CN105269835A - 热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，所述方法包括以下步骤：剪裁编织布、模具准备、铺层设计、冲压合模、注射树脂、保压固化、脱模取件、后处理及检验。本发明热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法集成了冲压成型工艺和注射成型工艺，可以根据成型零件的受力特点对编织布进行合理的铺层设计，编织布柔软成型性能好，可以成型复杂型面零件。通过在一定压力和温度下注射成型，保证热塑性树脂充分浸润于编织材料的缝隙中。
Description
技术领域
本发明涉及编织复合材料成型方法，特别涉及一种热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法。
背景技术
随着能源危机和环境危机的日益突出，汽车轻量化已经成为了汽车工业发展的必然选择。纤维增强复合材料具有比强度比模量高、耐高温、抗疲劳性好、可设计性强等优点，已经广泛应用于航天航空领域。目前，落后的成型工艺和不成熟的结构设计技术成为了先进纤维增强复合材料在汽车工业中大规模应用的瓶颈。
在现有技术中，常规的纤维增强复合材料成型方法主要有手糊成型、缠绕成型、拉挤成型、模压成型、袋压成型、注射成型和树脂传递模塑成型(RTM)等。
然而，这些成型方法具有各自的局限性：例如手糊成型效率低，只适合于小批量生产，且尺寸稳定性不易控制。缠绕成型和拉挤成型受限于成型零件形状和尺寸，只适合成型特定形状的零件。模压成型和袋压成型设备投资高，产品尺寸受设备限制。注射成型主要成型短纤维增强复合材料，不能成型长纤维增强复合材料。树脂传递模塑成型(RTM)将预成型和注射树脂分开进行，不便于自动化和连续性生产，影响生产和管理效率。同时，这些成型方法主要是针对热固性的环氧树脂，而且生产效率低，成型周期长。
环氧树脂基纤维增强复合材料废品不利于回收利用，有悖于可持续发展的要求，而热塑性树脂基复合材料可以很好的解决这一难题。热塑性树脂复合材料具有很多的优异性能，但是由于热塑性树脂的分子量大，粘度高，流动性差，浸润性差，利用现有的成型技术质量稳定性差，生产周期长，生产效率低，劳动强度大，产品尺寸受限，产品表面质量只能做到单面光。因此，有必要发展一种更适合于热塑性树脂基复合材料的成型方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中纤维增强复合材料成型方法的生产效率低，且成型周期长的缺陷，提供一种热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：
剪裁编织布：根据成型零件的几何形状和尺寸剪裁编织布；
模具准备：将模具上面残留的污垢打磨掉，进行酸化处理，去除铁锈；
铺层设计：根据零件的性能要求，将处理过的编织布按不同的角度铺设在准备好的所述模具上，并施加压边力；
冲压合模：启动压机，使凸模下行，成型编织布预制件；
注射树脂：在合模状态下，将配制好的熔融状态的树脂注射进模腔浸润编织布预制件；
保压固化：保持合模状态进行塑化；
脱模取件：将温度降低到60℃以下，所述凸模上行，从所述模具中取出制件；
后处理：在玻璃化温度和粘流温度之间进行退火处理，消除残余应力；
检验：通过目测和探伤设备对制件进行检验，检查孔隙率和气孔等缺陷，将废品进行回收利用。
较佳地，所述剪裁编织布的步骤中还包括以下步骤：
将剪裁的编织布涂上偶粘剂进行表面处理，增加与树脂的浸润性；然后在皂液或者有机溶液中进行清洗，除去偶粘剂的残留物；最后在80℃温度下预烘3min，在140℃-160℃条件下烘焙7min-15min，进而除去水分。
较佳地，所述模具准备步骤中还包括以下步骤：
利用10％氨水和皂液刷洗去除多余的盐酸和油污等杂质，在模具表面涂上脱模剂，并将模具放入烘箱预热，预热温度区间为(Tg-50)℃-(Tg-10)℃，其中Tg表示树脂玻璃化转变温度。
较佳地，所述铺层设计步骤中施加压边力的大小根据所述零件形状和铺层数量设置。
较佳地，所述冲压合模步骤中的合模时间为1-2s。
较佳地，所述注射树脂步骤中注射温度T为：Tf<T<Td，其中Tf和Td分别为树脂的粘流温度和热分解温度；注射压力为40MPa-130MPa；注射时间为10s-30s。
较佳地，所述注射树脂步骤中还包括以下步骤：
所述树脂为热塑性树脂，将树脂颗粒在(Tg-60)℃-(Tg-80)℃温度区间内进行烘焙干燥1h-2h，其中Tg表示树脂玻璃化转变温度；
将干燥过后的树脂、固化剂和添加剂按一定的配比进行配制；
将配比好的树脂加热到粘流温度和热分解温度区间内进行熔融，并对熔体进行除气和除杂处理，在通过注塑机注射进模具型腔，浸润编织布预制件。
较佳地，所述保压固化步骤中采用的塑化压力为6MPa-20MPa，保温时间为3min-5min。
较佳地，所述后处理步骤中的退火时间为1h-2h，且将边角溢料飞边切除，并对制件表面进行打磨抛光。
较佳地，所述剪裁编织布步骤中采用纤维编织布，所述纤维编织布的剪裁尺寸根据零件的具体几何尺寸和形状匹配。
