一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材及其制备方法。通过连续挤出装置，用流延法按设计比例和厚度制成短纤维定向排列的复合聚合物膜片，纤维含量在5％wt到30％wt，膜片中含有70～93％wt的热塑性聚合物，2～4％wt的增塑剂和0.3～1％wt的润滑剂。选择或设计机头结构使得预制膜片以单层挤出或多层共挤形成一种或多种纤维定向复合结构，按力学和结构设计，选择不同短纤维排列方向和基体材料多层叠合，模压成型后形成力学性能可设计多层混杂短纤维复合材料型材。

Multilayer Hybrid short fiber composite thermoplastic polymer section bar and preparation method thereof

The invention provides a multilayer hybrid short fiber composite thermoplastic polymer profile and a preparation method thereof. Through continuous extrusion device, made of composite polymer film short fiber orientation by casting method according to the design proportion and thickness, fiber content of 30%wt in 5%wt, 70 ~ 93%wt thermoplastic polymer containing the diaphragm, 2 ~ 4%wt and 0.3 ~ 1%wt plasticizer, lubricant. The selection or design of the structure of the precast diaphragm of one or more fiber directional composite structure formed by single or multi-layer extrusion, and according to the mechanical structure design, selection of different short fiber orientation and multilayer laminated matrix material, after molding forming mechanical properties can be designed multilayer hybrid fiber composite material.

【技术实现步骤摘要】
一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材及其制备方法
本技术属于复合材料领域，涉及一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的制备方法。
技术介绍
短纤维复合热塑性聚合物与单纯热塑性聚合物相比，其力学性质可以通过选择短纤维的种类、几何尺寸和含量，具有增强效果和性能可设计性；短纤维复合热塑性聚合物与连续纤维复合热塑性聚合物相比，其原料成本和加工大幅下降，加工性较高，与大部分塑料加工工艺兼容，能够制备复杂形状的力学构件。因此多种机械承力构件采用短纤维增强热塑性聚合物替代传统钢铁材料，在减轻重量、提高强度和韧性、降低成本等方面具有特有商业竞争性。目前短纤维复合材料的制备基本采用熔融混合方法，即将短纤维与聚合物粉体机械混合后，通过螺杆挤出机在基体材料熔融状态机械混合，挤出造粒，成为切片料，由终端产品制造者根据具体产品性能要求和结构特点，在成型过程中调整原料比例来实现材料力学性能的调节。随着技术的进步，短纤维的种类从碳纤维、玻璃纤维扩展到高性能有机纤维，尺寸从微米级扩展到纳米级，碳纳米管的工业应用，更使得增强材料达到直径几纳米、长度几毫米，使得复合材料可以在微纳米尺度进行微结构设计、调节，从而实现宏观力学性能在更广阔的范围内自主设计。连续纤维复合材料的力学性能设计通过平行铺排或缠绕的纤维在各层之间取向的调节来实现，因此可以实现力学性质的精确设计，目前尚没有用短纤维通过定向排列实现材料设计的技术，中国专利CN103144262A公开了一种通过挤出机机头结构设计和对挤出胶料多次扭转合并，制备在宽度和厚度方向分布均匀的短纤维单向取向复合橡胶；中国专利CN103819757A公开了一种通过调节开炼机炼胶条件的方法制备定向排列短纤维复合橡胶制品的方法。这些方法提供了制备单向取向短纤维聚合物复合材料的方法，但通过纤维复合聚合物复合材料力学性能的各向异性来制备性能可设计短纤维复合聚合物型材的技术未见报道。
技术实现思路
本专利技术所述的利用定向排列的混杂短纤维复合热塑性聚合物膜片制备多层复合材料型材的制备方法，目的是提供一种通过将定向排列短纤维复合材料膜片通过设计的取向、基体材质、厚度、叠层次序进行层合压制，来实现性能可设计的复合材料型材。一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，由若干片热塑性聚合物膜片按照设计形状、纤维的取向、聚合物种类进行层叠模压得到的型材；所述的热塑性聚合物膜片内分布有定向排列的混杂短纤维。所述的热塑性聚合物膜片以质量份计组成为：混杂短纤维含量在5～30份，热塑性聚合物含量在70～93份，增塑剂含量在2～4份，润滑剂含量在0.3～1份。所述的短纤维包括碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、芳纶纤维、纳米有机纤维、碳纳米管中的一种或多种混杂，纤维直径范围为：0.01～10微米，长度范围为：1～2000微米。所述的热塑性聚合物包括聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、ABS中的任一种。制备所述的多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法，将热塑性聚合物与一种或多种短纤维熔融混合，用螺杆挤出机和流延机制成纤维方向定向排列的热塑性聚合物膜片；将热塑性聚合物膜片用作预制物，将膜片按照设计的形状层叠，并设计叠层短纤维取向和聚合物种类，模压成型后形成力学性能可设计的多层混杂短纤维复合材料型材。用螺杆挤出机和流延机制成纤维方向定向排列的膜片具体方法是将一种或多种短纤维与热塑性聚合物切片机械混合后，用螺杆挤出机通过单通道或多通道机头，以单层或多层共挤方法挤出到冷却辊上，通过牵伸、收卷，形成短纤维均匀分布、排列取向与牵伸方向相同的单一纤维或混杂纤维连续预制膜。所述的单通道或多通道机头，单通道机头用于对单一纤维或直径差小于10倍的混杂纤维挤出，混杂纤维不超过2种，多通道机头各通道用于直径差别大于10倍的单一纤维分别挤出，通道数不大于3。模压时，当选择多种聚合物时，各聚合物的熔点差小于等于30℃，模压温度在所选聚合物最高熔点以上的10℃之内。所述模压成型时，模具在垂直纤维方向的表面凸凹结构不得小于3倍短纤维平均长度，制品的各向异性强度、刚度、韧性通过调节短纤维取向、含量、短纤维种类、聚合物种类进行设计。用于所述的制备多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法中的螺杆挤出机，机头为T型，唇部设有导流结构，所述的导流结构水平截面为梭形，梭形的尾端长度与头部长度比为3～5：1；流道宽度与梭形高度比为1：1～3。有益效果利用定向排列的混杂短纤维复合热塑性聚合物膜片制备多层复合材料型材。可以灵活设计混杂的短纤维，选择不同的短纤维和不同的聚合物基材复合得到不同的强度、刚度、韧性。模压时，热塑性聚合物膜片中纤维取向叠加时角度不同得到的最终型材的强度、刚度、韧性也不同，据此可以根据不同的要求设计得到合适的型材。T型机头结构中的导流结构使得预制膜片以单层挤出或多层共挤形成一种或多种纤维定向复合结构，按力学和结构设计，选择不同短纤维排列方向和基体材料多层叠合，模压成型后形成力学性能可设计多层混杂短纤维复合材料型材。附图说明图1为T型机头导流结构示意图。图2为单一取向短碳纤维复合尼龙66层压试片断口扫描电镜照片。具体实施方式：具体实施方式通过实施例说明，所有材料均可通过商业渠道获得。本专利技术提供一种通过将定向排列短纤维复合材料膜片通过设计的取向、基体材质、厚度、叠层次序进行层合压制，来实现性能可设计的复合材料型材。具体制备方法如下：将短纤维与热塑性聚合物粉体机械混合，混合时间不低于10分钟，当纤维直径大于1微米时，热塑性聚合物粉体粒度不大于100目，当纤维直径小于1微米时，粉体粒度不大于1000目；上述混料短纤维含量5～30质量份，热塑性聚合物含量70～93质量份，增塑剂含量2～4质量份，润滑剂含量0.3～1质量份；进一步地，将混料通过螺杆挤出机挤出，通过T型机头将熔融的复合物挤出到冷却辊上，利用空气刀和调节挤出速度与冷却辊的收卷速度差，使得聚合物形成厚膜，该膜片通过收卷机连续制备，形成短纤维复合材料预制膜；进一步地，短纤维的取向通过机头内唇部设计的导流结构和冷却辊对聚合物的牵引拉伸来实现，当预制膜中含有一种短纤维、或两种短纤维直径比小于10时，采用单通道挤出，当预制膜中含有3种以下短纤维，短纤维直径比大于10时，采用多通道，通道总数小于3；当机头为多通道时，各通道基体材料相同，每个通道通过T型机头内的层状结构形成独立的挤出流道到冷却辊，层状结构使得各通道流体在冷却辊上混合形成单层混杂纤维膜；进一步地，将所述的将预制膜片通过切割制成需要的形状，并按设计的叠层次序、短纤维取向、基材和厚度，叠层后模压成型，模压温度在基材熔点以上10℃之内，当叠层内含有多种不同基材时，各基材的熔点差不大于30℃，模压温度在熔点最高基材的熔点以上10℃之内，各基材在该温度范围内稳定，材料无改性；进一步地，该叠层成型模具在垂直纤维方向的表面凸凹结构不得小于3倍短纤维平均长度，制品的各向异性强度、刚度、韧性通过调节短纤维取向、含量、短纤维种类、基材种类进行设计。实施例一：将市售尼龙66切片用粉碎机粉碎到100目和1000目两种，将直径5到10微米、长度0.5到10毫米的短碳纤维和直径低于20纳米、长度大于10微米的多壁碳纳米管分别与100目和1000目尼龙66粉体混合，在机械搅拌机中搅拌10分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，其特征在于：由若干片热塑性聚合物膜片按照设计形状、纤维的取向、聚合物种类进行层叠模压得到的型材；所述的热塑性聚合物膜片内分布有定向排列的混杂短纤维。

