CN102069543B - 长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，该方法通过控制加工温度将热塑性树脂与添加剂在双螺杆挤出机的机筒中进行塑化，同时连续纤维由纱架引出，调节张力后引入至双螺杆挤出机的机筒中，通过螺杆切割，纤维均匀混合到热塑性树脂的熔体中，最后将混合有连续纤维的热塑性树脂熔体直接送入自行车架压制模具中或推压至自行车架注射模具中成型。与现有技术相比，本发明可以直接模压或注射成型，无需焊接，长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型的制品具有强度高，重量轻，抗冲击性好，成本低等特点。
Description
技术领域
本发明涉及采用复合材料成型制造自行车架的方法，尤其是涉及长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法。
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。
长纤维增强热塑性复合材料(Long-Fiber Reinforced Thermoplastic)，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。与现有钢、铝合金等材料相比，长纤维增强热塑性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：用LFT-D(Long-FiberReinforced Thermoplastic Direct，即长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型)成型工艺，长纤维增强热塑性复合材料成型容易，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；而长纤维增强热塑性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、无需焊接的长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)控制加工温度为180-320℃，将热塑性树脂与添加剂在双螺杆挤出机的机筒中进行塑化；
(2)连续纤维由纱架引出，经张力辊调节张力分散后，从双螺杆挤出机中段引入至双螺杆挤出机的机筒中，通过螺杆切割，纤维均匀混合到热塑性树脂的熔体中；
(3)将混合有连续纤维的热塑性树脂熔体直接送入自行车架压制模具中或推压至自行车架注射模具中成型。
所述步骤(1)中的热塑性树脂包括聚酰胺、聚烯烃、热塑性聚酯、聚碳酸酯、高性能工程塑料或其他通用树脂。
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。
所述步骤(1)中的添加剂包括抗氧剂、相容剂、润滑剂、阻燃剂、抗静电剂、光稳剂或色母中的一种或几种。
所述的抗氧剂为受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯、硫醚类抗氧剂中的一种或几种，包括市售抗氧剂1010或抗氧剂168，所述的相容剂为马来酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸的接枝物或共聚物，包括马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯，所述的润滑剂包括石蜡、聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、酰胺蜡或硬脂酸及硬脂酸盐，所述的抗静电剂为表面活性剂类抗静电剂或高分子型永久抗静电剂，包括市售抗静电剂Atmer 129、市售抗静电剂Dehydat 80X或市售抗静电剂P18，所述的阻燃剂为卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、膨胀型阻燃剂或无机阻燃剂，包括十溴二苯醚、氢氧化铝、磷酸三苯酯或十溴二苯乙烷，所述的光稳定剂包括2-(2′-羟苯基)苯并三唑、2-羟基-4-烷氧基二苯酮、3，5-双叔丁基-4-羟基苯甲酸、含镍光稳剂、受阻胺类光稳剂或二氧化钛中的一种或几种，所述的色母包括PE色母、PP色母、ABS色母或PVC色母。
所述步骤(1)中的热塑性树脂与添加剂的重量比为1∶(0.005-0.5)。
所述步骤(2)中的连续纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维。
所述的无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或玄武岩纤维，所述的有机纤维包括尼龙6纤维、尼龙66纤维、尼龙46纤维、尼龙6T纤维、尼龙9T纤维、凯夫拉纤维、聚苯硫醚纤维、聚醚醚酮纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维。
所述步骤(2)中的连续纤维与热塑性树脂熔体的重量比为1∶(0.5-5)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本方法可以直接模压或注射成型，无需焊接；
(2)长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型的制品具有强度高，重量轻，抗冲击性好，成本低等特点。
附图说明
图1为制造自行车架装置的结构示意图。
图中1为连续纤维、2为纱架、3为双螺杆挤出机、4为自行车架的压制模具或注射模具。
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
一种长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型(LFT-D成型)制造自行车架的方法，制造装置如图1所示，该方法包括以下步骤：
(1)控制加工温度为230-250℃，将尼龙6树脂与添加剂按照重量比为1∶0.35在双螺杆挤出机3的机筒中进行塑化，其中添加剂为抗氧剂1098和168、相容剂马来酸酐接枝聚丙烯、润滑剂聚乙烯蜡的混合物，其重量比为1∶1∶5∶1；
(2)连续玻璃纤维1由纱架2引出，经张力辊调节张力分散后，从双螺杆挤出机3的中段引入至双螺杆挤出机3的机筒中，通过螺杆切割，连续玻璃纤维均匀混合到尼龙6树脂的熔体中，连续玻璃纤维与尼龙6树脂熔体的重量比为1∶1；
(3)将混合有连续玻璃纤维的尼龙6树脂熔体直接送入自行车架压制模具4中成型，即可以得到自行车架，无需焊接。
实施例2
一种长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型(LFT-D成型)制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：
(1)控制加工温度为180-200℃，将均聚聚丙烯树脂与添加剂按照重量比为1∶0.17在双螺杆挤出机的机筒中进行塑化，其中添加剂为抗氧剂1010和168、相容剂甲基丙烯酸缩水甘油酯与聚丙烯共聚物的混合物，其重量比为0.4∶0.1∶12；
(2)连续聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维由纱架引出，经张力辊调节张力分散后，从双螺杆挤出机中段引入至双螺杆挤出机的机筒中，通过螺杆切割，连续聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维均匀混合到均聚聚丙烯树脂的熔体中，连续聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维与均聚聚丙烯树脂熔体的重量比为1∶0.5；
