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碳纤维环氧体系拉挤工艺研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-08-02  来源:华昌聚合物  浏览次数:311
核心提示:复合材料拉挤工艺过程如下图所示,所使用的设备主要包括碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置、加热成型模口、拉拔装置,切割装置等。

碳纤维复合材料作为国家战略性新型材料一直广受关注,从军工到民用,渗透到我们生活中的各个角落。根据日本东丽的碳纤维分级来说,碳纤维分为T300~T1000不等,越往上碳纤维等级越高。其中每个等级又分为1K、3K、6K、12K、24K、48K、60K、80K,K代表1000,也就是说1k代表每一束碳纤维中有1000根单丝,80k代表每一束碳纤维中有80000根单丝。

一般来说,12k以下被统称为小丝束碳纤维,又被称作“航空航天级”碳纤维,12k以上被称为大丝束碳纤维,或者是工业级碳纤维。本文所介绍的拉挤复合材料由于尺寸较大,故而选择大丝束碳纤维。


 

  1 工艺路线

  
复合材料拉挤工艺过程如下图所示,所使用的设备主要包括碳纤维供给装置、树脂浸渍槽、预成型装置、加热成型模口、拉拔装置,切割装置等。

碳纤维环氧拉挤
 

2 引纱与浸胶
 

置于轴架上的连续碳纤维通过导向和排列装置引出,送至树浸渍单元,导向装置的设计要求是使碳纤维从轴架到口模保持平直,对所有纤维束施加的力相等,避免因纤维束间张力的变化导致拉挤制品扭曲变形。浸渍操作中,首先在树脂浸渍槽中精确地量入热固性树脂和固化剂等,将树脂、固化剂与脱模剂按一定质量比混合,搅拌均匀注入树脂浸渍槽。一般树脂厂家都会给出指导性的配比,其中少量的内脱模剂必不可少,防止在热固成型过程中堵塞模具。

在整个浸渍过程中,纤维浸润要完全,不应存在干纤维,干纤维的存在会导致拉挤物产生缺陷,控制碳纤维浸润程度的一个重要工艺参数是树脂体系的粘度,该粘度称为初始粘度,其大小不仅与树脂本身有关,而且与添加剂、温度有关。除了初始粘度以外,碳纤维浸润效果还与浸润时间、浸润时树脂的温度和浸渍槽中碳纤维的工作状态有关,一般来说,给定了初始粘度,碳纤维工作状态正常,浸渍时间延长,树脂温度升高,均可以改善纤维浸润程度。

在这一过程中,还要注意以下几点:

(1)由于大丝束碳纤维中每束碳纤维较多,要时刻注意树脂对碳纤维单丝的浸润情况,不仅碳纤维丝束表面要有较好的浸润,还要保证碳纤维丝束内部也都能够浸润充分,否则会造成内部缺陷,影响最终产品的性能。

(2)树脂的粘度要保持在一定的范围,室内温度要控制好,如果天气温度过低的话,可以考虑胶槽加温,以保证树脂能够随着碳纤维顺利地进入模具口,不会被挤出来,也不会堵塞。


 

3 加热固化 
 

一般来说,拉挤过程分为三个加热区域。首先是预热区,作用是为下一区域反应做准备;其次是凝胶区,在这个区域中,树脂发生固化交联并产生相变,从粘稠态转变为凝胶态;最后是恒温区,防止温度骤变使得复合材料产生裂纹。口模区域的温度控制关系到拉挤生产速率和制品的质量。温度控制的关键是使物料固化速率与型材牵引速度一致,同时,还要保证加热均匀,物料各处固化速率尽量一致。口模处通常采用板式或筒式接触加热器。目前,高频预热和高频固化解决了快速固化的问题。对于不同类型的树脂,三个区域的温度各不相同,总体来说,其中的规律为依次增大。另一方面,针对不同尺寸的复合材料,三个区域的温度也有所变化,比如尺寸大、较厚的拉挤杆件,固化温度要高于树脂的固化温度,因为温度是从复合材料的表面向内传递,这样才能使得里面的树脂完全固化,和碳纤维很好地结合在一起。

 

4 牵引
 

拉挤成型通常使用夹持牵引装置,该装置有两副内部形状与制件相匹配的家具,拉挤物处于夹具中间,夹具靠压缩空气上下启闭,该夹具安装在支撑座上,液压油缸驱动夹持装置作往复运动,为了不损伤拉挤物的表面,夹具与拉挤物接触常衬以聚氨酯材料。牵引装置的线速度与模具温度和树脂体系配合,以保证模具内部有良好的固化反应。生产不同的产品,应选择不同的牵引速度,因此,要求牵引装置速度可以调节。

 

5 后固化
 

拉挤工艺的控制还应该考虑后固化的问题,对于大型制件尤为重要。因此不论连续成型加工中速度多慢,也很难产生像间歇生产那样的固化状态。拉挤成型后期固化简单方式是安装一个加热固化室,而更多采用的是在一个分离的加热室,用来后固化,保证固化程度。

 


 
 
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