一种热塑性复合材料预浸体板的制作方法

文档序号:3683008阅读:100来源:国知局
一种热塑性复合材料预浸体板的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种热塑性复合材料预浸体板,由热塑性复合材料预浸体制备而成,或者由热塑性复合材料预浸体和热塑性聚合物热融复合而成;热塑性复合材料预浸体由增强纤维制得的织物经热塑性聚合物水分散体浸渍后,烘干脱水、聚合物熔化、冷却成型而成;增强纤维长度大于2厘米。本发明热塑性复合材料预浸体的制备不使用有机溶剂,而用水作分散介质,用聚合物的水分散体代替有机溶液,不存在环保问题;本发明所用水分散体的粘度低,利于聚合物对纤维束的浸渍,浸渍处理方便,生产效率高,生产成本低,较好地解决了热塑性聚合物对增强纤维织物的有效浸渍问题;本发明预浸体板相对现有技术所得复合板材的拉伸强力和抗变形性能有了大幅度的提升。
【专利说明】一种热塑性复合材料预浸体板
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热塑性复合材料预浸体板。
【背景技术】
[0002]高分子复合材料在社会、经济的发展中发挥了越来越重要的作用,热固性复合材料在我国已经发展得很成熟,但是由于热固性复合材料的回收利用还存在很多技术、成本问题,随着我们日益提倡循环经济,环保压力越来越大,易于回收利用的热塑性复合材料(FRTP)得到了大家越来越多的重视。
[0003]热塑性复合材料(FRTP)最初是短纤增强形式,纤维在复合材料中的长度很短,小于1_。后来开发的LFT (长纤维工艺)中,纤维长度也不超过3_,纤维增强效果没有充分发挥,很明显,在同样的条件下,纤维长度越长,纤维增强效果越好。西方几家大公司开发了连续纤维增强FRTP技术,且获得了成功(本申请中,将长度超过2厘米的纤维称为准连续纤维)。热塑性聚合物,俗称热塑性塑料,其融料粘度大,一般超过IOOPa.S,很难使连续纤维或准连续纤维获得良好的浸溃。解决聚合物对纤维的浸溃问题,以最大限度地发挥纤维的强力,是制备连续纤维或准连续纤维增强塑料的技术关键之一。一般来讲,现有以下几种浸溃技术:
[0004]1、溶液浸溃技术:使用合适的溶剂溶解塑料,降低其粘度,浸溃纤维后再除去溶剂。该技术的缺点是,使用溶剂影响环境,脱除溶剂会增加成本,而且并不是每种塑料都可以找到合适的溶剂的。
[0005]2、熔融浸溃技术:在一定温度下使塑料熔化,降低其粘度,通过挤出模具或热压辊浸溃纤维。要求塑料的熔体粘度低,塑料熔体穿透纤维层的速度较快,该技术生产效率不高,生产线速度太快的话浸溃效果差,纤维也容易在模具中磨断。
[0006]3、粉末浸溃技术:有干法和湿法两种。将塑料粉末混在纤维束中,受粉末尺寸以及粉末浸入纤维束能力的影响,浸溃效果不好。
[0007]4、混纤纱又称复合纱浸溃技术:将塑料纤维和玻纤合股干混预浸溃,模具外预加热困难,如果预加热温度太高,塑料纤维会熔化收缩,如果预加热温度太低,制品成型时间太长,生产成本高。
[0008]溶液浸溃技术由于使用较多溶剂,没有成为主流技术;粉末浸溃技术由于浸溃效果不好,也没得到广泛应用;混纤纱技术存在的主要问题是不易解决其中的有机纤维在自由态下受热后融断收缩,改变了其原来的良好分散性,而在受压环境下,混纤纱的热传递又成了问题,所以也没能得到广泛应用。现在的主流技术是熔融浸溃技术,聚合物融料粘度高,浸溃效率低。
[0009]现有技术都不能解决热塑性聚合物对增强纤维织物的高效、有效浸溃问题(即保证浸溃后增强纤维束经虹吸试验合格), 对增强纤维和聚合物有特殊要求,适应性不强。

【发明内容】
[0010]本发明的目的是提供一种热塑性复合材料预浸体板。
[0011]为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案如下:
[0012]一种热塑性复合材料预浸体板,由热塑性复合材料预浸体制备而成,或者由热塑性复合材料预浸体和热塑性聚合物热融复合而成;热塑性复合材料预浸体由增强纤维制得的织物经热塑性聚合物水分散体浸溃后,烘干脱水、聚合物熔化、冷却成型而成;增强纤维长度大于2厘米。
