一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材及其制备方法与流程

本技术属于复合材料领域，涉及一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的制备方法。

背景技术：

短纤维复合热塑性聚合物与单纯热塑性聚合物相比，其力学性质可以通过选择短纤维的种类、几何尺寸和含量，具有增强效果和性能可设计性；短纤维复合热塑性聚合物与连续纤维复合热塑性聚合物相比，其原料成本和加工大幅下降，加工性较高，与大部分塑料加工工艺兼容，能够制备复杂形状的力学构件。因此多种机械承力构件采用短纤维增强热塑性聚合物替代传统钢铁材料，在减轻重量、提高强度和韧性、降低成本等方面具有特有商业竞争性。

目前短纤维复合材料的制备基本采用熔融混合方法，即将短纤维与聚合物粉体机械混合后，通过螺杆挤出机在基体材料熔融状态机械混合，挤出造粒，成为切片料，由终端产品制造者根据具体产品性能要求和结构特点，在成型过程中调整原料比例来实现材料力学性能的调节。随着技术的进步，短纤维的种类从碳纤维、玻璃纤维扩展到高性能有机纤维，尺寸从微米级扩展到纳米级，碳纳米管的工业应用，更使得增强材料达到直径几纳米、长度几毫米，使得复合材料可以在微纳米尺度进行微结构设计、调节，从而实现宏观力学性能在更广阔的范围内自主设计。

连续纤维复合材料的力学性能设计通过平行铺排或缠绕的纤维在各层之间取向的调节来实现，因此可以实现力学性质的精确设计，目前尚没有用短纤维通过定向排列实现材料设计的技术，中国专利CN103144262A公开了一种通过挤出机机头结构设计和对挤出胶料多次扭转合并，制备在宽度和厚度方向分布均匀的短纤维单向取向复合橡胶；中国专利CN103819757A公开了一种通过调节开炼机炼胶条件的方法制备定向排列短纤维复合橡胶制品的方法。这些方法提供了制备单向取向短纤维聚合物复合材料的方法，但通过纤维复合聚合物复合材料力学性能的各向异性来制备性能可设计短纤维复合聚合物型材的技术未见报道。

技术实现要素：

本发明所述的利用定向排列的混杂短纤维复合热塑性聚合物膜片制备多层复合材料型材的制备方法，目的是提供一种通过将定向排列短纤维复合材料膜片通过设计的取向、基体材质、厚度、叠层次序进行层合压制，来实现性能可设计的复合材料型材。

一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，由若干片热塑性聚合物膜片按照设计形状、纤维的取向、聚合物种类进行层叠模压得到的型材；所述的热塑性聚合物膜片内分布有定向排列的混杂短纤维。

所述的热塑性聚合物膜片以质量份计组成为：混杂短纤维含量在5～30份，热塑性聚合物含量在70～93份，增塑剂含量在2～4份，润滑剂含量在0.3～1份。

所述的短纤维包括碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、芳纶纤维、纳米有机纤维、碳纳米管中的一种或多种混杂，纤维直径范围为：0.01～10微米，长度范围为：1～2000微米。

所述的热塑性聚合物包括聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、ABS中的任一种。

制备所述的多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法，将热塑性聚合物与一种或多种短纤维熔融混合，用螺杆挤出机和流延机制成纤维方向定向排列的热塑性聚合物膜片；将热塑性聚合物膜片用作预制物，将膜片按照设计的形状层叠，并设计叠层短纤维取向和聚合物种类，模压成型后形成力学性能可设计的多层混杂短纤维复合材料型材。

用螺杆挤出机和流延机制成纤维方向定向排列的膜片具体方法是将一种或多种短纤维与热塑性聚合物切片机械混合后，用螺杆挤出机通过单通道或多通道机头，以单层或多层共挤方法挤出到冷却辊上，通过牵伸、收卷，形成短纤维均匀分布、排列取向与牵伸方向相同的单一纤维或混杂纤维连续预制膜。

所述的单通道或多通道机头，单通道机头用于对单一纤维或直径差小于10倍的混杂纤维挤出，混杂纤维不超过2种，多通道机头各通道用于直径差别大于10倍的单一纤维分别挤出，通道数不大于3。

模压时，当选择多种聚合物时，各聚合物的熔点差小于等于30℃，模压温度在所选聚合物最高熔点以上的10℃之内。

所述模压成型时，模具在垂直纤维方向的表面凸凹结构不得小于3倍短纤维平均长度，制品的各向异性强度、刚度、韧性通过调节短纤维取向、含量、短纤维种类、聚合物种类进行设计。

用于所述的制备多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法中的螺杆挤出机，机头为T型，唇部设有导流结构，所述的导流结构水平截面为梭形，梭形的尾端长度与头部长度比为3～5：1；流道宽度与梭形高度比为1：1～3。

