專利名稱：一種針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的技術(shù)領(lǐng)域是復(fù)合材料，尤其是熱塑性復(fù)合材料的成型工藝，具體說(shuō)是一種針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法。
背景技術(shù)：
目前已有的技術(shù)一是GMT片材工藝，共有兩種生產(chǎn)方法，都比較成熟。一種是干法工藝，它是將玻璃纖維針刺氈與聚丙烯片或熔融聚丙烯相間疊合成三明治狀，經(jīng)專用的雙鋼帶壓機(jī)加熱加壓、冷卻加壓制成片材；另一種方法是濕法，也稱抄紙法，它是將玻璃纖維短切紗與聚丙烯粉末混合打漿，通過(guò)沉降、抽吸去泡沫、水分進(jìn)入烘干爐烘干，再經(jīng)雙鋼帶壓機(jī)加熱加壓、冷卻加壓定型為片材。干法的缺點(diǎn)是熔融聚丙烯粘度大，難于完全浸漬玻璃纖維，從而使基體塑料與增強(qiáng)纖維的接觸面積少，界面結(jié)合強(qiáng)度差，片材內(nèi)孔隙率高，這就使得片材的力學(xué)強(qiáng)度打折扣；而濕法是以犧牲增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度為代價(jià)的。我們知道，增強(qiáng)纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)則與基體塑料的機(jī)械鎖合牢，以至片材強(qiáng)度高，而增強(qiáng)纖維長(zhǎng)度短，則與此相反，片材力學(xué)強(qiáng)度低，且濕法成型時(shí)引入其中的泡沫、絮凝劑等很難除去，影響了片材的性能，片材的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度、熱變形溫度等都不高。這兩種方法不但生產(chǎn)的產(chǎn)品有浸漬不完全或纖維短等這樣或那樣的缺陷，而且作業(yè)線長(zhǎng)，設(shè)備龐大，操作困難，技術(shù)復(fù)雜，片材制作成本較高，所需投資額也相當(dāng)大，制約了它的推廣應(yīng)用。GMT工藝制得的片材，其增強(qiáng)纖維含量一般最高達(dá)到40％(重量百分比)左右，再想提高就很難了。
專利WO2005039871提出了一種新的針刺氈的成型方法。它是在制得的玻璃纖維連續(xù)氈層上，再鋪一層基體纖維，這樣按需要多層復(fù)合后再進(jìn)行針刺，然后可壓成片材。這種方法提高了基體塑料和增強(qiáng)纖維的混合效果，但在材料整體上，層和層間還是有嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象。而且此法需要先生產(chǎn)玻璃纖維連續(xù)氈，多了一道生產(chǎn)工序。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就是針對(duì)現(xiàn)有上述技術(shù)的不足之處，提出一種全新針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，從而為人們提供一種全新的氈類預(yù)混體。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案使用針刺法將連續(xù)的基體纖維和增強(qiáng)纖維制成氈(針刺氈)，作為纖維增強(qiáng)熱塑性塑料預(yù)混體，該預(yù)混體可直接(或熱壓成片材后)用于纖維增強(qiáng)熱塑性塑料制品的熱壓成型，該方法包括如下步驟A.將基體纖維和增強(qiáng)纖維按95～20∶5～80的重量比按比例相間均勻布置于紗架上；B.用拋絲機(jī)將混合一起的基體纖維和增強(qiáng)纖維連續(xù)拋入至沉降室，使混合纖維均勻著落在成型網(wǎng)帶上，形成氈坯；C.將氈坯喂入針刺機(jī)進(jìn)行針刺，使增強(qiáng)纖維與在基體纖維進(jìn)一步混合，使其交搭鉤緾在一起，形成立體交叉結(jié)構(gòu)，即制得成品。
為了使兩種纖維混合得更均勻、鋪成的氈坯面密度相對(duì)波動(dòng)非常小，并形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的纖維網(wǎng)，可在成形鋪網(wǎng)的過(guò)程中將沉降室、抽風(fēng)系統(tǒng)共同使用，二者產(chǎn)生的紊流場(chǎng)、風(fēng)速風(fēng)壓將纖維打散、均化，吸附在成型網(wǎng)帶上。所以可在步驟B中使混合纖維均勻著落在成型網(wǎng)帶上形成氈坯的同時(shí)利用抽吸系統(tǒng)提供的氣流將纖維網(wǎng)吸附在成型網(wǎng)上。
從材料性能的角度出發(fā)，增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)應(yīng)高于所用的基體纖維10℃以上；基體纖維和增強(qiáng)纖維優(yōu)選的重量比是60～40∶40～60，當(dāng)需要材料有良好的外觀時(shí)，可以選擇基體纖維高的比例。
本發(fā)明所采用的基體纖維可以選自如下熱塑性塑料纖維聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、尼龍纖維、聚醚醚酮纖維、聚酮酮醚纖維、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維、聚酯纖維、ABS纖維、維尼綸纖維、聚碳酸酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚苯乙烯纖維，優(yōu)選聚丙烯纖維；增強(qiáng)纖維可以選自如下纖維玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、天然纖維、芳綸纖維、熱塑性塑料纖維，優(yōu)選的是玻璃纖維。
