CN103009726B - 一种复合材料车板及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合材料车板及其制备方法和应用。所述车板包括面板(1)、芯材(2)和轻质夹芯材料(3)；面板(1)包含超高分子量聚乙烯纤维，芯材(2)包含玻璃纤维、碳纤维或混杂纤维；轻质夹芯材料(3)夹置在芯材(2)中间，面板(1)全覆于芯材(2)的上下表面；面板(1)、芯材(2)和轻质夹芯材料(3)由同一热固性树脂固化成一体结构。本发明提供的复合材料车板，综合性能尤其是耐磨性能大大提高，从而在保持承重能力的基础上，实现轻质和耐磨损方面以替代钢的突破，特别适用于卡车车厢底板和侧板、集装箱底板等；并且制备方法简单，便于操作，适合工业化推广和应用。

Description

一种复合材料车板及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及车板领域，特别涉及一种复合材料车板，以及它的制备方法和应用。
背景技术
车辆底板和侧板是各种车辆的一个重要组成部分，是车辆的主要承重部件之一。在当前车辆制造行业中，车辆底板和侧板的主要材料有钢、铝合金等金属材料和木胶合板、竹胶合板等胶合板材料。
专利申请号为200810022036.4、公开号为CN101314367A的中国发明专利申请公开了一种复合材料车辆底板，具有重量轻，良好的隔热、隔振、隔声性能。但其面板为玻璃纤维复合材料层板或碳纤维复合材料层板或其二者的混杂复合材料层板，用于装储和运输煤、金矿、铜矿、铝矿、铁矿等时，容易造成车板的磨损和划伤，长期耐磨性能不够理想。
超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)纤维是一种新型纤维材料，以该种纤维作为骨架制成的复合材料不仅具有轻质高强的性质，还具有良好的耐磨性和抗冲击性能。
然而，该种纤维因其表面惰性而较难与树脂粘合，且其熔点低，在使用和再加工过程中不能超过130℃。如何研发一种工艺相对简单，可以将超高分子量聚乙烯纤维与树脂较好结合，并且各层纤维板很好地结合，然后加工成为一体的车用轻质耐磨材料，以克服现有材料存在的缺陷，是本领域当前重要的研发目标之一。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术问题，提供一种复合材料车板，使得超高分子量聚乙烯纤维与树脂较好结合，并使各层纤维板结合成一体，加工得到复合材料车板，在保持承重能力的基础上，具有轻质耐磨的优点。
本发明提供的一种复合材料车板，包括面板、芯材和轻质夹芯材料；所述面板包含超高分子量聚乙烯纤维，所述芯材包含玻璃纤维、碳纤维或混杂纤维；所述轻质夹芯材料夹置在芯材中间，面板全覆盖于芯材的上下表面；所述面板、芯材和轻质夹芯材料由同一热固性树脂固化成一体结构。
其中，所述面板是以单轴向、双轴向或多轴向的超高分子量聚乙烯纤维布为增强体，热固性树脂为基体制成的超高分子量聚乙烯纤维复合材料层板。
其中，所述面板的纤维复合材料层板厚度为2～10mm。其中纤维的百分含量控制在60％～70％为宜。根据板的厚度和纤维的含量可以将纤维铺覆多层。
采用所有规格的超高分子量聚乙烯纤维均能实现本发明。主要性能参数有：密度为0.97g/cm3，比拉伸强度为30-38cN/dtex，比拉伸模量为1100cN/dtex，熔点为140～152℃。
其中，所述芯材是以单轴向、双轴向或多轴向的碳纤维、玻璃纤维或混杂纤维布为增强体，热固性树脂为基体制成的纤维复合材料层板。所述混杂纤维为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维。
其中，所述芯材的纤维复合材料层板厚度为20～40mm。其中纤维的百分含量控制在60％～70％为宜。根据板的厚度和纤维的含量可以将纤维铺覆多层。
采用所有规格的玻璃纤维和碳纤维均可以实现本发明。
其中，所述轻质夹芯材料是巴尔沙木(Balsa木)、泡桐木、杉木、橡木、胶合板、聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫或碳泡沫。
其中，所述轻质夹芯材料的厚度为5～20mm，轻质夹芯材相互之间的间隔为10～50mm。
本发明的复合材料车板，面板、芯材和轻质夹芯材料由同一热固性树脂固化一体成型。可以先得到所述面板和芯材的复合材料层板，再铺设加压成型；其中，制得复合材料层板所使用的基体是同一热固性树脂；也可以先铺设好车板各层纤维结构，再用同一热固性树脂进行一体固化。
其中，作为所述面板和芯材复合材料层板基体和一体固化使用的热固性树脂可以是改性的乙烯基树脂或改性的环氧树脂，固化温度为40℃～130℃；优选为环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂、环氧丙烯酸乙烯基酯树脂、异氰酸酯改性的乙烯酯树脂或橡胶改性的环氧树脂。
本发明的另一目的，在于提供一种所述复合材料车板的制备方法，包括以下步骤：
1)用同一热固性树脂分别浸润面板和芯材的纤维布；
2)将浸润过的面板纤维布铺在模具内，在其表面铺上浸润过的的芯材纤维布，间隔布置有轻质夹芯材料；
