CN104669639A - 自行车的碳纤维材料的成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种自行车的碳纤维材料的成型方法。该方法为先提供一将聚乙烯醇加热至其熔点以上的温度，并经成型与冷却后制得的成型芯材，使碳纤维预浸布包覆贴合于该成型芯材的整个外表面，以形成一预成型体，对该预成型体加热加压，使碳纤维预浸布硬化定型，并使该预成型体成型为一碳纤维成型体，接着，将碳纤维成型体浸于水中使其中的成型芯材溶解。选用经加热处理过的聚乙烯醇作为芯材，能承受碳纤维成型制程的加热加压而不易软化或产生明显的尺寸变化，故能稳定支撑碳纤维预浸布，且成型后用水就能使芯材溶解而脱离该成型体，能有效节省制程时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维材料的成型方法，特别是涉及一种适用于制作自行车构件且使用支撑芯材进行成型的自行车的碳纤维材料的成型方法。
背景技术
由于碳纤维具有重量轻、质地坚硬且耐腐蚀等特性，而广泛被用于制造要求高强度与高耐用性的支架产品，例如，自行车车架、航天机械零件、羽网球拍、钓竿、高尔夫球头或球杆、棒球棍、模型飞机、模型玩具、电子产品外壳、曲棍球杆、滑雪杆及汽车框架等产品。
其中，如果要将碳纤维材料成型为管状的支架产品时，在成型制程中必须提供支撑芯材供碳纤维预浸布贴合，贴合后放入模具中加温加压处理使碳纤维预浸布硬化成型后，再将支撑芯材取出，就能获得碳纤维管件产品。现有的碳纤维材料的成型制程所采用的工法有两种，一种是以尼龙气袋辅助充气成型，另一种则是以聚氨酯(polyurethane，简称为PU)发泡材或是以发泡性聚苯乙烯(保丽龙，Expandable Polystyrene，简称EPS)作为支撑芯材，再于该支撑芯材内提供气袋辅助充气成型。
参阅图1，以尼龙气袋辅助充气成型的工法，当将气袋11置入贴合好的碳纤维材料的预成型体12中，并在其置入一成型模具(图未示)中配合加压成型步骤对该气袋11充气以使其撑张定位该碳纤维预浸布贴合而成的预成型体12时，由于气袋11无法完全撑开而容易在其膜壁上形成皱褶，并导致所成型的碳纤维产品的内壁面也产生皱褶结构，皱褶处容易应力集中，并对碳纤维产品的结构强度产生不良影响，且充气时可能发生因充气量过高或是气袋11本身的结构瑕疵导致该气袋11产生破裂的情况，如此会造成要成型的产品结构强度不均匀。此外，当所要成型的产品形状有较多的弯折或分支结构时，由于气袋11不易任意延伸到所有的弯折或分支结构处对该碳纤维材料提供撑张作用，而无法一体式成型地制出产品，必须将原本预定要成型的产品拆成数个组件，分别成型后再将其组合在一起，不但花费较多工时也会增加材料与模具成本。
为了解决上述工法容易造成皱折的问题，现有的另一种工法是在如图1所示的该预成型体12与该气袋11之间设置支撑芯材，避免该气袋11表面的皱褶对碳纤维产品的成型品质产生不良影响。参阅图2，为以PU发泡材作为支撑芯材13经加压成型处理后制出一碳纤维成型体14的情形，其中，设置在该支撑芯材13内的气袋已于成型完成后取出，故图中未显示，利用PU发泡材成型出的支撑芯材13的光滑表面能解决在该成型体14的内壁面造成皱褶的问题。然而，此种工法在成型完成后，要将该成型体14中的支撑芯材13取出时，由于该成型体14不一定是笔直的单一口径的型式，且依设定需求往往设有分支结构(例如，T型管)或成型为弯管型式，导致PU发泡材支撑芯材13无法完整地被取出，必须利用切、削或其他方式使其断裂为多个碎片后，再将该碎片一一取出，因此，要获得已完全移除该支撑芯材13的成型体14成品需要花费较多的制程时间。
而利用发泡性聚苯乙烯成型出的支撑芯材，虽然同样能够避免使用气袋11在该成型体14的内壁面造成皱褶的问题，但聚苯乙烯发泡后所形成的支撑芯材(图未示)表面容易不平整，导致成型的碳纤维产品的内壁面也不平整，同样会产生容易应力集中、影响碳纤维产品的结构强度的问题，除此之外，利用发泡性聚苯乙烯成型出的支撑芯材容易与所成型的碳纤维产品的内壁面黏合，不易完整地被取出，因此，制作加工时同样必须花费较多的制程时间。