本發(fā)明所述基體纖維其單絲直徑在6微米至1毫米之間，優(yōu)選范圍是10微米至0.1毫米之間；增強(qiáng)纖維單絲直徑在4微米至0.1毫米之間，優(yōu)選范圍是8微米至25微米之間。
本發(fā)明步驟A中將基體纖維和增強(qiáng)纖維均勻放置于紗架上采用有如下的方法之一A、在基體纖維和增強(qiáng)纖維生產(chǎn)場(chǎng)地離針刺氈預(yù)混體生產(chǎn)場(chǎng)地近，便于運(yùn)輸?shù)那闆r下，可將較細(xì)紗支的基體纖維和增強(qiáng)纖維(俗稱原絲筒)按所需比例分別交替、均勻地放于紗架上，這樣可以保證基體纖維和增強(qiáng)纖維充分混合均勻；B、在纖維生產(chǎn)場(chǎng)地離針刺氈生產(chǎn)場(chǎng)地遠(yuǎn)，運(yùn)輸不方便時(shí)，可將基體纖維和增強(qiáng)纖維按所需比例先絡(luò)成紗支較粗的紗團(tuán)，然后再運(yùn)至針刺氈生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。這也就是行業(yè)內(nèi)熟知的混纖紗的方法；C、也可使用基體纖維、增強(qiáng)纖維在拉絲階段就均勻混合的復(fù)合紗。
本發(fā)明推薦使用的方法是方法A。該方法可以按需要方便地調(diào)整纖維品種和比例，省去了絡(luò)紗工序，經(jīng)濟(jì)、靈活，纖維少受了磨擦、損傷。
本發(fā)明所涉及的鋪氈、針刺技術(shù)是行業(yè)內(nèi)成熟的技術(shù)。
本發(fā)明綜合了玻璃纖維制氈技術(shù)和化學(xué)纖維無(wú)紡布的制造技術(shù)，將兩種成熟的技術(shù)結(jié)合起來(lái)，給出了一種工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、投資較小的纖維增強(qiáng)熱塑性塑料預(yù)混體的生產(chǎn)方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)解決了干法GMT工藝中的浸漬、片材流動(dòng)難題和濕法工藝中纖維短的問(wèn)題。在保持較長(zhǎng)纖維甚至是連續(xù)纖維的情況下解決了熱塑性塑料對(duì)增強(qiáng)纖維的熔融浸漬難題，綜合了傳統(tǒng)GMT生產(chǎn)工藝的兩大優(yōu)點(diǎn)，尤其是通過(guò)針刺使兩種纖維充分混合，立體糾纏，增強(qiáng)效果、整體效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的GMT；(2)采用本發(fā)明制得的預(yù)混體可直接用于塑料制品的生產(chǎn)(即可將預(yù)成型體按需要裁切、疊合為零部件所需重量、面積大小，放入真空熱壓模具直接熱壓、冷卻定型為產(chǎn)品)，省去片材制作，節(jié)省了設(shè)備投資和生產(chǎn)能耗；(3)采用本發(fā)明制得的預(yù)混體也可以制作片材，比GMT片材的制作工藝簡(jiǎn)單，能耗、成本低，性能好；(4)采用本發(fā)明制作的預(yù)混體或片材增強(qiáng)纖維含量高，可高達(dá)70～80％，這樣制得的片材力學(xué)性能明顯地高；(5)該工藝作業(yè)線短，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資?。?6)利用本發(fā)明生產(chǎn)的預(yù)混體或片材成本低。


圖1是生產(chǎn)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)混體的流程圖；圖2是這種生產(chǎn)線的示意圖。
為了便于考察、比較這種熱塑性預(yù)混體的性能，我們將它做成片材，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，所有涉及到的工藝、數(shù)據(jù)詳述于下纖維1，2是玻璃纖維(單絲直徑21μm，每束120根單絲)與聚丙烯纖維(單絲直徑0.3mm)，按40∶60的重量比例配合，機(jī)器5是連續(xù)纖維拋絲機(jī)，其下為沉降室6，成型網(wǎng)帶3，抽風(fēng)系統(tǒng)4，關(guān)風(fēng)輥7。沉降室內(nèi)風(fēng)速15米/秒，風(fēng)壓145mmH2O。上下針刺機(jī)9，10共6臺(tái)，植針密度2000枚/米，針型為叉型針，叉口寬0.65mm，工作段直徑0.85mm，針深8mm，針密20針/cm2。機(jī)組線速度5米/分，卷重30kg。
直截放入熱平板模中熱壓，模溫190℃，壓力4kg/cm2，時(shí)間6分鐘。冷壓壓力3kg/cm2，冷壓時(shí)間5分鐘，冷卻方式，水冷。
片材各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表表一

熱變形溫度155℃，厚度3.8mm，該片材強(qiáng)度高，適宜于做大面積、結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的部件。
而同樣玻纖含量的GMT片材力學(xué)強(qiáng)度為拉伸強(qiáng)度90MPa，拉伸模量4940MPa，彎曲強(qiáng)度130MPa，彎曲模量4700MPa，沖擊強(qiáng)度100J/m2。
