本技術(shù)屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，涉及一種多層混雜短纖維復(fù)合熱塑性聚合物型材的制備方法。

背景技術(shù)：

短纖維復(fù)合熱塑性聚合物與單純熱塑性聚合物相比，其力學(xué)性質(zhì)可以通過選擇短纖維的種類、幾何尺寸和含量，具有增強(qiáng)效果和性能可設(shè)計性；短纖維復(fù)合熱塑性聚合物與連續(xù)纖維復(fù)合熱塑性聚合物相比，其原料成本和加工大幅下降，加工性較高，與大部分塑料加工工藝兼容，能夠制備復(fù)雜形狀的力學(xué)構(gòu)件。因此多種機(jī)械承力構(gòu)件采用短纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物替代傳統(tǒng)鋼鐵材料，在減輕重量、提高強(qiáng)度和韌性、降低成本等方面具有特有商業(yè)競爭性。

目前短纖維復(fù)合材料的制備基本采用熔融混合方法，即將短纖維與聚合物粉體機(jī)械混合后，通過螺桿擠出機(jī)在基體材料熔融狀態(tài)機(jī)械混合，擠出造粒，成為切片料，由終端產(chǎn)品制造者根據(jù)具體產(chǎn)品性能要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在成型過程中調(diào)整原料比例來實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能的調(diào)節(jié)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，短纖維的種類從碳纖維、玻璃纖維擴(kuò)展到高性能有機(jī)纖維，尺寸從微米級擴(kuò)展到納米級，碳納米管的工業(yè)應(yīng)用，更使得增強(qiáng)材料達(dá)到直徑幾納米、長度幾毫米，使得復(fù)合材料可以在微納米尺度進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)宏觀力學(xué)性能在更廣闊的范圍內(nèi)自主設(shè)計。

連續(xù)纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能設(shè)計通過平行鋪排或纏繞的纖維在各層之間取向的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，因此可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性質(zhì)的精確設(shè)計，目前尚沒有用短纖維通過定向排列實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計的技術(shù)，中國專利CN103144262A公開了一種通過擠出機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和對擠出膠料多次扭轉(zhuǎn)合并，制備在寬度和厚度方向分布均勻的短纖維單向取向復(fù)合橡膠；中國專利CN103819757A公開了一種通過調(diào)節(jié)開煉機(jī)煉膠條件的方法制備定向排列短纖維復(fù)合橡膠制品的方法。這些方法提供了制備單向取向短纖維聚合物復(fù)合材料的方法，但通過纖維復(fù)合聚合物復(fù)合材料力學(xué)性能的各向異性來制備性能可設(shè)計短纖維復(fù)合聚合物型材的技術(shù)未見報道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所述的利用定向排列的混雜短纖維復(fù)合熱塑性聚合物膜片制備多層復(fù)合材料型材的制備方法，目的是提供一種通過將定向排列短纖維復(fù)合材料膜片通過設(shè)計的取向、基體材質(zhì)、厚度、疊層次序進(jìn)行層合壓制，來實(shí)現(xiàn)性能可設(shè)計的復(fù)合材料型材。

一種多層混雜短纖維復(fù)合熱塑性聚合物型材，由若干片熱塑性聚合物膜片按照設(shè)計形狀、纖維的取向、聚合物種類進(jìn)行層疊模壓得到的型材；所述的熱塑性聚合物膜片內(nèi)分布有定向排列的混雜短纖維。

所述的熱塑性聚合物膜片以質(zhì)量份計組成為：混雜短纖維含量在5～30份，熱塑性聚合物含量在70～93份，增塑劑含量在2～4份，潤滑劑含量在0.3～1份。

所述的短纖維包括碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維、芳綸纖維、納米有機(jī)纖維、碳納米管中的一種或多種混雜，纖維直徑范圍為：0.01～10微米，長度范圍為：1～2000微米。

所述的熱塑性聚合物包括聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、ABS中的任一種。

制備所述的多層混雜短纖維復(fù)合熱塑性聚合物型材的方法，將熱塑性聚合物與一種或多種短纖維熔融混合，用螺桿擠出機(jī)和流延機(jī)制成纖維方向定向排列的熱塑性聚合物膜片；將熱塑性聚合物膜片用作預(yù)制物，將膜片按照設(shè)計的形狀層疊，并設(shè)計疊層短纖維取向和聚合物種類，模壓成型后形成力學(xué)性能可設(shè)計的多層混雜短纖維復(fù)合材料型材。

