短无机纤维杂化网纱及复合碳纤维带的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种短无机纤维杂化网纱及复合碳纤维带的制备方法及其应用，属于聚合物基复合材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
短无机纤维杂化网纱及复合碳纤维带的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于聚合物基复合材料领域，尤其涉及一种覆盖热塑性树脂颗粒的短无机纤维杂化网纱及复合碳纤维带的制备方法及应用，用于通过自动铺放和液体成型工艺制备高韧性碳纤维复合材料
。

技术介绍

[0002]碳纤维增强热固性树脂基复合材料
(
简称碳纤维复合材料
)
由于其高比强度
、
高比模量
、
良好的化学稳定性和可设计性强等优点，在航空航天
、
轨道交通
、
船舶航运和车辆工程等领域得到广泛应用
。
与传统的预浸料热压罐成型相比，采用复合碳纤维带自动铺放结合液体成型工艺制备的碳纤维复合材料在性能相当的情况下具有更低的综合生产成本和更高的生产效率，因此成为碳纤维复合材料制备工艺发展的重要方向
。
[0003]在实际应用中，复合碳纤维带材料通常是由单向碳纤维和表面增韧层组合形成的复合结构
。
表面增韧层的主要作用是提高碳纤维复合材料的抗分层能力，因为碳纤维复合材料层间区域高度交联的热固性树脂具有本征脆性，容易在低速冲击和循环载荷下发生分层损伤并导致结构失效
。
但是，表面增韧层的引入还需要考虑其对复合材料液体成型工艺性能
、
复合材料其他力学性能以及复合碳纤维带自动铺放工艺性能的影响
。
[0004]中国专利
CN 110757908A(
公开日期
2020
年2月7日
)
公开了一种通过多孔纳米纤维膜协同增韧制备碳纤维复合材料的方法，该方法将表面含羧基化碳纳米管的尼龙
66
纳米纤维膜置于碳纤维复合材料的铺层之间
。
该方法无需对热固性树脂进行改性，利用纳米尺度的增韧机制改善了碳纤维复合材料的层间韧性
。
但是，纳米纤维膜的制备成本相对较高，仅采用热塑性纳米纤维增韧可能影响碳纤维复合材料的面内力学性能，且纳米纤维膜的低机械强度可能会影响复合碳纤维带的铺放性能
。
[0005]中国专利
CN 112677602A(
公开日期
2021
年4月
20
日
)
公开了一种采用碳材料气凝胶和热塑性树脂制备层间增韧碳纤维复合材料的方法，该方法将碳材料气凝胶和热塑性树脂复合得到增韧层并铺放在碳纤维复合材料的铺层之间
。
该方法可以显著提升碳纤维复合材料的层间韧性并维持其面内力学性能
。
然而，该方法的制备效率相对较低，气凝胶的孔道结构可能会影响液体成型树脂的灌注，且单一的无机增韧层难以提供复合碳纤维带自动铺放所需的层间黏结力
。
[0006]尽管上述技术分别采用热塑性增韧材料和无机增韧材料来改善碳纤维复合材料的层间韧性，但在制备成本
、
制备效率
、
复合材料液体成型工艺性能和维持复合材料面内力学性能方面存在不同程度的局限，且难以满足复合碳纤维带自动铺放工艺性能的调控需求
。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在解决现有技术的不足，提供一种覆盖热塑性树脂颗粒的短无机纤维杂化网纱及复合碳纤维带的制备方法，该复合碳纤维带可通过自动铺放和液体成型工艺制备
高韧性碳纤维复合材料
。
能够低成本规模化制备
、
具有良好液体成型工艺性能且不影响碳纤维复合材料面内力学性能的增韧材料，同时还需要满足复合碳纤维带自动铺放的可控性要求
。
[0008]一种短无机纤维杂化网纱及复合碳纤维带的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)
将热塑性树脂
、
定型剂和表面活性剂按一定比例配置成热塑性树脂粉末混合物；
[0010](2)
将步骤
(1)
中的热塑性树脂粉末混合物配置成质量分数为
20
‑
60
％的悬浮液；
[0011](3)
