一种用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造装置及方法

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造方法。

背景技术：

1、近年来，冰雪装备产业受到越来越多的关注，专业运动员和滑雪爱好者对体育用品的要求也越来越高，市场需求大，竞争激烈。因此，低成本、高性能、环保、可回收利用就成了冰雪装备未来发展的趋势。

2、碳纤维是由碳元素组成的特种纤维,具有重量轻、纤度好、高抗拉强度，高比强度等特点,同时还具有耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优点。但是目前碳纤维增强树脂基复合材料的低温性能不是很好，在低温环境，尤其是冰雪运动装备应用场景，应用受到限制。

3、滑雪板整体是一种复合材料夹芯结构，要求其材质必须选用耐冲击、耐磨损、润滑性好的特性，其中纤维夹层已大量采用碳纤维材质，以保证雪板具有较高力学性能。传统雪板中纤维布浸胶方式制备的纤维夹层中碳纤维含量低，纤维层质量难以保证，无法满足雪板的性能要求。如何设计一种低成本、高效率、实用性强，且能加工出可用于滑雪板制造的具有高质量界面层的碳纤维预浸料是本发明所要解决的关键问题。

技术实现思路

1、在上述技术背景下，为克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造方法，其制备的雪板夹层用碳纤维预浸料无需进行传统的碳纤维与树脂之间的界面改性，缩短了制备流程；采用了真空浸渍模压成型工艺，对传统的压力浸渍工艺进行优化设计，浸渍效果优异，同时提高了工业化生产的制件效率，降低能耗；此方法能为复合材料提供优良的粘结界面层，从而提高滑雪板的综合力学性能，提升滑雪板的使用舒适性。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造装置，该装置由金属套筒1、阻气块2、阀门ⅰ3、阀门ⅱ4、金属板5、浸渍罐6、真空系统7、压力泵8、阀门ⅲ9、阀门ⅳ10、储液罐11、浸渍模具12、浸渍槽13和加热装置14组成。

4、其中，浸渍槽13安装在浸渍罐6中，浸渍模具12安装在浸渍槽13中，真空系统7和储液罐11与浸渍罐6通过管道连通，并分别通过阀门ⅱ4和阀门ⅲ9控制；浸渍槽13底部设有加热装置14；

5、阻气块2固定在浸渍罐6顶部，金属套筒1紧密贴合在阻气块2外表面上，并可沿着阻气块2表面向上下滑动；金属套筒1底部设有金属板5，金属板5与浸渍槽13相对应；阻气块2内部设有气道与金属套筒1顶部相通，气道设有两个出口分别与真空系统7和压力泵8相连，并分别通过阀门ⅰ3和阀门ⅳ10控制；

6、通过真空系统7和压力泵8对阻气块2上部金属套筒1内的密闭空间抽成真空和充气加压以驱动金属板5的下降或上升，金属板5下降使可对浸渍槽13内的浸渍模具12产生压力；

7、优选地，金属板5设有压力传感装置用于查看碳纤维毡预制体所受压力。

8、所述金属套筒1为与阻气块2外表面紧密贴合的薄壳结构，金属套筒1底部为金属板5，金属板5上预留有闭锁结构，方便根据设计需要选择是否安装凸凹模具，以便于一体化成型复杂结构，提高该设备的工艺适应性工艺可设计性。

9、本发明还提供了一种用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造方法，具体步骤如下：

10、1)将碳纤维切短后得到短切丝碳纤维，然后进行去浆处理；

11、2)在乙醇和去离子水以质量比95:5混合得到的混合溶液中加入溶液质量1.5～2.0％润滑分散剂，再加入溶液质量0.05～6％的悬浮助剂得到悬浮液；润滑分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素中的一种或几种的组合；悬浮助剂为分子量700万的聚乙二醇；

12、3)将去浆的短碳纤维放入悬浮液中，通过机械搅动和超声辅助分散得到混合均匀的碳纤维浆料，过滤后得到薄的碳纤维毡材，将若干薄的碳纤维毡材折叠后针刺得到碳纤维毡材，放入烘干箱烘干，热压后制造出碳纤维毡预制体。

13、4)将装有碳纤维毡预制体的浸渍槽13放入浸渍罐6内的浸渍模具12中，预先将树脂加入储液罐11，储液罐11与浸渍罐6相连，并设有阀门ⅲ9，打开阀门ⅱ4通过与浸渍罐6相连的真空系统7将浸渍罐6内吸成真空，打开阀门ⅲ9，将树脂从储液罐11吸入浸渍罐6中，并进入浸渍槽13中，待树脂浸没碳纤维毡预制体时，关闭阀门ⅲ9；关闭阀门ⅱ4，打开阀门ⅰ3，金属板5随金属套筒1同时下降对碳纤维毡预制体进行高压浸渗；所述树脂为热固性树脂；

14、5)设定初始压强3-6mpa，通过加热装置14使罐内温度升高，压强增至6-9mpa，加热温度80-120℃，保温1小时；升温到120-160℃，保温4小时；

15、6)将步骤5)获得的碳纤维预浸料在浸渍罐6中自然冷却，打开压力泵8的阀门ⅳ10对阻气块2上部的密闭空间充气加压，金属板5随金属套筒1同时上升并将冷却的碳纤维预浸料带出，最终泄压开模后，得到本发明高性能碳纤维预浸料。

