一种复合材料增韧细棒及其成型方法与模具

1.本发明涉及复合材料细棒的制造领域，具体涉及一种用于增韧高温成型的层合板的复合材料细棒的成型方法及其成型模具。


背景技术：

2.复合材料细棒增韧技术是近年来发展起来的一种提高复合材料层间性能的新技术，其通过将复合材料细棒植入叠层复合材料内部的厚度方向实现增韧效果。由于细棒能够在复合材料成型的过程中与层合板粘结在一起，起到桥联的作用，因此该技术能够显著增强复合材料的层间性能，并且成本较低，已经应用在工程实践中并取得良好的效果。
3.传统复合材料增韧细棒材料为纤维增强环氧树脂或双马来酰亚胺树脂，环氧树脂或双马来酰亚胺这两种基体树脂并不适用于高温成型的复合材料，因为在材料复合成型的过程中，高温的作用下细棒的基体会发生裂解，而环氧树脂或双马来酰亚胺树脂的裂解的固体产物会残留在细棒纤维与层合板基体之间，残留物的存在会导致材料内部产生缺陷，从而影响被增韧材料的性能。为了解决这个问题，必须解决增韧细棒基体残留物的问题，另外，若采用新材料作为细棒的基体树脂，还需解决浸润和成型的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种经高温成型，树脂基体裂解后固体残留物极少的复合材料增韧细棒及其成型方法。本发明创新地采用聚乙二醇和聚乙烯醇为基体树脂作为增韧细棒的基体材料，其经高温后，固体残留物极少，同时采用了高性能纤维束与水溶性聚乙烯醇纤维束加捻合股浸润聚乙二醇水溶液的方法实现较好的浸润，解决了聚乙烯醇粘度大难以浸入纤维束内部的问题，并通过凹槽型模具实现复合材料细棒的成型，解决了加捻纤维束易缺胶的问题。本发明简单实用较易实现自动化。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：一种复合材料增韧细棒的成型方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
6.首先，将高性能纤维束与水溶性聚乙烯醇纤维分别加捻再合股，使两种纤维抱合在一起，形成一束混杂纤维束。
7.第二，将混杂纤维束穿过含有聚乙二醇水溶液的树脂槽浸润树脂。
8.第三，浸润了树脂的纤维束穿过具有预期细棒截面形状的等截面通孔的成型模具，使浸润树脂的混杂纤维束截面呈规则形状。
9.第四，混杂纤维束从模具孔道拔出后，加热干燥，将水分蒸发，使其硬化成细棒材料。
10.本发明在浸润树脂时，槽内树脂温度应控制在60℃至100℃之间，使聚乙二醇能够熔融。混杂纤维束在穿过树脂槽的过程中，一方面熔融的聚乙二醇可以进入高性能纤维束的纤维之间，进行聚乙二醇对高性能纤维束的浸润；另一方面，与高性能纤维束合股的水溶性聚乙烯醇纤维将逐渐吸收树脂槽内的水分，将从固态转变为液态，同时，由于混杂纤维束
的加捻抱合作用，混杂纤维束所受到的牵引力一部分将分解为向心力，使从固态转变为液态的聚乙烯醇溶液向高性能纤维束内挤压浸润，从而实现聚乙烯醇对高性能纤维束的浸润。
11.本发明之所以采用聚乙烯醇和聚乙二醇这两种高分子材料作为z-pin的基体树脂，是因为这两种材料在高温的作用下，绝大部分裂解产物为气体，固体残留物极少，可以提高复合材料增韧细棒与层合板之间的界面性能，防止细棒与层合板之间产生缺陷。聚乙烯醇具有性能好韧性高的特点，但其粘度大不宜浸润，因此结合了聚乙二醇溶液来促进聚乙烯醇的浸润。
12.与现有的成型模具相比，本发明采用的成型模具沿混杂纤维束拉伸方向至少包含三段路径，其中，第一段呈锥形，可以逐渐减少纤维束携带的多余树脂，第三段为具有预期细棒截面形状的，中间段的结构是在第三段结构的基础上，沿周向具有至少三个凹槽或镂空结构，使其既能提供维持纤维束形状压力，又能为加捻的纤维束凹陷位置补充树脂，防止加捻造成局部缺料的现象。
13.模具的材质可以是耐高温树脂，也可以是金属材料，可通过3d打印的方法制得。
