一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺的制作方法

本发明涉及高分子复合材料领域，具体涉及一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺。

背景技术：

连续纤维增强热塑性预浸带是用来制备连续纤维增强热塑性复合材料的中间体，以其优异的力学性能广泛应用于汽车、航空航天、建筑等行业。预浸带的质量直接影响复合材料制品的性能。连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺主要有熔融浸渍法、溶液浸渍法和混纤法。其中熔融浸渍法需要使增强纤维直接通过高粘度树脂熔体，耗能大且浸渍效果差，而溶液浸渍法主要存在树脂溶解困难和溶剂挥发毒性的问题。

相比之下，混纤法是一种较有发展前景的连续纤维增强热塑性复合材料的制备方法，热塑性树脂的含量可控性较高，高粘度熔体浸润连续纤维的效果好。该工艺通过压缩空气、水分散等方法制备连续纤维与热塑性纤维的混纤纱束，其中主要存在问题有加工工艺复杂，热塑性纤维与增强纤维较难均匀复合，整个预浸带制备过程中热塑性树脂进行了两次熔融的过程且需要加压，消耗大量热能，成本高。CN 104262900A专利提出了一种制备单向连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的方法，先通过熔融纺丝制备聚醚醚酮复丝，后将复丝通过花式捻线机均匀包缠在碳纤维上得到混杂纤维束，再编织成平纹织物后热压成型，该方法在成型前要进行纺丝、混纱和编织，步骤繁多，并且热塑性纤维包缠在碳纤维外表面，树脂的浸润效果差容易产生空隙，造成产品缺陷较高。CN 102134372A专利提出了一种三维编织碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的方法，将聚醚醚酮纤维与碳纤维进行三维五向混合编织后热压成型，但是该方法编织的混杂纤维束空隙大，热压时气泡难以排出，导致孔隙率较大。同时该方法制备的复合材料中碳纤维体积含量仅为18-54％，增强效果较差。CN 103552331A专利提出了一种热塑性树脂超细纤维膜增韧预浸带的制备方法，采用静电纺丝的方法制备热塑性树脂超细纤维，并将该纤维直接喷淋在增强纤维表面形成增韧层，再与热塑性树脂膜复合热压制备成预浸带。该方法需要将热塑性树脂溶解于特定的良溶剂，适用范围有一定限制，且热压过程中溶剂挥发导致预浸带中产生大量空隙，同时静电纺丝制备的超细纤维无规分布，树脂含量可控性差。

因此如何改善高粘度树脂熔体的浸润效果，有效提高热塑性树脂含量的可控性，简化生产流程，实现热塑性树脂熔融纺丝和预浸带制备的一步法成型，是目前主要的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，优化传统混纤法制备预浸带的工艺步骤，实现热塑性树脂熔融纺丝和预浸带制备的一步法成型，降低加工热耗与生产成本，改善高粘度树脂熔体在增强纤维间流动的浸润效果。

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)增强纤维的预处理:

对单向连续的增强纤维进行开纤处理，然后输送至预热烘箱进行预加热；

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的热塑性树脂切片在螺杆挤出机料筒内熔融后进入纺丝组件，经喷丝板挤出成丝条，并垂直落至预处理后的增强纤维表面；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经粘结辊作用，使步骤2)中的丝条平行均匀分布在增强纤维间，两者一起运动至热压辊组进行加热加压，接着冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带。

作为优选的技术方案：

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述步骤2)中，热塑性树脂从喷丝板挤出后，形成多根平行排列的丝条；所述丝条降落至增强纤维表面时为半熔融态，所述步骤3)中，丝条经热压辊组的作用后转化为热塑性树脂熔体充分浸润在增强纤维间。

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、硼纤维、石墨纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述开纤处理的方法为空气气流开纤、超声波开纤、机械辊压开纤或罗拉开纤；开纤处理后增强纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的2-10倍。

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述热塑性树脂切片为聚酰胺、聚丙烯、热塑性聚酯、聚碳酸酯、聚醚醚酮或聚醚酮。

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述预热烘箱的加热温度为100-200℃，预加热时间为2-10min。

