連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的制造方法，更具體地，涉及將碳纖維層鋪展并排布在多層熱塑性樹脂膜之間并通過粘合工藝來制造連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的方法，以取代用熔融的熱塑性樹脂直接浸漬碳纖維。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，通過在具有相對(duì)低的機(jī)械強(qiáng)度的塑料中連續(xù)地嵌入增強(qiáng)纖維(如玻璃纖維或碳纖維)，形成連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。與具有Imm或更短的纖維長度的短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(SFT)或具有約5_至約50_的纖維長度的長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(LFT，如玻璃氈增強(qiáng)熱塑性塑料(GMT))相比，這種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料具有非常優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、剛度和耐沖擊性。
[0003]此外，由于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料具有優(yōu)異的撓度，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料能夠被單向地或雙向地編織，并且編織的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料能夠用于要求各種機(jī)械性能的許多產(chǎn)品中。
[0004]通常，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料可由諸如擠出法、混合或熱壓法制造。
[0005]在擠出法中，通過使被鋪展的連續(xù)纖維束穿過盛有液體或熔融樹脂的槽或模具，從而用塑性樹脂浸漬連續(xù)纖維束。盡管通過優(yōu)化擠出加工的加工條件可提高浸漬度，但是難以控制增強(qiáng)纖維(如連續(xù)纖維)和被混合的塑性樹脂的含量，并且由擠出法加工的連續(xù)纖維由于其撓度降低而不易于編織。另外，如果使用現(xiàn)有技術(shù)的加熱方法，存在膜從表面熔融并且因此在熔融的表面容易彎曲的問題。
[0006]因此，有必要提供一種能夠克服上述問題的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的制造方法，以使該方法能夠被有用地用于相關(guān)領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題
[0008]本發(fā)明的一方面提供一種高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的制造方法，其中，通過對(duì)膜和被鋪展的碳纖維束進(jìn)行重復(fù)的堆疊加工、熔融加工和包括微浸漬的浸漬加工，而不實(shí)施使用高黏性的熱塑性聚合物顆粒熔融樹脂的浸漬加工，從而改善樹脂對(duì)于高集束率(例如，12K、24K或48Κ等)碳纖維束的浸漬性，使連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料中的連續(xù)碳纖維的體積分?jǐn)?shù)最大化，減少空隙的形成，并且使連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料容易制造。
[0009]技術(shù)方案
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的制造方法包括:提供被鋪展(被擴(kuò)展)的多個(gè)碳纖維的步驟；通過將熱塑性膜置于被鋪展的碳纖維的上側(cè)和下側(cè)的至少一部分上而形成堆疊體的步驟；以及通過將構(gòu)成所述堆疊體的熱塑性膜和碳纖維粘合而形成復(fù)合材料(bonded material)的步驟。
[0011]優(yōu)選地，所述復(fù)合材料的形成可通過照射微波來實(shí)施。
[0012]優(yōu)選地，所述復(fù)合材料的形成可通過使用選自由鹵素?zé)艉图t外線燈組成的組中的至少一個(gè)熱源在100°C至450°C的溫度范圍內(nèi)實(shí)施。
[0013]優(yōu)選地，所述被鋪展的多個(gè)碳纖維以規(guī)律的間隔排布。
[0014]優(yōu)選地，在提供所述被鋪展的多個(gè)碳纖維的步驟中，包括采用具有比熱塑性膜的熔點(diǎn)更低的熔點(diǎn)的粘合用樹脂涂覆所述碳纖維。
[0015]優(yōu)選地，所述熱塑性膜由選自以下的材料形成:聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)和聚乙二醇對(duì)苯二甲酸酯(PET)。
[0016]優(yōu)選地，所述熱塑性膜具有10 μπι至100 μm的厚度。
[0017]優(yōu)選地，本發(fā)明的制造方法進(jìn)一步包括使用一對(duì)輥在真空或大氣壓條件下按壓所述復(fù)合材料。
[0018]優(yōu)選地，所述復(fù)合材料的按壓在100°C至450°C的溫度范圍內(nèi)實(shí)施。
