一种非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体及其制备方法与流程

本发明属于热塑性复合材料领域，涉及一种适用于模压成型工艺二次加工的纤维增强热塑性复合材料预制体及其制备方法。

背景技术：

近年来，纤维增强热塑性复合材料因具有质量轻、力学性能优异、可二次加工等特点，被广泛的应用于航空航天、船舶舰艇、轨道交通等领域，也是目前国内外普遍采用以塑代钢来实现汽车轻量化的研究方向，然而在满足汽车零部件生产对快速、高效生产节拍要求中，如何兼顾高性能纤维的力学特性和高效的成型性成为了一个关键的节点。

专利cn102837429b公开了一种取向非连续纤维预浸料及其制备方法，解决了制备复杂形状复合材料零件容易形成褶皱、影响复合材料力学性能的难题，简化了制造工艺，降低制造成本。由于该发明的预浸料中增强体是等长度(长度范围为10mm～200mm)的取向非连续纤维，导致有序定向铺层制成板材在经向和纬向的力学性能均匀，而其它非取向方向、层间方向的力学性能较弱，模压结构件时会导致较大的变形、抗冲击性差等问题。

本发明的大线长非取向纤维增强热塑性复合材料切片，在增强体的尺度上有别于传统的短纤维、长纤维、连续纤维增强热塑性复合材料，而是界于长纤维与连续纤维间的混杂纤维体系。经过共混、均匀播撒、热压等工序，制成的大线长非取向纤维增强热塑性复合材料模压预制体，纤维在树脂中无规随机分布，制品中纤维含量高、保留长度长，纤维损伤小，明显提高了力学性能，抗冲击性能好，各向同性，耐蠕变性能提高，尺寸稳定好，成型精度高，耐疲劳性能优良。解决了短纤维热塑性复合材料的材料力学性能差；解决了长纤维增强热塑性复合材料在其成型过程中，无法实现各项同性，易收缩，易变形，初始长度无法在制件中保留，力学性能低等限制了制造高模量、高精度产品的可能；解决了连续纤维增强热塑性复合材料各项异性，层间剪切力度弱，无法加工不等厚、不易成型复杂曲面及结构造型的制品，成本高。

本发明的大线长非取向纤维增强热塑性复合材料模压预制体，适用于复杂结构的汽车零件模压成型，满足了汽车零件对制品的外观、力学性能等要求，简化了制造工艺，降低了制造成本。本发明解决了传统纤维增强复合材料中纤维性能难以充分发挥的问题、力学性能各项异性及结构造型难以成行等问题。

技术实现要素：

在本发明的一个技术方案中提供一种非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体，该模压预制体包含由连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱经过分切/切断制成的切片，其中切片的长度l范围为5-200mm，切片宽度w范围为2-30mm，切片内纤维的重量百分含量为20-90wt％；

进一步地，所述的切片的切片角度0°<θ<90°，优选arctan(w/l)<θ<90°，切片角度的选择能够有效避免裁切时切片纰裂，模压时纤维滑动导致性能差异较大；

进一步地，所述的模压预制体中含有单一组份切片或者两种及以上的组分切片，进一步优选预制体中包含两种及以上的切片；

进一步地，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维中的一种或两种，其中碳纤维单丝丝束为1k-50k，玻璃纤维丝束线密度为1200tex、2400tex、4800tex；

进一步地，所述的热塑性复合材料由热塑性树脂、助剂以及填料组成中的一种或者几种以上的组合；

其中所述的热塑性树脂为pa、pe、pp、pet、abs、pc中的一种或多种；

所述助剂包括相容剂、抗氧剂、润滑剂、抗紫外稳定剂等功能性添加剂的一种或多种组合；

所述填料包括硅酮母粒、碳酸钙、云母粉、色粉等填料中的一种或多种；

进一步地，

在本发明的另一个技术方案中还提供了一种非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱的制备：将单向连续纤维/连续纤维丝束经过挤出模头，充分浸渍熔体树脂后，经冷却制成连续纤维增强预浸片/预浸纱；

(2)非连续大线长纤维增强热塑性复合材料片材的制备：连续纤维增强预浸片/预浸纱经过在线或收卷离线分切/切断，制成设计尺寸、形状的切片；

(3)非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体加工：切片经过输送、混料、播撒、热压、冷却、裁切，制成模压预制体。

其中步骤(1)中所述的挤出模头部分包含多段展丝机构、狭缝式流道、分区组合模头，以保证高含量增强纤维充分浸渍，提高纤维与树脂间的界面强度，降低断纱率，最大发挥增强纤维力学性能及提高最终制品力学性能。