針對(duì)不同的玻纖含量，和設(shè)定的配方，以及固定的纖維直徑、浸潤(rùn)劑、針型、針刺工藝和相應(yīng)參數(shù)，我們將制得的片材進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，所得數(shù)據(jù)列表于下表二

權(quán)利要求
1.一種針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，使用針刺法將連續(xù)的基體纖維和增強(qiáng)纖維制成氈，作為纖維增強(qiáng)熱塑性塑料預(yù)混體，其特征在于包括如下步驟A.將基體纖維和增強(qiáng)纖維按95～20∶5～80的重量比均勻放置于紗架上，然后一起引入至拋絲機(jī)；B.用拋絲機(jī)將混合一起的基體纖維和增強(qiáng)纖維連續(xù)拋入至沉降室，使混合纖維均勻著落在成型網(wǎng)帶上，形成氈坯；C.將氈坯喂入針刺機(jī)進(jìn)行針刺，使增強(qiáng)纖維與基體纖維進(jìn)一步混合，使其交搭鉤纏在一起，形成立體交叉結(jié)構(gòu)，即制得成品。
2.如權(quán)利要求1所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于步驟B中使混合纖維均勻著落在成型網(wǎng)帶上形成氈坯的同時(shí)利用抽吸系統(tǒng)提供的氣流將纖維網(wǎng)吸附在成型網(wǎng)上。
3.如權(quán)利要求1所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于基體纖維和增強(qiáng)纖維的優(yōu)選重量比為60～40∶40～60。
4.如權(quán)利要求1所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)高于所用的基體纖維10℃以上。
5.如權(quán)利要求1所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于所述的基體纖維和增強(qiáng)纖維均勻放置于紗架上采用有如下的方法之一A、在基體纖維和增強(qiáng)纖維生產(chǎn)場(chǎng)地離針刺氈預(yù)混體生產(chǎn)場(chǎng)地近，便于運(yùn)輸?shù)那闆r下，可將較細(xì)紗支的基體纖維和增強(qiáng)纖維按所需比例分別交替、均勻地放于紗架上，這樣可以保證基體纖維和增強(qiáng)纖維充分混合均勻；B、在纖維生產(chǎn)場(chǎng)地離針刺氈生產(chǎn)場(chǎng)地遠(yuǎn)，運(yùn)輸不方便時(shí)，可將基體纖維和增強(qiáng)纖維按所需比例先絡(luò)成紗支較粗的紗團(tuán)，然后再運(yùn)至針刺氈生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；C、使用基體纖維、增強(qiáng)纖維在拉絲階段就均勻混合的復(fù)合紗。
6.如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于A、基體纖維選自如下熱塑性塑料纖維聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、尼龍纖維、聚醚醚酮纖維、聚酮酮醚纖維、聚苯硫醚纖維、聚酰亞胺纖維、聚酯纖維、ABS纖維、維尼綸纖維、聚碳酸酯纖維、聚丙烯腈纖維、聚苯乙烯纖維；B、增強(qiáng)纖維選自如下纖維玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、天然纖維、芳綸纖維、熱塑性塑料纖維。
7.如權(quán)利要求6所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于基體纖維優(yōu)選聚丙烯纖維、增強(qiáng)纖維優(yōu)選的是玻璃纖維。
8.如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于基體纖維其單絲直徑在6微米至1毫米之間、增強(qiáng)纖維單絲直徑在4微米至0.1毫米之間。。
9.如權(quán)利要求8所述的針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，其特征在于基體纖維單絲直徑優(yōu)選范圍是10微米至0.1毫米之間，增強(qiáng)纖維單絲直徑優(yōu)選范圍是8微米至25微米之間。
全文摘要
一種針刺法制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料氈類預(yù)混體的方法，使用針刺法將連續(xù)的基體纖維和增強(qiáng)纖維制成氈，作為纖維增強(qiáng)熱塑性塑料預(yù)混體，包括如下步驟A.將基體纖維和增強(qiáng)纖維按95～20∶5～80的重量比均勻放置于紗架上，然后一起引入至拋絲機(jī)；B.用拋絲機(jī)將混合一起的基體纖維和增強(qiáng)纖維連續(xù)拋入至沉降室，使混合纖維均勻著落在成型網(wǎng)帶上，形成氈坯；C.將氈坯喂入針刺機(jī)進(jìn)行針刺，使增強(qiáng)纖維與基體纖維進(jìn)一步混合，使其交搭鉤纏在一起，形成立體交叉結(jié)構(gòu)，即制得成品。本發(fā)明解決了干法GMT工藝中的浸漬、片材流動(dòng)難題和濕法工藝中纖維短的問(wèn)題，制得的預(yù)混體可直接用于塑料制品的生產(chǎn)，也可以制作片材，其中增強(qiáng)纖維含量高達(dá)70～80％。
文檔編號(hào)D04H3/105GK1730764SQ20051004129
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月2日
發(fā)明者趙東波, 趙謙, 鄧洪, 夏濤, 費(fèi)傳軍, 彭基成 申請(qǐng)人:中材科技股份有限公司