CN111873234A - 一种超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，包括带微锥孔阵列特征金属模具加工、带微锥形突起阵列特征的开纤板翻制、超薄纤维布初次开纤、基体树脂粉末振动撒粉、二次开纤、初次翻转匀粉、二次翻转换模、真空加热熔融和热压成型。在金属模具表面加工出阵列锥形孔，利用高性能热塑性PEEK树脂薄板，翻制出带微锥形突起阵列特征的开纤板，实现对超薄连续增强纤维布的充分开纤，开纤效果好；配合流量可控的三坐标可移动漏嘴和开纤板的两次高频低幅振动撒粉，实现基体树脂粉末在增强纤维布内部的均匀分布，有效解决了熔融态树脂基体深入连续纤维束内部难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料制备领域，具体地，涉及一种超薄连续纤维增强热塑性树脂基体预浸料的制备方法。
背景技术
近年来，连续纤维增强热塑性树脂基体预浸料因其具有高比强度、高比刚度、低密度等特性，引起了汽车、船舶、轨道交通等领域的广泛关注。对于连续纤维增强热塑性预浸料，特别是超薄预浸料而言，连续纤维在树脂基体中的分布均匀性以及树脂基体对连续纤维的浸渗效果，将直接影响所制得复合材料构件的力学性能稳定性及服役安全性。
一方面，在整个连续纤维增强热塑性预浸料的制备过程中，与纤维分布均匀性直接相关的工艺环节就是纤维束开纤。目前常用的纤维开纤方式主要有：气流开纤法、罗拉开纤法以及气流罗拉混合开纤法。其中，气流开纤法是通过高压空气将碳纤维束自然分开，该方法的优点是气体作用力小，单丝纤维断裂少，但是目前常用的增强纤维基于集束和界面改善的目的，都使用了上胶剂，使得纤维束分离难度大，开纤效果不理想。而罗拉开纤法属于机械式开纤，能够减轻上胶剂的影响，但是其开纤效果受牵引张力、罗拉直径、纤维束与罗拉接触角等诸多因素的影响，开纤效果不稳定。因此，寻求一种更为高效、稳定的连续纤维开纤方式，对保证超薄连续纤维热塑性预浸料的质量具有至关重要的意义。
另一方面，因热塑性树脂基体熔融温度高、粘度大、流动性差等特点，使得现有基于熔融浸渗法制得的连续纤维预浸料中，树脂基体很难浸入纤维束内部的纤维丝之间，形成理想浸渗，从而影响连续纤维增强热塑性预浸料的性能。为解决这一问题，中国专利(CN105885072)给出了一种单向连续纤维增强树脂基复合材料预浸料的制备方法，通过相转化法制备包含有树脂基体粉末及可溶性粘结剂的悬浊液用于纤维束的浸渍，纤维束浸渍后进行排布，将溶剂蒸干后收卷制得预浸料。该方法虽然在很大程度上避免了熔融态树脂粘度大、流动性差等问题，但对悬浊液配置要求较高，且由于树脂基体粉末未经熔融，制成的预浸料中纤维与树脂基体间的界面结合强度较低。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，有效解决了熔融态树脂基体深入连续纤维束内部难的问题。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，包括如下步骤：带微锥孔阵列特征金属模具加工、带微锥形突起阵列特征的开纤板翻制、超薄纤维布初次开纤、基体树脂粉末振动撒粉、二次开纤、初次翻转匀粉、二次翻转换模、真空加热熔融和热压成型。
进一步，所述带微锥孔阵列特征金属模具利用激光打孔，在金属模具表面加工出阵列锥形孔。
更进一步，所述阵列锥形孔的直径、行数、列数由开纤程度确定，所述阵列锥形孔的深度由所制备预浸料厚度确定。
进一步，所述微锥形突起阵列特征开纤板的翻制，具体为：将高性能热塑性PEEK树脂薄板平放于所述金属模具后，加热至PEEK材料熔融温度后，加压使熔融态PEEK树脂流入金属模具的阵列微锥孔中，待PEEK树脂冷却凝固后，将PEEK树脂从金属模具表面剥离，翻制出带微锥形突起阵列特征的上开纤板和下开纤板。
更进一步，所述超薄纤维布初次开纤，具体过程为：将超薄纤维布在张紧状态下，勒入下开纤板带微锥形突起阵列的一面，使微锥形突起阵列在纤维布中形成密集的钉扎。
更进一步，所述基体树脂粉末振动撒粉，具体为：将预浸料的基体树脂粉末，均匀地撒向经过初次开纤的增强纤维布，同时通过振动电机带动下开纤板做高频低幅振动。
