基于膨体纱改性的碳-玻混拉板及其生产工艺的制作方法

1.本发明属于混合拉挤板制备技术领域，具体涉及一种基于膨体纱改性的碳-玻混拉板及其生产工艺。


背景技术：

2.随着复合材料行业的发展，玻璃纤维-碳纤维混杂纤维复合材料成为新兴的强韧性结构材料，目前应用在风电叶片、桥梁加固、压缩天然气瓶(航天航空)及固体火箭发动机壳体等宇航结构件，使产品实现了高模量、高韧性、低造价、低重量的优点。碳纤维-玻璃纤维混杂纤维拉挤板(碳-玻混拉板)是一种由玻璃纤维、碳纤维和树脂采用拉挤工艺制作而成的三元复合材料。随着碳-玻混拉板的使用越来越广泛，对其力学性能的要求也越来越高。
3.纯碳纤维拉挤材料或制品力学性能优异，特别是模量和抗疲劳性能方面表现出色，拉伸模量和疲劳m值是普通玻璃纤维2倍以上。但碳纤维价格昂贵，是普通玻纤的十几倍以上，拉挤而成的制品价格也相对很高；而相对于普通纯玻纤拉挤材料或制品，在拉伸和疲劳上改进和提升都相当困难。碳纤维的力学性能总体上要优于玻璃纤维，但是生产成本高，不利于广泛使用。碳-玻混拉板在保证力学性能优异的同时，兼顾了经济性，但在不同纤维连接界面是其力学性能薄弱的地方。
4.中国专利cn111976072公开一种碳纤维和玻璃纤维混合拉挤材料、生产方法及制品。其中公开了碳纤维和玻璃纤维混合拉挤材料的生产方法包括以下步骤：s1牵引按照预定规则排列的碳纤维和玻璃纤维进入浸胶槽，将碳纤维与玻璃纤维浸润在浸胶槽的树脂中；s2牵引碳纤维和玻璃纤维穿过沥胶格栅的栅格沥去碳纤维和玻璃纤维表面多余的树脂；s3牵引碳纤维和玻璃纤维穿过第一预成型板，第一预成型板上开设有具有预定形状的第一预成型孔，第一预成型孔将碳纤维和玻璃纤维挤压成第一预定形状的碳纤维-玻璃纤维结构；s4牵引第一预定形状的碳纤维-玻璃纤维结构进入拉挤模具中，第一预定形状的碳纤维-玻璃纤维结构经过拉挤模具的温度依次升高的第一加热区、第二加热区、第三加热区固化成型，从拉挤模具中拉出得到碳纤维和玻璃纤维混合的拉挤材料。该专利得到的碳纤维和玻璃纤维混合拉挤材料的两种纤维结合面的力学性能相对较差。
5.因此，亟需提供一种能够改善碳-玻混拉板中两种纤维结合面的力学性能的碳-玻混拉板的生产工艺。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种基于膨体纱改性的碳-玻混拉板，通过将碳纤维区和玻璃纤维区界面连接处的一圈纤维替换成膨体纱，提高了碳-玻混拉板的90度拉伸性能、层间剪切性能、v型剪切性能和弯曲强度，本发明同时提供其生产工艺。
7.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
8.本发明所述的基于膨体纱改性的碳-玻混拉板，包括碳纤维区和玻璃纤维区，玻璃
纤维区包裹碳纤维区，碳纤维区和玻璃纤维区的界面连接处设置有膨体纱，且膨体纱的纤维延伸至碳纤维区和玻璃纤区内部。
9.所述的膨体纱为玻璃纤维纱线或碳纤维纱线。
10.本发明所述的基于膨体纱改性的碳-玻混拉板的生产工艺：将碳纤维、膨体纱和玻璃纤维按照预定截面形状排列通过导线板，进入胶槽中进行浸胶；浸胶后的纱线通过入口分成预定截面的预成型模具进行预成型，再与脱模布进入成型模具进行成型，之后经加热固化、牵引得到基于膨体纱改性的碳-玻混拉板。
11.其中：
12.所述的碳纤维、膨体纱和玻璃纤维的质量比为(5-20):(1-10):(10-50)。
13.所述的胶槽中浸渍胶液为环氧树脂，浸渍胶液的粘度为1000-3000cps。
14.所述的浸胶温度为25-50℃，浸胶时间为10-50s。
15.所述的预成型常温下预成型30-60s。
16.所述的成型温度为145-185℃，成型时间为60-120s。
17.所述的加热固化温度为165-190℃，加热固化时间为20-40s。