具体地，如图2所示，所述模头部分中模唇1是由上模头6和下模头7组成的表面水平的腔室，适合于连续纤维增强预浸片生产，高度可调，预浸片幅宽≤模唇1宽度，模唇1宽度为100mm-1500mm；组合模唇2分为上下两层，内部可穿入纤维丝束，嵌入与之匹配的上模头6和下模头7中组合使用，适合于连续纤维增强预浸纱生产，高度可调，预浸纱的宽度≤各分组合模唇的宽度，分组合模唇宽度为2mm-100mm。

其中a、b、c、d为展丝辊/展丝杆，其中a、b、c上下方向可调，d上下左右方向可调，通过控制展丝辊/展丝杆方向来控制展丝力度。

流道4的出料口为狭缝形，位于下模具波浪模腔波谷的下方直线段1/3以上部位，狭缝形出料口有益于树脂熔体的均匀浸渍，常规的圆形出料口容易将纤维冲散或重新集束；同时，避免出料口边缘磨损纤维；由于常规流道处于波谷位置，而导致的积料氧化、碳化问题，也得到解决。多流道阶梯式浸渍，波浪式模腔可充分展纱的作用，分段浸渍，充分浸渍同时又起到保护纱线，避免断纱和起毛问题。上模头6、下模头7、定位销5组合形成模腔，配合流道4，实现充分浸渍，不溢料的问题。

非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体由单一组分切片或两种及以上组分切片，定长或非定长，纤维长度范围为5mm～200mm的切片、均匀纤维含量或非均匀纤维含量，纤维含量范围为20wt％～90wt％，单一角度切片或非单一角度切片共混体系组成，不同变量的切片等质量混合，在播撒过程中，切片的尺度效应，有利于相互穿插、弥补空隙，各向均匀分布；热压过程中，多维度的纤维间可提供的扎钉效应，有利于提供高的层间性能、低翘曲、各向同性。

所述切片采用多段输料方式，鼓风混料装置定量、均匀播撒。

在本发明的另一个技术方案中，还提供了一种汽车零部件，由上述模压预制体经过加热熔融，二次模压成型制备。

有益效果：

(1)本发明提供的非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体，是由连续纤维/连续纤维束通过熔融浸渍法制成的纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱，经过分切/切断，制成非连续大线长纤维增强热塑性复合材料切片，该切片可根据设计，按照不同的材质组分、切片角度、切片长度等进行混合播撒，经过带式压机热压、冷却形成的无序纤维增强复合材料预制体，该预制体经过二次模压，可制成尺寸稳定性好，各向同性的高强度复杂零部件，弥补了短纤维、长纤维粒子模压注塑后，易翘曲，纤维长度损失，制件性能较差，连续纤维增强复合材料力学性能各向异性、不易加工非等厚的复杂制件的缺点。

(2)本发明将连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱，采用分切和切断方式，将连续纤维增强复合材料制成大线长纤维增强热塑性复合材料切片，该切片中纤维含量较其他复合材料的范围较大，可达20％～90％，增强纤维保留长度较长，且范围较广，可达5mm～200mm，可以提供优异的力学性能。

(3)本发明将连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱切断成多尺度的纤维增强复合材料切片，有利于均匀播撒，分散更均匀，制品的孔隙更少，使得结构件的力学性能均一性提高，提高力学强度，尤其是层间强度，适用于各种领域应用。

(4)本发明提供多维共混体系，避免模压过程中纤维的再取向，可灵活设计混杂线长的增强纤维，选择组合方式，可得到不同的强度、刚度、韧性，据此可以根据不同的设计要求得到经济适用制品。

(5)本发明的预制体可广泛应用于汽车领域，通过设计切片的组分、长度、角度等，可实现低成本、高效率二次模压，适用于各种复杂制件加工。

附图说明

图1连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱的生产装置的整体结构示意图；

图2连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱生产装置中模头部分结构示意图；

图中，1-模唇1，2-组合模唇2，3-预浸纱/预浸片，4-浸渍流道，5-定位销，6-上膜头，7-下模头，8-模腔，a/b/c/d-展丝辊/展纱杆

图3非连续大线长纤维增强热塑性复合材料切片的结构

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在本发明的一个技术方案中提供一种非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体，该模压预制体包含由连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱经过分切/切断制成的切片，其中切片的长度l范围为5-200mm，切片宽度w范围为2-30mm，切片内纤维的重量百分含量为20-90wt％；

