连续碳纤维增强热塑性预浸料的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种连续碳纤维增强热塑性预浸料的制造方法，更具体地，涉及将碳纤维层铺展并排布在多层热塑性树脂膜之间并通过粘合工艺来制造连续碳纤维增强热塑性预浸料的方法，以取代用熔融的热塑性树脂直接浸渍碳纤维。
【背景技术】
[0002]通常，通过在具有相对低的机械强度的塑料中连续地嵌入增强纤维(如玻璃纤维或碳纤维)，形成连续碳纤维增强热塑性塑料。与具有Imm或更短的纤维长度的短纤维增强热塑性塑料(SFT)或具有约5_至约50_的纤维长度的长纤维增强热塑性塑料(LFT，如玻璃毡增强热塑性塑料(GMT))相比，这种连续碳纤维增强热塑性塑料具有非常优异的机械强度、刚度和耐冲击性。
[0003]此外，由于连续碳纤维增强热塑性塑料具有优异的挠度，连续碳纤维增强热塑性塑料能够被单向地或双向地编织，并且编织的连续碳纤维增强热塑性材料能够用于要求各种机械性能的许多产品中。
[0004]通常，连续碳纤维增强热塑性塑料可由诸如挤出法、混合或热压法制造。
[0005]在挤出法中，通过使被铺展的连续纤维束穿过盛有液体或熔融树脂的槽或模具，从而用塑性树脂浸渍连续纤维束。尽管通过优化挤出加工的加工条件可提高浸渍度，但是难以控制增强纤维(如连续纤维)和被混合的塑性树脂的含量，并且由挤出法加工的连续纤维由于其挠度降低而不易于编织。另外，如果使用现有技术的加热方法，存在膜从表面熔融并且因此在熔融的表面容易弯曲的问题。
[0006]因此，有必要提供一种能够克服上述问题的连续碳纤维增强热塑性预浸料的制造方法，以使该方法能够被有用地用于相关领域。
【发明内容】
[0007]技术问题
[0008]本发明的一方面提供一种高强度连续碳纤维增强热塑性预浸料的制造方法，其中，通过对膜和被铺展的碳纤维束进行重复的堆叠加工、熔融加工和包括微浸渍的浸渍加工，而不实施使用高黏性的热塑性聚合物颗粒熔融树脂的浸渍加工，从而改善树脂对于高集束率(例如，12K、24K或48Κ等)碳纤维束的浸渍性，使连续碳纤维增强热塑性预浸料中的连续碳纤维的体积分数最大化，减少空隙的形成，并且使连续碳纤维增强热塑性预浸料容易制造。
[0009]技术方案
[0010]根据本发明的一个方面，连续碳纤维增强热塑性预浸料的制造方法包括:提供被铺展(被扩展)的多个碳纤维的步骤；通过将热塑性膜置于被铺展的碳纤维的上侧和下侧的至少一部分上而形成堆叠体的步骤；以及通过将构成所述堆叠体的热塑性膜和碳纤维粘合而形成复合材料(bonded material)的步骤。
[0011]优选地，所述复合材料的形成可通过照射微波来实施。
[0012]优选地，所述复合材料的形成可通过使用选自由卤素灯和红外线灯组成的组中的至少一个热源在100°C至450°C的温度范围内实施。
[0013]优选地，所述被铺展的多个碳纤维以规律的间隔排布。
[0014]优选地，在提供所述被铺展的多个碳纤维的步骤中，包括采用具有比热塑性膜的熔点更低的熔点的粘合用树脂涂覆所述碳纤维。
[0015]优选地，所述热塑性膜由选自以下的材料形成:聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)和聚乙二醇对苯二甲酸酯(PET)。
[0016]优选地，所述热塑性膜具有10 μπι至100 μm的厚度。
[0017]优选地，本发明的制造方法进一步包括使用一对辊在真空或大气压条件下按压所述复合材料。
[0018]优选地，所述复合材料的按压在100°C至450°C的温度范围内实施。
[0019]优选地，本发明的制造方法进一步包括:加热所述复合材料；以及使用一对辊在真空或大气压条件下额外地按压所述复合材料。
