[发明专利]一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产方法及生产装置

说明书

技术领域

本发明涉及新型复合材料技术领域，尤其涉及一种具有优秀的力学性能和比模量、强度高、成型效率高、可以回收再利用的碳纤维增强热塑性复合材料的生产方法及生产装置。

背景技术

碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000～3000度高温的惰性气体下制成的。其结果是除碳以外的所有元素都予以去除。碳纤维呈黑色，坚硬，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，但抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa，亦高于钢。采用碳纤维和其他材料复合而成的碳纤维增强复合材料的比强度（即材料的强度与其密度之比）可达到2000Mpa/(g/cm³)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/ cm³)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，因此采用碳纤维增强的复合材料具有非常优异的性能，在风力发电、航空航天、汽车、建筑、计算机、空间光学结构等领域有诸多的应用，逐渐成为现代高新技术领域最有应用前景的一种复合材料。

碳纤维增强复合材料按基体分类，主要分两大类：一类是热固性基体，如常见的环氧树脂、非饱和聚酯树脂；另一类是热塑性基体，如常见的尼龙、聚醚乙醚酮树脂。这两类基体材料有许多不同的性质。热固性基体的成型是利用树脂的化学反应（架桥反应）、固化等化学结合状态的变化实现的，其过程是不可逆的。与此相比，热塑性基体是利用树脂的融化、流动、冷却、固化的物理状态的变化实现的。其物理状态的变化是可逆的，即再成型、加工是可能的。

热固性树脂基复合材料是目前研究得最多、应用得最广的一种复合材料，在热固性树脂基复合材料中使用最多的树脂仍然是酚醛树脂、不饱和聚酪树脂和环氧树脂这三大热固性树脂，由于环氧树脂与碳纤维复合过程中浸润性好，形变小，是热固性碳纤维复合材料中首选的树脂，用量最大。由于热固性环氧树脂集体的固化是利用化学反应，加入固化剂，树脂与固化剂化学反应交联成型，因此这个反应需要一个过程，另外是不可逆的，决定了这种复合材料的成型效率比较低，另外，由于固化过程不可逆，因此，不可回收，一旦固化过程中存在缺陷，只能报废。因此，对高性能纤维来说，损失很大。

近年来，随着高性能耐高温热塑性树脂的发展以及复合材料成型加工技术的不断成熟，热塑性复合材料已成为复合材料领域中最为引人注目的开发热点。相比较热固性复合材料，热塑性复合材料具有较高的断裂韧性、耐化学药品及耐水性，且热成型性能好、生产率高、成型方法多、工艺简单、生产周期短，并具有多次可加工性。因此热塑性树脂复合材料的研究和开发是目前发达国家复合材料领域研究的热门课题。

然而，现有技术中生产的热塑性复合材料大多力学性能差、强度低，且比模量低，成型效率低，使其生产应用受到限制。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产方法及生产装置，其所生产的碳纤维增强热塑性复合材料具有优秀的力学性能和比模量，强度高、成型效率高、可以回收再利用，可以大规模应用于航空航天、汽车、医疗器械、3C数码等领域。

为解决现有技术中存在的问题，本发明采用的具体技术方案是：

一种碳纤维增强热塑性复合材料的生产方法，其包括以下步骤：

S1、碳纤维丝从碳纤维丝架上出丝，并通过调节碳纤维丝架，控制碳纤维卷筒出纱的阻力，使碳纤维丝从碳纤维丝架上出来后具有一定的预张力；

S2、将具有一定预张力的碳纤维丝通过分丝系统使之分散均匀，并整齐排列成厚度均匀的碳纤维带；

S3、将碳纤维带通过预热辊，蒸发掉碳纤维带的纤维中所吸收的水分，同时把碳纤维带加热到一定的温度；

S4、将TPU（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）塑料颗粒加入挤出注塑机，在挤出注塑机和浸渍辊的双重作用下，熔融的TPU树脂经挤出注塑机挤入经预热辊预热后的碳纤维丝带，获得初步的预浸带；

S5、预浸带通过冷却和上光辊，使弯曲的预浸带拉直；

S6、被拉直的预浸带进入预浸料的回收系统，获得完整的热塑型碳纤维增强TPU塑料片。