专利名称：一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模材料及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模，具体涉及一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模材料及制备方法。
背景技术：
在树脂基复合材料制造过程中，通常选用金属作为模具材料，因为金属具有高的热导率和良好的刚度，而且金属可以加工出良好的表面粗糙度，这样制造出的复合材料也具有较好的表面粗糙度。但是，金属作为模具材料也存在一些缺点。例如，对于大尺寸构件而言，模具重量太大难以操作；此外，加工一件大型金属模具要求的加工条件较高，耗时长，而且造价也较高。在整体树脂基复合材料缠绕工艺中，传统金属模具已经无法满足其整 体成型脱模、高强度等要求，因此急需开发新的芯模材料以适应树脂基复合材料成型工艺的发展。水溶性高分子是具有亲水基的高分子化合物，在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液。水溶性高分子的亲水性，来自于分子中含有的亲水基团，常见的亲水基团有羟基、羧基、酰胺基、胺基、醚基等。采用水溶性高分子作粘结剂制成的水溶性芯模，由于具有遇水溃散的特性、良好的耐热特性，在复合材料制造领域正逐步被应用。目前，树脂基复合材料成型芯模常用的水溶性粘结剂有聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮。虽然使用聚乙烯醇粘结剂制作芯模易于成型，但该水溶性高分子玻璃化转变温度较低，热稳定性较差，芯模随树脂基复合材料二次固化后(温度超过150°C )，聚乙烯醇粘结剂有发黄、烧结等现象，使芯模材料水溶溃散性变差或不具备水溶溃散性，增加了芯模的整体脱模难度。聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇相比，具有玻璃化转变温度高(可达190°C )、水溶性好的特点。例如，申请号为200910308993. 8的中国专利申请就公开了一种聚乙烯吡咯烷酮作为水溶性粘结剂的树脂基复合材料用水溶性模具材料及制作水溶性模具方法。由于构成聚乙烯吡咯烷酮的分子链刚性较大，单独采用聚乙烯吡咯烷酮粘结剂制作大型、轻质纤维缠绕壳体成型芯模时，芯模韧性较差，在成型、机加、运输过程中很容易损坏芯模。因此，制备一种兼备优异水溶溃散性与断裂韧性的水溶性芯模在纤维缠绕壳体成型工艺中具有重大应用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的水溶性芯模水溶溃散性差，玻璃化转变温度低，脆性大，不满足整体成型、脱模要求的问题，提供一种水溶溃散性好，玻璃化转变温度高，断裂韧性好，且适用于纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模材料及制备方法。本发明所提供一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模材料，包括水溶性高分子聚合物粘结剂水溶液和芯模填料。水溶性高分子聚合物粘结剂水溶液是包括聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液的复合粘结剂水溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液的浓度为10 50Wt. %，聚乙烯醇粘结剂水溶液的浓度为5 20Wt. %。复合粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的20 80Wt. %混合配制。并且，水溶性高分子聚合物粘结剂水溶液的加入量为芯模填料重量的O. 05 O. 5倍。芯模填料是将45 150目的石英砂与50 200目的空心玻璃微珠按石英砂占总质量的10 90Wt. %混合制得。本发明还提供一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模的制备方法，包括以下步骤(I)配制聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液在水中加入10 50Wt. %的聚乙烯吡咯烷酮粉末，充分搅拌，并使其完全溶解，制得聚乙烯吡咯烷酮粘结剂的水溶液；(2)配制聚乙烯醇粘结剂水溶液在水中加入5 20Wt. %的聚乙烯醇粉末，充分搅拌，并使其完全溶解，制得聚乙烯醇粘结剂的水溶液；(3)配制复合粘结剂水溶液将经步骤⑴配制好的聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶 液与经步骤(2)配制好的聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的20 80Wt. %混合，充分搅拌，并使其混合均匀，制得复合粘结剂的水溶液；(4)配制填料将45 150目的石英砂与50 200目的空心玻璃微珠按石英砂占总质量的10 90Wt. %混合，充分搅拌，并使其混合均匀，制得芯模填料；(5)混料将经步骤(3)配制好的复合粘结剂水溶液加入到经步骤(4)配制好的芯模填料中，复合粘结剂水溶液的加入量为填料重量的O. 