本發(fā)明涉及纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種高界面性能玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

1、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(glass?mat?reinforced?thermorplastic，gmt)是一種采用玻璃纖維氈作為增強(qiáng)體，樹(shù)脂作為基體的復(fù)合材料。它具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕、抗疲勞和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此gmt在海洋運(yùn)輸、軌道交通、建筑和建材、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2、目前，gmt常常采用鋪層法進(jìn)行堆疊和固化成型。然而，由于玻璃纖維和高分子樹(shù)脂材料之間缺乏較強(qiáng)的界面鍵合，因此當(dāng)gmt受到外力作用時(shí)，薄弱的gm/樹(shù)脂界面無(wú)法承擔(dān)應(yīng)力傳遞的作用，導(dǎo)致鋪層間脫粘失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3、為了改善gm/樹(shù)脂界面脫粘問(wèn)題，目前常采用玻璃纖維表面改性以及商用玻璃纖維包覆上漿劑的方法。表面改性法是一種比較常見(jiàn)的玻璃纖維功能化改性方法。由于纖維表面的特性往往會(huì)影響到其與基體界面的黏結(jié)強(qiáng)度，因此改善其表面性質(zhì)是至關(guān)重要的。硅烷偶聯(lián)劑是現(xiàn)階段最常用、最成熟的表面改性劑。但硅烷偶聯(lián)劑的理想使用溫度為室溫至250℃之間，在高溫環(huán)境下，硅烷偶聯(lián)劑分子會(huì)發(fā)生解離和裂解，導(dǎo)致其性能發(fā)生變化。商業(yè)上漿劑通常包含硅烷偶聯(lián)劑、成膜劑、潤(rùn)滑劑、抗靜電劑等成分，不同配方的上漿劑對(duì)樹(shù)脂具有選擇性，若上漿劑與樹(shù)脂的配合不夠理想，仍然可能導(dǎo)致上漿劑和樹(shù)脂之間的脫粘現(xiàn)象，從而導(dǎo)致gmt在低于極限應(yīng)力的情況下發(fā)生分層疲勞失效，即界面強(qiáng)度較弱，層間韌性不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合材料制備過(guò)程中存在樹(shù)脂分散不均勻、預(yù)浸效果差、界面結(jié)合力弱的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種高界面性能玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備方法。本發(fā)明方法所得復(fù)合材料界面強(qiáng)度高，整體力學(xué)性能較好。

2、為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種高界面性能玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

4、s1、采用聚硅氧烷類(lèi)化合物對(duì)玻璃纖維短切原絲進(jìn)行表面改性，得到改性玻璃纖維；所述聚硅氧烷類(lèi)化合物選自硅油、有機(jī)硅環(huán)體、硅橡膠、硅樹(shù)脂中的一種或多種；

5、s2、將所述改性玻璃纖維交錯(cuò)排列，壓實(shí)，得到初毛氈；

6、s3、采用浸潤(rùn)劑對(duì)所述初毛氈進(jìn)行浸潤(rùn)處理，然后烘干，得到玻璃纖維氈；

7、s4、將玻璃纖維氈與熱塑性樹(shù)脂薄膜交錯(cuò)層疊鋪層后，熱壓成型，得到玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。

8、進(jìn)一步地，所述聚硅氧烷類(lèi)化合物選自聚二甲基硅氧烷、peg-8聚二甲基硅氧烷、peg-10聚二甲基硅氧烷、peg-12聚二甲基硅氧烷、peg-16聚二甲基硅氧烷、乙烯基聚二甲基硅氧烷、聚苯甲基硅氧烷(cas號(hào)9005-12-3)、苯基甲基硅氧烷共聚物(cas號(hào)3982-82-9)、聚(甲基氫硅氧烷)、聚甲基辛基硅氧烷、苯基甲基-二甲基硅氧烷共聚物(cas號(hào)63148-52-7)、聚(甲基-3,3,5-三氟丙基硅氧烷)、聚苯基甲基倍半硅氧烷、氨基丙基庚基-籠形聚倍半硅氧烷、月桂基聚甲基硅氧烷、乙烯基封端的聚苯基硅氧烷、聚二-甲基硅氧烷與四氯苯基聚倍半硅氧烷的聚合物、乙烯基封端的二甲基硅氧烷和二苯基硅氧烷的多聚物(cas號(hào)68951-96-2)、羥基封端的二甲基硅氧烷和二苯基硅氧烷的多聚物(cas號(hào)68951-93-9)、氫基封端的甲基氫硅氧烷和苯基甲基硅氧烷的共聚物(cas號(hào)115487-49-5)、α-氫-ω-羥基-聚二甲基硅氧烷、甲氧基封端的聚二甲基硅氧烷、(18-24％氨乙基氨丙基甲基硅氧烷)-二甲基硅氧烷共聚物(cas號(hào)71750-79-3)中的一種或多種；且所述聚硅氧烷類(lèi)化合物的粘度為10-800mpa·s或者其數(shù)均分子量mn為500-30000g/mol。

