本发明涉及属于材料技术领域，具体涉及一种连续纤维增强尼龙复合材料的制备方法。
背景技术：
连续纤维增强尼龙具有高强度高模量、耐高温等优点。可用于汽车、轨道交通车辆及工程机械结构部件，以塑代钢，实现车辆装备轻量化。连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料已产业化；碳纤维热固性复合材料也有商品化。但玻纤增强聚丙烯复合材料强度较低，碳纤维热固性复合材料二次成型较困难且不可回收利用。连续玻纤增强通用尼龙复合材料强度高，但通用尼龙易吸水，导致复合板材在高湿度下易变形，低温耐冲击性能不高，材料比重较大，约1.6kg/cm3。因此，开发适高强度耐高低温复合材料，用于飞行器机体、尾翼、翼制版及其无人机机身材料；轨道交通车辆、汽车车身及其部件用材料以及结构部件具有极为重要意义。
在已公开的各专利中，玻纤增强尼龙、碳纤维增强通用尼龙均采用双螺杆共混挤出工艺制备复合材料，如玻纤增强尼龙专利:：cn106479167/cn106366656a/cn106167619a/cn105602244a/cn105504798a/cn105295370a/cn10541931315a；碳纤维增强尼龙专利：cn103289368b/cn103786277b/cn102558847b/cn201710150374.5等，芳纶增强尼龙专利中，cn103627164a提出芳纶短纤与高温尼龙树脂经双螺杆共混挤出制备耐高温尼龙复合材料方法；cn103788624a提出芳纶短纤加入耐高温尼龙盐中熔融聚合制备耐高温尼龙复合材料方法；然而，上述各专利中均未涉及长碳链尼龙粉末连续浸渍纤维及其混纺布制备高强度耐高低温尼龙复合材料。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种连续纤维增强尼龙复合材料的制备方法，其通过长碳链尼龙粉末或耐高温尼龙连续浸润纤维布制备的复合材料，具有轻质、高强、尺寸稳定、耐高低温、耐候等特点，可以模压制备各种板材替代金属板材用途，也可用于各种大型管道。
本发明具体的技术方案如下：
本发明提供一种连续纤维增强尼龙复合材料，其制备原料按照重量份数计算包括如下成分：
纤维布：100份；
尼龙树脂粉末：30-60份；
抗氧剂：0.3-0.8份；
抗紫外光吸收剂：0.2-0.8份；
润滑剂：0.1-1.0份。
所述尼龙树脂优选为长碳链尼龙树脂，包括尼龙11(pa11)、尼龙12(pa12)、尼龙1212(pa1212)、尼龙1313(pa1313)和尼龙10t(pa10t)、尼龙11t(pa11t)、尼龙12t(pa12t)、尼龙13t(pa13t)两类树脂中的一种或两种以上。
其中，所述尼龙11(pa11)、尼龙12(pa12)、尼龙1212(pa1212)、尼龙1313(pa1313)为通用长碳链尼龙树脂，所述尼龙10t(pa10t)、尼龙11t(pa11t)、尼龙12t(pa12t)、尼龙13t(pa13t)为耐高温长碳链尼龙树脂。通用长碳链尼龙树脂具有优异的耐低温性和较低的吸水性，可提供复合材料优异的耐低温韧性与产品尺寸稳定；耐高温长碳链尼龙树脂具有优良的耐高温性及低温韧性。两类尼龙树脂单独使用，可用于不同领域，两树脂尼龙树脂复合使用则适用于耐高低温领域。本发明中既可以单独使用通用长碳链尼龙树脂或耐高温长碳链尼龙树脂(单独使用某一类尼龙时，也可以选择其中一种尼龙树脂或任意两种以上尼龙树脂，不做具体种类和重量比例限制)，也可以优选使用两类尼龙树脂混合的形式，混合时的各尼龙树脂的种类和重量比例不做限制。无论两类尼龙树脂单独使用还是混合使用，尼龙树脂在本发明制备使用时均需要将其冷冻粉碎成50-100μm粉末，尼龙树脂的用量为30-60份，优选35-40份。
