一种热塑性复合材料制品的制备方法与流程

1.本技术涉及材料技术领域，尤其涉及一种热塑性复合材料制品的制备方法。


背景技术：

2.热塑性复合材料的成型通常采用注塑、挤出、模压等加工方法。其中注塑与挤出加工，纤维容易折断，影响制品最终的力学强度；而模压方法虽然对纤维的损伤小，但需要提前制备预浸料，使树脂与纤维预先均匀混合，比如相关技术可以先制备单向布，热塑性树脂良好浸润单取向纤维，制成薄层布，或者用热塑性树脂浸渍纤维布，然后再重叠加热塑化模压成型，以制备片材、板材等。
3.相关技术中也可以浸渍热塑性树脂的单向布加热后进行缠绕制备管材或者棒材。或者采用挤出的加工方法，热塑性树脂与纤维混合后作为加工原料，经挤出机熔融后经过一定形状的口模，然后冷却定型、定长切割，但是这样加工将使得纤维被截断成短纤维(长度《1mm)，纤维取向随机或者沿挤出方向优先取向。
4.而复合材料制品的强度与纤维取向关系密切，通常沿纤维方向具有更高的拉伸强度、压缩强度和模量。在一些特殊场合，要求型材沿截向方向具有较高的抗压、抗拉性能，而采用上述相关技术中的成型方法则难于实现。


技术实现要素：

5.本技术实施例公开了一种热塑性复合材料制品的制备方法，能够解决相关技术中的复合材料制品在截向方向的拉伸强度、压缩强度及其模量较低的问题。
6.为了实现上述目的，一种热塑性复合材料制品的制备方法，复合材料制品在挤出模具的模腔中成型，挤出模具包括设于模腔中，且沿模腔的供料方向依次设置的加料工段、热压工段和冷却工段，方法包括：
7.向加料工段提供纤维预制品。
8.转运纤维预制品至热压工段。
9.在热压工段将纤维预制品加热至大于或等于第一预设温度，以使纤维预制品塑化，并压实塑化后的纤维预制品，以提供复合材料制品。
10.转运复合材料制品至冷却工段。
11.在冷却工段将复合材料制品冷却至小于或等于第二预设温度，以定型复合材料制品。
12.其中，第二预设温度小于第一预设温度；纤维预制品包括多个沿长度方向依次堆叠的纤维预制片，纤维预制片为多向纤维预制片和单向纤维预制片中的其中一种；其中，多向纤维预制片包括至少两种纤维取向相交的纤维和热塑性树脂；单向纤维预制片包括一种纤维取向保持一致的纤维和热塑性树脂；纤维预制品包括至少两种纤维取向相交的单向纤维预制片，或，纤维预制品包括多向纤维预制片；长度方向与供料方向一致，纤维取向垂直长度方向；压实方向平行长度方向。
13.可选地，第一预设温度为热塑性树脂的粘流温度或者熔融温度。
14.可选地，第二预设温度为热塑性树脂的结晶温度或者玻璃化温度。
15.可选地，在向加料工段提供纤维预制品之前，方法还包括：
16.将纤维布在热塑性树脂中预浸，以提供纤维预制片；纤维布为多向纤维布或单向纤维布；多向纤维布包括至少两种纤维取向相交的增强纤维，单向纤维布内部增强纤维的纤维取向保持一致。
17.将纤维预制片沿长度方向依次叠置，以提供纤维预制品。
18.在另一些可选地实施方案中，在向加料工段提供纤维预制品之前，方法还包括：
19.提供辅纤维丝和主纤维丝；辅纤维丝由热塑性树脂制备，主纤维丝为增强纤维。
20.将辅纤维丝和主纤维丝进行混纺，以提供包缠纱。
21.将包缠纱进行编织，以提供所述纤维预制片。
22.将纤维预制片沿长度方向依次叠置，以提供纤维预制品。在包缠纱中，辅纤维丝缠绕主纤维丝设置，且辅纤维丝沿主纤维丝的走向螺旋延伸；主纤维丝的走向为纤维预制片的纤维取向。
23.可选地，复合材料制品的纤维预制片中的增强纤维为有机纤维或无机纤维。
24.可选地，无机纤维为玻璃纤维布、碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维中的其中一种；有机纤维为芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的其中一种。
25.可选地，热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚苯硫醚、聚醚醚酮、液晶高分子聚合物、聚对苯二甲酸酯类树脂和聚碳酸酯中的其中一种。
26.可选地，尼龙为聚酰胺-6、聚酰胺-66，长链尼龙和芳香类尼龙中的其中一种。
27.可选地，纤维预制品中的单向纤维预制片分为第一单向纤维预制片和第二单向纤维预制片；第一单向纤维预制片朝第一方向进行纤维取向，第二单向纤维预制片朝第二方向进行纤维取向，第一方向、第二方向和长度方向两两相交。纤维预制品包括沿长度方向交替设置的第一预浸段和第二预浸段，第一预浸段包括一个第一单向纤维预制片或多个沿长度方向依次堆叠的第一单向纤维预制片；第二预浸段包括一个第二单向纤维预制片或多个沿长度方向依次堆叠的第二单向纤维预制片。
28.与现有技术相比，本技术的有益效果是：
29.本技术公开的制备方法用于制备热塑性复合材料制品，复合材料制品在挤出模具的模腔中成型，挤出模具包括设于模腔中，且沿模腔的供料方向依次设置的加料工段、热压工段和冷却工段，方法包括：
30.向加料工段提供纤维预制品。
31.转运纤维预制品至热压工段。
