一種高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù)合材料及其制造設(shè)備和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料及其制造設(shè)備和制造方法，具體涉及一種高強(qiáng)度尼龍/ 玻纖復(fù)合材料及其制造設(shè)備和制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱塑性復(fù)合材料具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，替代金屬作為 結(jié)構(gòu)材料具有十分廣闊的應(yīng)用前景。尤其是在推動車輛輕量化方面將起到十分重要的作 用。因此，熱塑性復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用已成為人們普遍關(guān)注的課題。
[0003] 熱塑性復(fù)合材料早在十年前，國外就有商品化產(chǎn)品。我國近幾年來，成為研發(fā)熱 點(diǎn)。已商品化的產(chǎn)品有聚丙烯（PPVGF復(fù)合板材，但是材料的耐低溫性能差，其強(qiáng)度也限制 了其使用范圍，材料耐候性差。
[0004] 從國內(nèi)外已有技術(shù)看，熱塑性復(fù)合板材生產(chǎn)技術(shù)有兩類：一類是聚合物纖維短絲 與玻纖短絲混合、加捻熱壓工藝；一類是聚合物熔體浸潤包覆玻纖紗片材模壓工藝。前者 是短纖混紡毛氈作為材料，聚合物加熱熔融后與玻纖粘結(jié)形成一體；后者是連續(xù)玻纖紗被 樹脂熔體包覆冷卻后形成一體。前者生產(chǎn)過程簡單，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，板材厚度與寬度可 調(diào)，連續(xù)成型板材厚度在5_左右；后者可連續(xù)生產(chǎn)片材、間隙生產(chǎn)片板材，但片材的寬度 小于1500_，生產(chǎn)裝備及工程化技術(shù)不夠成熟。兩種工藝均存在一些技術(shù)缺陷，短纖混紡工 藝所制造的板材的力學(xué)性能比連續(xù)纖維包覆材料要低，其彎曲強(qiáng)度在400MPa以下，而連續(xù) 纖維包覆工藝所生產(chǎn)的板材彎曲強(qiáng)度在500MPa以上，甚至更高，但橫縱兩向的性能存在異 向差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種耐低溫 及耐候性能好，彎曲強(qiáng)度高的高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù)合材料。
[0006] 本發(fā)明進(jìn)一步要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種連 續(xù)纖維增強(qiáng)、寬度可調(diào)整的高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù)合材料的制造設(shè)備。
[0007] 本發(fā)明更進(jìn)一步要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種 生產(chǎn)效率高，過程簡單、連續(xù)，勞動強(qiáng)度小，節(jié)能環(huán)保的高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù)合材料的制造 方法。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：一種高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù)合材 料，由以下組分及重量份復(fù)合而成： 基體相尼龍樹脂90~120份(優(yōu)選100~110份）； 基體相添加劑抗紫外光吸收劑〇. 1~1份(優(yōu)選〇. 3~0. 6份）； 基體相添加劑抗氧劑〇. 1~1份(優(yōu)選〇. 2~0. 5份）； 增強(qiáng)相玻纖布80~200份(優(yōu)選100~150份)。
[0009] 進(jìn)一步，所述尼龍為尼龍6、尼龍11、尼龍12、尼龍612、尼龍610、尼龍1010或共聚 尼龍中的一種或幾種，所述共聚尼龍為尼龍6和尼龍66的共聚樹脂；其中，所述尼龍6的分 子量為16000~20000,熔融指數(shù)為20~50g/10min，所述尼龍11、尼龍12、尼龍612、尼龍 610、尼龍1010或共聚尼龍的分子量為18000~20000,熔融指數(shù)為15~30g/10min。
[0010] 進(jìn)一步，所述尼龍6與所述尼龍11、尼龍12、尼龍612、尼龍610、尼龍1010或共聚 尼龍復(fù)合使用時(shí)，其質(zhì)量配比為80~90:20~10。尼龍6與其它所述尼龍復(fù)合使用，可提 高復(fù)合板材的耐低溫性能。
