CN112123814A - 一种连续纤维增强热塑性复合材料弓片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续纤维增强热塑性复合材料弓片及其制备方法，所述制备方法以连续纤维增强热塑性单向预浸带材料为基础进行结构铺层制成层合板材，采用热料冷压工艺模压制得带有曲面的弓片半成品，再辅以雕刻、水转印等工序，制备得一种高强度、高韧性的热塑性复合材料弓片，解决了变形开裂等问题，提高了弓片的耐用性。该连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，不仅提高了生产效率，同时减少了生产中因打磨和涂装造成的大气环境问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性复合材料弓片及其制备方法。
背景技术
20世纪40年代，弓箭仍使用传统木质单体弓，由于木纤维本身的疲劳特性，当时弓的寿命都非常有限。随着玻璃纤维的出现，人们通过将玻璃纤维布与木材胶粘，明显提高了弓箭的使用效果。至此，玻璃纤维不仅仅被描述为“增强材料”，而是被称为“弹性材料”或“蓄能材料”，人类第一次在弓的制作中摆脱了对天然材料的过度依赖。弓箭，终于从手工艺品进化成了工业产品，逐步向现代弓形式演变。
目前市面上作为体育用品的现代弓是由弓把和弓片等主要部件组装而成的，弓片由固定件固定在弓把上。当前市场上用的弓片材质普遍以玻璃纤维板与木质结合、玻璃钢或各种纤维材料制成，往往出现强度和韧性不能兼顾，如振动大、抗疲劳性差、耐用性不强、易变形开裂等问题。
专利ZL 200820027605.X提供了一种防弓变形的弓片的制作方法，即采用薄木片、胶黏剂、玻璃钢材料进行制备一种防变形、经久耐用的弓片。专利CN 203303602 U公布了一种预浸纤维复合弓片，先将玻璃纤维、碳纤维和浸胶布进行分股配线后制得复合纤维，再将复合纤维使用环氧树脂浸渍，加入固化剂后放入模压机内成型弓片。上述专利中均利用不同纤维或材质进行组合，采用热固性树脂及成型方法，以达到增强弓片的强度和韧性，提高弓片耐用性的目的。对于纤维增强热固性复合材料而言，其材料韧性本身较差，调节空间有限。而纤维增强热塑性复合材料具有较好的韧性和强度，是弓片的一种理想材料。
目前，弓片制作通常采用的是热固性材料，但是，热固性材料制作弓片存在韧性低、耐疲劳性差等问题。热塑性复合材料具有较高韧性和长时间耐疲劳性，可以较好地解决上述问题，但常规的热塑性复合材料，如LFT、GMT等，在强度上与玻璃钢、环氧树脂基纤维预浸料存在较大差距，一直未在弓片上进行应用。
因此采用一种强度与玻璃钢、环氧树脂基纤维预浸料相当的连续纤维增强热塑性复合材料进行铺层设计及工艺优化，以解决上述技术问题具有重要意义。
发明内容
连续纤维增强热塑性复合材料具有高强度、高韧性、高耐疲劳寿命性，且可以进行铺层的可设计性，能进一步解决弓片变形开裂问题。针对热固性纤维增强塑料弓片领域存在的不足之处，本发明提供了一种连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，以连续纤维增强热塑性单向预浸带材料为基础材料，通过铺层、模压、雕刻、水转印等工序，制备得到一种高强度、高韧性的热塑性复合材料弓片，提高了耐用性，解决了变形开裂等问题。同时，通过热塑性材料热压成型方法，不仅提高了生产效率，同时减少了生产中因打磨和涂装造成的环境污染问题。
一种连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，包括步骤：
(1)将连续纤维增强热塑性单向预浸带材料按[0/90/0]、[0/0/90/0]、
中的任意一种铺层方式进行铺放叠层，通过平板压机或连续式带式压机制备得层合板材；
(2)在模压机内的弓片底模上方设置夹持工装，将所得层合板材放置入夹持工装上；
(3)弓片模具型腔内部进行抛光电镀处理，达到镜面效果，模具温度调整至60～80℃；
(4)将外置红外灯加热板或陶瓷加热板移至所述层合板材上方，对层合板材进行加热烘烤使其达到熔融软化状态后，移出模压机；
(5)合模，保压压力1～2MPa，保压时间1～3分钟后，开模取出半成品；所述的半成品已具备弓片的曲面形状，是多个弓片组成的整体；
(6)将所得半成品放至五轴切割机上，进行弓片的形状雕刻，得到一定数量的连续纤维增强热塑性复合材料弓片。
步骤(1)中：
90°铺层的加入，能在一定程度上减少弓片的横向开裂，延长疲劳寿命。
所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料中的连续纤维优选为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的至少一种，进一步优选为玻璃纤维或碳纤维。
连续纤维占所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料的体积百分含量优选为30％～45％。
