纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体的制作方法

本实用新型涉及一种热塑性聚合物复合材料预制体。

背景技术：

纤维增强热塑性聚合物复合材料的力学性能高和设计性强，应用领域十分广泛。其中聚合物为原生和回收型热塑性聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、工程塑料等；增强纤维分为天然纤维和人工纤维两种。天然纤维包括木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维、秸秆纤维等天然存在的纤维，天然纤维具有质轻高强、可降解、绿色环保等突出优点，在运输、装饰装修、园林设施等众多领域中得到广泛应用；人工纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维、金属纤维等，人工纤维具有超高的比强度、比模量、抗疲劳等优点，被作为结构材料和功能件在航空航天、化学防腐、风力发电等领域广泛应用。挤出工艺是制备纤维增强热塑性聚合物复合材料的常用方法，分为一步成型法和两步成型法两种，一步成型法是将混合好的短纤维和聚合物粒子直接进行挤出成型；而两步成型法是将混合好的短纤维和塑料粒子先进行挤出造粒，再将短纤维与聚合物的复合粒子进行挤出成型。挤出工艺可以实现复合材料的连续生产，产品截面尺寸及外观形貌可以通过模具设计实现，制备过程稳定，且生产效率高。

目前通过挤出工艺制备纤维增强热塑性聚合物复合材料所用纤维原料为短纤维，长度为0.01～3mm；对于长纤维或连续纤维来说，目前存在的问题是：1、纤维密度低且尺寸大，在物理混合时，轻质的长纤维会发生缠绕，难以与聚合物粒子混合；2、目前挤出工艺的喂料方式均为自重喂料，现有技术中长度大于3mm的纤维由于纤维长度过大，在进料时容易发生缠绕、堆积等问题，导致向挤出机喂料困难，甚至无法喂料。因此，目前长纤维或连续纤维难以制备聚合物复合材料。而长纤维或连续纤维比短纤维的增强效果好，满足管材缠绕、二次模压等的要求。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有挤出工艺中采用长纤维或连续纤维制备纤维增强热塑性聚合物复合材料的喂料难点大的问题，提出一种纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体。

本实用新型纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体由聚合物基体和纤维构成；

所述聚合物基体为卷状或折片状；所述卷状的聚合物基体中相邻的卷层构成卷层间隙，最内的卷层内部为聚合物基体内腔；所述折片状的聚合物基体由底片和盖片构成；盖片叠放在底片上，盖片的其中一个侧边与底片的其中一个侧边固接；

所述纤维平行于聚合物基体长度方向设置于卷状的聚合物基体的卷层间隙内部、聚合物基体内腔内部或折片状的聚合物基体的底片与盖片之间；

所述纤维为长纤维或连续纤维；

所述底片与盖片的厚度为0.03～1mm；

所述聚合物基体与纤维的质量比为1:(0.11～9)；

其中，将聚合物基体卷成筒状预制体或将聚合物基体折叠成片状预制体后，实现聚合物基体对纤维的包覆；能够解决长纤维或连续纤维与聚合物粒子难以混合的问题；

所述聚合物基体为连续片状聚合物或无纺布；

所述长纤维的长度为10～1000mm；所述长纤维为天然纤维或合成纤维；所述连续纤维为天然纤维或合成纤维；所述天然纤维为木纤维、竹纤维、棉纤维、麻纤维或秸秆纤维中的一种或几种；所述合成纤维为无机纤维、金属纤维或有机纤维中的一种或几种；所述无机纤维为碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维；所述有机纤维为芳纶纤维、尼龙纤维或聚酯纤维；

所述聚合物基体的材质为高密度聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸、聚氯乙烯、聚乳酸、乙烯-醋酸乙烯共聚物或工程塑料中的一种或几种；所述连续片状聚合物基体的制备方法为：称取聚合物粒子和偶联剂，混合均匀后经热压、挤出吹塑、挤出拉伸、挤出流延或压延，得到连续片状聚合物基体；所述聚合物粒子与偶联剂的质量比为1:(0.02～0.08)；所述偶联剂为钛酸脂类偶联剂、异氰酸酯类偶联剂、马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂、马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂或硅烷偶联剂中的一种或几种；