05 O. 5倍，使用搅拌机或其它混料装置将得到的混合料进行充分混合，制得芯模浆料，混料时间为10 30min ；(6)装填成型将经步骤(5)混合好的芯模浆料装填到模具中并用压机压实，芯模浆料在压实过程中的压力为I 5MPa，保压时间为2 IOmin ；(7)干燥固化将上述装填成型后的芯模放入烘箱中进行干燥脱水，室温升至保温温度升温速率为O. 5 4°C /min，保温温度为110 140°C，保温时间为5 50h ;(8)拆模及机加拆卸掉干燥固化后的芯模成型模具，对于有外形要求的芯模进行机械加工。本发明与现有技术相比具有以下优点(I)使用聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮的混合水溶液作粘结剂，由于聚乙烯醇分子链柔韧性较好，芯模干燥固化后仍具有良好的断裂韧性，便于芯模成型模具的拆卸及后续芯模搬运与机加。(2)使用聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮的混合水溶液作粘结剂，由于聚乙烯吡咯烷酮耐温性较好，所制得的芯模随树脂基复合材料再次固化后，仍保持良好的水溶溃散性，满足芯模整体脱模要求，而且芯模的水溶溃散可以在室温水中进行。(3)使用聚乙烯醇与聚乙烯吡咯烷酮的混合水溶液作粘结剂，所制得的水溶性芯模具有良好的高温力学性能，可以满足各个温度段树脂基体的固化成型工艺要求。(4)本方法使用的填料可根据芯模密度及抗压强度设计要求变化，所制得的水溶性芯模尺寸精度高，热膨胀系数小，达到与所生产复合材料结构件匹配的要求。(5)本方法中所使用的原材料没有毒性，也不会带来环境污染问题，而且填料可重复利用。具有成本低、操作简单、无环境污染等优点，适用于工业化生产。
具体实施例方式下面对本发明做进一步详细说明。一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模制备方法，该水溶性芯模的制备方法的具体操作步骤如下(I)配制聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液在水中加入10 50Wt. %的聚乙烯吡咯烷酮粉末，充分搅拌，并使其完全溶解，制得聚乙烯吡咯烷酮粘结剂的水溶液；(2)配制聚乙烯醇粘结剂水溶液在水中加入5 20Wt. %的聚乙烯醇粉末，充分搅拌，并使其完全溶解，制得聚乙烯醇粘结剂的水溶液；(3)配制复合粘结剂水溶液将经步骤⑴配制好的聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液与经步骤(2)配制好的聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的20 80Wt. %混合，充分搅拌，并使其混合均匀，制得复合粘结剂的水溶液；(4)配制填料将45 150目的石英砂与50 200目的空心玻璃微珠按石英砂占总质量的10 90Wt. %混合，充分搅拌，并使其混合均匀，制得芯模填料；(5)混料将经步骤(3)配制好的复合粘结剂水溶液加入到经步骤⑷配制好的芯模填料中，复合粘结剂水溶液的加入量为填料重量的O. 05 O. 5倍，使用搅拌机或其它 混料装置将得到的混合料进行充分混合，制得芯模浆料，混料时间为10 30min ；(6)装填成型将经步骤(5)混合好的芯模浆料装填到模具中并用压机压实，芯模浆料在压实过程中的压力为I 5MPa，保压时间为2 IOmin ；(7)干燥固化将上述装填成型后的芯模放入烘箱中进行干燥脱水，室温升至保温温度升温速率为O. 5 4°C /min，保温温度为110 140°C，保温时间为5 50h ;(8)拆模及机加拆卸掉干燥固化后的芯模成型模具，对于有外形要求的芯模进行机械加工。