一种织物增强热塑性复合材料的快速成型方法

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料技术领域，具体涉及一种织物增强热塑性复合材料的快速成型方法。

背景技术

连续纤维增强高性能热塑性复合材料不仅具有热固性树脂基复合材料质量轻、比强度和比刚度高、可设计性强等优点，还具有较高的抗冲击强度，且可焊接、可修补，储存方便。采用此类材料部分替代金属及热固性复合材料制件，可以有效的提高减重效率，降低制造成本。

连续纤维增强高性能热塑性复合材料的成型技术是制约其发展的重要因素，主要原因有以下三点：一是高性能热塑性树脂具有高加工温度和熔体黏度；二是高性能热塑性预浸料不同于热固性预浸料，室温下具有较高的刚度和硬度，铺覆性较差；三是成型过程升降温阶段的工艺制度会对热塑性复合材料内部缺陷和结晶行为有较大影响。传统的热塑性复合材料的成型方法为将连续纤维增强热塑性树脂预浸料置于模具进行成型。

例如，中国专利CN1603363A公开了一类连续纤维增强聚芳醚砜酮先进复合材料的制备，将裁剪好的预浸薄片放入模具中，进行热压成型；热压成型工艺的主要工艺参数如下：冷压：30MPa/2～10min→预热：380℃/40～90min→热压：30MPa/380℃/40～90min，其成型时间长，生产效率低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种织物增强热塑性复合材料的快速成型方法，本发明提供的成型方法耗时短，生产效率高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种织物增强热塑性复合材料的快速成型方法，包括以下步骤：

提供纤维织物增强热塑性树脂预成型体；所述纤维织物增强热塑性树脂预成形体中的热塑性树脂包括半结晶型树脂和无定型树脂中的至少一种；

在所述预成型体的双面分别依次铺设耐高温脱模布、高温离型膜和导热金属板，再依次进行热预压、热压-排气和冷压，得到织物增强热塑性复合材料；所述热预压的时间为3～15min；所述热压-排气中热压的时间为10～30min；所述冷压的时间为3～20min。

优选地，所述纤维织物增强热塑性树脂预成型体中的纤维织物包括碳纤维织物、玻璃纤维织物、石英纤维织物、聚酰亚胺纤维织物和芳纶纤维织物中的至少一种；

所述纤维织物增强热塑性树脂预成型体中纤维织物的体积含量为40～65％。

优选地，所述半结晶型树脂包括聚醚醚酮、聚芳醚酮、聚苯硫醚、聚酰胺和聚丙烯中的至少一种。

优选地，所述无定型树脂包括聚酰亚胺、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚氯乙烯和聚乙烯中的至少一种。

优选地，所述纤维织物增强热塑性树脂预成型体由层叠设置的纤维织物增强热塑性树脂预浸料组成；

单层纤维织物增强热塑性树脂预浸料的厚度为0.1～0.3mm。

优选地，所述热预压的温度为半结晶型树脂的熔融温度以上20～60℃或无定型树脂的黏流温度以上10～60℃，压力为0.1～0.8MPa。

优选地，所述热压-排气的工作参数包括：热压的温度为半结晶型树脂的熔融温度以上10～50℃或无定型树脂的黏流温度以上10～50℃，热压的压力为0.5～15MPa，排气次数为10～50次。

