CN102049830B - 一种用复合材料制造自行车架的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：将连续纤维增强热塑性树脂预浸带置于热压机中，控制温度为150-180℃，压力为0.5-1MPa，将连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成板材，再自然冷却至40-60℃，最后将所得的板材切割成自行车架即可。与现有技术相比，本发明可以直接切割成型，无需焊接，连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成型的板材具有强度高，重量轻，抗冲击性好，成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造自行车架的方法，尤其是涉及一种用复合材料制造自行车架的方法。
背景技术
自行车是一种常用的代步工具，如何生产出安全，轻便，环保，价格低廉的自行车架一直是决定该行业发展的一个重要问题。用于制造自行车架的材料，主要有以下几种：
铝合金(Al-Mg-Si，Al-Zn-Mg-(Cu))
很久以前就有用铝合金制作的车架。轻而价格低是它的优点，但老车手对它的反应是虽轻但易弯曲。虽然经过多次改进，但是始终克服不了杨氏弹性模量低的缺点。最近的铝合金车架，为了提高杨氏弹性模量，加大管道外径，使用扁平管，或者对铝管进行热处理等，制造出轻而有刚性的车架，这种最新的铝合金车架对车手来说，具有足够的轻量与刚性。铝合金是纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。自行车所使用的铝合金多数为6000系(Al-Mg-Si)和7000系(Al-Zn-Mg-Cu)两种，经过热处理(铝耐高温，在高温下能改变性质)可以制成名种各样的材料。
铝合金车架的缺点：由于铝是弹性率及刚性低的材料，因此采用粗的管道，或者改变形状如cross-over管、padded管等，另外，铝合金车架必需进行热处理，否则强度不够，而一般规模不大的工厂无能力购买热处理设备。
钛、钛合金(Ti，Ti-Al-V)
美国在60年代首次使用钛合金来制作自行车车架。钛合金给人的印象是轻而硬。早期的钛合金车架，作为比赛用车，刚性不足，其车架不适合于长距离赛车，也不是适用于所有的比赛，只适合用在山岳，或者需要轻型车的特定的场合。开始时钛合金使一些人着迷，曾经有些热衷于轻量化的骑手，把所有的螺丝都换成钛合金制的才满意。钛金属给一些人错觉，贵而稀有，实际上钛是地球上埋藏量丰富的元素之一。只是由于合金的制作成本高，价格才较贵。金属钛比重轻、强度大，同时耐腐蚀性高的材料，一般用在特殊的环境里。在金属钛里添加铝、钒(Li.V)时强度显著提高，热处理也和铝合金一样通过时效处理可以提高强度。
钛合金车架的优点是：纯钛金属的强度更高。在钛金属中添加铝和钒，弹性更高(和铝比较)，也有利于设计，可以制作轻量而强度大的车架；钛在一般的环境下几乎不会被腐蚀。其缺点是价格过高，钛在自然界以二氧化钛的形态存在，提练及加工过程复杂，技术要求高，并花时间因此成本高；再有溶接加工极为困难，因为钛和氧的亲和力极强，和空气接触后马上变成二氧化钛，而二氧化钛硬而脆，该部分的强度会不断下降。因此用惰性气体小心焊接。由于以上原因钛车架价格很贵。
碳纤维(CERP)
碳纤维车架的特征是轻、不弯曲、冲击吸收性好，但是，充分发挥碳纤维的优异性能，在技术上看起来不是那么容易，各碳纤维材料厂家之间的品质差异也较大。自行车厂家考虑到成本问题，不大可能使用高等级的碳纤维来制作车架。虽然存在上述的现实问题，但是碳纤维车架还是具有其他素材所没有的优点，可以制造8、9kg左右的轻量自行车，这种碳纤维轻量自行车，登坡时最能体现其优点，登坡顺利而爽快。而不会像一些轻的铝合金车架，登坡时感到有一种向后拉的力量。碳纤维是把碳纤维用树脂凝固成形的东西，非常轻，但它是具有方向性的材料(拉伸强但容易断)，因此采用把薄料层层重叠的方法来解决缺点。
碳纤维车架的优点：(1)可以制作重量轻的车架：碳纤维车架非常轻，这是它的密度和强的拉伸强度构成的，捷安特的碳纤维车架非常轻，2000年的型号1.2kg重。(2)冲击吸收性好：碳纤维用来制作残疾者运动时用的假腿，或者特殊的弹簧等被用在各领域。利用它的吸收冲击力优异的性能，制作不用避震器的自行车。如SCOTT厂的ELEVATED车架是著名的。但是各个厂家之间的品质差异较大，有的很硬，因此这种车架乘骑后才能知道好或者不好。其缺点是：价格昂贵，和钛合金相比，碳纤维车架的价格有过之而无不及，像顶级的碳纤维车架的价格都要上万。
为克服上述材料的各种缺陷，现需提供一种性能良好，价格低廉的新型的用于制造自行车架的材料。
增强复合材料(Reinforced Composite)，是一种新型复合材料，具有比强度高、比刚度大、材料性能可以设计、成型成本低等一系列优点而被人们所关注。常见包括玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced composite)，碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced composite)、芳纶纤维增强复合材料(Aramid fiber reinforcedcomposite)等等。
