一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法与流程

本发明涉及一种复合材料的制备方法，尤其涉及一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法，具体适用于使尼龙树脂较易浸润碳纤维织物。

背景技术：

尼龙是一种半透明结晶性的工程塑料，耐摩擦，耐腐蚀，具有优异的机械性能，在汽车制造、机械加工、电子电器、航空航天等领域应用广泛。但是单纯的尼龙树脂强度较低，通常要与增强纤维复合制备力学性能优异的复合材料。碳纤维是一种含碳量在90%以上无机碳材料，其可与树脂制成力学性能优异的复合材料。

现有的碳纤维织物增强尼龙复合材料，具有组织结构较为单一，经纬交织点不易被尼龙树脂浸润的缺陷，同时，由于碳纤维表面官能团较少，纤维与树脂复合效果较差，碳纤维表面多通过酸蚀引入活性基团，但此种方法对碳纤维损伤较大，使碳纤维的强度下降明显，有文献中为改善浸润性，用甲酸或极性溶剂溶解尼龙，该种方式操作比较麻烦，并且极性溶剂容易污染环境。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的尼龙树脂不易浸润碳纤维织物的缺陷与问题，提供一种尼龙树脂较易浸润碳纤维织物的碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：

制取碳纤维/尼龙编织纱：以碳纤维束为芯纱，在碳纤维束表面包缠尼龙长丝以制取碳纤维/尼龙编织纱；

制备预制件：将上述编织纱织造为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物或三维织物以作为混编预制件，或将上述编织纱缠绕在芯模上成型为芯模预制件；

预处理：先将上述混编预制件或芯模预制件放入有机溶剂中去除杂质，再将混编预制件或芯模预制件浸泡在醇溶尼龙无水乙醇溶液中，该醇溶尼龙无水乙醇溶液为醇溶尼龙与无水乙醇混合之后的溶液，浸泡完毕后，取出混编预制件或芯模预制件，并进行烘干；

