CN104669753A - 一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热塑性复合板材，包括TPU薄膜层、纤维毡层和TPAC预浸带层，所述纤维毡层位于所述TPU薄膜层和所述TPAC预浸带层之间。制备方法如下：将TPAC预浸带、TPU薄膜和针刺纤维毡裁剪成需要的尺寸；然后将TPAC预浸带横向与纵向交替铺层形成TPAC预浸带层；再在TPAC预浸带层上铺上针刺纤维毡形成纤维毡层，最后在纤维毡层的上面铺上一层TPU薄膜形成TPU薄膜层；将铺好的材料放入模压机的框型模具中，预热、加压成型、冷却定型得到热塑性复合板材。制备的热塑性复合板材具有质量轻，力学性能优异，良好的抗冲击性能和优异的耐磨性能，可回收利用的特点；使其在汽车顶板、门板产品、建筑方面拥有广阔的应用市场。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材及其制备方法。
背景技术
热塑性聚氨酯拥有良好的抗冲击性能和耐磨性能，且玻璃纤维增强的热塑性复合材料拥有高强高模的性能，再加上纤维毡密度轻且天然纤维具有可降解性，这三者的结合是很完美的，由此诞生了一种高强高模高抗冲高耐磨超轻质可降解的复合材料。如专利CN102186666A中介绍一种高硬度、高强度以及轻质量的复合材料，采用填充热塑性聚合物与金属纤维，通过常规的冲压机械成型，这篇专利制备的复合材料只是相对的轻质，密度依然很高，达到4～5g/cm3。
还有一些汽车顶棚材料采用发泡PU和玻纤复合制备，如中国专利200710020092中讲到一种连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的复合材料，以硬质聚氨酯微泡为基体，以经过表面浸润剂处理的连续玻纤纱为增强材料，得到机械性能优良的复合材料，可用于铁路轨枕、集装箱壁板、建筑结构型材等，但是该发明中所涉及的玻璃纤维密度大，不可降解回收。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材；本发明的三层结构主要通过热贴合复合的方式粘结在一起，制备的复合材料具有质量轻，力学性能优异，良好的抗冲击性能和优异的耐磨性能，可回收利用的特点；使其在汽车顶板、门板等产品、建筑方面拥有广阔的应用市场。
本发明的另一个目的是提供一种上述超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，包括TPU薄膜层、纤维毡层和TPAC预浸带层，所述纤维毡层位于所述TPU薄膜层和所述TPAC预浸带层之间。
所述TPU薄膜层的厚度为0.1～10mm，优选为0.5～1mm。
所述TPU薄膜层的材料为热塑性聚氨酯薄膜。
所述TPU薄膜层所用的TPU薄膜的硬度为40～70D，优选为40～55D。
所述纤维毡层的厚度为2～25mm。
所述纤维毡层的材料为麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡。
所述麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡中，聚丙烯的含量为40～60wt%。
所述针刺纤维毡单层厚度为1～10mm。
所述麻纤维选自苎麻纤维、剑麻纤维、亚麻纤维中的一种或一种以上。
所述TPAC预浸带层的厚度为0.5～5mm。
所述TPAC预浸带层所用的TPAC预浸带为连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带；TPAC预浸带中玻璃纤维的重量含量为45～60%；TPAC预浸带单层厚度为0.2～0.35mm。
所述超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材的总厚度为3～30mm。
本发明还提供了一种上述超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材的制备方法，包括以下步骤：
将TPAC预浸带、TPU薄膜和针刺纤维毡裁剪成需要的尺寸；然后将TPAC预浸带横向与纵向交替铺层形成TPAC预浸带层；再在TPAC预浸带层上铺上针刺纤维毡形成纤维毡层，最后在纤维毡层的上面铺上一层TPU薄膜形成TPU薄膜层；将铺好的材料放入模压机的框型模具中，预热、加压成型、冷却定型得到超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
所述框型模具的厚度为3～30mm，框型模具的厚度与制得的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材的厚度一致。
所述预热温度为190～205℃，预热压力为0.1～0.5MPa，预热时间为40～300s，优选为60～200s。
所述加压温度为190～205℃，加压压力2～5MPa，加压时间20～200s，优选为60～100s；放入模压机的总时间为60～500s，优选为120～300s。
所述冷却定型的压力为2～5MPa；时间为3～10min。
本发明与现有的技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、本发明的工艺简单，生产效率高。