优选地，当所述热塑性树脂为半结晶型树脂时，所述热压-排气后还包括模压；所述模压的温度为半结晶型树脂的结晶温度，压力为1～15MPa，时间为3～20min。

优选地，所述冷压的温度为室温，压力为1～15MPa。

优选地，所述导热金属板包括铝板、不锈钢板或铁板。

本发明提供了一种织物增强热塑性复合材料的快速成型方法，包括以下步骤：提供纤维织物增强热塑性树脂预成型体；所述纤维织物增强热塑性树脂预成形体中的热塑性树脂包括半结晶型树脂和无定型树脂中的至少一种；在所述预成型体的双面分别依次铺设耐高温脱模布、高温离型膜和导热金属板，再依次进行热预压、热压-排气和冷压，得到织物增强热塑性复合材料；所述热预压的时间为3～15min；所述热压-排气中热压的时间为10～30min；所述冷压的时间为3～20min。与传统的在模具中进行成型方法相比，本发明在所述预成型体的双面分别依次铺设耐高温脱模布、高温离型膜和导热金属板后进行成型(热预压、热压-排气和冷压)，相当于预成型体在开放式、无限位模具中进行成型，反复放气，极大地缩短了成型时间，提高了织物增强热塑性复合材料的生产效率。而且，耐高温脱模布和高温离型膜的存在为热压-排气过程提供导气通路，从而减少织物增强热塑性复合材料的孔隙率，有效避免了成型过程织物增强热塑性复合材料产生固结变形，提高了织物增强热塑性复合材料的表面质量及内部质量，同时耐高温脱模布和高温离型膜的存在还有利于后续的脱模。

附图说明

图1为预成型体的双面铺叠方式示意图，其中，1为导热金属板，2为高温离型膜，3为耐高温脱模布，4为预成型体；

图2为碳纤维织物增强聚芳醚酮热塑性复合材料实物图。

具体实施方式

本发明提供了一种织物增强热塑性复合材料的快速成型方法，包括以下步骤：

提供纤维织物增强热塑性树脂预成型体；所述纤维织物增强热塑性树脂预成形体中的热塑性树脂包括半结晶型树脂和无定型树脂中的至少一种；

在所述预成型体的双面分别依次铺设耐高温脱模布、高温离型膜和导热金属板，再依次进行热预压、热压-排气和冷压，得到织物增强热塑性复合材料；所述热预压的时间为3～15min；所述热压-排气中热压的时间为10～30min；所述冷压的时间为3～20min。

在本发明中，若无特殊说明，所有的原料组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。

本发明提供纤维织物增强热塑性树脂预成型体；所述纤维织物增强热塑性树脂预成形体中的热塑性树脂包括半结晶型树脂和无定型树脂中的至少一种。

在本发明中，所述半结晶型树脂优选包括聚醚醚酮(PEEK)、聚芳醚酮(PAEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺(PA)和聚丙烯(PP)中的至少一种；所述半结晶型树脂的结晶度优选为10～60％，更优选为20～60％。在本发明中，所述无定型树脂包括聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)中的至少一种。在本发明中，所述纤维织物增强热塑性树脂预成型体中的纤维织物优选包括碳纤维织物、玻璃纤维织物、石英纤维织物、聚酰亚胺纤维织物和芳纶纤维织物中的至少一种。在本发明的具体实施例中，所述纤维织物增强热塑性树脂预浸料优选包括碳纤维织物增强聚芳醚酮预浸料、玻璃纤维织物增强聚醚醚酮预浸料、碳纤维织物增强聚酰亚胺预浸料、碳纤维织物增强聚苯硫醚预浸料、碳纤维织物增强聚碳酸酯预浸料、碳纤维织物增强聚酰胺预浸料、碳纤维增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物预浸料或碳纤维织物增强聚丙烯预浸料。在本发明中，所述纤维织物增强热塑性树脂预成型体中纤维织物的体积含量优选为45～60％，更优选为50～55％。本发明对所述纤维织物增强热塑性树脂预浸料的形状和尺寸无特殊限定，根据织物增强热塑性复合材料的实际需要进行设定即可。

在本发明中，所述纤维织物增强热塑性树脂预成型体优选由层叠设置的纤维织物增强热塑性树脂预浸料组成；单层纤维织物增强热塑性树脂预浸料的厚度优选为0.10～0.30mm，更优选为0.12～0.28mm。本发明对于所述预成型体中纤维织物增强热塑性树脂预浸料的层数没有特殊限定，根据实际需要确定即可，具体如5～20层，更优选为7～18层。在本发明中，所述层叠铺设过程中优选以任意一层纤维织物增强热塑性树脂预浸料的铺层方式为0°(即纤维经向为0°)，其他纤维织物增强热塑性树脂预浸料的铺层方式优选为-45°～90°，更优选为-45°、0°、45°和90°中的至少一种，进一步优选为0°或45°/-45°。

