本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种拉挤成型聚氨酯纤维增强复合材料的制备方法。
背景技术
目前市场上玻璃纤维增强复合材料主要是一种以玻璃纤维与不饱和聚酯为基体材料的复合材料。作为复合材料的一种，玻璃纤维增强复合材料因其独特的性能优势，在航空航天、铁道铁路、装饰建筑、家居家具、建材卫浴和环卫工程等等相关行业中得到了广泛应用。
现有一部分玻璃纤维增强复合材料采用拉挤工艺制作而成，具体为：在牵引装置牵引下，玻璃纤维通过树脂槽被不饱和聚脂进行完全浸渍后先在模具中预成型，并经加热使之固化成型，制成玻璃钢型材，最后切割成所需长度的玻璃钢制品。例如，连续纤维增强聚氨酯复合材料的力学性能的文章中公开了连续纤维增强聚氨酯复合材料的制备方法，具体如下：
将合成pur(增强聚氨酯)树脂的白料和黑料经过科学配比制成粘合剂，加入到浇注盒中。以连续gf(连续纤维)、复合毡和表面毡为增强料，浸入浇注盒中使其充分浸渍，经预成型装置将gf逐渐变成与口模形状相同的型材，同时挤出多余的pur，然后通过拉挤口模采用拉挤工艺进行复合成型，其三区预热区、凝胶区和固化区的温度分别在180～210℃间调节，将固化的pur/gf复合材料以15～20cm/min的牵引速度从模具中拉出来。最后经风冷固化获得gf质量分数高达70.5％的热固性pur/gf高性能复合材料。
虽然，上述工艺制得的gf的质量分数达到70.5％，但上述工艺还存在如下缺陷：
(1)在上述工艺中，将gf、复合毡和表面毡浸入到浇注盒中时，与不饱和聚脂不同之处在于，不饱和聚脂的凝固速度慢，而聚氨酯的凝固速度快，会导致聚氨酯还没来得及对gf、复合毡和表面毡完全进行浸透，聚氨酯便已经凝固，从而在将附有聚氨酯的gf输入到模具中时，出现gf对模具形成堵塞的情况。
(2)上述工艺中记载的经预成型装置将gf逐渐变成与口模形状相同的型材，同时挤出多余的pur，显然地，由于聚氨酯无法完全浸透gf，导致了gf的表面及内部残留着多余的聚氨酯，这些多余的pur被挤出，也表明了上述工艺存在着聚氨酯的浪费。
(3)上述固化的pur/gf复合材料的拉出速度慢，致使生产效率低。
(4)上述方法制得的材料中，gf的质量分数最高为70.5％，然而，这种方法如果继续增加玻璃纤维的含量，显然地结果是势必对模具形成堵塞。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种拉挤成型聚氨酯纤维增强复合材料的制备方法，本发明的制备方法在提高纤维含量后可避免堵塞模具。
解决上述技术问题的技术方案如下：
拉挤成型聚氨酯纤维增强复合材料的制备方法，包含以下步骤：
将质量分数为50—85％的连续纤维的头部穿过模具，所述模具至少具有注胶浸透区、预成型区以及固化区；
通过聚氨酯树脂注胶系统将即时合成的聚氨酯树脂以高压的方式注入到模具的注胶浸透区内，使位于注胶浸透区内的连续纤维被高压的聚氨酯树脂完全浸透；
连续纤维的头部在牵引装置的牵引作用下移动，使被聚氨酯树脂浸透的连续纤维在牵引作用下移动到预成型区内进行加热凝胶，得到预成型的连续纤维增强复合材料；
随着牵引装置产生的持续牵引作用力，使预成型的连续纤维增强复合材料经过固化区固化成型后被拉出到模具外部。
本发明的优点在于：通过在模具上增设注胶浸透区，并采用模内注胶的方式，这样，通过聚氨酯树脂注胶系统将即时合成聚氨酯树脂，这样的优点：①实现对聚氨酯粘度实时控制，从而保证纤维良好浸渍②实现对聚氨酯胶凝时间的实时控制，方便对生产线的启停控制③实现对聚氨酯聚合迅速实时控制，从而提高成型速度，基于上注胶方式和模具，聚氨酯树脂与连续纤维(或玻璃纤维和玻璃纤维毡)进行浸渍时，可以实时控制浸渍时间，这样，可避免被聚氨酯树脂尚未浸透玻纤(或玻璃纤维和玻璃纤维毡)后即预成型固化，从而避免了被聚氨酯树脂尚未浸透后的连续纤维(或玻璃纤维和玻璃纤维毡)进入到预成型区时的堵塞。另外，将具有压力的聚氨酯树脂注入到模具内，聚氨酯树脂在一定压力的作用下具有更好的流动性，因此，这些流动的聚氨酯树脂加速浸透连续纤维，进一步提高拉挤设备的拉挤速度，同时，也避免了与连续纤维复合后的聚氨酯树脂流动性差和被聚氨酯树脂尚未浸透后的连续纤维(或玻璃纤维和纤维毡)进入到预成型区时的堵塞。因此，本发明的制备方法，在使连续纤维的含量最高达到85％时仍然不会堵模，而增加连续纤维含量所具备的显著效果是使得产品的性能获得提升(强度、弯曲性能等)。
具体实施方式
实施例一：
本发明的拉挤成型聚氨酯纤维增强复合材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤1，将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为50％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具，所述连续纤维包括玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、碳纤维、金属纤维及其任意混合物，纤维毡为玻璃纤维毡、芳纶纤维毡、玄武岩纤维毡、碳纤维毡、金属纤维毡等。轨迹导纱器位于模具的上游，轨迹导纱器上至少设有一个供连续纤维穿过的第一通孔，轨迹导纱器上还至少设有一个供纤维毡穿过的第二通孔，这些第二通孔位于第一通孔的周围，其中连续纤维穿过所述第一通孔后再穿过所述模具，纤维毡穿过第二通孔后再穿过所述模具，纤维毡以及连续纤维穿过模具后通过牵引装置被同步牵引。
所述模具至少具有注胶浸透区、预成型区以及固化区；模具的总长度为120cm，其中注胶浸透区的长度为60cm，预成型区以及固化区的长度为60cm。
步骤2，通过聚氨酯树脂注胶系统将即时合成的聚氨酯树脂以高压的方式注入到模具的注胶浸透区内，即将小于等于7mpa的聚氨酯树脂以50～4800ml/min的速度注入到模具的注胶浸透区内，本实施例中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.2mpa，且以547ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。将具有压力的聚氨酯树脂注入到模具的注胶浸透区内，使位于注胶浸透区内的连续纤维和纤维毡被高压的聚氨酯树脂完全浸透；聚氨酯树脂注胶系统为北京京华派克聚合机械设备有限公司生产的型号为jhpk—g20a的注胶系统。
所述注胶浸透区上的注胶口的轴向与连续纤维前进方向之间的夹角为钝角，该钝角的大小为90.5至135度优选地，钝角为95度，采用钝角的好处在于，在向模具内注入聚氨酯树脂时，使聚氨酯树脂沿着连续纤维移动的方向流动，使得聚氨酯树脂在模具内具有更好的流动性，这样有利于使聚氨酯树脂对连续纤维的完全浸透起到帮助作用。
