CN104404817A - 芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法。该芳纶-玻璃纤维复合片材包括玻璃毡基体和结合在所述玻璃毡基体表面的复合芳纶层，所述复合芳纶层包括互相混合的芳纶纤维、芳纶浆粕的质量比为1：(0.2-3)。其制备方法包括配制含芳纶纤维和芳纶浆粕的芳纶浆料、利用芳纶浆料制备芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸和芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸进行热压成型的步骤。本发明芳纶-玻璃纤维复合片材拉伸强度和弯曲强度等机械性能和牢固性能高，其表面相对光滑；其制备方法得芳纶纤维芳纶纤维、芳纶浆粕与玻璃纤维相互粘合和贯穿，避免芳纶纤维和玻璃纤维复合时需要加入其他粘结剂，简化了制造工艺，显著降低了其生产成本，产品性能稳定，合格率高。
Description
技术领域
本发明属于纤维复合材料技术领域，特别涉及一种芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法。
背景技术
玻璃毡为无任何粘结剂和其他缝编材料，以一定线密度的连续玻璃纤维，无定向成圈状分布成一定厚度的基材，经针刺机针刺后，靠纤维之间相互勾接在一起而成的制品。与不同基体树脂有良好的相容性，适用于模压、等多种成型工艺应用于增强改性聚丙烯、环氧和不饱和聚酯树脂。但是该玻璃毡强度、柔性等性能有待提高，表面分布较多毛丝，在某些场景中应用受到限制。
芳纶的全称是芳香族聚酰胺纤维，是一种高强度、高模量、低密度和高耐磨的有机合成纤维。芳纶于20世纪60年代初，由美国杜邦公司开发出优异性能的间位聚芳酰胺纤维，商品名为NOMEX，我国称1313纤维；杜邦公司又开发出对位聚芳酰胺纤维，商品名为Kevlar，我国称1414纤维。
因此，针对玻璃毡存在的缺陷，目前出现了利用芳纶针对玻璃毡进行改性的研究及相关产品。例如市场上出现了一种含芳杂环的高阻燃性芳纶纤维层压板，其是将杂环芳纶丝排列一起，与热塑性树脂复合热压而成片材，因为纤维的方向性使得此板材性能呈现各项异性。市场上还出现了一种玻璃纤维和芳纶纤维复合布，其是将玻璃纤维和芳纶纤维通过经纬编织而成布，克服了玻璃钢制品只有刚性没有柔性不耐冲击的问题。
通过对上述现有复合材料分析发现，现有该相关复合材料一般均是将芳纶先制成芳纶纸或芳纶布后，再与其它材料复合，加热和加压后制成，其工艺复杂，对设备要求高，导致其生产成本高。另外由于工艺的复杂，所生产的复合材料性能稳定性差，合格率相对较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法，以解决现有玻璃纤维与芳纶复合材料生产成本高、其制备工艺复杂导致的产品性能不稳定的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种芳纶-玻璃纤维复合片材，其包括玻璃毡基体和结合在所述玻璃毡基体表面的复合芳纶层，所述复合芳纶层包括互相混合的芳纶纤维、芳纶浆粕的质量比为1：(0.2-3)。
以及，一种芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，包括如下步骤：
将芳纶纤维浆料与芳纶浆粕浆料与分散剂混合，形成芳纶浆料；其中，在所述芳纶浆料中，所述芳纶纤维、芳纶浆粕的质量比为1：(0.2-3)；
将所述芳纶浆料在玻璃毡上形成一复合芳纶涂层，经压轧、烘干和收卷处理得到芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸；
将所述芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸于220-300℃下加压成型。
与现有技术相比，上述芳纶-玻璃纤维复合片材将芳纶纤维、芳纶浆粕的复合物层直接与玻璃毡复合，由于玻璃毡的自身的特点，该芳纶纤维、芳纶浆粕会贯穿玻璃毡，使得芳纶纤维、芳纶浆粕、玻璃纤维相互粘合和贯穿，使得复合芳纶层与玻璃毡基体结合牢固，有效避免两者剥离分离现象出现，同时赋予该芳纶-玻璃纤维复合片材优异的拉伸强度和弯曲强度等机械性能。另外，该复合芳纶层结合在玻璃毡基体表面，使得该芳纶-玻璃纤维复合片材表面相对光滑，克服了玻璃毡表面分布较多毛丝的缺陷。
