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CN105619841A - 一种热塑性复合材料成型方法 - Google Patents

一种热塑性复合材料成型方法 Download PDF

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王英男
胡秀凤
王召召
段振锦
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Abstract

本发明涉及一种热塑性复合材料成型方法，其中所述方法为：将热塑性复合材料放进注塑机(10)中，经过注塑机(10)的加热区(12)若干段加热使得热塑性复合材料熔融，然后挤出，在所需的压力下将熔融状态下的热塑性材料注入已铺放好纤维预成型体的树脂传递模塑模具(1)中，使熔融状态下的热塑性复合材料快速的浸透纤维织物，最后在密封模具内冷却成型。本发明将热塑性材料的挤出技术与复合材料的RTM成型技术相结合，实现复杂结构的热塑性复合材料的成型，保证了复杂结构的热塑性复合材料成型质量，省去了预浸料的制备过程，节省成本提高生产效率，与此同时也解决了热塑性预浸料难以铺覆制备复杂结构的问题。

Description

一种热塑性复合材料成型方法
技术领域
本发明属树脂传递模塑(RTM，ResinTransferMolding)成型工艺技术领域，特别是涉及一种热塑性复合材料成型方法。
背景技术
按树脂类型的不同，树脂基复合材料分为热固性树脂基复合材料和热塑性树脂基复合材料。与热固性树脂基复合材料相比，热塑性树脂基复合材料具有以下特点：优异的抗冲击韧性，耐疲劳损伤性能；成型周期短，生产效率高；纤维预浸料不必在低温下存放；制品可重复加工，废旧制品可再生利用；产品设计自由度大，可制成复杂形状，成型适应性广。在热塑性复合材料中，热塑性树脂起到固定纤维的作用，同时赋予材料特殊热性能、耐腐蚀性能及加工性能等。连续纤维主要承载外载荷，决定复合材料的力学性能，应用较广的纤维主要有玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等。热塑性树脂的不断发展，特别是新型芳香族热塑性树脂基体的不断发展，提高了复合材料的刚性、耐热性及耐介质性，使得热塑性复合材料在航空航天、医疗、电子、机械等领域得到了越来越广泛的发展和应用，成为复合材料领域异常活跃的研究开发热点。作为先进树脂基复合材料树脂基体的热塑性树脂主要有：聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PAI)、聚苯硫醚(PPS)等。
连续纤维增强热塑性复合材料具有很多的优点，但热塑性树脂，特别是用于制备先进树脂基复合材料的特种热塑性树脂熔点较高，熔体黏度大，一般在100Pa.s以上，给复合材料的制备带来了困难。因此开发适合的热塑性树脂基体以及高效的成型方法成为近年来热塑性复合材料研究的热点之一。热塑性树脂基复合材料的制备一般分为两步:预浸料的制备和产品的成型。热塑性树脂常温下呈固态、熔较差、熔点高且熔体黏度大，因此制备预浸料的关键技术为解决树脂在纤维上的均匀分布问题和树脂对纤维的连续浸渍问题。目前主要的预浸料制备方法有溶液浸渍法、熔体浸渍法、粉末浸渍法、浆状树脂浸渍法和混编法等。热塑性复合材料的制件成型工艺主要有热压成型、纤维缠绕成型、辊压成型、拉挤成型等。
树脂传递模塑(RTM，ResinTransferMolding)是将树脂注入闭合模具中浸润增强材料并固化成型的工艺方法，适于多品种、中批量、高质量先进复合材料成型。这一先进工艺有着诸多优点，可使用多种纤维增强材料和树脂体系，有极好的制品表面。适用于制造高质量复杂形状的制品，且纤维含量高、成型过程中挥发成分少、环境污染少，生产自动化适应性强、投资少、生产效率高。因此，RTM工艺在汽车工业、航空航天、国防工业、机械设备、电子产品上得到了广泛应用。
RTM是在闭合模腔中预先铺覆好增强材料，然后将热固性树脂注入到模腔内，浸润其中的增强材料，树脂在室温或升温条件下固化脱模，必要时再对脱模后的制品进行表面抛光、打磨等后处理，得到两面光滑制品的一种高技术复合材料液体模塑成型技术。目前为止，RTM成型所用较多的树脂为环氧树脂、酚醛树脂等低粘度的热固性树脂，增强基体多为碳纤维织物、玻璃纤维织物等。
传统的复合材料树脂传递模塑装置包括模具，模具上涂有脱模剂，以方便脱模并获得平整光洁的制件表面，纤维织物铺放在涂有脱模剂的下模具上(如有需要，为了方便脱模可在最上一层纤维织物上铺放脱模布)，提前混合脱泡好的热塑性复合材料通过空压机以及减压阀在合适的压力下通过真空管注入模具中与纤维织物接触，不断流动渗透直至浸透纤维织物，排气口用于排除模具中的空气，避免制件中孔隙的产生。
传统树脂传递模塑成型所用树脂多为热固性树脂，固化所需时间较长(一般需高温固化2-3小时)：加热，模具达到固化温度，保温2-3小时，固化后的冷却，整个过程所需时间长达5-6小时。由于树脂传递模塑的模具成本相对其他工艺来说较为昂贵，生产一件制品占用模具的时间越长则相对生产成本越高，因此缩短固化成型时间，可以减少对模具的占用时间从而降低生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种热塑性复合材料成型方法，采用干纤维制备预成型体，改变了传统的热塑性预浸料难以铺覆的缺点，可实现复杂结构的热塑性复合材料的成型，并减少了热塑性预浸料的制备过程，节省成本，提高生产效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种热塑性复合材料成型方法，其中所述方法为：将热塑性复合材料放进注塑机中，经过注塑机加热区若干段加热使得热塑性复合材料熔融，然后挤出，在所需的压力下将熔融状态下的热塑性材料注入已铺放好纤维预成型体的树脂传递模塑模具中，使熔融状态下的热塑性复合材料快速的浸透纤维织物，最后在密封模具内冷却成型。
