CN103770342B - 一种不规则外形碳纤维管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种不规则外形碳纤维管的制备方法，包括：S10、根据所需不规则外形碳纤维管的形状，分别制作规则外形的金属内芯和不规则外形的发泡塑料内芯；S20、将金属内芯与发泡塑料内芯组合形成组合型芯；S30、在碳纤维预浸布表面叠加离型膜后整体缠绕于组合型芯上；S40、合模加温加压成型，冷却定型，开模后先脱离金属内芯，然后揭除离型膜、连带去除已热膨胀成型的发泡塑料内芯，得到所述不规则外形碳纤维管。本发明提供的制备方法，省去了专门成型特定形状型芯整体的模具成本，成型完成后型芯易从碳纤维管中脱离，工艺简单、易于实施。

Description

一种不规则外形碳纤维管的制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种不规则外形碳纤维管的制备方法。
背景技术
碳纤维管，特别是表面由多个不规则曲面构成的异形管，不规则曲面可以为外凸或内凹曲面，整个管子皆为不规则曲面或者管子的一部分为规则曲面、另一部分为不规则曲面。由于不规则曲面大多为倒扣结构，例如垂直于产品脱模方向上有内凹或凸起等会导致无法脱模的结构，类似于手机卡扣，其无法用单一的芯棒型芯缠绕成型去实现，主要是芯棒型芯无法从倒扣结构中脱模出来。
目前成型碳纤维管材主要有以下方式：（1）由金属芯棒和橡胶材料构成的芯棒缠绕碳纤维预浸布，合模后放入烘箱内热固化并冷却而成，其中金属芯棒表面包覆一层橡胶材料而制成芯模，成型时的压力由橡胶材料受热膨胀而提供。该方法主要用于成型规则外形的碳纤维管，其所采用的橡胶材料形状单一，线型膨胀系数>2400K-1*10-6，体积膨胀系数>7500K-1*10-6，膨胀系数太小，无法用来成型曲率较大的异形不规则碳纤维管；而根据碳纤维管的异形面专门成型一套橡胶模具，成本则过高，且复杂倒包结构使得橡胶材料无法顺利脱模。（2）采用具有热收缩特性的发泡材料加工出适配碳纤维产品形状的内芯体，采用气袋包裹内芯体，再在内芯体外包裹碳纤维，最后吹气成型碳纤维产品。该方法一方面工艺复杂，另外还需要成型内芯体专门模具，成本仍然较高。
发明内容
本发明解决了现有技术中成型不规则外形碳纤维管存在的工艺复杂、成本过高且芯轴不易脱模的技术问题。
本发明提供了一种不规则外形碳纤维管的制备方法，包括以下步骤：
S10、根据所需不规则外形碳纤维管的形状，将其拆分为规则外形部分和不规则外形部分，然后分别制作规则外形部分对应的金属内芯和不规则外形部分对应的发泡塑料内芯，所述发泡塑料内芯热膨胀成型后的形状与不规则外形部分形状匹配；
S20、将金属内芯与发泡塑料内芯按照所需不规则外形碳纤维管的形状组合形成一个组合型芯；
S30、在碳纤维预浸布表面叠加一层离型膜，然后将该叠加有离型膜的碳纤维预浸布缠绕于所述组合型芯上，缠绕时使离型膜与组合型芯接触；
S40、将碳纤维预浸布与组合型芯的缠绕整体置于模具中，合模后加温加压成型，冷却定型，开模后得到带组合型芯的成型整体，先脱离金属内芯，然后揭除离型膜、连带去除已热膨胀成型的发泡塑料内芯，得到所述不规则外形碳纤维管。
本发明提供的制备方法，根据不规则碳纤维的形状分别制作内芯，然后组合形成型芯整体，省去了专门开模制备特定形状的型芯整体的模具成本，同时在加温加压成型后先脱离金属内芯，由于金属内芯为规则外形，其可轻易从固化成型的碳纤维管中脱除，然后揭除离型膜，由于已膨胀成型的发泡塑料内芯体仅与离型膜附着，因此其可随离型膜从碳纤维管中脱除；针对形状复杂、不易脱模的倒包结构产品，脱模时可以破坏性的去除已膨胀的发泡塑料内芯体部分，保证组合型芯从产品中彻底脱离。同时，本发明提供的制备方法工艺简单、易于实施。
附图说明
图1是本发明提供的不规则外形碳纤维管的制备方法的流程图。
图2是本发明实施例1中碳纤维预浸布缠绕于组合型芯表面后的正面剖视图。
图3是图2的H-H剖视图。
图4是本发明实施例2中碳纤维预浸布缠绕于组合型芯表面后的正面剖视图。
图5是图4的I-I剖视图。
图中，21——碳纤维预浸布，22——金属内芯，23——发泡塑料内芯。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种不规则外形碳纤维管的制备方法，其流程如图1所示，具体包括以下步骤：