有益效果

利用定向排列的混杂短纤维复合热塑性聚合物膜片制备多层复合材料型材。

可以灵活设计混杂的短纤维，选择不同的短纤维和不同的聚合物基材复合得到不同的强度、刚度、韧性。

模压时，热塑性聚合物膜片中纤维取向叠加时角度不同得到的最终型材的强度、刚度、韧性也不同，据此可以根据不同的要求设计得到合适的型材。

T型机头结构中的导流结构使得预制膜片以单层挤出或多层共挤形成一种或多种纤维定向复合结构，按力学和结构设计，选择不同短纤维排列方向和基体材料多层叠合，模压成型后形成力学性能可设计多层混杂短纤维复合材料型材。

附图说明

图1为T型机头导流结构示意图。

图2为单一取向短碳纤维复合尼龙66层压试片断口扫描电镜照片。

具体实施方式：

具体实施方式通过实施例说明，所有材料均可通过商业渠道获得。

本发明提供一种通过将定向排列短纤维复合材料膜片通过设计的取向、基体材质、厚度、叠层次序进行层合压制，来实现性能可设计的复合材料型材。

具体制备方法如下：

将短纤维与热塑性聚合物粉体机械混合，混合时间不低于10分钟，当纤维直径大于1微米时，热塑性聚合物粉体粒度不大于100目，当纤维直径小于1微米时，粉体粒度不大于1000目；

上述混料短纤维含量5～30质量份，热塑性聚合物含量70～93质量份，增塑剂含量2～4质量份，润滑剂含量0.3～1质量份；

进一步地，将混料通过螺杆挤出机挤出，通过T型机头将熔融的复合物挤出到冷却辊上，利用空气刀和调节挤出速度与冷却辊的收卷速度差，使得聚合物形成厚膜，该膜片通过收卷机连续制备，形成短纤维复合材料预制膜；

进一步地，短纤维的取向通过机头内唇部设计的导流结构和冷却辊对聚合物的牵引拉伸来实现，当预制膜中含有一种短纤维、或两种短纤维直径比小于10时，采用单通道挤出，当预制膜中含有3种以下短纤维，短纤维直径比大于10时，采用多通道，通道总数小于3；

当机头为多通道时，各通道基体材料相同，每个通道通过T型机头内的层状结构形成独立的挤出流道到冷却辊，层状结构使得各通道流体在冷却辊上混合形成单层混杂纤维膜；

进一步地，将所述的将预制膜片通过切割制成需要的形状，并按设计的叠层次序、短纤维取向、基材和厚度，叠层后模压成型，模压温度在基材熔点以上10℃之内，当叠层内含有多种不同基材时，各基材的熔点差不大于30℃，模压温度在熔点最高基材的熔点以上10℃之内，各基材在该温度范围内稳定，材料无改性；进一步地，该叠层成型模具在垂直纤维方向的表面凸凹结构不得小于3倍短纤维平均长度，制品的各向异性强度、刚度、韧性通过调节短纤维取向、含量、短纤维种类、基材种类进行设计。

实施例一：

将市售尼龙66切片用粉碎机粉碎到100目和1000目两种，将直径5到10微米、长度0.5到10毫米的短碳纤维和直径低于20纳米、长度大于10微米的多壁碳纳米管分别与100目和1000目尼龙66粉体混合，在机械搅拌机中搅拌10分钟，短纤维含量为20％wt，碳纳米管含量为0.5％wt，同时加入增塑剂2％wt和润滑剂0.5％wt，余量为尼龙66补足100％。

将两种混料分别装入两台螺杆挤出机料斗，同时挤出，通过双通道机头，分别控制两台螺杆挤出机挤出速度，使得两个通道的熔融流体在流延机冷却辊上的成膜速度相同。

流延机采用T型模头，模头中设计的导流结构如图1所示，当纤维为直径大于1微米时，其开口尺寸L为纤维平均长度2.5倍，当纤维为直径小于1微米时，其开口尺寸L为纤维平均长度10～100倍。

调节空气刀空气流量和冷却辊转速，使得冷却辊线速度为聚合物熔融流体机头唇部流速的3倍，调节压膜辊压力使得两层熔体混合成膜，收卷机连续收卷，制成短碳纤维和碳纳米管二元混杂单一取向预制膜。

将厚度为0.1毫米的上述预制膜以90°取向逐层交替叠层，按需要的厚度计算层数，在真空平板热压机上压制，压制压力为30MPa，温度250℃，保压5分钟，脱模后制成双向各向异性复合材料。

表一为典型制备条件下短碳纤维平均长度1毫米、含量20％wt、无序取向、单一取向、90°正交取向平板制品抗拉强度、弯曲强度、冲击韧性对照表。

实施例二；

将市售尼龙66切片和ABS切片用粉碎机粉碎到100目，分别与直径5到10微米、长度0.5到10毫米的短碳纤维和短芳纶纤维混合，在机械搅拌机中搅拌10分钟，两种短纤维含量均为10％wt，同时加入增塑剂3％wt和润滑剂0.8％wt，

余量为尼龙66和ABS补足100％。

将两种混料分别用单通道螺杆挤出机和流延机制成厚度0.1毫米的纤维单一取向的预制膜片，流延方法同实施例一。

将两种预制膜以45°取向逐层交替叠层，按需要的厚度计算层数，在真空平板热压机上压制，压制压力为30MPa，温度265℃，保压5分钟，脱模后制成45°各向异性复合材料。