专利名称：嵌入式共固化连续预浸阻尼薄膜的复合材料铺带制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料技术，尤其是一种嵌入式共固化连续预浸阻尼层的复合材料铺带制作工艺，属于复合材料动力学改性研究领域。
背景技术：
复合材料结构本身的阻尼特性要比常见金属的高10-100倍，但是这在应用中仍然偏低，然而复合材料力学性能的可设计性又为其阻尼性能的进一步提高创造了广阔空间。嵌入式共固化复合材料阻尼结构就是将三种不同性质的材料(如碳纤维、树脂和粘弹性阻尼材料)，通过物理或化学的方法经人工或现代工艺复合而成的一种多相固体。其基体相、增强相和粘弹性阻尼材料在性能上起协调作用，从而达到大幅度地提高复合材料构件阻尼的目的，得到单一材料难以比拟的综合力学性能。与传统的阻尼结构相比，这种事先阻尼处理复合材料其阻尼层是镶嵌在基体材料内部的，具有不脱落、抗老化等优点，在航空、航天、高速列车等高科技领域有着广泛的应用前景。复合材料由于其本身具有很高的比强度、比刚度以及优良的阻尼特性，近年来在高速列车、航空、航天等高科技领域得到广泛地应用。申请人申请的中国发明专利《嵌入式共固化高阻尼复合层合材料结构的制作工艺》(申请号201010177278. 8)，将复合材料力学性能的可设计性与粘弹性材料的高阻尼特性相结合，在设计阶段就将粘弹性材料作为复合材料的一层，按照确定的铺设顺序通过压片将粘弹性材料置入复合材料结构中，经共固化后使其基体树脂相、增强相和粘弹性阻尼材料在性能上起协调作用，从而达到大幅度地提高复合材料构件阻尼、控制结构的共振幅值的目的，得到单一材料难以比拟的综合力学性能。但原专利是采用压片工艺制作粘弹性阻尼薄膜，往往要受制膜设备工程压力的限制，使粘弹性阻尼薄膜不能制作的太大，所以该工艺适合于生产尺寸比较小的工件。中国专利申请《嵌入式高温共固化大阻尼复合材料及其制备工艺》(申请号201210030874. 2)，它采用将未硫化的粘弹性阻尼材料制成溶液刷涂或/和喷涂到复合材料预浸料表面，按照设计的铺层顺序，在热压罐中完成共固化，并充分利用氯化丁基橡胶良好的粘合性，使共固化后的粘弹性阻尼材料与复合材料预浸料在界面分子间形成互穿网络结构，让其层间能紧密地结合在一起，实现在不损失构件刚度的情况下，大大提高复合层合材料结构阻尼性能。但原专利是采用手工刷涂或喷涂工艺，自动化程度比较低，加之汽油容易挥发，污染环境，适合于小批量生产。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种嵌入式共固化连续预浸阻尼薄膜的复合材料铺带制作工艺，该工艺提出以丁基橡胶(IIR)与氯化丁基橡胶(CIIR)的混合物作为粘弹性阻尼材料的主要原料，并将其溶解于有机溶剂中，将玻璃布(或碳纤维)先在液态树脂中完成预浸工艺，然后在粘弹性阻尼材料溶液中进行二次或多次预浸粘弹性材料工艺，使带粘弹性薄膜的复合材料预浸料的生产实现了连续化和自动化，最终制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料，按照共固化工艺曲线将其制成嵌入式复合材料阻尼结构构件，从而获得轻质大阻尼复合材料构件，使复合材料结构不仅具有高阻尼、抗疲劳和抗冲击等特性，而且还进一步提高了结合面的力学性能。为实现嵌入式共固化复合材料大阻尼构件制作工艺的自动化和集成化生产奠定了基础。