9、更進(jìn)一步地，所述表面改性的方法是：將所述玻璃纖維短切原絲分散在醇水溶劑中，再加入所述聚硅氧烷類(lèi)化合物，分散均勻后，調(diào)節(jié)ph值至2-4，加熱攪拌下使反應(yīng)體系進(jìn)行冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，醇水溶劑洗滌產(chǎn)物至中性，冷凍干燥去除溶劑得到纖維表面接枝了聚硅氧烷的改性玻璃纖維。

10、優(yōu)選地，所述聚硅氧烷類(lèi)化合物的用量在所述玻璃纖維短切原絲質(zhì)量的5-20％范圍內(nèi)；所述玻璃纖維短切原絲在所述醇水溶劑中的質(zhì)量濃度在50-100g/l范圍內(nèi)；所述醇水溶劑中的醇為無(wú)水甲醇或無(wú)水乙醇，醇與水的體積比在20-28:1范圍內(nèi)。更優(yōu)選地，所述聚硅氧烷類(lèi)化合物的用量是所述玻璃纖維短切原絲質(zhì)量的8-12％；所述玻璃纖維短切原絲在所述醇水溶劑中的質(zhì)量濃度為75-85g/l；所述醇水溶劑中的醇為無(wú)水甲醇或無(wú)水乙醇，醇與水的體積比為22-26:1。

11、優(yōu)選地，所述玻璃纖維短切原絲在醇水溶劑中的分散采用超聲分散，室溫超聲0.5-1.2h；所述冷凝回流的溫度為75-85℃，反應(yīng)體系的反應(yīng)時(shí)間為3-5h。

12、進(jìn)一步地，所述浸潤(rùn)劑是高分子溶液，所述高分子溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-1％；所述高分子溶液中的高分子選自聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚苯砜、熱塑性聚酰亞胺中的一種或多種，所述高分子溶液中的良溶劑選自二甲亞砜、n-甲基吡咯烷酮、三氯乙酸、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、丙酮、苯甲醇、氯仿、甲苯、乙酸乙酯中的一種或多種；所述初毛氈與所述浸潤(rùn)劑的質(zhì)量體積比為0.1-0.5kg/l，通過(guò)固定兩者質(zhì)量體積比，改變浸潤(rùn)劑濃度計(jì)算浸潤(rùn)量。

13、進(jìn)一步地，所述熱塑性樹(shù)脂薄膜選自paek薄膜、pps薄膜、tpi薄膜、pei薄膜、ppsu薄膜纖維中的一種或多種；所述paek薄膜選自peek薄膜、pek薄膜、pekk薄膜、peekk薄膜、pekekk薄膜中的一種或多種，薄膜厚度范圍為0.05-0.2mm。

14、進(jìn)一步地，所述熱塑性樹(shù)脂薄膜為至少經(jīng)過(guò)縱向拉伸的薄膜，拉伸倍率為1.1-1.8倍，拉伸時(shí)的加工溫度為240-320℃。

