CN102049866B - 一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：将纤维编织成纤维毡或纤维布，平铺在模具中，并预热模具；将尼龙预聚体与碱性催化剂混合后置于反应釜中，将釜温升至100-200℃，进行真空脱水后加入助催化剂，再将混合物料迅速注入模具中；将模具置于120-200℃的烘箱中，进行聚合反应，得到增强的尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状。与现有技术相比，本发明操作简单，成本较低，得到的增强尼龙材料可以直接切割成型，无需焊接，成型的板材强度高、重量轻、抗冲击性能好，且成本较低。

Description

一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法

技术领域

本发明涉及一种制造自行车架的方法，尤其是涉及一种用增强尼龙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：碳纤维车架是把碳纤维对着发生应力的方向层层叠而得到强度。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(Aramidfiber reinforced composite)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；(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：增强复合材料成型容易，有各式各样的外观设计，加上后期上色后光泽、颜色效果，极大提高了车辆高贵的价值感与美感气氛。

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操作简单、成本较低的用增强尼龙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：

一种用增强尼龙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：

(1)将纤维编织成纤维毡或纤维布，平铺在模具中，并将模具预热至120-200℃；

(2)将尼龙预聚体与碱性催化剂混合后置于反应釜中，将釜温升至100-200℃，然后进行真空脱水20-40min，当体系的含水量小于300ppm时，加入助催化剂，再将混合物料迅速注入到模具中；

(3)将模具置于120-200℃的烘箱中，进行聚合反应0.5-4h，得到增强的尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状即可。

所述步骤(1)中的纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维。

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聚乙烯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维。

所述步骤(2)中的尼龙预聚体、碱性催化剂及助催化剂的重量比为1∶(0.002-0.04)∶(0.001-0.006)。

所述步骤(2)中的尼龙预聚体为己内酰胺、庚内酰胺、辛内酰胺、壬内酰胺、癸内酰胺、十二内酰胺中的一种或几种，也可以为上述单体与尼龙-6、尼龙-66、尼龙-610、尼龙-11、尼龙-12或高温尼龙的混合物，还可以为上述单体或混合物与无机纳米填料的混合物。

所述的无机纳米填料包括蒙脱土、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米三氧化二铝或稀土纳米氧化物中的一种或几种。

所述步骤(2)中的碱性催化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、己内酰胺钠、甲醇钠或乙醇钠中的一种或几种。

所述步骤(2)中的助催化剂包括异氰酸酯类化合物、酰氯类化合物或酰化酰胺类化合物中的一种或几种。

所述的异氰酸酯类化合物包括甲基二异氰酸酯，酰氯类化合物包括苯甲酰氯，酰化酰胺类化合物包括乙酰化己内酰胺。

与现有技术相比，本发明操作简单，成本较低，得到的增强尼龙材料可以直接切割成型，无需焊接，浇铸成型的板材强度高、重量轻、抗冲击性能好，且成本较低。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将玻璃纤维编织成纤维毡，平铺在模具中，并将模具预热至170℃；

(2)将1kg己内酰胺单体与2g氢氧化钾置于反应釜中，将釜温升至140℃，然后进行真空脱水30min，使体系的含水量小于300ppm，加入4g苯甲酰氯作为助催化剂，再将混合物料迅速注入模具中；

(3)将模具置于180℃的烘箱中，进行聚合反应0.5h，得到增强的尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状即可。

实施例2

一种用增强尼龙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：

(1)将芳香族聚酰胺纤维编织成纤维布，平铺在模具中，并将模具预热至160℃；

(2)将1kg庚内酰胺单体及尼龙-66的混合物，其重量比为3∶1，与6g乙醇钠置于反应釜中，将釜温升至120℃，然后进行真空脱水40min，使体系的含水量小于300ppm，加入4g甲基二异氰酸酯(TDI)作为助催化剂，再将混合物料迅速注入到模具中；

(3)将模具置于160℃的烘箱中，进行聚合反应2h，得到增强的尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状即可。

实施例3

一种用增强尼龙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：

(1)将不锈钢纤维编织成纤维毡，平铺在模具中，并将模具预热至180℃；

(2)将1kg己内酰胺单体、尼龙6及蒙脱土的混合物，其重量比为2∶2∶1，与4g己内酰胺钠置于反应釜中，将釜温升至150℃，然后进行真空脱水20min，使体系的含水量小于300ppm，加入1g甲基二异氰酸酯(TDI)作为助催化剂，再将混合物料迅速注入到模具中；

(3)将模具置于180℃的烘箱中，进行聚合反应4h，得到增强的浇铸尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状即可。

实施例4

一种用增强尼龙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：

(1)将聚乙烯纤维编织成纤维毡，平铺在模具中，并将模具预热至120℃；

(2)将1kg辛内酰胺单体、尼龙6及纳米二氧化硅的混合物，其重量比为2∶1∶1，与40g己内酰胺钠置于反应釜中，将釜温升至100℃，然后进行真空脱水30min，使体系的含水量小于300ppm，加入6g乙酰化己内酰胺作为助催化剂，再将混合物料迅速注入模具中；

(3)将模具置于120℃的烘箱中，进行聚合反应4h，得到增强的浇铸尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状即可。

实施例5

一种用增强尼龙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：

(1)将硼纤维编织成纤维毡，平铺在模具中，并将模具预热至200℃；

(2)将1kg辛内酰胺单体及纳米碳酸钙的混合物，其重量比为2∶1，与10g氢氧化钠和甲醇钠的混合物，其重量比为1∶1，置于反应釜中，将釜温升至200℃，然后进行真空脱水20min，使体系的含水量小于300ppm，加入3g乙酰化己内酰胺和苯甲酰氯的混合物，其重量比为1∶1，作为助催化剂，再将混合物料迅速注入模具中；

(3)将模具置于200℃的烘箱中，进行聚合反应2h，得到增强的浇铸尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状即可。

Claims (8)

1.一种用增强尼龙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：

（1）将纤维编织成纤维毡或纤维布，平铺在模具中，并将模具预热至120-200℃；

（2）将尼龙预聚体与碱性催化剂混合后置于反应釜中，将釜温升至100-200℃，然后进行真空脱水20-40min，当体系的含水量小于300ppm时，加入助催化剂，再将混合物料迅速注入到模具中；

（3）将模具置于120-200℃的烘箱中，进行聚合反应0.5-4h，得到增强的尼龙板材，再将该板材切割成自行车架形状即可；所述的步骤（2）中的尼龙预聚体为内酰胺、庚内酰胺、辛内酰胺、壬内酰胺、癸内酰胺、十二内酰胺与尼龙-6、尼龙-66、尼龙-610、尼龙-11、尼龙-12或高温尼龙的混合物，还可以为混合物与无机纳米填料的混合物。

2.根据权利要求1所述的一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维。

3.根据权利要求2所述的一种用增强尼龙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聚乙烯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维。

4.根据权利要求1所述的一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的尼龙预聚体、碱性催化剂及助催化剂的重量比为1︰（0.002-0.04）︰（0.001-0.006）。

5.根据权利要求1所述的一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述的无机纳米填料包括蒙脱土、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米三氧化二铝或稀土纳米氧化物中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的碱性催化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、己内酰胺钠、甲醇钠或乙醇钠中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的助催化剂包括异氰酸酯类化合物、酰氯类化合物或酰化酰胺类化合物中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述的一种用增强尼龙材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述的异氰酸酯类化合物包括甲基二异氰酸酯，酰氯类化合物包括苯甲酰氯，酰化酰胺类化合物包括乙酰化己内酰胺。