一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法
【專利摘要】本發明屬于復合材料預浸料制備領域，涉及一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法。在預浸料增強纖維排布過程中，將熱塑性纖維引入增強纖維表面，再通過熱壓輥將預浸料樹脂膠膜與熱塑性纖維單向帶及增強纖維單向帶復合，最終制備成熱塑性樹脂纖維單向帶增韌的高韌性預浸料產品。本發明工藝過程簡單易實施，并且可實現高韌性預浸料的連續化生產，可大幅提高生產效率。
【專利說明】一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于復合材料預浸料制備領域，涉及一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法。
【背景技術】
[0002]纖維增強樹脂基復合材料由于其比強度、比剛度較高、具有良好的抗疲勞斷裂性能、結構可設計性強、耐環境性能優越等特點，而成為繼鋁合金、鋼、鈦合金之后的第四大航空結構材料。在航空工業中，復合材料特別是碳纖維復合材料早已大量用于次承力件，目前在飛行器的機翼、機身等主承力件中也占有越來越大的比重。這就對復合材料的損傷容限提出了要求，特別是針對復合材料層間韌性不足，抗沖擊損傷能力有限這一問題，長期以來一直是研究的熱點。
[0003]為解決此問題，已提出了多種改進措施，傳統的復合材料增韌方法廣泛采用熱塑性組分進行增韌，將改性劑熱塑性樹脂直接加入到樹脂基體中來達到增韌的目的，但這種方法可能會大幅增加樹脂基體的黏度，進而降低復合材料中間產品預浸料的工藝性能，如熱塑性組分加入后預浸料的手感黏性、可鋪覆性、固化工藝的寬容度等。
[0004]為獲得更加高效、合理的增韌方法，國內、外學者進行了大量的研究，目前應用較為成熟的增韌技術當屬由Cytec公司提出的層間增韌技術。層間增韌就是將韌性材料以某種形式插入復合材料層間，通過提高層間塑性區域來阻礙層間裂紋的擴展，進而提高復合材料的層間斷裂韌性和抗沖擊性能。中國專利ZL2006100993819將熱塑性薄膜鋪放在增強織物的層間以達到增韌之目的，其增韌復合材料的CAI得到顯著提高。層間增韌技術能夠大幅度提高復合材料的韌性關鍵在于層間增韌材料的選擇，隨著技術的進步，已經發展了多種形式的層間增韌材料，其中薄膜結構形式的層間增韌材料應用最為廣泛，但薄膜結構的層間增韌形式仍然存在著眾多問題，如熱塑性薄膜會限制在復合材料成型過程中氣泡的排除、層與層之間樹脂的再分配等。且傳統的層間增韌方法均是將增韌材料作為一個獨立的個體，經手工鋪放等方法插入到增強材料層間，工藝過程較為繁瑣，效率較低，并且增韌材料主要為熱塑性樹脂成分，可鋪覆性能較差，嚴重影響了復合材料制備過程中的工藝性倉泛。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是:提出一種可鋪覆性能好、工藝過程簡單、工作效率高的熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]按照預浸料面密度要求，將增強纖維絲束架上引出的每束增強纖維在預浸機上進行排布并展開，形成增強纖維單向帶；
[0008]將熱塑性纖維絲束引入預浸機增強纖維上方，并均勻展開，形成熱塑性樹脂纖維單向帶，熱塑性纖維單向帶面密度控制在10g/m2?40g/m2，熱塑性纖維單向帶與增強纖維單向帶幅寬相等，并左右對齊，熱塑性纖維位于增強纖維帶正上方，兩者之間留有間距；
[0009](5)在預浸機纖維展開區和樹脂復合區之間設置穿紗裝置，穿紗裝置在熱塑性纖維單向帶與增強織物單向帶之間每隔10?200mm將一束熱塑性纖維絲束橫穿過增強纖維單向帶與熱塑性纖維單向帶中間；
[0010](6)將熱塑性單向帶增韌織物與預浸料膠膜復合，并經過熱壓工藝使預浸料膠膜樹脂浸潤增強纖維，得到熱塑性樹脂纖維單向帶增韌預浸料。
[0011]所述的熱塑性樹脂纖維為下列熱塑性樹脂之一:聚醚醚酮、聚醚酮、聚砜、聚醚砜、熱塑性樹脂聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚苯醚、聚酰胺、聚烯烴。
