[发明专利]一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材及其制备方法

说明书

技术领域

本技术属于复合材料领域，涉及一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的制备方法。

背景技术

短纤维复合热塑性聚合物与单纯热塑性聚合物相比，其力学性质可以通过选择短纤维的种类、几何尺寸和含量，具有增强效果和性能可设计性；短纤维复合热塑性聚合物与连续纤维复合热塑性聚合物相比，其原料成本和加工大幅下降，加工性较高，与大部分塑料加工工艺兼容，能够制备复杂形状的力学构件。因此多种机械承力构件采用短纤维增强热塑性聚合物替代传统钢铁材料，在减轻重量、提高强度和韧性、降低成本等方面具有特有商业竞争性。

目前短纤维复合材料的制备基本采用熔融混合方法，即将短纤维与聚合物粉体机械混合后，通过螺杆挤出机在基体材料熔融状态机械混合，挤出造粒，成为切片料，由终端产品制造者根据具体产品性能要求和结构特点，在成型过程中调整原料比例来实现材料力学性能的调节。随着技术的进步，短纤维的种类从碳纤维、玻璃纤维扩展到高性能有机纤维，尺寸从微米级扩展到纳米级，碳纳米管的工业应用，更使得增强材料达到直径几纳米、长度几毫米，使得复合材料可以在微纳米尺度进行微结构设计、调节，从而实现宏观力学性能在更广阔的范围内自主设计。

连续纤维复合材料的力学性能设计通过平行铺排或缠绕的纤维在各层之间取向的调节来实现，因此可以实现力学性质的精确设计，目前尚没有用短纤维通过定向排列实现材料设计的技术，中国专利CN103144262A公开了一种通过挤出机机头结构设计和对挤出胶料多次扭转合并，制备在宽度和厚度方向分布均匀的短纤维单向取向复合橡胶；中国专利CN103819757A公开了一种通过调节开炼机炼胶条件的方法制备定向排列短纤维复合橡胶制品的方法。这些方法提供了制备单向取向短纤维聚合物复合材料的方法，但通过纤维复合聚合物复合材料力学性能的各向异性来制备性能可设计短纤维复合聚合物型材的技术未见报道。

发明内容

本发明所述的利用定向排列的混杂短纤维复合热塑性聚合物膜片制备多层复合材料型材的制备方法，目的是提供一种通过将定向排列短纤维复合材料膜片通过设计的取向、基体材质、厚度、叠层次序进行层合压制，来实现性能可设计的复合材料型材。

一种多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材，由若干片热塑性聚合物膜片按照设计形状、纤维的取向、聚合物种类进行层叠模压得到的型材；所述的热塑性聚合物膜片内分布有定向排列的混杂短纤维。

所述的热塑性聚合物膜片以质量份计组成为：混杂短纤维含量在5～30份，热塑性聚合物含量在70～93份，增塑剂含量在2～4份，润滑剂含量在0.3～1份。

所述的短纤维包括碳纤维、玻璃纤维、金属纤维、芳纶纤维、纳米有机纤维、碳纳米管中的一种或多种混杂，纤维直径范围为：0.01～10微米，长度范围为：1～2000微米。

所述的热塑性聚合物包括聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、ABS中的任一种。

制备所述的多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法，将热塑性聚合物与一种或多种短纤维熔融混合，用螺杆挤出机和流延机制成纤维方向定向排列的热塑性聚合物膜片；将热塑性聚合物膜片用作预制物，将膜片按照设计的形状层叠，并设计叠层短纤维取向和聚合物种类，模压成型后形成力学性能可设计的多层混杂短纤维复合材料型材。

用螺杆挤出机和流延机制成纤维方向定向排列的膜片具体方法是将一种或多种短纤维与热塑性聚合物切片机械混合后，用螺杆挤出机通过单通道或多通道机头，以单层或多层共挤方法挤出到冷却辊上，通过牵伸、收卷，形成短纤维均匀分布、排列取向与牵伸方向相同的单一纤维或混杂纤维连续预制膜。

所述的单通道或多通道机头，单通道机头用于对单一纤维或直径差小于10倍的混杂纤维挤出，混杂纤维不超过2种，多通道机头各通道用于直径差别大于10倍的单一纤维分别挤出，通道数不大于3。

模压时，当选择多种聚合物时，各聚合物的熔点差小于等于30℃，模压温度在所选聚合物最高熔点以上的10℃之内。

所述模压成型时，模具在垂直纤维方向的表面凸凹结构不得小于3倍短纤维平均长度，制品的各向异性强度、刚度、韧性通过调节短纤维取向、含量、短纤维种类、聚合物种类进行设计。

用于所述的制备多层混杂短纤维复合热塑性聚合物型材的方法中的螺杆挤出机，机头为T型，唇部设有导流结构，所述的导流结构水平截面为梭形，梭形的尾端长度与头部长度比为3～5：1；流道宽度与梭形高度比为1：1～3。

有益效果

利用定向排列的混杂短纤维复合热塑性聚合物膜片制备多层复合材料型材。