CN105199353B - 一种基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料，包括可降解树脂内芯、包裹在可降解树脂内芯外的结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳，及位于结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳两端的蚕丝纤维板。本发明不仅可以实现低密度、高比强度、吸声效果好的优异性能，还能提高所制备材料的可降解性，从而符合当今社会环保与生态的主题，实现可持续发展。
Description
技术领域
本发明涉及材料及汽车轻量化领域，尤其涉及一种基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料及制备方法。
背景技术
自然界中广泛存在着低密度多孔材料及结构，如珊瑚、蜂窝等。随着材料制备工艺的逐渐发展以及人们对轻量化的需求，轻质点阵材料迅速发展起来，并逐渐应用于包括航空航天、汽车、航海等在内的各个领域。轻质点阵材料的高孔隙率及复杂多变的结构使其具有许多优异的性能：(1)密度低、比强度高、结构性能好，可用于汽车车身、飞机机身等既需减轻质量又要求高强度的部件；(2)散热、隔热性能优良，可用于汽车油箱、发动机罩等对散热、隔热性能要求高的部件；(3)吸声效果好，可用于剧院、大楼外墙等对吸声要求高的场所。
不同于泡沫材料，点阵材料为微结构有序的多孔材料。现有的点阵材料根据其结构类型的不同可以分为二维点阵材料和三维点阵材料，其中，二维点阵材料主要指不同形状的多边形在平面内排布，在垂直平面的第三方向拉伸形成管状棱柱，蜂窝材料即为常见的二维点阵材料；三维点阵材料则是大量的杆、板等在空间中按一定的重复规则构成的桁架结构。
对于点阵材料而言，所选用的材料和结构不仅影响点阵材料的制备工艺和制造成本，而且还决定了最终点阵材料的性能和应用范围。目前比较常见的点阵材料有点阵金属材料以及点阵复合材料等。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料及制备方法，不仅可以实现低密度、高比强度、吸声效果好的优异性能，还能提高所制备材料的可降解性，从而符合当今社会环保与生态的主题，实现可持续发展。
本发明基于现有三维点阵材料结构及热膨胀模塑成型的制备工艺，利用生物材料蚕丝纤维代替碳纤维，可降解树脂代替橡胶，在发展点阵材料的优良特性同时，利用蚕丝纤维的优异力学性能和作为生物材料的可降解性能，实现可降解车用点阵材料的设计。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
本发明主要由三部分组成：可降解树脂内芯、包裹在可降解树脂内芯外的结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳，及位于结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳两端的蚕丝纤维板。
本发明的结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳采用最常见的野蚕蚕茧壳，其厚度为0.4-0.6mm，为多层结构，每一层的蚕丝纤维排布在纵向、45°方向及横向具有各向异性。实验表明，野蚕蚕茧材料本身便具有优异冲击防护性能，而烘干后的野蚕蚕茧壳比未烘干的野蚕蚕茧壳具有更优异的力学性能，同时野蚕蚕茧壳来源广泛，可降低该轻质点阵材料的制造材料成本，除此之外，作为生物高分子材料，蚕丝纤维外壳具有可降解性，使得该轻质点阵材料绿色环保，应用前景广泛。
本发明的可降解树脂内芯是在现有树脂的合成过程中通过在基体中加入光敏剂所得到的光降解材料。加入光敏剂后，合成树脂会在阳光的照耀下诱发光降解反应，从而实现树脂的可降解性。目前常用的光降解引发剂有卤化物、羟基化合物以及酯等聚合物。将可降解树脂内芯制成均匀的棒状，有利于混杂杆件的制备和热膨胀模塑工艺的实现。
本发明的蚕丝纤维板根据厚度要求可由一层或多层蚕茧壳粘接制成，由于单个野蚕蚕茧壳的大小有限，因此考虑将多个野蚕蚕茧壳粘接在一起制成蚕丝纤维板，用于固化后粘接在脱模所得结构顶层及底层。
本发明的原理：
(1)可降解蚕丝纤维的应用
利用蚕丝纤维代替现有碳纤维，发挥蚕丝纤维的低密度、高比强度及可降解的生物材料等优异特性，同时，由于烘干后的野蚕蚕茧具有更加优异的力学性能，而制备工艺中在烤箱中固化的同时实现了对蚕茧材料的烘干，从而进一步优化所制备车用轻质点阵材料的性能。
(2)可降解树脂内芯的合成
随着环境的逐渐恶化，人们越来越关注材料的可降解性，希望能够实现可持续发展，因此利用可降解树脂内芯替代不可降解树脂具有重要的意义。本发明通过在合成树脂过程中在基体中添加乙酰基丙酮酸盐等光降解引发剂实现其可降解性。在该车用轻质点阵材料正常使用时，由于可降解树脂内芯外有蚕丝纤维表层严密地包裹，不会或极少诱发光降解反应；而在材料报废后，去除表层蚕丝纤维后在光照下即可诱发光降解反应，从而在不影响材料使用的同时实现可持续发展。
(3)热膨胀模塑成型的制备工艺
运用现有热膨胀模塑成型的制备工艺完成新型可降解车用点阵材料的制备：
(31)在棒状可降解树脂材料外包裹蚕丝纤维表层制成混杂杆件并插入模具中，留出5-6mm高于模具表面；
(32)进行面板的铺放，并将上述混杂杆件各端的预浸料埋入到预先设有孔槽的面板中；
(33)置于烤箱中在120-130℃条件下烘烤2-3h，完成固化；
(34)完成脱模，并在顶层和底层粘接预先设计好的实体蚕丝纤维板。
(4)蚕丝纤维板的制备
由于单个野蚕蚕茧茧壳的厚度和大小往往不满足蚕丝纤维板的要求，因此本发明采用多个野蚕蚕茧茧壳粘接的原理，得到符合要求的蚕丝纤维板。由于制备时采用将芯层穿插在面板中整体成型固化，所以无需考虑面板和点阵混杂杆件的连接问题。