[0011] 進(jìn)一步，所述玻纖布為玻纖網(wǎng)格布、方格布或羅紋布，玻纖單絲的直徑為10~ 20 μ m(優(yōu)選11~15 μ m)，克重為900~1500g/m2,寬幅1500~1800mm，玻纖布與玻纖紗比， 玻纖布交織節(jié)點(diǎn)多，樹脂包覆制備的片材具有多向同性，多層片材模壓形成的板材強(qiáng)度高 于玻纖紗作骨架的板材；所述抗紫外光吸收劑為2-羥基-4-正辛氧基二苯甲酮（即UV531) 和/或2- (2'_羥基-3'，5'-二叔丁基苯基）-5-氯苯并三唑（即UV327);所述抗氧劑為受 阻酚類或磷酸酯類抗氧劑，為抗氧劑168、抗氧劑1098或抗氧劑1076中的一種或幾種?？?紫外光吸收劑和抗氧劑均屬于抗老化劑，兩種抗老化劑配合使用時(shí)，能有效提高材料的抗 老化性能。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù)合 材料的制造設(shè)備，由η條生產(chǎn)線組成，η多2,生產(chǎn)線從下至上依次排列，所述生產(chǎn)線均包 括牽引輥、預(yù)熱器、包覆模頭和冷卻導(dǎo)輥，所述冷卻導(dǎo)輥按照需要可以為兩輪或三輪冷卻導(dǎo) 輥；所述包覆模頭的上方設(shè)有雙螺桿擠出機(jī)；所述第1條生產(chǎn)線冷卻導(dǎo)輥的下游設(shè)有η-1 個(gè)熱壓導(dǎo)輥，分別對應(yīng)于第η條生產(chǎn)線的冷卻導(dǎo)輥，并在冷卻導(dǎo)輥與熱壓導(dǎo)輥之間的行程 上分別加設(shè)加熱保濕導(dǎo)輥；第1條生產(chǎn)線最末一個(gè)熱壓導(dǎo)輥后依次設(shè)置加熱器、熱壓器、冷 卻室、切邊機(jī)和剪割機(jī)。
[0013] 本發(fā)明更進(jìn)一步解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù) 合材料的制造方法，利用所述制造設(shè)備進(jìn)行，各生產(chǎn)線的玻纖布同時(shí)經(jīng)牽引輥的牽引進(jìn)入 預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，然后進(jìn)入包覆模頭，雙螺桿擠出機(jī)擠出尼龍樹脂、抗紫外光吸收劑和抗氧 劑的混合熔體，傾斜射入并浸潤玻纖布，玻纖布繼續(xù)向前移動時(shí)，?？騼?nèi)尼龍混合熔體對玻 纖布進(jìn)行包覆，形成尼龍/玻纖復(fù)合片材；第1條生產(chǎn)線的尼龍/玻纖復(fù)合片材經(jīng)冷卻導(dǎo)輥 冷卻進(jìn)入熱壓導(dǎo)輥，第2~η條生產(chǎn)線的尼龍/玻纖復(fù)合片材分別經(jīng)冷卻導(dǎo)輥冷卻，通過冷 卻導(dǎo)輥與熱壓導(dǎo)輥之間的行程上的加熱保濕導(dǎo)輥，對應(yīng)進(jìn)入第1條生產(chǎn)線上第η-1個(gè)熱壓 導(dǎo)輥，與第η-1個(gè)熱壓導(dǎo)輥前形成的復(fù)合片材進(jìn)行粘合，最后經(jīng)第1條生產(chǎn)線最末一個(gè)熱壓 導(dǎo)輥粘合后，進(jìn)行加熱、熱壓，經(jīng)冷卻后，切邊、剪切，即成；n多2。
[0014] 進(jìn)一步，所述牽引的速度為20~50m/min (優(yōu)選22~32m/min);所述玻纖布在包 覆模頭內(nèi)停留的時(shí)間為25~60s (優(yōu)選30~50s)。所述牽引速度包括玻纖布、冷卻導(dǎo)輥、 加熱保濕導(dǎo)輥、熱壓導(dǎo)輥和熱壓器內(nèi)導(dǎo)輥的牽引速度，玻纖布的牽引速度是根據(jù)包覆效果 進(jìn)行調(diào)整是，若速度太快，尼龍的混合熔體對玻纖布的包覆差，因此，需要控制一定的牽引 速度，并保證玻纖布在包覆模頭內(nèi)停留足夠的時(shí)間，使其得到充分的浸潤與包覆。
[0015] 進(jìn)一步，所述雙螺桿擠出的溫度為235~260°C，所述包覆模頭的溫度為250~ 260°C。雙螺桿擠出機(jī)擠出的溫度及包覆模頭的溫度設(shè)定十分重要，特別是擠出機(jī)的輸入 段、機(jī)頭至模具的連接管溫度對包覆效果有重大影響。若連接管溫度過高，導(dǎo)致熔體粘度太 低，使得螺桿難以建壓而降低輸送壓力，一般只能采用在模具與連接管之間增設(shè)熔體壓力 泵進(jìn)行補(bǔ)救，以保持穩(wěn)定的熔體壓力。適當(dāng)提高擠出機(jī)連接管尤其是包覆模頭連接端的溫 度，可以降低熔體粘度，提高熔體噴射速度，增強(qiáng)熔體對玻纖布的浸潤包覆速度。包覆模頭 的溫度既影響包覆模頭內(nèi)尼龍混合物熔體的粘度，又影響熔體對玻纖布的浸潤包覆效果， 進(jìn)而影響玻纖布的牽引速度與復(fù)合片材的厚度。所述雙螺桿擠出機(jī)上根據(jù)熔體粘度在所述 溫度范圍內(nèi)分段設(shè)定溫度。