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案—种嵌入式共固化连续预浸阻尼薄膜的复合材料铺带制作工艺，步骤如下I)根据粘弹性材 料成份质量份数比准备原料；2)制备混炼胶，先将橡胶原料加入密炼机混炼一分钟，混匀后加大辊距，然后加入除硫化剂以外的其他各种配合剂混炼3分钟，最后加入硫化剂，再混炼一分钟，确保混炼胶均勻后，出片待用；3)粘弹性阻尼材料溶液的制备，将步骤2)制备好的混炼胶薄片加入120号汽油中，室温下密封静置存放24小时，使混炼胶片完全溶解于120号汽油中，形成未硫化的橡胶溶液；4)利用步骤3)制备的粘弹性阻尼材料溶液对复合材料预浸料进行至少一次预浸工艺，制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料；同时利用湿式烘干和自然风干相结合工艺，或者湿式烘干和干式烘干相结合的工艺将带阻尼薄膜的复合材料预浸料中的120号汽油变成气态汽油，通过热交换器冷却气态汽油和水蒸气混合物成为液态油水混合物，再将冷却后液态油水混合物送入油水分离器，对120号汽油进行分离回收再利用；5)把步骤4)中制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中，然后一起放入热压罐的真空袋中，高度抽真空，热压罐的加工工艺参数按照树脂的固化曲线进行，这样就完成用共固化工艺制成嵌入式共固化复合材料阻尼结构的工件。所述步骤4)中的湿式烘干塔为不锈钢焊接而成，将两个半球形盖分别焊接在空心
圆柱体的上下端，其中上部留有高温水蒸汽的进入口，最顶部留有气体汽油和水蒸汽的出
口，最下部留有液态油水混合物的出口，在塔的底部有两个平行的复合材料预浸料的进出
口槽，槽口要焊接的足够高，防止塔底部液态油水混合物溢出，塔顶部张力辊的位置要能调
整，确保运行中的张力辊中心线与复合材料预浸料的进出口槽平行，在湿式烘干塔的侧面
一定要开一个让人能进出的密封门，该门主要用作对整个湿式烘干塔维修和对调节辊的调M
iF. O所述步骤4)中的预浸及烘干工艺为，复合材料预浸料经位于粘弹性材料溶液槽中的粘弹性阻尼材料浸湿后，再经挤胶辊挤胶后进入湿式烘干塔烘干后收卷；在湿式烘干过程中，将110-130度的水蒸气通入到湿式烘干塔中，使刚刚经过预浸阻尼薄膜的复合材料预浸料的铺带进入该湿式烘干塔中，在塔顶形成气态的汽油与水蒸气的混合物，该混合物通过气泵从湿式烘干塔顶排出经流量控制阀进入热交换器，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的汽油和水的混合物，该液态油水混合物再经油水分离器，完成汽油回收再利用，在湿式烘干塔的中下方，同样会形成液态汽油和水的混合物，将该处生成汽油和水的混合物从塔底口导出和经热交换器产生的汽油和水混合物一起送入油水分离器。然后再将湿式烘干后的卷带放在通风阴凉环境下，把残留在铺带上的水分自然风干，这样就制成了带阻尼薄膜的复合材料预浸料，该工艺适合于中等批量生产，而且还可以多次预浸阻尼薄膜。所述步骤4)中的预浸及烘干工艺为，复合材料预浸料经位于粘弹性材料溶液槽中的粘弹性阻尼材料浸湿后，再经挤胶辊挤胶后进入湿式烘干塔烘干后，最后经小导向辊和挤胶辊挤胶后进入干式烘干炉烘干后收卷；在湿式烘干过程中，将110-130度的水蒸气通入到湿式烘干塔中，使刚刚经过预浸阻尼薄膜的复合材料铺带进入该湿式烘干塔中，在塔顶形成气态的汽油与水蒸气的混合物，该混合物通过气泵从湿式烘干塔顶排出经流量控制阀进入热交换器，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的汽油和水的混合物，该液态油水混合物再经油水分离器，完成汽油回收再利用，在湿式烘干塔的中下方，同样会形成液态汽油和水的混合物，将该处生成汽油和水的混合物从塔底口导出和经热交换器产生的汽油和水混合物一起送入油水分离器。