上述芳纶-玻璃纤维复合片材制备方法将芳纶纤维与芳纶浆粕的混合浆料涂覆在玻璃毡表面上，利用玻璃纤维毡空隙多的特点，随着芳纶纤维与浆粕均匀的复合在玻璃纤维毡上，芳纶会贯穿玻璃纤维毡，在加压成型时随着芳纶纤维的软化和融化，使得芳纶纤维之间，芳纶纤维、芳纶浆粕与玻璃纤维之间，以及玻璃纤维之间相互粘合和贯穿，避免芳纶纤维和玻璃纤维复合时需要加入其他粘结剂，也简化了制造工艺，显著降低了其生产成本，也使得产品性能稳定，合格率高。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种机械性能好，表面相对光滑的芳纶-玻璃纤维复合片材。该芳纶-玻璃纤维复合片材包括玻璃毡基体和结合在所述玻璃毡基体表面的复合芳纶层，所述复合芳纶层包括互相混合的芳纶纤维、芳纶浆粕的质量比为1：(0.2-3)。这样，该芳纶-玻璃纤维复合片材将芳纶纤维、芳纶浆粕的复合物层直接与玻璃毡复合，由于玻璃毡的自身的特点，该芳纶纤维、芳纶浆粕会贯穿玻璃毡，使得芳纶纤维、芳纶浆粕、玻璃纤维相互粘合和贯穿，使得复合芳纶层与玻璃毡基体结合牢固，有效避免两者剥离分离现象出现，同时赋予该芳纶-玻璃纤维复合片材优异的拉伸强度和弯曲强度等机械性能。另外，该复合芳纶层结合在玻璃毡基体表面，使得该芳纶-玻璃纤维复合片材表面相对光滑，克服了玻璃毡表面分布较多毛丝的缺陷。
另外，上述芳纶-玻璃纤维复合片材中，复合芳纶层的厚度会影响该芳纶-玻璃纤维复合片材的拉伸强度和弯曲强度等性能，因此，在一些实施例中，该复合芳纶层的厚度为0.1-1mm。将复合芳纶层的厚度的控制在厚度范围，能使得该复芳纶-玻璃纤维复合片材的拉伸强度和弯曲强度等性能进一步提高，同时使得复合芳纶层与玻璃毡基体结合更加牢固。
其中，在一实施例中，上述芳纶纤维选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、杂环类芳香族聚酰胺纤维中的一种或两种以上的混合物。其中，该芳纶纤维可以选用6-8mm的芳纶短纤维。在另一实施例中，该芳纶浆粕选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维浆粕、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维浆粕、杂环类芳香族聚酰胺纤维浆粕中的一种或两种以上的混合物。当然，在又一实施例中，该芳纶纤维选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、杂环类芳香族聚酰胺纤维中的一种或两种以上的混合物；同时，该芳纶浆粕选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维浆粕、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维浆粕、杂环类芳香族聚酰胺纤维浆粕中的一种或两种以上的混合物。其中，杂环类芳香族聚酰胺纤维可以选用芳纶Ⅲ和/或芳纶Ⅳ。
在上述芳纶所选用材料的实施例基础上，在一实施例中，上述芳纶-玻璃纤维复合片材中的玻璃毡基体选用玻璃纤维毡。
通过对芳纶材料和玻璃毡的选用，能进一步提高复合芳纶层与玻璃毡基体之间的结合强度，同时进一步提高芳纶-玻璃纤维复合片材的如拉伸强度和弯曲强度等机械强度。
由上述可知，上述实施例提供的芳纶-玻璃纤维复合片材如拉伸强度、弯曲强度等机械强度和复合芳纶层与玻璃毡基体之间的结合强度高。通过对复合芳纶层的厚度，以及芳纶纤维、芳纶浆粕的含量调节控制，能进一步提高芳纶-玻璃纤维复合片材的相关机械性能。
相应地，本发明实施例还提供了上述芳纶-玻璃纤维复合片材的一种制备方法。该方法包括如下步骤：
S01.配制含芳纶纤维和芳纶浆粕的芳纶浆料：将芳纶纤维浆料与芳纶浆粕浆料与分散剂混合，形成芳纶浆料；
S02.利用芳纶浆料制备芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸：将步骤S01中配制的芳纶浆料在玻璃毡上形成一复合芳纶涂层，经压轧、烘干和收卷处理得到芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸；
S03.芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸进行热压成型：将步骤S02制备的芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸于220-300℃下加压成型。
