一種制備熱塑性復(fù)合材料汽車(chē)大型覆蓋件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車(chē)結(jié)構(gòu)件制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種制備紡織結(jié)構(gòu)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料汽車(chē)大型覆蓋件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源緊缺、環(huán)境污染問(wèn)題的日益突出，全世界的汽車(chē)制造廠(chǎng)正面臨降低排放量和節(jié)約能源的壓力。車(chē)輛減重10%，油耗降低6%?8%。汽車(chē)車(chē)身輕量化是降低汽車(chē)油耗的最有效方法，也是實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”國(guó)家戰(zhàn)略的重要措施。目前，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)零部件制造商紛紛研發(fā)先進(jìn)的材料，以減輕汽車(chē)重量降低廢氣排放和提高燃油效率，力求在技術(shù)上超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
[0003]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是國(guó)內(nèi)外汽車(chē)企業(yè)實(shí)現(xiàn)整車(chē)輕量化的有效途徑之一。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比重不到鋼的1/4，具有高比強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、設(shè)計(jì)性好和可大面積整體成型的特點(diǎn)，其作為替代金屬材料是提高汽車(chē)性能、實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的最有效途徑之一。選用碳纖維復(fù)合材料制作結(jié)構(gòu)件、覆蓋件，可減輕質(zhì)量達(dá)30%左右。
[0004]傳統(tǒng)的汽車(chē)大型覆蓋件(如前蓋、后蓋、車(chē)門(mén)、頂棚等)通常由鋼材料制備而成。鋼材料雖然力學(xué)性能好(抗拉強(qiáng)度370-1030MPa)，但比重大(密度為7.8-8.7g/cm3)，導(dǎo)致汽車(chē)能耗大。目前，現(xiàn)有的汽車(chē)大型覆蓋件的輕量化制備技術(shù)是用纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料(玻璃鋼或碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂)來(lái)代替鋼材料。這類(lèi)熱固性復(fù)合材料密度約為1.45-2.0g/cm3，抗拉強(qiáng)度400_1500MPa，可以有效實(shí)現(xiàn)減輕重量和降低能耗。然后，熱固性復(fù)合材料有三大弱點(diǎn):第一，不可回收，廢舊品將造成大量環(huán)境污染；第二，固化成型時(shí)間長(zhǎng)(通常為I小時(shí)至數(shù)小時(shí))；第三，韌性差，沖擊強(qiáng)度僅為20-45kJ/m2。用熱塑性復(fù)合材料來(lái)制備大型覆蓋件可以解決以上三個(gè)問(wèn)題。目前，有力學(xué)性能達(dá)到前述汽車(chē)大型覆蓋件要求的熱塑性復(fù)合材料，但這種熱塑性復(fù)合材料制造成本很高，不能普及推廣使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)采用對(duì)熔融的PPS/CFF或PA6/CFF降溫至最高結(jié)晶成核溫度以下，通過(guò)加載的控制方法改變PPS或PA6基體的結(jié)晶形貌，從而大幅提高PPS或PA6基體的沖擊韌性和拉伸強(qiáng)度；同時(shí)通過(guò)CFF表面處理改性，提高CFF對(duì)PPS/PA6的浸潤(rùn)性和界面結(jié)合力，進(jìn)而提高PPS/CFF或PA6/CFF復(fù)合材料力學(xué)性能。用這種改進(jìn)方法制得的PPS/CFF或PA6/CFF熱塑性復(fù)合材料制備熱塑性復(fù)合材料汽車(chē)大型覆蓋件材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到300-1000MPa，符合汽車(chē)大型覆蓋件的力學(xué)性能需求，且比重小(密度僅為L(zhǎng) 4-1.6g/cm3)、韌性高(沖擊強(qiáng)度達(dá)到50-100kJ/m2左右)、可以回收、成型時(shí)間短。并且生產(chǎn)制造容易，成本低。
