CN102107534B - 一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：将干燥后的纤维束或编织物纵向铺设在三角形自行车架模具中，然后将甲基丙烯酸酯类单体的预聚合浆液倒入到模具中，在真空箱中于适当的真空度下脱泡后，放入到50-80℃的烘箱中进行固化，再升温到100-130℃进行热处理，然后冷却至室温脱模即可得到产品。与现有技术相比，本发明无需焊接，连续纤维增强的热塑性塑料复合材料自行车车架具有重量轻，强度高，抗冲性能好，成本低等特点。

Description

一种用连续纤维增强热塑性复合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，尤其是涉及一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法。

背景技术

由于纤维增强热塑性复合材料具有高强、轻质、耐腐蚀及可设计性等优点，在航空、航天、国防等领域有广泛的应用。根据聚合物基体中纤维的长短，可将纤维增强聚合物复合材料分为短纤维增强聚合物复合材料、长纤维增强聚合物复合材料和连续纤维增强聚合物复合材料。与短纤维和长纤维增强复合材料相比，由于连续纤维增强热塑性复合材料的增强纤维是连续的，其力学性能远远高于长纤维增强的聚合物复合材料。与金属材料相比，连续纤维增强的热塑性复合材料在强度和模量上并不逊色，并且更轻、具有更好的弹性，因此已经被广泛用作结构部件以减轻重量或提高耐腐蚀性。

由于热塑性聚合物分子结构的特点，热塑性树脂的熔体黏度很大，难以实现聚合物基体对纤维的良好浸润。因此需要采用特殊的浸渍工艺处理纤维增强材料，相应需要高温、高压的极端条件，这又进一步增加了对工艺设备的要求、提高了成本。因此，复合材料的低成本技术是其继续发展的重要方向。本发明采用热塑性复合材料的原位聚合技术来成型连续纤维增强的自行车架，不仅充分利用了预聚液黏度低、易于浸润纤维的特点，而且实现了自行车架的一次成型。

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、成本较低的用连续纤维增强热塑性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：

一种用连续纤维增强热塑性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：

(1)预聚合制浆：将单体、引发剂、增塑剂、脱模剂加入到制浆釜中，控制反应温度为50-90℃，反应至得到的浆液粘度为0.5-100Pa·S，然后冷却至20-30℃；

(2)灌模：将经过带有双键的偶联剂处理过的纤维在80-120℃的烘箱中烘干1.5-2.5h后纵向铺入模具，压实，然后将步骤(1)中得到的预聚合浆液灌入到模具中，得到混合浆液；

(3)真空脱泡：将灌浆后的模具放入到真空箱中，控制温度为0-35℃，压力为50-80kPa，脱泡10-40min；

(4)固化：将模具放入到50-80℃的烘箱中，固化反应2-15h，然后升温至100-130℃进行热处理0.5-1.5h；

(5)将模具温度冷却至20-30℃后脱模，然后对所得制品进行机械加工，即得最终产品。

所述步骤(1)中的单体为甲基丙烯酸酯类单体，选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸对二苯酯、甲基丙烯酸异冰片酯或甲基丙烯酸苯酯中的一种或几种。

所述步骤(1)中的引发剂包括偶氮类引发剂或过氧化物类引发剂，所述的偶氮类引发剂选自偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈中的一种或几种，所述的过氧化物类引发剂选自过氧化苯甲酰、过氧化十二酰或过氧化二碳酸二异丙酯中的一种或几种。

所述步骤(1)中的增塑剂选自邻苯二甲酸二丁酯、己二酸二辛酯或磷酸三甲苯酯中的一种或几种。

所述步骤(1)中的脱模剂选自硬脂酸或聚乙烯醇中的一种或几种。

所述步骤(1)中单体、引发剂、增塑剂、脱模剂的重量比为(88-93)∶(0.05-1)∶(6-8)∶(0.2-0.6)。

所述步骤(2)中的纤维为纤维束或纤维编织物，该纤维选自玻璃纤维、石英纤维、碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种。

所述步骤(2)中带有双键的偶联剂选自γ-甲基丙烯酸丙酯基硅烷、甲基丙烯酸氯化罗铬盐或甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种或几种。

