CN109401335A - 一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料由以下重量份数的原料组成：20～40份改性碳纤维、5～8份芳香族聚酰胺纤维、30～60份有机硅改性饱和聚酯树脂、10～20份聚氨酯橡胶、1～2份二氧化钛、1.5～3份氧化铈、0.5～1份紫外线吸收剂、5～8份固化剂、5～15份助剂、0.5～3份陶瓷质晶须和0.5～1.5份相容剂。本发明童车用的轻质环保碳纤维复合材料，整体强度高、质量轻、安全环保，而且制造成本低、经济耐用。本发明还公开了一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料的制备方法。

Description

一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，具体的说涉及一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
童车是儿童玩具之中的一大门类，其中包括儿童自行车、儿童推车、婴儿学步车、儿童三轮车，儿童电动车五大类。童车产品是涉及到儿童安全的产品，因此在生产制造过程中，尽量避免使用有毒有害类的物质。
现有童车车身材料主要由金属材料和非金属材料制成，金属材料如钢、镁、铝及其合金等，虽然这些金属材料制成的车身板能满足强度、刚度、耐腐蚀和拉延性等方面性能要求，但是金属材料的密度高，制成的车身板较重，而且金属材料的成本高，需要进行金加工工艺，加工费用高，生产周期长。而现有非金属材料如塑料等，虽然成本较低、安全性能好，但是整体强度低、使用寿命短、环保性能较低。
因此，亟需开发一种整体强度高、使用寿命长，但轻质、环保、安全的童车复合材料，以满足童车经济耐用，安全环保的需求。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足之处，本发明的主要目的之一在于提供一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料，以满足童车经济耐用，安全环保的需求。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料由以下重量份数的原料组成：20～40份改性碳纤维、5～8份芳香族聚酰胺纤维、30～60份有机硅改性饱和聚酯树脂、10～20份聚氨酯橡胶、1～2份二氧化钛、1.5～3份氧化铈、0.5～1份紫外线吸收剂、5～8份固化剂、5～15份助剂、0.5～3份陶瓷质晶须和0.5～1.5份相容剂。
所述助剂由0.5～2重量份山梨醇、0.5～1.5重量份乙酸乙酯、0.5～1.2重量份亚烷基碳酸酯、0.3～0.8重量份二乙基二硫代氨基甲酸钠、0.2～0.5重量份2-硫醇基苯并咪唑锌盐和3～9重量份去离子水组成。
所述相容剂为饱和聚酯/聚氨酯共聚物。
所述固化剂为羟烷基酰胺。
所述陶瓷质晶须为碳化硅晶须、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须中的一种或多种。
本发明用于童车的复合材料为碳纤维复合材料，用碳纤维复合材料制作的儿童汽车车身最大的优点就是质量轻、强度大、安全、环保。但是碳纤维成本较高，且与基体的结合能力较差，而且各向异性，通过降低碳纤维的使用量并进行改性处理，同时添加芳香族聚酰胺纤维和陶瓷质晶须，利用芳香族聚酰胺纤维的多个活性官能团可以有效提高与基体的结合力，使童车具有高强度、高模量的性能要求，降低了整体的生产成本，通过有机硅改性饱和聚酯树脂和聚氨酯橡胶的复配，可以增加碳纤维与基体的结合力，使童车具备保持了聚氨酯橡胶的弹性性能，提高了童车的安全性能。
碳纤维高弹性模量使其可以承受长期静荷载，但是断裂伸长率小，通过添加芳香族聚酰胺纤维可以改善承受动载和局部冲击作用的性能要求。
通过添加二氧化钛、氧化铈和紫外线吸收剂，可以防止碳纤维与有机硅改性饱和聚酯树脂和聚氨酯橡胶的界面结合处，在长时间室外严苛环境的使用后容易出现老化、开裂等现象，同时当其填充在聚酯树脂和聚氨酯橡胶的空隙处，可以进一步增强童车的强度，防止童车局部损坏的发生。
通过陶瓷质晶须的添加，使其均匀的分布在碳纤维和有机硅改性饱和聚酯树脂和聚氨酯橡胶的界面接触处，以增强童车的整体强度。
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂在30wt％醋酸钯的乙醇溶液中进行改性反应，得到有机硅改性饱和聚酯树脂；