然后再将湿式烘干后的带阻尼薄膜的复合材料预浸料经小导向辊、挤胶辊送入干式烘干炉烘干后收卷，干式烘干的目的是将湿式烘干过程中残留在铺带上的水分去掉，这样就制成了带阻尼薄膜的复合材料预浸料，该工艺适合于较大批量生产，而且还能在复合材料预浸料上连续多次预浸阻尼薄膜。 所述步骤4)中的预浸及烘干工艺为，玻璃布或碳纤维铺带经导向辊、胶槽中的浸胶辊、挤胶辊进入第一干式烘干炉烘干，制成不带阻尼薄膜的复合材料预浸料，再通过位于粘弹性材料溶液槽中的粘弹性阻尼材料浸湿后，经挤胶辊挤胶后进入湿式烘干塔烘干后，最后经牵引辊和小导向辊等进入第二干式烘干炉烘干后收卷；图3中调节辊22是调节铺带的张紧程度的；在湿式烘干过程中，将110-130度的水蒸气通入到湿式烘干塔中，使刚刚经过预浸阻尼薄膜的复合材料铺带进入该湿式烘干塔中，在塔顶形成气态的汽油与水蒸气的混合物，该混合物通过气泵从湿式烘干塔顶排出经流量控制阀进入热交换器，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的汽油和水的混合物，该液态油水混合物再经油水分离器，完成汽油回收再利用，在湿式烘干塔的中下方，同样会形成液态汽油和水的混合物，将该处生成的汽油和水混合物从塔底口导出和经热交换器产生的汽油和水混合物一起送入油水分离器。这样实现了带阻尼薄膜的复合材料预浸料的连续化和集成化生产，非常适合于大批量生产。所述第一干式烘干炉和第二干式烘干炉为立式烘干炉或卧式烘干炉，而且第一干式烘干炉和第二干式烘干炉的烘干工艺参数是不同的。第一干式烘干炉的工艺参数是由制作复合材料预浸料的工艺参数所确定的，与现有技术相同，这里不再重述，而第二干式烘干炉的烘干主要是为了自动化地去除残留在经湿式烘干后的带阻尼薄膜的复合材料预浸料上的水分。所述湿式烘干塔的工艺参数为，在湿式烘干塔的底部温度应保持在65 80°C，中部温度应保持在80 100°C，顶部温度应保持在100 130°C。同时控制好铺带行进速度，以在粘弹性材料薄膜中不出现小气泡、不存在残留汽油为宜。所述第二干式烘干炉工艺参数为，在立式烘干炉中，底部温度应保持在40 60°C，中部温度应保持在60 100°C，上部温度应保持在100 120°C;在卧式烘干炉中，铺带进口出口处温度应保持在60 100°C，中部温度应保持在100 120°C。所述的复合材料预浸料在浸胶前，先在其铺带的起始端制作一个通过卡扣(像腰带上用的卡扣一样)连接的引带，引带另一端与收卷辊相连，并将引带安装到整个预浸及烘干工艺的装置上，再启动该预浸工艺生产线，引带先通过该生产线(注意可通过预先调大挤胶辊、牵引辊辊距，让卡口装置顺利通过挤胶辊、牵引辊，等卡口装置通过挤胶辊、牵引辊后再将辊距调回原来大小)，并拉着预浸后的复合材料预浸料的铺带一起通过线上的各个装置，待一卷预浸料加工完成后，将预浸料卷从收卷辊上取出，然后打开卡扣将引带从预浸料卷内抽出重复使用，这样每次开机生产能节约一个布带长度的复复合材料预浸料的铺带。所述步骤5)中的共固化工艺条件为真空袋内的真空度为-O. 099- -O. 097MPa,热压罐中气体压力为O. 4-0. 6MPa，温度要按所使用树脂的固化要求控制热压罐内温度，包括其升温速率、降温速率，保温时间等，制作完成后，试件出罐前要待热压罐内温度降至40-70°C时，卸压冷却，取出嵌入式共固化大阻尼复合材料制品。本发明中步骤I)、步骤2)、步骤3)、步骤5)与现有技术相同，在此不再赘述。本发明在原专利申请(申请号201010177278. 