所述无纺布材质为涤纶、丙纶、芳纶、腈纶、锦纶、聚烯烃类纤维、维纶或氨纶中的一种或几种。

上述纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体作为原料在复合材料制备中的应用具体按以下步骤进行：

将纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体置于热压成型机上进行热压成型；或纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体的纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出成型；或将纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体的纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，最后将模具口出料进行压延成型；或将纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体的纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，最后将模具口出料进行浇筑成型；或将纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体的纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，最后将模具口出料进行缠绕成型；或将纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体的纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，最后将模具口出料进行层积成型；或将纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体的纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，最后将模具口出料进行模压成型；

本实用新型具备以下有益效果：

本实用新型首先利用聚合物基体对长纤维或连续纤维进行包覆得到预制体，预制体挤出时可以借助聚合物基体将长纤维或连续纤维定向地带入挤出机，实现喂料，同时利用挤出机进行混合，解决了长纤维或连续纤维与聚合物粒子难以混合及挤出时无法喂料的问题；利用本实用新型预制体制备复合材料制备时实现一步成型挤出或热压，本实用新型预制体制备的聚合物复合材料中长纤维或连续纤维为定向排列，聚合物复合材料中纤维含量最高可达到90％，力学性能优于短纤维增强热塑性聚合物复合材料；在挤出过程中纤维得到拉伸，提高了复合材料的力学性能。

附图说明

图1为实施例1中制备的聚合物基体1示意图；

图2为实施例1中制备的筒状预制体的截面图；

图3实施例2中制备的折片状预制体的截面图；

图4实施例3中制备的折片状预制体的截面图。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：本实施方式纤维定向增强热塑性聚合物复合材料预制体由聚合物基体1和纤维2构成；

所述聚合物基体1为卷状或折片状；所述卷状的聚合物基体1中相邻的卷层构成卷层间隙4，最内的卷层内部为聚合物基体内腔5；所述折片状的聚合物基体1由底片6和盖片7构成；盖片7叠放在底片6上，盖片7的其中一个侧边与底片6的其中一个侧边固接；

所述纤维2平行于聚合物基体1长度方向设置于卷状的聚合物基体1的卷层间隙4 内部、聚合物基体内腔5内部或折片状的聚合物基体的底片6与盖片7之间；

所述纤维2为长纤维或连续纤维。

本实施方式具备以下有益效果：

本实施方式首先利用聚合物基体对长纤维或连续纤维进行包覆得到预制体，预制体挤出时可以借助聚合物基体将长纤维或连续纤维定向地带入挤出机，实现喂料，同时利用挤出机进行混合，解决了长纤维或连续纤维与聚合物粒子难以混合及挤出时无法喂料的问题；利用本实施方式预制体制备复合材料制备时实现一步成型挤出或热压，本实施方式预制体制备的聚合物复合材料中长纤维或连续纤维为定向排列，聚合物复合材料中纤维含量最高可达到90％，力学性能优于短纤维增强热塑性聚合物复合材料；在挤出过程中纤维得到拉伸，提高了复合材料的力学性能。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述聚合物基体为连续片状聚合物或无纺布。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述聚合物基体1 与纤维2的质量比为1:(0.11～9)。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述长纤维的长度为10～1000mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述底片6与盖片7的厚度为0.03～1mm。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本实用新型的有益效果：

实施例1：结合图1和图2说明本实施例，本实施例长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料的制备方法按以下步骤进行：

步骤一、制备聚合物基体

称取聚合物粒子和偶联剂，混合均匀后经热压得到连续片的状聚合物基体；

所述连续片状聚合物基体的厚度为0.3mm；所述聚合物粒子与偶联剂的质量比为 1:0.03；所述热塑性聚合物为高密度聚乙烯(HDPE)；所述偶联剂为马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂；

步骤二、纤维铺装与包裹

将长纤维均匀平行铺装在连续片状聚合物基体的表面，然后将片状聚合物基体以纤维长度方向为轴卷成筒状预制体；所述长纤维与连续片状聚合物基体的质量比为4：6；所述长纤维的长度为150mm；所述长纤维为黄麻纤维；

