一種聚苯硫醚/碳纖維共紡布及其模壓成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種共紡布及其制備方法，尤其是涉及一種聚苯硫醚/碳纖維共紡布及其模壓成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002]聚苯硫醚，英文名稱為Phenylene sulfide，簡(jiǎn)稱PPS，是一種綜合性能優(yōu)異的熱塑性特種工程塑料。聚苯硫醚樹(shù)脂在其大分子結(jié)構(gòu)中，苯環(huán)對(duì)位上連接硫原子，形成剛性大分子聚合物主鏈，結(jié)晶度高，密度1.34g/cm3，熔點(diǎn)285°C，分解溫度大于400°C，最早由美國(guó)菲利浦石油有限公司研制成功，是良好的耐高溫材料。由聚苯硫醚樹(shù)脂制備的PPS纖維具有很強(qiáng)的剛性、耐疲勞性、耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性和阻燃性，以及良好的紡織加工性能。PPS纖維可在200?240°C下連續(xù)使用，在低于400°C的空氣或氮?dú)庵蟹€(wěn)定(基本無(wú)重量損失)，能抵抗酸、堿、氯烴、烴類、酮、醇、酯等化學(xué)品的浸蝕(200°C下無(wú)溶劑可溶)，具有優(yōu)異的阻燃性，其限氧指數(shù)(LOI)為34%，不需添加阻燃劑就可達(dá)到美國(guó)UL94V-0阻燃標(biāo)準(zhǔn)。由于PPS纖維的特殊性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于高溫、化學(xué)腐蝕等環(huán)境中。
[0003]碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等。但與一般碳素材料不同的是，碳纖維外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。目前，碳纖維的主要用途是與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料，尤其是在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]目前，采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料具有韌性好、材料可回收利用等優(yōu)點(diǎn)。而熱塑性塑料選用PPS樹(shù)脂不僅機(jī)械強(qiáng)度高，還具有優(yōu)異的防火阻燃性能，這也使得PPS樹(shù)脂制品在交通工具的內(nèi)飾方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于連續(xù)碳纖維與PPS樹(shù)脂的預(yù)浸比較困難，這極大制約了聚苯硫醚/碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展。針對(duì)這一問(wèn)題，申請(qǐng)?zhí)枮?01210471972.X的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種PPS復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:I)將PPS粉料、纖維布交替鋪展均勻；2)將步驟I)鋪設(shè)好的模具放入熱壓機(jī)，按步驟加壓升溫，然后降溫定型開(kāi)模，得PPS復(fù)合材料。上述專利公開(kāi)的技術(shù)方案是將PPS粉末均勻放置在模具底面，然后放置增強(qiáng)纖維布，再于纖維布上均勻放置PPS粉末，合模加熱加壓成形即可。但上述專利存在的技術(shù)缺陷是PPS粉末在制品內(nèi)的均勻性不容易控制，而且模具加熱需要較長(zhǎng)時(shí)間，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率不高，不利于降低生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠有效提高碳纖維分布均勻性，并且生產(chǎn)效率高的聚苯硫醚/碳纖維共紡布及其模壓成型方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]一種聚苯硫醚/碳纖維共紡布，該共紡布為平紋共紡布，由經(jīng)向編織纖維束與瑋向編織纖維束編織而成，所述的經(jīng)向編織纖維束由多條經(jīng)向碳纖維束與經(jīng)向聚苯硫醚纖維束兩兩相間組合而成，所述的瑋向編織纖維束由多條瑋向碳纖維束與瑋向聚苯硫醚纖維束兩兩相間組合而成。