具体地，上述步骤S01中，芳纶浆料可以按照如下方法制备：将芳纶纤维配成分散液后，经高速分散制成芳纶纤维浆料。其中，该芳纶纤维可以选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、杂环类芳香族聚酰胺纤维中的一种或两种以上的混合物。其中，芳纶纤维可以是长为6-8mm的芳纶短纤维。
芳纶浆粕浆料可以按照如下方法制备：将芳纶浆粕通过研磨处理，将制备成芳纶浆粕浆料。其中，芳纶浆粕可以选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维浆粕、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维浆粕、杂环类芳香族聚酰胺纤维浆粕中的一种或两种以上的混合物。在一实施例中，该芳纶浆粕研磨处理后，使得芳纶浆粕的叩解度达到60-75°。该研磨处理可以采用盘磨机等工具，研磨的次数可以是多次，如1-3次，直至芳纶浆粕的叩解度达到60-75°。
另外，上述芳纶纤维浆料、芳纶浆粕浆料的配制过程中，其溶剂可以采用水。当然也可能根据需要，采用其他溶剂。只要是将其芳纶纤维、芳纶浆粕配制成浆料的溶剂均在本发明实施例公开的范围。
在一实施例中，将芳纶纤维浆料与芳纶浆粕浆料与分散剂混合所形成的芳纶浆料浓度可以通过芳纶纤维浆料与芳纶浆粕浆料的浓度加以控制，如在一实施例中，该芳纶纤维浆料的质量浓度可以控制在1.5％-2％，具体的如1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2.0％等。在另一实施例中，该芳纶浆粕浆料的质量浓度可以控制在1％-1.5％，具体的如1％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％等。
通过控制上述芳纶纤维浆料和芳纶浆粕浆料的添加量，可以实现最终芳纶浆料的浓度。在最终的芳纶浆料中，芳纶纤维、芳纶浆粕的质量比控制在1：(0.2-3)。该质量比的芳纶纤维、芳纶浆粕浆料，一方面能将芳纶浆料的浓度控制在最佳适于涂层工艺的浓度，以提高涂层的质量，并能使得芳纶纤维、芳纶浆粕与玻璃毡基体互相渗透，另一方面能够提高复合片材的物理性能。
在配制芳纶浆料的过程中，为了使得芳纶纤维和芳纶浆粕能够均匀分散，还添加有分散剂，在一实施例中，该分散剂的添加量可以控制在0.001-0.1％。其中，该分散剂可以选用聚氧化乙烯、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基溴化铵等。
上述步骤S02中，在一实施例中，将所述芳纶浆料在玻璃毡上形成一复合芳纶涂层的方法为：利用抄纸机将所述芳纶浆料涂覆在所述玻璃毡表面上，以在所述玻璃毡表面上形成一复合芳纶涂层。其中，在一实施例中，该玻璃毡表面上形成的芳纶涂层的量满足：在最终成品中，所述复合芳纶层的厚度为0.1-1mm。通过控制芳纶浆料在玻璃毡表面上涂覆量，以实现控制最终成品芳纶-玻璃纤维复合片材中复合芳纶层的量，从而使得芳纶-玻璃纤维复合片材相应机械性能和结构牢固性能的提高。
上述步骤S02中压轧、收卷处理可以采用常规的压轧、收卷处理工艺处理。为了使得芳纶浆料与玻璃毡的充分贯穿渗透，在一实施例中，该烘干处理包括一烘和二烘处理的过程中，其中，一烘处理的温度控制在60-80℃，二烘处理的温度控制在80-100℃。在进一步实施例中，通过一烘和二烘处理的时间控制，使得芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸中的溶剂如水含量控制在90-98°。
上述步骤S03中，在对芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸进行加压成型处理之前，还包括放卷、导向辊、预热处理等步骤，该前期的放卷、导向辊、预热处理等步骤均可以按照本领域常规的处理即可。
芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸在加压成型处理过程中，经过加压热轧，形成与玻璃毡表面的芳纶层中的芳纶纤维和芳纶浆粕软化和融化，使得芳纶纤维之间，芳纶纤维、芳纶浆粕与玻璃纤维之间，以及玻璃纤维之间相互粘合和贯穿，实现三者之间的互相作用，最终实现芳纶-玻璃纤维复合片材优异相应机械性能和牢固特定的目的。因此，在一实施例中，芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸于220-300℃下加压的压力控制在1MPa-50MPa。在一些具体实施例中，该加压成型的温度可以是230±5℃、250±5℃、280±5℃、290±5℃等。