[0006]本發(fā)明所要求解決的技術(shù)問(wèn)題可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]一種制備熱塑性復(fù)合材料汽車(chē)大型覆蓋件的方法，包括以下步驟:
[0008](I)制備熱塑性復(fù)合材料
[0009]①熔融:將CFF與PPS薄膜或PPS無(wú)紡布交替疊層，升溫至320-340°C，使PPS全部熔融；或者將CFF與PA6薄膜材料交替疊層，升溫至230-260°C，使PA6充分熔融；
[0010]②浸潤(rùn):待PPS全部熔融后對(duì)PPS熔體和CFF加壓至0.5-2.1MPa,使PPS熔體對(duì)CFF充分浸潤(rùn)；或者待PA6充分熔融后對(duì)PA6熔體和CFF加壓至1.5_3MPa，使PA6熔體對(duì)CFF充分浸潤(rùn)；
[0011]③降溫:以40-100°C /min的降溫速率對(duì)浸潤(rùn)了 PPS或PA6的CFF進(jìn)行降溫，對(duì)浸潤(rùn)了 PPS 的 CFF 降溫至 240 °C -260 °C，對(duì)浸潤(rùn)了 PA6 的 CFF 降溫至 190 °C -200 °C ；
[0012]這里以40-100 0C /min的速率快速降溫的目的是使PPS或PA6在這一特定溫度點(diǎn)進(jìn)行等溫結(jié)晶，如此晶核數(shù)量和結(jié)晶速率均可控制，且分散性較??；在240-260°〇或190°C _200°C這一特定溫度點(diǎn)的目的是能夠形成一定數(shù)量的晶核，從而具有合適的結(jié)晶速率；同時(shí)使后面施加壓力時(shí)，分子鏈比較容易運(yùn)動(dòng)。結(jié)晶速率太快會(huì)降低材料拉伸強(qiáng)度，太慢會(huì)增加制造成本；分子鏈若不容易運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成材料內(nèi)部缺陷。與純PPS相比，最高溫度提升了 10攝氏度，因?yàn)樘祭w維存在會(huì)誘導(dǎo)結(jié)晶，使PPS在較高的溫度也能成核，并且在更高的溫度加壓可以使PPS基體與碳纖維二次浸潤(rùn)，降低孔隙率。
[0013]④加壓:對(duì)浸潤(rùn)了 PPS的CFF在240°C _260°C時(shí)，加壓至3_7MPa，并在最大壓力值時(shí)，保壓5-10min ;或者對(duì)浸潤(rùn)了 PA6的CFF在190 °C -200 °C時(shí)，加壓至2_6MPa，并在最大壓力值保壓5-10min ；
[0014]⑤冷卻:釋放壓力至常壓，且自然冷卻至室溫，制得所需材料。
[0015](2)沖壓成型為汽車(chē)大型覆蓋件
[0016]將所述步驟(I)所得的PPS/CFF熱塑性復(fù)合材料加熱至270-280°C或者將步驟
(I)所得的PA6/CFF熱塑性復(fù)合材料加熱至210-22(TC，放入汽車(chē)前蓋模具、汽車(chē)后蓋模具、汽車(chē)車(chē)門(mén)模具和汽車(chē)頂棚模具中并進(jìn)行沖壓，放入PPS/CFF熱塑性復(fù)合材料的模具溫度為230-250°C，放入PA6/CFF材料的模具溫度為170_190°C，在15_30s內(nèi)將模具內(nèi)壓力都加至l-8MPa，達(dá)到最大壓力后都保壓l-4min。
[0017]加熱至270-280°C (PPS)或210_220°C (PA6)的目的是使材料軟化，進(jìn)而可以在模具型腔中變形。
[0018]模具溫度為230-250°C (PPS)或170_190°C (PA6)的目的是:一方面讓復(fù)合材料的溫度足以變形，同時(shí)又不發(fā)生熔融；另一方面讓材料保持之前形成的特殊結(jié)晶結(jié)構(gòu)。如果溫度過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)氣泡，也會(huì)破壞特殊結(jié)晶結(jié)構(gòu)；如果溫度過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)碳纖維織物層間破壞，導(dǎo)致材料破損。
[0019]最大壓力為1-SMPa是為了讓材料能夠變形同時(shí)又不發(fā)生層間破壞等損傷。
[0020]達(dá)到最大壓力的時(shí)間為15-30s，是為了讓材料盡量不被損傷，留有足夠的時(shí)間讓層間的高分子松弛，同時(shí)不會(huì)因?yàn)樗俣冗^(guò)慢更增加太多生產(chǎn)成本。
[0021]達(dá)到最大壓力后保壓l_4min是為了讓材料能保持型腔內(nèi)的形狀，增加貼膜率，同時(shí)不會(huì)因?yàn)樗俣冗^(guò)慢更增加太多生產(chǎn)成本。
[0022]作為優(yōu)選的技術(shù)方案:
