专利名称：增强纤维的3d结构混合纤维毡及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种增强纤维，更具体说是一种轻质防火复合材料中的3D结构的增强混合纤维租的制造方法。
背景技术：
当前，国内外航空航天、轨道交通、舰艇等领域采用的新材料都是要求轻质、高强、防火、绿色等优良性能，其中PMI (聚酰亚胺发泡材料)、PF (酚醛发泡材料)两种材料尤为突出，具有较高的使用温度、不燃的防火性能，绿色的轻质材料、在密度上都能做到不超过
0.2，然而在其它力学性方面却不能满足要求。只有通过纤维增强上述两种的发泡材料，才能解决PMI与PF发泡材料力学性能差的问题。例如酚醛泡沫是一种具有优异的新型防火、保温材料，具有耐火、保温、绝热、防潮、无毒、抗压、体轻、隔音吸音等特点。其主要技术参数:密度:45-200kg/m3 ;导热系数:0.0240.034 w / m.k;使用温度:-160+150°C ;吸水率:< 3 % ;可燃性:不燃。但是它存在致命的缺点:一是易粉化；二是抗拉强度低；三是弯曲强度低。目前国内出现的酚醛热固性泡沫塑料板，还没有用纤维增强的，因此制得的泡沫塑料，表观密度0.045克一0.080克/cm3左右、拉伸强度低(无法测得)、弯曲强度低(无法测得)、压缩变形大(压缩强度只有0.36MPa)、极限氧指数35，只能用来制造保温材料，限制了泡沫塑料的使用范围，根本不能作为结构材料。而用纤维增强的酚醛热固性泡沫塑料，一是采用改性增韧的甲阶酚醛树脂；二是采用耐高温纤维增强，如碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等，制得的纤维增强的酚醛热固性泡沫塑料各项力学性大大提高。采用什么样的纤维结构用来增强酚醛热固性泡沫塑料？采用一般的玻璃网格布或玻璃纤维短切毡，这些产品都是片状的布，制成多层的玻璃纤维增强的泡沫塑料，一是由于纤维与塑料混合不均，结合不牢，测得各项性能不高；二是由于片状的，各层之间结合不牢，易出现分层现象；三是单位面积重量重，玻璃网格布，每平米80克-160克，对于8mm厚的增强泡沫制品，需要15层-20层，仅玻璃纤维重量(按最轻计算:玻璃网格布15层，每层80克/m2)就有1200克/m2，且泡沫塑料重量不算，仅玻璃纤维重量达到0.15g/cm3，难以制成密度
0.15-0.25的纤维增强酚醛树脂泡沫塑料；目前国内出现了较先进的采用3D-中空织物来解决增强问题，3D中空织物是由形成芯部的Z向纤维将上下两个表层的织物连接而形成，其典型空间特征是芯部纤维沿经向呈现“8”字形，“8”字形的高低(Z向)可以调节，在X.Y两个方向的间距可以设计，上下两个表层厚度、经纬密度及纤维可以调节。材料具备很强的设计性。与树脂复合时，Z向纤维瞬间吸收树脂，使织物自动成型到设计高度，形成了三明治结构的中空复合材料。这种3D-中空织物，是比较先进的，对于制造结构材是很好的一种纤维增强结构，但是由于3D-中空织物，780-1790g/m2,泡沫塑料重量不计，3mm厚的3D-中空织物重量780/m2，20 mm厚的3D-中空织物重量1790g/m2，3D-中空织物占增强泡沫塑料的0.26-0.10g/cm3,因此3D-中空织物不适合用来制造成低密度(0.15-0.25)的纤维增强材料。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的在于提供一种增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡的制造方法，是将各种耐高温纤维切断，加入硅烷偶联剂进行表面处理、两次混合、梳理、铺网、针剌、辊压、喷洒、烘干、冷却、卷取；制得适合于纤维增强轻质防火复合材料中的3D结构的混合纤维毡。本发明采用以下技术方案:增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，以重量百分比计，由99-99.5%的耐高温纤维和0.5-1.0%硅烷类偶联剂组成，其特征在于:所述的耐高温纤维是由碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维的一种或二种以上的组合物组成；
