一種自行車碳纖維車輪及其制備方法
【專利說明】一種自行車碳纖維車輪及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本申請屬于碳纖維材料領(lǐng)域，尤其涉及自行車構(gòu)件工藝領(lǐng)域的自行車碳纖維車輪及其制備方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]碳纖維自行車主要是中高檔的競賽用自行車，作為新興材料，碳纖維主要應(yīng)用于車架、前叉、輪組等。碳纖維管又稱碳素纖維管，也稱碳管，碳纖管，是采用碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸入苯乙稀基聚脂樹脂經(jīng)加熱固化拉擠(纏撓)而成。在制過程中，可以通過不同的模具生產(chǎn)出各種型材，如:不同規(guī)格的碳纖維圓管，不同規(guī)格的方管，不同規(guī)格的片材，以及其它型材:在制作過程中也可以包3K進(jìn)行表面包裝美化等等。碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。
[0005]碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性。它比重不到鋼的1/4，但強(qiáng)度卻非常強(qiáng)。而且其耐蝕性出類拔萃，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維廣泛用于民用、軍用、建筑、航天以及超級跑車領(lǐng)域。碳纖維管具有強(qiáng)度高，壽命長、耐腐蝕，質(zhì)量輕、低密度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)箏、航空模型飛機(jī)、燈用支架、PC設(shè)備轉(zhuǎn)軸、蝕刻機(jī)、醫(yī)療器械、體育器材等機(jī)械設(shè)備。尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑和吸能抗震等一系列優(yōu)異性能。并具有高比模、耐疲勞、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等。通常也把碳纖維的結(jié)構(gòu)看成由兩維有序的結(jié)晶和孔洞組成，其中孔洞的含量、大小和分布對碳纖維的性能影響較大。
[0006]自行車是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚拇焦ぞ?，其造價(jià)低廉，維修簡單，使用方便，深受世界各國人民喜愛，形成了巨大的自行車消費(fèi)市場，隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛快發(fā)展，自行車已不僅僅是交通和運(yùn)輸工具，已具有集健身、旅游、競賽等多種功能。自行車檔次的高低取決于材料的選擇和做工。典型的低、中、高檔自行車構(gòu)架分別由碳鋼、鉻鉬合金及鋁合金和碳纖維制造。碳纖維是一種新型的復(fù)合材料，它有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大的優(yōu)點(diǎn)，而且具有可設(shè)計(jì)性和易成型性，從而使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有更高的結(jié)構(gòu)效率。碳纖維兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征，碳纖維是一種的力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。碳纖維拉伸強(qiáng)度約為2到7GPa，拉伸模量約為200到700GPa。密度約為1.5到2.0克每立方厘米，這除與原絲結(jié)構(gòu)有關(guān)外，主要決定于炭化處理的溫度。一般經(jīng)過高溫3000°C石墨化處理，密度可達(dá)2.0克每立方厘。再加上它的重量很輕，它的比重比鋁還要輕，不到鋼的1/4，比強(qiáng)度是鐵的20倍。碳纖維的熱膨脹系數(shù)與其它纖維不同，它有各向異性的特點(diǎn)。碳纖維的比熱容一般為7.12。熱導(dǎo)率隨溫度升高而下降平行于纖維方向是負(fù)值(0.72到0.90)，而垂直于纖維方向是正值(32到22)。碳纖維的比電阻與纖維的類型有關(guān)，在25°C時(shí)，高模量為775，高強(qiáng)度碳纖維為每厘米1500。這使得碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，可以稱為新材料之王。
[0007]世界各國都對研制新形態(tài)、新材料的自行車投入了巨大的人力、物力、財(cái)力。車架是自行車的骨架，它在很大程度上決定了自行車的造型和使用性能。美國、英國和我國臺(tái)灣等都已開發(fā)生產(chǎn)出碳纖維自行車車架。用于碳纖維管生產(chǎn)方面的碳纖維含量多少，直接決定其力學(xué)性能表現(xiàn)和價(jià)值。碳纖維管具有質(zhì)輕、堅(jiān)實(shí)、抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但在使用時(shí)應(yīng)特別注意防電。碳纖維具有許多優(yōu)良性能，碳纖維的軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)小且具有各向異性，耐腐蝕性好，X射線透過性好。良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性好等。