15、進(jìn)一步地，所述熱壓成型的步驟是：在模具的型腔密封板和pi隔離膜表面，涂覆2-3次高溫脫模劑，每次涂覆間隔5-10min；按照設(shè)計(jì)要求，將所述玻璃纖維毛氈與所述熱塑性樹(shù)脂薄膜依次交錯(cuò)層疊鋪放，pi隔離膜鋪放在層疊鋪放材料的兩個(gè)外表面，置于模具型腔內(nèi)；在熱壓設(shè)備上合模，3mpa冷壓保持20min；1mpa升溫至300-350℃，保溫20-40min；升溫至350-400℃停止加熱，按每5min增加1mpa進(jìn)行加壓至10-20mpa；待溫度自然冷卻至220-260℃后，通過(guò)外置冷卻裝置進(jìn)行快速急冷降溫，降溫速率約3-6℃/min，待溫度降至140℃以下后脫模得到產(chǎn)品。pi材料比其他特種工程塑料能承受更寬的溫度范圍，使用pi隔離膜可以有效防止因型腔密封板表面存在缺陷而影響復(fù)合材料板材的質(zhì)量；高溫脫模劑自然風(fēng)干后，會(huì)在型腔密封板和pi隔離膜表面形成一層防粘附屏障，利于復(fù)合材料板材進(jìn)行脫模，同時(shí)也防止多余的熱塑性樹(shù)脂熔融時(shí)溢出粘黏；3mpa冷壓保持20min，是為了排出模具型腔內(nèi)的空氣；1mpa的預(yù)壓力可以使鋪放材料層疊效果更緊實(shí)，有利于排出層疊間隙存在的空氣；初始加熱溫度在300-350℃可以使整個(gè)模壓系統(tǒng)均勻受熱，提高熱塑性材樹(shù)脂整體的熔融效果；停止加熱后開(kāi)始自然降溫和加壓，高頻率加壓可以減弱熱塑性樹(shù)脂熔體對(duì)玻璃纖維氈的高速?zèng)_擊，減弱玻璃纖維絲間的拉伸應(yīng)力，有效防止出現(xiàn)玻璃纖維滑移、褶皺；壓力達(dá)到10-20mpa后停止加熱使其自然冷卻，待溫度下降到220-260℃時(shí)，明顯低于熱塑性材料的熱變形溫度，復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，以及后續(xù)急冷快速降低到140℃以下脫模，都是為了限制熱塑性樹(shù)脂微觀下分子鏈的運(yùn)動(dòng)，防止出現(xiàn)變形、翹曲等缺陷，同時(shí)也可以降低因玻璃纖維和熱塑性樹(shù)脂材料收縮幅度不一致而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，提高復(fù)合材料整體的力學(xué)性能。

16、進(jìn)一步地，所述玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料按照100％重量百分比計(jì)算包括：玻璃纖維氈占比30-50％、熱塑性樹(shù)脂占比50-70％；其中玻璃纖維氈按照100％重量百分比計(jì)算包括：烘干的浸潤(rùn)劑占比為1-5％、聚硅氧烷類(lèi)化合物占比0.5-5％、余量為玻璃纖維短切原絲。

17、有益技術(shù)效果：

18、本發(fā)明采用聚硅氧烷類(lèi)化合物改性玻璃纖維原絲，在酸性條件下冷凝回流，使聚硅氧烷與纖維表面羥基形成鍵合，得到類(lèi)似接枝的改性纖維，然后對(duì)改性纖維壓實(shí)成初毛氈后，采用浸潤(rùn)劑對(duì)其浸潤(rùn)，浸潤(rùn)劑中的高分子化合物在聚硅氧烷類(lèi)化合物改性的纖維的表面形成包覆層，從而使得復(fù)合材料耐溫性明顯提高，且可明顯提高與高分子化合物的相容性，纖維與高分子之間可形成有效的界面鍵合，以提高復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度；相比傳統(tǒng)硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維的改性，聚硅氧烷類(lèi)化合物能承受更寬的溫度范圍，經(jīng)改性后，玻璃纖維與高分子熱塑性樹(shù)脂形成了有效的界面鍵合，提高了玻璃纖維與熱塑性樹(shù)脂的粘附效果，復(fù)合材料界面性能較高；本發(fā)明使用的浸潤(rùn)劑中的高分子與熱塑性樹(shù)脂薄膜一致，浸潤(rùn)后明顯改善玻璃纖維表面的潤(rùn)濕性，有效提高玻璃纖維和基體樹(shù)脂的界面結(jié)合強(qiáng)度；

19、本發(fā)明可以根據(jù)薄膜顏色、厚度的不同與玻璃纖維氈錯(cuò)雜鋪放，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料外觀顏色及紋路的有效調(diào)控，可針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)產(chǎn)品外觀；

20、本發(fā)明采用精確的熱壓成型控制技術(shù)，詳細(xì)闡述了熱壓成型過(guò)程中的壓力和溫度控制策略，包括冷壓力預(yù)壓實(shí)、分階段壓力增加以及急冷降溫等關(guān)鍵步驟，確保了復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性和界面粘接強(qiáng)度的最大化；

21、本發(fā)明方法制備的玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，具有更高的力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、抗沖擊性能，同時(shí)具有可設(shè)計(jì)性，其顏色可從純黑色到透明纖維紋路進(jìn)行調(diào)控，其彎曲強(qiáng)度為250-300mpa，彎曲模量為15-20gpa，層間剪切強(qiáng)度為30-40mpa；本發(fā)明方法高效、環(huán)保、可實(shí)現(xiàn)定制設(shè)計(jì)、規(guī)?；a(chǎn)，制得的復(fù)合材料可替代金屬用于航空航天、石油化工、醫(yī)療器械、汽車(chē)和軌道交通等領(lǐng)域。