8)基础上，在树脂预浸料工艺之后加上粘弹性阻尼材料的二次或多次预浸工艺，制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料，然后按照预浸料的固化工艺曲线进行共固化，使复合材料结构不仅具有高阻尼、抗疲劳和抗冲击等特性，而且还进一步提高了结合面的力学性能。为实现嵌入式共固化复合材料大阻尼构件制作工艺的自动化和集成化生产奠定了基础。本发明保留了原专利申请(申请号201010177278. 8)的复合材料结构形式(如图I所示)，进一步改进了复合材料预浸料的制备方法，提出了图2 (a)、图2(b)、图2(c)和图3所示的多套自动生产嵌入式共固化复合材料大阻尼铺带的制作工艺，将混炼好的生胶溶于有机溶剂中(120号汽油中，当然也可以是其它有机溶剂)，制成粘弹性材料溶液，提出将预浸过树脂的复合材料铺带以一定的速度通过粘弹性材料的溶液池，使之浸溃上一定厚度的粘弹性材料溶液，通过挤胶辊，然后分别经过本发明提出的湿式烘干装置和干式烘干装置使粘弹性材料溶液中的汽油和水分分别挥发，最终利用热交换器和油水分离器将挥发的汽油回收，实现循环使用。这样在原预浸料的表面上又添加了两层(上下表面)粘弹性材料薄膜，如果设计的粘弹性阻尼材料薄膜较厚，可以通过多次预浸粘弹性材料的方法完成。由于未硫化的粘弹性阻尼材料质地比较软粘，很难与复合材料铺带一起铺设，本发明提出将混炼后的粘弹性材料胶料溶解于有机溶剂中(本申请实施中采用120号汽油作溶剂)制成未硫化的橡胶溶液，且该粘弹性材料的硫化温度与硫化时间要与树脂固化的温度和时间一致，在树脂预浸料工艺之后加上粘弹性阻尼材料的二次或多次预浸料工艺(可根据需要任意组合加工工艺)，制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料，并提出利用湿式烘干工艺将溶剂汽油变成气态汽油，通过热交换器冷却气态汽油和水蒸气混合物后，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的汽油和水的混合物，该液态油水混合物再经油水分离器对溶剂进行分离回收再利用，既安全环保又经济。120号汽油的沸点如表I所示，由于本专利采用120号汽油作为粘弹性材料溶液的溶剂，而且120号汽油具有易挥发、易燃、有毒等物理性质，因此本专利提出在粘弹性阻尼材料的二次或多次预浸工艺之后采用先湿式烘干后再干式烘干的办法。在湿式烘干过程中，将110-130度的水蒸气从a 口通入到湿式烘干塔中，使刚刚经过预浸阻尼薄膜的复合材料铺带进入该湿式烘干塔中，让复合材料铺带中轻组分的汽油受热变成为气相，在塔顶形成气态的汽油与水蒸气的混合物，该混合物通过气泵从c 口排出后经过相应的流量控制阀进入热交换器，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的油水混合物，该液态油水混合物再送至油水分离器，油水分层以后，上层的汽油就能回收再利用，下层水再经过水泵送至凉水塔冷却再循环利用；在湿式烘干塔的中下方，由于温度较低，同样会形成液态的油水混合物，将该处生成的油水混合物从b 口导出和经热交换器产生的油水混合物一起送入油水分离器进行分离，实现循环利用。干式烘干方法与树脂预浸料烘干工艺类似，但是工艺参数与预浸料的烘干参数不同，其主要目的是将湿式烘干工艺中产生的水分在干式烘干工艺中挥发掉，以免影响后续工艺的进行。采用湿式烘干工艺使挥发的汽油气体与水蒸气混合，保证了加工过程的安全性，同时将汽油回收再利用，避免120号汽油挥发以后排入大气造成污染和火灾的发生。表I 120号汽油的沸点