热处理成型：对上述烘干后的混编预制件或者芯模预制件进行热处理，以获得所述的复合材料。

所述尼龙长丝是指分子主链中含有重复酰胺基团的尼龙长丝。如尼龙6长丝、尼龙66长丝、尼龙610长丝、尼龙612长丝、尼龙1010长丝、尼龙12长丝等。

所述碳纤维/尼龙编织纱的制取工艺为：

先将碳纤维束至于中间轴位置，再在碳纤维束四周设置多根尼龙长丝，然后将多根尼龙长丝沿8字型轨道运动，以对位于中间轴的碳纤维束进行包缠。

所述将上述混编预制件或芯模预制件放入有机溶剂中去除杂质是指：

先将混编预制件或芯模预制件放入有机溶剂中浸泡2―4h，再在浸泡的状态下继续超声清洗10―20min；所述有机溶剂为分析纯；所述杂质包括环氧浆料。

所述有机溶剂为丙酮、氯仿或n，n-二甲基甲酰胺。

所述醇溶尼龙无水乙醇溶液中醇溶尼龙的质量百分比浓度为0.5%―3%，所述混编预制件或芯模预制件在醇溶尼龙无水乙醇溶液中的浸泡时间为8―16h。

所述对上述烘干后的混编预制件进行热处理依次包括预热、加压与冷却步骤，其中，加压采取逐级升压方式。

所述预热是指：先将加热空间升温至230―280℃，再将已搁置有混编预制件的模具置于加热空间内2―3min；

所述加压是指：采用逐级升压方式，先加压至10―20mpa，再保压20―30min；

所述冷却是指：先在上述保压的状态下，冷却至170―200℃，冷却速率为0.5―2℃/min，再冷却至室温，冷却速率为20―30℃/min。

所述对上述烘干后的芯模预制件进行热处理是指：

先将芯模预制件合模放入加热装置中，再加热至230―280℃，然后保温20―30min，再冷却至室温，冷却速率为1―5℃/min。

所述合模放入是指：在芯模预制件外罩上一个模具，该模具与芯模预制件的底面互不接触，再将芯模预制件及其外罩的模具一并放入加热装置中。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法中，依次包括制取碳纤维/尼龙编织纱、制备预制件、预处理、热处理成型这四大步骤，其中，制取碳纤维/尼龙编织纱步骤中以碳纤维束为芯纱，在碳纤维束表面包缠尼龙长丝，随后，再以编织纱为基础制取预制件，该设计的优点如下：首先，能够确保每个碳纤维束、碳纤维束的经纬交织点之间都有尼龙长丝，从而缩短尼龙长丝所转化为的基体树脂流入碳纤维单丝的距离，使得碳纤维经纬交织点之间也能充分浸润，进而在热压成型时使得基体树脂更易浸润碳纤维，极大地改善了纤维与树脂之间的界面粘结效果；其次，尼龙长丝在碳纤维束中分布的较均匀，使得碳纤织物在基体树脂中的分布更加均匀，更利于尼龙树脂对碳纤维织物的均匀浸润。因此，本发明能使尼龙树脂较易浸润碳纤维织物。

2、本发明一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法中，在对预制件进行热处理之前，需要进行预处理操作，该操作包括依次进行的有机溶剂浸泡与醇溶尼龙无水乙醇溶液浸泡，其中，将预制件浸泡在醇溶尼龙溶液中，目的是为了在碳纤维表面覆着一层尼龙浆料，以便于热处理成型时尼龙树脂能更好地浸润碳纤维，与碳纤维形成良好的界面，而将预制件浸泡在有机溶剂中，则是为了去除碳纤维表面一般会涂覆的环氧浆料以及其它杂质，避免其有损尼龙树脂与碳纤维形成良好的界面层。因此，本发明不仅利于尼龙树脂能更好地浸润碳纤维，而且便于尼龙树脂与碳纤维形成良好的界面层。

3、本发明一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法中，预制件包括混编预制件与芯模预制件，其中，混编预制件为包括平纹织物、斜纹织物、缎纹织物或三维织物的平面织物，芯模预制件为在芯模上缠绕成型的各种具备特殊形状的织物，如管状，球状等，该设计大大丰富了最终复合材料的组织结构，克服了现有技术中组织结构单一的缺陷，此外，平面织物还可使碳纤维更好地承载应力，特殊形状的织物则更适合应用于各种特殊环境。因此，本发明不仅组织结构丰富，而且应用范围较广。

附图说明

图1是本发明中编织纱的制取工艺示意图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法，所述制备方法依次包括以下步骤：

制取碳纤维/尼龙编织纱：以碳纤维束为芯纱，在碳纤维束表面包缠尼龙长丝以制取碳纤维/尼龙编织纱；

制备预制件：将上述编织纱织造为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物或三维织物以作为混编预制件，或将上述编织纱缠绕在芯模上成型为芯模预制件；

预处理：先将上述混编预制件或芯模预制件放入有机溶剂中去除杂质，再将混编预制件或芯模预制件浸泡在醇溶尼龙无水乙醇溶液中，该醇溶尼龙无水乙醇溶液为醇溶尼龙与无水乙醇混合之后的溶液，浸泡完毕后，取出混编预制件或芯模预制件，并进行烘干；

