一種汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車用復(fù)合材料制品，尤其涉及一種以短切預(yù)氧絲為增強(qiáng)體，聚丙烯纖維為樹脂基體，基于非織造工藝和熱壓工藝制備具有優(yōu)良力學(xué)性能的預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著汽車輕量化、安全化、舒適化和環(huán)保、低耗能趨勢(shì)的發(fā)展，塑料及其復(fù)合材料越來越多地應(yīng)用于汽車工業(yè)，纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料就是其中應(yīng)用得較多的材料，其在汽車工業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。而開發(fā)一種基于非織造-熱壓工藝汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，主要是基于以下考慮:
[0003]基于非織造-熱壓工藝制備汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，力學(xué)性能優(yōu)良，生產(chǎn)環(huán)境友好。這主要是由于制備工藝是以纖維原材料開始，經(jīng)過非織造工藝使得纖維原材料按照設(shè)計(jì)配比準(zhǔn)確地均勻混合于復(fù)合材料體系中，與普通浸潤(rùn)將增強(qiáng)體與樹脂復(fù)合并敞開模壓工藝相比，增強(qiáng)纖維和樹脂基體含量準(zhǔn)確，不會(huì)造成原料浪費(fèi)。
[0004]聚丙烯晴原絲在預(yù)氧化過程中，線性分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，使得預(yù)氧絲在火焰中不熔、持續(xù)保持纖維形態(tài)直至碳化。預(yù)氧絲極限氧指數(shù)高達(dá)40%，屬于不燃纖維，其能耐受300°C以上的溫度。這就拓寬了預(yù)氧絲增強(qiáng)復(fù)合材料制品制造工藝的選擇范圍和作為汽車零部件的潛在應(yīng)用范圍，并且保證了制品使用的安全性;作為碳纖維前驅(qū)體的預(yù)氧絲，相較于碳纖維價(jià)格較低，這就大大降低了最終制品的生產(chǎn)成本。
[0005]另外，熱塑性復(fù)合材料具有密度小、強(qiáng)度高;熱性能一般在增強(qiáng)材料的加入后會(huì)有所提高；線膨脹系數(shù)小，降低制品成型過程中的收縮率，提高制品尺寸精度；良好的耐水性和介電性能;可重復(fù)加工成型，廢品可以回收利用，不會(huì)造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，提供一種以短切預(yù)氧絲為增強(qiáng)體，聚丙烯纖維為樹脂基體的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。同時(shí)基于非織造-熱壓工藝制備的復(fù)合材料因?yàn)樵鰪?qiáng)體和樹脂基體都是以纖維形式均勻混合而具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和優(yōu)良的力學(xué)性能。
[0007]本發(fā)明為了解決上述問題所提供的技術(shù)方案是，提供一種預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品，包括:以短切預(yù)氧絲為增強(qiáng)體纖維，聚丙烯纖維為樹脂基體，利用非織造工藝將兩種纖維均勻混合直至預(yù)制件成型，然后對(duì)混合纖維預(yù)制件進(jìn)行熱壓處理，從而制得具有優(yōu)良力學(xué)性能的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。
[0008]短切預(yù)氧絲和聚丙烯纖維長(zhǎng)度為38-65mm，纖維細(xì)度為1.67-6.67dtex。
[0009]基于非織造工藝預(yù)制件的制備，具體實(shí)施包括:
[0010]按照一定的配比，分別稱取一定量的預(yù)氧絲短切纖維和聚丙烯纖維，對(duì)混合纖維開松兩遍；
[0011 ]在蓬松的混合纖維上均勻地噴灑一定濃度的抗靜電劑，封裝8-24小時(shí)；
[0012]將混合纖維在梳理機(jī)上梳理兩遍；
[0013]將網(wǎng)胎送入針刺機(jī)進(jìn)行針刺加固；
[0014]將經(jīng)過正反面針刺的預(yù)氧絲/聚丙烯纖維預(yù)制體裁剪成規(guī)定的尺寸大小，鋪層數(shù)為2-20層，按照所設(shè)計(jì)的鋪層角度鋪層而制得復(fù)合材料預(yù)制件。
[0015]復(fù)合材料熱壓工藝，具體實(shí)施包括:
[0016]使用塑料制品液壓機(jī)對(duì)復(fù)合材料預(yù)制件進(jìn)行熱壓處理，將預(yù)制件放入特制模具，零壓，從室溫開始升溫；
[0017]升溫至80-100Γ，加壓到3_5MPa;
[0018]升溫至160_170°C，加壓到8-10MPa;
[0019]保溫保壓10-60分鐘；
[0020]升溫至熱壓溫度，加壓到熱壓壓力；
[0021]保溫保壓20-60分鐘；
[0022]自然冷卻至室溫，脫模取出。
[0023]本發(fā)明技術(shù)方案概述如下:
[0024]以短切預(yù)氧絲為增強(qiáng)體，以聚丙烯纖維為樹脂基體，基于非織造工藝將二者以纖維形式均勻混合制備混雜纖維預(yù)制件，再經(jīng)熱壓處理將熱塑性的聚丙烯纖維熔融，熔體冷卻固化后將預(yù)氧絲包覆粘結(jié)而最終制得力學(xué)性能優(yōu)良的汽車用熱塑性復(fù)合材料。其中，復(fù)合材料體系中預(yù)氧絲體積百分?jǐn)?shù)、熱壓溫度以及熱壓壓力等因素對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能有較大的影響。
[0025]有益效果:
[0026]增強(qiáng)體和樹脂基體都是以纖維形式基于非織造工藝均勻混合，相對(duì)于普通浸潤(rùn)法將增強(qiáng)體與樹脂復(fù)合的工藝，本發(fā)明可以使得增強(qiáng)體纖維按照準(zhǔn)確的體積百分比含量均勻分散于復(fù)合材料體系中，從而使得制品具有良好的可設(shè)計(jì)性和優(yōu)良的力學(xué)性能；相對(duì)于平板敞開式模壓工藝，本發(fā)明可以做到樹脂原料無浪費(fèi)，而且生產(chǎn)環(huán)境友好、工藝簡(jiǎn)單、易于操作、成本低廉。
【附圖說明】
[0027]圖1為基于非織造工藝預(yù)制件制備流程圖；
[0028]圖2為復(fù)合材料熱壓工藝流程圖；
[0029]圖3為復(fù)合材料縱向截面形貌；
[0030]圖4為復(fù)合材料橫向截面形貌；
[0031 ]圖5為預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料縱向彎曲強(qiáng)力的影響；
[0032]圖6為預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料橫向彎曲強(qiáng)力的影響；
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面通過具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。除非特別說明，實(shí)施例中未描述的技術(shù)手段均可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的方式實(shí)現(xiàn)。另外，實(shí)施方案應(yīng)理解為說明性的，而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍僅由權(quán)利要求書所限定。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的前提下，對(duì)這些實(shí)施方案中的物料成分、用量、尺寸、形狀進(jìn)行的各種修改、替換、改進(jìn)也屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍，并且本發(fā)明所限定的具體參數(shù)應(yīng)有可允許的誤差范圍。
[0034]實(shí)施例1:汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料板材的制備
[0035]分別稱取一定量的預(yù)氧絲短切纖維和聚丙烯纖維，使得預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)為40%，混合開松兩遍；
[0036]在蓬松的混合纖維上均勻地噴灑抗靜電劑，封裝8小時(shí)；
[0037]將混合纖維在梳理機(jī)上梳理兩遍；
[0038]將網(wǎng)胎送入針刺機(jī)進(jìn)行針刺加固；
[0039]將經(jīng)過正反面針刺的預(yù)氧絲/聚丙烯纖維預(yù)制體裁剪成合適的尺寸大小，鋪層數(shù)為12層，鋪層時(shí)保證各層纖維排布方向一致。
[0040]復(fù)合材料熱壓工藝，具體實(shí)施包括:
[0041]使用塑料制品液壓機(jī)對(duì)復(fù)合材料預(yù)制件進(jìn)行熱壓處理，將預(yù)制件放入特制模具，零壓，從室溫開始升溫；
[0042]升溫至80°C，加壓到3MPa;
[0043]升溫至160 °C，加壓到I OMPa;
[0044]保溫保壓30分鐘；
[0045]升溫至190°C，加壓到20MPa;
[0046]保溫保壓20分鐘；
[0047]自然冷卻至室溫，脫模取出。
[0048]本實(shí)施例中制得的復(fù)合材料板材(制備流程圖如圖1和圖2所示)，由于復(fù)合材料預(yù)制件是基于非織造工藝制得，所以增強(qiáng)纖維與樹脂基體混合均勻，能充分發(fā)揮增強(qiáng)纖維的增強(qiáng)作用，大幅度提高最終制品的力學(xué)性能。同時(shí)由于鋪層方向一致且都保證了大多數(shù)增強(qiáng)纖維沿著縱向分布(如圖3和圖4所示)，使得復(fù)合材料縱向力學(xué)性能優(yōu)于橫向力學(xué)性能。
[0049]實(shí)施例2:預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料板材縱橫向彎曲性能的影響
[0050]分別稱取一定量的預(yù)氧絲短切纖維和聚丙烯纖維，使得預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)分別為30 %、40 %、50 %、60 %，混合開松兩遍；
[0051 ]在蓬松的混合纖維上均勻地噴灑抗靜電劑，封裝16小時(shí)；