14.模具如果采用镂空形式，镂空区域空腔长度沿混杂纤维束运动的方向可大于与纤维接触的镂空面的长度，以贮存较多的树脂，便于对纤维充分的浸润，这种结构能够使混杂纤维束在模具中定型时得到聚乙二醇树脂充分浸润，从而大大提升制品性能。
15.模具的等截面通孔大多采用圆孔，其直径通常为0.1-3mm。
16.高性能纤维材料可以是碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、麻等高性能纤维。水溶性聚乙烯醇纤维以低温易融于水的型号为宜。相对于单高性能纤维束作为增强材料，本发明混杂纤维束中由于加捻的聚乙烯醇纤维在成型过程中的高温作用下转化为液态，同时由于高性能纤维束与聚乙烯醇纤维束的加捻抱合作用，牵引力将转化为液态的聚乙烯醇向高性能纤维束浸润的向心力，使其能够较大程度的渗入高性能纤维内部，大大提升了聚乙烯醇树脂的浸润效果，解决了复合材料增韧细棒聚乙烯醇粘度大，难浸润的问题。另外，聚乙烯醇所吸收的水分存在于聚乙二醇的水溶液中，同时聚乙二醇本身在60至100℃之间能够熔融成液态，其与溶解的聚乙烯醇融合，也降低聚乙烯醇的粘度，促进了聚乙烯醇的浸润，可见聚乙二醇水溶液一方面充当了细棒的浸润树脂溶液，另一方面也充当了促进聚乙烯醇浸润的促进剂。
17.由于混杂纤维束内的聚乙烯醇纤维在浸润过程中将与水融合形成液体树脂而转变为复合材料细棒碳纤维的基体材料，混杂纤维束经浸润后将从两股合股的状态转变为含有捻度的单股纤维束的状态。
18.通过本发明的成型方法最终将得到高性能纤维增强聚乙烯醇/聚乙二醇复合材料细棒。
19.影响复合材料细棒制品性能好坏的关键，是在制备过程中保证纤维束充分浸润树脂，包括纤维束内部树脂的浸润和纤维束外表树脂的浸润。为此，本发明的树脂槽内部设置了一个滚轮，当纤维束在树脂槽内受牵引前进时，滚轮会给予纤维束压力，从而进增强纤维束表面的树脂浸润效果，提升制品的性能。
附图说明
20.图1为本发明实施例一中复合材料增韧细棒两种纤维加捻成混杂纤维束的示意图。
21.图2为本发明实施例一中复合材料增韧细棒混杂纤维束浸润树脂成型过程示意图。
22.图3为本发明实施例一中复合材料增韧细棒凹槽结构成型模具的结构示意图。
23.图4为本发明实施例二中复合材料增韧细棒用镂空结构成型模具的结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图详细说明本发明的实施案例。
25.实施例1
26.本实施案例以制造碳纤维增强聚乙烯醇/聚乙二醇复合材料细棒为例，所制造的碳纤维复合材料细棒截面为圆形、直径0.60mm，制作的具体实施步骤如下：
27.首先，将一束捻度为4捻/cm的3k t300碳纤维束101与一束捻度为4捻/cm，细度为60旦的水溶性聚乙烯醇纤维束102加捻合股，合股捻度为3捻/cm，得到一混杂纤维束100，如图1所示。
28.第二，将混杂纤维束100穿过盛有聚乙二醇水溶液201的树脂槽200，其中聚乙二醇的浓度为70％。在树脂槽200中部有一滚轮202给予纤维束100压力，在滚轴600的牵引力作用下，混杂纤维束将持续受到牵引，实现连续的浸润和成型，牵引速度为0.2米/分钟，如图2所示。其中槽内树脂温度应控制在80℃，这个温度能使聚乙二醇始终保持熔融状态，使溶液具有较低的粘度而实现聚乙二醇的浸润；另外，混杂纤维束在树脂槽中运动的过程中，与碳纤维抱合在一起的聚乙烯醇纤维将逐渐吸收树脂槽中聚乙二醇水溶液的水分，从纤维状的固态转变为液态。
29.在对混杂纤维束持续牵引的作用下，由于与碳纤维加捻抱合的作用，牵引力一部分将分解为纤维束内部的向心力，而此向心力将提供融化了的聚乙烯醇向碳纤维束内部浸润的挤压力，从而实现了聚乙烯醇对碳纤维的浸润。