本发明的进一步技术方案是，所述已铺放好纤维预成型体的树脂传递模塑模具为将纤维织物先铺放在涂有脱模剂的下模具上，将模具封好，排除模具内气泡，再将模具加热到指定温度。
本发明的再进一步技术方案是，所述树脂传递模塑模具通过烘箱加热或在模具内部设计油管循环加热以及冷却系统，实现模具的快速加热或冷却。
本发明的再进一步技术方案是，所述树脂传递模塑模具采用抽真空的方式排除模具内气泡。
本发明的再进一步技术方案是，所述纤维织物上铺放脱模布，方便脱模。
本发明的再进一步技术方案是，所述纤维织物为玻璃纤维或碳纤维或超高强度聚乙烯纤维或芳纶纤维或刚性链结构的聚对苯撑苯并二恶唑纤维干态纤维织物中的一种。
本发明的再进一步技术方案是，所述热塑性复合材料为聚醚醚酮树脂或聚醚酮树脂或聚苯硫醚树脂或聚醚酰亚胺树脂或聚碳酸酯中的一种。
本发明的再进一步技术方案是，所述热塑性复合材料通过喂料斗放入注塑机中。
本发明的再进一步技术方案是，所述热塑性复合材料通过螺杆挤出设备分段加热至熔融状态，并通过螺杆挤出设备的压力将熔融状态的热塑性树脂注入的树脂传递模塑模具内，并浸润事先铺覆好的纤维织物，经冷却后形成复合材料。
本发明的更进一步技术方案是，所述的螺杆挤出设备通过控制螺杆转速来实现热塑性复合材料的不同流动速度从而控制不同压力注塑。
本发明专利为了解决传统热塑性复合材料需要先制备预浸料然后再制成复合材料结构且热塑性预浸料难以铺覆制备复杂结构的问题，将热塑性材料的挤出技术与复合材料的RTM成型技术相结合。利用挤出技术将热塑性材料通过螺杆分段加热至熔融状态并在螺杆挤出的压力作用下将熔融状态的热塑性树脂注入预先铺覆好纤维增强体的RTM闭合模具中，并浸润纤维预成型体，经冷却后成型。该方法可实现复杂结构的热塑性复合材料的成型，保证了复杂结构的热塑性复合材料成型质量，省去了预浸料的制备过程，节省成本提高生产效率。
本发明所应用的成型工艺RTM在热固性树脂基复合材料成型中已经运用很成熟，而不同的是使用的基体为热塑性，通过配合注塑机将热塑性树脂加热熔融之后在适合压力下注入到RTM模具中，与此同时RTM模具利用油热系统加热也处于高温状态，利于热塑性树脂在模具中的流动、渗透，从而快速的浸润纤维预成型体。从而快速的制备出高性能的热塑性树脂基复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用的基体为热塑性树脂，其所制备的复合材料产品密度小、强度高，热塑性复合材料的密度为1.1-1.6g/cm3；更高的韧性和损伤容限；制件具有很低的吸湿率；内部空隙率很低；性能可设计性的自由度大；热性能得到提高；耐化学腐蚀性更好；废料能回收利用，热塑性复合材料可重复加工成型，废品和边角余料能回收利用，不会造成环境污染。
本发明将注塑机与RTM成型模具相结合，在制备高性能制件的同时缩短了成型所需时间，降低了对模具的占用时间、提高模具利用率、降低模具成本，使得批量化生产成本以及效率得到提高。同时对于原材料来说成本有所降低，选择以及搭配范围也更广泛。
附图说明
图1为本发明采用注塑与树脂传递模塑结合的工艺原理图；
图2为传统复合材料树脂传递模塑成型工艺原理图。
其中：1、树脂传递模塑模具，2、脱模剂，3、纤维织物，4、脱模布，5、热塑性复合材料，6、空压机，7、减压阀，8、真空管，9、排气口，10、注塑机主机，11、喂料斗，12、加热区，13、油管循环加热冷却系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种热塑性复合材料成型方法，其中所述方法为：将热塑性复合材料放进注塑机10中，经过注塑机10的加热区12若干段加热使得热塑性复合材料熔融，然后挤出，在所需的压力下将熔融状态下的热塑性材料注入已铺放好纤维预成型体的树脂传递模塑模具1中，使熔融状态下的热塑性复合材料快速的浸透纤维织物，最后在密封模具内冷却成型。
所述已铺放好纤维预成型体的树脂传递模塑模具1为将纤维织物3先铺放在涂有脱模剂2的下模具上，然后将上下模具封好，排除模具内气泡，再将模具加热到指定温度；所述树脂传递模塑模具1通过烘箱加热或在模具内部设计油管循环加热以及冷却系统13，实现模具的快速加热或冷却，所述树脂传递模塑模具1采用抽真空的方式排除模具内气泡。
所述纤维织物3上铺放脱模布4，方便脱模；所述纤维织物3为玻璃纤维或碳纤维或超高强度聚乙烯纤维或芳纶纤维或刚性链结构的聚对苯撑苯并二恶唑纤维干态纤维织物中的一种，干纤维织物具有很好的铺覆性，可适用于复杂结构的成型。
所述热塑性复合材料为聚醚醚酮树脂或聚醚酮树脂或聚苯硫醚树脂或聚醚酰亚胺树脂或聚碳酸酯中的一种，所述热塑性复合材料通过喂料斗11放入注塑机10中。
所述热塑性复合材料通过螺杆挤出设备分段加热至熔融状态，并通过螺杆挤出设备的压力将熔融状态的热塑性树脂注入的树脂传递模塑模具1内，并浸润事先铺覆好的纤维织物3，经冷却后形成复合材料；所述的螺杆挤出设备通过控制螺杆转速来实现热塑性复合材料的不同流动速度从而控制不同压力注塑。
如图1所示，具体工艺步骤为：
1、将纤维织物3先铺放在涂有脱模剂2的下模具上；
2、为了方便脱模，将脱模布4铺放在纤维织物3上；
3、将树脂传递模塑模具1封好，并采用抽真空的方式排除气泡，然后采用油温循环系统13或烘箱将模具加热到指定温度；
4、将热塑性复合材料通过喂料斗11放入注塑机10内，通过加热区域12使得加入的热塑性复合材料熔融；
5、通过控制螺杆转速来控制热塑性复合材料流动速度及压力，使熔融的热塑性复合材料注入封好的热模具中，不断地流动、渗透，从而使得纤维织物被浸润；
6、最终在适当条件下快速降温，脱模得到制件。