[0052]將混合纖維在梳理機(jī)上梳理兩遍；
[0053]將網(wǎng)胎送入針刺機(jī)進(jìn)行針刺加固；
[0054]將經(jīng)過正反面針刺的預(yù)氧絲/聚丙烯纖維預(yù)制體裁剪成合適的尺寸大小，鋪層數(shù)為8層，鋪層時(shí)保證各層纖維排布方向一致。
[0055]復(fù)合材料熱壓工藝，具體實(shí)施包括:
[0056]使用塑料制品液壓機(jī)對(duì)復(fù)合材料預(yù)制件進(jìn)行熱壓處理，將預(yù)制件放入特制模具，零壓，從室溫開始升溫；
[0057]升溫至90。(:，加壓到410^;
[0058]升溫至160。(:，加壓到810^;
[0059]保溫保壓40分鐘；
[0060]升溫至180°C，加壓到20MPa;
[0061 ] 保溫保壓50分鐘；
[0062]自然冷卻至室溫，脫模取出。
[0063]本實(shí)施例中增加增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)，對(duì)復(fù)合材料板材縱橫向彎曲性能有顯著影響，影響趨勢(shì)如圖5和圖6所示。其中，最大縱橫向彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到79.90MPa,78.1 OMPa。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于非織造-熱壓工藝的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品，包括:以短切預(yù)氧絲為增強(qiáng)體，聚丙烯纖維為樹脂基體。基于非織造工藝制備混雜纖維預(yù)制件，再經(jīng)熱壓處理最終制得預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于非織造-熱壓工藝的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品，其特征在于短切預(yù)氧絲和聚丙稀纖維長(zhǎng)度為38-65mm，纖維細(xì)度為1.67-6.67dtex。3.如權(quán)利要求2所述的一種基于非織造-熱壓工藝的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品，其特征在于短切預(yù)氧絲體積分?jǐn)?shù)為10%_80%，對(duì)預(yù)氧絲/聚丙烯纖維混合開松兩遍。4.如權(quán)利要求3所述的一種基于非織造-熱壓工藝的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品，其特征在于將混合纖維在梳理機(jī)上梳理兩遍。5.如權(quán)利要求4所述的一種基于非織造-熱壓工藝的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品，其特征在于將經(jīng)過正反面針刺的預(yù)氧絲/聚丙烯纖維預(yù)制體裁剪成規(guī)定的尺寸大小，鋪層數(shù)為2-20層，按照所設(shè)計(jì)的鋪層角度鋪層而制得復(fù)合材料預(yù)制件。6.如權(quán)利要求5所述的一種基于非織造-熱壓工藝的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品，其特征在于使用特制模具對(duì)預(yù)制件進(jìn)行熱壓處理，具體步驟包括: a.使用塑料制品液壓機(jī)對(duì)復(fù)合材料預(yù)制件進(jìn)行熱壓處理，將預(yù)制件放入特制模具，零壓，從室溫開始升溫； b.升溫至80-100°C，加壓到3-5MPa; c.升溫至 160-170 °C，加壓到8-10MPa; d.保溫保壓10-60分鐘； e.升溫至熱壓溫度，加壓到熱壓壓力； f.保溫保壓20-60分鐘； g.自然冷卻至室溫，脫模取出。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種以短切預(yù)氧絲為增強(qiáng)體，聚丙烯纖維為樹脂基體，基于非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車用預(yù)氧絲增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料制品。具體的制備方法是：(1)基于非織造工藝預(yù)制件的制備：短切預(yù)氧絲和聚丙烯纖維按照一定比例經(jīng)過混合開松、梳理成網(wǎng)、針刺加固和裁剪鋪層的工藝制得預(yù)制件。(2)基于熱壓工藝復(fù)合材料的制備：預(yù)制件在一定的溫度和壓力作用下熱壓成型。復(fù)合材料制品可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且生產(chǎn)環(huán)境友好、工藝簡(jiǎn)單、易于操作、成本低廉。
【IPC分類】B29C70/54, B29C70/34
【公開號(hào)】CN105619837
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510888127
【發(fā)明人】趙曉明, 梁騰隆, 朱榮桂, 倪非非
【申請(qǐng)人】趙曉明
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2015年12月4日