32.在热压工段将纤维预制品加热至大于或等于第一预设温度，以使纤维预制品塑化，并压实塑化后的纤维预制品，以提供复合材料制品。
33.转运复合材料制品至冷却工段。
34.在冷却工段将复合材料制品冷却至小于或等于第二预设温度，以定型复合材料制品。
35.其中，第二预设温度小于第一预设温度；纤维预制品包括多个沿长度方向依次堆叠的纤维预制片，纤维预制片为多向纤维预制片和单向纤维预制片中的其中一种；其中，多
向纤维预制片包括至少两种纤维取向相交的纤维和热塑性树脂；单向纤维预制片包括一种纤维取向保持一致的纤维和热塑性树脂；纤维预制品包括至少两种纤维取向相交的单向纤维预制片，或，纤维预制品包括多向纤维预制片；长度方向与供料方向一致，纤维取向垂直长度方向；压实方向平行长度方向。
36.如此所形成的复合材料制品，在第一方面，由于其中的纤维预制片的纤维取向均截向取向(垂直长度方向)，从而提高复合材料制品在其截向的拉伸强度、压缩强度及模量等性能。
37.在第二方面，采用本技术的制备方法，新的复合材料制品于模腔的输入端(即加料工段所在的一端)不断生成，同时复合材料制品于模腔的输出端(即靠近热压工段的一端)不断被堆积出模，可以看出，本技术的制备方法更适用于棒材、管材或者其他具有类似结构的型材结构的复合材料制品挤出成型。
38.在第三方面，较之板材类结构的复合材料制品来说，由于板材受限于其加工设备，故板材的厚度无法太大，一般不会超过50mm，而本技术的复合材料制品用于制备棒材或管材，其长度可以根据需要任意调节，比如3000mm，5000mm等，在尺寸控制上较之板材更具优势。
39.在第四方面，对于板材或其他类型的复合材料制品来说，其不同的加工工序往往需要在不同的设备上进行，比如压实需要用压带机实现，加热固化需要红外加热设备等，工序的改变需要产品在不同的设备之间转运，而本技术的复合材料制品从加料到最后成型均在挤出模具中完成，无需在上下工序衔接时进行产品的转运，提高了生产效率。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为本技术公开的复合材料制品加工过程的第一状态图；
42.图2为本技术公开的复合材料制品加工过程的第二状态图；
43.图3为本技术公开的复合材料制品加工过程的第三状态图；
44.图4为本技术公开的复合材料制品加工过程的第四状态图；
45.图5为本技术公开的管材结构的复合材料制品制备图；
46.图6为本技术公开的另一管材结构的复合材料制品制备图；
47.图7为本技术公开的第一种由单向纤维预制片构成的复合材料制品结构图；
48.图8为本技术公开的第二种由单向纤维预制片构成的复合材料制品结构图；
49.图9为本技术公开的第三种由单向纤维预制片构成的复合材料制品结构图；
50.图10为本技术公开的由多向纤维预制片构成的复合材料制品结构图；
51.图11为本技术主纤维丝和辅纤维丝混纺示意图；
52.图12为相关技术中复合材料制品的制备方法图。
53.附图标记说明：
54.x-第一方向、y-第二方向、z-长度方向、
55.10-复合材料制品、
56.11-第一单向纤维预制片、12-第二单向纤维预制片、13-多向纤维预制片、
57.101-主纤维丝、102-辅纤维丝、
58.20-模腔、
59.21-加料工段、22-热压工段、23-冷却工段、
60.201-第一堆挤机构、202-第二堆挤机构、203-芯棒。
具体实施方式
61.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
63.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
64.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
66.热塑性复合材料的成型通常采用注塑、挤出、模压等加工方法。其中注塑与挤出加工，纤维容易折断，影响制品最终的力学强度；而模压方法虽然对纤维的损伤小，但需要提前制备预浸料，使树脂与纤维预先均匀混合，比如相关技术可以先制备单向布，热塑性树脂良好浸润单取向纤维，制成薄层布，或者用热塑性树脂浸渍纤维布，然后再重叠加热塑化模压成型，以制备片材、板材等。
67.相关技术中也可以浸渍热塑性树脂的单向布加热后进行缠绕制备管材或者棒材。或者采用挤出的加工方法，热塑性树脂与纤维混合后作为加工原料，经挤出机熔融后经过一定形状的口模，然后冷却定型、定长切割，但是这样加工将使得纤维被截断成短纤维(长度《1mm)，纤维取向随机或者沿挤出方向优先取向。
68.而复合材料制品的强度与纤维取向关系密切，通常沿纤维方向具有更高的拉伸强度与模量，以及更好的压缩强度和模量。在一些特殊场合，要求型材沿截向方向具有较高的抗压、抗拉性能，而采用上述相关技术中的成型方法，则难于实现。综上，为提高复合材料制品在其截向抗压、抗拉性能，遂产生本技术技术方案，下面结合图1～图12进行阐述。
