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/樹脂界面無法承擔(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/樹脂界面脫粘問題，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、潤滑劑、抗靜電劑等成分，不同配方的上漿劑對樹脂具有選擇性，若上漿劑與樹脂的配合不夠理想，仍然可能導(dǎo)致上漿劑和樹脂之間的脫粘現(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)合材料制備過程中存在樹脂分散不均勻、預(yù)浸效果差、界面結(jié)合力弱的技術(shù)問題，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、采用聚硅氧烷類化合物對玻璃纖維短切原絲進(jìn)行表面改性，得到改性玻璃纖維；所述聚硅氧烷類化合物選自硅油、有機(jī)硅環(huán)體、硅橡膠、硅樹脂中的一種或多種；

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、采用浸潤劑對所述初毛氈進(jìn)行浸潤處理，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9005-12-3)、苯基甲基硅氧烷共聚物(cas號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71750-79-3)中的一種或多種；且所述聚硅氧烷類化合物的粘度為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水甲醇或無水乙醇，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水甲醇或無水乙醇，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劑的質(zhì)量體積比為0.1-0.5kg/l，通過固定兩者質(zhì)量體積比，改變浸潤劑濃度計(jì)算浸潤量。

13、進(jìn)一步地，所述熱塑性樹脂薄膜選自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，所述熱塑性樹脂薄膜為至少經(jīng)過縱向拉伸的薄膜，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，提高熱塑性材樹脂整體的熔融效果；停止加熱后開始自然降溫和加壓，高頻率加壓可以減弱熱塑性樹脂熔體對玻璃纖維氈的高速?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：烘干的浸潤劑占比為1-5％、聚硅氧烷類化合物占比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，得到類似接枝的改性纖維，然后對改性纖維壓實(shí)成初毛氈后，采用浸潤劑對其浸潤，浸潤劑中的高分子化合物在聚硅氧烷類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)劑對纖維的改性，聚硅氧烷類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脂形成了有效的界面鍵合，提高了玻璃纖維與熱塑性樹脂的粘附效果，復(fù)合材料界面性能較高；本發(fā)明使用的浸潤劑中的高分子與熱塑性樹脂薄膜一致，浸潤后明顯改善玻璃纖維表面的潤濕性，有效提高玻璃纖維和基體樹脂的界面結(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，可針對不同應(yīng)用場景設(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、汽車和軌道交通等領(lǐng)域。