S2：将碳纤维放置于沉积炉内，并将沉积炉抽真空后通入氩气保护，保持炉内压力为50～80Pa，然后向沉积炉内通入短链烷烃和氢气的混合气，以碳纤维作为阳极在直流电源的作用下，在碳纤维表面沉积形成碳氢化合物涂层；
S3：在步骤S2所得的碳纤维涂层表面涂覆乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的混合溶液，所述乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的质量比为10～20：15～30：50～75，然后在氧气气氛中进行加热处理，加热温度100～150℃，加热时间为30～60s，最后称取5份有机硅改性饱和聚酯树脂涂覆在100份碳纤维涂层表面，固化后得到改性碳纤维；
S4：称取20～40份改性碳纤维、5～8份芳香族聚酰胺纤维、30～60份有机硅改性饱和聚酯树脂、10～20份聚氨酯橡胶、1～2份二氧化钛、1.5～3份氧化铈和0.5～1.5份相容剂，在120～150℃的温度下反应2h，然后加入5～8份固化剂、0.5～1份紫外线吸收剂、5～15份助剂和0.5～3份陶瓷质晶须，继续搅拌；
S5：将上述混合后的原料注入模具中，在60～80℃，3～5MPa的压力下固化成型，脱模制得童车用的轻质环保碳纤维复合材料。
所述1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂的质量比为1～3：1。
所述短链烷烃为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯中的一种或多种。
所述短链烷烃与氢气的体积比为1:3～7。
通过在碳纤维表面沉积形成一层涂层，再涂覆一层有机硅改性饱和聚酯树脂，由于涂层具有一定厚度和韧性，可以减缓界面内应力，起到保护界面的作用，同时，通过沉积的方法，可以避免氧化法对碳纤维表面处理造成的纤维力学性能下降的问题，因为沉积法主要是利用涂层来增加纤维与基体之间的界面结合力。
本发明的有益效果：
本发明通过制备的改性碳纤维复合材料，不仅使童车整体强度高、质量轻，而且安全、环保；而且，改性碳纤维在保持自身力学性能的同时，可以更好的与基体有机硅改性饱和聚酯树脂和聚氨酯橡胶结合，结合在碳纤维上的有机硅改性饱和聚酯树脂和聚氨酯橡胶，使童车在碰撞时具有一定的弹性形变，从而防止小孩子受到伤害。
通过减少碳纤维复合材料的添加，及少量陶瓷质晶须、二氧化钛、氧化铈和紫外线吸收剂地添加，可以协同促进整体强度的提高，并且提高有机硅改性饱和聚酯树脂和聚氨酯橡胶的抗老化性能，延长了童车的使用寿命，降低了童车的整体造价。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例1
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料由以下重量份数的原料组成：20份改性碳纤维、5份芳香族聚酰胺纤维、30份有机硅改性饱和聚酯树脂、10份聚氨酯橡胶、1份二氧化钛、1.5份氧化铈、0.5份紫外线吸收剂、5份羟烷基酰胺、5份助剂、0.5份碳化硅晶须和0.5份饱和聚酯/聚氨酯共聚物。
所述助剂由0.5重量份山梨醇、0.5重量份乙酸乙酯、0.5重量份亚烷基碳酸酯、0.3重量份二乙基二硫代氨基甲酸钠、0.2重量份2-硫醇基苯并咪唑锌盐和3重量份去离子水组成。
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂在30wt％醋酸钯的乙醇溶液中进行改性反应，所述1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂的质量比为1：1，得到有机硅改性饱和聚酯树脂；
S2：将碳纤维放置于沉积炉内，并将沉积炉抽真空后通入氩气保护，保持炉内压力为50Pa，然后向沉积炉内通入甲烷和氢气的混合气，所述短链烷烃与氢气的体积比为1:3，以碳纤维作为阳极在直流电源的作用下，在碳纤维表面沉积形成碳氢化合物涂层；
S3：在步骤S2所得的碳纤维涂层表面涂覆乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的混合溶液，所述乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的质量比为10：30：60，然后在氧气气氛中进行加热处理，加热温度100℃，加热时间为30s，最后称取5份有机硅改性饱和聚酯树脂涂覆在100份碳纤维涂层表面，固化后得到改性碳纤维；