此外，不管是尼龙气袋辅助充气成型的工法，或是以PU发泡材或以发泡性聚苯乙烯作为支撑芯材13配合气袋成型的工法，由于气袋的型式以及PU发泡材与发泡性聚苯乙烯的材质特性，导致其无法像刚性材料一样保持完全不变的形状，只能以接近最终的产品的概略形状结构作为支撑结构，以供碳纤维预浸布贴覆，并于加压成型过程中从内部施压使碳纤维预浸布紧密贴靠于成型模具内部，以顺应成型模具的形状成型为最终产品。因此，在气袋、PU发泡材的支撑芯材13，或发泡性聚苯乙烯的支撑芯材上贴覆碳纤维预浸布时，并无法掌握最终产品的精确形状，但是，为了避免最终产品的某些部位(例如，转角处或分支结构处)的局部位置产生厚度变薄甚至形成孔洞的不良情形，在贴覆时往往要增加碳纤维预浸布之间重叠部分的面积，并增加重叠的层数，而需要使用较多的碳纤维预浸布，导致材料成本增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种容易一体成型、成型后的产品内壁面不易形成皱褶结构且成型后的支撑芯材容易取出的自行车的碳纤维材料的成型方法。
本发明自行车的碳纤维材料的成型方法，其包含下列步骤：
步骤一、提供一个聚乙烯醇成型芯材，该聚乙烯醇成型芯材是将聚乙烯醇加热至其熔点以上的温度，再经成型与冷却后制得；
步骤二、使碳纤维预浸布包覆贴合于该成型芯材的整个外表面，以形成一个预成型体；
步骤三、对该预成型体加热加压，使碳纤维预浸布硬化定型，并使该预成型体成型为一个碳纤维成型体；及
步骤四、将具有该成型芯材的碳纤维成型体浸置于水中使该成型芯材溶解。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤一中是将聚乙烯醇加热至180℃～230℃，再经成型与冷却而制得该成型芯材。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤三中，是于温度160℃～180℃的条件下对该预成型体加压，使其形成该碳纤维成型体。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤三中，是于温度170℃的条件下对该预成型体加压，使其形成该碳纤维成型体。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤四中是将具有该成型芯材的碳纤维成型体浸置于温度80℃～90℃的水中。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤一中是采用射出、热压、高/低压熔融灌注与3D印制技术的其中一种成型方法制出该聚乙烯醇成型芯材。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤四中还在水中设置一搅拌装置以加速该成型芯材的溶解速率。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤三中，是于温度160℃～180℃的条件下对该预成型体加压，使其形成该碳纤维成型体。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤一中还将尚未加热的聚乙烯醇加入一助溶材料并混和均匀后再进行加热，该助溶材料是至少一种选自于由下列无机及有机材料所构成之群组：碳酸钙、玻璃粉、碳粉、石英粉、金属砂、木屑、高分子粉末，及纤维，其中，以该聚乙烯醇与该助溶材料的总重量为100重量％计，该聚乙烯醇的含量范围为75～80重量％，该助溶材料的含量范围为25～20重量％。
本发明所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，在步骤三中还提供一在加热加压后的冷却处理以避免移除该成型芯材时温度过高使该碳纤维成型体产生形变，该冷却处理使用冷压及自然降温之其中一种方式使温度降低至100℃以下。
