一种碳纤维增强的PEEK单向带及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维增强的PEEK单向带及其制备方法，碳纤维增强的PEEK单向带厚度介于0.10～0.20 mm，幅宽介于100～800 mm；包括PEEK树脂、碳纤维，所述PEEK树脂的重量分数介于32%～36%；碳纤维为束状，碳纤维的体积分数介于55%～65%；所述PEEK树脂包含于固化的悬浮胶液中，所述悬浮胶液为水悬浮体系，悬浮胶液浊度重量分数介于8%～13%，所述悬浮胶液包括PEEK树脂、分散剂、偶联剂、自消泡乳化剂、润湿剂、渗透剂、表面活性剂、增稠剂、去离子水。制备方法包括悬浮胶液配制、牵引展纱、毛刺去除、碾压浸渍、加热固化与熔融浸渍、模具预热与高温压制、辊筒收卷。本发明专利技术具有优异的力学性能，环境耐受性好，耐辐照性能优异，使用温度高，阻燃，耐磨，成型周期短。

A Carbon Fiber Reinforced PEEK unidirectional band and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维增强的PEEK单向带及其制备方法
本专利技术属于复合材料制造领域，具体涉及一种碳纤维增强的PEEK单向带及其制备方法。
技术介绍
单向带是预浸料的一种，是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维，制成树脂基体与增强体的组合物，是制备复合材料的中间材料，是复合材料的基础。“预浸料”是复合材料行业的术语，意思是“预先浸渍树脂的纤维”，可保证树脂和纤维在复合材料中均匀分布，纤维可以是单向碳纤维、玻璃纤维布或者芳纶纤维。树脂可以是环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂等热固性塑料，也可以是PEEK、PEKK、PEI、PPS等热塑性塑料。复合材料的某些性能不断提高，工艺技术逐渐发展，应用范围不断扩大。但是高性能热塑性树脂基预浸料的制备也存在着一些问题。工程用高性能热塑性树脂如聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺醚（PEI）、聚苯硫醚（PPS）等熔点均超过300℃，熔融粘度一般大于100Pa•s，而且粘度随温度的变化很小。因此制备热塑性树脂预浸料的关键技术是解决热塑性树脂对增强纤维的浸渍。徐燕的《国内外预浸料制备方法》中提到，热塑性预浸料制备常用的方法包括溶液法、热熔法、粉末法浸渍法、悬浮浸渍法、纤维混杂法、原位聚合法等。悬浮浸渍法是制备连续纤维增强热塑性树脂基预浸料的一种新方法。即将树脂粉末及其他添加剂配制成悬浮液，纤维长丝经过浸胶槽，在其中经悬浮液充分浸渍后，进入加热炉中烘干悬浮剂，同时使树脂熔融浸渍纤维得到预浸料。悬浮液多为含有聚环氧乙烷、甲基乙基纤维素等增稠剂的水溶液。树脂粉末应尽可能的细小，直径最好在10μm以下并小于纤维直径，以便均匀分布并使纤维浸透。这种方法生产的片材纤维分布均匀，成型加工时预浸料流动性好，适合制作复杂几何形状和薄壁结构的制品。悬浮浸渍法对悬浮液要求很高，悬浮液需要有适合的浓度，同时树脂粉末在液体中要均匀的散布。此外，后期需要将载体液体除去，否则会影响单向带的性能。现有技术采用的制备方法，所制备的PEEK单向带的力学性能，尤其是抗冲击性能和抗损伤性能，尚不能满足工程需求。