所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料中的树脂优选为PP(聚丙烯)或PA6(尼龙6)。
所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料的厚度优选为0.2～0.35mm。
所述的层合板材的铺层不局限于单一纤维种类，所述铺层可采用多种连续纤维种类的连续纤维增强热塑性单向预浸带材料，所得层合板材为混杂纤维层合板材，如采用[0C/90/0]、[0C/0/90/0K]等纤维混杂形式的层合板，其中下标C代表碳纤维，下标K代表芳纶纤维，无下标则默认为玻璃纤维。
作为优选，所述的层合板材的厚度比设计的弓片厚度多0.3～2mm。
步骤(2)中：
所述的夹持工装只提供层合板材一定范围内的夹持力，该夹持力足以将层合板材固定，但当上模具下压顶住层合板材时，层合板材能随上模具的下压过程而逐步滑脱出。
步骤(3)中：
弓片模具型腔内部进行抛光电镀处理，达到镜面效果，模具温度调整至60～80℃，可减少温度损失，提高树脂熔体的流动效果，能使弓片达到良好的表观效果。
步骤(6)中：
所得弓片的数量取决于模具或半成品的长度。
作为优选，所述连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，还包括步骤：
(7)所制备的连续纤维增强热塑性复合材料弓片采用水转印工艺对外观进行修饰。
本发明制备方法中弓片模具使用抛光镜面效果处理，使连续纤维增强热塑性复合材料弓片已具有非常好的表观效果和平整性，因此在水转印前无需再对弓片进行填补、打磨，减少了生产工序。水转印工艺降低了弓片在外观处理中的有害气体排放。
本发明还提供了所述的制备方法制备得到的连续纤维增强热塑性复合材料弓片。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1、本发明公开了一种连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，采用热塑性层合板材热压成型、机床雕刻切割，工艺简单易于操作，成型时间短，产品尺寸精确可控，批量生产效率高。
2、本发明采用连续纤维增强热塑性单向预浸带进行叠层，增加了90°方向的铺层，解决了弓片长时间使用下横向开裂问题。90°方向的铺层是传统热固性拉挤工艺制备弓片难以解决的。
3、本发明制备得到的连续纤维增强热塑性复合材料弓片，相比玻璃钢弓片，其强度、韧性、抗疲劳性能上都有明显的提高，减重10～20％，耐开裂、可回收利用、重复加工等优势，符合当前材料绿色环保发展潮流。
4、本发明连续纤维增强热塑性复合材料弓片采用高表面质量的镜面模具与水转印工艺结合，将少了制品的涂装工序上打磨、喷涂所造成环境污染。
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。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本发明的连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，以连续纤维增强热塑性单向预浸带材料为基础进行结构铺层制成层合板材，采用热料冷压工艺模压制得带有曲面的弓片半成品，再辅以雕刻、水转印等工序，制备得一种高强度、高韧性的热塑性复合材料弓片，解决了变形开裂等问题，提高了弓片的耐用性。该连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，不仅提高了生产效率，同时减少了生产中因打磨和涂装造成的大气环境问题。
实施例1
采用纤维体积含量为34％vol的连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带材料，单层厚度为0.30mm，按[0/0/90/0]方式进行重复的铺放叠层，通过连续式特氟龙带式压机制备得层合板材，其厚度比弓片设计厚度多0.60mm左右。
在模压机内的弓片底模上方设置夹持工装，将层合板材放置入夹持工装上。将弓片的模具温度为60℃；将外置陶瓷加热板推移至层合板材上方，温度设置为400℃，对层合板材进行加热烘烤1～2min使其达到熔融软化状态后，关闭陶瓷加热板并快速移出模压机。
弓片上模具逐步下压顶住层合板材时，层合板材能随上模具的下压逐步滑脱出，直至模具闭合。保压压力1MPa，保压时间1min后，打开模具取出半成品。该半成品具备弓片的曲面形状，是多个未切割弓片组成的整体。
将半成品放置在五轴加工机床上，进行弓片切割，包括渐窄边及弓弦、弓把连接部的形状雕刻。弓片的数量取决于模具的尺寸。
将弓片去毛刺、去尘后，采用水转印覆膜工艺赋予其外观装饰。
实施例2
采用纤维体积含量为40％vol的连续玻璃纤维增强PA6单向预浸带材料，单层厚度为0.28mm，按[0/0/90/0/0]方式进行重复的铺放叠层，通过连续式特氟龙带式压机制备得层合板材，其厚度比弓片设计厚度多0.50mm左右。