69.本技术公开一种热塑性复合材料制品10的制备方法，复合材料制品10在挤出模具的模腔20中成型为棒材或管材，挤出模具包括设于模腔20中，且沿模腔20的供料方向依次设置的加料工段21、热压工段22和冷却工段23，加料工段21靠近模腔20的输入端设置，冷却工段23靠近模腔20的输出端设置，由模腔20的输入端自模腔20的输出端为供料方向，挤出模具可活动地设有第一堆挤机构201和第二堆挤机构202，模腔20位于第一堆挤机构201和第二堆挤机构202之间，第一堆挤机构201朝向模腔20靠近加料工段21的一侧设置，第二堆挤机构202朝向模腔20靠近冷却工段23的一侧设置，第一堆挤机构201的至少部分、第二堆挤机构202的至少部分均可进入模腔20，这里第一堆挤机构201和第二堆挤机构202可选用电推杆机构、气缸活塞机构等，以气缸活塞机构为例，活塞杆的前端可以设置顶板，这样第一堆挤机构201的顶板，第二堆挤机构202的顶板均可进入模腔20内，同时第一堆挤机构201的顶板，第二堆挤机构202的顶板可相互趋近，以对处于模腔20中的复合材料制品10形成挤压，挤压过程中复合材料制品10逐渐被压实以紧贴模腔20内壁，以保证复合材料制品10的外形与模腔20的内腔形状吻合，也就是说，模腔20的形状决定复合材料制品10的外形，比如复合材料制品10可为横截面为圆形、矩形、六方形等各种形状的管料或棒料。
70.本技术的复合材料制品10的制备方法可以包括：
71.执行加料工序：向加料工段21提供纤维预制品。纤维预制品为热塑性预制品，如此，纤维预制品具有热塑性材料的成型特点，即能反复加热塑化和冷却硬化且效果可逆。具体来说，纤维预制品包括多个沿长度方向z依次堆叠的纤维预制片，纤维预制片为多向纤维预制片和单向纤维预制片中的其中一种。其中，多向纤维预制片包括至少两种纤维取向相交的纤维和热塑性树脂；单向纤维预制片包括一种纤维取向保持一致的纤维和热塑性树脂。纤维预制品包括至少两种纤维取向相交的单向纤维预制片，或，纤维预制品包括多向纤维预制片，比如纤维预制品中均为多向纤维预制片，或者，纤维预制品具有两种以上纤维取向的单向纤维预制片，且不同种类单向纤维预制片之间的纤维取向相交，或者，纤维预制品中既有多向纤维预制片，也有单向纤维预制片。
72.执行转运工序：控制第一堆挤机构201进行朝后文的长度方向z移动，以转运纤维预制品至热压工段22。
73.执行热压工序：在热压工段22将纤维预制品加热至大于或等于第一预设温度，以使纤维预制品塑化，并且第一堆挤机构201和第二堆挤机构202相互趋近，使得挤压模具压实塑化后的纤维预制品，以使纤维预制品逐渐紧贴模腔20内壁，以提供复合材料制品10，具体如图1所示。上述的第一预设温度指的是：含有热塑性材料的纤维预制品被加热到可以塑化的温度，比如第一预设温度为热塑性树脂的粘流温度或者熔融温度。
74.执行转运工序：控制第一堆挤机构201继续朝长度方向z移动，以通过推挤的方式，由热压工段22转运复合材料制品10至冷却工段23。
75.执行固化工序：在冷却工段23将复合材料制品10冷却至小于或等于第二预设温度，以定型复合材料制品10，具体如图2所示。这里的第二预设温度指的是：复合材料制品10能够被冷却硬化的温度，比如第二预设温度为热塑性树脂的结晶温度或者玻璃化温度。可以理解的是，第二预设温度小于第一预设温度。
76.这里需要说明的是，每次执行转运工序后，可以如图3所示向加料工段21添加新的纤维预制品，然后转运新添加的纤维预制品至热压工段22，以对新添加的纤维预制品如图4
所示进行热压工序等，即对新添加的纤维预制品循环执行加料工序～固化工序，如此往复不断循环，使复合材料制品10的头段不断由模腔20的输出端被挤出，并且复合材料制品10的末段不断有新的复合材料制品10生成，这里末段即靠近加料工段21的一侧。其中，长度方向z与模腔20的供料方向一致，纤维取向垂直长度方向z；模腔20对纤维预制品的压实方向平行长度方向z。
77.这里还需要说明的是，由于复合材料制品10是于挤出模具中不断成型的，故转运工序具体包括：控制第一堆挤机构201运动，以将处于加料工段21的纤维预制品转运至转运至热压工段22，以及将处于热压工段22的复合材料制品10转运至冷却工段23，以及将处于冷却工段23的复合材料制品10推挤出模。
78.而热压工段22和冷却工段23在接收到各自所对应的物料后，比如热压工段22接收纤维预制品、冷却工段23接收复合材料制品10后，则执行所对应的工序，比如热压工段22执行热压工序、冷却工段23执行固化工序等，此处不再详述。
79.可以理解的是，如果模腔20仅热压工段22中具有纤维预制品，则第一堆挤机构201和第二堆挤机构202分别直接接触纤维预制品的两相对端面，以将纤维预制品塑化和压实；而如果模腔20的冷却工段23中已经存留有复合材料制品10，且模腔20的加料工段21已经存留有纤维预制品，则第一堆挤机构201通过处于加料工段21的纤维预制品进行力传导，以间接挤压处于热压工段22的纤维预制品的一侧，第二堆挤机构202通过处于冷却工段23的复合材料制品10进行力传导，以间接挤压处于热压工段22的纤维预制品的另一侧，从而对处于热压工段22的纤维预制品进行塑化和压实以转化为复合材料制品10，此时处于热压工段22的复合材料制品10将连接在处于冷却工段23的复合材料制品10的末端。