本发明的积极进步效果在于：本发明热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法集成了冲压成型工艺和注射成型工艺，可以根据成型零件的受力特点对编织布进行合理的铺层设计，编织布柔软成型性能好，可以成型复杂型面零件。通过在一定压力和温度下注射成型，保证热塑性树脂充分浸润于编织材料的缝隙中。其还可以在没有预浸料的情况下完成热塑性树脂基编织复合材料的冲压注塑一体化成型，便于连续操作，能够大大提高生产效率，缩短生产周期，可以推广应用。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法的工艺流程图。
图2为本发明热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法的成型示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
图1为本发明热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法的工艺流程图。图2为本发明热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法的成型示意图。
如图1和图2所示，本发明的一个实施例中公开了一种热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，本实施例以成型一个方形盒件为例，热塑性树脂选择聚丙烯(PP)、编织布选择平纹碳纤维T700-3K。所述热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法包括以下步骤：
步骤一、剪裁编织布：根据成型零件的几何形状和尺寸剪裁编织布。
所述剪裁编织布步骤中采用纤维编织布，所述纤维编织布的剪裁尺寸根据零件的具体几何尺寸和形状匹配。
具体地，将剪裁的编织布涂上偶粘剂进行表面处理，增加与树脂的浸润性。例如根据成型零件的几何形状和尺寸将碳纤维编织布T700-3K剪裁成方形，并对其进行表面处理。然后在皂液或者有机溶液中进行清洗，除去偶粘剂(RCOOCr2(OH)Cl4)的残留物。最后在80℃温度下预烘3min，在140℃-160℃条件下烘焙7min-15min，优选地在150℃下烘焙10min，进而除去水分。
步骤二、模具准备：将模具上面残留的污垢打磨掉，进行酸化处理，去除铁锈。
利用10％氨水和皂液刷洗去除多余的盐酸和油污等杂质，在模具表面涂上脱模剂，并将模具放入烘箱预热，预热温度区间为(Tg-50)℃-(Tg-10)℃，其中Tg为树脂玻璃化转变温度。优选地，利用纱布打磨模具污垢杂物，先后利用稀盐酸和皂液对模具进行清洗，并涂上硬脂酸锌脱模剂，将模具预热到80℃。
步骤三、铺层设计：根据零件的性能要求，将处理过的编织布按不同的角度铺设在准备好的所述模具上，并施加压边力。
施加压边力的大小根据所述零件形状和铺层数量设置，即根据零件受力特点，将剪裁好的编织布0/90度交替铺层，铺层层数为10层，并加上200N的压边力。
步骤四、冲压合模：启动压机，使凸模下行，成型编织布预制件。具体地说，即启动压机，凸模下行，成型碳纤维预制件10。所述冲压合模步骤中的合模时间为1-2s。
步骤五、注射树脂：在合模状态下，将配制好的熔融状态的树脂注射进模腔浸润编织布预制件。
具体地说，所述树脂为热塑性树脂，将树脂颗粒在(Tg-60)℃-(Tg-80)℃温度区间内进行烘焙干燥1h-2h，其中Tg表示树脂玻璃化转变温度。
将干燥过后的树脂、固化剂和添加剂按一定的配比进行配制；
将配比好的树脂加热到粘流温度和热分解温度区间内进行熔融，并对熔体进行除气和除杂处理，在通过注塑机的注射管道20注射进模具型腔，浸润编织布预制件。
所述注射树脂步骤中注射温度T为：Tf<T<Td，其中Tf和Td分别为树脂的粘流温度和热分解温度；注射压力为40MPa-130MPa；注射时间为10s-30s。
优选地，将聚丙烯(PP)、多异氰酸酯TDI-80/20和叔胺类催化剂按照一定的配比进行混合均匀，加热到230℃，进行除气体和除杂处理，并通过注塑机注射进模具型腔，浸润碳纤维编织布。注射温度选择230℃，注射压力选择70MPa，注射时间选择15s。
步骤六、保压固化：保持合模状态进行塑化。所述保压固化步骤中采用的塑化压力为6MPa-20MPa，保温时间为3min-5min。
优选地，继续保持合模状态进行塑化，塑化压力选择10MPa，保温时间选择4min。当温度降到60℃以下时，凸模上行，从模具中取出制件。
步骤七、脱模取件：将温度降低到60℃以下，所述凸模上行，从所述模具中取出制件。
优选地，将制件放进烘箱，在100℃下保温1.5h进行退火处理，消除残余应力。然后采用锯板机锯切除成型制件的边角飞边，并利用打磨机对其表面进行抛光打磨，提高表面质量。上下相叠的凸模40、压边圈30及凹模50依次相互脱离开来，取出压边圈30和凹模50之间的成型制件60.