更进一步，所述二次开纤是在撒粉后的初次开纤纤维布上方，放置上开纤板，保持上、下开纤板表面的突起错开并下压，进行二次开纤。
更进一步，所述初次翻转匀粉，具体为：将上、下开纤板及夹在中间的纤维布一起翻转180°后，移开下开纤板，再将预浸料的基体树脂粉末均匀撒向增强纤维布表面，同时保持上开纤板做高频低幅振动。
更进一步，所述二次翻转换模是在匀粉后的纤维布上，放置光滑金属平板上模，再180°反向翻转，移除上开纤板，在纤维布另一面上放置光滑金属平板下模，完成换模。
更进一步，所述真空加热熔融和热压成型时，金属平板上模、金属平板下模之间放置有调隙片。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
本发明利用激光打孔的方式，在金属模具表面加工出阵列锥形孔，利用高性能热塑性PEEK树脂薄板，翻制出带微锥形突起阵列特征的开纤板，实现对超薄连续增强纤维布的充分开纤，开纤效果好；配合流量可控的三坐标可移动漏嘴和开纤板的两次高频低幅振动撒粉，实现基体树脂粉末在增强纤维布内部的均匀分布，有效解决了熔融态树脂基体深入连续纤维束内部难的问题。本发明在超薄预浸料热压成型时，还通过光滑金属平板上模、下模之间设置调隙片，来控制所制备超薄连续纤维增强热塑性预浸料的厚度。
附图说明
图1为本发明所述超薄连续纤维增强热塑性预浸料制备工艺原理图。
图中：1.铝制薄板、2.金属模具、3.热塑性PEEK树脂薄板、4.下开纤板、5.3K单向碳纤维、6.初次开纤纤维束、7.三坐标可移动漏嘴、8.基体树脂粉末、9.振动电机、10.上开纤板、11.二次开纤纤维束、12.金属平板上模、13.金属平板下模、14.超薄预浸料。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明一种超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤(1)，利用激光打孔的方式，通过控制激光频率20KHz、激光功率16W、光斑直径
冲击次数20次等参数，在长宽为100mm×100mm，厚度为1mm的1050-H14铝制薄板1表面加工出30行×30列、直径为0.8mm、深度为1mm的阵列锥形孔，制取带微锥孔阵列特征的金属模具2，其中阵列锥形孔的直径、行数、列数由开纤程度确定，而阵列锥形孔的深度由所制备预浸料厚度确定。
步骤(2)，在金属模具2带微锥孔阵列特征的一面喷涂脱模剂，将耐热的高性能热塑性PEEK树脂薄板3(厚度为1mm)平放于带微锥孔阵列特征的金属模具2上后，放入真空加热炉中加热至PEEK材料熔融温度(343℃)后，利用压力机加压使熔融态的PEEK树脂流入金属模具2上的阵列锥形孔中，待PEEK树脂冷却凝固后，将其从金属模具2上剥离，重复上述过程，翻制出带微锥形突起阵列特征的上开纤板10和下开纤板4。
步骤(3)，将超薄连续增强纤维布张紧后，快速勒入下开纤板4带微锥形突起阵列的一面，使这些微锥形突起阵列在纤维布中形成密集的钉扎效果，实现对连续纤维束的初次开纤，得到初次开纤纤维束6。本实施例中纤维布优选为0.22mm厚的3K单向碳纤维布5，也可以更换为其他型号，还可以使用双向碳纤维布。
步骤(4)，利用流量可控的三坐标可移动漏嘴7，将预浸料的基体树脂粉末8，均匀地撒向初次开纤纤维束6，同时通过振动电机9带动下开纤板4做高频低幅振动，使基体树脂粉末8下沉至连续纤维束内部，实现基体树脂粉末的8振动撒粉。
步骤(5)，在振动撒粉后的初次开纤纤维束6上方，放置带微锥形突起阵列的上开纤板10，使其带微锥型突起的一面面向初次开纤纤维束6，同时保持下开纤板4与上开纤板10表面的突起错开，随后下压，进行二次开纤，得到二次开纤纤维束11。
步骤(6)，将上开纤板10、下开纤板4，连同夹在中间的二次开纤纤维束11一起翻转180°，此时，上开纤板10位于二次开纤纤维束11下方，下开纤板4位于上方，随后，移除下开纤板4，利用流量可控的三坐标可移动漏嘴7，再次将预浸料的基体树脂粉末8，均匀撒向二次开纤纤维束11表面，同时保持翻转至下面的上开纤板10做高频低幅振动(由振动电机9带动)，实现匀粉。