[0023]本發(fā)明中，所述步驟①中將CFF疊層前先進(jìn)行表面處理，
[0024]CFF與PPS疊層的CFF表面處理的步驟為:
[0025](I)將表面改性劑KH-570、SKE-1或SKE-3與溶劑丙酮按質(zhì)量百分比1% -10%充分混合；
[0026](2)將CFF在N2氣氛、350-500 °C下，經(jīng)3_5小時(shí)進(jìn)行去漿活化處理；
[0027](3)將經(jīng)步驟(2)處理的CFF在20-80°C下，至于步驟(I)配置的溶液中，浸泡1_8小時(shí)，然后置于70-100°C烘箱中進(jìn)行干燥處理6-10小時(shí)，得到表面處理的CFF ；
[0028]CFF與PA6疊層的CFF表面處理的步驟為:
[0029](I)將CFF在N2氣氛、350-500°C下，經(jīng)3_5小時(shí)進(jìn)行去漿活化處理；
[0030](2)將經(jīng)步驟⑴處理的CFF放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% _3%的尼龍6/甲酸溶液中，浸泡12-24h，然后用甲酸清洗3-5遍；
[0031](3)取出，晾干，再放入30_70°C烘箱中進(jìn)行烘干，得到表面處理的CFF。
[0032]本發(fā)明中，所述步驟①中CFF與PPS薄膜或PPS無(wú)紡布交替疊層共為3?51層，上、下表層為PPS薄膜或PPS無(wú)紡布；或CFF與PA6薄膜或PA6無(wú)紡布交替疊層共為3?51層，上、下表層為PA6薄膜或PA6無(wú)紡布。
[0033]本發(fā)明中，所述步驟①中熔融前將CFF與PPS薄膜或PPS無(wú)紡布交替疊層放置于模具中；或?qū)FF與PA6薄膜或PA6無(wú)紡布交替疊層放置于模具中。
[0034]本發(fā)明中，所述步驟⑤中自然冷卻至室溫后進(jìn)行脫模步驟，即制得PPS/CFF熱塑性復(fù)合材料或PA6/CFF熱塑性復(fù)合材料。
[0035]本發(fā)明中，所述PA6的重均分子量為15000?30000 ;所述PPS的重均分子量為30000 ?120000。
[0036]本發(fā)明中，經(jīng)過(guò)步驟⑤得到的PA6/CFF熱塑性復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度達(dá)到50_110kJ/m2，拉伸強(qiáng)度達(dá)到300-600MPa ;同時(shí)孔隙率小于2% ;得到的PPS/CFF熱塑性復(fù)合材料孔隙率小于2%，沖擊強(qiáng)度可達(dá)50-65kJ/m2，拉伸強(qiáng)度可達(dá)760_1000MPa。
[0037]由于采用了如上技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0038]通過(guò)本發(fā)明的一種制備熱塑性復(fù)合材料汽車(chē)大型覆蓋件的方法制備的汽車(chē)大型覆蓋件，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到300-1000MPa，符合汽車(chē)大型覆蓋件的力學(xué)性能需求，且比重小(密度僅為1.4-1.6g/cm3)、韌性高(沖擊強(qiáng)度達(dá)到50-100kJ/m2左右)、可以回收、成型時(shí)間短。生產(chǎn)制造容易，生產(chǎn)成本低。
【具體實(shí)施方式】
[0039]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0040]實(shí)施例1
[0041]一種制備熱塑性復(fù)合材料汽車(chē)大型覆蓋件的方法，首先將CFF與PPS薄膜疊層前先對(duì)CFF進(jìn)行表面處理，所述表面處理的步驟為:
[0042](I)將表面改性劑KH-570與溶劑丙酮按質(zhì)量百分比I %充分混合；
[0043](2)將CFF在N2氣、350°C下，經(jīng)3小時(shí)進(jìn)行去漿活化處理；
[0044](3)將經(jīng)步驟⑵處理的CFF在20°C下，置于步驟(I)配置的溶液中，浸泡I小時(shí)，然后置于70°C烘箱中進(jìn)行干燥處理6小時(shí)，得到經(jīng)表面處理的CFF。
[0045]然后進(jìn)行以下步驟:
[0046](I)熔融:將CFF與重均分子量為30000的PPS薄膜交替疊層3層，上、下表層為PPS薄膜，升溫至320°C，使PPS薄膜全部熔融；
[0047](2)浸潤(rùn):待PPS薄膜全部熔融后對(duì)PPS熔體和CFF加載至0.5MPa，使PPS熔體對(duì)CFF充分浸潤(rùn)；
[0048](3)降溫:以40 °C /min的降溫速率對(duì)浸潤(rùn)了 PPS的CFF進(jìn)行降溫，降溫至240 °C ;
[0049](4)加載:在240°C時(shí)，加載至3MPa，并在最大壓力值時(shí)，保載5min ；
[0050](5)冷卻:釋放壓力至常壓，且自然冷卻至室溫，即制得低孔隙率