环氧树脂中的一种或多种混合物的水的分散物。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中干燥温度为40℃-100℃，时间为3h-12h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中非织造尼龙网纱厚度小于等于50μm，面密度为4gsm-20gsm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中非织造尼龙网纱能在低温环境下实现对复合材料的层间增韧。
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