CN104928847A - 热塑性碳纤维复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法，所述材料通过使用热塑性树脂复合碳纤维，所述的热塑性树脂为聚丙烯纤维。其通过包括如下步骤的方法制得：(1)碳纤维成网前的预处理，包括纤维的剪切、称量配料、均匀混合、开松、梳理等；(2)将预处理后的碳纤维铺叠成网；(3)将铺叠成网后的碳纤维针刺成毡；(4)将针刺成毡的碳纤维进行成型处理。所述碳纤维复合材料，能替代金属材料用于汽车部件，大幅度减轻汽车产品重量；可根据结构受力部件根据使用要求，进行自由设计；还能降低部件生产周期，制备流程简单、连续、生产效率高、产品质量稳定；且有很好的吸能效果，提高整车安全性；可重复使用，进行二次或多次加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料及其制备方法，属于复合材料领域。
背景技术
由于树脂基复合材料的优越性能，且密度只有1.5g/cm3左右，密度是钢铁的1/5，树脂基复合材料在各种工业行业都有广泛应用，如航空、高铁、风电等工业领域。随着汽车工业的飞速发展，高性能的复合材料必将在汽车上得到更广泛的应用。
然而，由于传统金属部件加工成型工艺技术非常成熟，复合材料成型工艺复杂，加工周期长，而目热固性树脂基复合材料在生产过程中不环保，且该复合材料又难以回收重复利用，在一定程度上增加了自然环境的负担。
目前现有碳纤维复合材料制备工艺主要以热固性树脂基体导入模具中固化成型，如真空袋压法成型、树脂传递成型(RTM)等，出现树脂固化速度慢，制品成型周期长等缺点。因此现有的碳纤维复合材料并不适合于规模批量化连续生产，尤其是大规模生产的汽车产品。
本发明内容针对以上存在问题提供一种解决方案,通过使用热塑性树脂复合碳纤维，制成可重复使用加工的复合板材及其成型部件。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种热塑性碳纤维复合材料及其制备方法。这种复合材料具有较好的力学性能和加工性能，生产周期短，可连续生产，能够广泛应用于汽车零部件产品上。
本发明的目的可以通过以下方式来实现:
一种热塑性碳纤维复合材料，通过使用热塑性树脂复合碳纤维，所述的热塑性树脂为聚
丙烯纤维。
一种热塑性碳纤维复合材料，通过包括如下步骤的方法制得：
(1)纤维成网前的预处理，包括纤维剪切、称量配料、均匀混合、开松、梳理等；
(2)将纤维铺叠成网；
(3)将铺叠成网后的纤维针刺成毡；
(4)将针刺成毡的纤维进行成型处理；
其中，碳纤维剪切长度为50-150mm，使用碳纤维和PP纤维混合，在混合前先经过适当的开松，使其能达到更好的均匀混合的目的。纤维在混合前经过精确称量，不仅要按各纤维的名义重量百分比混合，而且要使之实现匀质的混合。经初步开松的纤维混合时，配料成分可用下式计算：
混料中某种纤维重量(kg)＝混料纤维总重(kg)×某种纤维配料成份(％)
碳纤维和PP纤维成网过程中，梳理是关键工序。它把经过开松和混合工序的纤维原料加工成基本上有单纤维组成的薄网，供铺叠成网或直接进行纤网加固或经气流成网，以制造三维杂乱排列的纤网。纤维原料的梳理是在梳理机上进行的，它的作用如下：
(1)彻底分梳混料，使之成为单纤维状态；
(2)使混料中各种纤维在单纤维状态下充分而均匀地混合；
(3)进一步清除杂质；
(4)使纤维平行伸直。
把梳理机输出的薄网通过一定的方法铺叠成一定厚度的纤网，再进行加固。铺叠的方法有平行式(串联式与并联式)铺叠、交叉式铺叠及组合式铺叠,交叉式铺叠成网中的四帘式铺叠成网。
针刺机刺针的穿刺作用，将蓬松的纤网加固成布。用截面为三角形(或其他形状)和棱边上带钩刺的刺针对纤维网进行反复穿刺，由于喂入针刺机的纤网(通常是机械折叠制成的纤网)十分蓬松，纤维与纤维之间不发生“交织”，彼此之间的抱合力很差，纤网几乎没有强力，但是当成千上万枚针刺刺入纤网时，针刺上的钩刺就带住纤网表面的一些纤维随针穿过纤网而产生位移，同时由于摩擦作用而使纤维受到压缩。当刺入一定深度后，针刺回升，此时由于钩刺顺向的缘故，这些纤维脱离钩刺而近乎垂直状态留在纤网内，犹如许多纤维束“销钉”钉入了纤网，使已经压缩的纤网不会再恢复原状。
影响针刺非织造布产品质量的因素很多，分别如下：纤维本身的特性；纤网的特性；针刺工艺参数；刺针参数；环境因素等等。其中主要影响因素为针刺型号、针刺深度和针刺密度。针刺深度：针刺深度指针刺针尖向下通过托网板上表面的距离(对下针刺机而言)，即针刺刺穿纤网后突出网外的长度。针刺深度根据原料的种类、纤网厚度和产品要求确定，通常在3mm-17mm之间。采用双面针刺，针刺从上往下刺时，针刺深度为11mm，针刺从下往上刺时，针刺深度为7mm。针刺密度：纤网在单位面积里所受到的针刺数。它与针板单位长度上的植针数和纤网在每一个针刺循环中前进的距离有关。本复合材料毡针刺参数为：从上往下刺时，针刺密度为7000针/m2，针频为600次/分，从下往上刺时，针刺密度为8000针/m2，针频为500次/分。