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述步骤2)中的熔融纺丝法的具体工艺为：将干燥处理后的热塑性树脂切片在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出后形成平行排列的半熔融态丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的增强纤维表面。

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述熔融纺丝法工艺参数如下：螺杆挤出机料筒的进料段温度为150-180℃，中段温度为180-280℃，出料段温度为200-360℃，所述计量泵的泵供量为50-400g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为200-400℃；所述增强纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为2-30m/min，丝条垂直落至增强纤维表面后，与其一同运动；半熔融态丝条经牵伸以后的直径为20-100μm，且走丝速度越快，经牵伸后的半熔融态丝条直径越小，连续纤维增强热塑性预浸带中的热塑性树脂含量越低，因此通过改变走丝速度可以精确调节丝条的直径，有效控制预浸带树脂含量。

如上所述一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，所述粘结辊的辊压压力为1-5MPa；所述热压辊组中热压辊的数量为4-8组，热压辊的表面温度为220-420℃，辊压压力为5-15MPa。

本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带，所述连续纤维增强热塑性预浸带的增强纤维体积含量为60-90％，热塑性树脂体积含量为10-40％，厚度为0.01-0.05mm，宽度为20-1000mm，孔隙率低于0.08％。

本发明在传统混纤法的基础上进行改进，先将增强纤维开纤处理以降低纤维带的厚度，同时也降低了高粘度树脂浸润增强纤维时的流程；再将热塑性树脂经喷丝板挤出成半熔融态丝条，并使其平行排列在增强纤维间，有利于预浸带中的树脂在增强纤维间均匀分布，减少树脂富集区；粘结辊提供一定的压力将丝条固结在增强纤维间，确保不会因增强纤维走丝速度过快而导致丝条与增强纤维分离；在热压浸润前丝条一直处于半熔融状态，因此在经过热压辊组时不必进行二次熔融，使高粘度树脂熔体在浸润时具有良好的流动性，最终制备出增强纤维分布均匀，浸渍完善的连续纤维增强热塑性预浸带。

有益效果：

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，与现有技术相比，通过特殊设计的喷丝板设备将热塑性树脂挤出成半熔融态的丝条，并使其平行均匀排列在增强纤维间，简化工艺步骤，提高效率，可以得到纤维分布均匀，尺寸稳定，浸渍完善的连续纤维增强热塑性预浸带。此外调节走丝速度越快，在牵引拉伸作用下丝条的直径越小，可以降低预浸带中的树脂含量，因此通过改变走丝速度可以精确调节丝条的直径，有效控制预浸带树脂含量，制备出增强纤维体积含量较高、力学性能优异的预浸带。

附图说明

图1为经粘结辊作用后半熔融态丝条在增强纤维间排列的结构示意图；

图2为本发明制备得到的连续纤维增强热塑性预浸带横截面结构示意图；

其中，1-半熔融态丝条，2-增强纤维，3-纤维之间的孔隙，4-热塑性树脂基体。

图1中粘结辊提供一定的压力将半熔融态丝条固结在增强纤维间，得到丝条平行排列在增强纤维间的结构；

图2中半熔融态丝条经热压辊组的作用转化为热塑性树脂熔体充分浸润在增强纤维间，经冷压定型收卷后，得到以热塑性树脂为基体的连续纤维增强热塑性预浸带。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)碳纤维的预处理:

对单向连续的碳纤维进行空气气流开纤处理，开纤处理后碳纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的5倍，然后输送至温度为100℃的预热烘箱，预加热时间为2min。

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的聚丙烯粒料在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出，其中，螺杆挤出机料筒的进料段温度为150℃，中段温度为180℃，出料段温度为200℃，计量泵的泵供量为50g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为200℃；挤出后形成多根平行排列的聚丙烯丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的碳纤维表面，聚丙烯丝条降落至碳纤维表面时为半熔融态，碳纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为2m/min，半熔融态聚丙烯丝条经牵伸以后的直径为100μm；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经压力为1MPa的粘结辊作用，使步骤2)中的聚丙烯丝条平行均匀分布在碳纤维间，聚丙烯丝条平行均匀分布在碳纤维间的结构示意图，见图1，然后一起水平运动至热压辊组加热加压，热压辊组中热压辊的数量为4组，热压辊的表面温度为220℃，辊压压力为5MPa，然后冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带，连续纤维增强热塑性预浸带的结构示意图，见图2。