[0020]优选地，加热所述复合材料在100°C至450°C的温度范围内实施。
[0021]优选地，额外地按压所述复合材料在100°C至450°C的温度范围内实施。
[0022]优选地，加热所述复合材料使用选自卤素灯和红外线灯中的至少一个热源来实施。
[0023]优选地，所述堆叠体包括被堆叠的热塑性膜和置于热塑性膜之间的碳纤维。
[0024]有益效果
[0025]根据本发明的方法，在将含有或浸渍了热塑性树脂膜的连续碳纤维增强预浸料(含有连续碳纤维的带)以单向排布或双轴向排布(0°和90° )之后，不需要额外的树脂浸渍步骤。此外，将通过本发明得到的热塑性预浸料以单向排布或编织之后，对其进行热压加工，以获得高强度、轻质量的具有各种形状的连续碳纤维增强热塑性板。根据本发明，可容易地实施编织加工，并且可以使用各种热塑性膜，从而可得到高度均匀的连续碳纤维增强热塑性预浸料(含有连续碳纤维的带)。此外，通过使与热固性树脂相比具有更高粘性的热塑性树脂的浸渍碳纤维最大化，使成型体内部的空隙最小化，且使碳纤维的体积分数最大化，从而能够制造具有高强度的碳纤维增强热塑性产品。
【附图说明】
[0026]图1为示意性地示出根据本发明的制造方法的流程图。
[0027]图2(a)至(C)示意性地示出可用于提供本发明的被铺展的碳纤维的步骤中的碳纤维束铺展设备(由日本Harmoni公司制造)。
[0028]图3示意性地示出由被铺展的碳纤维束和热塑性膜形成的本发明的堆叠体的图。
[0029]图4示意性地示出根据本发明制造的碳纤维增强热塑性膜的立体图。
[0030]图5(a)和5(b)为分别以不同比例示出根据本发明制造的连续碳纤维增强热塑性预浸料的截面的图。
[0031]图6示出使用根据本发明的热塑性预浸料(含有连续碳纤维的带)制造单向的连续碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)板的示例性过程。
[0032]图7示出使用根据本发明的热塑性预浸料(含有连续碳纤维的带)制造编织型连续碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)板的示例性过程。
[0033]图8(a)示出挠曲性能测试机，图8(b)示出用于挠曲性能测试的试样。
[0034]图9示出对通过使用本发明的热塑性预浸料来制造的单向的连续碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)板进行挠曲性能测试的结果。
[0035]图10为根据本发明制造的一个示例性板的截面的扫描电子显微(SEM)图。
【具体实施方式】
[0036]下面，参照附图详细描述本发明的实施方式。然而，本发明的实施方式可以变形为许多不同的形式，且不应理解为本发明被限制于在此描述的实施方式中。
[0037]本发明提供一种连续碳纤维增强热塑性预浸料的制造方法，其中，将碳纤维排布在热塑性膜的一侧或多层热塑性膜之间并将碳纤维粘合至所述膜，以取代用熔融的热塑性树脂直接浸渍碳纤维。
[0038]详细地，本发明的制造方法包括:提供被铺展的多个碳纤维的步骤；通过将热塑性膜置于所述被铺展的碳纤维的上侧和下侧的至少一部分上而形成堆叠体的步骤；以及通过将构成所述堆叠体的热塑性膜和碳纤维粘合而形成复合材料的步骤。
[0039]如上所述，本发明可得到将连续碳纤维粘合或融合至热塑性膜的预浸料，并且在本发明中，该预浸料可被称作“复合材料”或“半预浸料”。此外，通过对上述“半预浸料”实施如按压或加热等后续加工可获得碳纤维被插入热塑性膜中的最终预浸料。
[0040]本发明的预浸料是指包括带(tape)或片(sheet)等形状的预浸料。
[0041]图1为示意性地示出本发明的制造方法的流程图，参照图1，制备所述多个碳纤维的步骤可包括解旋(