所述步骤(2)中的混合浆液中纤维的体积分数为20％-80％。

与现有技术相比，本发明操作简单、成本较低，采用原位聚合技术进行连续玻纤增强复合材料自行车架的生产，充分利用预聚合液粘度低、易于浸润纤维的优点，从而避免了高粘度热塑性树脂难以浸渍纤维的缺点；该方法的另一个优点是可实现聚合物基体与纤维在界面的共价键键合，采用经含双键偶联剂处理的纤维，在甲基丙烯酸酯类单体进行自由基聚合的过程中，纤维表面的双键也参与自由基聚合反应，这样就使聚合物通过共价键接枝到纤维表面，确保了很好地界面相互作用。

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

结合连续玻纤增强的PMMA自行车三角支架为实例来说明本发明的工艺和方法。

(1)对所用单体利用减压蒸馏以除去阻聚剂，然后将主单体甲基丙烯酸甲酯(76wt％)、改性单体甲基丙烯酸异丙冰片酯(16wt％)、增塑剂邻苯二甲酸二丁酯(7.5wt％)、脱模剂硬脂酸(0.4wt％)混合后，加入偶氮二异丁腈(0.1wt％)，然后在带有搅拌装置和夹套冷却装置的预聚合釜中于60-80℃进行预聚合，监测粘度的变化，待物料粘度增加到0.5-10Pa·S后迅速将温度降低至室温。

(2)将经过偶联剂γ-甲基丙烯酸丙酯基硅烷表面处理过的玻璃纤维在80～100℃烘箱中干燥2h后铺设在模具内，然后进行灌模。

(3)将灌模后的模具放入真空箱中，真空箱的温度为20℃，在60KPa的真空度下进行脱泡处理20min。然后将模具放入到60-65℃的烘箱中进行聚合反应6h，最后在115℃进行热处理1h，冷却至20℃、卸模，进行简单的机械修饰后即可得到成品。

实施例2

结合连续碳纤维增强的PMMA自行车三角架为实例来说明本发明的工艺和方法。

(1)利用减压蒸馏的方法对所用单体进行纯化以除去阻聚剂，然后将甲基丙烯酸甲酯(80wt％)、甲基丙烯酸(12wt％)、邻苯二甲酸二丁酯(7.5wt％)、硬脂酸(0.4wt％)混合后，加入过氧化苯甲酰(0.1wt％)，然后在带有搅拌装置和夹套冷却装置的预聚合釜中于60-80℃进行预聚合，监测粘度的变化，待物料粘度增加0.5-10Pa·S后迅速将温度降低至室温。

(2)将经过偶联剂甲基丙烯酸氯化罗铬盐处理过的碳纤维束或碳纤维织物在120℃烘箱中干燥2h，铺设在模具内，然后进行灌模。

(3)将灌模后的模具放入真空箱中，真空箱的温度低于30℃，在60KPa的真空度下进行脱泡处理20min。然后将模具放入到60-65℃的烘箱中进行聚合反应5h，最后在120℃进行热处理0.5h，冷却至20℃、卸模，进行简单的机械修饰后即可得到成品。

实施例3

一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：

(1)预聚合制浆：将88kg单体甲基丙烯酸对二苯酯、0.05kg引发剂偶氮二异丁腈、8kg增塑剂邻苯二甲酸二丁酯、0.2kg脱模剂聚乙烯醇加入到制浆釜中，控制反应温度为50℃，反应至得到的浆液粘度为20-50Pa·S，然后冷却至30℃；

(2)灌模：将超高分子量聚乙烯纤维束经甲基丙烯酰氧基硅烷处理后，纤维束表面含有可参加自由基聚合反应的双键，将纤维束置于80℃的烘箱中烘干2.5h后纵向铺入模具，压实，然后将上述浆液灌入到模具中，得到混合浆液，该混合浆液中纤维束的体积分数为20％；

(3)真空脱泡：将灌浆后的模具放入到真空箱中，控制温度为0℃，压力为80kPa，脱泡10min；

(4)固化：将模具放入到80℃的烘箱中，反应2h，然后升温至100℃进行热处理1.5h；

(5)将模具温度冷却至20℃后脱模，然后对所得制品进行简单的机械加工，即得最终产品。

实施例4

一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：

(1)预聚合制浆：将70kg甲基丙烯酸乙酯及23kg甲基丙烯酸苯酯作为单体、0.5kg过氧化苯甲酰及0.5kg过氧化十二酰作为引发剂、6kg增塑剂磷酸三甲苯酯、0.6kg脱模剂硬脂酸加入到制浆釜中，控制反应温度为90℃，反应至得到的浆液粘度为80-100Pa·S，然后冷却至20℃；