Claims (10)

1.一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述方法为：将热塑性复合材料放进注塑机(10)中，经过注塑机(10)的加热区(12)若干段加热使得热塑性复合材料熔融，然后挤出，在所需的压力下将熔融状态下的热塑性材料注入已铺放好纤维预成型体的树脂传递模塑模具(1)中，使熔融状态下的热塑性复合材料快速的浸透纤维织物，最后在密封模具内冷却成型。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述已铺放好纤维预成型体的树脂传递模塑模具(1)为将纤维织物(3)先铺放在涂有脱模剂(2)的下模具上，然后将上下模具封好，排除模具内气泡，再将模具加热到指定温度。
3.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述树脂传递模塑模具(1)通过烘箱加热或在模具内部设计油管循环加热以及冷却系统(13)，实现模具的快速加热或冷却。
4.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述树脂传递模塑模具(1)采用抽真空的方式排除模具内气泡。
5.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述纤维织物(3)上铺放脱模布(4)，方便脱模。
6.根据权利要求2所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述纤维织物(3)为玻璃纤维或碳纤维或超高强度聚乙烯纤维或芳纶纤维或刚性链结构的聚对苯撑苯并二恶唑纤维干态纤维织物中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述热塑性复合材料为聚醚醚酮树脂或聚醚酮树脂或聚苯硫醚树脂或聚醚酰亚胺树脂或聚碳酸酯中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述热塑性复合材料通过喂料斗(11)放入注塑机(10)中。
9.根据权利要求1所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述热塑性复合材料通过螺杆挤出设备分段加热至熔融状态，并通过螺杆挤出设备的压力将熔融状态的热塑性树脂注入的树脂传递模塑模具(1)内，并浸润事先铺覆好的纤维织物(3)，经冷却后形成复合材料。
10.根据权利要求9所述的一种热塑性复合材料成型方法，其特征在于：所述的螺杆挤出设备通过控制螺杆转速来实现热塑性复合材料的不同流动速度从而控制不同压力注塑。
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