所述的耐高温纤维由0-100%碳纤维丝和0-100%芳纶纤维组成。所述的耐高温纤维由0-100%碳纤维和0-100%玻璃纤维组成。所述的耐高温纤维由0-100%玻璃纤维和0-100%玄武岩纤维组成。
所述的娃烧类偶联剂是异丁基二甲氧基娃烧、异丁基二乙氧基娃烧、苯基二甲氧基娃烧、苯基二乙氧基娃烧、n~羊基二甲氧基娃烧、n~羊基二乙氧基娃烧、十_■烧基二乙氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基娃烧。增强轻质防火复合材料中的3D结构纤维毡的制备方法，以重量百分比计，包括以下步骤:1)切断、2)表面处理、3) —次混合、4) 二次混合、5)梳理、6)铺网、7)针剌、8)辊压、9)喷洒、10)干燥、11)冷却定型、12)卷取；其特征在于:
1)、切断:将耐高温纤维的碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维切断，切断长度控制在 100±10 mm ；
2)、表面处理:将上述切断纤维中加入0.5-1.0%的硅烷类偶联剂进行表面处理，以增加纤维与树脂的结合力；
3)、一次混合；将耐高温纤维与偶联剂第一次在80°C-10(TC下混合，达到纤维与偶联剂充分混合，混合时间为20-30分钟；
4)、二次混合:为确保不同纤维均匀，再在常温下进行第二次混合，混合时间为20-30分钟；
5)、梳理:将二次混合后的纤维送入单锡林双道夫梳理机或双锡林双道夫梳理机进行梳理，根椐混合纤维毡的规格要求，控制速度与纤维进入量应与下道工序相匹配；
6)、铺网:将经过梳理后的纤维送入铺网机中进行铺网，织成混合纤维网，根据产品密度要求，控制每平方米克重；
7)、针剌:将铺网纤维层进行针剌成混合纤维毡，根椐纤维层密度要求，实行一次针剌或二次针剌；
8)、辊压:将经过针剌后的混合纤维毡根据所需的厚度、单位面积克重，通过辊压，调控棍距10 -30 mm,制得厚度为10-30 mm的混合纤维租；
9)、喷洒:将经过辊压后的混合纤维毡表面喷洒酚醛胶水，使纤维毡表面纤维之间粘结更牢固；经过喷洒酚醛胶水后的混合纤维毡通过在150-160°C烘道，促进酚醛胶水固化；
10)、干燥:经过喷洒后的混合纤维毡进入烘道在150-160°C下进行干燥，确保酚醛树胶水固化，确保3D混合纤维毡具有更大的结合强度； 11)、冷却定型:从烘道出来后，通过可调辊距，冷却、定型混合纤维毡，制得密度为15-50kg/m3的混合纤维租；
12)、卷取:将经过冷却、定型后的混合纤维毡，进行卷取，供制造纤维增强轻质材料使用。本发明，采用3D纤维混合毡来制造纤维增强轻质材料，其中3D纤维混合毡仅占增强泡沫塑料密度1/4，各项力学性能获得很大的提高，测得各项力学性能如下:表观密度:
0.15-0.25克/cm3、拉伸强度12 _14MPa、弯曲强度9 -lOMPa、冲击强度4_5KJ/m2、极限氧指数40-45。本发明采用上述配方，在密闭设备生产线中进行，不会造成环境污染。
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施例方式增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，以重量百分比计，由99-99.5%的耐高温纤维和0.5-1.0%硅烷类偶联剂组成，所述的耐高温纤维是由碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维的一种或二种以上的组合物组成。本发明的制备方法，由图1知，有以下步骤:
1、切断工序:取99-99.5%的耐高温纤维和0.5-1.0%硅烷类偶联剂，先将纤维切断，使其长度控制在100mm±10 mm ；
2、表面处理工序:为了增加纤维与树脂的结合力，对纤维表面进行处理，本发明采用硅烷类偶联剂进行表面处理；
3、一次混合工序:为了使二种以上纤维混合均匀，并确保表面处理质量，应在温度80 0C —10(TC下进行混合30分钟；
4、二次混合工序:为确保不同纤维均匀，需第二次进行混合20分钟；
5、梳理工序:将二次混合后的纤维送入梳理机中进行梳理，根椐混合毡的规格要求，严格控制速度与纤维进入量；
6、铺网工序:将经过梳理后的纤维送铺网工序，严格控制铺网层克重；如要制成密度