步骤3，连续纤维和纤维毡的头部在牵引装置的牵引作用下移动，使被聚氨酯树脂浸透的连续纤维在牵引作用下移动到预成型区内进行加热，得到预成型的连续纤维增强复合材料；
预成型区由预热区和凝胶区组成，其中预热区的加热温度为50—140℃，凝胶区的加热温度为150—200℃，优选地，预热区的加热温度为120℃，凝胶区的加热温度为170℃。
步骤4，随着牵引装置产生的持续牵引作用力，使预成型的连续纤维增强复合材料经过固化区固化成型后被拉出到模具外部。所述牵引装置的牵引速度为15～1830cm/min，优选地，所述牵引装置的牵引速度为1750cm/min。
实施例二：
本实施例与实施例一不同之处如下：
步骤1中，是将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为60％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具；
步骤2中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.15mpa，且以563ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。
步骤3中，预热区的加热温度为100℃，凝胶区的加热温度为180℃。
步骤4中，所述牵引装置的牵引速度为1500cm/min。
实施例三：
本实施例与实施例一不同之处如下：
步骤1中，是将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为70％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具。
步骤2中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.17mpa，且以233ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。
步骤3中，预热区的加热温度为90℃，凝胶区的加热温度为175℃。
步骤4中，所述牵引装置的牵引速度为1240cm/min。
实施例四：
本实施例与实施例一不同之处如下：
步骤1中，是将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为75％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具。；
步骤2中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.18mpa，且以141ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。
步骤3中，预热区的加热温度为80℃，凝胶区的加热温度为160℃。
步骤4中，所述牵引装置的牵引速度为90cm/min。
实施例五：
本实施例与实施例一不同之处如下：
步骤1中，是将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为80％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具。
步骤2中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.2mpa，且以75ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。
步骤3中，预热区的加热温度为60℃，凝胶区的加热温度为190℃。
步骤4中，所述牵引装置的牵引速度为60cm/min。
实施例六：
本实施例与实施例一不同之处如下：
步骤1中，是将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为81％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具。
步骤2中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.2mpa，且以60ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。
步骤3中，预热区的加热温度为70℃，凝胶区的加热温度为180℃。
步骤4中，所述牵引装置的牵引速度为50cm/min。
实施例七：
本实施例与实施例一不同之处如下：
步骤1中，是将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为80.5％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具。
步骤2中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.2mpa，且以61ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。
步骤3中，预热区的加热温度为65℃，凝胶区的加热温度为175℃。
步骤4中，所述牵引装置的牵引速度为50cm/min。
实施例八：
本实施例与实施例一不同之处如下：
步骤1中，是将位于连续纤维周围的纤维毡以及质量分数为79％的连续纤维的头部依次穿过轨迹导纱器和模具。
步骤2中，注入到模具的注胶浸透区内的聚氨酯树脂的压力为0.2mpa，且以72ml/min的速度向注胶浸透区内注入聚氨酯树脂。
步骤3中，预热区的加热温度为80℃，凝胶区的加热温度为165℃。
步骤4中，所述牵引装置的牵引速度为55cm/min。
申请人将实施例五至实施例八制成的4根连续纤维复合材料切成1.5米长的样品(样品规格型号为：双c型28×56型材)，送往南京连续纤维研究设计院质检中心，国家连续纤维产品质量监督检验中心进行检验，检验的要求为：对提交的样品进行拉伸强度、拉伸弹性模量、最大弯曲应力、1.5倍厚度处弯曲应力、弯曲弹性模量、短梁层间剪切强度、压缩强度进行测试，上述单位出具的检验报告如下表：
在上述单位的检验编号为：玻纤质检(qsw)字第(18040115)号
根据本发明的制备方法以及检验结论可以看出，本发明具有如下特点：
1.提高拉挤速度，从而提高生产线的生产效率；
2.随着玻纤含量增加，树脂用量降低，型材的总成本在大幅度降低(树脂的价格是玻纤价格的5至10倍)；
3.在一定线速度下，可以实现快速的注射浸透均匀；
4.随着玻纤含量的增加，型材的抗拉强度和弯曲强度获得了提高；
5.由于采用高压注胶和轨迹导纱器实现玻纤含量超过80％质量分数，任然可以高速拉挤且不堵塞模具。