[0019]優(yōu)選地，本發(fā)明的制造方法進(jìn)一步包括:加熱所述復(fù)合材料；以及使用一對(duì)輥在真空或大氣壓條件下額外地按壓所述復(fù)合材料。
[0020]優(yōu)選地，加熱所述復(fù)合材料在100°C至450°C的溫度范圍內(nèi)實(shí)施。
[0021]優(yōu)選地，額外地按壓所述復(fù)合材料在100°C至450°C的溫度范圍內(nèi)實(shí)施。
[0022]優(yōu)選地，加熱所述復(fù)合材料使用選自鹵素?zé)艉图t外線燈中的至少一個(gè)熱源來實(shí)施。
[0023]優(yōu)選地，所述堆疊體包括被堆疊的熱塑性膜和置于熱塑性膜之間的碳纖維。
[0024]有益效果
[0025]根據(jù)本發(fā)明的方法，在將含有或浸漬了熱塑性樹脂膜的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)預(yù)浸料(含有連續(xù)碳纖維的帶)以單向排布或雙軸向排布(0°和90° )之后，不需要額外的樹脂浸漬步驟。此外，將通過本發(fā)明得到的熱塑性預(yù)浸料以單向排布或編織之后，對(duì)其進(jìn)行熱壓加工，以獲得高強(qiáng)度、輕質(zhì)量的具有各種形狀的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性板。根據(jù)本發(fā)明，可容易地實(shí)施編織加工，并且可以使用各種熱塑性膜，從而可得到高度均勻的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料(含有連續(xù)碳纖維的帶)。此外，通過使與熱固性樹脂相比具有更高粘性的熱塑性樹脂的浸漬碳纖維最大化，使成型體內(nèi)部的空隙最小化，且使碳纖維的體積分?jǐn)?shù)最大化，從而能夠制造具有高強(qiáng)度的碳纖維增強(qiáng)熱塑性產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0026]圖1為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的制造方法的流程圖。
[0027]圖2(a)至(C)示意性地示出可用于提供本發(fā)明的被鋪展的碳纖維的步驟中的碳纖維束鋪展設(shè)備(由日本Harmoni公司制造)。
[0028]圖3示意性地示出由被鋪展的碳纖維束和熱塑性膜形成的本發(fā)明的堆疊體的圖。
[0029]圖4示意性地示出根據(jù)本發(fā)明制造的碳纖維增強(qiáng)熱塑性膜的立體圖。
[0030]圖5(a)和5(b)為分別以不同比例示出根據(jù)本發(fā)明制造的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的截面的圖。
[0031]圖6示出使用根據(jù)本發(fā)明的熱塑性預(yù)浸料(含有連續(xù)碳纖維的帶)制造單向的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)板的示例性過程。
[0032]圖7示出使用根據(jù)本發(fā)明的熱塑性預(yù)浸料(含有連續(xù)碳纖維的帶)制造編織型連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)板的示例性過程。
[0033]圖8(a)示出撓曲性能測(cè)試機(jī)，圖8(b)示出用于撓曲性能測(cè)試的試樣。
[0034]圖9示出對(duì)通過使用本發(fā)明的熱塑性預(yù)浸料來制造的單向的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)板進(jìn)行撓曲性能測(cè)試的結(jié)果。
[0035]圖10為根據(jù)本發(fā)明制造的一個(gè)示例性板的截面的掃描電子顯微(SEM)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面，參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式。然而，本發(fā)明的實(shí)施方式可以變形為許多不同的形式，且不應(yīng)理解為本發(fā)明被限制于在此描述的實(shí)施方式中。
[0037]本發(fā)明提供一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性預(yù)浸料的制造方法，其中，將碳纖維排布在熱塑性膜的一側(cè)或多層熱塑性膜之間并將碳纖維粘合至所述膜，以取代用熔融的熱塑性樹脂直接浸漬碳纖維。
[0038]詳細(xì)地，本發(fā)明的制造方法包括:提供被鋪展的多個(gè)碳纖維的步驟；通過將熱塑性膜置于所述被鋪展的碳纖維的上側(cè)和下側(cè)的至少一部分上而形成堆疊體的步驟；以及通過將構(gòu)成所述堆疊體的熱塑性膜和碳纖維粘合而形成復(fù)合材料的步驟。
[0039]如上所述，本發(fā)明可得到將連續(xù)碳纖維粘合或融合至熱塑性膜的預(yù)浸料，并且在本發(fā)明中，該預(yù)浸料可被稱作“復(fù)合材料”或“半預(yù)浸料”。此外，通過對(duì)上述“半預(yù)浸料”實(shí)施如按壓或加熱等后續(xù)加工可獲得碳纖維被插入熱塑性膜中的最終預(yù)浸料。
[0040]本發(fā)明的預(yù)浸料是指包括帶(tape)或片(sheet)等形狀的預(yù)浸料。
[0041]圖1為示意性地示出本發(fā)明的制造方法的流程圖，參照?qǐng)D1，制備所述多個(gè)碳纖維的步驟可包括解旋(