一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶及其制备方法与流程

本发明涉及船桨桨叶的制备领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶及其制备方法。

背景技术：

随着经济的发展，人们的生活水平不断的提高，越来越多的现代人走进各类运动场所放松身心，而现代竞技体育的发展在要求人们讲求科学训练的同时，还要重视对体育器材的改进与研制。

划船运动属于水上运动项目之一，是靠人力划桨使舟船在水面前进的一项运动。船桨是划船运动中必不可少的工具，而桨叶又是船桨的关键部件。

目前，市场上常见的船桨桨叶材质包括铝合金材质、塑料材质以及热固性复合材料材质等，铝合金桨叶耐疲劳性差、热变形大，塑料桨叶力学性能较差，而热固性复合材料性能较脆、抗冲击强度低，并且难以回收利用。

上述问题是在船桨桨叶的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题，因此，开发一种可回收的、力学性能优异的新型的船桨桨叶仍是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明公开了一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶的制备方法，采用热压工艺一次成型，成型时间短，产品尺寸精确可控；制备得到的船桨桨叶力学性能、抗疲劳性能、耐腐蚀性能优异，轻质、可回收利用并可重复加工。

具体技术方案如下：

一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带；

(2)根据船桨桨叶外形尺寸，将所述连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带沿连续纤维方向裁剪成若干相同形状与尺寸的母片，记为0°母片；将所述连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带沿垂直连续纤维方向裁剪成若干相同形状与尺寸的母片，记为90°母片；

(3)将0°母片组与90°母片组交替正交叠放，在中间放置芯模后转移至桨叶模具中，经热压成型后，再经修边得到船桨桨叶；

所述0°母片组包含至少一个0°母片，90°母片组包含至少一个90°母片。

作为优选，步骤(1)中，制备连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带，具体为：

A、称取各原料，将除连续纤维外的所有原料共混，经挤出机熔融挤出，从模头处得到热塑性树脂薄膜；

B、将连续纤维由纺织纱架引出，经张力调节装置、展纱单元、预热单元后，与所述模头挤出的热塑性树脂薄膜在复合单元中进行充分浸渍，然后经冷却单元、收卷单元得到连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带；

以重量份计，制备所述连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带的原料组成包括：

作为优选，所述连续纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的至少一种；进一步优选为连续玻璃纤维或连续碳纤维。

作为优选，所述热塑性树脂选自聚丙烯、聚乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚中的至少一种；进一步优选为聚丙烯、尼龙6、聚碳酸酯或聚苯硫醚。

作为优选，所述抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂1024、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂619、抗氧剂136、抗氧剂3114中的至少一种；

所述相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯和/或硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560、KH561、KH570、KH792中的一种；

所述加工助剂选自硬脂酸钙、硅酮粉、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。

进一步优选，以重量份计，制备所述连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带的原料组成包括：

作为优选，所述熔融挤出的温度为160～300℃，挤出机的主机频率为10～30Hz；进一步优选，所述的挤出机为双螺杆挤出机。

步骤(2)中：

所述0°母片与90°母片的尺寸均要略大于船桨桨叶的外形尺寸，以通过热压工艺获得完整的船桨桨叶。

作为优选，所述0°母片与90°母片的形状与尺寸完全相同，此时更加便于步骤(3)中两者的正交叠放，也最为节省连续纤维增强热塑性树脂单向预浸带的用料。

步骤(3)中：

所述0°母片组包含至少一个0°母片，且每组0°母片组中0°母片的数量可以相同也可以不同，可随机设计；90°母片组也做相同设计。

在0°母片组与90°母片组交替正交叠放的过程中，作为优选，是将0°母片与90°母片交替正交叠放，即相当于每组0°母片组只包含一个0°母片，且每组0°母片组中0°母片的数量均相同，且均为一个；每组90°母片组只包含一个90°母片，且每组90°母片组中90°母片的数量均相同，也均为一个。采用该叠放的次序，可以最大程度上保证热压成型后的船桨桨叶整体上的力学性能均匀，不存在取向。

