[發(fā)明專利]一種單聚合物復(fù)合材料模內(nèi)自增強共注塑成型方法

有效

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• 申請日: 2015-06-17
• 公開（公告）號: CN105128277B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜開宇;楊磊;王龍飛;王敏杰
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: B29C45/26
• 分類號: B29C45/26
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心21200
• 代理人: 李寶元,梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于注射成型模具技術(shù)領(lǐng)域，涉及到聚合物的自增強方法和注塑制備單聚合物復(fù)合材料(Single Polymer Composites,SPC)的方法，具體涉及一種單聚合物復(fù)合材料模內(nèi)自增強共注塑成型方法。

背景技術(shù)

聚合物具有加工工藝好、密度小、比強度高(聚合物的比強度遠高于水泥混凝土，接近甚至超過了鋼材，屬于一種輕質(zhì)高強的材料)、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。隨著人類生產(chǎn)力水平的迅速發(fā)展，聚合物的應(yīng)用范圍越來越廣，單一組分的聚合物材料已經(jīng)難以滿足日益增長的使用要求，這種情況下，聚合物復(fù)合材料應(yīng)運而生。根據(jù)增強相的不同，可以將聚合物復(fù)合材料分為纖維增強型、晶須增強型和顆粒增強型，相對于傳統(tǒng)金屬復(fù)合材料，聚合物復(fù)合材料具有密度小、使用范圍廣等優(yōu)點。但是，一般復(fù)合材料的增強相和基體采用不同的材料，不同材料相互接觸就存在界面相容性問題，界面性能對復(fù)合材料的整體性能影響很大；并且，隨著地球資源的逐漸減少，環(huán)境問題日益突出，傳統(tǒng)聚合物復(fù)合材料難以將基體和增強材料進行有效分離，從而給回收再利用帶來了極大的困難。

單聚合物復(fù)合材料(SPC)是一種新型的聚合物復(fù)合材料，其基體和增強相為同種聚合物，因此，不存在材料界面相容性差以及回收困難的問題；對于同種聚合物而言，SPC的力學(xué)性能遠遠優(yōu)于單次成型的材料，并且無需將增強相和基體的分離即可直接回收再利用。因此，SPC具有巨大的研究價值和應(yīng)用前景。然而，SPC的增強體和基體為同一種材料，其熔點相同，導(dǎo)致制備SPC的工藝比較復(fù)雜，制備工藝成為限制單聚合物復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸。目前制備單聚合物復(fù)合材料的主要方法有：熱壓制備法、擠出制備法以及注塑制備法。

熱壓制備SPC的第一種方法是熔融浸漬法，這種方法最早提出，并且制備出了SPC試樣，將聚合物材料制備的纖維平行鋪在兩層同種聚合物片材之間，然后，將三明治結(jié)構(gòu)的材料放置到熱壓機上，加熱到預(yù)定的溫度并施加壓力，保持一定時間，得到SPC；熱壓制備SPC的另一種方法是溶液浸漬法，將增強相纖維浸漬在溶解有該種聚合物的有機溶劑中，聚合物從溶液中析出并粘附在聚合物纖維上，將得到的纖維利用熱壓方式制備SPC，纖維表面的聚合物會熔融再結(jié)晶形成SPC的基體。與熔融浸漬法相比，溶液浸漬法不要求基體的熔融粘度低，并且纖維之間的聚合物分布更加均勻，最終得到的SPC的力學(xué)性能更好，但是該方法中需要使用大量的有機溶劑，而且比較耗時；熱壓方法制備的SPC制件的組織結(jié)構(gòu)均勻，力學(xué)性能突出；但是，這種方法成型效率低，制備過程比較繁瑣，對溫度控制的要求特別嚴(yán)格，而且成型過程中的壓力和熱量容易影響纖維的取向度和結(jié)晶性能，從而使單聚合物復(fù)合材料整體性能受損。

擠出法制備SPC利用擠出機將基體材料加熱至熔融狀態(tài)，熔融狀態(tài)的基體在擠出壓力作用下向前輸送并冷卻為準(zhǔn)熔融狀態(tài)；然后，將增強材料加入到準(zhǔn)熔融狀態(tài)的基體中，混合并向前輸送，擠出成型得到SPC制品。這種方法相對于熱壓的方法具有成型周期短，溫度容易控制，可以連續(xù)批量生產(chǎn)的優(yōu)點，但是，該方法使熱塑性聚合物增強纖維與熔融態(tài)的基體聚合物直接接觸，容易損害纖維的組織性能，降低復(fù)合材料的整體性能。

注塑成型方式制備SPC，該方法是先預(yù)制出增強體，然后將增強體放入注塑模具的型腔中并固定，合模后將塑化好的基體材料注入型腔中，保壓冷卻得到SPC。該方法相對于傳統(tǒng)的熱壓方法，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作容易的優(yōu)點，但是，該方法同樣需要提前鋪設(shè)預(yù)制增強體纖維，而且與擠出法類似，熱塑性聚合物增強纖維與熔融態(tài)的基體聚合物直接接觸，會導(dǎo)致復(fù)合材料的整體性能被破壞。

發(fā)明內(nèi)容

針對SPC現(xiàn)有的成型方法存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、產(chǎn)品幾何形狀單一以及難以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了一種SPC模內(nèi)自增強共注塑成型制備方法和對應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)。該方法具有材料選擇廣泛、工藝簡單、生產(chǎn)周期短、可實現(xiàn)批量化生產(chǎn)等優(yōu)點。本發(fā)明中的成型模具，可以在普通單螺桿注塑機上，利用一套模具完成SPC的制備。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種單聚合物復(fù)合材料模內(nèi)自增強共注塑成型制備方法，與傳統(tǒng)SPC成型方法中先成型增強相，后成型基體的方式不同，該方法先注塑成型SPC的基體，然后將基體置入模具的另一個型腔中成型增強相。基體和增強相是分兩次成型的，基體的成型對增強相的性能沒有影響。聚合物的性能不僅跟材料有關(guān)，還與成型方式和成型條件有關(guān)，優(yōu)化增強相的成型參數(shù)，可以獲得性能最優(yōu)的SPC。