S10、根据所需不规则外形碳纤维管的形状，将其拆分为规则外形部分和不规则外形部分，然后分别制作规则外形部分对应的金属内芯和不规则外形部分对应的发泡塑料内芯，所述发泡塑料内芯热膨胀成型后的形状与不规则外形部分形状匹配；
S20、将金属内芯与发泡塑料内芯按照所需不规则外形碳纤维管的形状组合形成一个组合型芯；
S30、在碳纤维预浸布表面叠加一层离型膜，然后将该叠加有离型膜的碳纤维预浸布缠绕于所述组合型芯上，缠绕时使离型膜与组合型芯接触；
S40、将碳纤维预浸布与组合型芯的缠绕整体置于模具中，合模后加温加压成型，冷却定型，开模后得到带组合型芯的成型整体，先脱离金属内芯，然后揭除离型膜、连带去除已热膨胀成型的发泡塑料内芯，得到所述不规则外形碳纤维管。
本发明提供的制备方法，根据不规则碳纤维的形状分别制作内芯，然后组合形成型芯整体，省去了专门开模制备特定形状的型芯整体的模具成本，同时在加温加压成型后先脱离金属内芯，由于金属内芯为规则外形，其可轻易从固化成型的碳纤维管中脱除，然后揭除离型膜，由于已膨胀成型的发泡塑料内芯体仅与离型膜附着，因此其可随离型膜从碳纤维管中脱除；针对形状复杂、不易脱模的倒包结构产品，脱模时可以破坏性的去除已膨胀的发泡塑料内芯体部分，保证组合型芯从产品中彻底脱离。同时，本发明提供的制备方法工艺简单、易于实施。
本发明中，将不规则外形碳纤维管拆分性规则外形部分和不规则外形部分的数量没有特殊限制，可根据其具体形状进行适当拆分。例如，结构相对简单的不规则外形碳纤维管，可以仅拆成一个规则外形部分和一个不规则外形部分；而结构相对复杂的不规则外形碳纤维管，则可以拆成多个规则外形部分和多个不规则外形部分。需要注意地是，在保证能最后成型得到所述不规则外形碳纤维管的前提下，不规则外形部分和规则外形部分的总数量应越小越好，否则会增加工艺复杂程度。
根据本发明的制备方法，然后根据所拆分的规则外形部分和不规则外形部分，分别成型内芯。其中，规则外形部分对应的内芯采用金属制作，即其对应的内芯为金属内芯。制作所述金属内芯的方法可采用CNC数控加工法，所采用的金属为模具钢、铝合金或者铜合金。
不规则外形部分对应的内芯，考虑其形状不规则性，本发明中，不规则外形部分对应的内芯采用发泡塑料制成，即其对应的内芯为发泡塑料内芯。制作所述发泡塑料内芯的方法为：按照不规则外形部分的形状选择适量发泡塑料，将发泡塑料与发泡剂、助剂混合后形成发泡母粒。
所述发泡塑料可选自现有技术中常用的各种发泡性热塑性塑料或热固性塑料，例如可以选自EVA、PE、PP、PVC或酚醛树脂中的任意一种，优选采用EVA。
发泡剂在热分解温度下分解，导致发泡母粒热膨胀成型，从而原发泡母粒的体积增大，最后得到与所述不规则外形碳纳米管中不规则外形部分形状相同的内芯体。因此，本发明中，采用不同的发泡塑料和发泡剂，由于其热膨胀体积率不同，其用量也会相应不同；本领域技术人员可根据其所选用的发泡塑料种类对其用量进行适当选择。一般情况下，发泡母粒的热膨胀体积率越大，则其用量则相对减少。优选情况下，所述不规则外形碳纳米管中不规则外形部分的体积为V1，发泡母粒的体积为V2，发泡母粒的热膨胀体积率为γ，满足关系式：V1/γ≤V2≤V1。即所述发泡母粒的体积最大值为不规则外形碳纳米管中不规则外形部分的体积，最小值为不规则外形碳纳米管中不规则外形部分的体积与发泡母粒的热膨胀体积率γ之比。
本发明中，所述发泡剂的热分解温度与碳纤维预浸布的固化温度匹配，即可通过一个控温步骤，同时实现发泡母粒的发泡成型和碳纤维预浸布的固化成型，得到所需形状的碳纤维管。优选情况下，所述发泡剂可采用AD-300，其分解温度为140℃，但不局限于此。
所述助剂为本领域技术人员常用的各种助剂，例如可选自填充剂、架桥剂、发泡促进剂、润滑剂中的至少一种。各助剂的用量可根据发泡塑料内芯的实际形状及大小进行适当选择，例如不规则曲面的曲率越大、体积越大，则可以适当增加填充剂、发泡促进剂的用量，以增大发泡后形成的内芯体的刚性及体积，使得发泡材料能更充实填充不规则部分的型腔腔体。