S4：称取20份改性碳纤维、5份芳香族聚酰胺纤维、30份有机硅改性饱和聚酯树脂、10份聚氨酯橡胶、1份二氧化钛、1.5份氧化铈和0.5份饱和聚酯/聚氨酯共聚物，在120℃的温度下反应2h，然后加入5份羟烷基酰胺、0.5份紫外线吸收剂、5份助剂和0.5份碳化硅晶须，继续搅拌；
S5：将上述混合后的原料注入模具中，在60℃，3MPa的压力下固化成型，脱模制得童车用的轻质环保碳纤维复合材料。
实施例2
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料由以下重量份数的原料组成：30份改性碳纤维、6份芳香族聚酰胺纤维、40份有机硅改性饱和聚酯树脂、15份聚氨酯橡胶、1.5份二氧化钛、2份氧化铈、0.7份紫外线吸收剂、6份羟烷基酰胺、10份助剂、2份钛酸钾晶须和1份饱和聚酯/聚氨酯共聚物。
所述助剂由1重量份山梨醇、1重量份乙酸乙酯、0.8重量份亚烷基碳酸酯、0.5重量份二乙基二硫代氨基甲酸钠、0.2重量份2-硫醇基苯并咪唑锌盐和6.5重量份去离子水组成。
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂在30wt％醋酸钯的乙醇溶液中进行改性反应，所述1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂的质量比为2：1，得到有机硅改性饱和聚酯树脂；
S2：将碳纤维放置于沉积炉内，并将沉积炉抽真空后通入氩气保护，保持炉内压力为60Pa，然后向沉积炉内通入丙烷和氢气的混合气，所述短链烷烃与氢气的体积比为1:5，以碳纤维作为阳极在直流电源的作用下，在碳纤维表面沉积形成碳氢化合物涂层；
S3：在步骤S2所得的碳纤维涂层表面涂覆乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的混合溶液，所述乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的质量比为15：20：65，然后在氧气气氛中进行加热处理，加热温度120℃，加热时间为50s，最后称取5份有机硅改性饱和聚酯树脂涂覆在100份碳纤维涂层表面，固化后得到改性碳纤维；
S4：称取30份改性碳纤维、6份芳香族聚酰胺纤维、40份有机硅改性饱和聚酯树脂、15份聚氨酯橡胶、1.5份二氧化钛、2份氧化铈和1份饱和聚酯/聚氨酯共聚物，在130℃的温度下反应2h，然后加入6份羟烷基酰胺、0.7份紫外线吸收剂、10份助剂和2份钛酸钾晶须，继续搅拌；
S5：将上述混合后的原料注入模具中，在70℃，4MPa的压力下固化成型，脱模制得童车用的轻质环保碳纤维复合材料。
实施例3
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料由以下重量份数的原料组成：40份改性碳纤维、8份芳香族聚酰胺纤维、60份有机硅改性饱和聚酯树脂、20份聚氨酯橡胶、2份二氧化钛、3份氧化铈、1份紫外线吸收剂、8份羟烷基酰胺、15份助剂、3份硼酸铝晶须和1.5份饱和聚酯/聚氨酯共聚物。
所述助剂由2重量份山梨醇、1.5重量份乙酸乙酯、1.2重量份亚烷基碳酸酯、0.8重量份二乙基二硫代氨基甲酸钠、0.5重量份2-硫醇基苯并咪唑锌盐和9重量份去离子水组成。
一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂在30wt％醋酸钯的乙醇溶液中进行改性反应，所述1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂的质量比为3：1，得到有机硅改性饱和聚酯树脂；
S2：将碳纤维放置于沉积炉内，并将沉积炉抽真空后通入氩气保护，保持炉内压力为80Pa，然后向沉积炉内通入乙烯和氢气的混合气，所述短链烷烃与氢气的体积比为1:7，以碳纤维作为阳极在直流电源的作用下，在碳纤维表面沉积形成碳氢化合物涂层；
S3：在步骤S2所得的碳纤维涂层表面涂覆乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的混合溶液，所述乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的质量比为20：30：50，然后在氧气气氛中进行加热处理，加热温度150℃，加热时间为60s，最后称取5份有机硅改性饱和聚酯树脂涂覆在100份碳纤维涂层表面，固化后得到改性碳纤维；
S4：称取40份改性碳纤维、8份芳香族聚酰胺纤维、60份有机硅改性饱和聚酯树脂、20份聚氨酯橡胶、2份二氧化钛、3份氧化铈和1.5份饱和聚酯/聚氨酯共聚物，在150℃的温度下反应2h，然后加入8份羟烷基酰胺、1份紫外线吸收剂、15份助剂和3份硼酸铝晶须，继续搅拌；
