一种热塑性树脂复合材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于树脂材料科学技术领域,具体涉及一种热塑性树脂复合材料、制备方法及其应用。
背景技术
热塑性树脂复合材料,特别是连续纤维增强的热塑性树脂复合材料具有许多突出的性能优点,例如抗冲击破坏性能好、损伤后易修复、预浸料可以长期保存、制品可以回收重复利用等优点。因而近年来得到了巨大的发展,相应的制备技术也得到了很大的突破。然而,由于我国热塑性复合材料还处于研究的初级阶段,因此品种比较单一,其成型工艺也不很成熟,应用范围也需要进一步的拓宽。
目前我国的车辆的车门大部分采用钢铁制成。钢制车门重量比较重,影响车辆的载重量。钢制车门在使用的过程中锈蚀严重,腐蚀破损后不易修补,车门寿命短,更换量大。钢制车门在装卸及运输货物的过程中受力不均容易导致车门变形,门缝间隙变大,造成货物漏撒财产损失。另外,钢制车门所用的钢材生产时耗用能源较大,污染严重,又是不可再生资源,同时制造成本也较高。因此,业界一直在寻找一种能够代替钢材的材料来制造车门,同时达到车辆减重、节能减排、清洁环保的目的。
早期人们采用短纤维增强的热固性树脂基复合材料,如片状模塑料(SMC)替代钢材来制造车门,取得了一定的良好效果。例如SMC车门比较轻,达到了车辆减重的效果。此外SMC车门还具有耐腐蚀、耐酸碱、抗老化、免油漆等优点。然而,SMC车门仍然存在一些缺陷,比如抗冲击性能较差,破损不易修补,生产时使用大量溶剂造成环境污染,难以回收重复利用等。
发明内容
本发明的目的是提供一种热塑性树脂复合材料。
本发明的另一个目的是提供一种上述热塑性树脂复合材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种将上述热塑性树脂复合材料制成车门的方法,制备得到的车门与传统的钢制车门和SMC车门等相比较具有重量轻、抗冲击破坏性能好、容易修补、可回收、综合性能优良等诸多的优点。
本发明的技术方案如下:
本发明提供了一种热塑性树脂复合材料,该复合材料包括以下组分和重量百分含量:
连续纤维 40-80%,
热塑性树脂 20~30%,
阻燃剂 0-18%,
抗紫外剂 0-9%,
抗氧剂 0-3%。
所述的连续纤维长度>0.1米,选自有机纤维、无机纤维、矿物纤维或金属纤维中的一种或几种的混合物;进一步,有机纤维选自芳香族聚酰胺纤维、超高分子量聚乙烯纤维、粘胶纤维或天然动植物纤维,无机纤维选自玻璃纤维、碳纤维或硼纤维;矿物纤维选自玄武岩纤维或者石棉纤维;金属纤维选自不锈钢纤维、铜纤维、铁铬铝纤维或铝纤维。
所述的热塑性树脂选自聚烯烃、热塑性聚酯、聚酰胺、聚碳酸酯PC、其它通用塑料或高性能工程塑料中的一种或几种的混合物;其中:聚烯烃选自聚丙烯、均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或聚乙烯;热塑性聚酯选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT);聚酰胺选自尼龙6(PA6)、尼龙66(PA66)、尼龙12(PA12)、尼龙1212(PA1212)或尼龙612(PA612);其他通用塑料选自聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物(ABS)、聚苯乙烯(PS)或高抗冲聚苯乙烯(HIPS);高性能工程塑料选自聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚(PPO)或聚醚酰亚胺(PEI)。