理所当然地，步骤S03经过加压成型后，还包括冷却辊冷却，切边、整形和收卷处理等步骤。
上述芳纶-玻璃纤维复合片材制备方法将芳纶纤维与芳纶浆粕的混合浆料涂覆在玻璃毡表面上，随着芳纶纤维与浆粕均匀的复合在玻璃纤维毡上，芳纶会贯穿玻璃纤维毡，在加压成型时随着芳纶纤维的软化和融化，使得芳纶纤维之间，芳纶纤维、芳纶浆粕与玻璃纤维之间，以及玻璃纤维之间相互粘合和贯穿，避免芳纶纤维和玻璃纤维复合时需要加入其他粘结剂，也简化了制造工艺，显著降低了其生产成本，也使得产品性能稳定，合格率高。并使得最终成品的拉伸强度和弯曲强度等机械性能和牢固性能高，其表面相对光滑。
现以具体芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法为例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
一种芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法。该芳纶-玻璃纤维复合片材制备方法步骤如下：
S11.将长为6mm的1313芳纶短纤维配成1.5％的分散液，高速分散制成1313芳纶纤维浆料；
将原始叩解度为45°的1313芳纶浆粕配成1.5％的分散液，通过盘磨机盘磨2次后，叩解度达到65°，制备成1313芳纶浆粕浆料；
将所述1313芳纶纤维浆料和所述1313芳纶浆粕浆料混合后加入分散液调配成芳纶浆料。其中，芳纶浆料中，1313芳纶纤维与1313芳纶浆粕的质量比为1：0.2；分散剂的添加量为0.001％，分散剂选用聚氧化乙烯；
S12.将步骤S11配制的芳纶浆料通过玻璃纤维毡，经过滤、压轧、一烘、二烘和收卷即可得到芳纶-玻璃纤维毛坯纸。一烘温度控制在65℃，二烘温度控制在95℃，毛坯纸的水含量控制在96°；
S13.将芳纶纤维毛坯纸通过放卷、导向辊、预热、加压热轧、冷却、切边、整形和收卷即可得到芳纶-玻璃纤维复合片材。其中，在加压热轧处理过程中，温度为280℃，热轧速度为15米/分钟，热轧压力为20MPa；芳纶浆料所形成的复合芳纶层的厚度是0.3mm。
将本实施例1制备的芳纶-玻璃纤维复合片材按照相应标准进行拉伸强度和弯曲强度测试。测试结果为：此复合片材的拉伸强度为250MPa，弯曲强度为340MPa。而且表面无毛丝，断面过度层厚，纤维结合紧密，无明显分离现象，芳纶层与玻璃层不能剥离。
实施例2
一种芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法。该芳纶-玻璃纤维复合片材制备方法步骤如下：
S21.将长为6mm的1414芳纶短纤维配成1.5％的分散液，高速分散制成1414芳纶纤维浆料；
将原始叩解度为45°的1414芳纶浆粕配成1.5％的分散液，通过盘磨机盘磨2次后，叩解度达到65°，制备成1414芳纶浆粕浆料；
将所述1414芳纶纤维浆料和所述1414芳纶浆粕浆料混合后加入分散液调配成芳纶浆料。其中，芳纶浆料中，1414芳纶纤维与1414芳纶浆粕的质量比为1：3；分散剂的添加量为0.01％，分散剂选用十二烷基苯磺酸钠；
S22.将步骤S21配制的芳纶浆料通过玻璃纤维毡，经过滤、压轧、一烘、二烘和收卷即可得到芳纶-玻璃纤维毛坯纸。一烘温度控制在65℃，二烘温度控制在95℃，毛坯纸的水含量控制在96°；
S13.将芳纶纤维毛坯纸通过放卷、导向辊、预热、加压热轧、冷却、切边、整形和收卷即可得到芳纶-玻璃纤维复合片材。其中，在加压热轧处理过程中，温度为280℃，热轧速度为15米/分钟，热轧压力为50MPa；芳纶浆料所形成的复合芳纶层的厚度是0.1mm。或者该复合芳纶层与玻璃毡基体的重量比是多少。
将本实施例2制备的芳纶-玻璃纤维复合片材按照相应标准进行拉伸强度和弯曲强度测试。测试结果为：此复合片材的拉伸强度为220MPa，弯曲强度为280MPa。而且表面无毛丝，断面过度层厚，纤维结合紧密，无明显分离现象，芳纶层与玻璃层不能剥离。
实施例3
一种芳纶-玻璃纤维复合片材及其制备方法。该芳纶-玻璃纤维复合片材制备方法步骤如下：
S31.将长为6mm的1313芳纶短纤维配成1.5％的分散液，高速分散制成1414芳纶纤维浆料；
将原始叩解度为45°的1313芳纶浆粕配成1.5％的分散液，通过盘磨机盘磨2次后，叩解度达到65°，制备成1313芳纶浆粕浆料；
将所述1313芳纶纤维浆料和所述1313芳纶浆粕浆料混合后加入分散液调配成芳纶浆料。其中，芳纶浆料中，1313芳纶纤维与1313芳纶浆粕的质量比为1：1；分散剂的添加量为0.1％，分散剂选用十六烷基溴化铵；