18.所述的基于膨体纱改性的碳-玻混拉板的90度拉伸性能较改性前提高10-15％，层间剪切强度提高5-15％，v型剪切强度提高5-10％，弯曲强度提高5-15％。
19.本发明的有益效果如下：
20.本发明的基于膨体纱改性的碳-玻混拉板，包括碳纤维区和玻璃纤维区，玻璃纤维区包裹碳纤维区，碳纤维区和玻璃纤维区的界面连接处设置有膨体纱，且膨体纱的纤维延伸至碳纤维区和玻璃纤区内部。
21.本发明通过将碳纤维和玻璃纤维界面连接处的一圈纤维替换成膨体纱，使得膨体纱的纤维延伸至碳纤维区和玻璃纤区内部，膨体纱的纤维在90度方向上比直接纱线的分布较为不规则，改善了碳-玻混拉板中碳纤维与玻璃纤维结合面的界面性能，使得碳-玻混拉板的90度拉伸性能较改性前提高10-15％，层间剪切强度提高5-15％，v型剪切强度提高5-10％，弯曲强度提高5-15％。本发明方法简单，成本低。
附图说明
22.图1是本发明基于膨体纱改性的碳-玻混拉板的截面示意图；
23.其中(1)、碳纤维；(2)、玻璃纤维，(3)、膨体纱。
具体实施方式
24.以下结合实施例对本发明做进一步描述。
25.实施例1
26.基于膨体纱改性的碳-玻混拉板，包括碳纤维区和玻璃纤维区，玻璃纤维区包裹碳纤维区，碳纤维区和玻璃纤维区的界面连接处设置有膨体纱(玻璃纤维纱线)，且膨体纱的纤维延伸至碳纤维区和玻璃纤区内部。
27.将质量比为7:1.75:35的碳纤维、膨体纱(玻璃纤维纱线)和玻璃纤维共50kg，按照预定截面形状排列通过导线板，进入粘度为1000cps的环氧树脂胶槽中于30℃下浸胶30s；浸胶后的碳纤维纱、膨体纱和玻璃纤维通过入口分成预定截面的预成型模具于常温下进行
预成型30s；再与脱模布进入成型模具，成型温度为150℃，成型时间为110s；之后于180℃下加热固化30s，经牵引得到基于膨体纱改性的碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为55.5mpa，层间剪切强度为61.5mpa，v型剪切强度为65.4mpa，弯曲强度为1271mpa。
28.实施例2
29.基于膨体纱改性的碳-玻混拉板，包括碳纤维区和玻璃纤维区，玻璃纤维区包裹碳纤维区，碳纤维区和玻璃纤维区的界面连接处设置有膨体纱(碳纤维纱线)，且膨体纱的纤维延伸至碳纤维区和玻璃纤区内部。
30.将质量比为7:3.5:35的碳纤维、膨体纱(碳纤维纱线)和玻璃纤维共50kg，按照预定截面形状排列通过导线板，进入粘度为3000cps的环氧树脂胶槽中于25℃下浸胶50s；浸胶后的碳纤维纱、膨体纱和玻璃纤维通过入口分成预定截面的预成型模具于常温下进行预成型45s；再与脱模布进入成型模具，成型温度为165℃，成型时间为70s；之后于165℃下加热固化40s，经牵引得到基于膨体纱改性的碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为57mpa，层间剪切强度为64mpa，v型剪切强度为66.8mpa，弯曲强度为1298mpa。
31.实施例3
32.基于膨体纱改性的碳-玻混拉板，包括碳纤维区和玻璃纤维区，玻璃纤维区包裹碳纤维区，碳纤维区和玻璃纤维区的界面连接处设置有膨体纱(玻璃纤维纱线)，且膨体纱的纤维延伸至碳纤维区和玻璃纤区内部。
33.将质量比为7:5.25:35的碳纤维、膨体纱(玻璃纤维纱线)和玻璃纤维共50kg，按照预定截面形状排列通过导线板，进入粘度为2000cps的环氧树脂胶槽中于50℃下浸胶10s；浸胶后的碳纤维纱、膨体纱和玻璃纤维通过入口分成预定截面的预成型模具于常温下进行预成型60s；再与脱模布进入成型模具，成型温度为180℃，成型时间为60s；之后于190℃下加热固化20s，经牵引得到基于膨体纱改性的碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为59.4mpa，层间剪切强度为65.6mpa，v型剪切强度为69.9mpa，弯曲强度为1321mpa。