所述的阻燃剂选自氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸三(2、3-二氯丙基)酯(简称TDCPP)、聚磷酸铵、八溴醚、磷酸三苯酯、六溴环十二烷、三聚氰胺聚磷酸盐(简称MPP)、硼酸锌、三氧化二锑、十溴二苯乙烷、包覆红磷、三(2,3-二溴丙基)异三聚氰酸酯(简称TBC)、磷酸三(β-氯乙基)酯(简称TCEP)、三氯丙基磷酸酯(简称TCPP)、甲基膦酸二甲酯(简称DMMP)、三聚氰胺氰尿酸盐(简称MCA)、十溴二苯醚、磷酸三异丙基苯酯(简称IPPP)、聚磷酸铵或聚四氟乙烯微粉的一种或几种的混合物。
所述的抗紫外剂选自2,4-二羟基二苯甲酮(简称UV-0)、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮(简称UV-531)、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮(简称UV-9)、2-(2′-羟基-5′-甲基苯基)苯并三唑(简称UV-P)、2-(2′-羟基-3′-叔丁基-5′-甲基苯基)-5-氯代苯并三唑(简称UV-326)、2-(2′-羟基-3′,5′-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑(简称UV-327)、2-(2′-羟基-3′,5′-二戊基苯基)苯并三唑(简称UV-328)、2-(2′-羟基-5′-叔辛基苯基)苯并三唑(简称UV-329)、2-苯基苯并咪唑-5-磺酸(简称UV-T)、2-(2’-羟基-3’,5’双(a,a-二甲基苄基)苯基)苯并三唑(简称UV-234)、2-(2H-苯并三唑-2-基)-6-(十二烷基)-4-甲基苯酚(简称UV-571)、丁二酸与(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶醇的聚合物)(简称光稳定剂622)、双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(简称光稳定剂770)、双(3,5-二叔丁基-4羟基苄基磷酸单乙酯)镍(光稳定剂802)或聚-{[6-[(1,1,3,3,-四甲基丁基)-胺基]1,3,5,-三嗪-2,4-二基][(2,2,6,6-四甲基哌啶基)-亚胺基]-1,6-己烷二基-[(2,2,6,6-四甲基哌啶基)-亚胺基]}(简称光稳定剂944)中的一种或几种的混合物。
所述的抗氧剂选自四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(简称抗氧剂1010)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(简称抗氧剂1076)、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(简称抗氧剂168)、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(简称抗氧剂264)或N,N′-双-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰基)己二胺(简称抗氧剂1098)中的一种或几种的混合物。
本发明还提供了一种上述热塑性树脂复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:
(1)纤维开卷展丝铺平;
(2)单向纤维布浸渍:将重量百分含量为20~30%的热塑性树脂、重量百分含量0-18%的阻燃剂、重量百分含量为0~9%的抗紫外剂和重量百分含量为0~3%的抗氧剂,混合均匀后,通过螺杆挤出机熔融挤出后注入浸胶池内,然后将展丝铺平后的单向纤维布通过浸胶池,进行单向纤维布浸渍;
(3)冷却压平:浸渍后的单向纤维布引入冷却辊,使热塑性树脂冷却并与纤维结合在一起,同时冷却辊将浸渍后的单向纤维布压平,形成热塑性树脂复合材料,也称之为单向纤维浸渍带
(4)收卷成型:单向纤维浸渍带的温度降至室温,通过牵引卷绕装置卷绕成型。