80.下面对几种不同的预浸段组成的复合材料制品10进行举例说明：
81.如图7～图9所示，纤维预制品可以仅由两种不同纤维取向的单向纤维预制片构成，并且纤维预制品中的单向纤维预制片分为第一单向纤维预制片11和第二单向纤维预制片12。第一单向纤维预制片11朝第一方向x进行纤维取向，第二单向纤维预制片12朝第二方向y进行纤维取向，第一方向x、第二方向y和长度方向z两两相交，比如相互垂直。
82.纤维预制品包括沿长度方向z交替设置的第一预浸段和第二预浸段，第一预浸段包括一个第一单向纤维预制片11或多个沿长度方向z依次堆叠的第一单向纤维预制片11；第二预浸段包括一个第二单向纤维预制片12或多个沿长度方向z依次堆叠的第二单向纤维预制片12。
83.如图7所示，在第一种复合材料制品10的结构中，所形成的复合材料制品10则由第一单向纤维预制片11和第二单向纤维预制片12沿长度方向z交替叠加生成，即第一预浸段仅包括一个第一单向纤维预制片11，第二预浸段仅包括一个第二单向纤维预制片12。
84.如图8所示，在第二种复合材料制品10的结构中，第一预浸段可以包括多个第一单向纤维预制片11，比如两个第一单向纤维预制片11，第二预浸段可以包括一个第二单向纤维预制片12。如此所形成的复合材料制品10则由第一单向纤维预制片11和第二单向纤维预制片12按照2:1的比例，沿长度方向z交替叠加生成。
85.如图9所示，在第三种复合材料制品10的结构中，第一预浸段可以包括一个第一单向纤维预制片11，第二预浸段可以包括两个第二单向纤维预制片12。如此所形成的复合材料制品10则由第一单向纤维预制片11和第二单向纤维预制片12按照1:2的比例，沿长度方
向z交替叠加生成。
86.当然，第一单向纤维预制片11和第二单向纤维预制片12也可以按照其他比例进行调整，以调整复合材料制品10的结构，通过不同比例的调配，可以调整复合材料制品10在某一特定方向的截向性能；同时复合材料制品10中也可以由更多不同纤维取向的纤维预制片叠加形成，以在更多方向具有较好的截向性能，或者，纤维预制品也可以由三种或以上互不相同纤维取向的单向纤维预制片构成，此处不再详述。
87.图12为相关技术中复合材料制品采用传统模压成型方式，较之相关技术中复合材料制品成型方式来说，本技术的制备方法在平行于纤维预制片的截向，比如第一方向x和第二方向y，具有明显的力学优势，对比如下表：
[0088][0089]
如此所形成的复合材料制品10，在第一方面，由于其中的纤维预制片的纤维取向均截向取向(垂直长度方向z)，从而提高复合材料制品10在其截向的拉伸强度、压缩强度及模量等性能。
[0090]
在第二方面，采用本技术的制备方法，新的复合材料制品10于模腔20的输入端(即加料工段21所在的一端)不断生成，同时复合材料制品10于模腔20的输出端(即靠近热压工段22的一端)不断被堆积出模，可以看出，本技术的制备方法更适用于棒材、管材或者其他具有类似结构的型材结构的复合材料制品10挤出成型。
[0091]
在第三方面，图12公开的相关技术中的制备方式更适宜于板材类结构的复合材料制品10，而较之板材类结构的复合材料制品10来说，由于板材受限于其加工设备，故板材的厚度无法太大，一般不会超过50mm，而本技术的复合材料制品10用于制备棒材或管材，其长度可以根据需要任意调节，比如3000mm，5000mm等，在尺寸控制上较之板材更具优势。
[0092]
在第四方面，对于板材或其他类型的复合材料制品来说，其不同的加工工序往往需要在不同的设备上进行，比如压实需要用压带机实现，加热固化需要红外加热设备等，工序的改变需要产品在不同的设备之间转运，而本技术的复合材料制品10从加料到最后成型均在挤出模具中完成，无需在上下工序衔接时进行产品的转运，提高了生产效率。
[0093]
在另一些可选地实施方案中，图10为单纯采用多向纤维预制片13制备的纤维预制品，多向纤维预制片13中既包含有朝第一方向x进行纤维取向的第一纤维，也包含有朝第二方向y进行纤维取向的第二纤维，并且第一纤维和第二纤维交织布局于多向纤维预制片13中，比如第一纤维和第二纤维相互垂直。如此，由于多向纤维预制片13中的纤维取向均截向取向(垂直长度方向z)，这样也能提高复合材料制品10在其截向的拉伸强度、压缩强度及模量等性能。
[0094]
同时需要说明的是，由于多向纤维预制片13存在至少两种互为相交的纤维取向，这样在进行多向纤维预制片13的堆叠时，可以如图10所示，在排布各多向纤维预制片13时，既可以使一部分多向纤维预制片13的第一纤维朝第一方向x，以及第二纤维朝第二方向y，
