CN105619837A - 一种汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以短切预氧丝为增强体，聚丙烯纤维为树脂基体，基于非织造工艺和热压工艺制备的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品。具体的制备方法是：(1)基于非织造工艺预制件的制备：短切预氧丝和聚丙烯纤维按照一定比例经过混合开松、梳理成网、针刺加固和裁剪铺层的工艺制得预制件。(2)基于热压工艺复合材料的制备：预制件在一定的温度和压力作用下热压成型。复合材料制品可设计性强，具有优良的力学性能，而且生产环境友好、工艺简单、易于操作、成本低廉。

Description

一种汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品及其制备方法
技术领域
本发明涉及汽车用复合材料制品，尤其涉及一种以短切预氧丝为增强体，聚丙烯纤维为树脂基体，基于非织造工艺和热压工艺制备具有优良力学性能的预氧丝增强热塑性复合材料制品及其方法。
背景技术
随着汽车轻量化、安全化、舒适化和环保、低耗能趋势的发展，塑料及其复合材料越来越多地应用于汽车工业，纤维增强的热塑性复合材料就是其中应用得较多的材料，其在汽车工业上的应用已经十分广泛。而开发一种基于非织造-热压工艺汽车用预氧丝增强热塑性复合材料，主要是基于以下考虑：
基于非织造-热压工艺制备汽车用预氧丝增强热塑性复合材料可设计性强，力学性能优良，生产环境友好。这主要是由于制备工艺是以纤维原材料开始，经过非织造工艺使得纤维原材料按照设计配比准确地均匀混合于复合材料体系中，与普通浸润将增强体与树脂复合并敞开模压工艺相比，增强纤维和树脂基体含量准确，不会造成原料浪费。
聚丙烯晴原丝在预氧化过程中，线性分子结构转化成耐热的梯形结构，使得预氧丝在火焰中不熔、持续保持纤维形态直至碳化。预氧丝极限氧指数高达40％，属于不燃纤维，其能耐受300℃以上的温度。这就拓宽了预氧丝增强复合材料制品制造工艺的选择范围和作为汽车零部件的潜在应用范围，并且保证了制品使用的安全性；作为碳纤维前驱体的预氧丝，相较于碳纤维价格较低，这就大大降低了最终制品的生产成本。
另外，热塑性复合材料具有密度小、强度高；热性能一般在增强材料的加入后会有所提高；线膨胀系数小，降低制品成型过程中的收缩率，提高制品尺寸精度；良好的耐水性和介电性能；可重复加工成型，废品可以回收利用，不会造成环境污染等优点。
发明内容
本发明解决的技术问题是，提供一种以短切预氧丝为增强体，聚丙烯纤维为树脂基体的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料。同时基于非织造-热压工艺制备的复合材料因为增强体和树脂基体都是以纤维形式均匀混合而具有较强的可设计性和优良的力学性能。
本发明为了解决上述问题所提供的技术方案是，提供一种预氧丝增强热塑性复合材料制品，包括：以短切预氧丝为增强体纤维，聚丙烯纤维为树脂基体，利用非织造工艺将两种纤维均匀混合直至预制件成型，然后对混合纤维预制件进行热压处理，从而制得具有优良力学性能的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料。
短切预氧丝和聚丙烯纤维长度为38-65mm，纤维细度为1.67-6.67dtex。
基于非织造工艺预制件的制备，具体实施包括：
按照一定的配比，分别称取一定量的预氧丝短切纤维和聚丙烯纤维，对混合纤维开松两遍；
在蓬松的混合纤维上均匀地喷洒一定浓度的抗静电剂，封装8-24小时；
将混合纤维在梳理机上梳理两遍；
将网胎送入针刺机进行针刺加固；
将经过正反面针刺的预氧丝/聚丙烯纤维预制体裁剪成规定的尺寸大小，铺层数为2-20层，按照所设计的铺层角度铺层而制得复合材料预制件。
复合材料热压工艺，具体实施包括：
使用塑料制品液压机对复合材料预制件进行热压处理，将预制件放入特制模具，零压，从室温开始升温；
升温至80-100℃，加压到3-5MPa；
升温至160-170℃，加压到8-10MPa；
保温保压10-60分钟；
升温至热压温度，加压到热压压力；
保温保压20-60分钟；
自然冷却至室温，脱模取出。
本发明技术方案概述如下：
以短切预氧丝为增强体，以聚丙烯纤维为树脂基体，基于非织造工艺将二者以纤维形式均匀混合制备混杂纤维预制件，再经热压处理将热塑性的聚丙烯纤维熔融，熔体冷却固化后将预氧丝包覆粘结而最终制得力学性能优良的汽车用热塑性复合材料。其中，复合材料体系中预氧丝体积百分数、热压温度以及热压压力等因素对复合材料力学性能有较大的影响。
有益效果：
增强体和树脂基体都是以纤维形式基于非织造工艺均匀混合，相对于普通浸润法将增强体与树脂复合的工艺，本发明可以使得增强体纤维按照准确的体积百分比含量均匀分散于复合材料体系中，从而使得制品具有良好的可设计性和优良的力学性能；相对于平板敞开式模压工艺，本发明可以做到树脂原料无浪费，而且生产环境友好、工艺简单、易于操作、成本低廉。
附图说明
图1为基于非织造工艺预制件制备流程图；
图2为复合材料热压工艺流程图；
图3为复合材料纵向截面形貌；
图4为复合材料横向截面形貌；
图5为预氧丝体积分数对复合材料纵向弯曲强力的影响；
图6为预氧丝体积分数对复合材料横向弯曲强力的影响；
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，进一步阐述本发明。除非特别说明，实施例中未描述的技术手段均可以用本领域技术人员所公知的方式实现。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分、用量、尺寸、形状进行的各种修改、替换、改进也属于本发明的保护范围，并且本发明所限定的具体参数应有可允许的误差范围。
实施例1：汽车用预氧丝增强热塑性复合材料板材的制备
分别称取一定量的预氧丝短切纤维和聚丙烯纤维，使得预氧丝体积分数为40％，混合开松两遍；
在蓬松的混合纤维上均匀地喷洒抗静电剂，封装8小时；
将混合纤维在梳理机上梳理两遍；
将网胎送入针刺机进行针刺加固；
将经过正反面针刺的预氧丝/聚丙烯纤维预制体裁剪成合适的尺寸大小，铺层数为12层，铺层时保证各层纤维排布方向一致。
复合材料热压工艺，具体实施包括：
使用塑料制品液压机对复合材料预制件进行热压处理，将预制件放入特制模具，零压，从室温开始升温；
升温至80℃，加压到3MPa；
升温至160℃，加压到10MPa；
保温保压30分钟；
升温至190℃，加压到20MPa；
保温保压20分钟；
自然冷却至室温，脱模取出。
本实施例中制得的复合材料板材(制备流程图如图1和图2所示)，由于复合材料预制件是基于非织造工艺制得，所以增强纤维与树脂基体混合均匀，能充分发挥增强纤维的增强作用，大幅度提高最终制品的力学性能。同时由于铺层方向一致且都保证了大多数增强纤维沿着纵向分布(如图3和图4所示)，使得复合材料纵向力学性能优于横向力学性能。
实施例2：预氧丝体积分数对复合材料板材纵横向弯曲性能的影响
分别称取一定量的预氧丝短切纤维和聚丙烯纤维，使得预氧丝体积分数分别为30％、40％、50％、60％，混合开松两遍；
在蓬松的混合纤维上均匀地喷洒抗静电剂，封装16小时；
将混合纤维在梳理机上梳理两遍；
将网胎送入针刺机进行针刺加固；
将经过正反面针刺的预氧丝/聚丙烯纤维预制体裁剪成合适的尺寸大小，铺层数为8层，铺层时保证各层纤维排布方向一致。
复合材料热压工艺，具体实施包括：
使用塑料制品液压机对复合材料预制件进行热压处理，将预制件放入特制模具，零压，从室温开始升温；
升温至90℃，加压到4MPa；
升温至160℃，加压到8MPa；
保温保压40分钟；
升温至180℃，加压到20MPa；
保温保压50分钟；
自然冷却至室温，脱模取出。
本实施例中增加增强纤维的体积分数，对复合材料板材纵横向弯曲性能有显著影响，影响趋势如图5和图6所示。其中，最大纵横向弯曲强度分别达到79.90MPa、78.10MPa。