[0008]所述的經(jīng)向碳纖維束與瑋向碳纖維束的條數(shù)相同。
[0009]所述的經(jīng)向聚苯硫醚纖維束與瑋向聚苯硫醚纖維束的條數(shù)相同。
[0010]所述的經(jīng)向碳纖維束與瑋向碳纖維束為IK碳纖維束、3K碳纖維束或6K碳纖維束中的一種。
[0011]所述的經(jīng)向聚苯硫醚纖維束與瑋向聚苯硫醚纖維束為400D/100f聚苯硫醚纖維束、800D/200f聚苯硫醚纖維束或1600D/400f聚苯硫醚纖維束中的一種，并且所述的聚苯硫醚纖維束的熔點(diǎn)為285°C。
[0012]一種聚苯硫醚/碳纖維共紡布的模壓成型方法，該方法具體包括以下步驟:
[0013](I)將剪裁后的聚苯硫醚/碳纖維共紡布置于加熱爐的預(yù)熱架中，并鋪設(shè)整齊，再將加熱爐加熱升溫至285?290°C，恒溫預(yù)熱10?15min ；
[0014](2)將模壓模具進(jìn)行預(yù)熱，控制模壓模具的溫度小于285°C ;
[0015](3)在步驟(2)經(jīng)預(yù)熱處理的模壓模具型腔中，噴涂脫模劑，再將步驟(I)經(jīng)預(yù)熱處理的聚苯硫醚/碳纖維共紡布轉(zhuǎn)移至涂有脫模劑的模壓模具型腔中，合模，控制壓力為0.2?0.5MPa，充分保壓5?15min，控制溫度為285?320°C，待聚苯硫醚冷卻固化后，脫模即可。
[0016]步驟(I)所述的加熱爐為電阻加熱爐，所述的預(yù)熱架為金屬材料制成的預(yù)熱架。
[0017]步驟(3)所述的脫模劑為外脫模劑，包括硅氧烷化合物、硅油、甲基硅油、乳化甲基娃油、聚四氟乙稀。
[0018]所述的模壓模具包括下模座及與下模座相對(duì)設(shè)置的動(dòng)模，所述的下模座設(shè)有用于放置聚苯硫醚/碳纖維共紡布的型腔，所述的動(dòng)模設(shè)有與下模座型腔相對(duì)的凸模，所述的下模座與動(dòng)模均設(shè)置在液壓機(jī)上，并且所述的下模座底部設(shè)有多個(gè)通孔，該通孔中設(shè)有電加熱管，該電加熱管通過(guò)電路與控溫儀連接。
[0019]本發(fā)明是將PPS連續(xù)纖維與連續(xù)碳纖維共紡織布裁剪鋪、預(yù)熱后放在金屬模具中，在壓力機(jī)下壓制、冷卻成零件，零件內(nèi)部PPS與碳纖維均勻分布，緊密結(jié)合，外觀光滑美觀，零件生產(chǎn)效率高。
[0020]在實(shí)際的聚苯硫醚/碳纖維共紡布設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)改變經(jīng)向碳纖維束與經(jīng)向聚苯硫醚纖維束的相對(duì)數(shù)量或改變瑋向碳纖維束與瑋向聚苯硫醚纖維束的相對(duì)數(shù)量，來(lái)改變碳纖維與聚苯硫醚纖維的體積分?jǐn)?shù)，用以滿足不同制品的要求，適用范圍廣。例如，控制經(jīng)向碳纖維束與經(jīng)向聚苯硫醚纖維束兩者數(shù)量一致，即可以獲得體積分?jǐn)?shù)為50%的碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚復(fù)合材料。
[0021]模壓成形時(shí)，聚苯硫醚/碳纖維共紡布按照零件尺寸及體積進(jìn)行剪裁，剪裁后放入預(yù)熱架內(nèi)，并鋪設(shè)整齊；預(yù)熱架采用金屬材料制成，預(yù)熱架基本不承受載荷，要求耐幾百度溫度，不生銹起皮，強(qiáng)度要求不高。在對(duì)電阻加熱爐進(jìn)行加熱的過(guò)程中，加熱到溫度大于聚苯硫醚熔化溫度即可，溫度太高容易產(chǎn)生聚苯硫醚流淌，可以根據(jù)實(shí)際零件形狀來(lái)控制電阻加熱爐的預(yù)熱溫度。
[0022]模壓模具溫度則需控制溫度小于聚苯硫醚的熔化溫度，因?yàn)闇囟忍?，制品無(wú)法固化成形，溫度太低，又不利于兩種材料結(jié)合，而且會(huì)影響制品的表面質(zhì)量，可以根據(jù)實(shí)際零件嘗試確定最合適的溫度。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
[0024]I)由于采用聚苯硫醚/碳纖維共紡布，經(jīng)過(guò)預(yù)熱后，置于模壓模具中加壓，模壓模具不需持續(xù)加熱，而是處于保溫狀態(tài)，處于較高溫度的碳纖維與PPS共紡坯料在模壓模具的壓力下，緊密結(jié)合并成型，隨后在模壓模具中快速冷卻到PPS軟化點(diǎn)以下，固化獲得制品，整個(gè)模壓成型過(guò)程簡(jiǎn)單，周期短，能有效提高生產(chǎn)效率，并顯著降低成本；