用螺桿擠出機(jī)和流延機(jī)制成纖維方向定向排列的膜片具體方法是將一種或多種短纖維與熱塑性聚合物切片機(jī)械混合后，用螺桿擠出機(jī)通過單通道或多通道機(jī)頭，以單層或多層共擠方法擠出到冷卻輥上，通過牽伸、收卷，形成短纖維均勻分布、排列取向與牽伸方向相同的單一纖維或混雜纖維連續(xù)預(yù)制膜。

所述的單通道或多通道機(jī)頭，單通道機(jī)頭用于對單一纖維或直徑差小于10倍的混雜纖維擠出，混雜纖維不超過2種，多通道機(jī)頭各通道用于直徑差別大于10倍的單一纖維分別擠出，通道數(shù)不大于3。

模壓時，當(dāng)選擇多種聚合物時，各聚合物的熔點(diǎn)差小于等于30℃，模壓溫度在所選聚合物最高熔點(diǎn)以上的10℃之內(nèi)。

所述模壓成型時，模具在垂直纖維方向的表面凸凹結(jié)構(gòu)不得小于3倍短纖維平均長度，制品的各向異性強(qiáng)度、剛度、韌性通過調(diào)節(jié)短纖維取向、含量、短纖維種類、聚合物種類進(jìn)行設(shè)計。

用于所述的制備多層混雜短纖維復(fù)合熱塑性聚合物型材的方法中的螺桿擠出機(jī)，機(jī)頭為T型，唇部設(shè)有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，所述的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)水平截面為梭形，梭形的尾端長度與頭部長度比為3～5：1；流道寬度與梭形高度比為1：1～3。

有益效果

利用定向排列的混雜短纖維復(fù)合熱塑性聚合物膜片制備多層復(fù)合材料型材。

可以靈活設(shè)計混雜的短纖維，選擇不同的短纖維和不同的聚合物基材復(fù)合得到不同的強(qiáng)度、剛度、韌性。

模壓時，熱塑性聚合物膜片中纖維取向疊加時角度不同得到的最終型材的強(qiáng)度、剛度、韌性也不同，據(jù)此可以根據(jù)不同的要求設(shè)計得到合適的型材。

T型機(jī)頭結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)使得預(yù)制膜片以單層擠出或多層共擠形成一種或多種纖維定向復(fù)合結(jié)構(gòu)，按力學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇不同短纖維排列方向和基體材料多層疊合，模壓成型后形成力學(xué)性能可設(shè)計多層混雜短纖維復(fù)合材料型材。

附圖說明

圖1為T型機(jī)頭導(dǎo)流結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為單一取向短碳纖維復(fù)合尼龍66層壓試片斷口掃描電鏡照片。

具體實(shí)施方式：

具體實(shí)施方式通過實(shí)施例說明，所有材料均可通過商業(yè)渠道獲得。

本發(fā)明提供一種通過將定向排列短纖維復(fù)合材料膜片通過設(shè)計的取向、基體材質(zhì)、厚度、疊層次序進(jìn)行層合壓制，來實(shí)現(xiàn)性能可設(shè)計的復(fù)合材料型材。

具體制備方法如下：

將短纖維與熱塑性聚合物粉體機(jī)械混合，混合時間不低于10分鐘，當(dāng)纖維直徑大于1微米時，熱塑性聚合物粉體粒度不大于100目，當(dāng)纖維直徑小于1微米時，粉體粒度不大于1000目；

上述混料短纖維含量5～30質(zhì)量份，熱塑性聚合物含量70～93質(zhì)量份，增塑劑含量2～4質(zhì)量份，潤滑劑含量0.3～1質(zhì)量份；

進(jìn)一步地，將混料通過螺桿擠出機(jī)擠出，通過T型機(jī)頭將熔融的復(fù)合物擠出到冷卻輥上，利用空氣刀和調(diào)節(jié)擠出速度與冷卻輥的收卷速度差，使得聚合物形成厚膜，該膜片通過收卷機(jī)連續(xù)制備，形成短纖維復(fù)合材料預(yù)制膜；