34.实施例4
35.将实施例1中碳纤维、膨体纱(玻璃纤维纱线)和玻璃纤维的质量比改为5:1:10，其余步骤同实施例1，得到基于膨体纱改性的碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为54.6mpa，层间剪切强度为62.9mpa，v型剪切强度为63.8mpa，弯曲强度为1213mpa。
36.实施例5
37.将实施例1中碳纤维、膨体纱(玻璃纤维纱线)和玻璃纤维的质量比改为20:10:50，其余步骤同实施例1，得到基于膨体纱改性的碳-玻混拉板。经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为54.1mpa，层间剪切强度为62.3mpa，v型剪切强度为62.5mpa，弯曲强度为1195mpa。
38.对比例1
39.不加膨体纱，其余步骤同实施例1，经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为50.09mpa，层间剪切强度为58mpa，v型剪切强度为62mpa，弯曲强度为1200mpa。
40.对比例2
41.不加膨体纱，其余步骤同实施例2，经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸强度为50mpa，层间剪切强度为58.02mpa，v型剪切强度为62.20mpa，弯曲强度为1128.70mpa。
42.对比例3
43.不加膨体纱，其余步骤同实施例3，经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸性能为
51.65mpa，层间剪切强度为58.0mpa，v型剪切强度为63.55mpa，弯曲强度为1192.24mpa。
44.对比例4
45.不加膨体纱，其余步骤同实施例4，经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸性能为49.41mpa，层间剪切强度为59.17mpa，v型剪切强度为58.22mpa，弯曲强度为1150.85mpa。
46.对比例5
47.不加膨体纱，其余步骤同实施例5，经检测该碳-玻混拉板的90度拉伸性能为48.39mpa，层间剪切强度为59.22mpa，v型剪切强度为57.65mpa，弯曲强度为1124.87mpa。
48.实施例1中碳-玻混拉板的性能数据与对比例1相比，90度拉伸性能提高10.8％，层间剪切强度提高6.0％，v型剪切性能提高5.5％，弯曲强度提高5.9％。
49.实施例2中碳-玻混拉板的性能数据与对比例2相比，90度拉伸性能提高14％，层间剪切强度提高10.3％，v型剪切性能提高7.4％，弯曲强度提高15.0％；
50.实施例3中碳-玻混拉板的性能数据与对比例3相比，90度拉伸性能提高15.0％，层间剪切强度提高13.1％，v型剪切性能提高10.0％，弯曲强度提高10.8％。
51.实施例4中碳-玻混拉板的性能数据与对比例4相比，90度拉伸性能提高10.5％，层间剪切强度提高6.3％，v型剪切性能提高9.6％，弯曲强度提高5.4％。
52.实施例5中碳-玻混拉板的性能数据与对比例5相比，90度拉伸性能提高11.8％，层间剪切强度提高5.2％，v型剪切性能提高8.4％，弯曲强度提高6.2％。
53.通过对比实施例1-5及对比例1-5的数据可知，本发明通过将碳纤维和玻璃纤维的界面连接处的一圈部分纤维替换成膨体纱，改善了碳-玻混拉板中碳纤维与玻璃纤维结合面的界面性能。