本发明的有益效果在于：选用经加热处理过的聚乙烯醇作为成型芯材，由于该成型芯材能够承受碳纤维材料成型制程的加热加压而不易软化或产生明显的尺寸变化，因而能在加压成型的制程中稳定支撑碳纤维预浸布且不易在表面形成皱褶，再加上聚乙烯醇材料安定无毒且可溶于水的特性，在完成碳纤维材料的成型后，直接用常温环境的水就能使芯材溶解而脱离该成型体，因此，本发明不但材料较环保，也不易造成该成型体的内壁面产生皱褶而能确保成型品质，并有效减少后段制程处理时间而能提供较佳的制程效率。
附图说明
图1是一示意图，说明现有的尼龙气袋辅助充气成型的工法，以气袋撑张在碳纤维材料的预成型体中的情形；
图2是一示意图，说明现有以PU发泡材作为支撑芯材与气袋配合的工法，于加压成型并取出其内部的气袋后的情形；
图3是一流程图，说明本发明自行车的碳纤维材料的成型方法的一较佳实施例；
图4是一示意图，说明将一个包覆在一个成型芯材外的碳纤维成型体浸置于水中，使该成型芯材溶解的情形；
图5是一热分析曲线图，说明使用材料热机械分析仪分析聚乙烯醇的母料受热过程所呈现的尺寸变化情形；
图6是一热分析曲线图，说明使用材料热机械分析仪分析聚乙烯醇经热处理过的样品受热过程所呈现的尺寸变化情形；及
图7是一热分析曲线图，说明以示差扫描量热分析仪分别对聚乙烯醇的母料以及经热处理过的样品进行热分析所呈现的热流变化情形。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图3与图4，本发明自行车的碳纤维材料的成型方法的一个较佳实施例，包含下列步骤：
步骤201是提供一个聚乙烯醇成型芯材3，该聚乙烯醇成型芯材3是将聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，简称为PVA)加热至其熔点以上的温度，再经成型与冷却后制得。已知聚乙烯醇材料在无水环境下的熔点为180～230℃，因此，为了使聚乙烯醇能快速成型为所设定的特定形状，较佳是配合不同的成型加工方式将聚乙烯醇加热至180℃～230℃使其熔融，再经一体成型与冷却而制得该成型芯材。其中，该成型芯材的成型方法不受限，并可配合该碳纤维材料产品的结构型式，采用射出、热压、高/低压熔融灌注与3D印制技术的其中一种成型方法制出。
步骤202是使碳纤维预浸布包覆贴合于该成型芯材3的整个外表面，以形成一个预成型体。贴合时，是使该碳纤维预浸布完全包覆该芯材的外表面，并依最终产品所设定的壁厚规格重叠地在该成型芯材的外表面包覆贴合碳纤维预浸布，直到达到产品的壁厚要求为止。
步骤203是对该预成型体加热加压，使碳纤维预浸布硬化定型，并使该预成型体成型为一个碳纤维成型体4。在本实施例中，是将该预成型体放置在一个成型模具(图未示)中，并于温度160℃～180℃及压力100kg/cm2的条件下对该预成型体加压，使其形成该碳纤维成型体4。较佳地，为了使该预成型体获得较佳的热压成型，同时使该成型芯材3稳定地提供支撑作用，较佳是于温度170℃的条件下对该预成型体进行加压。
加压成型后，再进行一冷却处理以避免后续将该成型芯材3移除时该碳纤维成型体4因温度过高而产生形变，该冷却处理是使用冷压及自然降温之其中一种方式使温度降低至100℃以下。
步骤204是将具有该成型芯材3的碳纤维成型体4浸置于水100中使该成型芯材3溶解。浸置时，直接以常温环境下的水100浸置就能够达到使该成型芯材3溶解并脱离该碳纤维成型体4的效果。当然，为了加速该成型芯材3的溶解效率，也可以把外表包覆有该碳纤维成型体4的该成型芯材3浸置于温度80℃～90℃的温水100中进行溶解。此外，还可以借由在水100中设置一搅拌装置(图未示)，以加速该成型芯材3的溶解速率。
除了能使用上述方式来增加该成型芯材3在水100中的溶解速率，还可在步骤201尚未加热的聚乙烯醇中加入一助溶材料并混和均匀后再进行加热成型，添加该助溶材料能使该成型芯材3更易于溶于水100中。该助溶材料可例如但不限于碳酸钙、玻璃粉、碳粉、石英粉、金属砂、木屑、高分子粉末、纤维，及上述之一组合，其中，该高分子粉末例如压克力粉末，该纤维例如牧草。在本实施例中，该助溶材料包含碳酸钙及木屑。较佳地，以该聚乙烯醇与该助溶材料的总重量为100重量％计，该聚乙烯醇的含量范围为75～80重量％，该助溶材料的含量范围为25～20重量％，更佳地，该助溶材料的含量是等于25重量％，添加过多的助溶材料会造成该成型芯材3的结构松散，且产生刚性不足的问题。