0.2 kg/m3复合材料，板材厚度为IOmm,则纤维租每平方米控制为500克；
7、针剌工序:将铺网纤维层进行针剌，根椐纤维层密度要求，可考虑一次针剌或二次针
剌；
8、辊压工序:为了提供所需的厚度、单位面积克重，应调整辊距进行辊压；
9、喷洒工艺:为了使纤维表面之间结合牢度增加，应喷洒一种胶水；
10、干燥工艺:为增加胶水固化速度，将经过喷洒工艺后的混合纤维毡通过烘道加热，一般控制烘道温度150-160°C ；
11、冷却、定型工艺:从烘道出来后，通过可调辊距冷却辊冷却、定型，达到所需的厚
度；
12、卷取工艺:将经过冷却、定型后的混合纤维毡，进行卷取，供制造纤维增强轻质材料使用。实施例1将直径10// 、线密度50g/Km、密度1.78g/cm3的碳纤维切断长度为100mm±10mm，加入混合器中，并加入异丁基三甲氧基硅烷偶联剂，为纤维总量的0.6-0.8%，在90°C -1OO0C下混合与偶联30分钟，然后送入第二个混合箱中，在常温下进行第二次混合20分钟，充分起偶联作用后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离(10 _)，然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150--160°C )进行干燥固化，将干燥固化后的混合纤维毡，通过冷却辊冷却定型，然后送入卷取。制得厚度为10mm，密度为50kg/m3的航空用3D结构混合纤维毡。实施例2
将直径13-15 iim、线密度65g/Km的芳纶纤维，切断长度为100mm± 10mm，加入混合器中，并加入异丁基三乙氧基硅烷偶联剂，为纤维总量的0.6-0.8%，在90°C -100°C下混合与偶联30分钟，然后送入第二个混合箱中，在常温下进行第二次混合20分钟，充分起偶联作用后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离(20mm),然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150-160°C )进行干燥固化，将干燥固化后的混合毡通过冷却辊冷却定型，然后送入取卷。制得厚度为20mm，密度为25kg/m3航空用3D结构混合纤维毡。实施例3
将直径11-13 iim玻璃纤维，切断长度为100mm± 10mm，加入混合器中，并加入苯基三甲氧基硅烷偶联剂，为纤 维总量的0.6-0.8%，在90°C -100°C下混合与偶联30分钟，然后送入第二个混合箱中，在常温下进行第二次混合20分钟，充分起偶联作用后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离(30mm)，然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150--160°C )进行干燥固化，将干燥固化后的混合毡通过冷却辊冷却定型，然后送入卷取。制得厚度为30mm,密度为16.7kg/m3舰艇用3D结构纤维的混合纤维毡。实施例4 取直径1311111、线密度668/1(111、密度2.64的玄武岩纤维，切断长度为IOOmm土 10mm，加入混合器中，并加入苯基三乙氧基硅烷偶联剂，为纤维总量的0.9%，在900C _100°C下混合与偶联剂偶联30分种后，然后送入第二个混合箱中，在常温下进行第二次混合20分钟，充分起偶联作用后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离(10mm)，然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150-160°C )进行干燥固化，将干燥固化后的混合毡通过冷却棍冷却定型，然后送入卷取。制得厚度为IOmm,密度为50kg/m3轨道交通与汽车用3D结构的混合纤维毡。实施例5 取直径1311111、线密度668/1(111、密度2.64的玄武岩纤维，切断长度为100mm±10mm后，用n-辛基三甲氧基硅烷偶联剂进行表面处理，加入量为纤维总量的
