CN106948210B - 一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法 - Google Patents

一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，公开了一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法。所述方法为：向发泡容器内注入发泡剂与纤维悬浮液混合，然后采用注气、冲击或机械搅拌的方式混合发泡，产生气体体积含量在55％～80％之间的泡沫浆料，上网抄造成型，然后采用抽真空、喷淋水或接触压榨的方式使泡沫破裂消除，经过干燥后形成单层纸张，按一定的克重和厚度将多张单层纸张复合，进行热压或模压成型，得到所述纤维增强复合材料。本发明采用泡沫替代水来承载纤维，使增强相纤维在复合材料中分布均匀，增强效果明显。

Description

一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法。
背景技术
纤维增强复合材料是一种轻质、高强度的新型材料，具有耐腐蚀、力学性能优良的良好性能。随着汽车、航天等领域轻量化的发展，各行业对纤维增强复合材料的需求越来越大、要求越来越高。复合材料成形过程在节水、节能、增加经济效益、减少污染等方面的要求也在不断提高，急需用其他流体替代水来分散、输送纤维、形成纸页的技术。
目前，纤维增强复合材料存在着增强纤维分布不均，成形方式能耗大等缺陷，这极大地影响了材料的生产和应用。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法。
本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的纤维增强复合材料。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，包括如下制备步骤：
向发泡容器内注入发泡剂与纤维悬浮液混合，然后采用注气、冲击或机械搅拌的方式混合发泡，产生气体体积含量在55％～80％之间的泡沫浆料，上网抄造成型，然后采用抽真空、喷淋水或接触压榨的方式使泡沫破裂消除，经过干燥后形成单层纸张，按一定的克重和厚度将多张单层纸张复合，进行热压或模压成型，得到所述纤维增强复合材料。
优选地，所述的发泡剂为聚乙烯醇表面活性剂、十二烷基硫酸钠表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂、松香皂类表面活性剂、聚氧乙烯表面活性剂中的至少一种；所述聚乙烯醇表面活性剂的醇解度优选为70％～90％，黏度优选为40～48mPa·s；所述的十二烷基硫酸钠表面活性剂的醇解度优选为90％～95％。
优选地，所述发泡剂的加入量为泡沫浆料质量的0.1％～10％。
所述的纤维悬浮液中包括增强相纤维和基体相纤维；所述增强相纤维优选玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、纳米纤维素纤维、陶瓷纤维、金属纤维、芳纶纤维中的至少一种；所述基体相纤维优选聚乙烯纤维、聚乙烯/聚丙烯双熔点纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚对苯二甲基乙二醇酯纤维、聚氯乙烯纤维、聚乳酸纤维、聚对苯二甲酸丁二酯纤维中的至少一种；增强相纤维与基体相纤维的质量比为(1～5):(95～99)。
优选地，所述的注气是指注入空气、氮气或二氧化碳气体。
优选地，所述泡沫浆料的纤维总含量为0.01％～5wt.％，泡沫直径为50～400μm。
优选地，所述抽真空的真空度的范围为10-5～105Pa，更优选为102～105Pa；所述喷淋水的压力为1.5×105～3×105Pa，更优选为1.8×105～2.5×105Pa；所述接触压榨的压榨压力为1×105～2×105Pa，更优选为1.3×105～1.5×105Pa。
优选地，所述的干燥是指干燥至纸张的干度为10％～80％，更优选干度为40％～50％。
优选地，所述按一定的克重和厚度是指克重为50～3000g/m2、厚度为1～100mm；更优选克重为100～200g/m2、厚度为2～20mm。
优选地，所述热压或模压的温度为130～200℃，时间为0.5～30min；更优选温度为175～185℃，时间为2～10min。
一种纤维增强复合材料，通过上述方法制备得到。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明采用泡沫成形法抄造复合技术，用泡沫替代水来承载纤维，使增强相纤维在复合材料中分布均匀，提高增强效果；
(2)本发明可采用纳米纤维素纤维作为增强相之一，提高了复合材料的界面相容性。
附图说明
图1为本发明实施例13中所使用的斜网纸机的结构示意图；
图2为本发明实施例13中所使用的接触压榨消泡装置的工作原理图；