权利要求
1.一种嵌入式共固化连续预浸阻尼薄膜的复合材料铺带制作工艺，其特征是，步骤如下 1)根据粘弹性材料成份质量份数比准备原料； 2)制备混炼胶，先将橡胶原料加入密炼机混炼一分钟，混匀后加大辊距，然后加入除硫化剂以外的其他各种配合剂混炼3分钟，最后加入硫化剂，再混炼一分钟，确保混炼胶均匀后，出薄片待用； 3)粘弹性阻尼材料溶液的制备，将步骤2)制备好的混炼胶薄片加入120号汽油中，室温下密封静置存放24小时,使混炼胶片完全溶解于120号汽油中，形成未硫化的橡胶溶液； 4)利用步骤3)制备的粘弹性阻尼材料溶液对复合材料预浸料进行至少一次预浸工艺，制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料；同时利用湿式烘干和自然风干相结合工艺，或者湿式烘干和干式烘干相结合的工艺将120号汽油变成气态汽油，通过热交换器冷却气态汽油和水蒸气混合物成为液态油水混合物，将冷却后的液态油水混合物送入油水分离器对120号汽油进行分离回收再利用； 5)把步骤4)中制成带阻尼层的复合材料预浸料作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中，然后一起放入热压罐的真空袋中，高度抽真空，热压罐加工的工艺参数按照树脂的固化曲线进行，这样就完成用共固化工艺制成嵌入式共固化复合材料阻尼结构的工件。
2.如权利要求I所述的工艺，其特征是，所述步骤4)中的预浸及湿式烘干和自然风干相结合工艺为，复合材料预浸料经位于粘弹性材料溶液槽中的粘弹性阻尼材料浸湿后，再经挤胶辊挤胶后进入湿式烘干塔烘干后收卷；在湿式烘干过程中，将110-130度的水蒸气通入到湿式烘干塔中，使刚刚经过预浸阻尼薄膜的复合材料预浸料的铺带进入该湿式烘干塔中，在塔顶形成气态的汽油与水蒸气的混合物，该混合物通过气泵从湿式烘干塔顶排出经流量控制阀进入热交换器，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的汽油和水的混合物，该液态油水混合物再经油水分离器，完成汽油回收再利用，在湿式烘干塔的中下方，同样会形成液态汽油和水的混合物，将该处生成汽油和水的混合物从塔底口导出和经热交换器产生的液态汽油和水混合物一起送入油水分离器；然后再将湿式烘干后卷带上的水汽在通风阴凉环境下自然风干，就制成了带阻尼薄膜的复合材料预浸料。
3.如权利要求I所述的工艺，其特征是，所述步骤4)中的预浸及湿式烘干和干式烘干相结合工艺为，复合材料预浸料经位于粘弹性材料溶液槽中的粘弹性阻尼材料浸湿后，再经挤胶辊挤胶后进入湿式烘干塔烘干后，最后经小导向辊和挤胶辊挤胶后进入干式烘干炉烘干后收卷；在湿式烘干过程中，将110-130度的水蒸气通入到湿式烘干塔中，使刚刚经过预浸阻尼薄膜的复合材料预浸料的铺带进入该湿式烘干塔中，在塔顶形成气态的汽油与水蒸气的混合物，该混合物通过气泵从湿式烘干塔顶排出经流量控制阀进入热交换器，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的汽油和水的混合物，该液态油水混合物再经油水分离器，完成汽油回收再利用，在湿式烘干塔的中下方，同样会形成液态汽油和水的混合物，将该处生成汽油和水的混合物从塔底口导出和经热交换器产生的汽油和水混合物一起送入油水分离器；然后再将湿式烘干后的带阻尼薄膜的复合材料预浸料经小导向辊、挤胶辊后进入干式烘干炉烘干后收卷，就制成了带阻尼薄膜的复合材料预浸料。