(3)将混合有连续聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的均聚聚丙烯树脂熔体推压进自行车架的注射模具中成型，即可以得到自行车架，无需焊接。
实施例3
一种长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型(LFT-D成型)制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：
(1)控制加工温度为300-320℃，将聚碳酸酯树脂与添加剂按照重量比为1∶0.5在双螺杆挤出机的机筒中进行塑化，其中添加剂为抗氧剂1076和168、马来酸酐接枝聚乙烯、PE色母的混合物，其重量比为0.1∶0.3∶10∶20；
(2)连续不锈钢纤维由纱架引出，经张力辊调节张力分散后，从双螺杆挤出机中段引入至双螺杆挤出机的机筒中，通过螺杆切割，连续不锈钢纤维均匀混合到聚碳酸酯树脂的熔体中，连续不锈钢纤维与聚碳酸酯树脂熔体的重量比为1∶5；
(3)将混合有连续不锈钢纤维的聚碳酸酯树脂熔体推压进自行车架的注射模具中成型，即可以得到自行车架，无需焊接。
实施例4
一种长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型(LFT-D成型)制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：
(1)控制加工温度为200-220℃，将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物与添加剂按照重量比为1∶0.005在双螺杆挤出机的机筒中进行塑化，其中添加剂为抗氧剂1076和DLTDP、光稳定剂UV-327的混合物，其重量比为0.2∶0.1∶0.3；
(2)连续尼龙6T纤维由纱架引出，经张力辊调节张力分散后，从双螺杆挤出机中段引入至双螺杆挤出机的机筒中，通过螺杆切割，连续尼龙6T纤维均匀混合到丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的熔体中，连续尼龙6T纤维与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物熔体的重量比为1∶3.2；
(3)将混合有连续尼龙6T纤维的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物熔体直接送入自行车架压制模具中成型，即可以得到自行车架，无需焊接。
实施例5
一种长纤维增强热塑性复合材料在线直接成型(LFT-D成型)制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：
(1)控制加工温度为260-280℃，将聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂与添加剂按照重量比为1∶0.075在双螺杆挤出机的机筒中进行塑化，其中添加剂为阻燃剂磷酸三苯酯、抗静电剂Atmer 129的混合物，其重量比为0.5∶0.1；
(2)连续聚苯硫醚纤维由纱架引出，经张力辊调节张力分散后，从双螺杆挤出机中段引入至双螺杆挤出机的机筒中，通过螺杆切割，连续聚苯硫醚纤维均匀混合到聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂的熔体中，连续聚苯硫醚纤维与聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂熔体的重量比为1∶2.5；
(3)将混合有连续聚苯硫醚纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂熔体直接送入自行车架压制模具中成型，即可以得到自行车架，无需焊接。
Claims (7)
1.长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）控制加工温度为180-320℃，将热塑性树脂与添加剂在双螺杆挤出机的机筒中进行塑化；
（2）连续纤维由纱架引出，经张力辊调节张力分散后，从双螺杆挤出机中段引入至双螺杆挤出机的机筒中，通过螺杆切割，纤维均匀混合到热塑性树脂的熔体中；
（3）将混合有连续纤维的热塑性树脂熔体直接送入自行车架压制模具中或推压至自行车架注射模具中成型；
所述步骤（1）中的热塑性树脂与添加剂的重量比为1︰（0.005-0.5）；
所述步骤（2）中的连续纤维与热塑性树脂熔体的重量比为1︰（0.5-5）；
所述步骤（1）中的热塑性树脂包括聚酰胺、聚烯烃、热塑性聚酯、聚碳酸酯、高性能工程塑料或其他通用树脂，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。
2.根据权利要求1所述的长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，所述步骤（1）中的添加剂包括抗氧剂、相容剂、润滑剂、阻燃剂、抗静电剂、光稳剂或色母中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，所述的抗氧剂为受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯、硫醚类抗氧剂中的一种或几种，所述的相容剂为马来酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸的接枝物或共聚物，所述的润滑剂包括石蜡、聚丙烯蜡、聚乙烯蜡、酰胺蜡或硬脂酸及硬脂酸盐，所述的抗静电剂为表面活性剂类抗静电剂或高分子型永久抗静电 剂，所述的阻燃剂为卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、膨胀型阻燃剂或无机阻燃剂，所述的光稳定剂包括2-（2′-羟苯基）苯并三唑、2-羟基-4-烷氧基二苯酮、3，5-双叔丁基-4-羟基苯甲酸、含镍光稳剂、受阻胺类光稳剂或二氧化钛中的一种或几种，所述的色母包括PE色母、PP色母、ABS色母或PVC色母。
5.根据权利要求4所述的长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，所述的抗氧剂包括市售抗氧剂1010或抗氧剂168，所述的相容剂包括马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯，所述的润滑剂包括市售抗静电剂Atmer129、市售抗静电剂Dehydat80X或市售抗静电剂P18，所述的阻燃剂包括十溴二苯醚、氢氧化铝、磷酸三苯酯或十溴二苯乙烷。
6.根据权利要求1所述的长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，所述步骤（2）中的连续纤维包括无机纤维、有机纤维或金属纤维。
7.根据权利要求6所述的长纤维增强热塑复合材料在线直接成型制造自行车架方法，其特征在于，所述的无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或玄武岩纤维，所述的有机纤维包括尼龙6纤维、尼龙66纤维、尼龙46纤维、尼龙6T纤维、尼龙9T纤维、凯夫拉纤维、聚苯硫醚纤维、聚醚醚酮纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维，所述的金属纤维包括不锈钢纤维。
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