3)再次铺上浸润过的面板纤维布；
4)铺设完成后，对表面加载压力，固化成型，即得到所述复合材料车板。
或者，还可以采取另一种方法，包括如下步骤：
1)将面板纤维布铺在模具内，在其表面铺上芯材纤维布，间隔布置有轻质夹芯材料；
2)再次铺上面板纤维布；
3)铺设完成后，封闭模具，充入热固性树脂；
4)对表面加载压力，固化成型，即得到所述复合材料车板。
其中，所述面板纤维布为超高分子量聚乙烯纤维布；芯材纤维布为玻璃纤维布、碳纤维布或混杂纤维布。
其中，在复合材料制备过程中，对表面加载的压力为0.6Mpa-2.0Mpa。
其中，所述热固性树脂、轻质夹芯材料和混杂纤维的限定同本发明内容所述复合材料车板中相应的限定。
本发明内容提供的复合材料车板，主要应用于卡车车厢和集装箱。
本发明具有以下有益效果：
本发明是采用最新的复合材料技术制造的新型复合材料车板，面板由高强度、高模量的超高分子量聚乙烯纤维与树脂材料固化而成，主要用于加强复合材料车板的耐磨、抗冲击和减振性能；芯材为玻璃纤维或碳纤维与树脂复合材料，具有良好的受力性能，主要承受弯曲变形引起的正应力，用于加强复合材料车板的承载能力，同时降低车身重量，也有利于提高车辆的载重量；采用泡沫、轻质木材等轻质夹芯材料，用于进一步减轻复合材料车板的重量，同时也可以节省成本。
总之，本发明提供的复合材料车板，综合性能尤其是耐磨性能大大提高，从而在保持承重能力的基础上，实现轻质和耐磨损方面以替代钢的突破，特别适用于卡车车厢底板和侧板、集装箱底板等；并且制备方法简单，便于操作，适合工业化推广和应用。
附图说明
图1为复合材料车板的结构示意图。
附图标记说明：1为面板，2为芯材，3为轻质夹芯材料。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例使用到的超高分子量聚乙烯纤维为北京同益中特种纤维技术开发有限公司产品。
超高分子量聚乙烯纤维表面改性方法为现有技术常用的方法，如等离子体处理法、氧化法、接枝法以及压延法、涂层法、电晕放电法等。超高分子量聚乙烯纤维密度为0.97g/cm3。
实施例1
一种重型卡车用轻质耐磨车厢底板，为本发明所涉及的复合材料车板中的一种，其面板1(覆于芯材2之上)由环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂和1200dtex超高分子量聚乙烯纤维单向布固化而成，面板厚度为2mm，纤维百分含量为60％。芯材2为同一环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂和48K碳纤维单向布固化而成，芯材厚度为20mm，纤维百分含量为60％，且芯材2中间间隔放置有厚度为5mm的轻质夹芯材料3巴尔沙木(Balsa木)，Balsa木相互之间的间隔为10mm。制作过程如下：首先，超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，其次，用配好的环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂体系浸润改性的超高分子量聚乙烯纤维单向布和碳纤维单向布，接着，将浸润过环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布铺在模具内，在其表面铺上浸润过环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂的碳纤维单向布，间隔布置有Balsa木，并再次铺上浸润过环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布。铺设完成后，在试件表面加载0.6MPa的压力，保证其成型质量。在70℃下进行加热固化，待试件内树脂完全固化后，即可得到所需要的车厢底板。40mm厚的复合材料车板每平米重量为22Kg，与相似性能碳钢车板比较，重量减轻了29％。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1452-2005对复合车板的拉伸强度进行测试，实验重复六次，测得该车板的拉伸强度为213Mpa，拉伸模量为10.3Gpa。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1456-2005对复合车板的弯曲强度进行测试。实验重复六次，弯曲强度为211Mpa。采用落锤式冲击试验机，实验重复三次，测得复合车板单位面密度的比抗冲击强度为23J·m2/kg。采用带有橡胶研磨轮的磨耗试验机，在室温25-30℃，湿度45％-55％对复合车板的摩擦系数进行测试，接触面受力为1000g，研磨轮转速为1000r，测得表面磨耗为35mg/cm2。
实施例2
