CN102886902A - 一种改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的制备方法，采用二次热压成型方法制备纤维布增强热塑性复合材料。其中包括单层片材的制备和多个单层片材的叠加复合，所述单层为纤维质量含量为30～80%，排列方式为纤维布/树脂基体/纤维布的一个三层叠加后在2～10MPa条件下热压制得，所述多个单层片材的叠加为每一单层片材顺序叠层后于温度290～400℃和10～40MPa条件下压制成型，该复合材料具有很好的浸渍效果和机械性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法，属于高分子材料加工技术领域。
背景技术
纤维增强聚合物基复合材料以其比强度和比模量高等优势已广泛应用于汽车、航天航空及军工等领域，纤维增强热塑性复合材料以其工艺简单、可进行补塑修复和焊接、可回收利用等特点而日益收到人们的重视。但是，相比于热固性复合材料而言热塑性复合材料的发展之所以长期滞后，主要是因为热塑性树脂基体粘度普遍很高（比热固性树脂高2～3个数量级），导致增强纤维难于得到充分浸渍，界面结合强度低，从而影响材料的性能。如传统纤维布增强复合材料热压成型方法如公开号为CN101913276A和CN200710050008.9所述，分别采用聚芳醚腈树脂和聚苯硫醚树脂与纤维布经交替层叠、一次热压成型制备而成。已知方法的缺点在于该方法制的复合材料中树脂并不能很好的浸渍纤维布，对于粘度较高的树脂来说浸渍效果会更差。
通常我们改善树脂对纤维布浸渍和粘结效果的途径为降低树脂粘度或缩短扩散路径。降低树脂粘度往往需要提高温度，添加其它溶剂（小分子增塑剂）或实现剪切流动等。已知方法的缺点在于，提高温度能够在一定程度上降低树脂的粘度，但其对粘度降低的程度随着树脂种类的不同而有很大差异，且较高加工温度不但对设备要求较高，还会对树脂基体造成一定的破坏；添加其它溶剂会引入一些杂质，在一定程度上破坏复合体系原本的特性；实现剪切流动对热压成型来说实现较困难，且对设备要求很高。缩短扩散路径，增大有效表面积的方法很多，如混纺工艺法、流化床法等。公开号为CN1315463的专利采用树脂和/或改性树脂、增强纤维经混纺、挤拉、缠绕成型、模压等工艺加工而成，该方法制备的复合材料中树脂能够较好的浸渍纤维，但是该方法的缺点在于其需要额外增加一道树脂与纤维混纺的工序，一方面对设备要求较高，另一方面工序比较复杂，对树脂的可纺性有较高的要求，即对该方法的普适性有一定程度限制。除此之外，以上采用传统方法制备的纤维布增强聚合物基复合材料中的气体很难排出，导致所得复合材料中存在很多缺陷，最终致使材料性能很难保证。
公开号为CN1708392A的专利采用单向取向的高度拉伸的聚乙烯增强纤维以至多30%（质量含量）的聚合物基体材料作为一单层预浸料，然后将相邻单层纤维旋转叠加形成多个单层的叠层后热压成型，该方法用来制备高性能防弹模制件。已知方法的缺点在于其需要一种额外预浸渍的设备来实现单向取向单层纤维预浸料的制备，对设备有较高要求。
发明内容
本发明的的目的是针对现有技术的不足而提供一种改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的制备方法，其特点是为了解决现有制备纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果差的缺陷，通过二次热压成型的方法制备纤维布增强树脂基复合材料。该方法制备的纤维布增强热塑性复合材料具有浸渍效果好和机械性能高的特性，广泛用于航空航天、汽车机械领域。
本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外均为重量份数。
改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法包括以下步骤：
(1)、将热塑性树脂或其共混物在温度100℃～150℃烘箱中干燥6h～8h；取干燥物料100份，偶联剂1-10份，在螺杆挤出机熔融挤出后经三辊压光机定型得到共混物膜片；