步骤(7)，在经过匀粉后的二次开纤纤维束11上面，放置涂抹了耐高温脱模剂(JD-3028氮化硼)的光滑金属平板上模12，二次翻转后，金属平板上模12位于二次开纤纤维束11下方，上开纤板10回到二次开纤纤维束11上方，随后，移除上开纤板10，并在二次开纤纤维束11的上方放置涂抹了耐高温脱模剂(JD-3028氮化硼)的光滑金属平板下模13，完成换模。
步骤(8)，将金属平板上模12、金属平板下模13，连同夹在中间的、撒了基体树脂粉末8的二次开纤纤维束11，一起转移至真空加热炉中，加热至预浸料基体树脂的熔融温度后，快速转移至压力机进行热压成型，为保证超薄预浸料厚度要求，金属平板上模12、金属平板下模13之间须放置调隙片调节厚度，冷却脱模后，即制得单向连续碳纤维热塑性超薄预浸料14。
以上所述仅为本发明的一个实施例，以便有助于本领域技术人员进一步理解本发明，不以任何形式限制本发明。在不脱离本发明构思前提下，对本发明所做的各种非实质性改进和替换，如所使用开纤板材料、树脂基体、增强连续纤维种类及编织方法改变和拓展等，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：带微锥孔阵列特征金属模具加工、带微锥形突起阵列特征的开纤板翻制、超薄纤维布初次开纤、基体树脂粉末振动撒粉、二次开纤、初次翻转匀粉、二次翻转换模、真空加热熔融和热压成型。
2.根据权利要求1所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述带微锥孔阵列特征金属模具利用激光打孔，在金属模具表面加工出阵列锥形孔。
3.根据权利要求2所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述阵列锥形孔的直径、行数、列数由开纤程度确定，所述阵列锥形孔的深度由所制备预浸料厚度确定。
4.根据权利要求1所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述微锥形突起阵列特征开纤板的翻制，具体为：将高性能热塑性PEEK树脂薄板平放于所述金属模具后，加热至PEEK材料熔融温度后，加压使熔融态PEEK树脂流入金属模具的阵列微锥孔中，待PEEK树脂冷却凝固后，将PEEK树脂从金属模具表面剥离，翻制出带微锥形突起阵列特征的上开纤板和下开纤板。
5.根据权利要求4所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述超薄纤维布初次开纤，具体过程为：将超薄纤维布在张紧状态下，勒入下开纤板带微锥形突起阵列的一面，使微锥形突起阵列在纤维布中形成密集的钉扎。
6.根据权利要求5所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述基体树脂粉末振动撒粉，具体为：将预浸料的基体树脂粉末，均匀地撒向经过初次开纤的增强纤维布，同时通过振动电机带动下开纤板做高频低幅振动。
7.根据权利要求6所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述二次开纤是在撒粉后的初次开纤纤维布上方，放置上开纤板，保持上、下开纤板表面的突起错开并下压，进行二次开纤。
8.根据权利要求7所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述初次翻转匀粉，具体为：将上、下开纤板及夹在中间的纤维布一起翻转180°后，移开下开纤板，再将预浸料的基体树脂粉末均匀撒向增强纤维布表面，同时保持上开纤板做高频低幅振动。
9.根据权利要求8所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述二次翻转换模是在匀粉后的纤维布上，放置光滑金属平板上模，再180°反向翻转，移除上开纤板，在纤维布另一面上放置光滑金属平板下模，完成换模。
10.根据权利要求9所述的超薄连续纤维增强热塑性预浸料的制备方法，其特征在于，所述真空加热熔融和热压成型时，金属平板上模、金属平板下模之间放置有调隙片。
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