[0013]上述水分散体浸溃、烘干脱水、聚合物熔化、冷却成型过程是可以不越位多次重复的。
[0014]所谓不越位重复即为:以水分散体浸溃为起点,烘干脱水、聚合物熔化、冷却成型顺序进行,且任一过程完成后都可以重新以浸溃为起点重复多次。重复处理会提高聚合物对织物的浸溃效果,但同时会提高加工成本。
[0015]上述预浸体中增强纤维的纤维束,经虹吸试验合格。
[0016]本申请中虹吸试验是来判断预浸体中聚合物对纤维束的浸溃程度的,其原理和方法是这样的:纤维束的虹吸作用是普遍存在的,当我们将聚合物有效地浸溃在纤维周围并连续包复纤维后,实际上阻断了纤维束的虹吸通道,用虹吸试验就可以判断聚合物对纤维的浸溃效果。具体的试验方法:在经无色的聚合物水分散体浸溃处理、烘干、熔化、冷却定型的织物上取一段2厘米长的纤维束,将其一端放入红墨水中,浸入长度3毫米,5分钟后如果另一端没有出现虹吸的红墨水,同时红墨水在纤维束浸入的一端爬行不超过5毫米,则判断为该纤维束虹吸试验合格,随机取5个试样,4个或5个试样虹吸试验合格,则判断为整体合格。如果是用有色的水分散体处理织物的话,可以先用不加着色剂的聚合物水分散体进行虹吸试验,合格后再在水分散体中加入着色剂。在着色剂颗粒度不大于聚合物颗粒度的情况下,可以认为着色剂的加入不会影响聚合物水分散体对织物的浸溃效果。
[0017]本申请解决了热塑性聚合物对增强纤维织物的有效浸溃问题,可以保证浸溃后增强纤维束经虹吸试验合格,且适用于多种增强纤维和聚合物。
[0018]所述的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、芳纶纤维、聚醚醚酮纤维或聚苯硫醚纤维,增强纤维的直径为4-30微米,热塑性复合材料预浸体中热塑性聚合物质量含量为热塑性复合材料预浸体质量的10-40%。
[0019]热塑性复合材料预浸体中热塑性聚合物质量含量优选为热塑性复合材料预浸体质量的12-25%,聚合物含量太低不能保证其对纤维、织物的浸溃效果,聚合物含量太高,又不能很好地发挥纤维强力的作用。
[0020]上述热塑性聚合物水分散体对增强纤维制得的织物进行浸溃,可以使用成熟的浸溃工艺,如浸槽法、涂布法、喷淋法等,若辅助抽真空,可以有效提高浸溃效果和效率。烘干脱水、聚合物熔化、冷却成型等工艺可参照现有技术。
[0021]增强纤维的直径为8-25微米。纤维直径过细制造成本高,且不利于浸溃处理,纤维直径过粗则其挠曲性差,纤维单位截面积所能承载的强力也低。
[0022]上述热塑性聚合物水分散体的原料组分包括:热塑性聚合物粉末100份,反应性表面活性剂5-20份,引发剂0.05-2份,接技单体0-30份,水180-250份,所述份数为质量份数;
[0023]所述的热塑性聚合物粉末包括:聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酯、ABS、尼龙、聚醚醚酮、聚酮酮醚、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯中一种或两种以上任意配比的混合物;
[0024]所述反应性表面活性剂为丙烯酰胺基异丙基磺酸盐、含烯丙基的特种醇醚硫酸盐、含双键的醇醚磺基琥珀酸酯盐、乙烯基磺酸钠、2-烯丙基醚3-羥基丙烷-1-磺酸钠、烯丙基醚羟基丙烷磺酸钠、烯丙基聚醚硫酸盐、烷基酚烯丙基聚醚硫酸盐、丙烯酰胺磺酸盐、丙烯酸醚磺酸盐、顺丁烯二酸盐、丙烯酸盐、2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基十六烷 基二甲基溴化铵,顺丁烯二酸聚氧乙烯醚、丙烯酸聚氧乙烯醚、烯丙基支化醇聚氧乙烯醚或蓖麻油聚氧乙烯醚中一种或两种以上任意配比的混合物;
[0025]所述的引发剂为过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈或过硫酸盐中一种或两种以上任意配比的混合物;