(2)、将上述膜片与纤维布以B层/A层/B层的顺序叠层形成单层，其中A层为上述膜片，B层为增强纤维布；
(3)、将上述叠层在温度290℃～400 ℃和2MPa～10MPa条件下进行一次热压2min～10min制得纤维布增强聚合物基单层片材预浸料；
(4)、将上述单层片材预浸料裁成需要尺寸后叠加形成复合叠层，于温度290℃～400℃和10MPa～40MPa条件下进行二次热压10min～30min，获得高性能纤维布增强热塑性复合材料。
所述热塑性树脂为聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酰己二胺(PA6T)、聚对苯二甲酰癸二胺(PA10T)或其共混物中的任一种。
所述纤维布为玻璃纤维布、碳纤维布、石英纤维布、玄武岩纤维布或芳纶纤维布中的任一种。
所述纤维布与树脂基体间采用偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550), γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560), γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)或γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)中的任一种。
所述聚合物基体形态为片材或薄膜。
所述纤维布增强聚芳硫醚砜与聚苯硫醚复合材料用于航空航天、汽车机械领域。
性能测试：
1、采用扫描电子显微镜（SEM）对纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果与界面粘结作用表征如图2所示。
结果表明：相比于传统热压成型方法，本发明采用二次热压成型方法制备的纤维布增强热塑性复合材料具有优异浸渍效果与界面粘结作用。
2、采用GB/T 1447-2005、GB/T 1449-2005和GB/T 1451-2005标准对纤维布增强热塑性复合材料机械性能的测试如表1～5所示。
结果表明：相比于传统热压成型方法，本发明采用二次热压成型方法制备的纤维布增强热塑性复合材料具备更加优异的机械性能。
与现有技术相比，本发明还具有如下优点：
1、本发明采用二次热压成型方法，其中一次热压过程中采用纤维布/树脂/纤维布顺序叠层的优势在于树脂能够在热压的作用下从两层纤维布中间向其表面流动，缩短了树脂在浸渍过程中的流动路径，极大改善了复合材料的浸渍效果，进而提高了其机械性能。
2、本发明在改进复合材料浸渍效果的同时增加了复合体系中纤维的含量，利于复合材料机械性能的提高。
3、本发明引入了相容剂，在改善了复合材料浸渍效果的同时改善了纤维布与树脂基体的界面粘结性能。
附图说明
图1 为二次热压成型纤维布增强复合材料示意图
图2 为不同方法制备玻纤布/PPS（80/20）复合材料冲击断面形貌
图2A为传统热压成型方法制备的复合材料冲击断面形貌，放大倍数为40倍
图2a为传统热压成型方法制备的复合材料冲击断面形貌，放大倍数为200倍
图2B为本发明方法制备的复合材料冲击断面形貌，放大倍数为40倍
图2b为本发明方法制备的复合材料冲击断面形貌，放大倍数为200倍
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整。
实施例1
（1）将PPS在100℃下烘干后与KH550按质量比100：1量取，采用单螺杆挤出机在 温度290℃熔融挤出，经三辊压光机定型得到PPS膜片；
（2）将上述膜片与纤维布以B层/A层/B层的顺序叠层形成单层，其中A层为上述膜片，B层为玻璃纤维布；将该叠层在温度290℃和10MPa条件下进行一次热压10min制得纤维布增强聚合物基单层片材预浸料；
（3）将上述单层片材预浸料裁成需要尺寸后叠加形成复合叠层，于温度290℃和40MPa条件下进行二次热压30min，获得玻璃纤维含量为80%的玻璃纤维布/PPS复合材料；