[0008]中國輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織并主持召開了連云港迎雁新材料有限責(zé)任公司和連云港神鷹碳纖維自行車有限責(zé)任公司完成的“碳纖維自行車技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目科技成果鑒定會(huì)。鑒定委員會(huì)專家在聽取了項(xiàng)目完成單位的研發(fā)、查新、檢測和使用等報(bào)告，并實(shí)地考察了產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場后，一致認(rèn)為港城碳纖維自行車生產(chǎn)綜合技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，并達(dá)到國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。碳纖維還具有極好的纖度(纖度的表示法之一是9000米長纖維的克數(shù))，一般僅約為19克，拉力高達(dá)300kg每微米。幾乎沒有其他材料像碳纖維那樣具有那么多一系列的優(yōu)異性能，因此在旨度、剛度、重度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。在不接觸空氣和氧化劑時(shí)，碳纖維能夠耐受3000度以上的高溫，具有突出的耐熱性能，與其他材料相比，碳纖維要溫度高于1500°C時(shí)強(qiáng)度才開始下降，而且溫度越高，纖維強(qiáng)度越大。碳纖維的徑向強(qiáng)度不如軸向強(qiáng)度，因而碳纖維忌徑向強(qiáng)力(即不能打結(jié))而其他材料的晶須性能也早已大大的下降。另外碳纖維還具有良好的耐低溫性能，如在液氮溫度下也不脆化。
[0009]碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱夫拉纖維相比，楊氏模量是其2倍左右，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性突出。碳纖維車輪的特征是輕、鋼性好、沖擊吸收性好，但是，充分發(fā)揮碳纖維的優(yōu)異性能，在技術(shù)上看起來不是那么容易，各碳纖維材料廠家之間的品質(zhì)差異也較大。自行車廠家考慮到成本問題，不大可能使用高等級的碳纖維來制作車架。雖然存在上述的現(xiàn)實(shí)問題，但是碳纖維車輪還是具有其他素材所沒有的優(yōu)點(diǎn)，可以制造8、9kg左右的輕量自行車，這種碳纖維輕量自行車，登坡時(shí)最能體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)，登坡順利而爽快。而不會(huì)像一些輕的鋁合金車架，登坡時(shí)感到有一種向后拉的力量。而隨著人性化理念的普及，及新型和諧社會(huì)的構(gòu)成，設(shè)計(jì)一種拉伸強(qiáng)度高、耐高溫、硬度高的自行車碳纖維車輪及其制備方法是非常必要的。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]解決的技術(shù)問題:
本申請針對上述技術(shù)問題，提供一種自行車碳纖維車輪及其制備方法，解決現(xiàn)有自行車成本高、抗溫性差、拉伸強(qiáng)度低等技術(shù)問題。
[0012]技術(shù)方案:
一種自行車碳纖維車輪，所述自行車碳纖維車輪的原料按重量份數(shù)配比如下=PVC10份；溫石棉40-60份;炭黑0.02-0.06份；D0P50-70份；D0A10-30份；石油脂4-8份；碳酸鈣20-40份；DCPl-5份；ABS5-25份；碳纖維為60-80份；增塑劑10-50份。
[0013]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述自行車碳纖維車輪的原料按重量份數(shù)配比如下=PVClOO份；溫石棉45份;炭黑0.03份；D0P55份；D0A15份；石油脂5份；碳酸鈣25份;DCP2份；ABSlO份；碳纖維為65份；增塑劑20份。
[0014]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述自行車碳纖維車輪的原料按重量份數(shù)配比如下=PVClOO份；溫石棉55份;炭黑0.05份；D0P65份；D0A25份；石油脂7份；碳酸鈣35份;DCP4份;ABS20份；碳纖維為75份；增塑劑40份。
[0015]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述自行車碳纖維車輪的原料按重量份數(shù)配比如下=PVClOO份；溫石棉50份;炭黑0.04份；D0P60份；D0A20份；石油脂6份；碳酸鈣30份;DCP3份;ABS15份；碳纖維為70份；增塑劑30份。
[0016]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述增塑劑采用ES0。
[0017]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述自行車碳纖維車輪的制備方法，包括如下步驟:
第一步:按照重量份數(shù)配比稱取PVC、溫石棉、炭黑、DOP、D0A、石油脂、碳酸鈣、DCP、ABS、碳纖維和增塑劑；
第二步:將PVC、溫石棉、炭黑、D0P、D0A投入攪拌機(jī)混合，混合速度為60-80r/min，混合均勻，升溫至65-85°C加入剩余原料，繼續(xù)混合30-50min ；
第三步:混合均勻后物料投入雙螺桿擠出機(jī)，料筒溫度170-180 0C、165-175 °C、160-170°C、165-185°C、155-175°C，螺桿溫度 145_155°C，機(jī)頭溫度 160-170°C、165-175°C、175-185 °C、195-205 °C、190-200 °C，螺桿轉(zhuǎn)速 35_40r/min，投料轉(zhuǎn)速 30_40r/min，扭矩55-60%。
[0018]
有益效果:
本發(fā)明所述一種自行車碳纖維車輪及其制備方法采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:1、產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度40-60MPa，邵氏硬度62-66A ; 2、產(chǎn)品發(fā)火溫度600-640°C，彈性模量550-750MPa ;3、產(chǎn)品縱向尺寸變化率1_3%，斷裂伸長率10_30%，缺口沖擊強(qiáng)度50_54kJ/m2;4、磨損率0.4~0.8X 10 4mm3/ (Ν.ηι)，摩擦系數(shù)0.1-0.14，成本低廉，操作簡單，耐腐蝕，可以廣