根据本发明的制备方法，分别成型规则形状的金属内芯和不规则形状的发泡塑料内芯后，即可将其组合形成一个整体的组合型芯。本发明中，将金属内芯与发泡塑料内芯组合形成组合型芯的步骤包括：先在金属内芯的表面涂覆脱模剂，然后将发泡塑料内芯粘接于金属内芯表面。在金属内芯表面涂覆脱模剂后，有利于后期金属内芯的抽离。所述脱模剂可采用美国肯天ChemTrandPMREZ脱模剂，但不局限于此。
如前所述，所述发泡塑料内芯由发泡母粒组成，为保证其可靠粘接于金属内芯表面，可先将散装的发泡母粒装在无纺布袋中并封好，然后采用双面胶粘结于金属内芯的表面。
根据本发明的制备方法，得到组合型芯后，即可开始碳纤维预浸布的缠绕过程。为保证后续工艺中型芯轻易从碳纤维管中去除，本发明中，先在碳纤维预浸布表面叠加一层离型膜，然后将其叠加整体缠绕于组合型芯上，缠绕过程中，是离型膜的一面与组合型芯接触。同时，离型膜还具有较强的拉伸性，在拉伸后不易破裂。所述离型膜可采用现有技术中常见的各种离型膜，本发明没有特殊限定。优选情况下，所述离型膜的厚度为0.05-0.125mm。作为本领域技术人员的公知常识，本发明中，所述碳纤维预浸布在缠绕之前还需根据阴模型腔的腔体形状进行适当裁切，然后再缠绕至组合型芯上。
根据本发明的制备方法，将碳纤维预浸布与组合型芯的缠绕整体置于模具中，合模后加温加压成型，冷却定型，开模后得到带组合型芯的成型整体。优选情况下，加温加压成型的温度为140-170℃，压力为1-3MPa，时间为20-25min。
在去除组合型芯时，先脱离金属内芯，这是由于金属内芯为规则形状，其脱除较为容易。脱除金属内芯后，即可露出部分离型膜，然后即可揭起离型膜，将其整体从碳纤维管内部脱离，连带将离型膜内部已热膨胀成型的发泡塑料内芯脱除，即可得到所述不规则外形碳纤维管。针对形状复杂、不易脱模的倒包结构碳纤维管产品，在脱模后去除型芯时可以破坏性的去除已膨胀的发泡塑料内芯体部分，保证组合型芯从产品中彻底脱离。同时，本发明提供的制备方法工艺简单、易于实施。
以下结合实施例对本发明作进一步解释说明。
实施例1
本实施例所涉及的不规则外形的碳纤维管可应用于数码电子产品（如手机、MP3等）的管状外壳或者作为其他3C产品的外壳或结构支撑件，具360度全包围外形，其不规则外形可分解为椭圆管状的规则部分A和凹凸曲面的不规则部分B。
（1）根据规则部分A的形状，采用CNC数控加工方式加工制作普通模具钢材质的金属内芯22，其精度达到0.02mm。
选择EVA塑料作为发泡塑料，将其与发泡剂AD-300（其分解温度为140℃）和填充剂、架桥剂、发泡促进剂、润滑剂混合均匀得到的发泡母粒，并装配于无纺布袋中，其热膨胀体积率γ=200%，其体积V2为不规则部分B的体积V1的二分之一。
（2）在金属内芯22的表面涂覆脱模剂美国肯天ChemTrandPMREZ脱模剂，将装配有发泡母粒的无纺布袋用双面胶纸粘结于金属内芯22的上表面，形成组合型芯。
（3）在碳纤维预浸布表面叠加一层厚度为0.1mm的离型膜，然后按照阴模型腔腔体的形状裁切碳纤维预浸布，并将该叠加有离型膜的碳纤维预浸布21缠绕于组合型芯（包括金属内芯22和发泡塑料内芯23）表面，缠绕时带离型膜的一面与组合型芯表面相接触，如图2、图3所示。
（4）将碳纤维预浸布与组合型芯的缠绕整体放置于阴模腔体中，合模后按照下表的成型参数进行加温加压成型；
（5）往模具中通冷却水冷却5min，使模具温度冷却至60℃；开启上、下阴模，取出带有组合型芯的碳纤维管，先抽取金属内芯22，再揭掉碳纤维管内部的离型膜，同时可顺便脱离已膨胀成型的发泡塑料内芯体，得到本实施例的具有不规则外形的碳纤维管。
实施例2
本实施例所涉及的不规则外形的碳纤维管与实施例1相比，整个面皆为不规则曲面，可分解为一个具椭圆管状的规则部分C和两个分别带凹凸曲面的不规则部分D、E示。
采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的碳纤维管，不同之处在于：
步骤（1）中，根据规则部分C的形状，采用CNC数控加工方式加工制作普通模具钢材质的金属内芯22，其精度达到0.02mm；
选择EVA塑料作为发泡塑料，将其与发泡剂AD-300（其分解温度为140℃）和填充剂、架桥剂、发泡促进剂、润滑剂混合均匀得到的发泡母粒M1，并装配于无纺布袋中，其热膨胀体积率γ=200%，其体积V2’为不规则部分D的体积V1’的二分之一；