图3为本发明实施例13中热压处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将聚乙烯醇表面活性剂(醇解度为80％，黏度为45mPa·s)加少量水稀释，配成发泡剂溶液A；将聚乙烯纤维加水稀释，得到浆料B；将纳米纤维素纤维与水混合稀释，得到浆料C；将A、B、C三种溶液共同混合在浆池中，通过高速机械搅拌，得到气体体积含量为55％、纤维总含量为1wt.％、泡沫直径为50～400μm的泡沫浆料；其中聚乙烯醇表面活性剂加入的净含量为泡沫浆料质量的1％，聚乙烯纤维与纳米纤维素纤维的净含量之比为99:1。
(2)将制备好的泡沫浆料采用圆网纸机一次抄造成形，然后在真空度为102Pa条件下抽真空使泡沫破裂消除，然后干燥至干度为40％，得到单层纸页；
(3)按纸页定量为200g/m2，将多张单层纸页进行复合，175～185℃热压处理5min，得到所述纤维增强复合材料。
实施例2
制备方法同实施例1，不同条件在于发泡剂采用醇解度为90％的十二烷基硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与纳米纤维素纤维的净含量之比为98:2，其余条件完全相同。
实施例3
制备方法同实施例1，不同条件在于发泡剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与纳米纤维素纤维的净含量之比为97:3，其余条件完全相同。
实施例4
制备方法同实施例1，不同条件在于发泡剂采用松香皂类表面活性剂，聚乙烯纤维与纳米纤维素纤维的净含量之比为96:4，其余条件完全相同。
实施例5
制备方法同实施例1，不同条件在于发泡剂采用聚氧乙烯表面活性剂，聚乙烯纤维与纳米纤维素纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例6
制备方法同实施例1，不同条件在于发泡剂采用聚乙烯醇+十二烷基硫酸钠混合表面活性剂，聚乙烯纤维与纳米纤维素纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例1～6制备的纳米纤维素纤维增强复合材料性能测试数据如表1所示。
表1
从表1结果可以看出，本发明实施例1～6制备的纳米纤维素纤维增强复合材料的厚度在1.9～2.1mm之间，拉伸强度在39.6～48.0MPa之间，弯曲强度在89.7～95.7MPa之间，冲击强度在14.7～20.6KJ m-2之间，吸水率在0.1％～0.3％之间，电阻率在48000～53200×106Ω·cm。各项性能指标均优于或持平于市售聚乙烯塑料板材。
实施例7
(1)将聚乙烯醇表面活性剂(醇解度为70％，黏度为40mPa·s)加少量水稀释，配成发泡剂溶液A；将聚乙烯纤维加水稀释，得到浆料B；将玻璃纤维与水混合稀释，得到浆料C；将A、B、C三种溶液共同混合在浆池中，采用注气装置注入空气，得到气体体积含量为60％、纤维总含量为2％、泡沫直径为50～400μm的泡沫浆料；其中聚乙烯醇表面活性剂加入的净含量为泡沫浆料质量的2％，聚乙烯纤维与玻璃纤维的净含量之比为99:1。
(2)将制备好的泡沫浆料采用斜网纸机一次抄造成形，然后在喷淋水压力为2.0×105Pa条件下使泡沫破裂消除，然后干燥至干度为45％，得到单层纸页；
(3)按纸页定量为200g/m2，将多张单层纸页进行复合，175～185℃热压处理5min，得到所述纤维增强复合材料。
实施例8
制备方法同实施例7，不同条件在于发泡剂采用醇解度为90％的十二烷基硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与玻璃纤维的净含量之比为98:2，其余条件完全相同。
实施例9
制备方法同实施例7，不同条件在于发泡剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与玻璃纤维的净含量之比为97:3，其余条件完全相同。
实施例10
制备方法同实施例7，不同条件在于发泡剂采用松香皂类表面活性剂，聚乙烯纤维与玻璃纤维的净含量之比为96:4，其余条件完全相同。
实施例11
制备方法同实施例7，不同条件在于发泡剂采用聚氧乙烯表面活性剂，聚乙烯纤维与玻璃纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例12
制备方法同实施例7，不同条件在于发泡剂采用聚乙烯醇+十二烷基硫酸钠混合表面活性剂，聚乙烯纤维与玻璃纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例7～12制备的玻璃纤维增强复合材料性能测试数据如表2所示。
表2
从表2可以看出，本发明实施例7～12制备的玻璃纤维增强复合材料的厚度在1.9～2.1mm之间，拉伸强度在30.5～35.9MPa之间，弯曲强度在74.3～80.6MPa之间，冲击强度在8.8～9.6KJ m-2之间，吸水率在0.1％～0.9％之间，电阻率在49000-53000×106Ω·cm。各项性能指标均优于或持平于市售聚乙烯塑料板材。
实施例13
(1)将聚乙烯醇表面活性剂(醇解度为90％，黏度为48mPa·s)加少量水稀释，配成发泡剂溶液A；将聚乙烯纤维加水稀释，得到浆料B；将陶瓷纤维与水混合稀释，得到浆料C；将A、B、C三种溶液共同混合在浆池中，采用注气装置注入空气，得到气体体积含量为70％、纤维总含量为3％、泡沫直径为50～400μm的泡沫浆料；其中聚乙烯醇表面活性剂加入的净含量为泡沫浆料质量的3％，聚乙烯纤维与陶瓷纤维的净含量之比为99:1。