一种重型卡车用轻质耐磨车厢侧板，为本发明所涉及的轻质耐磨复合材料车板中的一种，其面板1(覆于芯材2之上)由环氧丙烯酸乙烯基酯树脂和2640dtex超高分子量聚乙烯纤维双向布固化而成，面板厚度为5mm，纤维百分含量为70％。芯材2为同一环氧丙烯酸乙烯基酯树脂和1200dtex玻璃纤维单向布固化而成，芯材厚度为30mm，纤维百分含量为70％，且芯材2中间间隔放置有厚度为10mm的轻质夹芯材料3泡桐木，泡桐木相互之间的间隔为20mm。制作过程如下：首先，超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，其次，用配好的环氧丙烯酸乙烯基酯树脂体系浸润改性的超高分子量聚乙烯纤维双向布和玻璃纤维单向布，接着，将超高分子量聚乙烯纤维双向布铺在模具内，在其表面铺上玻璃纤维单向布，间隔布置有泡桐木，并再次铺上超高分子量聚乙烯纤维双向布。铺设完成后，密闭模具，充入环氧丙烯酸乙烯基酯树脂，并在试件表面加载0.6MPa的压力，保证其成型质量。在85℃下进行加热固化，待试件内树脂完全固化后，即可得到所需要的车厢侧板。40mm厚的复合材料车板每平米重量为31Kg，与相似性能碳钢车板比较，重量减轻了25％。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1452-2005对复合车板的拉伸强度进行测试，实验重复六次，测得该车板的拉伸强度为190Mpa，拉伸模量为9.6Gpa。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1456-2005对复合车板的弯曲强度进行测试。实验重复六次，弯曲强度为200Mpa。采用落锤式冲击试验机，实验重复三次，测得复合车板单位面密度的比抗冲击强度为21J·m2/kg。采用带有橡胶研磨轮的磨耗试验机，在室温25-30℃，湿度45％-55％对复合车板的摩擦系数进行测试，接触面受力为1000g，研磨轮转速为1000r，测得表面磨耗为33mg/cm2。
实施例3
一种集装箱用轻质耐磨底板，其面板1(覆于芯材2之上)由异氰酸酯改性的乙烯酯树脂和1200dtex超高分子量聚乙烯纤维单向布固化而成，面板厚度为8mm，纤维百分含量为60％。芯材2为同一异氰酸酯改性的乙烯酯树脂和12K碳纤维斜纹布固化而成，芯材厚度为16mm，纤维百分含量为70％。且芯材2中间间隔放置有厚度为5mm的轻质夹芯材料3泡桐木，泡桐木相互之间的间隔为10mm。制作过程如下：首先，超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，其次，用配好的异氰酸酯改性的乙烯酯树脂体系浸润改性的超高分子量聚乙烯纤维单向布和碳纤维斜纹布，接着，将浸润过异氰酸酯改性的乙烯酯树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布铺在模具内，在其表面铺上浸润过异氰酸酯改性的乙烯酯树脂的碳纤维斜纹布，间隔布置有泡桐木，并再次铺上浸润过异氰酸酯改性的乙烯酯树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布。铺设完成后，在试件表面加载0.6MPa的压力，保证其成型质量。在70℃下进行加热固化，待试件内树脂完全固化后，即可得到所需要的集装箱底板。40mm厚的复合材料车板每平米重量为20Kg，与相似性能碳钢车板比较，重量减轻了30％。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1452-2005对复合车板的拉伸强度进行测试，实验重复六次，测得该车板的拉伸强度为200Mpa，拉伸模量为10Gpa。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1456-2005对复合车板的弯曲强度进行测试。实验重复六次，弯曲强度为205Mpa。采用落锤式冲击试验机，实验重复三次，测得复合车板单位面密度的比抗冲击强度为25J·m2/kg。采用带有橡胶研磨轮的磨耗试验机，在室温25-30℃，湿度45％-55％对复合车板的摩擦系数进行测试，接触面受力为1000g，研磨轮转速为1000r，测得表面磨耗为36mg/cm2。
实施例4
一种重型卡车用轻质耐磨底板，其面板1(覆于芯材2之上)由橡胶改性的环氧树脂和55dtex超高分子量聚乙烯纤维单向布固化而成，面板厚度为10mm，纤维百分含量为70％。芯材2为同一种橡胶改性的环氧树脂和6K碳纤维/玻璃纤维混杂双向布固化而成，芯材厚度为40mm，纤维百分含量为70％。且芯材2中间间隔放置有厚度为20mm的轻质夹芯材料3聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫相互之间的间隔为50mm。制作过程如下：首先，超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，其次，用配好的橡胶改性的环氧树脂体系浸润改性的超高分子量聚乙烯纤维单向布和碳纤维/玻璃纤维混杂双向布，接着，将浸润过橡胶改性的环氧树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布铺在模具内，在其表面铺上浸润过橡胶改性的环氧树脂的碳纤维/玻璃纤维混杂双向布，间隔布置有聚氨酯泡沫，并再次铺上浸润过橡胶改性的环氧树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布。