16、所述热固性树脂为聚双环戊二烯(pdcpd)树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚丁二烯树脂中的一种或几种组合；

17、所述短切丝碳纤维的长度优选10-20mm；所述短切丝碳纤维由pan基碳纤维、沥青基碳纤维、回收碳纤维中的一种切短后获得；

18、步骤3)中碳纤维毡预制体的厚度优选为1-3mm。

19、优选地，步骤3)中热压处理的压力为1-2mpa，热压时间2-5min。

20、优选地，步骤1)短切丝碳纤维的去浆处理步骤如下：

21、取丙酮与乙醇体积比1:1混合配成溶剂，将短切丝碳纤维放入溶剂中1-2h，用浓度0.5wt％的氢氧化钠溶液清洗，将碳纤维取出放入烘箱，在100℃下烘干60min。

22、本发明的有益效果为：

23、1、本发明中短切丝碳纤维的原料可为pan基碳纤维、沥青基碳纤维、回收碳纤维中的任意一种，对原料无限制，可根据需求使用不同的原料。

24、2、本发明中采用悬浮液法制备的碳纤维毡材分散均匀，通过真空浸渍模压成型法制备的碳纤维预制件性能优异能够提高滑雪板的综合力学性能，提升滑雪板的使用舒适性。

25、3.本发明中采用压力辅助浸渍装置，加快碳纤维毡材的浸渍和气泡的排出，提高成品的浸渍效果以及浸渍效率，极大的方便了制品的脱模、取样，进一步提升了工业化制件时的生产效率。

26、4、本发明中高性能碳纤维预浸料在制备前无需对碳纤维与树脂之间进行界面改性，缩短了制备流程，提高了生产效率，降低了制备成本。

27、5、本发明中优选采用新型pdcpd树脂体系，其弯曲模量为1790～2070mpa，拉伸强度34mpa，悬臂梁缺口冲击强度427j/m，具有优秀的力学性能；在-40℃时不变性，可以保证其在低温下稳定的工作性能；此外，还具有优异的耐候性、耐磨性、表面涂饰性、电绝缘性、耐酸碱性及防水性保证材料整体的使用寿命。

技术特征：

1.一种用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造装置，其特征在于，该装置由金属套筒(1)、阻气块(2)、阀门ⅰ(3)、阀门ⅱ(4)、金属板(5)、浸渍罐(6)、真空系统(7)、压力泵(8)、阀门ⅲ(9)、阀门ⅳ(10)、储液罐(11)、浸渍模具(12)、浸渍槽(13)和加热装置(14)组成。

2.根据权利要求1所述的用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造装置，其特征在于，金属板(5)设有压力传感装置。

3.根据权利要求1所述的用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造装置，其特征在于，所述金属套筒(1)为与阻气块(2)外表面紧密贴合的薄壳结构，金属套筒(1)底部为金属板(5)，金属板(5)上预留有闭锁结构。

4.一种根据权利要求1所述装置制造滑雪板的高性能碳纤维预浸料制造方法，具体步骤如下：

5.根据权利要求4所述制造方法，其特征在于，所述热固性树脂为聚双环戊二烯树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚丁二烯树脂中的一种或几种组合。

6.根据权利要求4所述制造方法，其特征在于，步骤1)所述短切丝碳纤维由整捆大丝束碳纤维切短后获得，所述大丝束碳纤维为pan基碳纤维、沥青基碳纤维、回收碳纤维中的一种。

7.根据权利要求4所述的用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造方法，其特征在于，步骤1)所述短切丝碳纤维的长度为10-20mm。

8.根据权利要求4所述的用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造方法，其特征在于，步骤3)中碳纤维毡预制体的厚度为1-3mm。

9.根据权利要求4所述的用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造方法，其特征在于，步骤3)中热压处理的压力为1-2mpa，热压时间2-5分钟。

10.根据权利要求4所述的用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造方法，其特征在于，步骤1)中短切丝碳纤维去浆处理的步骤如下：

技术总结
本发明提出了一种用于滑雪板的高性能碳纤维预浸料的制造装置及方法，针对传统滑雪板中碳纤维夹层性能低的难题，本发明将短切丝碳纤维通过溶剂、润滑分散剂湿式共混方法制备得到碳纤维毡预制体，通过真空浸渍模压成型工艺，热固性树脂在较高的挤压力作用下浸入碳纤维毡预制体并在模具中成型，冷却开模后，最终形成高性能的碳纤维预浸料。与现有技术相比，本发明的优势在于：制备的雪板夹层用碳纤维预浸料无需进行传统的碳纤维与树脂之间的界面改性，缩短了制备流程；采用了真空浸渍模压成型工艺，对传统的压力浸渍进行优化设计，浸渍效果优异，同时提高了工业化生产的制件效率，降低能耗；此方法能为复合材料提供优良的粘结界面层，从而提高滑雪板的综合力学性能，提升滑雪板的使用舒适性。

技术研发人员：李志刚,王芃霖,辛本禄,王明辉,韩洪江,王桂英
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15