(2)将制备好的泡沫浆料采用图1所示的斜网纸机一次抄造成形(泡沫浆料依次经斜网纸机的布浆器、成型网及脱水原件抄造成形)，然后通过接触压榨消泡装置(其工作原理图如图2所示)，在压榨压力P为1.4×105Pa条件下使泡沫破裂消除，然后干燥至干度为50％，得到单层纸页；
(3)按纸页定量为200g/m2，将多张单层纸页进行复合，在模具中175～185℃热压处理5min(热压处理流程示意图如图3所示，P表示热压压力)，得到所述纤维增强复合材料。
实施例14
制备方法同实施例13，不同条件在于发泡剂采用醇解度为90％的十二烷基硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与陶瓷纤维的净含量之比为98:2，其余条件完全相同。
实施例15
制备方法同实施例13，不同条件在于发泡剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与陶瓷纤维的净含量之比为97:3，其余条件完全相同。
实施例16
制备方法同实施例13，不同条件在于发泡剂采用松香皂类表面活性剂，聚乙烯纤维与陶瓷纤维的净含量之比为96:4，其余条件完全相同。
实施例17
制备方法同实施例13，不同条件在于发泡剂采用聚氧乙烯表面活性剂，聚乙烯纤维与陶瓷纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例18
制备方法同实施例13，不同条件在于发泡剂采用聚乙烯醇+十二烷基硫酸钠混合表面活性剂，聚乙烯纤维与陶瓷纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例13～18制备的陶瓷纤维增强复合材料性能测试数据如表3所示。
表3
从表3结果可以看出，本发明实施例13～18制备的陶瓷纤维增强复合材料的厚度在1.9～2.1mm之间，拉伸强度在35.1～38.8MPa之间，弯曲强度在68.1～75.6MPa之间，冲击强度在8.4～9.2KJ m-2之间，吸水率在0.4％～0.8％之间，电阻率在49500～58200×106Ω·cm。各项性能指标均优于或持平于市售聚乙烯塑料板材。
实施例19
(1)将聚乙烯醇表面活性剂(醇解度为80％，黏度为45mPa·s)加少量水稀释，配成发泡剂溶液A；将聚乙烯纤维加水稀释，得到浆料B；将金属纤维与水混合稀释，得到浆料C；将A、B、C三种溶液共同混合在浆池中，采用液压冲击装置制泡，得到气体体积含量为80％、纤维总含量为4％、泡沫直径为50～400μm的泡沫浆料；其中聚乙烯醇表面活性剂加入的净含量为泡沫浆料质量的4％，聚乙烯纤维与金属纤维的净含量之比为99:1。
(2)将制备好的泡沫浆料采用斜网纸机一次抄造成形，然后在真空度为103Pa条件下抽真空使泡沫破裂消除，然后干燥至干度为45％，得到单层纸页；
(3)按纸页定量为200g/m2，将多张单层纸页进行复合，175～185℃热压处理5min，得到所述纤维增强复合材料。
实施例20
制备方法同实施例19，不同条件在于发泡剂采用醇解度为95％的十二烷基硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与金属纤维的净含量之比为98:2，其余条件完全相同。
实施例21
制备方法同实施例19，不同条件在于发泡剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与金属纤维的净含量之比为97:3，其余条件完全相同。
实施例22
制备方法同实施例19，不同条件在于发泡剂采用松香皂类表面活性剂，聚乙烯纤维与金属纤维的净含量之比为96:4，其余条件完全相同。
实施例23
制备方法同实施例19，不同条件在于发泡剂采用聚氧乙烯表面活性剂，聚乙烯纤维与金属纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例24
制备方法同实施例19，不同条件在于发泡剂采用聚乙烯醇+十二烷基硫酸钠混合表面活性剂，聚乙烯纤维与金属纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例19～24制备的金属纤维增强复合材料性能测试数据如表4所示。
表4
从表4结果可以看出，本发明实施例19～24制备的金属纤维增强复合材料的厚度在1.9～2.1mm之间，拉伸强度在25.8～29.3MPa之间，弯曲强度在69.8～75.6MPa之间，冲击强度在7.0～7.8KJ m-2之间，吸水率在0.4％～0.7％之间，电阻率在0.33～58000×106Ω·cm。各项性能指标均优于或持平于市售聚乙烯塑料板材。
实施例25
(1)将聚乙烯醇表面活性剂(醇解度为80％，黏度为45mPa·s)加少量水稀释，配成发泡剂溶液A；将聚乙烯纤维加水稀释，得到浆料B；将碳纤维与水混合稀释，得到浆料C；将A、B、C三种溶液共同混合在浆池中，采用液压冲击装置制泡，得到气体体积含量为70％、纤维总含量为5％、泡沫直径为50～400μm的泡沫浆料；其中聚乙烯醇表面活性剂加入的净含量为泡沫浆料质量的10％，聚乙烯纤维与碳纤维的净含量之比为99:1。