铺设完成后，在试件表面加载2.0MPa的压力，保证其成型质量。在130℃下进行加热固化，待试件内树脂完全固化后，即可得到所需要的重型卡车底板。40mm厚的复合材料车板每平米重量为24Kg，与相似性能碳钢车板比较，重量减轻了27％。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1452-2005对复合车板的拉伸强度进行测试，实验重复六次，测得该车板的拉伸强度为210Mpa，拉伸模量为10.1Gpa。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1456-2005对复合车板的弯曲强度进行测试。实验重复六次，弯曲强度为195Mpa。采用落锤式冲击试验机，实验重复三次，测得复合车板单位面密度的比抗冲击强度为25J·m2/kg。采用带有橡胶研磨轮的磨耗试验机，在室温25-30℃，湿度45％-55％对复合车板的摩擦系数进行测试，接触面受力为1000g，研磨轮转速为1000r，测得表面磨耗为31mg/cm2。
实施例5
一种集装箱用轻质耐磨侧板，其面板1(覆于芯材2之上)由异氰酸酯改性的乙烯酯树脂和1200dtex超高分子量聚乙烯纤维单向布固化而成，面板厚度为2mm，纤维百分含量为60％。芯材2为同一异氰酸酯改性的乙烯酯树脂和1200dtex玻璃纤维单向布固化而成，芯材厚度为20mm，纤维百分含量为60％，且芯材2中间间隔放置有厚度为5mm的轻质夹芯材料3泡桐木，泡桐木相互之间的间隔为10mm。制作过程如下：首先，超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性，其次，用配好的异氰酸酯改性的乙烯酯树脂体系浸润改性的超高分子量聚乙烯纤维单向布和玻璃纤维单向布，接着，将浸润过异氰酸酯改性的乙烯酯树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布铺在模具内，在其表面铺上浸润过异氰酸酯改性的乙烯酯树脂的玻璃纤维单向布，间隔布置有泡桐木，并再次铺上浸润过异氰酸酯改性的乙烯酯树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布。铺设完成后，在试件表面加载1.0MPa的压力，保证其成型质量。在40℃下进行加热固化，待试件内树脂完全固化后，即可得到所需要的集装箱底板。40mm厚的复合材料车板每平米重量为20Kg，与相似性能碳钢车板比较，重量减轻了30％。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1452-2005对复合车板的拉伸强度进行测试，实验重复六次，测得该车板的拉伸强度为169Mpa，拉伸模量为9.2Gpa。采用万能材料试验机，按照国家标准GB/T1456-2005对复合车板的弯曲强度进行测试。实验重复六次，弯曲强度为175Mpa。采用落锤式冲击试验机，实验重复三次，测得复合车板单位面密度的比抗冲击强度为19J·m2/kg。采用带有橡胶研磨轮的磨耗试验机，在室温25-30℃，湿度45％-55％对复合车板的摩擦系数进行测试，接触面受力为1000g，研磨轮转速为1000r，测得表面磨耗为38mg/cm2。
上述复合材料车板的制备方法多样，可以采用手糊工艺、真空袋成型工艺、真空导入成型工艺等。使用上述方法只要使用同一树脂进行一体固化，均能实现本发明的所述效果。

Claims (1)

1.一种重型卡车用轻质耐磨车厢底板，其特征在于，其面板(1)由环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂和1200dtex超高分子量聚乙烯纤维单向布固化而成，面板厚度为2mm，纤维百分含量为60％，芯材(2)为同一环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂和48K碳纤维单向布固化而成，芯材厚度为20mm，纤维百分含量为60％，且芯材(2)中间间隔放置有厚度为5mm的轻质夹芯材料(3)巴尔沙木，巴尔沙木相互之间的间隔为10mm；
所述重型卡车用轻质耐磨车厢底板的制作过程如下：
(1)超高分子量聚乙烯纤维进行表面改性；
(2)用配好的环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂体系浸润由改性的超高分子量聚乙烯纤维制备的单向布和碳纤维单向布；
(3)将浸润过环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布铺在模具内，在其表面铺上浸润过环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂的碳纤维单向布，间隔布置有巴尔沙木，并再次铺上浸润过环氧甲基丙烯酸乙烯基树脂的超高分子量聚乙烯纤维单向布；
(4)铺设完成后，在试件表面加载0.6MPa的压力，保证其成型质量，在70℃下进行加热固化，待试件内树脂完全固化后，即可得到所需要的车厢底板。
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