所述的中间放置芯模是指，将0°母片组与90°母片组交替正交叠放获得呈一定厚度的母片层，取近似中间的位置，插入该芯模，所述芯模为铝合金材质。

所述桨叶模具为铝合金材质或不锈钢材质的金属对模。

作为优选，所述热压成型的工艺为：温度180～320℃，压力0.5～5Mpa，时间1～10min；进一步优选：温度200～305℃，压力2～5Mpa，时间5～10min。经上述热压成型后，将半成品从桨叶模具中取出，移除芯模，再经机加工修边处理后即得连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶。待使用时，仅需将该连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶与桨柄通过胶黏剂连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明公开了一种连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶的制备方法，采用热压工艺一次成型，工艺简单易于操作，成型时间短，产品尺寸精确可控，制造成本低廉，适合大批量生产；

本发明制备得到的连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶，相比现有的铝合金和塑料浆叶，其强度、刚度、抗疲劳性能、耐腐蚀性都有明显的提高，在户外运动中具有较长的使用寿命，并且相比热固性复合材料桨叶，具有轻质、抗冲击性高、可回收利用、重复加工等优势，符合当前材料绿色环保发展潮流。

附图说明

图1为本发明连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶的制备流程图；

图2为连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶的制备过程中，0°母片与90°母片交替正交叠放的示意图；

图3为连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶的制备过程中，将芯模插入母片层中的示意图，图中，1-母片层，2-芯模；

图4为本发明制备的连续纤维增强热塑性树脂复合材料船桨桨叶的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

(1)称取重量份35份聚丙烯、0.1份抗氧剂1010、1.5份马来酸酐接枝聚丙烯、0.15份硬脂酸钙，加入到高速混合机中混合3min，混合均匀。

(2)将步骤(1)得到的混合料在双螺杆挤出机中熔融挤出，在模头处得到均匀的改性聚丙烯树脂薄膜；其中双螺杆挤出机熔融挤出温度为：一区160℃，二区180℃，三区205℃，四区220℃，五区235℃，挤出机主机频率为22Hz。

(3)将重量份65份的连续玻璃纤维由纺织纱架引出，经张力调节装置、展纱单元、预热单元后，与模头挤出的改性聚丙烯树脂薄膜在复合单元中进行充分浸渍，然后经冷却单元、收卷单元后，得到连续玻璃纤维增强聚丙烯单向预浸带。

(4)按船桨桨叶外形尺寸，将步骤(3)中的单向预浸带裁剪成若干长为400mm，宽为200mm的矩形0°母片和90°母片，两者尺寸与形状完全相同；再将0°母片和90°母片交替正交叠放，如图2所示，叠放成一厚度为3mm的母片层，将母片层一分为二，在中间处放置铝合金材质芯模，如图3所示，然后整体转移到不锈钢材质的桨叶模具中，在200℃的热压机上热压成型，成型压力为2MPa，成型时间为5min，得到复合材料船桨桨叶，结构示意图如图1所示。

本实施例制备的复合材料船桨桨叶与相匹配的桨柄通过胶黏剂连接，经过加载试验，该复合材料船桨桨叶可以承受最大715N载荷。

实施例2

(1)称取重量份40份聚碳酸酯、0.15份抗氧剂1076、1.5份硅烷偶联剂KH550、0.2份乙撑双硬脂酰，加入到高速混合机中混合3min，混合均匀。

(2)将步骤(1)得到的混合料在双螺杆挤出机中熔融挤出，在模头处得到均匀的改性聚碳酸酯树脂薄膜；其中双螺杆挤出机熔融挤出温度为一区235℃，二区255℃，三区275℃，四区290℃，五区300℃，挤出机主机频率为17Hz。

(3)将重量份60份的连续玻璃纤维由纺织纱架引出，经张力调节装置、展纱单元、预热单元后，与模头挤出的改性聚碳酸酯树脂薄膜在复合单元中进行充分浸渍，然后经冷却单元、收卷单元后，得到连续玻璃纤维增强聚碳酸酯单向预浸带。