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述不足，本专利技术的目的要提供一种碳纤维增强的PEEK单向带及其制备方法，将聚醚醚酮（PEEK）树脂作为基体，以碳纤维作为增强材料，制备碳纤维增强PEEK单向带复合材料，解决现有的PEEK单向带的力学性能不足的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种碳纤维增强的PEEK单向带，为片材或卷材，厚度介于0.10～0.20mm，幅宽介于100～800mm；包括PEEK树脂、碳纤维，所述PEEK树脂的重量分数介于32%～36%；碳纤维为束状，碳纤维的体积分数介于55%～65%；所述PEEK树脂包含于固化的悬浮胶液中，所述悬浮胶液为水悬浮体系，悬浮胶液浊度重量分数介于8%～13%，所述悬浮胶液包括PEEK树脂、分散剂、偶联剂、自消泡乳化剂、润湿剂、渗透剂、表面活性剂、增稠剂、去离子水；进一步地，所述悬浮胶液中PEEK树脂质量比为（70～120）‰，分散剂质量比为（1～10）‰，偶联剂质量比为（1～9）‰，自消泡乳化剂质量比为（1～10），润湿剂质量比为（1～8）‰，渗透剂质量比为（1～10）‰，表面活性剂质量比为（1～7）‰，增稠剂质量比为（10～30）‰，去离子水质量比为（800～900）‰。相应的，公开一种碳纤维增强PEEK单向带的制备方法，包括胶液配制、牵引展纱、毛刺去除、碾压浸渍、加热固化与熔融浸渍、模具预热与高温压制、辊筒收卷，悬浮胶液配制：将PEEK树脂粉料与分散剂、偶联剂、自消泡乳化剂、润湿剂、渗透剂以及表面活性剂混合，然后放入高速搅拌机中进行搅拌得到预混物，转速为500～1000r/min，搅拌时间为0.2～0.6小时，使各组分分散均匀；再放入增稠剂、去离子水进行搅拌，分散均匀，转速介于300～500r/min，搅拌时间介于3～5小时，使PEEK粉末分散均匀，得到悬浮胶液，输送至搅拌桶内；悬浮胶液在搅拌桶内循环搅拌，转速介于50～100r/min，避免出现沉淀物；本专利技术应合理的控制悬浮胶液中预混物和去离子水的配制比例。当去离子水的含量过低时，悬浮液过于粘稠，无法和连续纤维很好的浸渍并结合；当去离子水含量太高时，会使悬浮液中PEEK含量较少，导致最终产品的PEEK含量少，产品的力学性能下降。牵引展纱：碳纤维丝束在牵引辊的牵引作用下经过锯齿形展纱装置完成牵引展纱，使碳纤维丝均匀排列；牵引辊数目介于5～30，牵引速度介于0.1m/min～3m/min；毛刺去除：采用红外加热去除碳纤维丝束的毛刺，炉温度介于300～500℃，红外加热头与碳纤维丝束的距离介于50～200mm。碾压浸渍：采用循环泵将悬浮胶液从搅拌桶内循环输送到超声波浸渍槽内，将浸渍槽装满胶液，连续碳纤维丝束经过浸渍槽进行多辊转向碾压浸渍，同时挤压出多余的悬浮液；超声波振动频率介于20kHz～68kHz，超声波的功率介于300W～400W，超声波振头的数目介于10～30之间，有序布置在浸渍槽底部；转向碾压浸渍辊数目介于3～7个。悬浮胶液的浓度控制优选的是通过在线监测系统或人工取样检测。取样频率1～12次/小时，胶液的固体（不挥发物）含量率低于下限值时需往搅拌桶内补充悬浮液。加热固化与熔融浸渍：悬浮胶液放入加热固化炉，加热固化炉分为烘干段、预熔段和熔融段三段，烘干段、预熔段和熔融段长度比例2：1：1；加热固化炉的烘干段温度260～440℃，预熔段温度350～620℃，熔融段温度450～730℃；在炉内PEEK树脂充分的熔融浸渍连续碳纤维束，并将碳纤维丝束粘连在一起；模具预热与高温压制：模具预热温度介于380～450℃，模具压制温度介于360-430℃。通过本专利技术所述的模具预热与高温压制，能够使碳纤维增强的PEEK单向带产品的组织均匀致密。辊筒收卷：模具压制后得到的连续碳纤维增强PEEK单向带通过卷取机进行收卷缠绕，然后进行剪切，从而得到连续碳纤维增强PEEK单向带的成品。进一步地，所述的碳纤维丝束规格为3k～24k。进一步地，所述的PEEK树脂为超细粉，粒径为6.5～38微米。本专利技术是将PEEK的超细粉均匀分散悬浮在去离子水中，然后连续纤维浸渍在悬浮液中，PEEK粉末可以均匀的分布在碳纤维的丝束间。如果PEEK粉粒径过大，在生产过程中PEEK粉将不能完全进入到碳纤维的丝束间，而浮在碳纤维丝束的表面，影响PEEK粉与碳纤维丝束的完全结合，导致产品力学强度不够。如果PEEK粉过细，在生产PEEK粉时难度较大，成本高，因此，本专利技术应根据产品性能需求合理选择PEEK超细粉的粒径。