所述的纤维开卷展丝铺平是将连续纤维开卷后,经过导丝辊依靠张力的作用使纤维丝束打开铺平,形成单向纤维布,一个纤维束完全展开后其宽度为5.5mm~6.5mm,根据需要的单向纤维布的幅宽来确定所需要的纤维束的个数。
所述的浸胶池内设有浸胶辊,浸胶辊的数量≥1个。
本发明还提供了一种将上述热塑性树脂复合材料制成车门的方法,该方法包括以下步骤:
(1)单向纤维浸渍带铺层;将热塑性树脂复合材料即单向纤维浸渍带裁割成所需的尺寸交替叠放铺层;
(2)浸渍带加热加压成型制成复合材料板材;将铺层好的浸渍带由传送带导入压延辊加压装置,热压复合后的浸渍带再经过冷却辊使热塑性树脂复合材料降温冷却凝固,从而使热塑性树脂复合材料成型;
(3)复合材料预加热;成型后的热塑性树脂复合材料由切割机裁割成所需尺寸,然后通过传送带送入烘道进行预加热处理;
(4)复合材料在模具中加压成型;热塑性树脂复合材料预加热后软化,迅速送入模具进行加压成型,冷却后脱模得到热塑性树脂复合材料车门。
所述的步骤(1)中铺层根据产品的厚度要求来确定叠放的层数,最终产品的厚度为单层浸渍带厚度的整数倍;同时根据性能设计要求采用0°/45°/90°的交替的铺层方式。
所述的压延辊的加热方式采用电加热或导热油加热方式,压延辊的压力控制在0.2MPa~1.0MPa之间。
所述的压延辊加压装置中,热辊的表面温度必须足够高以保持使树脂膜处于熔融流动状态,便于多层浸渍带的结合;对于结晶聚合物树脂,热辊的表面温度应高于树脂的熔融温度,对于非晶聚合物树脂,热辊的表面温度应高于其加工流动温度。
所述的冷却辊采用的冷却方式为风冷或水冷。
所述的烘道可采用电热丝加热或者红外加热方式,烘道的温度应足以使复合材料适当软化即可,不宜过高或者过低,烘道温度一般应设置在树脂熔融温度附近,具体数值需根据实际情况进行调整。
由本发明方法制备得到的车门,适用于火车、货车或集装箱等不同种类的车辆。
本发明同现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
1、本发明的热塑性树脂复合材料,采用的原材料均为常用的塑料和纤维,价格低廉,获取非常容易,市场采购即可。
2、本发明的热塑性树脂复合材料的制备方法,可以是间歇式生产,也可实现连续化生产;连续化生产的效率大大提高,生产的成本相应大幅度降低;该制备方法的设备投入低,工艺简单,经济适用。
3、由本发明的热塑性树脂复合材料制备得到的车门具有可整体成型、综合性能优异、抗冲击性能好、不易破损、不易产生永久变形、耐腐蚀、重量轻、生产过程清洁环保无污染、制品可以回收重复利用等诸多优点;可以用来替代钢制车门,起到“以塑代钢、节能环保”的良好效果。
4、由本发明的热塑性树脂复合材料制备得到的车门,克服了钢制车门以及热固性复合材料车门的缺点,具有重量轻,抗冲击韧性高,车门不易产生变形,破损修补容易,生产过程不使用溶剂清洁无污染,制品可以回收重复利用,综合性能优良等诸多的优点;该车门与传统的钢制车门和SMC车门等相比较具有重量轻、抗冲击破坏性能好、容易修补、可回收、综合性能优良等诸多的优点。
5、由本发明的热塑性树脂复合材料制备得到的车门,其制备方法具有成型工艺简单,设备投入及维护成本低等优点,可以制造小、中、大三种型号的车门适用于火车、货车、集装箱等不同种类的车辆;适合间歇性或连续化生产,可以进行大批量投产。
6、本发明的复合材料制备方法简单易行,设备投入低。可间歇式生产也可以实现连续化生产,所制备的复合材料性能稳定。
7、本发明的复合材料制备方法不适用溶剂,无有毒物质释放,不需要额外处理溶剂或有毒释放物的设备投入,环保节能。
附图说明
图1为本发明的复合材料制备工艺流程示意图。
图2为本发明的车门制造方法示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料小型货车车门
配方:
连续玻璃纤维(纤维长度:120米):10公斤(重量百分含量40%)
聚丙烯树脂:7.5公斤(重量百分含量30%)
阻燃剂十溴二苯乙烷:3.5公斤(重量百分含量14%)