而借由上述碳纤维材料的成型方法所制得的自行车构件，如车架、管件等，除了具有碳纤维材料重量轻、质地坚硬且耐腐蚀等特性之外，由于使用聚乙烯醇所制成的芯材，利用水即可溶解移除，所制成的一体成型的最终碳纤维产品，相较于使用现有成型方法将多个组件分别成型再进行组装的多组件产品，具有更高强度、更高耐用性与轻便性的特征。
需要补充说明的是，虽然聚乙烯醇的母料本身有遇热会产生形变及收缩的性质，长久以来一直被认为其不适合作为需要有较佳的尺寸安定性的芯材材料，但经实验后发现，如果配合加热至一定温度以上(较佳为加热至温度150℃以上)的方式，先对该聚乙烯醇母料进行一次加工处理，则再对经该加工处理后的聚乙烯醇材料进行尺寸变化率与玻璃转移温度(Tg)的量测结果显示，经加热处理过的聚乙烯醇材料的尺寸安定性变好，且Tg点自原本的75～85℃提高至大于100℃。以下进一步说明聚乙烯醇材料加热前后的尺寸变化率与玻璃转移温度的变化情形。
参阅图5，为使用材料热机械分析仪(Thermal MechanicalAnalyzer，简称为TMA)分析聚乙烯醇的母料Ⅰ受热过程的尺寸变化情形，其中，加热温度是自室温逐渐升温，并于经过35分时升温到130℃，图5显示聚乙烯醇母料Ⅰ随着加热时间增加(即加热温度逐渐上升)发生体积收缩的情形，且于时间35分(温度130℃)时整体尺寸的收缩率约4％。参阅图6，为以加热温度170℃热压成型加工将聚乙烯醇母料Ⅰ制成一样品Ⅱ，再对该样品Ⅱ进行TMA分析的结果，结果显示经热处理过的样品Ⅱ在温度150℃时的尺寸变化率已降至0.1％以内，且在整个加热过程中，尺寸的变化率也不超过0.4％，相较于母料Ⅰ，样品Ⅱ尺寸变化情形已显著改善而能在高温制程时提供较佳的尺寸安定性，由上述量测结果显示，在该加热温度下，样品Ⅱ的尺寸变化率低于0.1％，显示经加热处理加工过的PVA材料于承受碳纤维材料的成型制程中的加热温度时，已能产生较佳的尺寸安定性。
此外，参阅图7，为以示差扫描量热分析仪(differentialscanning calorimeter，简称为DSC)分别对前述的母料Ⅰ与样品Ⅱ进行热分析的结果。结果显示未经加工过的母料Ⅰ的玻璃转移温度(Tg)约为75～85℃，而经热处理加工过的样品Ⅱ的玻璃转移温度(Tg)已提高至大于100℃，结合图6的量测结果显示，经加热处理加工过的PVA材料不但已有较佳的尺寸安定性，且软化温度也大幅提升，当作为碳纤维材料成型制程的成型芯材时，已能承受成型过程的加热温度而不产生形变或收缩，因而能稳定支撑碳纤维材料，而具有适合作为成型芯材的特性。
综上所述，本发明自行车的碳纤维材料的成型方法，可获致下述的功效及优点，故能达到本发明的目的：
一、借由热处理加工增强聚乙烯醇材料的热稳定性后，将经加热处理过的聚乙烯醇材料制成该成型芯材3并应用于碳纤维材料的成型制程中时，已能够承受该成型制程的加热加压而不易软化或产生明显的尺寸变化，因而能在加压成型的制程中稳定支撑碳纤维预浸布且不易在该碳纤维成型体4的内壁面形成皱褶，使本发明的成型方法能取代现有的以PU发泡材作为支撑芯材的工法或尼龙气袋辅助充气成型工法，不但加工步骤简易，且能避免产生尼龙气袋于充气时发生破裂的情况，并具有符合成型需求的实用性。
二、本发明的成型方法借由选用经加热处理过的聚乙烯醇材料作为该成型芯材3，由于聚乙烯醇材料安定无毒且可溶于水，在完成碳纤维材料的成型后，不需要使用其他辅助工具，直接用常温环境下的水就能使该成型芯材3溶解而脱离该碳纤维成型体4，因此，本发明不但符合实用需求，还具有材料较环保的特性，且能有效减少后段制程处理时间而能提供较佳的制程效率。
三、聚乙烯醇为容易成型的高分子材料，且作为芯材使用时没有取出的困难性，因此，可以一体成型为最终碳纤维成品的缩小化的结构型式，再贴覆碳纤维预浸布就能直接成型出所设计的产品，不需要如现有成型方法，因为受限于芯材的支撑范围与取出因难，而要将最终产品拆成多个组件分别成型后再组装在一起，因而可以有效减少碳纤维预浸布的用量、降低模具成本，及大量节省现有分别成型个别的组件再进行组装的工法所花的时间，且通过聚乙烯醇材料能直接成型为芯材结构体而不需使用气袋的设计，能有效解决现有的气袋成型工法容易在碳纤维材料的内壁面造成皱褶的问题，故能使所制出的碳纤维成型体4具有稳定的结构强度。