(4)按船桨桨叶外形尺寸，将步骤(3)中的单向预浸带裁剪成若干矩形0°母片和90°母片，两者尺寸与形状完全相同；再将0°母片和90°母片交替正交叠放，如图2所示，叠放成一定厚度的母片层，将母片层一分为二，在中间处放置铝合金材质芯模，如图3所示，然后整体转移到不锈钢材质的桨叶模具中，在270℃的热压机上热压成型，成型压力为3MPa，成型时间为8min，得到复合材料船桨桨叶。

本实施例制备的复合材料船桨桨叶与相匹配的桨柄通过胶黏剂连接，经过加载试验，该复合材料船桨桨叶可以承受最大731N载荷。

实施例3

(1)称取重量份45份尼龙6、0.2份抗氧剂168、2份硅烷偶联剂KH560、0.3份硅酮粉，加入到高速混合机中混合3min，混合均匀。

(2)将步骤(1)得到的混合料在双螺杆挤出机中熔融挤出，在模头处得到均匀的改性聚碳酸酯树脂薄膜；其中双螺杆挤出机熔融挤出温度为一区210℃，二区235℃，三区255℃，四区275℃，五区290℃，挤出机主机频率为18Hz。

(3)将重量份55份的连续碳纤维由纺织纱架引出，经张力调节装置、展纱单元、预热单元后，与模头挤出的改性尼龙6树脂薄膜在复合单元中进行充分浸渍，然后经冷却单元、收卷单元后，得到连续碳纤维增强尼龙6单向预浸带。

(4)按船桨桨叶外形尺寸，将步骤(3)中的单向预浸带裁剪成若干矩形0°母片和90°母片，两者尺寸与形状完全相同；再将0°母片和90°母片交替正交叠放，如图2所示，叠放成一定厚度的母片层，将母片层一分为二，在中间处放置铝合金材质芯模，如图3所示，然后整体转移到不锈钢材质的桨叶模具中，在265℃的热压机上热压成型，成型压力为3MPa，成型时间为8min，得到该复合材料船桨桨叶，如图1所示。

本实施例制备的复合材料船桨桨叶与相匹配的桨柄通过胶黏剂连接，经过加载试验，该复合材料船桨桨叶可以承受最大1506N载荷。

实施例4

(1)称取重量份40份聚苯硫醚、0.2份抗氧剂3114、2份硅烷偶联剂KH560、0.3份硅酮粉，加入到高速混合机中混合3min，混合均匀。

(2)将步骤(1)得到的混合料在双螺杆挤出机中熔融挤出，在模头处得到均匀的改性聚苯硫醚树脂薄膜；其中双螺杆挤出机熔融挤出温度为一区270℃，二区290℃，三区310℃，四区320℃，五区330℃，挤出机主机频率为15Hz。

(3)将重量份60份的连续碳纤维由纺织纱架引出，经张力调节装置、展纱单元、预热单元后，与模头挤出的改性聚苯硫醚树脂薄膜在复合单元中进行充分浸渍，然后经冷却单元、收卷单元后，得到连续碳纤维增强聚苯硫醚单向预浸带。

(4)按船桨桨叶外形尺寸，将步骤(3)中的单向预浸带裁剪成若干矩形0°母片和90°母片，两者尺寸与形状完全相同；再将0°母片和90°母片交替正交叠放，如图2所示，叠放成一定厚度的母片层，将母片层一分为二，在中间处放置铝合金材质芯模，如图3所示，然后整体转移到不锈钢材质的桨叶模具中，在305℃的热压机上热压成型，成型压力为5MPa，成型时间为10min，得到该复合材料船桨桨叶，如图1所示。

本实施例制备的复合材料船桨桨叶与相匹配的桨柄通过胶黏剂连接，经过加载试验，该复合材料船桨桨叶可以承受最大1565N载荷。

除上述实施例外，本发明专利产品还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利要求的保护范围内。