所述纤维布包括碳纤维布、芳纶布、玻纤布、碳纤维纤维与芳纶混编布、碳纤维与玻璃纤维混编布中的任意一种或两种以上。以上纤维布可以是平纹织物a或斜纹织物b。混编布中碳纤维与芳纶或玻璃纤维质量配比均满足(20-80)：(80-20)，优选(30-60)：(70-40)。所述纤维布的克重为100-600g/m2，优选为200-400g/m2。
采用纤维布作复合材料的增强骨架材料，与使用丝束比较，纤维经编织形成了很多交织点，有效避免了纤维在树脂熔融浸渍及模压过程中产生的滑移，纤维分散均匀，确保复合材料性能的均匀性，而且具有高强度，高模量。
所述抗氧剂为受阻酚类化合物，具体包括n，n'-双-[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙基]己二胺(a)、四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙基]季戊四醇酯(b)、β-(3,5-二丁基-4-羟基苯基)丙烯正十八碳醇酯(c)、1,3,5-三(4-叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)-1,3,5三嗪-2,4,6(1h,2h,5h)-三酮(d)中的一种；其用量为0.3-0.8份，优选0.4-0.6份。
所述抗紫外光吸收剂为三嗪咪唑类，具体包括uv321、uv323、uv325、uv327、uv328、uv329中的一种，其用量为0.2-0.8份，优选0.3-0.6份
所述润滑剂为芥酸酰胺、硬脂酸锌、硬脂酸钙、聚硅酮、季戊四醇酯中的一种或多种。所述润滑剂的用量为0.1-1.0，优选0.5-0.8。
本发明中受阻酚类抗氧剂与抗紫外光吸收剂复合使用，可大幅提高复合材料的耐老化性，适合室外使用场合。保证复合材料长期室外暴晒条件下保持优良的力学性能。
本发明提供一种连续纤维增强尼龙复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：尼龙树脂粉末的制备：
采用冷冻粉碎制粉工艺，首先用-30～-50℃的液氮冷冻尼龙树脂后，经磨粉机研磨成50-100μm的粉末。优选液氮的温度为-35～-45℃，粉末粒径为50-80μm。
步骤二：尼龙粉末浸渍纤维布制备复合材料：
1、将抗氧剂、紫外光吸收剂、润滑剂与步骤一所得的尼龙树脂粉末按比例加入混合器，在100-300prm(优选为150-200prm)搅拌速度下，搅拌3-10min(优选为5-8min)后出料，并将混合后的物料加入粉末计量加料器储罐中备用。
2、纤维布卷通过导辊牵伸、预热后，进入粉末计量加料器，粉末计量加料器按比例将储罐中混合的粉末连续均匀铺洒在纤维布上，经导辊压实并进入加热箱中，尼龙树脂粉末在加热过程中熔融，尼龙树脂粉末由固体变成可流动的熔体，浸入纤维布的纤维间，浸润并包覆其纤维，再经冷却压延、固化、空气冷却、收卷得到复合材料。
所述工艺：加热箱的预热温度为120-280℃，加热箱中尼龙树脂粉末加热熔融温度为220-350℃，尼龙树脂粉末在加热箱中的加热时间为3-50min，导辊牵伸时的牵引速度为3-40m/min，冷却压辊温度为50-80℃，空气冷却时间为2-10min。
优选纤维布预热温度为160-260℃，对于长碳链尼龙树脂选择160-180℃，对于耐高温长碳链尼龙树脂则为200-260℃，其目的是使纤维布表面温度接近尼龙熔点，当尼龙树脂粉末铺洒在纤维布上时，立即被熔融黏附到纤维布上。
优选尼龙树脂粉末的熔融温度为230-330℃，对于长碳链尼龙树脂优选230-260℃，耐高温长碳尼龙优选280-330℃；尼龙树脂粉末熔融温度直接影响其熔体流动性，熔体的流动性影响对浸润包覆的效果，熔融温度高则尼龙树脂熔体的熔体粘度小，对纤维布的浸润速度快，包覆效果就好，但熔融温度太高将导致尼龙分子的降解，最终将导致复合材料性能的下降；熔融温度低，则尼龙树脂粉末熔融慢，熔体粘度高，浸润速度小，最终的包覆效果就差，其结果将影响复合材料的性能。因此合理设计尼龙树脂粉末熔融温度十分重要。本发明从熔融速度、熔体粘度及浸润速度与效果，产品性能考虑，采用高温快速熔融浸渍方案。既保证产品性能又能提高产能。