得到预成型体后，本发明在所述预成型体的双面分别依次铺设耐高温脱模布、高温离型膜和导热金属板，再依次进行热预压、热压-排气和冷压，得到织物增强热塑性复合材料；所述热预压的时间为3～15min；所述热压-排气中热压的时间为10～30min；所述冷压的时间为3～20min。

本发明在所述预成型体的双面分别依次铺设耐高温脱模布、高温离型膜和导热金属板，铺叠方式示意图如图1所示，其中，1为导热金属板，2为高温离型膜，3为耐高温脱模布，4为预成型体。在本发明中，所述导热金属板优选包括铝板、不锈钢板或铁板，更优选为不锈钢板。

在本发明中，所述热预压的温度为半结晶型树脂的熔融温度(T

在本发明中，所述热压-排气中热压的工作参数优选包括：热压的温度优选为半结晶型树脂的熔融温度以上10～50℃(更优选为熔融温度以上10～45℃，进一步优选为熔融温度以上10～40℃)或无定型树脂的黏流温度以上10～50℃(更优选为黏流温度以上10～45℃，进一步优选为黏流温度以上10～40℃)，所述热压的温度具体优选为220～350℃；热压的压力优选为1～15MPa，更优选为0.5～10MPa，进一步优选为0.5～5MPa；排气次数优选为10～50次，更优选为10～30次，进一步优选为10～25次；所述热压-排气优选在高温压机中进行。在本发明中，所述所述热压与排气交替进行，排气在高温压机的开合作用下进行。

在本发明中，当所述热塑性树脂为半结晶型树脂时，所述热压-排气后优选还包括模压；所述模压的温度优选为半结晶型树脂的结晶温度(T

在本发明中，所述冷压的温度优选为室温；所述冷压的压力优选为1～15MPa，更优选为2～5MPa；所述冷压的时间为3～20min，优选为3～10min，进一步优选为3～5min。在本发明中，所述冷压优选在室温压机中进行。本发明通过反复排气及两次快速模压成型(冷压和热压)既提高了复合材料的表面质量和内部质量，又提高了复合材料的成型效率。

完成所述冷压后，本发明优选还包括脱模，所述脱模包括将冷压所得材料中的导热金属板、高温离型膜和耐高温脱模布依次除去，得到织物增强热塑性复合材料。本发明对于所述脱模的方式没有特殊限定，以不损伤织物增强热塑性复合材料为准。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将单层厚度为0.28mm碳纤维织物增强聚芳醚酮预浸料(碳纤维织物体积含量为50％)按照0°的铺层方式铺叠7层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别依次铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在360℃、0.5MPa的条件下热预压10min，然后在350℃、2MPa的条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合15次进行排气，然后快速转移至预设温度为270℃的压机中，在270℃、2MPa的条件下模压5min，整体快速转移至室温压机中，在室温、2MPa条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强聚芳醚酮热塑性复合材料(厚度为1.96mm，尺寸为100×300mm，结晶度为30％)。

实施例2

将单层厚度为0.12mm碳纤维织物增强聚醚醚酮预浸料(碳纤维织物体积含量为55％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠18层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在360℃，0.5MPa条件下热预压10min，然后在350℃、2MPa条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合25次进行排气，然后整体快速转移至预设温度为285℃的压机中，在285℃、2MPa的条件下模压10min，然后整体快速转移至室温压机中，在室温、2MPa的条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强聚醚醚酮热塑性复合材料(厚度为2.16mm，尺寸为100×300mm，结晶度为33％)。