[0026]所述的接技单体为甲基苯乙烯、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、醋酸乙烯酯、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酯、反丁烯二酸、反丁烯二酸酯、丙烯酰胺或羟甲基丙烯酰胺中一种或两种以上任意配比的混合物;
[0027]所述的热塑性聚合物水分散体的制备方法,包括顺序相接的如下步骤:
[0028]A、将热塑性聚合物粉末100份、反应性表面活性剂5-20份、引发剂0.05-2份、接技单体0-30份和水180-250份混合均匀;
[0029]B、将步骤A所得混合物料升温至85-99°C,在搅拌条件下,恒温3_6小时,然后降低物料温度至室温或不降温进入到下一步骤;
[0030]C、将步骤B所得物料研磨至物料粒径D50小于13 μ m,冷却至室温出料。
[0031]上述步骤C中,优选研磨至物料粒径D50小于8微米,更优选的聚合物颗粒粒径D50小于I微米。颗粒粒径太大则水分散体不稳定,太小则制造成本高或需使用更多的表面活性剂,对聚合物性能影响太大。由增强体制得的织物可以用颗粒度小的水分散体先处理,再用颗粒度大一些的水分散体进行二次、三次、多次处理。颗粒度大的水分散体可用于纤维束比较疏松的织物处理,如无纺织物(毡类),也可以用于纤维直径比较粗的织物处理,颗粒度小的水分散体可用于纤维束比较密实或者纤维直径细的织物的处理。
[0032]上述浸溃技术是对现有浸溃技术的改进,不使用有机溶剂,而用水作分散介质,用聚合物的水分散体代替溶液,不存在环保问题,且水分散体制备方便,解决了无合适溶剂的聚合物的分散问题。上述水分散体的粘度低,利于聚合物对纤维束的浸溃,浸溃处理方便,浸溃效率高,生产成本低。
[0033]上述的水分散体也可用现有技术制备的聚合物乳液、水分散体。
[0034]增强纤维的质量占预浸体板总质量的4_70%。
[0035]所述的织物为机织物、针织物、无纺织物、多向织物或立体织物。其中,无纺织物俗称为毡,包括短切毡、连续毡、针刺毡、复合毡等。
[0036]上述热融复合的方法包括:挤出模具内复合、热压辊热压复合、热熔粘合、钢带机热压复合或压机热压复合,可二次或多次多种方法组合复合。
[0037]所述的热塑性聚合物包括:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酯、ABS、尼龙、聚醚醚酮、聚酮酮醚、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯。所述的热塑性聚合物可以是发泡的。
[0038]热塑性复合材料预浸体的一面或两面复合一层或多层聚合物膜片,复合后单层聚合物膜片克重为每平米50克至500克。
[0039]使用时,可将不同的聚合物薄膜复合在预浸体片材上,再通过后续的制板,获得表面性能多样的板材。
[0040]聚合物膜片的复合方法可以是直接将聚合物挤出成膜片热复合至预浸体面上,也可以将成品聚合物膜片热复合至预浸体面上,也可以先将聚合物小颗粒分布在预浸体的面上,加热熔化使其形成聚合物膜片。复合了聚合物膜片的预浸体在制板材时,更容易和同类的聚合物复合。
[0041]聚合物膜片是由热塑性聚合物制成,所述的热塑性聚合物包括:聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酯、ABS、尼龙、聚醚醚酮、聚酮酮醚、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯。
[0042]上述预浸体板,由一层或一层以上无纺织物所制备的热塑性复合材料预浸体与热塑性聚合物在加热熔化状态下针刺制备而成,在预浸体板的厚度方向形成纵向的纤维分布,刺针的材质为金属或聚合物,聚合物制得的刺针留埋在预浸体板内。
