本發(fā)明涉及汽車材料制造技術領域，具體涉及一種輕量化汽車材料及其制備方法。
背景技術：
據(jù)統(tǒng)計，汽車自重每減少10％，油耗可降低6％～8％，聚乙烯、聚丙烯等熱塑性塑料由于具有比重小、耐腐蝕性好、成本低、易于加工等諸多優(yōu)點，逐漸成為一類重要的非金屬汽車用輕量化材料。但是大多數(shù)塑料制品存在機械強度低、抗沖擊性能差等缺點，不能用于制造汽車車身、底盤等結(jié)構(gòu)。
采用長纖維對熱塑性塑料進行增強，能夠大幅度提高熱塑性塑料的力學性能和尺寸穩(wěn)定性，目前在汽車領域應用最多的增強纖維是碳纖維和玻璃纖維，但是由于碳纖維的成本較高，表面處理比較困難，因此在一定程度上限制了其在汽車工業(yè)中的應用和推廣，主要用于高檔轎車和賽車的生產(chǎn)制造中；同時玻璃纖維也存在難以回收和降解的問題。
納米纖維素纖維(cnf)作為一種熱塑性塑料的增強材料，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點和較高的結(jié)晶度，強度高達2～3gpa。當cnf用于增強聚乙烯等熱塑性塑料時。一般先熔融共混、擠出、造粒，然后通過注塑成型得到各種結(jié)構(gòu)復雜、形狀多變的汽車零部件。但是cnf表面含有大量的羥基，在熔融共混過程中cnf之間很容易通過氫鍵作用而發(fā)生團聚，從而導致cnf不能分散地與聚合物基體相“溶合”，無法形成界面，很難大幅度提升熱塑性塑料的性能。利用酯化、陽離子化、接枝共聚等化學方法對cnf進行疏水改性，可防止cnf團聚，增加其穩(wěn)定性和分散性，但是改性過程通常需要多步反應，涉及冗長的溶劑交換過程，且改進過程中需要使用丙酮、甲苯、四氫呋喃、吡啶等大量的有機溶劑，不僅污染環(huán)境而且還會增加成本。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種輕量化汽車材料及其制備方法，其能克服現(xiàn)有碳纖維或玻璃纖維價格高、表面處理困難、難以回收的缺點，同時制備過程中能有效減少有機溶劑的使用。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用了以下技術方案：
一種輕量化汽車材料，包括以下質(zhì)量分數(shù)的原料：納米纖維素1～10％；熱塑性塑料90～99％。
進一步地，所述納米纖維素為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，直徑為5～50nm，長徑比大于1000nm。
進一步地，所述熱塑性塑料為聚乙烯、聚丙烯、尼龍6、尼龍66中的一種。
一種輕量化汽車材料的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：先將60～100目的木粉或竹粉置于亞氯酸鈉溶液中，用冰醋酸或鹽酸調(diào)節(jié)ph至3.0～5.0，所得溶液在70～90℃條件下加熱攪拌1～2h；之后將上述溶液冷卻室溫后進行真空抽濾洗滌操作，直至上述溶液呈中性；
步驟2：重復步驟1操作4～6次，直至木粉或竹粉變成白色；
步驟3：將上述白色的木粉或竹粉溶于氫氧化鉀溶液中，在80～90℃，處理2～3h，待上述溶液冷卻至室溫后進行真空抽濾洗滌操作至濾液中性；其中氫氧化鉀溶液的質(zhì)量分數(shù)為6～10％；
步驟4：重復步驟1操作1次，即得純化纖維素待用；
步驟5：對純化纖維素進行細纖維化作用得到納米纖維素；
步驟6：將納米纖維素冷凍干燥處理后與熱塑性塑料粉末混合，并將混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合機中進行固體剪切粉碎處理；所述混合物中納米纖維素的質(zhì)量分數(shù)為50～85％；
步驟7：將步驟6處理后的混合材料放置于雙螺桿擠出機中熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得納米纖維素增強熱塑性塑料母料；
步驟8：稱取熱塑性塑料粒子，與納米纖維素增強熱塑性塑料母料熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得納米纖維素增強熱塑性塑料粒子；其中納米纖維素的質(zhì)量分數(shù)為1～10％；
步驟9：將納米纖維素增強熱塑性塑料粒子進行干燥、篩選，置于注塑成型機中成型即可，其中注塑溫度為150～300℃。