选择EVA塑料作为发泡塑料，将其与发泡剂AD-300（其分解温度为140℃）和填充剂、架桥剂、发泡促进剂、润滑剂混合均匀得到的发泡母粒M2，并装配于无纺布袋中，其热膨胀体积率γ=200%，其体积V2’’为不规则部分E的体积V1’’的二分之一；
步骤（2），在金属内芯22的表面涂覆脱模剂美国肯天ChemTrandPMREZ脱模剂，然后将装配有发泡母粒M1、M2的无纺布袋用双面胶纸分别粘结于金属内芯22的上下两个表面，形成组合型芯；
步骤（3），在碳纤维预浸布表面叠加一层厚度为0.1mm的离型膜，然后按照阴模型腔腔体的形状裁切碳纤维预浸布，并将该叠加有离型膜的碳纤维预浸布21缠绕于组合型芯（包括金属内芯22和2个发泡塑料内芯23）表面，缠绕时带离型膜的一面与组合型芯表面相接触，如图4、图5所示；
然后与实施例1相同的步骤（4）、（5），得到本实施例的具有不规则外形的碳纤维管。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不规则外形碳纤维管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、根据所需不规则外形碳纤维管的形状，将其拆分为规则外形部分和不规则外形部分，然后分别制作规则外形部分对应的金属内芯和不规则外形部分对应的发泡塑料内芯，所述发泡塑料内芯热膨胀成型后的形状与不规则外形部分形状匹配；
S20、将金属内芯与发泡塑料内芯按照所需不规则外形碳纤维管的形状组合形成一个组合型芯；
S30、在碳纤维预浸布表面叠加一层离型膜，然后将该叠加有离型膜的碳纤维预浸布缠绕于所述组合型芯上，缠绕时使离型膜与组合型芯接触；
S40、将碳纤维预浸布与组合型芯的缠绕整体置于模具中，合模后加温加压成型，冷却定型，开模后得到带组合型芯的成型整体，先脱离金属内芯，然后揭除离型膜、连带去除已热膨胀成型的发泡塑料内芯，得到所述不规则外形碳纤维管；
在步骤S30中，所述发泡塑料内芯位于碳纤维预浸布与金属内芯之间。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S10中，制作所述金属内芯为CNC数控加工法，所采用的金属为模具钢、铝合金或者铜合金。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S10中，制作所述发泡塑料内芯的方法为：按照不规则外形部分的形状选择适量发泡塑料，将发泡塑料与发泡剂、助剂混合后形成发泡母粒。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述不规则外形碳纤维管中不规则外形部分的体积为V1，发泡母粒的体积为V2，发泡母粒的热膨胀体积率为γ，满足关系式：V1/γ≤V2≤V1。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述发泡塑料选自EVA、PE、PP、PVC或酚醛树脂中的任意一种，所述发泡剂的热分解温度与碳纤维预浸布的固化温度匹配。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为AD-300。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述助剂选自填充剂、架桥剂、发泡促进剂、润滑剂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S20中，将金属内芯与发泡塑料内芯组合形成组合型芯的步骤包括：先在金属内芯的表面涂覆脱模剂，然后将发泡塑料内芯粘接于金属内芯表面。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S30中，离型膜的厚度为0.05-0.125mm。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S40中，加温加压成型的温度为140-170℃，压力为1-3MPa，时间为20-25min。
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