本步骤得到的筒状预制体由聚合物基体1和纤维2构成，聚合物基体1为卷状，卷状的聚合物基体中相邻的卷层构成卷层间隙4，最内的卷层内部为聚合物基体内腔5；纤维平行于聚合物基体长度方向设置于卷状的聚合物基体1的卷层间隙4内部；

步骤三、复合材料挤出成型

将筒状预制体的纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，经模具口冷却定型后得到长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料；

所述进行挤出时挤出机的加工温度区间为140℃～175℃；

本实施例制备的长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料中纤维所占质量百分比为 40％，制备的长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料的冲击强度为17.8 KJ/m²，弯曲强度为55.3 MPa，拉伸强度为60.5 MPa。

实施例2：

结合图3说明本实施例，本实施例长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料的制备方法按以下步骤进行：

步骤一、制备聚合物基体

称取聚合物粒子和偶联剂，混合均匀后经热压得到连续片状聚合物基体；

所述连续片状聚合物基体的厚度为0.06mm；所述聚合物粒子与偶联剂的质量比为 1:0.04；所述热塑性聚合物为高密度聚乙烯(HDPE)；所述偶联剂为马来酸酐接枝聚乙烯偶联剂；

步骤二、纤维铺装与包裹

将长纤维均匀平行铺装在连续片状聚合物基体的表面，然后将片状聚合物基体以纤维长度方向为轴折叠成折片状预制体；所述长纤维与连续片状聚合物基体的质量比为3：7；所述长纤维的长度为100mm；所述长纤维为竹纤维；

本步骤得到的筒状预制体由聚合物基体1和纤维2构成，聚合物基体1为折片状，折片状的聚合物基体1由底片6和盖片7构成；盖片7叠放在底片6上，盖片7的其中一个侧边与底片6的其中一个侧边固接；纤维2平行于聚合物基体1长度方向设置于折片状的聚合物基体的底片6与盖片7之间；

步骤三、复合材料挤出成型

将折片状预制体的长纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，经模具口冷却定型后得到长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料；所述进行挤出时挤出机的加工温度为140℃～175℃；

本实施例制备的长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料中纤维所占质量百分比为30％，制备的长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料的冲击强度为18.1 KJ/m²，弯曲强度为48.2 MPa，拉伸强度为52.7MPa。

实施例3

结合图4说明本实施例，本实施例长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料的制备方法按以下步骤进行：

步骤一、制备聚合物基体

称取聚合物粒子和偶联剂，混合均匀后经热压得到连续片状聚合物基体；

所述连续片状聚合物基体的厚度为0.05mm；所述聚合物粒子与偶联剂的质量比为1:0.06；所述热塑性聚合物为聚丙烯；所述偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯偶联剂；

步骤二、纤维铺装与包裹

将长纤维均匀平行铺装在连续片状聚合物基体的表面，然后将片状聚合物基体以纤维长度方向为轴折叠成片状预制体；所述长纤维与连续片状聚合物基体的质量比为5：5；所述长纤维的长度为500mm；所述长纤维为剑麻纤维；

本步骤得到的筒状预制体由聚合物基体1和纤维2构成，聚合物基体1为折片状，折片状的聚合物基体1由底片6和盖片7构成；盖片7叠放在底片6上，盖片7的其中一个侧边与底片6的其中一个侧边固接；纤维2平行于聚合物基体1长度方向设置于折片状的聚合物基体的底片6与盖片7之间；

步骤三、复合材料挤出成型

将折片状预制体的长纤维端部朝向挤出机的进料口并向挤出机送料，然后进行挤出，经模具口冷却定型后得到长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料；所述进行挤出时挤出机的加工温度为145℃～185℃；

本实施例制备的长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料中纤维所占质量百分比为 50％，制备的长纤维定向增强热塑性聚合物复合材料的冲击强度为16.2KJ/m²，弯曲强度为65.6MPa，拉伸强度为73.4MPa。