進一步地，步驟5中細纖維化采用一次研磨法或高壓均質(zhì)法。
進一步地，步驟6中固體剪切粉碎過程的處理溫度為80～150℃，處理時間為1～120min，捏合機轉(zhuǎn)速為60～120rpm/min。
更進一步地，步驟7中雙螺桿擠出機的溫度為120～280℃，轉(zhuǎn)速為200～350rpm/min。
上述技術方案中提供的輕量化汽車材料及其制備方法，采用天然纖維素cnf作為熱塑性塑料的增強材料，安全高效、經(jīng)濟環(huán)保，在制備過程中采用母料法和固體剪切粉碎法，能減少cnf的團聚，促進cnf在熱塑性塑料基體中均勻分散；同時可減少化學藥劑的污染。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進行具體說明。應當理解，以下文字僅僅用以描述本發(fā)明的一種或幾種具體的實施方式，并不對本發(fā)明具體請求的保護范圍進行嚴格限定。
實施例1
一種輕量化汽車材料，包括以下質(zhì)量分數(shù)的原料：納米纖維素1％；熱塑性塑料99％。
所述納米纖維素為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，直徑為5nm，長徑比為1100nm。
所述熱塑性塑料為聚乙烯。
一種輕量化汽車材料的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：先將60目的木粉或竹粉置于亞氯酸鈉溶液中，用冰醋酸或鹽酸調(diào)節(jié)ph至3.0，所得溶液在70℃條件下加熱攪拌2h；之后將上述溶液冷卻室溫后進行真空抽濾洗滌操作，直至上述溶液呈中性；
步驟2：重復步驟1操作4次，直至木粉或竹粉變成白色；
步驟3：將上述白色的木粉或竹粉溶于氫氧化鉀溶液中，在80℃，處理3h，待上述溶液冷卻至室溫后進行真空抽濾洗滌操作至濾液中性；其中氫氧化鉀溶液的質(zhì)量分數(shù)為6％；
步驟4：重復步驟1操作1次，即得純化纖維素待用；
步驟5：對純化纖維素進行細纖維化作用得到cnf；
步驟6：將cnf冷凍干燥處理后與熱塑性塑料粉末混合，并將混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合機中進行固體剪切粉碎處理；所述混合物中cnf的質(zhì)量分數(shù)為50％；
步驟7：將步驟6處理后的混合材料放置于雙螺桿擠出機中熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得cnf增強熱塑性塑料母料；
步驟8：稱取熱塑性塑料粒子，與cnf增強熱塑性塑料母料熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得cnf增強熱塑性塑料粒子；其中cnf的質(zhì)量分數(shù)為1％；
步驟9：將cnf增強熱塑性塑料粒子進行干燥、篩選，置于注塑成型機中成型即可，其中注塑溫度為160℃。
步驟5中細纖維化采用一次研磨法或高壓均質(zhì)法。
步驟6中固體剪切粉碎過程的處理溫度為80℃，處理時間為120min，捏合機轉(zhuǎn)速為120rpm/min。
步驟7中雙螺桿擠出機的溫度為140℃，轉(zhuǎn)速為350rpm/min。
實施例2
一種輕量化汽車材料，包括以下質(zhì)量分數(shù)的原料：納米纖維素5％；熱塑性塑料95％。
所述納米纖維素為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，直徑為30nm，長徑比1200nm。
所述熱塑性塑料為聚丙烯。
一種輕量化汽車材料的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：先將80目的木粉或竹粉置于亞氯酸鈉溶液中，用冰醋酸或鹽酸調(diào)節(jié)ph至4.0，所得溶液在80℃條件下加熱攪拌1.5h；之后將上述溶液冷卻室溫后進行真空抽濾洗滌操作，直至上述溶液呈中性；
步驟2：重復步驟1操作5次，直至木粉或竹粉變成白色；
步驟3：將上述白色的木粉或竹粉溶于氫氧化鉀溶液中，在85℃，處理2.5h，待上述溶液冷卻至室溫后進行真空抽濾洗滌操作至濾液中性；其中氫氧化鉀溶液的質(zhì)量分數(shù)為8％；
步驟4：重復步驟1操作1次，即得純化纖維素待用；
步驟5：對純化纖維素進行細纖維化作用得到cnf；
