[发明专利]一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及纤维增强树脂基复合材料制造技术领域，更具体地说是一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法及装置。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料具有优异的机械性能、良好的耐腐蚀性和较低的热膨胀系数，被广泛的用于航空、航天、汽车、船舶及体育休闲等领域。近年来，随着碳纤维制品的广泛使用，生产及使用过程中产生的报废品也大大增加，这些报废品经处理后得到的碳纤维保持良好的性能，具有较高的再利用价值，是短纤维的重要来源。然而，回收的短纤维具有无取向、长短不一、非连续的特点，针对这些特点，如何高价值再利用短纤维是现在面临的一个难点。

对于短碳纤维复合材料，通过重整短碳纤维，提高其在复合材料中的取向性，是提高短碳纤维复合材料性能的一个关键过程。通过重整，纤维的排列更加有序，在复合材料中可以达到更高的纤维含量，因而复合材料不仅在纤维排列方向的性能大大提高，整体性能同样也会提升，另外，由于纤维之间的相互作用减小，模塑时所需压力也会大大减小。

目前，回收得到的短碳纤维大多都采用直接成型技术利用，即将回收碳纤维经进一步短切或者磨碎，直接对其进行成型。该成型方法主要为注塑成型，具体是：将热塑性树脂、碳纤维(短纤维或者磨碎纤维)以及其他添加物和填充物等首先混炼并制备成粒料，然后通过注塑机在高压下(10-100Mpa)进行注塑成型。由于这种成型方法在成型过程中需要较高的压力，因此，纤维的长度不得不控制在很短的范围内，使得到的复合材料的强度和刚性都有明显的下降。并且，直接成型技术纤维含量低(<20％)、排序紊乱，纤维的机械性能无法得到充分的发挥。

而现有的短纤维取向利用技术是依次通过短纤维与溶液混合、纤维取向、短纤维与溶液分离、干燥流程后先制得取向成短纤维毡，其后通过RTM(树脂传递塑模成型)或热压罐成型等纤维成型技术利用。这种方法有很多不足之处，如：

1)短纤维只能制为单向取向毡，无法进行短纤维取向的编织，所制得的复合材料只能做到单向性能或多向性能增强，无法按照材料的性能需求对任意所需方向进行增强；

2)短纤维取向混合液主分散介质为水或有机溶剂，短纤维分离出后会产生大量废液，不利于绿色设计制造，且短纤维混合液中包含粘结剂，使取向后的短纤维粘结成毡，而粘结剂会影响短纤维与基体材料的结合，从而会影响复合材料的性能；

3)制备工艺复杂，取向装置生产效率低，制备取向短纤维毡需排列布置多组取向设备同时工作，装置布置繁杂。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，以期能通过编辑排列短纤维的取向来改善短纤维对树脂基体的增强效果，简化短纤维取向利用工艺步骤。

本发明的另一个目的在于提出一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制备取向短纤维增强树脂基复合材料的方法，是特点是按如下步骤进行：

步骤1、备料

向搅拌装置中依次投入固化剂和液态树脂进行搅拌分散均匀，获得复合液，所述复合液中固化剂的质量为液态树脂质量的2％-20％；向搅拌装置中添加稀释剂进一步搅拌至液体粘度为0.1-20Pa.s，获得稀释后的复合液；再向搅拌装置中加入短纤维并继续搅拌10-20min，获得短纤维混合液并导入储液池，所述短纤维混合液中短纤维的添加量为稀释后的复合液质量的1-60％；

步骤2、取向

将储液池中的短纤维混合液泵送至取向装置中，由取向装置对短纤维混合液进行取向，获得取向短纤维混合液；

步骤3、成型

a)铺层设计

将所述取向短纤维混合液经导流管输送至固定在三轴移动平台Z轴上的出液喷头中，由控制器控制Z轴的移动及设置在导流管上的电磁阀的开关，使取向短纤维混合液按Z轴的移动轨迹流到位于出液喷头下方的模具中，并通过电磁阀控制出液喷头的出液，实现对取向短纤维的编织与结构分布，获得铺放成型的取向短纤维混合液；

b)预成型

将带有铺放成型的取向短纤维混合液的模具经传送带传送至控温隧道中，在温度为50-90℃的环境下加热10-40min，获得复合材料毛坯；

c)热压罐成型

将所述的复合材料毛坯进行预处理后放入热压罐内，对热压罐加温加压至温度为50-200℃、压力为0.1-0.8MPa的成型条件，维持成型条件60-180min，使复合材料毛坯固化成型，获得取向短纤维增强树脂基复合材料。