[0012]所述的熱塑性樹脂纖維直徑控制在I μ m?20 μ m之間。
[0013]所述的增強纖維是玻璃纖維或碳纖維或芳綸纖維中的一種。
[0014]所述的增強纖維是單向纖維無緯布或增強纖維織造布，其織造形式是單向織物或平紋織物或緞紋織物或斜紋織物或非屈曲織物。
[0015]所述的預浸料膠膜基體為下列樹脂之一:環氧樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、雙馬來酰亞胺樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、聚酰亞胺樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、酚醛樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、苯并噁嗪樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、氰酸酯樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物。
[0016]所述的熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的上下表面有脫模紙、聚乙烯薄膜作為保護層。
[0017]本發明的優點是:首先，該工藝方法所采用增韌材料為濕法或熔融紡絲制備的熱塑性纖維的機織物，相對于靜電紡絲工藝能耗低、產量大、便于實現大規模化生產；其次，熱塑性纖維單向帶具有良好的透氣、透膠性能，在保證優異的增韌功效的同時能有效地保證復合材料成型后的內部質量；再次，該方法制備的預浸料產品有良好的手感黏性、可鋪覆性，具有良好的工藝性能；并且，該高韌性預浸料制備技術實現了復合材料的增韌過程與增韌材料制備過程融為一體，提高了層間增韌復合材料的生產效率，極大降低了層間增韌復合材料過程中的人工成本。
[0018]本專利提出一種可連續化生產高韌性預浸料產品的工藝方法，在預浸料增強纖維排布過程中，將熱塑性纖維單向帶引入增強纖維表面，再通過熱壓輥將預浸料樹脂膠膜與熱塑性樹脂纖維單向帶及增強纖維復合，最終制備成熱塑性樹脂纖維單向帶增韌預浸料產品。本專利可大幅提高增韌預浸料的制備效率，并且可實現連續化工業生產。制備的高韌性預浸料的增韌結構為熱塑性纖維單向帶，透氣、透膠性能良好，不影響預浸料層合板固化成型中的排氣過程，對層與層之間樹脂的再分配影響較小，并且增韌材料外層仍附有鋪覆性很好的熱固性樹脂成分，不影響預浸料的手感黏性、可鋪覆性等工藝性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料生產流程圖；
[0020]圖2是本發明熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料產品示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面對本發明做進一步詳細說明。本發明在預浸料增強纖維排布過程中，將熱塑性纖維單向帶2引入增強纖維單向帶I表面，再通過熱壓輥將預浸料膠膜樹脂基體3與熱塑性樹脂纖維單向帶2及增強纖維單向帶I復合，最終制備成熱塑性樹脂纖維單向帶增韌預浸料產品。
[0022]一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌預浸料的制備方法，具體步驟如下:
[0023](I)按照預浸料面密度要求，將增強纖維絲束架上引出的每束增強纖維在預浸機上進行排布并展開，形成增強纖維單向帶I ;
[0024](2)將熱塑性纖維絲束引入預浸機增強纖維上方，并均勻展開，形成熱塑性樹脂纖維單向帶2，熱塑性纖維單向帶2面密度控制在10g/m2?40g/m2，熱塑性纖維單向帶2與增強纖維單向帶I幅寬相等，并左右對齊，熱塑性纖維單向帶2位于增強纖維單向帶I正上方，兩者之間留有間距；