阻燃剂三氧化二锑:1公斤(重量百分含量4%)
抗紫外剂UV531:2.25公斤(重量百分含量9%)
抗氧剂168:0.75公斤(重量百分含量3%)
如图1所示,首先制备热塑性树脂复合材料,即单向玻璃纤维聚丙烯浸渍带。将连续玻璃纤维卷1开卷拉出连续玻璃纤维束2,经过导丝辊3和导丝辊4依靠张力的作用使玻璃纤维束打开展丝铺平,形成单向玻璃纤维布。所需要的纤维束的个数为60。将聚丙烯树脂、十溴二苯乙烷、三氧化二锑、UV531和抗氧剂168按比例混合均匀后通过螺杆挤出机熔融挤出后注入浸胶池5内,然后将展丝铺平后的单向玻璃纤维布通过浸胶池,进行单向玻璃纤维布浸渍。浸胶池内设有浸胶辊6,浸胶辊的数量为3个。单向玻璃纤维布经过浸胶池,树脂熔融物附着在玻璃纤维上起到浸润的作用。浸渍后的单向玻璃纤维布引入冷却辊装置7,使聚丙烯树脂冷却并与玻璃纤维结合在一起,同时冷却辊将浸渍后的单向玻璃纤维布压平,得到单向玻璃纤维浸渍带,即连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料。当单向玻璃纤维浸渍带的温度降至室温即可通过牵引卷绕装置8卷绕成型,便于包装和运输。该复合材料的性能如下:
拉伸强度(测试标准:GB/T 1447):231MPa
弯曲强度(测试标准:GB/T 1449):225MPa
缺口冲击强度(测试标准:GB/T 1451):126.7KJ/m2
车门的制造方法如图2所示,先将单向玻璃纤维聚丙烯浸渍带9裁剪成所需尺寸后进行叠放铺层,铺层方式为0°和90°方向交替铺层。叠放层数30层。铺层好的聚丙烯浸渍带由传送带导入压延辊加压装置10,压延辊装置由热压辊和冷却辊组成,压延辊采用导热油加热的方式,冷却辊采用通循环冷却水的办法来降温。铺层好的浸渍带首先进入热压辊,热辊的表面温度为230℃,浸渍带上的热塑性树脂在热压的作用下熔融将多层浸渍带粘合在一起。压延辊的压力为0.2MPa。热压复合后的浸渍带再经过冷却辊使树脂降温冷却凝固,从而使复合材料成型。成型后的复合材料由切割机11裁割成所需尺寸,然后通过传送带送入烘道12进行预加热处理,烘道采用红外加热方式,烘道温度设置为230℃。复合材料经过烘道预加热后软化,迅速送入模具13进行加压成型,然后在模具中冷却后脱模得到产品14连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料货车门。本车门与传统使用的钢制车门比较具有重量轻,抗冲击,不产生永久变形的优点。
实施例2
连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料运货火车车门
配方:
连续玻璃纤维(纤维长度250米):30公斤(重量百分含量60%)
聚丙烯树脂:12.5公斤(重量百分含量25%)
阻燃剂十溴二苯乙烷:3.5公斤(重量百分含量7%)
阻燃剂三氧化二锑:1公斤(重量百分含量2%)
抗紫外剂UV531:1.25公斤(重量百分含量2.5%)
抗紫外剂光稳定剂944:1公斤(重量百分含量2.0%)
抗氧剂1010:0.75公斤(重量百分含量1.5%)
首先制备热塑性树脂复合材料,即单向玻璃纤维聚丙烯浸渍带。将连续玻璃纤维卷开卷拉出连续玻璃纤维束,经过导丝辊和导丝辊依靠张力的作用使玻璃纤维束打开展丝铺平,形成单向玻璃纤维布。所需要的纤维束的个数为100。将聚丙烯树脂、十溴二苯乙烷、三氧化二锑、UV531、光稳定剂944、和抗氧剂1010按比例混合均匀后通过螺杆挤出机熔融挤出后注入浸胶池内,然后将展丝铺平后的单向玻璃纤维布通过浸胶池,进行单向玻璃纤维布浸渍。浸胶池内设有浸胶辊,浸胶辊的数量为5个。单向玻璃纤维布经过浸胶池,树脂熔融物附着在玻璃纤维上起到浸润的作用。浸渍后的单向玻璃纤维布引入冷却辊装置,使聚丙烯树脂冷却并与玻璃纤维结合在一起,同时冷却辊将浸渍后的单向玻璃纤维布压平,得到单向玻璃纤维浸渍带,即连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料。当单向玻璃纤维浸渍带的温度降至室温即可通过牵引卷绕装置卷绕成型,便于包装和运输。该复合材料的性能如下:
拉伸强度(测试标准:GB/T 1447):325MPa
弯曲强度(测试标准:GB/T 1449):318MPa
缺口冲击强度(测试标准:GB/T 1451):150.3KJ/m2
先将单向玻璃纤维聚丙烯浸渍带裁剪成所需尺寸后进行叠放铺层,铺层方式为0°/45°/90°方向交替铺层。叠放层数50层。铺层好的聚丙烯浸渍带由传送带导入压延辊加压装置,压延辊装置由热压辊和冷却辊组成,压延辊采用电加热的方式,冷却辊采用通循环冷却水的办法来降温。铺层好的浸渍带首先进入热压辊,热辊的表面温度为240℃,浸渍带上的热塑性树脂在热压的作用下熔融将多层浸渍带粘合在一起。压延辊的压力为1MPa。热压复合后的浸渍带再经过冷却辊使树脂降温冷却凝固,从而使复合材料成型。成型后的复合材料由切割机裁割成所需尺寸,然后通过传送带送入烘道进行预加热处理,烘道采用红外加热方式,烘道温度设置为230℃。复合材料经过烘道预加热后软化,迅速送入模具进行加压成型,然后在模具中冷却后脱模得到产品连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料火车门。本复合材料火车门与目前大量使用的钢制火车门比较,重量轻50%以上,大大提高了载货量。并且本复合材料火车门耐腐蚀、抗冲击韧性高,不产生永久变形。可以经受铲车、叉车等的挤压顶撞等。并且破损后修复非常容易。
实施例3
碳纤维增强尼龙66高强度防弹车门
配方:
碳纤维T300(纤维长度300米):16公斤(重量百分含量80%)
尼龙66:4公斤(重量百分含量20%)
阻燃剂:0
抗紫外剂:0
抗氧剂:0
首先制备热塑性树脂复合材料,即单向碳纤维聚丙烯浸渍带。将连续碳纤维卷开卷拉出连续碳纤维束,经过导丝辊和导丝辊依靠张力的作用使碳纤维束打开展丝铺平,形成单向碳纤维布。所需要的纤维束的个数为50。将尼龙66通过螺杆挤出机熔融挤出后注入浸胶池内,然后将展丝铺平后的单向碳纤维布通过浸胶池,进行单向碳纤维布浸渍。浸胶池内设有浸胶辊,浸胶辊的数量为1个。单向碳纤维布经过浸胶池,树脂熔融物附着在碳纤维上起到浸润的作用。浸渍后的单向碳纤维布引入冷却辊装置,使聚丙烯树脂冷却并与碳纤维结合在一起,同时冷却辊将浸渍后的单向碳纤维布压平,得到单向碳纤维浸渍带,即连续碳纤维增强聚丙烯复合材料。当单向碳纤维浸渍带的温度降至室温即可通过牵引卷绕装置卷绕成型,便于包装和运输。该复合材料的性能如下:
拉伸强度(测试标准:GB/T 1447):405MPa
弯曲强度(测试标准:GB/T 1449):364MPa
缺口冲击强度(测试标准:GB/T 1451):245KJ/m2
防弹车门的制造方法,先将碳纤维浸渍带裁剪成所需尺寸后进行叠放铺层,铺层方式为0°/90°方向交替铺层。叠放层数30层。铺层好的尼龙66浸渍带由传送带导入压延辊加压装置,压延辊装置由热压辊和冷却辊组成,压延辊采用电加热的方式,冷却辊采用通循环冷却水的办法来降温。铺层好的浸渍带首先进入热压辊,热辊的表面温度为280℃,浸渍带上的热塑性树脂在热压的作用下熔融将多层浸渍带粘合在一起。压延辊的压力控制在0.6MPa。热压复合后的浸渍带再经过冷却辊使树脂降温冷却凝固,从而使复合材料成型。成型后的复合材料由切割机裁割成所需尺寸,然后通过传送带送入烘道进行预加热处理,烘道采用红外加热方式,烘道温度设置为280℃。复合材料经过烘道预加热后软化,迅速送入模具进行加压成型,然后在模具中冷却后脱模得到产品碳纤维增强尼龙66高强度防弹车门。本防弹车门具有质轻强度高韧性好的优点,安装简单。可作为军用车辆的车门使用,具有防弹片击穿的效果。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。