步驟6：將cnf冷凍干燥處理后與熱塑性塑料粉末混合，并將混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合機中進行固體剪切粉碎處理；所述混合物中cnf的質(zhì)量分數(shù)為68％；
步驟7：將步驟5處理后的混合材料放置于雙螺桿擠出機中熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得cnf增強熱塑性塑料母料；
步驟8：稱取熱塑性塑料粒子，與cnf增強熱塑性塑料母料熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得cnf增強熱塑性塑料粒子；其中cnf的質(zhì)量分數(shù)為5％；
步驟9：將cnf增強熱塑性塑料粒子進行干燥、篩選，置于注塑成型機中成型即可，其中注塑溫度為200℃。
步驟5中細纖維化采用一次研磨法或高壓均質(zhì)法。
步驟6中固體剪切粉碎過程的處理溫度為120℃，處理時間為60min，捏合機轉(zhuǎn)速為90rpm/min。
步驟7中雙螺桿擠出機的溫度為180℃，轉(zhuǎn)速為280rpm/min。
實施例3
一種輕量化汽車材料，包括以下質(zhì)量分數(shù)的原料：納米纖維素10％；熱塑性塑料90％。
所述納米纖維素為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，直徑為50nm，長徑比大于1300nm。
所述熱塑性塑料為尼龍6。
一種輕量化汽車材料的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：先將100目的木粉或竹粉置于亞氯酸鈉溶液中，用冰醋酸或鹽酸調(diào)節(jié)ph至5.0，所得溶液在90℃條件下加熱攪拌1h；之后將上述溶液冷卻室溫后進行真空抽濾洗滌操作，直至上述溶液呈中性；
步驟2：重復步驟1操作6次，直至木粉或竹粉變成白色；
步驟3：將上述白色的木粉或竹粉溶于氫氧化鉀溶液中，在90℃，處理2h，待上述溶液冷卻至室溫后進行真空抽濾洗滌操作至濾液中性；其中氫氧化鉀溶液的質(zhì)量分數(shù)為10％；
步驟4：重復步驟1操作1次，即得純化纖維素待用；
步驟5：對純化纖維素進行細纖維化作用得到cnf；
步驟6：將cnf冷凍干燥處理后與熱塑性塑料粉末混合，并將混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合機中進行固體剪切粉碎處理；所述混合物中cnf的質(zhì)量分數(shù)為85％；
步驟7：將步驟6處理后的混合材料放置于雙螺桿擠出機中熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得cnf增強熱塑性塑料母料；
步驟8：稱取熱塑性塑料粒子，與cnf增強熱塑性塑料母料熔融共混、擠出，冷卻后再進行切粒，即得cnf增強熱塑性塑料粒子；其中cnf的質(zhì)量分數(shù)為10％；
步驟9：將cnf增強熱塑性塑料粒子進行干燥、篩選，置于注塑成型機中成型即可，其中注塑溫度為260℃。
步驟5中細纖維化采用一次研磨法或高壓均質(zhì)法。
步驟6中固體剪切粉碎過程的處理溫度為150℃，處理時間為1min，捏合機轉(zhuǎn)速為60rpm/min。
步驟7中雙螺桿擠出機的溫度為240℃，轉(zhuǎn)速為200rpm/min。
上述實施例中使用的捏合機均采用同時具有壓縮和剪切功能的捏合機。
將實施例2制得的輕量化汽車材料注塑成型后，使用萬能力學試驗機測定其靜態(tài)力學性能。結(jié)果表明，與未增強的熱塑性塑料相比，cnf的加入使得熱塑性塑料的拉伸模量、拉伸強度、彎曲模量和彎曲強度分別達到2.52gpa、51mpa、2.7gpa和73mpa，與未改進的熱塑性塑料基體材料相比，上述指標分別提高了70％、64％、100％和40％。
上面結(jié)合實施例對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，對于本技術領域的普通技術人員來說，在獲知本發(fā)明中記載內(nèi)容后，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對其作出若干同等變換和替代，這些同等變換和替代也應視為屬于本發(fā)明的保護范圍。