CN103612425A

CN103612425A - 一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材及制造工艺

Info

Publication number: CN103612425A
Application number: CN201310576804.1A
Authority: CN
Inventors: 于永成; 张万喜; 陈广义
Original assignee: DALIAN TIANLU NEW MATERIAL Co Ltd
Current assignee: DALIAN TIANLU ELECTROMECHANICAL EQUIPMENT MANUFACTURING Co.,Ltd.
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: CN103612425B

Abstract

本发明公开一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材，目的在于利用碳纤维提高复合板材的强度和韧性，采用以下技术方案：复合板材由面层、麻/短切碳纤维毡层、碳纤维布层、麻/短切碳纤维毡层和底层通过热模压工艺制成；面层和底层均是由涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维三种化学纤维混料铺网针刺制成；麻/短切碳纤维毡层是由短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维四种纤维混料铺网针刺制成；碳纤维布层是经过表面氧化改性处理后的单层针织碳纤维布。本发明的复合板材重量较轻、强度极高、成型性好及隔音效果优良，同时无毒，环保，减震性好，可以用于制造汽车内饰件，还可以部分取代金属材料制造汽车结构件及承载零部件。

Description

一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材及制造工艺

技术领域

本发明涉及麻纤维复合板材及其制备工艺，具体涉及一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材及制造工艺。

背景技术

随着汽车工业的迅速发展，汽车材料正朝着轻量化、高强度、环保可回收的方向发展。由于目前生产汽车非金属零部件的复合基材主要是聚氨酯（PU）板、聚丙烯木粉板及玻璃钢板等，存在有毒化学药品污染环境方面的缺陷，这些复合材料正逐步被新型纤维复合材料所取代，最具代表性的就是天然麻纤维复合材料。专利文献（公开号：CN 102294853A）公开了一种汉堡式麻纤维板及其制备工艺，复合板材是由面层、麻纤维芯层和底层构成，并采用一次模压成型。上述单纯麻纤维复合板材具有质量轻、吸湿性好、无毒环保、成本低等优点，但其缺点在于天然纤维本身强度不够，造成板材及成型结构件的强度较低，大大影响了其在汽车零部件上的应用。碳纤维作为一种新型增强材料，其力学性能十分优异，通用型碳纤维的强度可达1000MPa，模量为100GPa，杨氏模量是玻璃纤维的3倍多，是凯芙拉纤维的2倍，碳纤维树脂基复合材料的抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230GPa～430GPa，亦高于钢，碳纤维的加入可以有效的提升麻纤维复合板材的力学性能。专利文献（公开号：CN103101261A）公开了一种环保可回收汽车内饰件碳纤维和麻纤维复合板材，该复合板材由面层和芯层组成，其中核心芯层是由麻纤维和碳纤维以及两种化学纤维组成，利用碳纤维的高强度和高韧性，克服了单纯麻纤维板材的某些力学性能缺陷，具有密度小、强度高、成型性好、无毒环保等优点，可广泛应用于汽车内饰领域，但由于所采用的短切碳纤维本身性能所限，复合板材的力学性能仍存在瓶颈，一定程度上限制了其在汽车结构件及承载零部件上的应用。

发明内容

本发明公开一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材及制造工

艺，目的在于克服上述单纯天然麻纤维复合板材以及碳纤维/麻纤维复合材料的技术缺陷；并且提供一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材的制

造工艺。

汉堡式的复合结构，其设计思路在于：面层和底层是化学纤维的针刺毡，主要起到隔绝、装饰以及保护内部核心层的作用。上下两层由麻纤维和短切碳纤维以及作为粘合剂的化学纤维组成的麻/短切碳纤维毡层构成了汉堡结构的主体，赋予复合材料主要的力学性能、优异的减震及隔音效果。为了进一步提升复合材料的力学性能，在两层麻/碳纤维复合毡层之间再加入一层力学性能更为优异的碳纤维布层。按照面层-麻/短切碳纤维毡层-碳纤维布层-麻/短切碳纤维毡层-底层的顺序依次铺放入模具中，预热后一次模压即可成型。

为实现本发明目的，采用以下技术方案：具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材是由面层⑴、麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵、碳纤维布层⑶、麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷和底层⑸组成。

所述面层⑴和底层⑸均是由涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维三种化学纤维混料铺网针刺制成；各组份的重量百分比为：涤纶纤维30%～40%、丙纶纤维40%～50%、氨纶纤维10%～20%。