热处理成型：对上述烘干后的混编预制件或者芯模预制件进行热处理，以获得所述的复合材料。

所述尼龙长丝是指分子主链中含有重复酰胺基团的尼龙长丝。如尼龙6长丝、尼龙66长丝、尼龙610长丝、尼龙612长丝、尼龙1010长丝、尼龙12长丝等。

所述碳纤维/尼龙编织纱的制取工艺为：

先将碳纤维束至于中间轴位置，再在碳纤维束四周设置多根尼龙长丝，然后将多根尼龙长丝沿8字型轨道运动，以对位于中间轴的碳纤维束进行包缠。

所述将上述混编预制件或芯模预制件放入有机溶剂中去除杂质是指：

先将混编预制件或芯模预制件放入有机溶剂中浸泡2―4h，再在浸泡的状态下继续超声清洗10―20min；所述有机溶剂为分析纯；所述杂质包括环氧浆料。

所述有机溶剂为丙酮、氯仿或n，n-二甲基甲酰胺。

所述醇溶尼龙无水乙醇溶液中醇溶尼龙的质量百分比浓度为0.5%―3%，所述混编预制件或芯模预制件在醇溶尼龙无水乙醇溶液中的浸泡时间为8―16h。

所述对上述烘干后的混编预制件进行热处理依次包括预热、加压与冷却步骤，其中，加压采取逐级升压方式。

所述预热是指：先将加热空间升温至230―280℃，再将已搁置有混编预制件的模具置于加热空间内2―3min；

所述加压是指：采用逐级升压方式，先加压至10―20mpa，再保压20―30min；

所述冷却是指：先在上述保压的状态下，冷却至170―200℃，冷却速率为0.5―2℃/min，再冷却至室温，冷却速率为20―30℃/min。

所述对上述烘干后的芯模预制件进行热处理是指：

先将芯模预制件合模放入加热装置中，再加热至230―280℃，然后保温20―30min，再冷却至室温，冷却速率为1―5℃/min。

所述合模放入是指：在芯模预制件外罩上一个模具，该模具与芯模预制件的底面互不接触，再将芯模预制件及其外罩的模具一并放入加热装置中。

本发明的原理说明如下：

本发明中尼龙长丝指的是所有分子主链中含有重复酰胺基团的尼龙长丝，如尼龙6长丝、尼龙66长丝、尼龙610长丝、尼龙612长丝、尼龙1010长丝、尼龙12长丝等。

参见图1所示的一种本发明中编织纱的制取工艺，在该图中，碳纤维束位于中间轴位置，而在碳纤维束的四周则环绕的设置有多根尼龙长丝，制造时，驱动环绕的多根尼龙长丝沿8字型轨道运动，以对位于中间轴的碳纤维束进行包缠，即可制取本发明所需的编织纱。此外，编织纱的制取可在编织机上进行，如8锭、16锭或32锭。

尼龙长丝的旦数优选为100―210旦，其原因在于：旦数太小的话，包不紧，旦数太高的话，碳纤含量太少，预制件中相邻两束碳纤维束的间距会变大，热压成型时碳纤维会发生移动，影响织物组织结构的稳定性。

碳纤维束的规格优选为1k、3k、6k或12k。

芯模预制件：将编织纱缠绕在芯模上进行缠绕成型即可获得。该种制作方法的优点是利于制作特殊形状的复合材料，避免复合材料多为板材的缺陷。

上述对烘干后的混编预制件进行热处理依次包括预热、加压与冷却步骤，各步骤具体含义如下：

所述预热是指：先将加热空间升温至230―280℃，再将已搁置有混编预制件的模具置于加热空间内2―3min，以使混编预制件中的尼龙长丝充分熔融为尼龙树脂；

所述加压是指：采用逐级升压方式，先加压至10―20mpa，再保压20―30min，以使尼龙树脂充分浸润混编预制件中的碳纤维单丝；对于逐级升压方式可理解为：先升压至2mpa，保压30s后降压至0mpa后停留2s，再升压至4mpa，保压30s后降压至0mpa后停留2s，然后升压至6mpa……如此，依次循环，直至升压至10―20mpa；

所述冷却是指：先在上述保压的状态下，冷却至170―200℃，冷却速率为0.5―2℃/min，以使尼龙树脂结晶，再冷却至室温，冷却速率为20―30℃/min。

对芯模预制件采取合模放入加热装置中进行加热的原因在于：缠绕芯模主要解决的是碳纤维增强尼龙复合材料成型形状单一的问题，但缠绕在芯模上后，如果不合模直接加热，尼龙长丝转化的基体树脂不能浸润到碳纤维单丝之间，基体树脂只能分布在碳纤维束之间，合模是为了给予一定的压力，使基体树脂充分浸润到碳纤维单丝之间。