Claims (6)

1.一种基于非织造-热压工艺的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品，包括：以短切预氧丝为增强体，聚丙烯纤维为树脂基体。基于非织造工艺制备混杂纤维预制件，再经热压处理最终制得预氧丝增强热塑性复合材料。
2.如权利要求1所述的一种基于非织造-热压工艺的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品，其特征在于短切预氧丝和聚丙烯纤维长度为38-65mm，纤维细度为1.67-6.67dtex。
3.如权利要求2所述的一种基于非织造-热压工艺的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品，其特征在于短切预氧丝体积分数为10％-80％，对预氧丝/聚丙烯纤维混合开松两遍。
4.如权利要求3所述的一种基于非织造-热压工艺的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品，其特征在于将混合纤维在梳理机上梳理两遍。
5.如权利要求4所述的一种基于非织造-热压工艺的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品，其特征在于将经过正反面针刺的预氧丝/聚丙烯纤维预制体裁剪成规定的尺寸大小，铺层数为2-20层，按照所设计的铺层角度铺层而制得复合材料预制件。
6.如权利要求5所述的一种基于非织造-热压工艺的汽车用预氧丝增强热塑性复合材料制品，其特征在于使用特制模具对预制件进行热压处理，具体步骤包括：
a.使用塑料制品液压机对复合材料预制件进行热压处理，将预制件放入特制模具，零压，从室温开始升温；
b.升温至80-100℃，加压到3-5MPa；
c.升温至160-170℃，加压到8-10MPa；
d.保温保压10-60分钟；
e.升温至热压温度，加压到热压压力；
f.保温保压20-60分钟；
g.自然冷却至室温，脱模取出。
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