所述麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵和麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷是由短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维四种纤维混料铺网针刺制成；复合毡层各组份的重量百分比为：短切碳纤维10%～30%、麻纤维10%～30%、涤纶纤维20%～30%及丙纶纤维30%～40%。

所述碳纤维布层⑶是经过表面氧化改性处理后的1K、3K、6K、12K、24K、50K及其以上的单层针织碳纤维布。

具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材的制造工艺，包括以下制造步骤：

第一步：制造面层和底层

按照面层⑴和底层⑸组分涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维的重量百分比，将各组份混合均匀后铺网针刺制成；

第二步：制造麻/短切碳纤维毡层

首先按照麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵和麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷各组分短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维的重量百分比配料、进行开松处理，然后混合均匀，最后铺成纤维网并针刺制成麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵和麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷；

第三步：制造具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材

首先把第一步获得的面层⑴与第二步获得的麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵、和第一步获得的底层⑸与第二步获得的麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷分别进行单面复合后预热处理，再取预热后复合基材半成品两片，将麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵与麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷相对，在麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵与麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷之间加入一层经过表面氧化改性处理后的碳纤维布层⑶，一起放入到模具中热压成型，五层一次模压获得具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材。

第三步中预热处理的温度为200℃～250℃，预热处理时间为60s～120s，热压成型的模压压力为15 MPa～20MPa，热压成型时间为60s～120s。

本发明的具有汉堡结构的多层复合板材重量较轻、强度极高、成型性好及隔音效果优良，同时无毒，环保，减震性好，可以用于制造汽车内饰件，还可以部分取代金属材料制造汽车结构件及承载零部件。

附图说明

图1是具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材横截面结构示意图。

其中：面层1、麻/短切碳纤维毡层Ⅰ2、碳纤维布层3、麻/短切碳纤维毡层Ⅱ4、底层5。

具体实施方式

实施例1

㈠材料选择及处理

面层1和底层5均由涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维三种化学纤维混料铺网针刺制成；各组份的重量百分比为：涤纶纤维40%、丙纶纤维50%、氨纶纤维10%。

麻/短切碳纤维毡层Ⅰ2和麻/短切碳纤维毡层Ⅱ4由短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维四种纤维混料铺网针刺制成；各组份的重量百分比为：短切碳纤维10%、麻纤维30%、涤纶纤维25%及丙纶纤维35%。

碳纤维布层3经过表面氧化改性处理后的24K单层针织碳纤维布；碳纤维纱的规格K是指一束纤维纱中所包含的碳纤维数量，1K是就指的碳纤维纱一束是由1000根单纱组成的。

㈡制造工艺

第一步：制备面层和底层

⑴ 采用开松机分别对上述比例的丙涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维进行

开松并送进混棉箱混合处理。

⑵ 空气铺设机将混合后的纤维经筛网滚筒和铺设帘子共同加工后形成

具有厚度（重量）的纤维网，再进入针刺机制成具有一定强度和厚度的毡材。

第二步：制备麻/短切碳纤维毡层

⑴采用开松机分别对上述比例的短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维进行开松并送进混棉箱混合处理。

⑵空气铺设机将混合后的纤维经筛网滚筒和铺设帘子共同作用后形成具有厚度（重量）的纤维网，再进入针刺机制成具有一定强度和厚度的毡材。

第三步：制备具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材

⑴ 将面层（底层）与麻/短切碳纤维毡层进行单面复合。

⑵ 将复合毡材进行预热，预热温度控制在220℃、预热时间60s。

⑶取预热后复合基材半成品两片，将半成品两片的麻/短切碳纤维毡的一面相对合，在二者间加入一层经过表面氧化改性处理后的针织碳纤维布，一起放入到热压模具中，模压压力20MPa，成型时间60s，一次模压获得具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板。

实施例2

㈠材料选择及处理

面层1和底层5均由涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维三种化学纤维混料铺网针刺制成；各组份的重量百分比为：涤纶纤维40%、丙纶纤维45%、氨纶纤维15%。

麻/短切碳纤维毡层Ⅰ2和麻/短切碳纤维毡层Ⅱ4由短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维四种纤维混料铺网针刺制成；各组份的重量百分比为：短切碳纤维15%、麻纤维30%、涤纶纤维25%及丙纶纤维30%。