与现有钢、铝合金等材料相比，增强复合材料具有以下优势：(1)密度小：可有效降低车辆自身重量。与铝合金材料密度相比，减轻40％，不但减轻了车辆重量，而且对材料成本也有效减低；(2)弹性特点较好：可有效提高车辆行驶中的平顺性，更易于吸收运动中的振动和噪音；(3)易成型：增强复合材料成型容易，成型周期快；(4)美观：一般钢圈、铝合金等因生产所限，产品外形单调呆板，缺乏变化；而增强复合材料则因其成型容易，所以有各式各样的外观设计。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以直接成型、无需焊接的复合材料制造自行车架的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将连续纤维增强热塑性树脂预浸带置于热压机中，控制温度为150-180℃，压力为0.5-1MPa，将连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成板材，再自然冷却至40-60℃，最后将所得的板材切割成自行车架即可。
所述的连续纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维。
所述的热塑性树脂包括聚烯烃、热塑性聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、其他通用树脂或高性能工程塑料。
所述的无机纤维包括玻璃纤维、硼纤维或玄武岩纤维，所述的有机纤维包括芳香族聚酰胺纤维或超高分子量聚乙烯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维。
所述的聚烯烃包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或聚乙烯，所述的热塑性聚酯包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯，所述的聚酰胺包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或尼龙612，所述的其他通用树脂包括聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯或高抗冲聚苯乙烯，所述的高性能工程塑料包括聚醚醚酮、聚苯硫醚、改性聚苯醚或聚醚酰亚胺。
所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制备方法包括以下步骤：将连续纤维从纱架上的连续纤维卷引出并展开预热至200-240℃，然后导入交错可开合双挤出模头组与熔融的热塑性树脂进行预浸渍，再导入浸渍压延辊组进行浸渍，最后经冷却辊压装置冷却至20-25℃进行定型后导入牵引卷绕装置卷绕成型，即得到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本方法可以直接切割成型，无需焊接；
(2)连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成型的板材具有强度高，重量轻，抗冲击性好，成本低等特点。
附图说明
图1为生产连续纤维增强热塑性树脂预浸带的装置。
图中1为连续纤维束，2为连续纤维带，3为浸渍后的连续纤维带，10为纱架，11为连续纤维卷，12为锭子支架，20为张力调节装置，21为排丝口，22为张力辊，30为静电消除装置，40为预加热装置，50为张力调节装置，60为交错可开合双挤出模头组、61为挤出模头、62为挤出模头、621为轨道运动装置，70为浸渍压延辊组、71为辊、72为辊、73为辊，80为冷却辊压装置、81为上辊、82为下辊，90为卷绕装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种用复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：将连续纤维增强热塑性树脂预浸带置于热压机中，控制温度为180℃，压力为0.9MPa，将连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成板材，再自然冷却至50℃，最后将所得的板材切割成自行车架即可。
连续纤维增强热塑性树脂预浸带中的连续纤维为玻璃纤维，树脂为均聚聚丙烯，使用如图1所示的装置来制备该连续纤维增强热塑性树脂预浸带。该装置包括纱架10，连续纤维卷11，锭子支架12，张力调节装置20，排丝口21，张力辊22，静电消除装置30，预加热装置40，张力调节装置50，交错可开合双挤出模头组60、挤出模头61、挤出模头62、轨道运动装置621，浸渍压延辊组70、辊71、辊72、辊73，冷却辊压装置80、上辊81、下辊82，卷绕装置90。
连续玻璃纤维卷安装在纱架10上的锭子支架12中，小心的将纤维束牵引通过安装在纱架上的导丝孔，经导丝孔引出的纤维束通过张力调节装置20中的排丝口21，使纤维带平行均匀排布，避免纤维带间的相互交叉与磨损。然后平行排布的连续纤维带穿过张力辊22，给纤维带施加一定的张力保证纤维的初步分散。经静电消除装置30消除产生的静电。