2、本发明提供的热塑性复合板材中纤维的含量高，强度高，耐磨性好，密度低，环保性能优异，是汽车内饰板材的理想材料。
3、本发明提供的热塑性复合板材的外层采用TPU薄膜层，耐磨性好，抗冲击性能优良。
4、本发明提供的热塑性复合板材采用纤维毡作为中间层，降低复合材料的密度，使得材料轻质环保；采用纤维毡作为中间层，厚度可调，吸音效果良好。
5、本发明提供的热塑性复合板材采用的材料均为热塑性树脂和可降解的麻纤维，无污染，环保节能。
6、本发明提供的热塑性复合板材质量轻，力学性能优异，具有良好的抗冲击性能和优异的耐磨性能，可回收利用；使其在汽车顶板、门板等产品、建筑方面拥有广阔的应用市场。
7、本发明提供的热塑性复合板材的第三层为TPAC预浸带层，增加了复合材料的力学性能。
附图说明
图1是本发明提供的热塑性复合板材的结构示意图。其中，1为TPAC预浸带，2为针刺纤维毡，3为TPU薄膜层，4为纤维毡层，5为TPAC预浸带层。
具体实施方式
下面根据附图所示实施例进一步来说明本发明。
其中，下列实施例中的连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带（TPAC预浸带）均由辽宁杰事杰新材料股份有限公司提供，为连续纤维增强的聚丙烯树脂预浸带，以下采用的为玻纤含量为45～60%，对应的单层预浸带厚度为0.2～0.35mm。TPU（热塑性聚氨酯）薄膜均由上海涌杨工贸公司提供。
纤维毡层的材料为麻纤维与聚丙烯纤维混合制备的针刺纤维毡。
实施例1
一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，由以下方法制得：
（1）将玻纤含量为55%，厚度为0.25mm的TPAC预浸带1裁剪成需要的尺寸；同时，针刺纤维毡2和TPU薄膜也裁剪成相同的尺寸。
（2）将TPAC预浸带1横向与纵向总共2层，横向和纵向各1层，交替铺层直到所需要的厚度0.5mm，作为TPAC预浸带层5；再在上面铺上2mm厚度的针刺纤维毡2，作为整个纤维毡层4；最上面再铺上一层硬度为40D、厚度为0.5mm的TPU薄膜，作为TPU薄膜层3。
（3）将铺好的复合材料放入厚度为3.0mm的框型模具中，预热一段时间，预热的压机上下表面温度均为190℃，预热压力为0.1MPa，预热时间为60s；然后加压成型，加压温度同预热温度，加压时间为60s，压力为2MPa压板成型；放入模压机中的总时间为120s。
（4）然后再将步骤（3）制得的材料放入冷却压机中，冷却定型，冷却定型时间为3min，压力为2MPa，得到厚度为3.0mm的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
其中纤维毡层的材料为苎麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡，其中聚丙烯的含量为40wt%。
得到的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，包括TPU薄膜层3、纤维毡层4和TPAC预浸带层5，所述纤维毡层4位于所述TPU薄膜层3和所述TPAC预浸带层5之间。
实施例2
一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，由以下方法制得：
（1）将玻纤含量为60%，厚度为0.2mm的TPAC预浸带1裁剪成需要的尺寸；同时，针刺纤维毡2和TPU薄膜也裁剪成相同的尺寸。
（2）将TPAC预浸带1横向与纵向总共20层，横向和纵向各10层，交替铺层直到所需要的厚度4mm，作为TPAC预浸带层5；再在上面铺上两层厚度为10mm、一层2mm厚度和一层厚度为3mm的针刺纤维毡2，作为整个纤维毡层4；最上面再铺上一层硬度为55D、厚度为1mm的TPU薄膜，作为TPU薄膜层3。
（3）将铺好的复合材料放入厚度为30.0mm的框型模具中，预热一段时间，预热的压机上下表面温度均为205℃，预热压力为0.5MPa，预热时间为200s；然后加压成型，加压温度同预热温度，加压时间为100s，压力为5MPa压板成型；放入模压机中的总时间为300s。
（4）然后再将步骤（3）制得的材料放入冷却压机中，冷却定型，冷却定型时间为10min，压力为5MPa，得到厚度为30.0mm的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
其中纤维毡层的材料为剑麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡，其中聚丙烯的含量为60wt%。
实施例3
一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，由以下方法制得：
（1）将玻纤含量为50%，厚度为0.3mm的TPAC预浸带1裁剪成需要的尺寸；同时，针刺纤维毡2和TPU薄膜也裁剪成相同的尺寸。
（2）将TPAC预浸带1横向与纵向总共8层，横向和纵向各4层，交替铺层直到所需要的厚度2.4mm，作为TPAC预浸带层5；再在上面铺上两层厚度为8mm厚度的针刺纤维毡2，作为整个纤维毡层4；最上面再铺上一层硬度为50D、厚度为0.6mm的TPU薄膜，作为TPU薄膜层3。