0.8% ;另取将直径ll-13ii m玻璃纤维，切断长度为100mm±10mm，用n-辛基三甲氧基硅烷偶联剂进行表面处理，加入量为为纤维总量的0.8%，然后将两种各50%比例纤维加入混合器中，在90°C -100°C温度下混合与偶联，待混合30分种，充分起偶联作用后，然后送入第二个混合箱中，在常温下再进行混合20分钟后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离15_，然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150-160°C )进行干燥固化，将干燥后的混合毡通过冷却棍冷却定型,然后送入卷取。制得厚度为15mm,密度33.3kgl/m3轨道交通与汽车用3D结构的混合纤维毡。实施例6 取直径13 iim、线密度66g/Km、密度2.64、切断长度为100mm±10mm的玄武岩纤维，用十二烷基三乙氧基硅烷偶联剂进行表面处理，加入量为纤维总量的
0.8% ;另取规格直径lOiim、线密度50g/Km、密度1.78g/cm3、切断长度为100mm±10mm玻璃纤维，加入十二烷基三乙氧基硅烷偶联剂(为纤维总量的0.8%)，进行表面处理。将以上两种纤维各50%比例加入混合器中，在90°C -100°C温度下混合与偶联，待混合30分种，充分起偶联作用后，然后送入第二个混合箱中，在常温下再进行混合20分钟后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离(20mm)，然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150-160°C )进行干燥固化，将干燥固化后的混合纤维毡通过冷却辊冷却定型，然后送入卷取。制得厚度为20mm,密度为25kg/m3轨道交通与汽车用3D结构的混合纤维毡。实施例7 将直径10μm线密度50g/Km、密度1.78g/cm3碳纤维，切断长度为100mm±10mm，加入甲基三甲氧基硅烷偶联剂(为纤维总量的1.0%)，进行表面处理。另取玻璃纤维，纤维直径:ll-13iim，切断长度为100mm±10mm，用甲基三甲氧基硅烷偶联剂进行表面处理(加入量为为纤维总量的0.9%，将以上两种切断后短纤维，各50%比例加入混合器中，在900C -1(KTC温度下混合与偶联，待混合30分种，充分起偶联作用后，然后送入第二个混合箱中，在常温下再进行混合20分钟后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离(25_)，然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150-160°C )进行干燥固化，将干燥固化后的混合毡通过冷却辊冷却定型，然后送入卷取。制得厚度为25mm，密度为20kg/m3舰艇用3D结构的混合纤维毡。实施例8
将直径10μm线密度50g/Km、密度1.78g/cm3碳纤维，切断长度为100mm±10mm，加入甲基三乙氧基硅烷偶联剂(为纤维总量的1.0%)，进行表面处理。另将线密度210的芳纶纤维切断长度为100mm±10mm 用甲基三乙氧基硅烷偶联剂进行表面处理(加入量为为纤维总量的0.9%，将以上两种切断后短纤维，各50%比例加入混合器中，在90°C-10(TC温度下混合与偶联，待混合30分种，充分起偶联作用后，然后送入第二个混合箱中，在常温下再进行混合20分钟后，送入梳理机进行梳理成网，然后送铺网机成一定厚度的层网，接着送针剌机进行针剌，根椐密度要求，调整辊压距离(30_)，然后将酚醛胶水喷晒在纤维表面，并通过烘道(控制150-160°C )进行干燥固化，将干燥固化后的混合毡通过冷却辊冷却定型，然后送入卷取。制得厚度为30mm，密度为16.7kg/m3航空用3D结构的混合纤维毡。
权利要求
1.强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，以重量百分比计，由99-99.5%的耐高温纤维和0.5-1.0%硅烷类偶联剂组成，其特征在于:所述的耐高温纤维是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维的一种或二种以上的组合物。
2.根据权利要求1所述的增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，其特征在于:所述的耐高温纤维由0-100%碳纤维丝和0-100%芳纶纤维组成。