碳纤维为增强材料，利用碳纤维和PP纤维之间的熔点差异，使PP纤维熔融作为基体材料，包覆在碳纤维纤维表面，在一定压力下粘合成型，冷却后即可制成具有一定强度、硬度、厚度的热塑性碳纤维复合板材。
PP的熔融温度在160℃左右，采用温度150-190℃加热。
成型压力对改善纤维网的热量传递，促进熔融纤维的熔体流动，增加纤维的接触面积有重要的作用。压力增大虽然有利于熔体的流动，但同时也将纤维束压紧，使纤维间的缝隙变小，增加聚合物熔体浸透纤维束的难度，所以应当选择适当的成型压力，既使熔体流动性增大，又使纤维束单丝间的缝隙变化不大，所以成型压力并不是越大越好。采用压力2-8MPa。
成型时间对复合板材的力学性能有很大的影响，粘合时间短，PP熔融不充分，不能很好地起到连接纤维的作用，力学性能较差；成型时间过长，易造成PP基体的裂解，力学性能下降。选择成型时间为2-8min。
上述碳纤维复合材料可用于汽车部件，如前端模块、仪表板骨架、座椅骨架、保险防撞梁、备胎仓、踏板等结构承载部件。
通过实施本发明提出高性能热塑性纤维复合材料，并在车辆上应用，将获得以下几方面效果：
1、本发明的碳纤维复合材料，属于高强质轻材料，替代金属材料用于汽车部件，可大幅度减轻汽车产品重量；
2、结构受力部件根据使用要求，可以进行自由设计；
3、复合材料通过快速模压成型工艺，降低部件生产周期，制备流程简单、连续、生产效率高、产品质量稳定；
4、复合材料有很好的吸能效果，提高整车安全性；
5、此热塑性复合材料可重复使用，进行二次或多次加工。
附图说明
图1热塑性碳纤维复合材料工艺流程
具体实施方式
实施例1
准确称量碳纤维70KG并剪切成长度为100mm，PP纤维30KG，进行抓棉开松，并均匀混合；对混合后的复合纤维进行梳理，并铺网；采用双面针刺，从上往下刺时，针刺密度为7000针/m2，针频为600次/分，从下往上刺时，针刺密度为8000针/m2，针频为500次/分；将针刺后的复合纤维毡，放入烘箱中进行加热到150℃；将加热后的复合纤维毡放入平板压机中，压力为5MPa，时间为5min，即得热塑性碳纤维复合材料板。
实施例2
准确称量碳纤维50KG并剪切成长度为100mm，PP纤维50KG，进行抓棉开松，并均匀混合；对混合后的复合纤维进行梳理，并铺网；采用双面针刺，从上往下刺时，针刺密度为7000针/m2，针频为600次/分，从下往上刺时，针刺密度为8000针/m2，针频为500次/分；将针刺后的复合纤维毡，放入烘箱中进行加热到170℃；将加热后的复合纤维毡放入平板压机中，压力为2MPa，时间为8min，即得热塑性碳纤维复合材料板。
实施例3
准确称量碳纤维30KG并剪切成长度为100mm，PP纤维70KG，进行抓棉开松，并均匀混合；对混合后的复合纤维进行梳理，并铺网；采用双面针刺，从上往下刺时，针刺密度为7000针/m2，针频为600次/分，从下往上刺时，针刺密度为8000针/m2，针频为500次/分；将针刺后的复合纤维毡，放入烘箱中进行加热到190℃；将加热后的复合纤维毡放入平板压机中，压力为8MPa，时间为2min，即得热塑性碳纤维复合材料板。
Claims (8)
1.一种热塑性碳纤维复合材料，通过使用热塑性树脂复合碳纤维，所述的热塑性树脂为聚丙烯纤维。
2.一种如权利要求1所述的热塑性碳纤维复合材料，通过包括如下步骤的方法制得：
(1)碳纤维成网前的预处理，包括纤维的剪切、称量配料、均匀混合、开松、梳理等；
(2)将预处理后的碳纤维铺叠成网；
(3)将铺叠成网后的碳纤维针刺成毡；
(4)将针刺成毡的碳纤维进行成型处理。
3.一种如权利要求2所述的热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，碳纤维剪切长度为50-150mm。
4.一种如权利要求2所述的热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，将所述碳纤维与聚丙烯纤维的配比为30-70：70-30。
5.一种如权利要求2所述的热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，所述铺叠是通过四帘式铺叠成网，所述铺叠可采用平行式铺叠、交叉式铺叠、组合式铺叠、交叉式铺叠。
6.一种如权利要求2所述的热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，所述针刺的针刺深度为3mm-17mm之间。
7.一种如权利要求2所述的热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，所述针刺的具体参数为从上往下刺时，针刺密度为7000针/m2，针频为600次/分，从下往上刺时，针刺密度为8000针/m2，针频为500次/分。
8.一种如权利要求2所述的热塑性碳纤维复合材料，其特征在于，所述成型的成型压力2-8MPa，成型时间为2-8min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150923 |