本发明的关键技术特征在于：
(1)采用可降解的蚕丝纤维和可降解树脂代替现有碳纤维及不可降解树脂；
(2)可降解树脂内芯采用在基体中添加乙酰基丙酮酸盐等光降解引发剂制成；
(3)蚕丝纤维板由多个野蚕蚕茧粘接而成；
(4)在现有热膨胀模塑成型的制备工艺基础上完成一种新型可降解车用轻质点阵材料的制备。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明提供一种新型可降解车用轻质点阵材料的设计方法，并且可广泛应用于如汽车车身等各个零部件；
(2)在本发明中，采用可降解的蚕丝纤维和可降解树脂代替现有碳纤维及不可降解树脂，使得所制造轻质点阵材料更加绿色环保；
(3)野蚕蚕茧材料来源广泛，有利于降低该车用轻质点阵材料的制备材料成本；
(4)在本发明中，经过高温处理的野蚕蚕茧材料有着更加优异的力学性能，有利于进一步优化该车用轻质点阵材料的力学性能。
附图说明
图1为本发明的结构主示意图；
图2为本发明的结构侧示意图；
图3为本发明中轻质点阵材料结构代表性体积单胞；
图4补充结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳1中蚕丝纤维排布在纵向、45°方向及横向具有各向异性结构图；
图5为本发明蚕丝纤维板示意图；
图6烘干与未烘干野蚕蚕茧材料杨氏模量及极限强度对比图；其中a为烘干及未烘干野蚕蚕茧材料极限强度的对比图，b为烘干及未烘干野蚕蚕茧材料杨氏模量的对比图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明由三部分组成：可降解树脂内芯2，包裹在可降解树脂内芯外的结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳1，可降解树脂内芯2采用在基体中添加过渡金属的各种化合物作为光降解引发剂制成，例如可采用不饱和聚酯树脂基体，在其中添加乙酰基丙酮酸盐实现。
如图3所示，给出了本发明在车用轻质点阵材料的代表性体积单胞，该结构沿用目前已有点阵材料的结构，其具有良好的压缩性能。其中3代表可降解蚕丝纤维包裹的混杂杆件。
如图4所示，本发明实施例中的结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳1采用最常见的野蚕蚕茧壳，厚度为0.5mm，为7-10层结构，每一层的蚕丝纤维排布在纵向、45°方向及横向具有各向异性，沿横向、45°方向及纵向的分布比例为1.2:1.1:1.0。图4中4为蚕丝纤维，5为纵向，6为45°方向，7为横向。
图5图中定性地展示了蚕丝纤维板的结构，其中8为单块野蚕蚕茧材料，整体蚕丝纤维板1由4-6块野蚕蚕茧材料粘接而成。
如图6所示，给出了烘干与未烘干的野蚕蚕茧材料的杨氏模量及极限强度的对比情况，a中横坐标表示不同的加载速率，纵坐标表示极限强度，b中横坐标表示不同的加载速率，纵坐标表示杨氏模量。从图6中的a,b可以发现，烘干的野蚕蚕茧材料比未烘干的野蚕蚕茧材料具有更加优异的力学性能，因此在固化高温烘干时有利于进一步优化该新型可降解车用轻质点阵材料的性能。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (7)
1.一种基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料，其特征在于：包括可降解树脂内芯、包裹在可降解树脂内芯外的结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳，及位于结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳两端的蚕丝纤维板；所述混杂杆件的蚕丝纤维外壳的蚕丝纤维排布在纵向、45°方向及横向具有各向异性；所述结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳为多层结构，每层厚度为0.4-0.6mm；所述可降解树脂内芯采用在基体中添加光降解引发剂制成。
2.根据权利要求1所述的基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料，其特征在于：所述混杂杆件的蚕丝纤维外壳采用烘干后的野蚕蚕茧壳。
3.根据权利要求1所述的基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料，其特征在于：所述光降解引发剂为乙酰基丙酮酸盐。
4.根据权利要求1所述的基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料，其特征在于：所述基体采用不饱和聚酯树脂基体。
5.根据权利要求1所述的基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料，其特征在于：所述可降解树脂内芯制为均匀的棒状。
6.根据权利要求1所述的基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料，其特征在于：所述蚕丝纤维板由一层或多层蚕茧壳粘接制成。
7.一种制备权利要求1所述的基于可降解蚕丝的车用轻质点阵材料的方法，其特征在于实现步骤为：
(1)在可降解树脂内芯外包裹蚕丝纤维表层制成混杂杆件，并插入模具中，并高于模具表面；
(2)进行面板的铺放，并将上述混杂杆件各端的预浸料埋入到预先设有孔槽的面板中；
(3)将带有预浸料的面板置于烤箱中在120-130℃条件下烘烤2-3h，完成固化；
(4)完成脱模，形成包裹在可降解树脂内芯外的结构中混杂杆件的蚕丝纤维外壳，并在所述外壳的顶层和底层粘接预先设计好的蚕丝纤维板。
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