3.根据权利要求1所述的增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，其特征在于:所述的耐高温纤维由0-100%碳纤维和0-100%玻璃纤维组成。
4.根据权利要求1所述的增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，其特征在于:所述的耐高温纤维由0-100%玻璃纤维和0-100%玄武岩纤维组成。
5.根据权利要求1所述的增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，其特征在于:所述的硅烷类偶联剂是异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烧、苯基二乙氧基娃烧、n~羊基二甲氧基娃烧、n~羊基二乙氧基娃烧、十_■烧基二乙氧基娃烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷或甲基三乙氧基硅烧。
6.一种制备权利要求1所述的混合纤维毡的方法，以重量百分比计，包括以下步骤:1)切断、2)表面处理、3) —次混合、4) 二次混合、5)梳理、6)铺网、7)针剌、8)辊压、9)喷洒、10)干燥、11)冷却定型、12)卷取；其特征在于: 1)、切断:将耐高温纤维的碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维切断，切断长度控制在 100±10 mm ； 2)、表面处理:将上述切 断纤维中加入0.5-1.0%的硅烷类偶联剂进行表面处理，以增加纤维与树脂的结合力； 3)、一次混合；将耐高温纤维与偶联剂第一次在80°C--10(TC下混合，达到纤维与偶联剂充分混合，混合时间为20-30分钟； 4)、二次混合:为确保不同纤维均匀，再在常温下进行第二次混合，混合时间为20-30分钟； 5)、梳理:将二次混合后的纤维送入单锡林双道夫梳理机或双锡林双道夫梳理机进行梳理，根椐混合毡的规格要求，控制速度与纤维进入量应与下道工序相匹配； 6)、铺网:将经过梳理后的纤维送入铺网机中进行铺网，织成混合纤维网，根据产品密度要求，控制每平方米克重； 7)、针剌:将铺网纤维层进行针剌成混合纤维毡，根椐纤维层密度要求，实行一次针剌或二次针剌； 8)、辊压:将经过针剌后的混合纤维毡根据所需的厚度、单位面积克重，通过辊压，调控棍距10 -30 mm,制得厚度为10-30 mm的混合纤维租； 9)、喷洒:将经过辊压后的混合纤维毡表面喷洒酚醛胶水，使纤维毡表面纤维之间粘结更牢固；经过喷洒酚醛胶水后的混合纤维毡通过在150-160°C烘道，促进酚醛胶水固化； 10)、干燥:经过喷洒后的混合纤维毡进入烘道在150-160°C下进行干燥，确保酚醛树胶水固化，确保3D混合纤维毡具有更大的结合强度； 11)、冷却定型:从烘道出来后，通过可调辊距，冷却、定型混合纤维毡，制得密度为15-50kg/m3的混合纤维租；12)、卷取:将经过冷却、定型后的混合纤维毡，进行卷取，供制造纤维增强轻质材料使用。
全文摘要
增强轻质防火复合材料中的3D结构混合纤维毡，以重量百分比计，由99-99.5%的耐高温纤维和0.5-1.0%硅烷类偶联剂组成，其特征在于所述的耐高温纤维由碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维的一种或二种以上的组合物。本发明，采用3D纤维混合毡来制造纤维增强轻质材料，其中3D纤维混合毡仅占增强泡沫塑料密度1/4，各项力学性能获得很大的提高，测得各项力学性能如下表观密度0.15-0.25克/cm3、拉伸强度12-14MPa、弯曲强度9-10MPa、冲击强度4-5KJ/m2、极限氧指数40-45。本发明采用上述配方，在密闭设备生产线中进行，不会造成环境污染。
文档编号D04H1/4382GK103088550SQ201310059158
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月26日 优先权日2013年2月26日
发明者徐体寿, 张竞, 周金堂, 吴毅炳 申请人:丹阳市新美龙汽车软饰件有限公司, 江苏美龙航空部件有限公司