也可以使另一部分多向纤维预制片13的第一纤维相对第一方向x倾斜，以及第二纤维相对第二方向y倾斜。这样相对于用单向纤维预制片制备复合材料制品10的方式来说，采用多向纤维预制片13制备复合材料制品10时，无需刻意考虑多向纤维预制片13中纤维的排布方向，直接将多向纤维预制片13朝长度方向z堆叠即可，能够提高制备效率。而单向纤维预制片的叠加，相对于多向纤维预制片13的叠加来说，能够使纤维预制品具有更好的强度，更适用于本技术的复合材料制品10。故生产者可以结合自身需要，考虑复合材料制品10是用多向纤维预制片13制备、或单向纤维预制片制备、或多向纤维预制片和单向纤维预制片按一定比例调配后制备，此处不再详述。
[0095]
在另一些可选的实施方案中，采用本技术制备方法，除用于图1～图4公开的棒材类复合材料制品10的制备以外，也可以用于管材类复合材料制品10的制备，比如图5所示，此种方式中，挤出模具的模腔20内设置一芯棒203，纤维预制品也为环形且套设于芯棒203上，第一堆挤机构201的顶板和第二堆挤机构202的顶板也套设于芯棒203上，如此，在执行热压工序时，纤维预制品在第一堆挤机构201和第二堆挤机构202的压缩作用下，将紧贴芯棒203的外周和模腔20的内壁，进而固化工序后，得到管材类结构的复合材料制品10。也可如图6所示，第一堆挤机构201的顶板套设芯棒203上，第二堆挤机构202的顶板位于芯棒203沿长度方向z的一侧，也可实现对复合材料制品10的压缩。
[0096]
可选地，如上述本技术的制备方法还可以包括出模工序：控制第一堆挤机构201进行堆挤运动，以将处于冷却工段23的复合材料制品10推挤出模。则进一步地，挤出模具上还可以设置裁剪机构，比如位于冷却工段23末端的激光切割装置，水刀切割装置等，待复合材料制品10从模腔20中挤出所需长度后进行裁切，以便于将复合材料制品10按照预设长度进行存放。
[0097]
可选地，对于热压工段22的温度控制方式来说，可以通过在模腔20位置加装电热套或者电热棒进行加热升温，并通过装配温度传感器实现温度控制；而对于冷却工段23的冷却方式来说，可以通过循环风冷、液体介质循环冷却等方式实现，此处不再详述。
[0098]
下面以纤维为玄武岩纤维，树脂材料为聚醚醚酮复合而成的复合材料制品10，设定复合材料制品10的长度为3m、宽度为80mm(宽度方向为第二方向y)、厚度25mm(厚度方向为第一方向x)，温度设定按照：加料工段21控制在100～300℃，热压工段22的温度控制在350～410℃(即第一预设温度的范围)、冷却工段23的温度控制在50～145℃(即第二预设温度的范围)为例，对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
[0099]
实施例1
[0100]
纤维预制品由朝第一方向x进行纤维取向的第一单向纤维预制片11，和朝第二方向y进行纤维取向的第二单向纤维预制片12按照1:1的比例交替叠加而成，其中聚醚醚酮与玄武岩纤维含量比值＝40:60，设定温度：加料工段21的温度＝100℃，热压工段22的温度＝380℃，冷却工段23的温度＝130℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0101]
项目数据密度(g/cm3)1.90沿第一方向x的拉伸强度(mpa)630沿第二方向y的拉伸强度(mpa)630
沿第二方向y的弯曲强度(mpa)800弯曲模量(gpa)40沿第二方向y的压缩强度(mpa)750压缩模量(gpa)65
[0102]
实施例2
[0103]
与实施例1不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝200℃，热压工段22的温度＝350℃，冷却工段23的温度＝50℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0104]
项目数据密度(g/cm3)1.90沿第一方向x的拉伸强度(mpa)610沿第二方向y的拉伸强度(mpa)611沿第二方向y的弯曲强度(mpa)760弯曲模量(gpa)37沿第二方向y的压缩强度(mpa)730压缩模量(gpa)62
[0105]
实施例3
[0106]
与实施例1不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝300℃，热压工段22的温度＝410℃，冷却工段23的温度＝145℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0107]
项目数据密度(g/cm3)1.90沿第一方向x的拉伸强度(mpa)635沿第二方向y的拉伸强度(mpa)636沿第二方向y的弯曲强度(mpa)810弯曲模量(gpa)42沿第二方向y的压缩强度(mpa)760压缩模量(gpa)66
[0108]
实施例4
[0109]
纤维预制品由朝第一方向x进行纤维取向的第一单向纤维预制片11，和朝第二方向y进行纤维取向的第二单向纤维预制片12按照2:1的比例交替叠加而成，其中聚醚醚酮与玄武岩纤维含量比值＝40:60，设定温度：加料工段21的温度＝100℃，热压工段22的温度＝380℃，冷却工段23的温度＝130℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0110][0111][0112]
