一种密度可调可控的针刺预制体及其制备方法技术

本申请公开了一种密度可调可控的针刺预制体，其由至少两层、且其中至少一层含有水溶性纤维的单元层经叠层针刺成型后，溶解掉其中的水溶性纤维而制得。本申请还公开了针刺预制体的制备方法，该制备方法是通过将不同比例的水溶性纤维混杂在纤维布或纤维网中，采用叠层针刺工艺制备一定厚度的针刺预制体，预制体体积密度沿厚度方向可以任意梯度变化。本申请中，利用水溶性纤维易溶易水解的特点，根据织物不同区域对密度的不同要求，添加水溶性纤维，制成等密度的织物，溶解掉水溶性纤维后，实现变密度预制体的制备。本申请可避免了同一织物制备过程中工艺参数需不断调整的弊端，保证工艺稳定性和制备效率。

【技术实现步骤摘要】
一种密度可调可控的针刺预制体及其制备方法
本专利技术涉及复合材料用增强体制备方法，特别涉及一种密度可调可控的针刺预制体及其制备方法。本专利技术一种任意变密度的针刺预制体的制备方法，通过将不同比例的水溶性纤维混杂在纤维布或纤维网中，采用叠层针刺工艺制备一定厚度的针刺预制体，预制体体积密度沿厚度方向可以任意梯度变化。
技术介绍
针刺预制体是以纤维网胎、纤维基布为原材料，利用截面为三角形(或其它形状)，棱边带倒钩的刺针对原材料进行反复穿刺，使纤网中的部分水平纤维转移到Z向，形成成千上万的垂直纤维簇，垂直纤维簇像一个个“销钉”贯穿于水平方向，与水平纤维基布缠结，从而形成层间具有一定连接强度的准三维结构的纤维增强体。针刺预制体克服了2D铺层预制体层间强度弱的缺点及3D编织预制体工艺复杂、成本高的弱点，而且具有孔隙分布均匀、致密化程度好和面内性能较高等特点。针刺技术是各国争相采用的一种多用途、高技术含量的预制体成型技术，已在，航空航天、轨道交通和高温热场等领域得到广泛的应用，具有广阔的应用前景。现有技术制备针刺预制体，主要采用一定面密度的布和一定面密度的纤维网通过叠层针刺制备一定密度的针刺预制体，其中工艺步骤主要包括：(1)将连续纤维短切梳理成一定厚度和面密度的纤维网，其中厚度一般0.5-2mm，面密度30-300g/m2；(2)将连续纤维编织成一定厚度和面密度的纤维布，根据布的组织结构可分为单向布、平纹布、斜纹布和缎纹布等，面密度为60-640g/m2；(3)纤维布和纤维网预刺成单元层后通过连续叠层针刺，制备一定厚度一定体积密度的针刺预制体。目前针刺预制体制备多为等体积密度，但随着复合材料技术的不断发展，以及应用领域面临的轻质高强、承载和功能一体化产品的要求，尤其是航空航天领域的快速发展，隔热、耐高温、抗烧蚀、具有一定力学性能的一体化部件越来越多，因此对针刺预制体提出了更高的要求，尤其需求预制体的体积密度可调可控，满足后期复合材料的适用要求。现有技术一般采用(1)单独针刺成型不同体积密度的单元后再组合成整体的方法(2)通过针刺工艺参数调整来实现变体积密度的制备。但采用这两种技术制备的针刺预制体均存在一定不足。主要问题如下：1、先制备不同密度具有一定厚度的单元，然后将独立的单元通过针刺连接成整体，虽然可以制备成整体变密度针刺织物，但是单元之间连接强度较弱，易于分层，影响使用性能，会导致使用领域受限。2、通过针刺工艺参数调整，主要是针刺密度的调整，利用刺针的反复钩刺，对体积密度的影响有限，难以适应目前针刺预制体体积密度变化梯度大的要求。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术首先提出了一种密度可调可控的针刺预制体，其由至少两层、且其中至少一层含有水溶性纤维的单元层经叠层针刺成型后，溶解掉其中的水溶性纤维而制得。优选地，该密度可调可控的针刺预制体的体积密度变化范围为0.08-0.8g/cm3；该针刺预制体用于采用针刺工艺制备的平板类、回转体类或异形类的变密度产品。水溶性纤维优选为水溶性的聚乙烯醇纤维。本专利技术中的密度可调可控的针刺预制体实质为一种变密度预制体，在本申请中，利用水溶性纤维易溶易水解的特点，根据织物不同区域对密度的不同要求，在单元层中添加一定含量的水溶性纤维，制成等密度的织物，然后在水中溶解掉织物中的水溶性纤维，从而实现变密度预制体的制备。在生产时，仅需要根据变密度预制体的具体要求，通过调配水溶性纤维在单元层中含量，即可达到对变密度预制体内的不同区域的密度调整，避免了同一织物制备过程中工艺参数需不断调整的弊端，保证工艺稳定性和制备效率。其次，本申请还提出了上述的密度可调可控的针刺预制体的制备方法，该制备方法是通过将不同比例的水溶性纤维混杂在纤维布或纤维网中，采用叠层针刺工艺制备一定厚度的针刺预制体，预制体体积密度沿厚度方向可以任意梯度变化。该制备方法中：该针刺预制体由等密度预制体制备而成；该等密度预制体包括N层分区层，N≥2，N层分区层中至少两层分区层的体积密度不同，每层分区层包括至少一层单元层，每层单元层至少包括两层基础层，所述基础层为混杂纤维网或混杂纤维布；至少有一层分区层的单元层的至少一层基础层含有水溶性纤维；该等密度预制体的制备包括顺序相接的如下步骤：(1)生产混杂纤维布和混杂纤维网；(2)将混杂纤维布和混杂纤维网中的至少一种依照设定沿厚度方向叠合在一起，然后依照设定针刺参数预刺形成各单元层；(3)将各单元层依照所在分区层根据设定针刺参数逐层叠合，然后进行针刺形成等密度预制体；将等密度预制体置入水中，将水溶性纤维溶解掉，制成密度可调可控的针刺预制体。优选地，混杂纤维布中的水溶性纤维的含量为0-100wt％，当混杂纤维布中的水溶性纤维的含量为0wt％时，该混杂纤维布中不含有水溶性纤维。混杂纤维网中的水溶性纤维的含量为0-100wt％，当混杂纤维网中的水溶性纤维的含量为0wt％时，该混杂纤维网中不含有水溶性纤维；混杂纤维网的面密度为20～400g/m2。具体地，所述针刺工艺参数包括刺针型号、植针密度、针刺深度、针刺频率、针刺密度和走布速度。在该制备方法中，克服了现有技术中变密度织物制备过程中出现的过渡段易分层和工艺参数控制复杂的技术问题，在纤维布或纤维网中添加一定含量的水溶性纤维。该制备方法只需根据针刺预制体的密度要求，通过调整纤维布和纤维网中的水溶性纤维的含量，以及通过调整纤维布和纤维网的配置，来调整水溶性纤维在整个预制体本体中分布，在水溶性纤维被溶解后，即可形成所需的针刺预制体。纤维布和纤维网制备简单、快捷，同时针刺工艺参数不需要匹配不同密度的要求，避免了同一织物制备过程中工艺参数需不断调整的弊端，保证工艺稳定性和制备效率。具体地，根据不同的密度要求，所述单元层由一层混杂纤维网和一层混杂纤维布所构成，或由两层混杂纤维网所构成，或由两层混杂纤维布所构成。单元层采用双层结构既能提高单元层的平整度，有利于内部质量的均匀性，又能增加预制体的层间连接性。具体地，在将水溶性纤维溶解掉的过程中，采用超声波振动装置加快水溶性纤维的溶解速度。利用超声波的高频声波产生振荡，对水溶液进行搅拌，一方面能够加快水溶液渗透入等密度预制体内部，从而提高水溶性纤维的溶解速度，提高生产效率；另一方面有利于彻底清除水溶性纤维，保证变密度预制体内部质量的稳定性。具体地，所述混杂纤维布的结构为单向、平纹、斜纹、缎纹或者变化组织。根据复合材料的工况要求，在制备预制体时可以不受制备工艺的限制，任意选择合适结构的纤维布。具体地，所述纤维布和纤维网的原材料包括碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或莫来石纤维。根据复合材料的工况要求，在制备预制体时可以不受制备工艺的限制，任意选择合适的原材料。总体而言，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术制备的变密度针刺织物，沿厚度方向密度任意调整，且调控方便。本专利技术采用在原材料纤维布或纤维网中添加不同配比的水溶性纤维通过叠层针刺工艺制备变密度针刺织物，制备过程中只需要根据产品密度要求调整纤维布或纤维网中水溶性纤维的含量，由于所需混杂纤维布或纤维网的制备仍为常规工艺，工艺流程不需较大改变和调整。(2)本专利技术采用叠层针刺工艺制备变密度针刺织物，其制备过程中针刺工艺参数不需要根据密度变化实时调整，由于针刺整个过程中纤维布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种密度可调可控的针刺预制体，其特征在于，由至少两层、且其中至少一层含有水溶性纤维的单元层经叠层针刺成型后，溶解掉其中的水溶性纤维而制得。