优选加热时间为4-20min。加热时间与尼龙树脂粉末熔融速度相关，尼龙树脂粉末受热时间不可太长，加热时间过长，则会引起尼龙树脂的降解，加热时间太短，则可能导致尼龙树脂熔融不完全，导致对纤维布的浸润包覆不好；
优选牵引速度为5-10m/min，牵引速度影响材料在加热箱中的停留时间、树脂熔融浸润效果、复合材料的性能及产能。.总之，为保证复合材料的性能合理调整熔融温度、加热时间与牵引速度。
本发明上述连续纤维增强尼龙复合材料的制备方法有以下特点：
1、采用尼龙树脂粉末浸渍工艺制备复合片材，既不会破坏纤维编织结构，又可设计不同的编织结构，纤维分布均匀；
2、采用连续尼龙树脂粉末浸渍即可保证产品质量的均匀性，又可实现规模化、智能化生产。
3、本发明的工艺过程简单，与连续纤维束浸渍工艺比，减少了纤维梳理工序，克服了纤维分布不匀的难题；
4、本发明可使用任何尼龙树脂/纤维布热塑性复合材料的生产，特别是使用多种纤维织物的浸润包覆。
5、采用尼龙树脂作为粘结材料所制备的复合材料具有优异的耐低温韧性；采用耐高温长碳链尼龙或通用长碳链尼龙两类尼龙混合使用，所制备的复合材料具有优良的耐高低温特性；适用不同的使用环境；
6、采用高温抗氧剂与抗紫外光吸收剂复合使用，所制备的复合材料优良的耐老化性能，适用于室外使用；
7、采用纤维布及其复合纤维织物作骨架材料，所制备的复合材料具有高强度、高模量、高冲击性能，是最理想的金属替代材料；
8、采用尼龙树脂粉末浸渍纤维布工艺，可实现连续化、自动化、规模化生产，工艺简单易控。同时，与纤维丝束比较，在树脂浸渍过程不产生纤维滑移与单丝不均的问题，提高复合材料性能均一与稳定性。
本发明中碳纤维布、玻纤布、芳纶布及碳纤维与玻璃纤维混编布、碳纤维纤维与芳纶混编布的克重分别优选为200g/m2、400g/m2、600g/m2、400g/m2、200-600g/m2，宽幅1m，尼龙11、尼龙12的特性粘度2.5，尼龙1212、尼龙1313的特性粘度2.4，尼龙10t的特性粘度2.2，尼龙11t、尼龙12t、尼龙13t的特性粘度2.1；其他助剂均为现有商品，不做特别规定。
对制备完成的连续纤维增强尼龙复合材料进行性能检测，测试结果具体如下：
拉伸强度(mpa)：astmd638-2014；
弯曲强度(mpa)：astmd790-2007；
弯曲模量(mpa)：astmd790-2007；
缺口冲击强度(kj/m2)：astmd756-1993；
热变形温度(℃)：astmd648
热老化性能：150℃下，加热1500小时后测试其弯曲强度，缺口冲击强度及表面粉化状况。
具体实施方式
实施例1：
配方：尼龙11粉末：40kg；碳纤布a：100kg，克重为200g/m2，织物结构为平纹织物(a型)；抗氧剂(a)为n，n'-双-[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙基]己二胺：0.5kg；抗紫外光吸收剂为uv321：0.6kg；所述润滑剂为芥酸酰胺：0.5kg。
步骤一：尼龙粉末的制备：采用冷冻粉碎制粉工艺。即用-40℃的液氮冷冻尼龙树脂(尼龙11)后，经磨粉机研磨成80μm的粉末。
步骤二：尼龙粉末浸渍纤维布制备复合材料：
1、将抗氧剂、紫外光吸收剂、润滑剂与步骤一所得的尼龙粉末按比例加入混合器，在200prm下，搅拌5min后出料，并加入粉末计量加料器储罐中备用。
2、将碳纤布a装入放卷机，开启导辊、粉末计量加料机、加热箱及后牵伸导辊与收卷机，按进料比4：10(尼龙11粉：碳纤布a的)的比例调整碳纤布牵引速度与粉末计量。纤维布卷通过导辊牵伸、预热后，进入粉末计量加料器；粉末计量加料器按比例将步骤1中混合的粉末连续均匀铺洒在纤维布上，经导辊送压实并送入加热箱，尼龙粉末在加热过程中熔融，尼龙粉末由固体变成可流动的熔体，浸入纤维布之纤维间，浸润并包覆其纤维，经冷却压延、固化、空气冷却、收卷得到复合材料。