在模压机内的弓片底模上方设置夹持工装，将层合板材放置入夹持工装上。将弓片的模具温度为80℃；将外置红外等加热板推移至层合板材上方，温度设置为800℃，对层合板材进行加热烘烤30s～1min使其达到熔融软化状态后，关闭红外等加热板并快速移出模压机。
弓片上模具逐步下压顶住层合板材时，层合板材能随上模具的下压逐步滑脱出，直至模具闭合。保压压力1.5MPa，保压时间2min后，打开模具取出半成品。该半成品具备弓片的曲面形状，是多个未切割弓片组成的整体。
将半成品放置在五轴加工机床上，进行弓片切割，包括渐窄边及弓弦、弓把连接部的形状雕刻。弓片的数量取决于模具的尺寸。
将弓片去毛刺、去尘后，采用水转印覆膜工艺赋予其外观装饰。
实施例3
用纤维体积含量为40％vol的连续玻璃纤维增强PA6单向预浸带材料(单层厚度为0.28mm)，和纤维体积含量为40％vol的连续碳纤维增强PA6单向预浸带材料(单层厚度为0.20mm)进行混杂应用，按[0C/0/90/0]方式进行重复的铺放叠层通过连续式特氟龙带式压机制备得层合板材，其厚度比弓片设计厚度多0.50mm左右；或将[0C/0/90/0]作为表面层与里层[0/0/90/0]进行叠层制备相同厚度的层合板材。
在模压机内的弓片底模上方设置夹持工装，将层合板材放置入夹持工装上。将弓片的模具温度为80℃；将外置红外等加热板推移至层合板材上方，温度设置为800℃，对层合板材进行加热烘烤30s～1min使其达到熔融软化状态后，关闭红外等加热板并快速移出模压机。
弓片上模具逐步下压顶住层合板材时，层合板材能随上模具的下压逐步滑脱出，直至模具闭合。保压压力1.5MPa，保压时间2min后，打开模具取出半成品。该半成品具备弓片的曲面形状，是多个未切割弓片组成的整体。
将半成品放置在五轴加工机床上，进行弓片切割，包括渐窄边及弓弦、弓把连接部的形状雕刻。弓片的数量取决于模具的尺寸。
将弓片去毛刺、去尘后，采用水转印覆膜工艺赋予其外观装饰。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，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。
Claims (9)
1.一种连续纤维增强热塑性复合材料弓片的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将连续纤维增强热塑性单向预浸带材料按[0/90/0]、[0/0/90/0]、
中的任意一种铺层方式进行铺放叠层，通过平板压机或连续式带式压机制备得层合板材；
(2)在模压机内的弓片底模上方设置夹持工装，将所得层合板材放置入夹持工装上；
(3)弓片模具型腔内部进行抛光电镀处理，达到镜面效果，模具温度调整至60～80℃；
(4)将外置红外灯加热板或陶瓷加热板移至所述层合板材上方，对层合板材进行加热烘烤使其达到熔融软化状态后，移出模压机；
(5)合模，保压压力1～2MPa，保压时间1～3分钟后，开模取出半成品；所述的半成品已具备弓片的曲面形状，是多个弓片组成的整体；
(6)将所得半成品放至五轴切割机上，进行弓片的形状雕刻，得到一定数量的连续纤维增强热塑性复合材料弓片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料中的连续纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，连续纤维占所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料的体积百分含量为30％～45％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料中的树脂为PP或PA6。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述连续纤维增强热塑性单向预浸带材料的厚度为0.2～0.35mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铺层采用多种连续纤维种类的连续纤维增强热塑性单向预浸带材料，所述层合板材为混杂纤维层合板材。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的层合板材的厚度比设计的弓片厚度多0.3～2mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
(7)所制备的连续纤维增强热塑性复合材料弓片采用水转印工艺对外观进行修饰。
9.根据权利要求1～8任一权利要求所述的制备方法制备得到的连续纤维增强热塑性复合材料弓片。
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