【技术特征摘要】
1.一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，其特征在于：由若干片热塑性聚合物膜片按照设计形状、纤维的取向、聚合物种类进行层叠模压得到的型材；所述的热塑性聚合物膜片内分布有定向排列的混杂短纤维。2.如权利要求1所述的多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，其特征在于：所述的热塑性聚合物膜片以质量份计组成为：混杂短纤维含量在5～30份，热塑性聚合物含量在70～93份，增塑剂含量在2～4份，润滑剂含量在0.3～1份。3.如权利要求1所述的多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，其特征在于：所述的短纤维包括碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、芳纶纤维、纳米有机纤维、碳纳米管中的一种或多种混杂，纤维直径范围为：0.01～10微米，长度范围为：1～2000微米。4.如权利要求1所述的多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，其特征在于：所述的热塑性聚合物包括聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、ABS中的任一种。5.制备权利要求1～4任一所述的多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法，其特征在于：将热塑性聚合物与一种或多种短纤维熔融混合，用螺杆挤出机和流延机制成纤维方向定向排列的热塑性聚合物膜片；将热塑性聚合物膜片用作预制物，将膜片按照设计的形状层叠，并设计叠层短纤维取向和聚合物种类，模压成型后形成力学性能可设计的多层混杂短纤维复合材料型材。6.如权利要求5所述的制备多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪文庆，巴龙，
申请(专利权)人：东南大学，广州市纳克新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32