[0043]现行的GMT工艺是先对玻纤毡针刺,制得玻纤针刺毡,然后将塑料融料压入针刺毡内,这样熔融态的塑料聚合物粘度大,对纤维的浸溃效果不是很好,而本申请是先用聚合物水分散体对纤维织物浸溃,获得良好的浸溃效果,在聚合物熔融的状态下进行针刺,既得到了纤维三维分布的效果,又保证了聚合物对纤维织物良好的浸溃。可以用聚合物作刺针,将刺针留埋在预浸体板中,加热后和聚合物熔融成一体。这样可以很好地解决预浸体板中不同层的预浸体在板材弯曲变形时脱层的问题。进行针刺时,针刺密度不能过高,优选低于每平方厘米4针,因为试验中发现,被热熔的聚合物包裹的纤维间滑移阻力很大,针刺密度过高的话,针刺阻力大,纤维很容易断,这样就失去了针刺的意义,同时,针刺密度过高的话,熔融态的聚合物会被刺烂。常用的金属刺针主要有F型冲齿针,G型、GB型、B型模压针,Y型高效非织造针,叉形针等,聚合物刺针以不带钩刺的叉形针为宜。聚合物刺针优选纤维增强聚合物刺针。
[0044]上述预浸体板包括平面板和曲面板。
[0045]本发明未提及的技术均为现有技术。
[0046]本发明热塑性复合材料预浸体的制备不使用有机溶剂,而用水作分散介质,用聚合物的水分散体代替有机溶液,不存在环保问题;本发明所用水分散体的粘度低,利于聚合物对纤维束的浸溃,浸溃处理方便,生产效率高,生产成本低,较好地解决了热塑性聚合物对增强纤维织物的有效浸溃问题,可以保证浸溃后增强纤维束经虹吸试验合格,且适用于多种增强纤维和聚合物;本发明预浸体板相对现有技术所得复合板材的拉伸强力和抗变形性能有了大幅度的提升。
[0047]说明书附图
[0048]图1为聚合物刺针示意图。
[0049]图中,箭头方向为针刺方向。
【具体实施方式】
[0050]为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。[0051]实施例1
[0052]聚氨酯乳液(乳液为颗粒度细,很稳定的水分散体)山东奥德美高分子材料有限公司产,ADM-F269D500.2微米,加水配制成固含量为ll%(wt),织物为碳纤维单向布,克重200克/平米,碳纤维为东丽T70012K纤维直径7微米,将织物置于乳液中浸溃透,浙去多余的乳液,放在金属网上,在180°C的烘箱中放置20分钟,从烘箱中取出冷却至室温。该预浸体含聚合物10.3%,浸溃后碳纤维束经虹吸试验合格。
[0053]实施例1至实施例7及对比例I的预浸体见表1:
[0054]表1
[0055]
【权利要求】
1.一种热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:由热塑性复合材料预浸体制备而成,或者由热塑性复合材料预浸体和热塑性聚合物热融复合而成;热塑性复合材料预浸体由增强纤维制得的织物经热塑性聚合物水分散体浸溃后,烘干脱水、聚合物熔化、冷却成型而成;增强纤维长度大于2厘米。
2.如权利要求1所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、芳纶纤维、聚醚醚酮纤维或聚苯硫醚纤维,增强纤维的直径为4-30微米,增强纤维的纤维束经虹吸试验合格,预浸体中热塑性聚合物质量含量为热塑性复合材料预浸体质量的10-40%。
3.如权利要求2所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:增强纤维的直径为8-25微米。
4.如权利要求1-3任意一项所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:热塑性聚合物水分散体的原料组分包括:热塑性聚合物粉末100份,反应性表面活性剂5-20份,引发剂0.05-2份,接技单体0-30份,水180-250份,所述份数为质量份数; 所述的热塑性聚合物粉末包括:聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酯、ABS、尼龙、聚醚醚酮、聚酮酮醚、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯中一种或两种以上任意配比的混合物; 