（3）将铺好的复合材料放入厚度为19.0mm的框型模具中，预热一段时间，预热的压机上下表面温度均为200℃，预热压力为0.4MPa，预热时间为120s；然后加压成型，加压温度同预热温度，加压时间为80s，压力为4MPa压板成型；放入模压机中的总时间为200s。
（4）然后再将步骤（3）制得的材料放入冷却压机中，冷却定型，冷却定型时间为8min，压力为4MPa，得到厚度为19.0mm的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
其中纤维毡层的材料为亚麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡，其中聚丙烯的含量为50wt%。
实施例4
一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，由以下方法制得：
（1）将玻纤含量为45%，厚度为0.35mm的TPAC预浸带1裁剪成需要的尺寸；同时，针刺纤维毡2和TPU薄膜也裁剪成相同的尺寸。
（2）将TPAC预浸带1横向与纵向总共12层，横向和纵向各6层，交替铺层直到所需要的厚度4.2mm，作为TPAC预浸带层5；再在上面铺上一层厚度为5mm和一层厚度为3mm的针刺纤维毡2，作为整个纤维毡层4；最上面再铺上一层硬度为45D、厚度为0.8mm的TPU薄膜，作为TPU薄膜层3。
（3）将铺好的复合材料放入厚度为13mm的框型模具中，预热一段时间，预热的压机上下表面温度均为195℃，预热压力为0.3MPa，预热时间为80s；然后加压成型，加压温度同预热温度，加压时间为70s，压力为3MPa压板成型；放入模压机中的总时间为150s。
（4）然后再将步骤（3）制得的材料放入冷却压机中，冷却定型，冷却定型时间为5min，压力为3MPa，得到厚度为13mm的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
其中纤维毡层的材料为剑麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡，其中聚丙烯的含量为45wt%。
实施例5
一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，由以下方法制得：
（1）将玻纤含量为55%，厚度为0.25mm的TPAC预浸带1裁剪成需要的尺寸；同时，针刺纤维毡2和TPU薄膜也裁剪成相同的尺寸。
（2）将TPAC预浸带1横向与纵向总共20层，横向和纵向各10层，交替铺层直到所需要的厚度5mm，作为TPAC预浸带层5；再在上面铺上一层厚度为1mm和一层厚度为10mm的针刺纤维毡2，作为整个纤维毡层4；最上面再铺上一层硬度为40D、厚度为10mm的TPU薄膜，作为TPU薄膜层3。
（3）将铺好的复合材料放入厚度为26mm的框型模具中，预热一段时间，预热的压机上下表面温度均为200℃，预热压力为0.3MPa，预热时间为300s；然后加压成型，加压温度同预热温度，加压时间为200s，压力为5MPa压板成型；放入模压机中的总时间为500s。
（4）然后再将步骤（3）制得的材料放入冷却压机中，冷却定型，冷却定型时间为5min，压力为5MPa，得到厚度为26mm的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
其中纤维毡层的材料为亚麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡，其中聚丙烯的含量为55wt%。
实施例6
一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，由以下方法制得：
（1）将玻纤含量为60%，厚度为0.225mm的TPAC预浸带1裁剪成需要的尺寸；同时，针刺纤维毡2和TPU薄膜也裁剪成相同的尺寸。
（2）将TPAC预浸带1横向与纵向总共4层，横向和纵向各2层，交替铺层直到所需要的厚度0.9mm，作为TPAC预浸带层5；再在上面铺上两层厚度为1mm的针刺纤维毡2，作为整个纤维毡层4；最上面再铺上一层硬度为70D、厚度为0.1mm的TPU薄膜，作为TPU薄膜层3。
（3）将铺好的复合材料放入厚度为3.0mm的框型模具中，预热一段时间，预热的压机上下表面温度均为195℃，预热压力为0.3MPa，预热时间为40s；然后加压成型，加压温度同预热温度，加压时间为20s，压力为3MPa压板成型；放入模压机中的总时间为60s。
（4）然后再将步骤（3）制得的材料放入冷却压机中，冷却定型，冷却定型时间为5min，压力为3MPa，得到厚度为3.0mm的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
其中纤维毡层的材料为苎麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡，其中聚丙烯的含量为40wt%。
实施例7
一种超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材，由以下方法制得：