实施例3

将单层厚度为0.26mm碳纤维织物增强聚苯硫醚预浸料(碳纤维织物体积含量为50％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠18层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在320℃、0.5MPa条件下热预压10min，在310℃，3MPa条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合25次进行排气，然后整体快速转移至预设温度为210℃的压机中，在210℃，2MPa的条件下模压10min，整体快速转移至室温压机，在室温，3MPa的条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强聚苯硫醚热塑性复合材料(厚度为5.04mm，尺寸为100×300mm，结晶度为60％)。

实施例4

将单层厚度为0.26mm碳纤维织物增强聚酰亚胺预浸料(碳纤维织物体积含量为50％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠18层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在330℃，0.5MPa条件下热预压10min，在320℃、3MPa条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合25次进行排气，然后整体快速转移至室温压机，在室温，3MPa的条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强聚酰亚胺热塑性复合材料(厚度为2.16mm，尺寸为100×300mm，无定形材料)。

实施例5

将单层厚度为0.26mm碳纤维织物增强聚酰胺预浸料(聚酰胺为PA6，碳纤维织物体积含量为50％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠18层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在250℃、0.5MPa条件下热预压10min，在240℃，3MPa条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合25次进行排气，然后整体快速转移至预设温度为168℃的压机中，在168℃，3MPa的条件下模压10min，整体快速转移至室温压机，在室温，3MPa的条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强聚酰胺热塑性复合材料(厚度为5.04mm，尺寸为100×300mm，结晶度为33％)。

实施例6

将单层厚度为0.26mm碳纤维织物增强聚碳酸酯预浸料(碳纤维织物体积含量为50％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠18层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在310℃，0.5MPa条件下热预压10min，在300℃，3MPa条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合25次进行排气，然后整体快速转移至室温压机，在室温，3MPa的条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强聚碳酸酯热塑性复合材料(厚度为2.16mm，尺寸为100×300mm，无定形材料)。

实施例7

将单层厚度为0.26mm碳纤维织物增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物预浸料(碳纤维织物体积含量为50％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠18层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在230℃，0.5MPa条件下热预压10min，在220℃，3MPa条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合25次进行排气，然后整体快速转移至室温压机，在室温，3MPa的条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物热塑性复合材料(厚度为2.16mm，尺寸为100×300mm，无定形材料)。

实施例8

将单层厚度为0.26mm碳纤维织物增强聚丙烯预浸料(碳纤维织物体积含量为50％)按照正交铺层方式(45°/-45°)铺叠18层，得到预成型体4；在所述预成型体4的双面分别铺叠耐高温脱模布3、高温离型膜2和不锈钢板1，整体转移至高温压机中，在230℃，0.5MPa条件下热预压10min，在220℃，3MPa条件下热压10min，热压过程中高温压机反复开合25次进行排气，然后整体快速转移至预设温度为165℃的压机中，在165℃，3MPa的条件下模压10min，整体快速转移至室温压机，在室温，3MPa的条件下冷压5min，从室温压机中取出，除去不锈钢板1，撕去高温离型膜2和耐高温脱模布3，得到碳纤维织物增强聚丙烯热塑性复合材料(厚度为5.04mm，尺寸为100×300mm，结晶度为50％)。

测试例1

实施例制得的碳纤维织物增强聚芳醚酮热塑性复合材料的性能测试结果如表1所示：

表1实施例1制得的碳纤维织物增强聚芳醚酮热塑性复合材料的性能测试结果

由表1可知，本发明制得的碳纤维织物增强聚芳醚酮热塑性复合材料的经向拉伸强度为732MPa，经向拉伸模量为60GPa，经向压缩强度为569MPa，经向压缩模量为65GPa，层间剪切强度为87MPa，经向弯曲强度为793MPa，经向弯曲模量为58MPa，说明，本发明制备得到的织物增强热塑性复合材料具有优异的力学性能。

图2为实施例1制得的碳纤维织物增强聚芳醚酮热塑性复合材料实物图，由图2可知，本发明制得的碳纤维织物增强聚芳醚酮热塑性复合材料平整，无翘曲变形现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。