实施例5
[0113]
与实施例4不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝200℃，热压工段22的温度＝350℃，冷却工段23的温度＝50℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0114]
项目数据密度(g/cm3)1.90沿第一方向x的拉伸强度(mpa)580沿第二方向y的拉伸强度(mpa)460沿第二方向y的弯曲强度(mpa)640弯曲模量(gpa)28沿第二方向y的压缩强度(mpa)600压缩模量(gpa)50
[0115]
实施例6
[0116]
与实施例4不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝300℃，热压工段22的温度＝410℃，冷却工段23的温度＝145℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0117][0118][0119]
实施例7
[0120]
纤维预制品由朝第一方向x进行纤维取向的第一单向纤维预制片11，和朝第二方向y进行纤维取向的第二单向纤维预制片12按照1:2的比例交替叠加而成，其中聚醚醚酮与玄武岩纤维含量比值＝40:60，设定温度：加料工段21的温度＝100℃，热压工段22的温度＝380℃，冷却工段23的温度＝130℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0121]
项目数据密度(g/cm3)1.90沿第一方向x的拉伸强度(mpa)600沿第二方向y的拉伸强度(mpa)660沿第二方向y的弯曲强度(mpa)860弯曲模量(gpa)45沿第二方向y的压缩强度(mpa)820压缩模量(gpa)72
[0122]
实施例8
[0123]
与实施例7不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝200℃，热压工段22的温度＝350℃，冷却工段23的温度＝50℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0124]
[0125][0126]
实施例9
[0127]
与实施例7不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝300℃，热压工段22的温度＝410℃，冷却工段23的温度＝145℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0128]
项目数据密度(g/cm3)1.90沿第一方向x的拉伸强度(mpa)610沿第二方向y的拉伸强度(mpa)650沿第二方向y的弯曲强度(mpa)865弯曲模量(gpa)46沿第二方向y的压缩强度(mpa)830压缩模量(gpa)73
[0129]
实施例10
[0130]
纤维预制品由多向纤维预制片叠加而成，多向纤维预制片由朝第一方向x进行纤维取向的纤维，和朝第二方向y进行纤维取向的纤维按照1:1的比例交织布局而成，其中聚醚醚酮与玄武岩纤维含量比值＝40:60，设定温度：加料工段21的温度＝100℃，热压工段22的温度＝380℃，冷却工段23的温度＝130℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0131][0132]
[0133]
实施例11
[0134]
与实施例10不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝200℃，热压工段22的温度＝350℃，冷却工段23的温度＝50℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0135]
项目数据密度(g/cm3)1.90沿第一方向x的拉伸强度(mpa)480沿第二方向y的拉伸强度(mpa)480沿第二方向y的弯曲强度(mpa)600弯曲模量(gpa)30沿第二方向y的压缩强度(mpa)600压缩模量(gpa)50
[0136]
实施例12
[0137]
与实施例10不同在于，设定温度：加料工段21的温度＝300℃，热压工段22的温度＝410℃，冷却工段23的温度＝145℃，所得到的复合材料制品10性能参数如下表：
[0138][0139][0140]
可选地，上述为包含聚醚醚酮的复合材料制品10为例，各工段的温度，但模腔20中各工段的温度根据复合材料制品10的材质不同而进行选择，以制备包含聚酰胺-6的复合材料制品10为例，挤出模具的加料工段21控制在50～150℃，热压工段22的温度控制在220～280℃、冷却工段23的温度控制在30～100℃。
[0141]
