一种聚苯硫醚/碳纤维共纺布及其模压成型方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料技术领域，涉及一种共纺布及其制备方法，尤其是涉及一种聚苯硫醚/碳纤维共纺布及其模压成型方法。
【背景技术】
[0002]聚苯硫醚，英文名称为Phenylene sulfide，简称PPS，是一种综合性能优异的热塑性特种工程塑料。聚苯硫醚树脂在其大分子结构中，苯环对位上连接硫原子，形成刚性大分子聚合物主链，结晶度高，密度1.34g/cm3，熔点285°C，分解温度大于400°C，最早由美国菲利浦石油有限公司研制成功，是良好的耐高温材料。由聚苯硫醚树脂制备的PPS纤维具有很强的刚性、耐疲劳性、耐化学腐蚀性、耐热性和阻燃性，以及良好的纺织加工性能。PPS纤维可在200?240°C下连续使用，在低于400°C的空气或氮气中稳定(基本无重量损失)，能抵抗酸、碱、氯烃、烃类、酮、醇、酯等化学品的浸蚀(200°C下无溶剂可溶)，具有优异的阻燃性，其限氧指数(LOI)为34%，不需添加阻燃剂就可达到美国UL94V-0阻燃标准。由于PPS纤维的特殊性能，现已广泛应用于高温、化学腐蚀等环境中。
[0003]碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等。但与一般碳素材料不同的是，碳纤维外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。目前，碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料，尤其是在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料得到了广泛应用。
[0004]目前，采用连续碳纤维增强热塑性塑料具有韧性好、材料可回收利用等优点。而热塑性塑料选用PPS树脂不仅机械强度高，还具有优异的防火阻燃性能，这也使得PPS树脂制品在交通工具的内饰方面具有广阔的应用前景。但由于连续碳纤维与PPS树脂的预浸比较困难，这极大制约了聚苯硫醚/碳纤维复合材料的技术发展。针对这一问题，申请号为201210471972.X的中国发明专利公开了一种PPS复合材料的制备方法，包括以下步骤:I)将PPS粉料、纤维布交替铺展均匀；2)将步骤I)铺设好的模具放入热压机，按步骤加压升温，然后降温定型开模，得PPS复合材料。上述专利公开的技术方案是将PPS粉末均匀放置在模具底面，然后放置增强纤维布，再于纤维布上均匀放置PPS粉末，合模加热加压成形即可。但上述专利存在的技术缺陷是PPS粉末在制品内的均匀性不容易控制，而且模具加热需要较长时间，产品的生产效率不高，不利于降低生产成本。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够有效提高碳纤维分布均匀性，并且生产效率高的聚苯硫醚/碳纤维共纺布及其模压成型方法。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种聚苯硫醚/碳纤维共纺布，该共纺布为平纹共纺布，由经向编织纤维束与玮向编织纤维束编织而成，所述的经向编织纤维束由多条经向碳纤维束与经向聚苯硫醚纤维束两两相间组合而成，所述的玮向编织纤维束由多条玮向碳纤维束与玮向聚苯硫醚纤维束两两相间组合而成。
[0008]所述的经向碳纤维束与玮向碳纤维束的条数相同。
[0009]所述的经向聚苯硫醚纤维束与玮向聚苯硫醚纤维束的条数相同。
[0010]所述的经向碳纤维束与玮向碳纤维束为IK碳纤维束、3K碳纤维束或6K碳纤维束中的一种。
[0011]所述的经向聚苯硫醚纤维束与玮向聚苯硫醚纤维束为400D/100f聚苯硫醚纤维束、800D/200f聚苯硫醚纤维束或1600D/400f聚苯硫醚纤维束中的一种，并且所述的聚苯硫醚纤维束的熔点为285°C。
[0012]一种聚苯硫醚/碳纤维共纺布的模压成型方法，该方法具体包括以下步骤:
[0013](I)将剪裁后的聚苯硫醚/碳纤维共纺布置于加热炉的预热架中，并铺设整齐，再将加热炉加热升温至285?290°C，恒温预热10?15min ；
[0014](2)将模压模具进行预热，控制模压模具的温度小于285°C ;
[0015](3)在步骤(2)经预热处理的模压模具型腔中，喷涂脱模剂，再将步骤(I)经预热处理的聚苯硫醚/碳纤维共纺布转移至涂有脱模剂的模压模具型腔中，合模，控制压力为0.2?0.5MPa，充分保压5?15min，控制温度为285?320°C，待聚苯硫醚冷却固化后，脱模即可。
[0016]步骤(I)所述的加热炉为电阻加热炉，所述的预热架为金属材料制成的预热架。
[0017]步骤(3)所述的脱模剂为外脱模剂，包括硅氧烷化合物、硅油、甲基硅油、乳化甲基娃油、聚四氟乙稀。
[0018]所述的模压模具包括下模座及与下模座相对设置的动模，所述的下模座设有用于放置聚苯硫醚/碳纤维共纺布的型腔，所述的动模设有与下模座型腔相对的凸模，所述的下模座与动模均设置在液压机上，并且所述的下模座底部设有多个通孔，该通孔中设有电加热管，该电加热管通过电路与控温仪连接。