[0025](3)在預浸機纖維展開區和樹脂復合區之間設置穿紗裝置，每隔10?200mm，穿紗裝置將一束熱塑性纖維絲束3橫穿過增強纖維單向帶I與熱塑性纖維單向帶2中間，以防止熱塑性纖維2嵌入增強纖維I內部而影響增韌效果；
[0026](4)將增強纖維單向帶1、熱塑性樹脂纖維單向帶2與預浸料膠膜樹脂基體3復合，并經過熱壓工藝使預浸料膠膜樹脂基體3浸潤增強纖維I與熱塑性纖維2，得到熱塑性樹脂纖維單向帶增韌預浸料。
[0027](5)將預浸料上表面的脫模紙剝離并覆上聚乙烯薄膜5后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜5、脫模紙6作為保護層的高韌性預浸料產品。
[0028]具體實施例
[0029]實施例1
[0030]選用聚酰胺PA6單向纖維作為增韌材料,纖維平均直徑約5 μ m，CCF300碳纖維作為增強材料。在CCF300碳纖維排布完成后，將PA6纖維單向帶引入CCF300碳纖維表面，PA6纖維單向帶面密度控制在10g/m2。每隔25mm，穿紗裝置將一束PA6纖維絲束橫穿過CCF300碳纖維單向帶與PA6纖維單向帶中間，以防止PA6纖維嵌入碳纖維內部而影響增韌效果。再通過熱壓輥將環氧樹脂基預浸料膠膜與PA6纖維及CCF300碳纖維復合，制備成PA6纖維單向帶增韌的高韌性預浸料產品。將預浸料上表面的脫模紙剝離并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脫模紙作為保護層的PA6單向纖維增韌的高韌性CCF300/環氧樹脂預浸料產品。
[0031]實施例2
[0032]選用聚醚砜PES單向纖維作為增韌材料，纖維平均直徑約15 μ m, T700碳纖維作為增強材料。在T700碳纖維排布完成后，將PES纖維單向帶引入T700碳纖維表面，PES纖維單向帶面密度控制在10g/m2。每隔100mm，穿紗裝置將一束PES纖維絲束橫穿過T700碳纖維單向帶與PES纖維單向帶中間，以防止PES纖維嵌入碳纖維內部而影響增韌效果。再通過熱壓輥將環氧樹脂基預浸料膠膜與PES纖維及T700碳纖維復合，制備成PES纖維單向帶增韌的高韌性預浸料產品。將預浸料上表面的脫模紙剝離并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脫模紙作為保護層的PES單向纖維增韌的高韌性T700/環氧樹脂預浸料產品。
[0033]實施例3
[0034]選用聚醚酮PEK單向纖維作為增韌材料，纖維平均直徑約15 μ m, HKT800碳纖維作為增強材料。在HKT800碳纖維排布完成后，將PEK纖維單向帶引入HKT800碳纖維表面，PEK纖維單向帶面密度控制在15g/m2。每隔80mm，穿紗裝置將一束PEK纖維絲束橫穿過HKT800碳纖維單向帶與PEK纖維單向帶中間，以防止PEK纖維嵌入碳纖維內部而影響增韌效果。再通過熱壓輥將雙馬樹脂基預浸料膠膜與PEK纖維及HKT800碳纖維復合，制備成PEK纖維單向帶增韌的高韌性預浸料產品。將預浸料上表面的脫模紙剝離并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脫模紙作為保護層的PEK單向纖維增韌的高韌性HKT800/雙馬樹脂預浸料產品。
[0035]實施例4
[0036]選用聚醚醚酮PEEK單向纖維作為增韌材料，纖維平均直徑約15 μ m,玻璃纖維作為增強材料。在玻璃纖維排布完成后，將PEEK纖維單向帶引入玻璃纖維表面，PEEK纖維單向帶面密度控制在15g/m2。每隔120mm，穿紗裝置將一束PEEK纖維絲束橫穿過玻璃纖維單向帶與PEEK纖維單向帶中間，以防止PEEK纖維嵌入玻璃纖維內部而影響增韌效果。再通過熱壓輥將氰酸酯樹脂基預浸料膠膜與PEEK纖維及玻璃纖維復合，制備成PEEK纖維單向帶增韌的高韌性預浸料產品。將預浸料上表面的脫模紙剝離并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脫模紙作為保護層的PEEK單向纖維增韌的高韌性玻璃纖維/氰酸酯樹脂預浸料產品。
[0037]實施例5