（4）将上述膜片与玻璃纤维布采用传统一次热压成型方法于温度290℃和40MPa条件下热压30min制得玻璃纤维含量为80%的玻纤布/PPS复合材料。
结果表明相比于传统一次热压成型方法制得复合材料，本发明方法制备复合材料性能得到明显改善。图2为采用不同方法制备复合材料冲击断面SEM图片，图2A和图2a，图2B和图2b分别为传统一次热压成型方法和本发明方法制得玻纤布增强PPS复合材料断面的SEM。从图2A和图2a中可以明显看出传统方法制备复合材料纤维成束存在，且纤维束内部几乎没有树脂浸渍；拔出纤维尺寸很大，表面粘结树脂量很少，纤维与树脂间孔洞非常明显；说明传统加工方法制得纤维布增强复合材料中树脂对纤维布的浸渍效果很差，且其界面粘结效果也很差；由图2B和图2b采用本发明方法制得复合材料纤维束分散在树脂基体中；拔出纤维尺寸很小，表面树脂粘结量很多，纤维与树脂间没有明显孔洞；说明采用本发明方法制得纤维布增强复合材料中树脂对纤维布的浸渍效果很好，且其界面粘结效果也有很大程度提高。
表1为传统方法与本发明方法制得玻璃纤维布/PPS复合材料机械性能对比，相比于传统一次热压成型方法制得复合材料，该材料机械性能得到明显改善。
表1不同方法制备玻纤布/PPS（80/20）复合材料机械性能
实施例2
（1）将PPS在120℃下烘干后与KH560按质量比100：3量取，采用单螺杆挤出机在温度300℃熔融挤出后经三辊压光机定型得到PPS膜片；
（2）将上述膜片与纤维布以B层/A层/B层的顺序叠层形成单层，其中A层为上述膜片，B层为玄武岩纤维布；将该叠层在温度300℃和8MPa条件下进行一次热压8min制得纤维布增强聚合物基单层片材预浸料；
（3）将上述单层片材预浸料裁成需要尺寸后叠加形成复合叠层，于温度300℃和35MPa条件下进行二次热压25min，获得玄武岩纤维含量为75%的玄武岩纤维布/PPS复合材料；
（4）将上述膜片与玄武岩纤维布采用传统一次热压成型方法于温度300℃和35MPa条件下热压25min制得玄武岩纤维含量为75%的玄武岩纤维布/PPS复合材料。
表2为传统方法与本发明方法制得玄武岩纤维布/PPS复合材料机械性能对比，相比于传统一次热压成型方法制得复合材料，该材料机械性能得到明显改善。
表2不同方法制备玄武岩纤维布/PPS(75/25)复合材料机械性能
实施例3
（1）将PPS和PA10T在130℃下烘干后与KH560按质量比50：50：5量取，采用单螺杆挤出机在温度350℃熔融挤出后经三辊压光机定型得到PPS/PA10T膜片；
（2）将上述膜片与纤维布以B层/A层/B层的顺序叠层形成单层，其中A层为上述膜片，B层为碳纤维布；将该叠层在温度350℃和5MPa条件下进行一次热压5min制得纤维布增强聚合物基单层片材预浸料；
（3）将上述单层片材预浸料裁成需要尺寸后叠加形成复合叠层，于温度350℃和30MPa条件下进行二次热压20min，获得碳纤维含量为60%的碳纤维布/PPS/PA10T复合材料；
（4）将上述膜片与碳纤维布采用传统一次热压成型方法于温度350℃和30MPa条件下热压20min制得碳纤维含量为60%的碳纤维布/PPS/PA10T复合材料。
表3为传统方法与本发明方法制得碳纤维布/PPS/PA10T复合材料机械性能对比，相比于传统一次热压成型方法制得复合材料，该材料机械性能得到明显改善。
表3不同方法制备碳纤维布/PPS/PA10T(60/20/20)复合材料机械性能
实施例4
（1）将PA10T在140℃下烘干后与KH570按质量比100：8量取，采用单螺杆挤出机在温度350℃熔融挤出后经三辊压光机定型得到PA10T膜片；
（2）将上述膜片与纤维布以B层/A层/B层的顺序叠层形成单层，其中A层为上述膜片，B层为芳纶纤维布；将该叠层在温度350℃和3MPa条件下进行一次热压4min制得纤维布增强聚合物基单层片材预浸料；
（3）将上述单层片材预浸料裁成需要尺寸后叠加形成复合叠层，于温度350℃和20MPa条件下进行二次热压15min，获得芳纶纤维含量为50%的芳纶纤维布/PA10T复合材料；