所述工艺：预热温度为160℃，加热箱中尼龙粉末加热熔融温度为250℃，尼龙粉末的加热时间为5min，导辊牵伸时的牵引速度为5m/min，冷却压辊温度为60℃，空气冷却时间为6min。
将所制得的复合材料模压制备测试样条，检测其拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度、热变形温度及老化性能。
实施例2：
配方：尼龙12粉末：40kg；碳纤布：100kg，克重为200g/m2；织物结构为即平纹织物(a型)。抗氧剂(b)为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙基]季戊四醇酯：0.4kg；抗紫外光吸收剂为uv321：0.6kg；润滑剂为芥酸酰胺：0.5kg。
整个制备流程工艺及性能检测与实施例1相同。
实施例3：
:配方：尼龙12粉末：40kg；玻纤布:100kg，克重为200g/m2，织物结构为a型即平纹织物；抗氧剂(c)为β-(3,5-二丁基-4-羟基苯基)丙烯正十八碳醇酯：0.4kg；抗紫外光吸收剂为uv327：0.6kg；润滑剂为芥酸酰胺：0.3kg。
整个制备流程工艺及性能检测同实施例1。
实施例4：
:配方：尼龙12粉末：40kg,:碳纤维/玻纤混纺布：100kg，克重为200g/m2，碳纤、玻纤的质量比例为30：70，织物结构为b型斜纹织物；抗氧剂(d)为1,3,5-三(4-叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)-1,3,5三嗪-2,4,6(1h,2h,5h)-三酮(d)：0.3kg；抗紫外光吸收剂为uv329：0.6kg；润滑剂为芥酸酰胺：0.3kg。
整个制备流程工艺及性能检测同实例1。
实施例5：
:配方：尼龙11粉末：40kg；芳纶/玻纤混纺布：100kg,克重为200g/m2；碳纤：玻纤的质量比为20；80，织物结构为b型斜纹织物。抗氧剂(a)：0.5kg；抗紫外光吸收剂uv321：0.6kg；润滑剂为芥酸酰胺：0.5kg。
整个制备流程工艺及性能检测同实例1。
实施例6：
配方：尼龙10t粉末：40kg,碳纤布：100kg，克重为200g/m2,织物结构为b型斜纹织物；抗氧剂(b)：0.5kg，抗紫外光吸收剂uv327：0.6kg，润滑剂为聚硅酮：0.5kg。
整个制备流程工艺及性能测试与实施例1相同。
其中：碳纤布牵引速导辊牵引速度5m/min，尼龙10t助剂混合物693g/min，加热温度340℃，加热时间：5min，后牵伸导辊牵引速度5.1m/min，收卷机线速度5.2m/min。
实施例7：
配方：尼龙10t粉末:35kg；碳纤/玻纤混纺布：65kg，克重为400g/m2，织物结构为b型斜纹织物，碳纤与玻纤的质量比例为20：80。抗氧剂(c)：0.5kg，抗紫外光吸收剂uv329：0.6kg；润滑剂为聚硅酮：0.5kg。
整个制备流程工艺及性能测试与实施例7相同。
实施例1-7的性能测试结果列于表1：
表1复合材料力学性能测试结果
从表1所示碳纤及混编布增强尼龙复合材料的弯曲强度在700mpa以上，最高可达1285mpa，弯曲模量在4gpa左右，最高达4.8gpa，拉伸强度最高可达1068mpa。-50℃低温缺口冲击强度在150kj/m2左右(均保持在在90kj/m2)。具有优异的耐低温韧性；其热变形温度最低为190℃，最高可达270℃，耐高温性能好；150℃、1500小时热老化性能保持率均在90％以上，具有很好的耐老化性能，是非常理想的金属替代材料。玻纤布增强长碳尼龙复合材料的弯曲强度在600mpa，弯曲模量在3.2gpa，-50℃缺口冲击强度为98kj/m2亦具有很好的性能。