可选地，本技术还公开了一种纤维预制品的制作方法，具体来说可以采用浸渍的方式进行纤维预制品的制作，如此所形成的纤维预制品为预浸制品，如此所形成的纤维预制片为预浸带。即在向加料工段21提供纤维预制品之前，本技术的制备方法还包括：
[0142]
将纤维布在热塑性树脂中预浸，以提供纤维预制片。这里纤维布可以为多向纤维布或单向纤维布。其中多向纤维布包括至少两种纤维取向相交的增强纤维，单向纤维布内部增强纤维的纤维取向保持一致。以热塑性树脂采用聚醚醚酮为例，聚醚醚酮在400℃的温
度下得到软化形成液态，然后将纤维布浸润在液态的聚醚醚酮中，以得到纤维预制片。
[0143]
按照预设截面形状裁剪纤维预制片。比如通过剪刀、裁切模具等实现。
[0144]
将纤维预制片沿长度方向z依次叠置，以提供纤维预制品。
[0145]
如此，液体状态的热塑性树脂可以对纤维布进行较好的包裹，以及实现良好的分散浸润。其中，纤维布决定纤维预制品的纤维取向，而预设截面形状与复合材料制品10的截面形状大致吻合，比如预设截面根据需要裁剪成圆形、矩形、六方形、环形等，以制备截面为圆形、矩形、六方形、环形的复合材料制品10，同时预设截面与复合材料制品10的截面重合度大于95％，以便于纤维预制品顺利进入加料工段21中，以及在热压工段22被压实后能够紧贴模腔20内壁成型。
[0146]
可选地，本技术还公开了另一种纤维预制品的制作方法，具体来说可以采用包缠纱的方式进行纤维预制品的制作，即在向加料工段21提供纤维预制品之前，本技术的制备方法还包括：
[0147]
提供辅纤维丝102和主纤维丝101；其中，辅纤维丝102由热塑性树脂制备，主纤维丝101为增强纤维。
[0148]
将辅纤维丝102和主纤维丝101进行混纺，以提供包缠纱。
[0149]
将包缠纱进行编织，以提供所述纤维预制片。
[0150]
按照预设截面形状裁剪纤维预制片。比如通过剪刀、裁切模具等实现。
[0151]
将纤维预制片沿长度方向z依次叠置，以提供纤维预制品。
[0152]
其中在包缠纱中，辅纤维丝102缠绕主纤维丝101设置，且辅纤维丝102沿主纤维丝101的走向螺旋延伸；主纤维丝101的走向为所述纤维预制片的纤维取向，具体如图11所示。通常来说，由包缠纱编织而成的纤维预制片，其内部具有至少两种互为相交的纤维取向，纤维预制片的主纤维丝纵横交织布局，以使纤维预制片形成编织布的结构。
[0153]
可以理解的是，如此所形成的纤维预制片，通过主纤维丝101保证截向性能，而含有热塑性树脂的辅纤维丝102，可以预先与主纤维丝101进行良好的混合，这样所形成的纤维预制品在后续热压工段22执行热压工序时，热塑性的辅纤维丝102就熔化以将其所缠绕的主纤维丝101进行浸润包覆，这样的包缠纱方式较之预先浸渍的方式来说，能够实现更好的混合分散效果，进而使得所形成的复合材料制品10结构更稳定。
[0154]
同时需要说明的是，各主纤维丝101可以并排布局且保持走向一致，这样所形成的纤维预制片为单向纤维预制片。
[0155]
可选地，复合材料制品10的纤维预制片中的增强纤维可以为有机纤维或无机纤维。具体来说，无机纤维可以为玻璃纤维布、碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维中的其中一种；有机纤维可以为芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的其中一种。
[0156]
可选地，热塑性树脂可以为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚苯硫醚、聚醚醚酮、液晶高分子聚合物(liquid crystal polymer，简称lcp)、聚对苯二甲酸酯类树脂(比如polyethylene terephthalate，简称pet)和聚碳酸酯(polycarbonate，简称pc)中的其中一种。其中尼龙可以为聚酰胺-6(pa6)、聚酰胺-66(pa66)，长链尼龙和芳香类尼龙中的其中一种。
[0157]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种热塑性复合材料制品(10)的制备方法，所述复合材料制品(10)在挤出模具的模腔(20)中成型，所述挤出模具包括设于所述模腔(20)中，且沿所述模腔(20)的供料方向依次设置的加料工段(21)、热压工段(22)和冷却工段(23)，其特征在于，所述方法包括：向所述加料工段(21)提供纤维预制品；转运所述纤维预制品至所述热压工段(22)；在所述热压工段(22)将所述纤维预制品加热至大于或等于第一预设温度，以使所述纤维预制品塑化，并压实塑化后的所述纤维预制品，以提供所述复合材料制品(10)；转运所述复合材料制品(10)至所述冷却工段(23)；在所述冷却工段(23)将所述复合材料制品(10)冷却至小于或等于第二预设温度，以定型所述复合材料制品(10)；其中，所述第二预设温度小于所述第一预设温度；所述纤维预制品包括多个沿长度方向(z)依次堆叠的纤维预制片，所述纤维预制片为多向纤维预制片和单向纤维预制片中的其中一种；其中，所述多向纤维预制片包括至少两种纤维取向相交的纤维和热塑性树脂；所述单向纤维预制片包括一种纤维取向保持一致的纤维和热塑性树脂；所述纤维预制品包括至少两种所述纤维取向相交的所述单向纤维预制片，或，所述纤维预制品包括所述多向纤维预制片；所述长度方向(z)与所述供料方向一致，所述纤维取向垂直所述长度方向(z)；所述压实方向平行所述长度方向(z)。