四、以聚乙烯醇制成的成型芯材3并非软性材质，且其成型后的结构较稳定，形状也不易变动，并容易依现有成型方式直接成型，进而制出与该碳纤维成型体4或最终产品的形状一致的成型芯材3，并依所要求的碳纤维成型体4或产品厚度，精确地缩小及调整该成型芯材3的尺寸，如此，经加压成型后的碳纤维预浸材的位置仍然会与未加压成型前的贴覆位置一致，因而能较精确地掌握碳纤维预浸布加压成型后的结合位置，如此，在进行贴覆时就不需要借由增加碳纤维预浸布重叠部分的面积或增加重叠层数来避免成型后出现局部厚度变薄或形成孔隙的问题，不但能有效减少碳纤维预浸布的用量而有助于节省材料成本，也更容易确保良好的成型品质。
Claims (10)
1.一种自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于包含下列步骤：
步骤一、提供一个聚乙烯醇成型芯材，该聚乙烯醇成型芯材是将聚乙烯醇加热至其熔点以上的温度，再经成型与冷却后制得；
步骤二、使碳纤维预浸布包覆贴合于该成型芯材的整个外表面，以形成一个预成型体；
步骤三、对该预成型体加热加压，使碳纤维预浸布硬化定型，并使该预成型体成型为一个碳纤维成型体；及
步骤四、将具有该成型芯材的碳纤维成型体浸置于水中使该成型芯材溶解。
2.如权利要求1所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤一中是将聚乙烯醇加热至180℃～230℃，再经成型与冷却而制得该成型芯材。
3.如权利要求1所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤三中，是于温度160℃～180℃的条件下对该预成型体加压，使其形成该碳纤维成型体。
4.如权利要求3所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤三中，是于温度170℃的条件下对该预成型体加压，使其形成该碳纤维成型体。
5.如权利要求1至4中任一项所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤四中是将具有该成型芯材的碳纤维成型体浸置于温度80℃～90℃的水中。
6.如权利要求1至4中任一项所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤一中是采用射出、热压、高/低压熔融灌注与3D印制技术的其中一种成型方法制出该聚乙烯醇成型芯材。
7.如权利要求1至4中任一项所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤四中还在水中设置一搅拌装置以加速该成型芯材的溶解速率。
8.如权利要求2所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤三中，是于温度160℃～180℃的条件下对该预成型体加压，使其形成该碳纤维成型体。
9.如权利要求1所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤一中还将尚未加热的聚乙烯醇加入一助溶材料并混和均匀后再进行加热，该助溶材料是至少一种选自于由下列无机及有机材料所构成之群组：碳酸钙、玻璃粉、碳粉、石英粉、金属砂、木屑、高分子粉末，及纤维，其中，以该聚乙烯醇与该助溶材料的总重量为100重量％计，该聚乙烯醇的含量范围为75～80重量％，该助溶材料的含量范围为25～20重量％。
10.如权利要求1所述的自行车的碳纤维材料的成型方法，其特征在于：在步骤三中还提供一在加热加压后的冷却处理以避免移除该成型芯材时温度过高使该碳纤维成型体产生形变，该冷却处理使用冷压及自然降温之其中一种方式使温度降低至100℃以下。
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