测试表明，本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带的碳纤维体积含量为60％，聚丙烯体积含量为40％，厚度为0.01mm，宽度为1000mm，孔隙率为0.08％。

实施例2

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)玻璃纤维的预处理:

对单向连续的玻璃纤维进行超声波开纤处理，开纤处理后玻璃纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的4倍，然后输送至温度为200℃的预热烘箱，预加热时间为10min。

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的聚酰胺树脂尼龙6切片在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出，其中，螺杆挤出机料筒的进料段温度为180℃，中段温度为200℃，出料段温度为230℃，计量泵的泵供量为400g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为250℃；挤出后形成多根平行排列的尼龙6丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的玻璃纤维表面，尼龙6丝条降落至玻璃纤维表面时为半熔融态，玻璃纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为30m/min，半熔融态尼龙6丝条经牵伸以后的直径为20μm；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经压力为5MPa的粘结辊作用，使步骤2)中的尼龙6丝条平行均匀分布在玻璃纤维间，然后一起水平运动至热压辊组加热加压，热压辊组中热压辊的数量为8组，热压辊的表面温度为260℃，辊压压力为15MPa，然后冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带。

测试表明，本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带的玻璃纤维体积含量为90％，尼龙6体积含量为10％，厚度为0.05mm，宽度为20mm，孔隙率为0.078％。

实施例3

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)硼纤维的预处理:

对单向连续的硼纤维进行机械辊压开纤处理，开纤处理后硼纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的2倍，然后输送至温度为120℃的预热烘箱，预加热时间为4min。

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的尼龙12切片在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出，其中，螺杆挤出机料筒的进料段温度为180℃，中段温度为200℃，出料段温度为250℃，计量泵的泵供量为80g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为270℃；挤出后形成多根平行排列的尼龙12丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的硼纤维表面，尼龙12丝条降落至硼纤维表面时为半熔融态，硼纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为4m/min，半熔融态尼龙12丝条经牵伸以后的直径为83μm；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经压力为2MPa的粘结辊作用，使步骤2)中的尼龙12丝条平行均匀分布在硼纤维间，然后一起水平运动至热压辊组加热加压，热压辊组中热压辊的数量为6组，热压辊的表面温度为285℃，辊压压力为10MPa，然后冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带。

测试表明，本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带的硼纤维体积含量为70％，尼龙12体积含量为30％，厚度为0.03mm，宽度为125mm，孔隙率为0.072％。

实施例4

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)石墨纤维的预处理:

对单向连续的石墨纤维进行罗拉开纤处理，开纤处理后石墨纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的10倍，然后输送至温度为130℃的预热烘箱，预加热时间为7min。

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的聚碳酸酯切片在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出，其中，螺杆挤出机料筒的进料段温度为175℃，中段温度为200℃，出料段温度为240℃，计量泵的泵供量为200g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为265℃；挤出后形成多根平行排列的聚碳酸酯丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的石墨纤维表面，聚碳酸酯丝条降落至石墨纤维表面时为半熔融态，石墨纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为15m/min，半熔融态聚碳酸酯丝条经牵伸以后的直径为56μm；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经压力为4MPa的粘结辊作用，使步骤2)中的聚碳酸酯丝条平行均匀分布在石墨纤维间，然后一起水平运动至热压辊组加热加压，热压辊组中热压辊的数量为5组，热压辊的表面温度为300℃，辊压压力为12MPa，然后冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带。

测试表明，本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带的石墨纤维体积含量为78％，聚碳酸酯体积含量为22％，厚度为0.02mm，宽度为500mm，孔隙率为0.074％。

实施例5

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)玄武岩纤维的预处理：

对单向连续的玄武岩纤维进行机械辊压开纤处理，开纤处理后玄武岩纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的5倍，然后输送至温度为180℃的预热烘箱，预加热时间为8min。