所述反应性表面活性剂为丙烯酰胺基异丙基磺酸盐、含烯丙基的特种醇醚硫酸盐、含双键的醇醚磺基琥珀酸酯 盐、乙烯基磺酸钠、2-烯丙基醚3-羥基丙烷-1-磺酸钠、烯丙基醚羟基丙烷磺酸钠、烯丙基聚醚硫酸盐、烷基酚烯丙基聚醚硫酸盐、丙烯酰胺磺酸盐、丙烯酸醚磺酸盐、顺丁烯二酸盐、丙烯酸盐、2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基十六烷基二甲基溴化铵,顺丁烯二酸聚氧乙烯醚、丙烯酸聚氧乙烯醚、烯丙基支化醇聚氧乙烯醚或蓖麻油聚氧乙烯醚中一种或两种以上任意配比的混合物; 所述的引发剂为过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈或过硫酸盐中一种或两种以上任意配比的混合物; 所述的接技单体为甲基苯乙烯、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、醋酸乙烯酯、顺丁烯二酸、顺丁烯二酸酯、反丁烯二酸、反丁烯二酸酯、丙烯酰胺或羟甲基丙烯酰胺中一种或两种以上任意配比的混合物; 所述的热塑性聚合物水分散体的制备方法,包括顺序相接的如下步骤: A、将热塑性聚合物粉末100份、反应性表面活性剂5-20份、引发剂0.05-2份、接技单体0-30份和水180-250份混合均匀; B、将步骤A所得混合物料升温至85-99°C,在搅拌条件下,恒温3-6小时,然后降低物料温度至室温或不降温进入到下一步骤; C、将步骤B所得物料研磨至物料粒径D50小于13μ m,冷却至室温出料。
5.如权利要求4所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:增强纤维的质量占预浸体板总质量的4-70%。
6.如权利要求1-3任意一项所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:所述织物为机织物、针织物、无纺织物、多向织物或立体织物。
7.如权利要求1-3任意一所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:所述的热塑性聚合物包括:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酯、ABS、尼龙、聚醚醚酮、聚酮酮醚、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或聚甲基丙稀酸脂。
8.如权利要求1-3所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:在热塑性复合材料预浸体的一面或两面复合一层或多层聚合物膜片,复合后单层聚合物膜片克重为每平米50克至500克;聚合物膜片是由热塑性聚合物制成,所述的热塑性聚合物包括:聚乙烯、聚丙烯、热塑性聚氨酯、热塑性聚酯、ABS、尼龙、聚醚醚酮、聚酮酮醚、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯。
9.如权利要求1-3所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:由一层或一层以上无纺织物所制备的热塑性复合材料预浸体与热塑性聚合物在加热熔化状态下针刺制备而成,在预浸体板的厚度方向形成纵向的纤维分布,刺针的材质为金属或聚合物,聚合物制得的刺针留埋在预浸体板内。
10.如权利要求9所述的热塑性复合材料预浸体板,其特征在于:针刺时,针刺密度低于每平方厘米4针。
【文档编号】C08J5/24GK103613775SQ201310561011
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】夏涛, 汪辉, 黄欣, 王健 申请人:南京彤天广元高分子材料有限公司
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