（1）将玻纤含量为45%，厚度为0.35mm的TPAC预浸带1裁剪成需要的尺寸；同时，针刺纤维毡2和TPU薄膜也裁剪成相同的尺寸。
（2）将TPAC预浸带1横向与纵向总共4层，横向和纵向各2层，交替铺层直到所需要的厚度1.4mm，作为TPAC预浸带层5；再在上面铺上两层厚度为5mm的针刺纤维毡2，作为整个纤维毡层4；最上面再铺上一层硬度为60D、厚度为5mm的TPU薄膜，作为TPU薄膜层3。
（3）将铺好的复合材料放入厚度为16.4mm的框型模具中，预热一段时间，预热的压机上下表面温度均为195℃，预热压力为0.3MPa，预热时间为60s；然后加压成型，加压温度同预热温度，加压时间为40s，压力为3MPa压板成型；放入模压机中的总时间为100s。
（4）然后再将步骤（3）制得的材料放入冷却压机中，冷却定型，冷却定型时间为5min，压力为3MPa，得到厚度为16.4mm的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材。
其中纤维毡层的材料为亚麻纤维与聚丙烯（PP）纤维混合制备的针刺纤维毡，其中聚丙烯的含量为60wt%。
对实施例1～4中制得的超轻质高抗冲高耐磨热塑性复合板材进行性能测试，测试结果见表1。
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 密度（g/cm3） | 0.627 | 0.681 | 0.569 | 0.652 |
| 拉伸强度（MPa） | 155 | 158 | 152 | 149 |
| 弯曲强度（MPa） | 188 | 195 | 189 | 180 |
| 弯曲模量（GPa） | 5.2 | 5.5 | 5.0 | 4.8 |
| 落镖冲击强度（J） | 24.1 | 24.2 | 24.0 | 24.2 |
| 悬壁梁缺口冲击强度（KJ/m） | 5.0 | 4.8 | 4.7 | 4.8 |
| 铅笔耐刮擦性能（H） | 6 | 6 | 6 | 6 |
根据表1可以看出，超轻质高耐磨复合板材的密度均小于0.8g/cm3，且整体性能优异，强度较高，模量高，可达5～6GPa；且冲击性能优异，遇到外力情况下可以迅速恢复。外层增加TPU薄膜，使其耐刮擦性能优异，铅笔耐刮擦性能为6H。另一方面，超轻质高耐磨复合板材的密度低，远小于1，用于汽车内部可减轻汽车的整体重量，轻质环保，应用前景好。
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。
Claims (10)
1.一种热塑性复合板材，其特征在于：包括TPU薄膜层、纤维毡层和TPAC预浸带层，所述纤维毡层位于所述TPU薄膜层和所述TPAC预浸带层之间。
2.根据权利要求1所述的热塑性复合板材，其特征在于：所述TPU薄膜层的厚度为0.1～10mm，优选为0.5～1mm；
或所述TPU薄膜层所用的TPU薄膜的硬度为40～70D，优选为40～55D；
或所述纤维毡层的厚度为2～25mm；
或所述纤维毡层的材料为麻纤维与聚丙烯维混合制备的针刺纤维毡。
3.根据权利要求2所述的热塑性复合板材，其特征在于：所述针刺纤维毡单层厚度为1～10mm；或所述聚丙烯的含量为40～60wt%；
或所述麻纤维选自苎麻纤维、剑麻纤维、亚麻纤维中的一种或一种以上。
4.根据权利要求1所述的热塑性复合板材，其特征在于：所述TPAC预浸带层的厚度为0.5～5mm；
或所述TPAC预浸带层所用的TPAC预浸带为连续玻璃纤维增强聚丙烯预浸带；TPAC预浸带中玻璃纤维的重量含量为45～60%；TPAC预浸带单层厚度为0.2～0.35mm。
5.根据权利要求1所述的热塑性复合板材，其特征在于：所述热塑性复合板材的总厚度为3～30mm。
6.一种权利要求1至5任一所述的热塑性复合板材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将TPAC预浸带、TPU薄膜和针刺纤维毡裁剪成需要的尺寸；然后将TPAC预浸带横向与纵向交替铺层形成TPAC预浸带层；再在TPAC预浸带层上铺上针刺纤维毡形成纤维毡层，最后在纤维毡层的上面铺上一层TPU薄膜形成TPU薄膜层；将铺好的材料放入模压机的框型模具中，预热、加压成型、冷却定型得到热塑性复合板材。
7.根据权利要求6所述的热塑性复合板材的制备方法，其特征在于：所述框型模具的厚度为3～30mm，框型模具的厚度与制得的热塑性复合板材的厚度一致。
8.根据权利要求6所述的热塑性复合板材的制备方法，其特征在于：所述预热温度为190～205℃，预热压力为0.1～0.5MPa，预热时间为40～300s，优选为60～200s。
9.根据权利要求6所述的热塑性复合板材的制备方法，其特征在于：所述加压温度为190～205℃，加压压力2～5MPa，加压时间20～200s，优选为60～100s；放入模压机的总时间为60～500s，优选为120～300s。
10.根据权利要求6所述的热塑性复合板材的制备方法，其特征在于：所述冷却定型的压力为2～5MPa；时间为3～10min。
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