4.如权利要求I所述的工艺，其特征是，所述步骤4)中的预浸及湿式烘干和干式烘干相结合工艺为，将现有的玻璃布或碳纤维铺带经导向辊、胶槽中的浸胶辊、挤胶辊、进入第一干式烘干炉烘干，再经位于粘弹性材料溶液槽中的粘弹性阻尼材料浸湿后，经挤胶辊挤胶后进入湿式烘干塔烘干后，最后经小导向辊和挤胶辊挤胶后进入第二干式烘干炉烘干后收卷；在湿式烘干过程中，将110-130度的水蒸气通入到湿式烘干塔中，使刚刚经过预浸阻尼薄膜的复合材料铺带进入该湿式烘干塔中，在塔顶形成气态的汽油与水蒸气的混合物，该混合物通过气泵从湿式烘干塔顶排出经流量控制阀进入热交换器，使气态的汽油与水蒸气的混合物变成液态的汽油和水的混合物，该液态油水混合物再经油水分离器，完成汽油回收再利用，在湿式烘干塔的中下方，同样会形成液态汽油和水的混合物，将该处生成汽油和水的混合物从塔底口导出和经热交换器产生的汽油和水混合物一起送入油水分离器；就制成了带阻尼薄膜的复合材料预浸料
5.如权利要求4所述的工艺，其特征是，所述第一干式烘干炉和第二干式烘干炉为立式烘干炉或卧式烘干炉。
6.如权利要求2或3或4所述的工艺，其特征是，所述湿式烘干塔的工艺参数为，烘干温度，底部为65 80°C，中部为80 100°C，顶部为100 130°C。
7.如权利要求6所述的工艺，其特征是，所述湿式烘干塔的结构为，用两个不锈钢半球形盖分别焊接在不锈钢空心圆柱体上下端制成湿式烘干塔，它的中上部留有高温水蒸汽的进入口，最顶部留有气体汽油和水蒸汽的出口，最下部留有液态油水混合物的出口，在湿式烘干塔的底部有两个平行的复合材料预浸料的进出槽口，顶部设有位置能调整的张力辊，确保运行中的张力辊中心线与复合材料预浸料的出入槽口平行，湿式烘干塔的中间留有人能进出的密封门。
8.如权利要求3或4所述的工艺，其特征是，所述第二干式烘干炉工艺参数为，立式烘干炉烘干温度复合材料预浸料的铺带进出口温度为40 70°C，中部温度为70 100°C，上部温度为100 120°C;卧式烘干炉烘干温度复合材料预浸料的铺带进出口温度为60 100°C，中部温度为100 120°C。
9.如权利要求2或3或4所述的工艺，其特征是，所述复合材料预浸料的铺带在预浸前，先在复合材料预浸料铺带的起始端通过卡扣连接一个引带，引带另一端与收卷辊相连，并将引带安装到整个预浸及烘干工艺的装置上，再启动该预浸工艺生产线，引带先通过该生产线，并拉着预浸后的复合材料预浸料的铺带一起通过线上的各个装置，待一卷预浸料加工完成后，将预浸料卷从收卷辊上取出，然后打开卡扣将引带从预浸料卷内抽出重复使用，这样每次开机生产能节约一个布带长度的复合材料预浸料的铺带。
全文摘要
本发明公开了一种嵌入式共固化连续预浸阻尼薄膜的复合材料铺带制作工艺，1)准备原料；2)制备混炼胶；3)粘弹性阻尼材料溶液的制备，4)利用步骤3)制备的粘弹性阻尼材料对复合材料预浸料进行至少一次预浸工艺，制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料；同时利用湿式烘干工艺或者湿式烘干和干式烘干相结合的工艺将120号汽油变成气态汽油，通过热交换器冷却气态汽油和水蒸气混合物后，再将冷却后油水混合物送入油水分离器对120号汽油进行分离回收再利用；5)把步骤4)中制成带阻尼薄膜的复合材料预浸料作为特定的铺层嵌入到复合材料结构中，一起放入热压罐的真空袋中，高度抽真空，完成用共固化工艺制备嵌入式共固化复合材料阻尼结构工件。
文档编号B29C70/44GK102642315SQ201210139398
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者修瑶瑶, 张忠胜, 梁森, 王辉 申请人:青岛理工大学