将短无机纤维网纱在步骤
(2)
中的悬浮液中浸渍1‑
10
分钟，得到含热塑性树脂粉末混合物的短无机纤维网纱；
[0012](4)
对经过步骤
(3)
处理后的短无机纤维网纱进行干燥
、
加热定型和自然冷却，得到覆盖热塑性树脂颗粒的短无机纤维杂化网纱；
[0013](5)
在单向碳纤维带双面引入定型剂，将步骤
(4)
中的短无机纤维杂化网纱铺贴于单向碳纤维带两侧，经过预热
、
加压和自然冷却，得到覆盖热塑性树脂颗粒的短无机纤维杂化网纱的复合碳纤维带
。
[0014]优选的是，本专利技术步骤
(1)
中的热塑性树脂为端羧基磺化聚芳醚砜
、
含联苯聚芳醚砜
、
含氟磺化双三蝶烯型聚芳醚砜
、
含叔丁基聚芳醚砜中的至少一种，热塑性树脂的粒径分布为
30
‑
100
μ
m
，在热塑性树脂粉末混合物中所占质量分数为
40
‑
60
％
。
[0015]优选的是，本专利技术步骤
(1)
和步骤
(5)
中的定型剂为未固化的固体环氧树脂，包括双酚
A
型环氧树脂
E44、E20
和
E12
中的至少一种，定型剂的粒径分布为
50
‑
150
μ
m
，在热塑性树脂粉末混合物中所占质量分数为
30
‑
50
％
。
[0016]优选的是，本专利技术步骤
(1)
中的表面活性剂为非离子型表面活性剂，其在热塑性树脂粉末混合物中所占质量分数为5‑
10
％
。
[0017]优选的是，本专利技术步骤
(3)
中的短无机纤维网纱的面密度为4‑
16g/m2，由玄武岩纤维或氧化铝纤维构成；短无机纤维长度范围是4‑
10mm
，短无机纤维的直径范围是3‑
15
μ
m。
[0018]优选的是，本专利技术步骤
(4)
中的干燥和加热定型通过红外线加热器实现，干燥温度为
40
‑
120℃
，加热定型温度为
150
‑
250℃。
[0019]优选的是，本专利技术步骤
(5)
中，定型剂的引入方法为静电喷涂，静电喷涂的高压范围为
30
‑
80kV
，雾化压力范围为
0.1
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种短无机纤维杂化网纱及复合碳纤维带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
将热塑性树脂
、
定型剂和表面活性剂按一定比例配置成热塑性树脂粉末混合物；
(2)
将步骤
(1)
中的热塑性树脂粉末混合物配置成质量分数为
20
‑
60
％的悬浮液；
(3)
将短无机纤维网纱在步骤
(2)
中的悬浮液中浸渍1‑
10
分钟，得到含热塑性树脂粉末混合物的短无机纤维网纱；
(4)
对经过步骤
(3)
处理后的短无机纤维网纱进行干燥
、
加热定型和自然冷却，得到覆盖热塑性树脂颗粒的短无机纤维杂化网纱；
(5)
在单向碳纤维带双面引入定型剂，将步骤
(4)
中的短无机纤维杂化网纱铺贴于单向碳纤维带两侧，经过预热
、
加压和自然冷却，得到覆盖热塑性树脂颗粒的短无机纤维杂化网纱的复合碳纤维带
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤
(1)
中热塑性树脂为端羧基磺化聚芳醚砜
、
含联苯聚芳醚砜
、
含氟磺化双三蝶烯型聚芳醚砜
、
含叔丁基聚芳醚砜中的至少一种，热塑性树脂的粒径分布为
30
‑
100
μ
m
，在热塑性树脂粉末混合物中所占质量分数为
40
‑
60
％
。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，上述步骤
(1)
和步骤
(5)
中的定型剂为未固化的固体环氧树脂，包括双酚
A
型环氧树脂
E44、E20
和
E12
中的至少一种，定型剂的粒径分布为
50
‑
150
μ
m
，在热塑性树脂粉末混合物中所占质量分数为
30

【专利技术属性】
技术研发人员：俞建勇，张辉，阳泽濠，薛怿，彭砚双，赵庆志，蔡之想，刘勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：