步骤八、后处理：在玻璃化温度和粘流温度之间进行退火处理，消除残余应力。所述后处理步骤中的退火时间为1h-2h，且将边角溢料飞边切除，并对制件表面进行打磨抛光。
步骤九、检验：通过目测和探伤设备对制件进行检验，检查孔隙率和气孔等缺陷，将废品进行回收利用。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
剪裁编织布：根据成型零件的几何形状和尺寸剪裁编织布；
模具准备：将模具上面残留的污垢打磨掉，进行酸化处理，去除铁锈；
铺层设计：根据零件的性能要求，将处理过的编织布按不同的角度铺设在准备好的所述模具上，并施加压边力；
冲压合模：启动压机，使凸模下行，成型编织布预制件；
注射树脂：在合模状态下，将配制好的熔融状态的树脂注射进模腔浸润编织布预制件；
保压固化：保持合模状态进行塑化；
脱模取件：将温度降低到60℃以下，所述凸模上行，从所述模具中取出制件；
后处理：在玻璃化温度和粘流温度之间进行退火处理，消除残余应力；
检验：通过目测和探伤设备对制件进行检验，检查孔隙率和气孔等缺陷，将废品进行回收利用。
2.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述剪裁编织布的步骤中还包括以下步骤：
将剪裁的编织布涂上偶粘剂进行表面处理，增加与树脂的浸润性；然后在皂液或者有机溶液中进行清洗，除去偶粘剂的残留物；最后在80℃温度下预烘3min，在140℃-160℃条件下烘焙7min-15min，进而除去水分。
3.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述模具准备步骤中还包括以下步骤：
利用10％氨水和皂液刷洗去除多余的盐酸和油污等杂质，在模具表面涂上脱模剂，并将模具放入烘箱预热，预热温度区间为(Tg-50)℃-(Tg-10)℃，其中Tg表示树脂玻璃化转变温度。
4.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述铺层设计步骤中施加压边力的大小根据所述零件形状和铺层数量设置。
5.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述冲压合模步骤中的合模时间为1-2s。
6.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述注射树脂步骤中注射温度T为：Tf<T<Td，其中Tf和Td分别为树脂的粘流温度和热分解温度；注射压力为40MPa-130MPa；注射时间为10s-30s。
7.如权利要求6所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述注射树脂步骤中还包括以下步骤：
所述树脂为热塑性树脂，将树脂颗粒在(Tg-60)℃-(Tg-80)℃温度区间内进行烘焙干燥1h-2h，其中Tg表示树脂玻璃化转变温度；
将干燥过后的树脂、固化剂和添加剂按一定的配比进行配制；
将配比好的树脂加热到粘流温度和热分解温度区间内进行熔融，并对熔体进行除气和除杂处理，在通过注塑机注射进模具型腔，浸润编织布预制件。
8.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述保压固化步骤中采用的塑化压力为6MPa-20MPa，保温时间为3min-5min。
9.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述后处理步骤中的退火时间为1h-2h，且将边角溢料飞边切除，并对制件表面进行打磨抛光。
10.如权利要求1所述的热塑性树脂基编织复合材料冲压注射一体化成型方法，其特征在于，所述剪裁编织布步骤中采用纤维编织布，所述纤维编织布的剪裁尺寸根据零件的具体几何尺寸和形状匹配。
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