实施例1：

一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法，依次包括以下步骤：

制取碳纤维/尼龙编织纱：以碳纤维束为芯纱，在碳纤维束表面包缠尼龙长丝以制取碳纤维/尼龙编织纱；所述碳纤维/尼龙编织纱的制取工艺为：先将碳纤维束至于中间轴位置，再在碳纤维束四周设置多根尼龙长丝，然后将多根尼龙长丝沿8字型轨道运动，以对位于中间轴的碳纤维束进行包缠；

制备预制件：将上述编织纱织造为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物或三维织物以作为混编预制件；

预处理：先将混编预制件放入有机溶剂中浸泡2―4h，有机溶剂为丙酮，再在浸泡的状态下继续超声清洗10―20min，然后将混编预制件浸泡在质量百分比浓度为0.5%―3%醇溶尼龙无水乙醇溶液中，该醇溶尼龙无水乙醇溶液为醇溶尼龙与无水乙醇混合之后的溶液，浸泡时间为8―16h，浸泡完毕后，取出混编预制件，并进行烘干；

热处理成型：对上述烘干的混编预制件依次进行下述预热、加压与冷却步骤，其中，预热是指先将加热空间升温至230―280℃，再将已搁置有混编预制件的模具置于加热空间内2―3min；加压是指采用逐级升压方式，先加压至10―20mpa，再保压20―30min；冷却是指先在上述保压的状态下，冷却至170―200℃，冷却速率为0.5―2℃/min，再冷却至室温，冷却速率为20―30℃/min，以获得所述的碳纤维织物增强尼龙复合材料。

实施例2：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

有机溶剂为氯仿，混编预制件在氯仿溶液中浸泡3h，在醇溶尼龙无水乙醇溶液中浸泡12h。

实施例3：

基本内容同实施例1，不同之处在于：

有机溶剂为n，n-二甲基甲酰胺；

预热中，升温至260℃；加压中，加压至15mpa；冷却中，冷却至186℃。

实施例4：

一种碳纤维织物增强尼龙复合材料的制备方法，依次包括以下步骤：

制取碳纤维/尼龙编织纱：以碳纤维束为芯纱，在碳纤维束表面包缠尼龙长丝以制取碳纤维/尼龙编织纱；所述碳纤维/尼龙编织纱的制取工艺为：先将碳纤维束至于中间轴位置，再在碳纤维束四周设置多根尼龙长丝，然后将多根尼龙长丝沿8字型轨道运动，以对位于中间轴的碳纤维束进行包缠；

制备预制件：将上述编织纱缠绕在芯模上成型为芯模预制件；

预处理：先将芯模预制件放入有机溶剂中浸泡2―4h，有机溶剂为氯仿，再在浸泡的状态下继续超声清洗10―20min，然后将芯模预制件浸泡在质量百分比浓度为0.5%―3%醇溶尼龙无水乙醇溶液中，该醇溶尼龙无水乙醇溶液为醇溶尼龙与无水乙醇混合之后的溶液，浸泡时间为8―16h，浸泡完毕后，取出芯模预制件，并进行烘干；

热处理成型：先将上述烘干后的芯模预制件合模放入加热装置中，再加热至230―280℃，然后保温20―30min，再冷却至室温，冷却速率为1―5℃/min，以获得所述的碳纤维织物增强尼龙复合材料。

实施例5：

基本内容同实施例4，不同之处在于：

有机溶剂为丙酮，混编预制件在丙酮溶液中浸泡3.1h，在醇溶尼龙无水乙醇溶液中浸泡11h。

实施例6：

基本内容同实施例4，不同之处在于：

有机溶剂为n，n-二甲基甲酰胺；

预热中，升温至270℃；冷却至室温中，冷却速率为3℃/min。