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一预设温度为所述热塑性树脂的粘流温度或者熔融温度。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二预设温度为所述热塑性树脂的结晶温度或者玻璃化温度。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述向所述加料工段(21)提供纤维预制品之前，所述方法还包括：将纤维布在所述热塑性树脂中预浸，以提供所述纤维预制片；所述纤维布为多向纤维布或单向纤维布；所述多向纤维布包括至少两种纤维取向相交的增强纤维，所述单向纤维布内部增强纤维的纤维取向保持一致；将所述纤维预制片沿所述长度方向(z)依次叠置，以提供所述纤维预制品。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述向所述加料工段(21)提供纤维预制品之前，所述方法还包括：提供辅纤维丝(102)和主纤维丝(101)；其中，所述辅纤维丝(102)由所述热塑性树脂制备，主纤维丝(101)为增强纤维；将所述辅纤维丝(102)和所述主纤维丝(101)进行混纺，以提供包缠纱；将所述包缠纱进行编织，以提供所述纤维预制片；将所述纤维预制片沿所述长度方向(z)依次叠置，以提供所述纤维预制品；在所述包缠纱中，所述辅纤维丝(102)缠绕所述主纤维丝(101)设置，且所述辅纤维丝(102)沿所述主纤维丝(101)的走向螺旋延伸，所述主纤维丝(101)的走向为所述纤维预制片的纤维取向。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料制品(10)的纤维预
制片中的增强纤维为有机纤维或无机纤维。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述无机纤维为玻璃纤维布、碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维中的其中一种；所述有机纤维为芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的其中一种。8.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚苯硫醚、聚醚醚酮、液晶高分子聚合物、聚对苯二甲酸酯类树脂和聚碳酸酯中的其中一种。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述尼龙为聚酰胺-6、聚酰胺-66，长链尼龙和芳香类尼龙中的其中一种。10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维预制品中的所述单向纤维预制片分为第一单向纤维预制片(11)和第二单向纤维预制片(12)；所述第一单向纤维预制片(11)朝第一方向(x)进行纤维取向，所述第二单向纤维预制片(12)朝第二方向(y)进行纤维取向，所述第一方向(x)、所述第二方向(y)和所述长度方向(z)两两相交；所述纤维预制品包括沿所述长度方向(z)交替设置的第一预浸段和第二预浸段，所述第一预浸段包括一个第一单向纤维预制片(11)或多个沿所述长度方向(z)依次堆叠的第一单向纤维预制片(11)；所述第二预浸段包括一个第二单向纤维预制片(12)或多个沿所述长度方向(z)依次堆叠的第二单向纤维预制片(12)。

技术总结
本申请公开一种热塑性复合材料制品的制备方法，包括：向加料工段提供纤维预制品；转运纤维预制品至热压工段，以将纤维预制品加热至大于或等于第一预设温度，即热塑性树脂的粘流温度或者熔融温度，以使纤维预制品塑化，并压实塑化后的纤维预制品，以提供复合材料制品；转运复合材料制品至冷却工段，以将复合材料制品冷却至小于或等于第二预设温度，即热塑性树脂的结晶温度或者玻璃化温度，以定型复合材料制品。如此由于纤维预制片的纤维取向均在垂直长度方向的截向取向，从而提高复合材料制品在截向的拉伸强度、压缩强度及模量等性能。尤其适用棒材、管材或者具有类似结构的型材的复合材料制品，且能根据需要调整挤出长度以提高生产效率。产效率。产效率。


技术研发人员：何波兵 牛东梅 马晓航
受保护的技术使用者：北京初岩新材料科技有限公司
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/9/6