碳纤维布层3经过表面氧化改性处理后的24K，单层针织碳纤维布。

㈡制造工艺

第一步：制备面层和底层

⑴采用开松机分别对上述比例的丙涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维进行

开松并送进混棉箱混合处理。

⑵空气铺设机将混合后的纤维经筛网滚筒和铺设帘子共同加工后形成

第二步：制备麻/短切碳纤维毡层

第三步：制备具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材

⑴ 将面层（底层）与麻/短切碳纤维毡层进行单面复合。

⑵将复合毡材进行预热，预热温度控制在200℃、预热时间100s。

⑶取预热后复合基材半成品两片，将半成品两片的麻/短切碳纤维毡的一面相对合，在二者间加入一层经过表面氧化改性处理后的针织碳纤维布，一起放入到热压模具中，模压压力15MPa，成型时间120s，一次模压获得具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板。

实施例3

㈠材料选择及处理

面层1和底层5均由涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维三种化学纤维混料铺网针刺制成；各组份的重量百分比为：涤纶纤维35%、丙纶纤维50%、氨纶纤维15%。

碳纤维布层3经过表面氧化改性处理后的12K，单层针织碳纤维布。

㈡制造工艺

第一步：制备面层和底层

开松并送进混棉箱混合处理。

第二步：制备麻/短切碳纤维毡层

第三步：制备具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材

⑴ 将面层（底层）与麻/短切碳纤维毡层进行单面复合。

⑵将复合毡材进行预热，预热温度控制在250℃、预热时间60s。

⑶取预热后复合基材半成品两片，将半成品两片的麻/短切碳纤维毡的一面相对合，在二者间加入一层经过表面氧化改性处理后的针织碳纤维布，一起放入到热压模具中，模压压力20MPa，成型时间90s，一次模压获得具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板。

附表1：具有汉堡结构的多层用麻/碳纤维复合板材组份重量百分比表

附表2：具有汉堡结构的多层用麻/碳纤维复合板材制造工艺参数表

表1

表2

Claims

1.一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材，其特征在于：所述具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材是由面层⑴、麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵、碳纤维布层⑶、麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷和底层⑸组成；所述面层⑴和底层⑸均是由涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维三种化学纤维混料铺网针刺制成；所述麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵和麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷是由短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维四种纤维混料铺网针刺制成；所述碳纤维布层是经过表面氧化改性处理后的单层针织碳纤维布。

2.根据权利要求1所述的具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材，其特征在于：所述面层⑴和底层⑸各组份的重量百分比为：涤纶纤维30%～40%、丙纶纤维40%～50%、氨纶纤维10%～20%。

3.根据权利要求1所述的具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材，其特征在于：所述麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵和麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷各组份的重量百分比为：短切碳纤维10%～30%、麻纤维10%～30%、涤纶纤维20%～30%及丙纶纤维30%～40%。

4.根据权利要求1所述的具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材，其特征在于：所述经过表面氧化改性处理后的碳纤维布的碳纤维纱的规格为1K、3K、6K、12K、24K、50K及其以上。

5.按照权利要求1所述一种具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材的制造工艺，其特征包括以下三个制造步骤：

第一步：制备面层和底层

按照权利要求2所述的各组分及其重量配比，将涤纶纤维、丙纶纤维和氨纶纤维混合均匀后铺网针刺制成；

第二步：制造麻/短切碳纤维毡层

根据权利要求3所述的各组分及其重量配比，将短切碳纤维、麻纤维、涤纶纤维和丙纶纤维首先进行开松处理，然后混合均匀，最后铺成纤维网并针刺制成麻/短切碳纤维毡层；

第三步：制造具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材

首先把第一步获得的面层⑴与第二步获得的麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵、和第一步获得的底层⑸与第二步获得的麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷分别进行单面复合后预热处理，再取预热后复合基材半成品两片，将麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵与麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷相对，在麻/短切碳纤维毡层Ⅰ⑵与麻/短切碳纤维毡层Ⅱ⑷之间加入一层经过表面氧化改性处理后的碳纤维布层⑶，一起放入到模具中经过预热处理后，热压成型，一次模压获得具有汉堡结构的五层麻/碳纤维复合板材。

6.根据权利要求5所述的具有汉堡结构的多层麻/碳纤维复合板材的制造工艺，其特征在于：所述第三步骤中所述预热处理的温度为200℃～250℃，预热处理时间为60s～120s，热压成型的模压压力为15MPa～20MPa，热压成型时间为60s～120s。