[0016] 進(jìn)一步，所述冷卻導(dǎo)輥的溫度為40~70°C ;所述加熱保濕導(dǎo)輥的溫度為60~ 80°C ;所述熱壓導(dǎo)輥的溫度為150~200°C (優(yōu)選160~180°C)。冷卻導(dǎo)輥溫度的選定對 正常運(yùn)行及后序熱壓工藝影響很大，由于從包覆模頭出來的片材溫度較高，若不迅速冷卻 固化，會導(dǎo)致尼龍熔體四處流淌，若冷卻導(dǎo)輥溫度太低，會導(dǎo)致后序粘合性差。冷卻導(dǎo)輥合 適的溫度可保證復(fù)合材料的表面固化平整，若為了取得更好的效果，還可在模頭與導(dǎo)輥間 設(shè)置冷卻槽，以保證片材離開包覆模頭后立即被冷卻固化。冷卻導(dǎo)輥與第1條生產(chǎn)線上n-1 個(gè)熱壓導(dǎo)輥之間的行程上的加熱保濕導(dǎo)輥主要起到牽引作用，其溫度不宜設(shè)置過高；第1 條生產(chǎn)線上n-1個(gè)熱壓導(dǎo)輥既有加熱、保溫作用，又有牽引、壓延作用，設(shè)置的溫度較高。
[0017] 為了控制尼龍/玻纖復(fù)合材料的厚度，可以通過選擇不同厚度的玻纖布，或者通 過調(diào)整玻纖布的牽引速度與模頭溫度，再或者通過調(diào)整導(dǎo)輥輥筒之間縫隙的距離（熱壓導(dǎo) 輥輥筒之間縫隙的距離即為復(fù)合材料的厚度)，最終制造出的尼龍/玻纖復(fù)合材料為厚度 2. 5~5. 0_，寬度1500~1800mm的薄板，根據(jù)使用要求，可采用多條生產(chǎn)線進(jìn)行連續(xù)熱壓 制造，也可用多張薄板模壓成10~20_厚度的板材，最終得到的產(chǎn)品可為多層，適用于不 同領(lǐng)域。
[0018] 進(jìn)一步，所述預(yù)熱的溫度為160~200°C (優(yōu)選170~190°C);所述加熱的溫度為 180~210°C (優(yōu)選190~205°C);所述熱壓的溫度為210~240°C (優(yōu)選215~230°C)。 加熱的溫度既要保證片材呈軟化狀態(tài)，又要保證其不粘輸送帶；熱壓溫度的選擇主要是為 了保證片材充分受熱軟化，使片材溫度保持在半固化狀態(tài)，也就是說既不流淌，也不固化， 相互具有粘接性。
[0019] 熱壓后板材的冷卻可以分階段進(jìn)行，可以用噴水冷卻結(jié)合鼓風(fēng)冷卻，最后再自然 冷卻。
[0020] 本發(fā)明設(shè)備的工作過程是：設(shè)定各工序工藝參數(shù)，將玻纖布裝入包覆模頭，并導(dǎo)入 牽引輥和冷卻導(dǎo)輥，開啟預(yù)熱器，啟動雙螺桿擠出機(jī)，將尼龍混合物共混熔融并輸入包覆模 頭，當(dāng)熔體壓力多0. 5MPa時(shí)，開啟各導(dǎo)棍，根據(jù)牽伸情況，調(diào)整各導(dǎo)輥牽引速度；根據(jù)浸潤 包覆模頭的出料狀況，調(diào)整包覆模頭溫度及冷卻導(dǎo)輥溫度，保證運(yùn)行正常；微調(diào)冷卻導(dǎo)輥以 及熱壓導(dǎo)輥的輥輪間隙，以獲得不同厚度的尼龍/玻纖復(fù)合材料，通過最末一個(gè)熱壓導(dǎo)輥 粘合后，進(jìn)行加熱、熱壓，經(jīng)冷卻后，切邊、剪切，即成。
[0021] 本發(fā)明尼龍/玻纖復(fù)合材料是采用尼龍樹脂、抗紫外光吸收劑和抗氧劑的混合熔 體連續(xù)熔融擠出，對玻纖布進(jìn)行連續(xù)浸潤、包覆，通過多層連續(xù)多輥熱壓成型一步制造而 成。本發(fā)明尼龍/玻纖復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均大于650MPa，彎曲模量均大于2. 5GPa，拉伸 強(qiáng)度均大于500MPa ;韌性好，23°C下，缺口沖擊強(qiáng)度均在90kJ/m2以上，經(jīng)氙燈60°C下，老化 1000 h后，彎曲強(qiáng)度仍大于650MPa，拉伸強(qiáng)度為500MPa左右，相比未老化前性能變化不大， 產(chǎn)品性能優(yōu)異，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明制造方法是連續(xù) 化包覆熱壓成型，相較于間隙模壓法生產(chǎn)效率高，過程簡單，勞動強(qiáng)度小，節(jié)能環(huán)保。本發(fā)明 尼龍/玻纖復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于汽車箱體、軌道交通車輛、公共汽車頂棚等的結(jié)構(gòu)材料， 也可用于汽車發(fā)動機(jī)底護(hù)板、備胎支座等。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例高強(qiáng)度尼龍/玻纖復(fù)合材料的制造設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例所使用原料的性能參數(shù)如下： 尼龍樹脂：尼龍6 :PA6,分子量為16000~20000,熔融指數(shù)35g/10min ;尼龍612