(2)灌模：将芳香族聚酰胺纤维束经γ-甲基丙烯酸丙酯基硅烷处理后，纤维束表面含有可参加自由基聚合反应的双键，将纤维束置于120℃的烘箱中烘干1.5h后纵向铺入模具，压实，然后将上述浆液灌入到模具中，得到混合浆液，该混合浆液中纤维束的体积分数为80％；

(3)真空脱泡：将灌浆后的模具放入到真空箱中，控制温度为30℃，压力为50kPa，脱泡40min；

(4)固化：将模具放入到50℃的烘箱中，反应15h，然后升温至130℃进行热处理0.5h；

(5)将模具温度冷却至30℃后脱模，然后对所得制品进行简单的机械加工，即得最终产品。

实施例5

一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，该方法包括以下步骤：

(1)预聚合制浆：将73kg甲基丙烯酸己酯及17kg甲基丙烯酸对二苯酯作为单体、0.1kg引发剂偶氮二异庚腈、7kg增塑剂己二酸二辛酯、0.5kg脱模剂聚乙烯醇加入到制浆釜中，控制反应温度为80℃，反应至得到的浆液粘度为20-30Pa·S，然后冷却至25℃；

(2)灌模：将石英纤维编织物经甲基丙烯酸氯化罗铬盐处理后，纤维束表面含有可参加自由基聚合反应的双键，将纤维束置于110℃的烘箱中烘干2h后纵向铺入模具，压实，然后将上述浆液灌入到模具中，得到混合浆液，该混合浆液中纤维束的体积分数为55％；

(3)真空脱泡：将灌浆后的模具放入到真空箱中，控制温度为10℃，压力为70kPa，脱泡30min；

(4)固化：将模具放入到60℃的烘箱中，反应10h，然后升温至110℃进行热处理1h；

(5)将模具温度冷却至25℃后脱模，然后对所得制品进行简单的机械加工，即得最终产品。

Claims (8)

1.一种用连续纤维增强热塑性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：

（1）预聚合制浆：将单体、引发剂、增塑剂、脱模剂加入到制浆釜中，控制反应温度为50-90℃，反应至得到的浆液粘度为0.5-100Pa·S，然后冷却至20-30℃；

（2）灌模：将经过带有双键的偶联剂处理过的纤维在80-120℃的烘箱中烘干1.5-2.5h后纵向铺入模具，压实，然后将步骤（1）中得到的预聚合浆液灌入到模具中，得到混合浆液；

（3）真空脱泡：将灌浆后的模具放入到真空箱中，控制温度为0-35℃，压力为50-80kPa，脱泡10-40min；

（4）固化：将模具放入到50-80℃的烘箱中，固化反应2-15h，然后升温至100-130℃进行热处理0.5-1.5h；

（5）将模具温度冷却至20-30℃后脱模，然后对所得制品进行机械加工，即得最终产品；

步骤（2）中带有双键的偶联剂选自γ-甲基丙烯酸丙酯基硅烷、甲基丙烯酸氯化罗铬盐或甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的单体为甲基丙烯酸酯类单体，选自甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸对二苯酯、甲基丙烯酸异冰片酯或甲基丙烯酸苯酯中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的引发剂包括偶氮类引发剂或过氧化物类引发剂，所述的偶氮类引发剂选自偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈中的一种或几种，所述的过氧化物类引发剂选自过氧化苯甲酰、过氧化十二酰或过氧化二碳酸二异丙酯中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的增塑剂选自邻苯二甲酸二丁酯、己二酸二辛酯或磷酸三甲苯酯中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（1）中的脱模剂选自硬脂酸或聚乙烯醇中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（1）中单体、引发剂、增塑剂、脱模剂的重量比为（88-93）∶（0.05-1）∶（6-8）∶（0.2-0.6）。

7.根据权利要求1所述的一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的纤维为纤维束或纤维编织物，该纤维选自玻璃纤维、石英纤维、碳纤维、硼纤维、芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种用连续纤维增强热塑性复合材料制造自行车架的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的混合浆液中纤维的体积分数为20%-80%。