进一步地，所述的切片的切片角度0°<θ<90°，优选arctan(w/l)<θ<90°，切片角度的选择能够有效避免裁切时切片纰裂，模压时纤维滑动导致性能差异较大；

进一步地，所述的模压预制体中含有单一组份切片或者两种及以上的组分切片，进一步优选预制体中包含两种及以上的切片；

进一步地，所述的纤维为碳纤维、玻璃纤维中的一种或两种，其中碳纤维单丝丝束为1k-50k，玻璃纤维丝束线密度为1200tex、2400tex、4800tex；

进一步地，所述的热塑性复合材料由热塑性树脂、助剂以及填料组成中的一种或者几种以上的组合；

其中所述的热塑性树脂为pa、pe、pp、pet、abs、pc中的一种或多种；

所述助剂包括相容剂、抗氧剂、润滑剂、抗紫外稳定剂等功能性添加剂的一种或多种组合；

所述填料包括硅酮母粒、碳酸钙、云母粉、色粉等填料中的一种或多种；

在本发明的另一个技术方案中还提供了一种非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

(1)连续纤维增强热塑性复合材料预浸片/预浸纱的制备：将单向连续纤维/连续纤维丝束经过挤出模头，充分浸渍熔体树脂后，经冷却制成连续纤维增强预浸片/预浸纱；

(2)非连续大线长纤维增强热塑性复合材料片材的制备：连续纤维增强预浸片/预浸纱经过在线或收卷离线分切/切断，制成设计尺寸、形状的切片；

(3)非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体加工：切片经过输送、混料、播撒、热压、冷却、裁切，制成模压预制体。

其中步骤(1)中所述的挤出模头部分包含多段展丝机构、狭缝式流道、分区组合模头，以保证高含量增强纤维充分浸渍，提高纤维与树脂间的界面强度，降低断纱率，最大发挥增强纤维力学性能及提高最终制品力学性能。

具体地，如图2所示，所述模头部分中模唇1是由上模头6和下模头7组成的表面水平的腔室，适合于连续纤维增强预浸片生产，高度可调，预浸片幅宽≤模唇1宽度，模唇1宽度为100mm-1500mm；组合模唇2分为上下两层，内部可穿入纤维丝束，嵌入与之匹配的上模头6和下模头7中组合使用，适合于连续纤维增强预浸纱生产，高度可调，预浸纱的宽度≤各分组合模唇的宽度，分组合模唇宽度为2mm-100mm。

其中a、b、c、d为展丝辊/展丝杆，其中a、b、c上下方向可调，d上下左右方向可调，通过控制展丝辊/展丝杆方向来控制展丝力度。

流道4的出料口为狭缝形，位于下模具波浪模腔波谷的下方直线段1/3以上部位，狭缝形出料口有益于树脂熔体的均匀浸渍，常规的圆形出料口容易将纤维冲散或重新集束；同时，避免出料口边缘磨损纤维；由于常规流道处于波谷位置，而导致的积料氧化、碳化问题，也得到解决。多流道阶梯式浸渍，波浪式模腔可充分展纱的作用，分段浸渍，充分浸渍同时又起到保护纱线，避免断纱和起毛问题。上模头6、下模头7、定位销5组合形成模腔，配合流道4，实现充分浸渍，不溢料的问题。

具体地，

实施例1

一种非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体，其由等尺寸

cf/pa610预浸片切片热压而成5mm板，其中切片内碳纤维含量为40wt％，切片长度35mm，宽度10mm，角度90°。

实施例2

一种非连续大线长纤维增强热塑性复合材料模压预制体，由gf/pp预浸片、cf/pp预浸纱切片热压而成5mm板，其中纤维含量为60wt％，切片长度5mm、10mm、15mm、35mm，gf/pp预浸片切片宽度12.7mm，角度为30°，cf/pp预浸纱切片宽度为3.2mm、6.4mm，角度90°，各种尺度切片等比例混合。

对比例1

一种长碳纤维增强热塑性复合材料，由cf/pa6长碳纤粒子模压而成5mm板，cf含量30％，粒子长度15mm。

对比例2

一种连续纤维增强热塑性复合材料板，由16层单向gf/pp预浸片按照[0/90/90/0]4s方式交叠铺层，热压制成5mm板，纤维含量为60wt％。

测试结果如表1所示。

表1实施例1-2与对比例1-2的性能测试结果