S5：将上述混合后的原料注入模具中，在80℃，5MPa的压力下固化成型，脱模制得童车用的轻质环保碳纤维复合材料。
实施例1～3所得的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其性能测试结果如表1所示：
表1
密度(g/cm<sup>3</sup>) 拉伸强度(GPa) 拉伸模量(GPa) 断裂延伸率(％)
实施例1 1.35 7.8 6.1 12.5
实施例2 1.38 8.2 6.7 13.6
实施例3 1.41 8.7 7.2 15.1
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维复合材料由以下重量份数的原料组成：20～40份改性碳纤维、5～8份芳香族聚酰胺纤维、30～60份有机硅改性饱和聚酯树脂、10～20份聚氨酯橡胶、1～2份二氧化钛、1.5～3份氧化铈、0.5～1份紫外线吸收剂、5～8份固化剂、5～15份助剂、0.5～3份陶瓷质晶须和0.5～1.5份相容剂。
2.如权利要求1所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述助剂由0.5～2重量份山梨醇、0.5～1.5重量份乙酸乙酯、0.5～1.2重量份亚烷基碳酸酯、0.3～0.8重量份二乙基二硫代氨基甲酸钠、0.2～0.5重量份2-硫醇基苯并咪唑锌盐和3～9重量份去离子水组成。
3.如权利要求1所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述相容剂为饱和聚酯/聚氨酯共聚物。
4.如权利要求1所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述固化剂为羟烷基酰胺。
5.如权利要求1所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述陶瓷质晶须为碳化硅晶须、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须中的一种或多种。
6.一种如权利要求1所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
S1：将1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂在30wt％醋酸钯的乙醇溶液中进行改性反应，得到有机硅改性饱和聚酯树脂；
S2：将碳纤维放置于沉积炉内，并将沉积炉抽真空后通入氩气保护，保持炉内压力为50～80Pa，然后向沉积炉内通入短链烷烃和氢气的混合气，以碳纤维作为阳极在直流电源的作用下，在碳纤维表面沉积形成碳氢化合物涂层；
S3：在步骤S2所得的碳纤维涂层表面涂覆乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的混合溶液，所述乙烯基二茂铁、乙酰丙酮铬和丙酮的质量比为10～20：15～30：50～75，然后在氧气气氛中进行加热处理，加热温度100～150℃，加热时间为30～60s，最后称取5份有机硅改性饱和聚酯树脂涂覆在100份碳纤维涂层表面，固化后得到改性碳纤维；
S4：称取20～40份改性碳纤维、5～8份芳香族聚酰胺纤维、30～60份有机硅改性饱和聚酯树脂、10～20份聚氨酯橡胶、1～2份二氧化钛、1.5～3份氧化铈和0.5～1.5份相容剂，在120～150℃的温度下反应2h，然后加入5～8份固化剂、0.5～1份紫外线吸收剂、5～15份助剂和0.5～3份陶瓷质晶须，继续搅拌；
S5：将上述混合后的原料注入模具中，在60～80℃，3～5MPa的压力下固化成型，脱模制得童车用的轻质环保碳纤维复合材料。
7.如权利要求6所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述1,3-二(3-羟基丙基)-1,1,3,3-四甲基二硅氧烷与饱和聚酯树脂的质量比为1～3：1。
8.如权利要求6所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述短链烷烃为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯中的一种或多种。
9.如权利要求6所述的童车用的轻质环保碳纤维复合材料，其特征在于，所述短链烷烃与氢气的体积比为1:3～7。
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