连续纤维带的预热装置40采用红外烘箱，连续纤维带预热到温度230℃，经预热的连续纤维带经张力调节装置50导到挤出模头61，待穿丝完成后再将挤出模头62滑行进入预定位置，两模头共作用产生一定的渗透压力，熔融的均聚聚丙烯对连续纤维带进行预浸渍，挤出模头的温度设置在230℃，保证熔融的聚丙烯树脂具有较低的黏度。
通过交错可开合式双挤出模头组60预浸渍的连续纤维带导入浸渍压延辊组70，所包含的辊71、辊72和辊73的温度都设定在210℃，保证了聚丙烯树脂具有较低的黏度和流动性，实现熔融树脂对纤维的完全浸润。
经过浸渍压延辊组70完全浸渍后的连续纤维带导入冷却辊压装置80冷却定型，上辊81和下辊82均通有冷凝水，两辊的间隙调节到0.3mm。连续纤维带经冷却定型辊定型冷却后得到厚度为0.3mm，表面光滑浸渍完全的连续玻璃纤维增强热塑性聚丙烯预浸带。最后，经风冷却至25℃，再卷绕成卷后进行包装，就可得到连续纤维增强热塑性树脂预浸带产品。
实施例2
一种用复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：将连续纤维增强热塑性树脂预浸带置于热压机中，控制温度为150℃，压力为0.5MPa，将连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成板材，再自然冷却至40℃，最后将所得的板材切割成自行车架即可。
连续纤维增强热塑性树脂预浸带中的连续纤维为超高分子量聚乙烯纤维，树脂为尼龙6。将连续纤维从纱架上的连续纤维卷引出并展开预热至200℃，然后导入交错可开合双挤出模头组与熔融的热塑性树脂进行预浸渍，再导入浸渍压延辊组进行浸渍，最后经冷却辊压装置冷却至20℃定型，再导入牵引卷绕装置卷绕成型，即得到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带。
实施例3
一种用复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：将连续纤维增强热塑性树脂预浸带置于热压机中，控制温度为180℃，压力为0.5MPa，将连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成板材，再自然冷却至60℃，最后将所得的板材切割成自行车架即可。
连续纤维增强热塑性树脂预浸带中的连续纤维为不锈钢纤维，树脂为聚苯硫醚。将连续纤维从纱架上的连续纤维卷引出并展开预热至240℃，然后导入交错可开合双挤出模头组与熔融的热塑性树脂进行预浸渍，再导入浸渍压延辊组进行浸渍，最后经冷却辊压装置冷却至20℃定型，再导入牵引卷绕装置卷绕成型，即得到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带。
Claims (5)
1.一种用复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将连续纤维增强热塑性树脂预浸带置于热压机中，控制温度为150-180℃，压力为0.5-1MPa，将连续纤维增强热塑性树脂预浸带模压成板材，再自然冷却至40-60℃，最后将所得的板材切割成自行车架即可；
所述的连续纤维增强热塑性树脂预浸带的制备方法包括以下步骤：将连续纤维从纱架上的连续纤维卷引出并展开预热至200-240℃，然后导入交错可开合双挤出模头组与熔融的热塑性树脂进行预浸渍，再导入浸渍压延辊组进行浸渍，最后经冷却辊压装置冷却至20-25℃进行定型后导入牵引卷绕装置卷绕成型，即得到连续纤维增强热塑性复合材料预浸带。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述的连续纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述的热塑性树脂包括聚烯烃、热塑性聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯、其他通用树脂或高性能工程塑料。
4.根据权利要求2所述的一种复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述的无机纤维包括玻璃纤维、硼纤维或玄武岩纤维，所述的有机纤维包括芳香族聚酰胺纤维或超高分子量聚乙烯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维。
5.根据权利要求3所述的一种复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述的聚烯烃包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或聚乙烯，所述的热塑性聚酯包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯或聚对苯二甲酸丁二醇酯，所述的聚酰胺包括尼龙6、尼龙66、尼龙12、尼龙1212或尼龙612，所述的其他通用树脂包括聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯或高抗冲聚苯乙烯，所述的高性能工程塑料包括聚醚醚酮、聚苯硫醚、改性聚苯醚或聚醚酰亚胺。
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