進(jìn)一步地，短纖維的取向通過機(jī)頭內(nèi)唇部設(shè)計的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和冷卻輥對聚合物的牽引拉伸來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)制膜中含有一種短纖維、或兩種短纖維直徑比小于10時，采用單通道擠出，當(dāng)預(yù)制膜中含有3種以下短纖維，短纖維直徑比大于10時，采用多通道，通道總數(shù)小于3；

當(dāng)機(jī)頭為多通道時，各通道基體材料相同，每個通道通過T型機(jī)頭內(nèi)的層狀結(jié)構(gòu)形成獨(dú)立的擠出流道到冷卻輥，層狀結(jié)構(gòu)使得各通道流體在冷卻輥上混合形成單層混雜纖維膜；

進(jìn)一步地，將所述的將預(yù)制膜片通過切割制成需要的形狀，并按設(shè)計的疊層次序、短纖維取向、基材和厚度，疊層后模壓成型，模壓溫度在基材熔點(diǎn)以上10℃之內(nèi)，當(dāng)疊層內(nèi)含有多種不同基材時，各基材的熔點(diǎn)差不大于30℃，模壓溫度在熔點(diǎn)最高基材的熔點(diǎn)以上10℃之內(nèi)，各基材在該溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，材料無改性；進(jìn)一步地，該疊層成型模具在垂直纖維方向的表面凸凹結(jié)構(gòu)不得小于3倍短纖維平均長度，制品的各向異性強(qiáng)度、剛度、韌性通過調(diào)節(jié)短纖維取向、含量、短纖維種類、基材種類進(jìn)行設(shè)計。

實(shí)施例一：

將市售尼龍66切片用粉碎機(jī)粉碎到100目和1000目兩種，將直徑5到10微米、長度0.5到10毫米的短碳纖維和直徑低于20納米、長度大于10微米的多壁碳納米管分別與100目和1000目尼龍66粉體混合，在機(jī)械攪拌機(jī)中攪拌10分鐘，短纖維含量為20％wt，碳納米管含量為0.5％wt，同時加入增塑劑2％wt和潤滑劑0.5％wt，余量為尼龍66補(bǔ)足100％。

將兩種混料分別裝入兩臺螺桿擠出機(jī)料斗，同時擠出，通過雙通道機(jī)頭，分別控制兩臺螺桿擠出機(jī)擠出速度，使得兩個通道的熔融流體在流延機(jī)冷卻輥上的成膜速度相同。

流延機(jī)采用T型模頭，模頭中設(shè)計的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)纖維為直徑大于1微米時，其開口尺寸L為纖維平均長度2.5倍，當(dāng)纖維為直徑小于1微米時，其開口尺寸L為纖維平均長度10～100倍。

調(diào)節(jié)空氣刀空氣流量和冷卻輥轉(zhuǎn)速，使得冷卻輥線速度為聚合物熔融流體機(jī)頭唇部流速的3倍，調(diào)節(jié)壓膜輥壓力使得兩層熔體混合成膜，收卷機(jī)連續(xù)收卷，制成短碳纖維和碳納米管二元混雜單一取向預(yù)制膜。

將厚度為0.1毫米的上述預(yù)制膜以90°取向逐層交替疊層，按需要的厚度計算層數(shù)，在真空平板熱壓機(jī)上壓制，壓制壓力為30MPa，溫度250℃，保壓5分鐘，脫模后制成雙向各向異性復(fù)合材料。

表一為典型制備條件下短碳纖維平均長度1毫米、含量20％wt、無序取向、單一取向、90°正交取向平板制品抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性對照表。

實(shí)施例二；

將市售尼龍66切片和ABS切片用粉碎機(jī)粉碎到100目，分別與直徑5到10微米、長度0.5到10毫米的短碳纖維和短芳綸纖維混合，在機(jī)械攪拌機(jī)中攪拌10分鐘，兩種短纖維含量均為10％wt，同時加入增塑劑3％wt和潤滑劑0.8％wt，

余量為尼龍66和ABS補(bǔ)足100％。

將兩種混料分別用單通道螺桿擠出機(jī)和流延機(jī)制成厚度0.1毫米的纖維單一取向的預(yù)制膜片，流延方法同實(shí)施例一。

將兩種預(yù)制膜以45°取向逐層交替疊層，按需要的厚度計算層數(shù)，在真空平板熱壓機(jī)上壓制，壓制壓力為30MPa，溫度265℃，保壓5分鐘，脫模后制成45°各向異性復(fù)合材料。