实施例I分别采用PVP K30和PVA 04_86作聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇粘结剂，PVP K30按20fft. %的浓度配制，PVA 04-86按IOWt. %的浓度配制，将聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的20Wt. %混合备用，称量SKg石英砂和12Kg空心玻璃微珠，搅拌均匀后加入配制好的复合粘结剂3Kg，在混料机上搅拌lOmin，装入芯模成型模具中并用压机压实，压力为2MPa，保压时间为5min，然后放入烘箱中按I°C/min升温速率升至110°C，保温30h，芯模干燥固化后拆卸芯模成型工装，再按型面设计要求对芯模表面进行机加，机加完成后即制得水溶性芯模。实施例2分别采用PVP K30和PVA 0588作聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇粘结剂，PVPK30按40fft. %的浓度配制，PVA 0588按5Wt. %的浓度配制，将聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的50Wt. %混合备用，称量IOKg石英砂和IOKg空心玻璃微珠，搅拌均匀后加入配制好的复合粘结剂2Kg，在混料机上搅拌30min，装入芯模成型模具中并用压机压实，压力为4MPa，保压时间为2min，然后放入烘箱中按O. 5°C/min升温速率升至110°C，保温20h，芯模干燥固化后拆卸芯模成型工装，再按型面设计要求对芯模表面进行机加，机加完成后即制得水溶性芯模。实施例3分别采用PVP K30和PVA 0588作聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇粘结剂，PVPK30按50fft. %的浓度配制，PVA 0588按IOWt. %的浓度配制，将聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的80Wt. %混合备用，称量2Kg石英砂和18Kg空心玻璃微珠，搅拌均匀后加入配制好的复合粘结剂3. 5Kg，在混料机上搅拌20min，装入芯模成型模具中并用压机压实，压力为5MPa，保压时间为lOmin，然后放入烘箱中按2°C /min升温速率升至120°C，保温40h，芯模干燥固化后拆卸芯模成型工装，再按型面设计要求对芯模表面进行机加，机加完成后即制得水溶性芯模。实施例4分别采用PVP K90和PVA 04_86作聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇粘结剂，PVP K90按IOfft. %的浓度配制，PVA 04-86按15Wt. %的浓度配制，将聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的40Wt. %混合备用，称量ISKg石英砂和2Kg空心玻璃微珠，搅拌均匀后加入配制好的复合粘结剂4Kg，在混料机上搅拌15min，装入芯模成型模具中并用压机压实，压力为IMPa，保压时间为8min，然后放入烘箱中按I°C/min升温速率升至130°C，保温45h，芯模干燥固化后拆卸芯模成型工装，再按型面设计要求对芯模表面进行机加，机加完成后即制得水溶性芯模。实施例5 分别采用PVP K30和PVA 0588作聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇粘结剂，PVPK30按30fft. %的浓度配制，PVA 0588按20Wt. %的浓度配制，将聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的60Wt. %混合备用，称量14Kg石英砂和6Kg空心玻璃微珠，搅拌均匀后加入配制好的复合粘结剂3Kg，在混料机上搅拌15min，装入芯模成型模具中并用压机压实，压力为3MPa，保压时间为6min，然后放入烘箱中按4°C /min升温速率升至140°C，保温5h，芯模干燥固化后拆卸芯模成型工装，再按型面设计要求对芯模表面进行机加，机加完成后即制得水溶性芯模。实施例6分别采用PVP K30和PVA 0588作聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇粘结剂，PVPK30按20fft. %的浓度配制，PVA 0588按5Wt. %的浓度配制，将聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的70Wt. %混合备用，称量6Kg石英砂和14Kg空心玻璃微珠，搅拌均匀后加入配制好的复合粘结剂2Kg，在混料机上搅拌20min，装入芯模成型模具中并用压机压实，压力为3MPa，保压时间为4min，然后放入烘箱中按3°C /min升温速率升至120°C，保温10h，芯模干燥固化后拆卸芯模成型工装，再按型面设计要求对芯模表面进行机加，机加完成后即制得水溶性芯模。上述是对本发明的具体说明，本发明并不限于此。本发明所述的水溶性芯模还可应用于铺放、手糊等其它复合材料成型工艺。并且，本发明中的芯模填料还可采用三氧化二铝、二氧化钛等陶瓷粉代替。本发明的保护范围由其权利要求书所限定。