[0019]本发明是将PPS连续纤维与连续碳纤维共纺织布裁剪铺、预热后放在金属模具中，在压力机下压制、冷却成零件，零件内部PPS与碳纤维均匀分布，紧密结合，外观光滑美观，零件生产效率高。
[0020]在实际的聚苯硫醚/碳纤维共纺布设计过程中，可以通过改变经向碳纤维束与经向聚苯硫醚纤维束的相对数量或改变玮向碳纤维束与玮向聚苯硫醚纤维束的相对数量，来改变碳纤维与聚苯硫醚纤维的体积分数，用以满足不同制品的要求，适用范围广。例如，控制经向碳纤维束与经向聚苯硫醚纤维束两者数量一致，即可以获得体积分数为50%的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。
[0021]模压成形时，聚苯硫醚/碳纤维共纺布按照零件尺寸及体积进行剪裁，剪裁后放入预热架内，并铺设整齐；预热架采用金属材料制成，预热架基本不承受载荷，要求耐几百度温度，不生锈起皮，强度要求不高。在对电阻加热炉进行加热的过程中，加热到温度大于聚苯硫醚熔化温度即可，温度太高容易产生聚苯硫醚流淌，可以根据实际零件形状来控制电阻加热炉的预热温度。
[0022]模压模具温度则需控制温度小于聚苯硫醚的熔化温度，因为温度太高，制品无法固化成形，温度太低，又不利于两种材料结合，而且会影响制品的表面质量，可以根据实际零件尝试确定最合适的温度。
[0023]与现有技术相比，本发明具有以下特点:
[0024]I)由于采用聚苯硫醚/碳纤维共纺布，经过预热后，置于模压模具中加压，模压模具不需持续加热，而是处于保温状态，处于较高温度的碳纤维与PPS共纺坯料在模压模具的压力下，紧密结合并成型，随后在模压模具中快速冷却到PPS软化点以下，固化获得制品，整个模压成型过程简单，周期短，能有效提高生产效率，并显著降低成本；
[0025]2)相比于现有的采用PPS粉末，本发明采用的聚苯硫醚/碳纤维共纺布编织整齐，成型时碳纤维未发生软化，仍然会保持原有的编织状态，这能够有效保证碳纤维在固化制品中分布均匀，固化制品的均一性好；
[0026]3)由于基体为热塑性PPS高分子材料，使得制品具有优异的防火阻燃特性，并且将PPS纤维与碳纤维有机结合起来，充分发挥两者的协同作用，使得制品更具有高强度与高模量；
[0027]4)本发明的固化制品可以作为轻量化航空座椅结构材料，用以代替传统金属材料，减轻重量，同时也可以作为乘用车零件材料，有利于提高车辆的节能减排效果，具有很好的应用前景。
【附图说明】
[0028]图1为本发明一种聚苯硫醚/碳纤维共纺布的结构示意图；
[0029]图2为本发明模压模具的结构示意图；
[0030]图中标记说明:
[0031 ] I 一经向碳纤维束、2—经向聚苯硫醚纤维束、3—玮向碳纤维束、4 一玮向聚苯硫醚纤维束、5—动模、6—下模座、7—聚苯硫醚/碳纤维共纺布、8—通孔。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0033]实施例1:
[0034]如图1所示，一种聚苯硫醚/碳纤维共纺布，该共纺布为平纹共纺布，由经向编织纤维束与玮向编织纤维束编织而成，经向编织纤维束由多条经向碳纤维束I与经向聚苯硫醚纤维束2两两相间组合而成，玮向编织纤维束由多条玮向碳纤维束3与玮向聚苯硫醚纤维束4两两相间组合而成。
[0035]本实施例中，经向编织纤维束中的经向碳纤维束I与经向聚苯硫醚纤维束2的数量比为1:2，玮向编织纤维束中的玮向碳纤维束3与玮向聚苯硫醚纤维束4的数量比也为1:2。其中，经向碳纤维束I与玮向碳纤维束3均为3K碳纤维束，经向聚苯硫醚纤维束2与玮向聚苯硫醚纤维束4均为1600D/400f的聚苯硫醚纤维束，该聚苯硫醚纤维束的熔点为285。。。
[0036]本实施例中，聚苯硫醚/碳纤维共纺布7的模压成型方法具体包括以下步骤:
[0037](I)将剪裁后的聚苯硫醚/碳纤维共纺布7置于加热炉的预热架中，并铺设整齐，再将加热炉加热升温至290°C，恒温预热15min ；
[0038](2)将模压模具进行预热，控制模压模具的温度小于285°C ;
[0039](3)在步骤(2)经预热处理的模压模具型腔中，喷涂脱模剂，再将步骤(I)经预热处理的聚苯硫醚/碳纤维共纺布7转移至涂有脱模剂的模压模具型腔中，合模，控制压力为0.5MPa，充分保压lOmin，控制温度为320°C，待聚苯硫醚冷却固化后，脱模即可。
[0040]步骤⑴中的加热炉为电阻加热炉，预热架为金属材料制成的预热架。
[0041]步骤⑶中的脱模剂为甲基硅油。
[0042]如图2所示，模压模具包括下模座6及与下模座6相对设置的动模5，下模座6设有用于放置聚苯硫醚/碳纤维共纺布7的型腔，动模5设有与下模座6型腔相对的凸模，下模座6与动模5均设置在液压机上，并且下模座6底部设有多个通孔8，该通孔8中设有电加热管，该电加热管通过电路与控温仪连接。
[0043]在实际的聚苯硫醚/碳纤维共纺布7设计过程中，可以通过改变经向碳纤维束I与经向聚苯硫醚纤维束2的相对数量或改变玮向碳纤维束3与玮向聚苯硫醚纤维束4的相对数量，来改变碳纤维与聚苯硫醚纤维的体积分数，用以满足不同制品的要求，适用范围广。
[0044]模压成形时，聚苯硫醚/碳纤维共纺布7按照零件尺寸及体积进行剪裁，剪裁后放入预热架内，并铺设整齐；预热架采用金属材料制成，预热架基本不承受载荷，要求耐几百度温度，不生锈起皮，强度要求不高。在对