【技术特征摘要】
1.一种密度可调可控的针刺预制体，其特征在于，由至少两层、且其中至少一层含有水溶性纤维的单元层经叠层针刺成型后，溶解掉其中的水溶性纤维而制得。2.根据权利要求1所述的密度可调可控的针刺预制体，其特征在于，体积密度变化范围为0.08-0.8g/cm3；该针刺预制体用于采用针刺工艺制备的平板类、回转体类或异形类的变密度产品。3.权利要求1或2所述的密度可调可控的针刺预制体的制备方法，其特征在于，该针刺预制体由等密度预制体制备而成；该等密度预制体包括N层分区层，N≥2，N层分区层中至少两层分区层的体积密度不同，每层分区层包括至少一层单元层，每层单元层至少包括两层基础层，所述基础层为混杂纤维网或混杂纤维布；至少有一层分区层的单元层的至少一层基础层含有水溶性纤维；该等密度预制体的制备包括顺序相接的如下步骤：(1)生产混杂纤维布和混杂纤维网；(2)将混杂纤维布和混杂纤维网中的至少一种依照设定沿厚度方向叠合在一起，然后依照设定针刺参数预刺形成各单元层；(3)将各单元层依照所在分区层根据设定针刺参数逐层叠合，进行针刺形成等密度预制体；将等密度预制体置入水中，将水溶性纤维溶解掉，制成密度可调可控的针刺预制体。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘延友，程海霞，乔志炜，
申请(专利权)人：中材科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32