权利要求
1.一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模材料，包括水溶性高分子聚合物粘结剂水溶液和芯模填料，其特征在于所述水溶性高分子聚合物粘结剂水溶液是包括聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液的复合粘结剂水溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液的浓度为10 50Wt. %，聚乙烯醇粘结剂水溶液的浓度为5 20Wt. 复合粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的20 80Wt. %混合配制；并且，所述水溶性高分子聚合物粘结剂水溶液的加入量为芯模填料重量的O. 05 O. 5倍。
2.根据权利要求I所述的水溶性芯模材料，其特征在于，所述芯模填料是将45 150目的石英砂与50 200目的空心玻璃微珠按石英砂占总质量的10 90Wt. %混合制得。
3.—种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模的制备方法，其特征在于，该方法的操作步骤如下 (1)配制聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液在水中加入10 50Wt.%的聚乙烯吡咯烷酮粉末，充分搅拌，并使其完全溶解，制得聚乙烯吡咯烷酮粘结剂的水溶液； (2)配制聚乙烯醇粘结剂水溶液在水中加入5 20Wt.%的聚乙烯醇粉末，充分搅拌，并使其完全溶解，制得聚乙烯醇粘结剂的水溶液； (3)配制复合粘结剂水溶液将经步骤(I)配制好的聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液与经步骤(2)配制好的聚乙烯醇粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的20 80Wt. %混合，充分搅拌，并使其混合均匀，制得复合粘结剂的水溶液； (4)配制填料将45 150目的石英砂与50 200目的空心玻璃微珠按石英砂占总质量的10 90Wt. %混合，充分搅拌，并使其混合均匀，制得芯模填料； (5)混料将经步骤(3)配制好的复合粘结剂水溶液加入到经步骤(4)配制好的芯模填料中，复合粘结剂水溶液的加入量为填料重量的O. 05 O. 5倍，使用搅拌机或其它混料装置将得到的混合料进行充分混合，制得芯模浆料，混料时间为10 30min ； (6)装填成型将经步骤(5)混合好的芯模浆料装填到模具中并用压机压实，芯模浆料在压实过程中的压力为I 5MPa，保压时间为2 IOmin ； (7)干燥固化将上述装填成型后的芯模放入烘箱中进行干燥脱水，室温升至保温温度升温速率为O. 5 4°C /min，保温温度为110 140°C，保温时间为5 50h ; (8)拆模及机加拆卸掉干燥固化后的芯模成型模具，对于有外形要求的芯模进行机械加工。
全文摘要
本发明涉及一种纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模材料及制备方法。本发明所述的纤维缠绕壳体成型用水溶性芯模材料，包括具有聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液和聚乙烯醇粘结剂水溶液的复合粘结剂水溶液和芯模填料。复合粘结剂水溶液按聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液占总质量的20～80Wt.％混合制成。水溶性高分子聚合物粘结剂水溶液的加入量为芯模填料重量的0.05～0.5倍。本发明所述的制备方法包括如下步骤配制聚乙烯吡咯烷酮粘结剂水溶液→配制聚乙烯醇粘结剂水溶液→配制复合粘结剂水溶液→配制填料→混料→装填成型→干燥固化→拆模及机加。本发明制作的芯模密度与抗压强度可根据使用情况调节，芯模耐温性、室温水溶溃散性与断裂韧性好，且对环境无污染。
文档编号B29B7/00GK102827445SQ20121031271
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月21日 优先权日2012年8月21日
发明者赵学平, 陈孝鹏, 郭志兴, 张悦, 郭晓东 申请人:中国航天科工集团第六研究院41所