(2)将制备好的泡沫浆料采用斜网纸机一次抄造成形，然后在真空度为104Pa条件下抽真空使泡沫破裂消除，然后干燥至干度为45％，得到单层纸页；
(3)按纸页定量为200g/m2，将多张单层纸页进行复合，175～185℃热压处理5min，得到所述纤维增强复合材料。
实施例26
制备方法同实施例25，不同条件在于发泡剂采用醇解度为95％的十二烷基硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与碳纤维的净含量之比为98:2，其余条件完全相同。
实施例27
制备方法同实施例25，不同条件在于发泡剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂，聚乙烯纤维与碳纤维的净含量之比为97:3，其余条件完全相同。
实施例28
制备方法同实施例25，不同条件在于发泡剂采用松香皂类表面活性剂，聚乙烯纤维与碳纤维的净含量之比为96:4，其余条件完全相同。
实施例29
制备方法同实施例25，不同条件在于发泡剂采用聚氧乙烯表面活性剂，聚乙烯纤维与碳纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例30
制备方法同实施例25，不同条件在于发泡剂采用聚乙烯醇+十二烷基硫酸钠混合表面活性剂，聚乙烯纤维与碳纤维的净含量之比为95:5，其余条件完全相同。
实施例25～30制备的碳纤维增强复合材料性能测试数据如表5所示。
表5
从表5结果可以看出，本发明实施例25～30制备的碳纤维增强复合材料的厚度在1.9～2.1mm之间，拉伸强度在27.4～29.1MPa之间，弯曲强度在64.5～66.3MPa之间，冲击强度在6.8～7.4KJ m-2之间，吸水率在0.3％～0.8％之间，电阻率在0.19～44000×106Ω·cm。各项性能指标均优于或持平于市售聚乙烯塑料板材。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，其特征在于包括如下制备步骤：
向发泡容器内注入发泡剂与纤维悬浮液混合，然后采用注气、冲击或机械搅拌的方式混合发泡，产生气体体积含量在55％～80％之间的泡沫浆料，上网抄造成型，然后采用抽真空、喷淋水或接触压榨的方式使泡沫破裂消除，经过干燥后形成单层纸张，按一定的克重和厚度将多张单层纸张复合，进行热压或模压成型，得到所述纤维增强复合材料；
所述的纤维悬浮液中包括增强相纤维和基体相纤维；所述增强相纤维是指玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、纳米纤维素纤维、陶瓷纤维、金属纤维、芳纶纤维中的至少一种；所述基体相纤维是指聚乙烯纤维、聚乙烯/聚丙烯双熔点纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚对苯二甲基乙二醇酯纤维、聚氯乙烯纤维、聚乳酸纤维、聚对苯二甲酸丁二酯纤维中的至少一种；增强相纤维与基体相纤维的质量比为(1～5):(95～99)；
所述泡沫浆料的纤维总含量为0.01％～5wt.％，泡沫直径为50～400μm。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，其特征在于：所述的发泡剂为聚乙烯醇表面活性剂、十二烷基硫酸钠表面活性剂、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠表面活性剂、松香皂类表面活性剂、聚氧乙烯表面活性剂中的至少一种；所述聚乙烯醇表面活性剂的醇解度为70％～90％，黏度为40～48mPa·s；所述十二烷基硫酸钠表面活性剂的醇解度为90％～95％。
3.根据权利要求1所述的一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，其特征在于：所述发泡剂的加入量为泡沫浆料质量的0.1％～10％。
4.根据权利要求1所述的一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，其特征在于：所述的注气是指注入空气、氮气或二氧化碳气体。
5.根据权利要求1所述的一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，其特征在于：所述抽真空的真空度的范围为10-5～105Pa；所述喷淋水的压力为1.5×105～3×105Pa；所述接触压榨的压榨压力为1×105～2×105Pa。
6.根据权利要求1所述的一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，其特征在于：所述的干燥是指干燥至纸张的干度为10％～80％。
7.根据权利要求1所述的一种泡沫成形法制备纤维增强复合材料的方法，其特征在于：所述按一定的克重和厚度是指克重为50～3000g/m2、厚度为1～100mm；所述热压或模压的温度为130～200℃，时间为0.5～30min。
8.一种纤维增强复合材料，其特征在于：通过权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。
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