[0025]2)相比于現(xiàn)有的采用PPS粉末，本發(fā)明采用的聚苯硫醚/碳纖維共紡布編織整齊，成型時(shí)碳纖維未發(fā)生軟化，仍然會(huì)保持原有的編織狀態(tài)，這能夠有效保證碳纖維在固化制品中分布均勻，固化制品的均一性好；
[0026]3)由于基體為熱塑性PPS高分子材料，使得制品具有優(yōu)異的防火阻燃特性，并且將PPS纖維與碳纖維有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮兩者的協(xié)同作用，使得制品更具有高強(qiáng)度與高模量；
[0027]4)本發(fā)明的固化制品可以作為輕量化航空座椅結(jié)構(gòu)材料，用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，減輕重量，同時(shí)也可以作為乘用車零件材料，有利于提高車輛的節(jié)能減排效果，具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明一種聚苯硫醚/碳纖維共紡布的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明模壓模具的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖中標(biāo)記說(shuō)明:
[0031 ] I 一經(jīng)向碳纖維束、2—經(jīng)向聚苯硫醚纖維束、3—瑋向碳纖維束、4 一瑋向聚苯硫醚纖維束、5—?jiǎng)幽！?—下模座、7—聚苯硫醚/碳纖維共紡布、8—通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]實(shí)施例1:
[0034]如圖1所示，一種聚苯硫醚/碳纖維共紡布，該共紡布為平紋共紡布，由經(jīng)向編織纖維束與瑋向編織纖維束編織而成，經(jīng)向編織纖維束由多條經(jīng)向碳纖維束I與經(jīng)向聚苯硫醚纖維束2兩兩相間組合而成，瑋向編織纖維束由多條瑋向碳纖維束3與瑋向聚苯硫醚纖維束4兩兩相間組合而成。
[0035]本實(shí)施例中，經(jīng)向編織纖維束中的經(jīng)向碳纖維束I與經(jīng)向聚苯硫醚纖維束2的數(shù)量比為1:2，瑋向編織纖維束中的瑋向碳纖維束3與瑋向聚苯硫醚纖維束4的數(shù)量比也為1:2。其中，經(jīng)向碳纖維束I與瑋向碳纖維束3均為3K碳纖維束，經(jīng)向聚苯硫醚纖維束2與瑋向聚苯硫醚纖維束4均為1600D/400f的聚苯硫醚纖維束，該聚苯硫醚纖維束的熔點(diǎn)為285。。。
[0036]本實(shí)施例中，聚苯硫醚/碳纖維共紡布7的模壓成型方法具體包括以下步驟:
[0037](I)將剪裁后的聚苯硫醚/碳纖維共紡布7置于加熱爐的預(yù)熱架中，并鋪設(shè)整齊，再將加熱爐加熱升溫至290°C，恒溫預(yù)熱15min ；
[0038](2)將模壓模具進(jìn)行預(yù)熱，控制模壓模具的溫度小于285°C ;
[0039](3)在步驟(2)經(jīng)預(yù)熱處理的模壓模具型腔中，噴涂脫模劑，再將步驟(I)經(jīng)預(yù)熱處理的聚苯硫醚/碳纖維共紡布7轉(zhuǎn)移至涂有脫模劑的模壓模具型腔中，合模，控制壓力為0.5MPa，充分保壓lOmin，控制溫度為320°C，待聚苯硫醚冷卻固化后，脫模即可。
[0040]步驟⑴中的加熱爐為電阻加熱爐，預(yù)熱架為金屬材料制成的預(yù)熱架。
[0041]步驟⑶中的脫模劑為甲基硅油。
[0042]如圖2所示，模壓模具包括下模座6及與下模座6相對(duì)設(shè)置的動(dòng)模5，下模座6設(shè)有用于放置聚苯硫醚/碳纖維共紡布7的型腔，動(dòng)模5設(shè)有與下模座6型腔相對(duì)的凸模，下模座6與動(dòng)模5均設(shè)置在液壓機(jī)上，并且下模座6底部設(shè)有多個(gè)通孔8，該通孔8中設(shè)有電加熱管，該電加熱管通過(guò)電路與控溫儀連接。
[0043]在實(shí)際的聚苯硫醚/碳纖維共紡布7設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以通過(guò)改變經(jīng)向碳纖維束I與經(jīng)向聚苯硫醚纖維束2的相對(duì)數(shù)量或改變瑋向碳纖維束3與瑋向聚苯硫醚纖維束4的相對(duì)數(shù)量，來(lái)改變碳纖維與聚苯硫醚纖維的體積分?jǐn)?shù)，用以滿足不同制品的要求，適用范圍廣。
[0044]模壓成形時(shí)，聚苯硫醚/碳纖維共紡布7按照零件尺寸及體積進(jìn)行剪裁，剪裁后放入預(yù)熱架內(nèi)，并鋪設(shè)整齊；預(yù)熱架采用金屬材料制成，預(yù)熱架基本不承受載荷，要求耐幾百度溫度，不生銹起皮，強(qiáng)度要求不高。在對(duì)