30.第三，将浸润了树脂的纤维束穿过具有直径为0.60mm圆孔形状通孔的成型模具300，使浸润树脂的混杂纤维束截面呈规则圆形。模具300材质为耐高温树脂，通过3d打印的方法加工而成。模具300结构如图3所示，其沿混杂纤维束拉伸方向包含三段路径，其中，第一段301呈锥形，可以逐渐减少纤维束携带的多余树脂，第三段303为具有直径为0.60mm的圆形等截面通孔，中间段302的结构是在第三段结构的基础上，沿周向具有三个环形凹槽，使其既能提供维持纤维束形状的压力，又能为加捻的纤维束凹陷位置补充树脂，防止加捻造成局部缺料的现象。
31.第四，将浸润并塑形好的混杂纤维束从模具孔道拔出，而后经过加热管道400进行干燥，管道内温度为110℃，管道长度为2米，使水分蒸发，得到硬化成的细棒材料500，最后复合材料增韧细棒卷在卷轴600上以便储存。
32.实施例2
33.实施例2与实施例1基本相同，其区别仅在于第三步成型模具的结构有所不同：
34.成型模具700的第二段为镂空结构701，其结构示意如图4所示。
35.至此需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案并非对权利要求保护范围限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明技术方案进行的非本质修改或者同等替换，并不能脱离本发明技术方案的实质，且均应在本发明权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种复合材料增韧细棒的成型方法，其特征在于：首先，将高性能纤维束与水溶性聚乙烯醇纤维分别加捻再合股，使两种纤维抱合在一起，形成一束混杂纤维束；第二，将混杂纤维束穿过含有聚乙二醇水溶液的树脂槽浸润树脂，其中槽内树脂温度应控制在60℃至100℃之间，使聚乙二醇能够熔融，混杂纤维束在穿过树脂槽的过程中，一方面熔融的聚乙二醇可以进入高性能纤维束的纤维之间，进行聚乙二醇对高性能纤维束的浸润，另一方面，与高性能纤维束合股的水溶性聚乙烯醇纤维将逐渐吸收树脂槽内的水分，将从固态转变为液态，同时，由于混杂纤维束的加捻抱合作用，混杂纤维束所受到的牵引力一部分将分解为向心力，使从固态转变为液态的聚乙烯醇溶液向高性能纤维束内挤压浸润，从而实现聚乙烯醇对高性能纤维束的浸润；第三，浸润了树脂的纤维束穿过具有预期细棒截面形状的等截面通孔的成型模具，使浸润树脂的混杂纤维束截面呈规则形状；第四，混杂纤维束从模具孔道拔出后，加热干燥，将水分蒸发，使其硬化成细棒材料。2.如权利要求1所述的成型模具，其特征在于：该成型模具沿混杂纤维束拉伸方向至少包含三段路径，其中，第一段呈锥形，可以逐渐减少纤维束携带的多余树脂，第三段为具有预期细棒截面形状的等截面通孔，中间段的结构是在第三段结构的基础上，沿周向具有至少三个凹槽或镂空结构，使其既能提供维持纤维束形状压力，又能为加捻的纤维束凹陷位置补充树脂，防止加捻造成局部缺料的现象。

技术总结
本发明关于一种复合材料增韧细棒及其成型方法与模具，具体涉及一种用于增韧高温成型的层合板的复合材料细棒的成型方法及其成型模具。该成型过程包括以下步骤：首先，将高性能纤维束与水溶性聚乙烯醇纤维加捻合股，抱合形成一束混杂纤维束；第二，混杂纤维束穿过含有聚乙二醇水溶液的树脂槽浸润树脂；第三，穿过具有等截面通孔的三段式成型模具，使浸润树脂的混杂纤维束截面呈规则形状；第四，混杂纤维束从模具孔道拔出后，加热干燥，将水分蒸发，使其硬化成细棒材料。本发明复合材料增韧细棒的成型方法通过加捻、多段模具及聚乙二醇溶液树脂促进剂等手段解决了聚乙烯醇难浸润的问题，从而提高复合材料细棒的增韧效果。从而提高复合材料细棒的增韧效果。从而提高复合材料细棒的增韧效果。


技术研发人员：王晓旭 陈文 彭晓楠 阮思源 王怡扬
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/13