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的热塑性聚酯切片(聚对苯二甲酸乙二醇酯)在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出，其中，螺杆挤出机料筒的进料段温度为180℃，中段温度为200℃，出料段温度为260℃，计量泵的泵供量为350g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为275℃；挤出后形成多根平行排列的热塑性聚酯丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的玄武岩纤维表面，热塑性聚酯丝条降落至玄武岩纤维表面时为半熔融态，玄武岩纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为22m/min，半熔融态聚酯丝条经牵伸以后的直径为38μm；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经压力为4.5MPa的粘结辊作用，使步骤2)中的热塑性聚酯丝条平行均匀分布在玄武岩纤维间，然后一起水平运动至热压辊组加热加压，热压辊组中热压辊的数量为7组，热压辊的表面温度为300℃，辊压压力为14MPa，然后冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带。

测试表明，本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带的玄武岩纤维体积含量为85％，热塑性聚酯体积含量为15％，厚度为0.04mm，宽度为220mm，孔隙率为0.079％。

实施例6

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)芳纶纤维的预处理:

对单向连续的芳纶纤维进行超声波开纤处理，开纤处理后芳纶纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的6倍，然后输送至温度为140℃的预热烘箱，预加热时间为7min。

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的聚醚酮切片在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出，其中，螺杆挤出机料筒的进料段温度为180℃，中段温度为280℃，出料段温度为340℃，计量泵的泵供量为340g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为375℃；挤出后形成多根平行排列的聚醚酮丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的芳纶纤维表面，聚醚酮丝条降落至芳纶纤维表面时为半熔融态，芳纶纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为28m/min，半熔融态聚醚酮丝条经牵伸以后的直径为24μm；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经压力为4.1MPa的粘结辊作用，使步骤2)中的聚醚酮丝条平行均匀分布在芳纶纤维间，然后一起水平运动至热压辊组加热加压，热压辊组中热压辊的数量为7组，热压辊的表面温度为400℃，辊压压力为8MPa，然后冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带。

测试表明，本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带的芳纶纤维体积含量为88％，聚醚酮体积含量为12％，厚度为0.02mm，宽度为560mm，孔隙率为0.072％。

实施例7

本发明的一种连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺，包含以下步骤：

1)碳纤维的预处理:

对单向连续的碳纤维进行空气气流开纤处理，开纤处理后碳纤维的连续纤维带宽度扩展至原来的8倍，然后输送至温度为160℃的预热烘箱，预加热时间为6min。

2)熔融纺丝法制备半熔融态丝条：

将干燥处理后的聚醚醚酮切片在螺杆挤出机料筒内熔融后挤压进入纺丝组件，依次经过计量泵、过滤网和喷丝板挤出，其中，螺杆挤出机料筒的进料段温度为180℃，中段温度为280℃，出料段温度为360℃，计量泵的泵供量为100g/min，熔体从喷丝板挤出时的温度为400℃；挤出后形成多根平行排列的聚醚醚酮丝条，并垂直落至预处理后经牵引电机带动下输送过来的碳纤维表面，聚醚醚酮丝条降落至碳纤维表面时为半熔融态，碳纤维在经牵引电机带动下的走丝速度为18m/min，半熔融态聚醚醚酮丝条经牵伸以后的直径为42μm；

3)连续纤维增强热塑性预浸带的制备：

经压力为2MPa的粘结辊作用，使步骤2)中的聚醚醚酮丝条平行均匀分布在碳纤维间，然后一起水平运动至热压辊组加热加压，热压辊组中热压辊的数量为8组，热压辊的表面温度为420℃，辊压压力为13MPa，然后冷压定型收卷，得到连续纤维增强热塑性预浸带。

测试表明，本发明的连续纤维增强热塑性预浸带的制备工艺制得的连续纤维增强热塑性预浸带的碳纤维体积含量为82％，聚醚醚酮体积含量为18％，厚度为0.03mm，宽度为84mm，孔隙率为0.068％。