[0038]選用聚砜PSF單向纖維作為增韌材料，纖維平均直徑約12 μ m，芳綸纖維作為增強材料。在芳綸纖維排布完成后，將PSF纖維單向帶引入芳綸纖維表面，PSF纖維單向帶面密度控制在12g/m2。每隔120_，穿紗裝置將一束PSF纖維絲束橫穿過玻璃纖維單向帶與PSF纖維單向帶中間，以防止PSF纖維嵌入玻璃纖維內部而影響增韌效果。再通過熱壓輥將氰酸酯樹脂基預浸料膠膜與PSF纖維及芳綸纖維復合，制備成PSF纖維單向帶增韌的高韌性預浸料產品。將預浸料上表面的脫模紙剝離并覆上聚乙烯薄膜后，收卷得到上下表面有聚乙烯薄膜、脫模紙作為保護層的PSF單向纖維增韌的高韌性芳綸纖維/氰酸酯樹脂預浸料
女口
廣叩ο
【權利要求】
1.一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法，其特征在于， (1)按照預浸料面密度要求，將增強纖維絲束架上引出的每束增強纖維在預浸機上進行排布并展開，形成增強纖維單向帶； (2)將熱塑性纖維絲束引入預浸機增強纖維上方，并均勻展開，形成熱塑性樹脂纖維單向帶，熱塑性纖維單向帶面密度控制在10g/m2?40g/m2，熱塑性纖維單向帶與增強纖維單向帶幅寬相等，并左右對齊，熱塑性纖維位于增強纖維帶正上方，兩者之間留有間距； (3)在預浸機纖維展開區和樹脂復合區之間設置穿紗裝置，穿紗裝置在熱塑性纖維單向帶與增強織物單向帶之間每隔10?200mm將一束熱塑性纖維絲束橫穿過增強纖維單向帶與熱塑性纖維單向帶中間； (4)將熱塑性單向帶增韌織物與預浸料膠膜復合，并經過熱壓工藝使預浸料膠膜樹脂浸潤增強纖維，得到熱塑性樹脂纖維單向帶增韌預浸料。
2.根據權利要求1中所述的一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法，其特征在于，所述的熱塑性樹脂纖維為下列熱塑性樹脂之一:聚醚醚酮、聚醚酮、聚砜、聚醚砜、熱塑性樹脂聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚苯醚、聚酰胺、聚烯烴。
3.根據權利要求1所述的一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法，其特征在于，所述的熱塑性樹脂纖維直徑控制在I μ m?20 μ m之間。
4.根據權利要求1所述的一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法，其特征在于，所述的增強纖維是玻璃纖維或碳纖維或芳綸纖維中的一種。
5.根據權利要求1所述的一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法，其特征在于，所述的增強纖維是單向纖維無緯布。
6.根據權利要求1所述的一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法，其特征在于，所述的預浸料膠膜基體為下列樹脂之一:環氧樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、雙馬來酰亞胺樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、聚酰亞胺樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、酚醛樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、苯并噁嗪樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物、氰酸酯樹脂基體及其與熱塑性樹脂的共混物。
7.根據權利要求1所述的一種熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的制備方法，其特征在于，所述的熱塑性樹脂纖維單向帶增韌單向預浸料的上下表面有脫模紙、聚乙烯薄膜作為保護層。
【文檔編號】B29B15/08GK103552170SQ201310511233
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】包建文, 張代軍, 鐘翔嶼, 張堯州, 陳祥寶 申請人:中航復合材料有限責任公司