S32.将步骤S31配制的芳纶浆料通过玻璃纤维毡，经过滤、压轧、一烘、二烘和收卷即可得到芳纶-玻璃纤维毛坯纸。一烘温度控制在65℃，二烘温度控制在95℃，毛坯纸的水含量控制在96°；
将本实施例3制备的芳纶-玻璃纤维复合片材按照相应标准进行拉伸强度和弯曲强度测试。测试结果为：此复合片材的拉伸强度为140MPa，弯曲强度为230MPa。而且表面有明显玻璃毛丝，断面过度层很薄，两种纤维间有明显的分界面，芳纶层与玻璃层能剥离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种芳纶-玻璃纤维复合片材，其包括玻璃毡基体和结合在所述玻璃毡基体表面的复合芳纶层，所述复合芳纶层包括互相混合的芳纶纤维、芳纶浆粕的质量比为1：(0.2-3)。
2.根据权利要求1所述的芳纶-玻璃纤维复合片材，其特征在于：所述复合芳纶层的厚度是0.1-1mm。
3.根据权利要求1或2所述的芳纶-玻璃纤维复合片材，其特征在于：所述芳纶纤维选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、杂环类芳香族聚酰胺纤维中的一种或两种以上的混合物；和/或所述芳纶浆粕选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维浆粕、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维浆粕、杂环类芳香族聚酰胺纤维浆粕中的一种或两种以上的混合物。
4.一种芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，包括如下步骤：
将芳纶纤维浆料与芳纶浆粕浆料与分散剂混合，形成芳纶浆料；其中，在所述芳纶浆料中，所述芳纶纤维、芳纶浆粕的质量比为1：(0.2-3)；
将所述芳纶浆料在玻璃毡上形成一复合芳纶层，经压轧、烘干和收卷处理得到芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸；
将所述芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸于220-300℃下加压成型。
5.根据权利要求4所述的芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，其特征在于：将所述芳纶浆料在玻璃毡上形成一复合芳纶涂层的方法为：利用抄纸机将所述芳纶浆料涂覆在所述玻璃毡表面上，以在所述玻璃毡表面上形成一复合芳纶涂层。
6.根据权利要求4所述的芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，其特征在于：在将所述芳纶-玻璃纤维复合毛坯纸于220-300℃下加压成型的过程中，所述加压成型的线压力为1MPa-50MPa。
7.根据权利要求4-6任一所述的芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，其特征在于：所述芳纶浆料的质量浓度为1.5％-2％；所述芳纶浆粕浆料的叩解度为50-70°。
8.根据权利要求4-6任一所述的芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，其特征在于：所述芳纶浆料在玻璃毡上形成一复合芳纶涂层的量满足：经所述加压成型后的所述的芳纶-玻璃纤维复合片材中，所述复合芳纶涂层的厚度0.1-1mm。
9.根据权利要求4-6任一所述的芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，其特征在于：所述烘干处理一烘和二烘处理的过程中，其中，所述一烘处理的温度控制在60-80℃，所述二烘处理的温度控制在80-100℃。
10.根据权利要求4-6任一所述的芳纶-玻璃纤维复合片材的制备方法，其特征在于：所述芳纶纤维选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维、杂环类芳香族聚酰胺纤维中的一种或两种以上的混合物；和/或
所述芳纶浆粕选用聚间苯二甲酰间苯二胺纤维浆粕、聚对苯二甲酰对苯二胺纤维浆粕、杂环类芳香族聚酰胺纤维浆粕中的一种或两种以上的混合物。
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