进一步地，所述的分散剂为乙醇、丙酮、苯乙烯-马来酸共聚物超分散剂。本专利技术中分散剂的作用是使PEEK得到充分的浸润，降低水的表面张力，使其很好的分散在去离子水中。进一步地，所述的偶联剂是环氧基系类或甲基乙酰基系类硅烷偶联剂。当硅烷偶联剂介于无机（碳纤维）和有机界面（PEEK树本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维增强的PEEK单向带，其特征在于：为片材或卷材，厚度介于0.10～0.20mm，幅宽介于100～800 mm；包括PEEK树脂、碳纤维，/n所述PEEK树脂的重量分数介于32%～36%；/n碳纤维为束状，碳纤维的体积分数介于55 %～65%；/n所述PEEK树脂包含于固化的悬浮胶液中，所述悬浮胶液为水悬浮体系，悬浮胶液浊度重量分数介于8%～13%，所述悬浮胶液包括PEEK树脂、分散剂、偶联剂、自消泡乳化剂、润湿剂、渗透剂、表面活性剂、增稠剂、去离子水。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维增强的PEEK单向带，其特征在于：为片材或卷材，厚度介于0.10～0.20mm，幅宽介于100～800mm；包括PEEK树脂、碳纤维，
所述PEEK树脂的重量分数介于32%～36%；
碳纤维为束状，碳纤维的体积分数介于55%～65%；
所述PEEK树脂包含于固化的悬浮胶液中，所述悬浮胶液为水悬浮体系，悬浮胶液浊度重量分数介于8%～13%，所述悬浮胶液包括PEEK树脂、分散剂、偶联剂、自消泡乳化剂、润湿剂、渗透剂、表面活性剂、增稠剂、去离子水。


2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强的PEEK单向带，其特征在于：所述悬浮胶液中PEEK树脂质量比为（70～120）‰，分散剂质量比为（1～10）‰，偶联剂质量比为（1～9）‰，自消泡乳化剂质量比为（1～10），润湿剂质量比为（1～8）‰，渗透剂质量比为（1～10）‰，表面活性剂质量比为（1～7）‰，增稠剂质量比为（10～30）‰，去离子水质量比为（800～900）‰。


3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维增强的PEEK单向带，其特征在于：所述的碳纤维丝束规格为3k～24k；
所述的分散剂为乙醇、丙酮、苯乙烯-马来酸共聚物超分散剂；
所述的偶联剂是环氧基系类或甲基乙酰基系类硅烷偶联剂；
所述的自消泡乳化剂是烷基酚聚氧乙烯醚、聚二甲基硅氧烷或其他水性体系消泡剂；
所述的润湿剂是烷基酚聚氧乙烯醚、聚乙二醇辛基苯基醚、硅醇类或其他非离子型表面活性剂；
所述的渗透剂是烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚或其他非离子表面活性剂；
所述的表面活性剂是二甲基甲酰胺、聚乙二醇辛基苯基醚、酯类非硅表面活性剂；
所述的增稠剂为羟甲基纤维素聚乙二醇、聚乙烯醇吡咯烷酮、羟乙基纤维素；
所述的去离子水电导率10μS/cm以下。


4.一种碳纤维增强的PEEK单向带的制备方法，其特征在于：包括胶液配制、牵引展纱、毛刺去除、碾压浸渍、加热固化与熔融浸渍、模具预热与高温压制、辊筒收卷，
悬浮胶液配制：将PEEK树脂粉料与分散剂、偶联剂、自消泡乳化剂、润湿剂、渗透剂以及表面活性剂混合，然后放入高速搅拌机中进行搅拌得到预混物，转速为500～1000r/min，搅拌时间为0.2～0.6小时，使各组分分散均匀；再放入增稠剂、去离子水进行搅拌，分散均匀，转速介于300～500r/min，搅拌时间介于3～5小...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁中春，
申请(专利权)人：江苏韩塑新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32