（4）将上述膜片与芳纶纤维布采用传统一次热压成型方法于温度350℃和20MPa条件下热压15min制得芳纶纤维含量为50%的芳纶纤维布/PA10T复合材料。
表4为传统方法与本发明方法制得芳纶纤维布/PA10T复合材料机械性能对比，相比于传统一次热压成型方法制得复合材料，该材料机械性能得到明显改善。
表4不同方法制备芳纶纤维布/PA10T(50/50)复合材料机械性能
实施例5
（1）将PA6T在150℃下烘干后与KH590按质量比100：10量取，采用单螺杆挤出机在温度390℃熔融挤出，经三辊压光机定型得到PA6T膜片；
（2）将上述膜片与纤维布以B层/A层/B层的顺序叠层形成单层，其中A层为上述膜片，B层为石英纤维布；将该叠层在温度400℃和2MPa条件下进行一次热压2min制得纤维布增强聚合物基单层片材预浸料；
（3）将上述单层片材预浸料裁成需要尺寸后叠加形成复合叠层，于温度400℃和10MPa条件下进行二次热压10min，获得石英纤维含量为30%的石英纤维布/PA6T复合材料；
（4）将上述膜片与石英纤维布采用传统一次热压成型方法于温度400℃和10MPa条件下热压10min制得石英纤维含量为30%的石英纤维布/PA6T复合材料。
表5为传统方法与本发明方法制得石英纤维布/PA6T复合材料机械性能对比，相比于传统一次热压成型方法制得复合材料，该方法制的复合材料机械性能得到明显改善。
表5不同方法制备石英纤维布/PA6T（30/70）复合材料机械性能
Claims (7)
1.一种改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）将热塑性树脂或其共混物在温度100℃～150℃烘箱中干燥6h～8h；取干燥物料100份，偶联剂1-10份，在螺杆挤出机熔融挤出后经三辊压光机定型得到共混物膜片；
（2）将上述膜片与纤维布以B层/A层/B层的顺序叠层形成单层，其中A层为上述膜片，B层为增强纤维布；
（3）将上述叠层在温度290℃～400 ℃和2MPa～10MPa条件下进行一次热压2min～10min制得纤维布增强聚合物基单层片材预浸料；
（4）将上述单层片材预浸料裁成需要尺寸后叠加形成复合叠层，于温度290℃～400℃和10MPa～40MPa条件下进行二次热压10min～30min，获得高性能纤维布增强热塑性复合材料。
2.根据权利要求1所述改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法，其特征在于热塑性树脂为聚苯硫醚、聚对苯二甲酰己二胺、聚对苯二甲酰癸二胺或其共混物中的任一种。
3.根据权利要求1所述改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法，其特征在于纤维布为玻璃纤维布、碳纤维布、石英纤维布、玄武岩纤维布或芳纶纤维布中的任一种。
4.根据权利要求1所述改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法，其特征在于纤维布与树脂基体间采用偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷, γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷, γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷或γ-巯丙基三甲氧基硅烷中的任一种。
5.根据权利要求1所述改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法，其特征在于所用聚合物基体形态为片材或薄膜。
6.根据权利要求1～5之一所述改善纤维布增强热塑性复合材料浸渍效果的方法制备得到的纤维布增强热塑性复合材料。
7.根据权利要求6所述纤维布增强热塑性复合材料用于航空航天、汽车机械领域。
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