CN105563971B - 一种复合材料夹层结构体及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料夹层结构体及其制备方法和应用，包括芯材（Ⅰ）、配置在该芯材（Ⅰ）的上下表面的树脂基纤维增强体（Ⅱ），以及配制在芯材（Ⅰ）和树脂基纤维增强体（Ⅱ）中间的过渡胶膜粘结层（Ⅲ），所述树脂基纤维增强体（Ⅱ）由树脂基体和纤维增强体构成，所述芯材（Ⅰ）由环氧树脂、轻量化填料和纤维构成，所述芯材（Ⅰ）的比重为0.3g/cm3~1.2g/cm3，厚度为0.1mm~5.0mm。本发明制备得到的复合材料夹层结构体在具有重量轻、强度高、刚性好等优点的同时，能够显著降低产品的成本，提高市场竞争力；制备工艺简单，可应用于3C消费类电子行业、家电行业、汽车行业、航空、轨道交通行业以及相关的机箱等表面结构板材。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种复合材料夹层结构体及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，重量轻、壁薄且刚性高的构件被广泛应用于计算机、通讯行业、家电行业以及汽车部件、建筑物部件及面板部件中。作为可确保力学特性且提高轻质性的构件，已知有在轻质的芯材的表皮上配置被连续的强化纤维组强化的纤维强化树脂（FRP）形成的夹层结构体，为了谋求结构体的轻质化，选择了更加轻质的芯材，轻木芯、蜂窝芯或聚氨酯泡沫芯等作为芯材被频繁地使用。但是，现有已知的轻木芯、蜂窝芯或聚氨酯泡沫芯等，难于制备成厚度较薄的芯材，即使能够得到薄芯材，也存在预成型时被破坏、或不能耐受成型时的变形等问题，在薄壁化方面存在一定的限制。
同时为了实现重量轻、壁薄且刚性高而形成的成型体，专利号为200580029564.7公开了一种夹层结构体，该夹层结构体（Ⅲ）由芯材（Ⅰ）和配置在该芯材（Ⅰ）两面的、由连续强化纤维（A）和基体树脂（B）构成的纤维强化材料（Ⅱ）构成，其中所述芯材（Ⅰ）具有空隙结构，所述空隙是通过发泡体的气泡形成，或芯材由不连续强化纤维和热塑性树脂构成，所述空隙由在该强化纤维的长丝之间相互交叉处形成的空隙形成。但该夹层结构体是采用普通的树脂成型成夹层结构体的碳纤维复合材料板材，是目前市场上的普通制造方案，存在强度低，刚性不够，成型周期长，生产自动化程度低，成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有存在的不足，提供一种成本低、重量轻、强度高、刚性好的复合材料夹层结构体。
本发明的另一目的是提供上述复合材料夹层结构体的制备方法。
本发明的再一目的是提供上述复合材料夹层结构体的应用。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种复合材料夹层结构体，包括芯材（Ⅰ）、配置在该芯材（Ⅰ）的上下表面的树脂基纤维增强体（Ⅱ），以及配制在芯材（Ⅰ）和树脂基纤维增强体（Ⅱ）中间的过渡胶膜粘结层（Ⅲ），所述树脂基纤维增强体（Ⅱ）由树脂基体和纤维增强体构成，所述芯材（Ⅰ）由环氧树脂、轻量化填料和纤维构成，所述芯材（Ⅰ）的比重为0.3g/cm3~1.2g/cm3，厚度为0.1mm~5.0mm。
所述芯材（Ⅰ）的弹性模量根据ASTM D 638 测试为10 MPa ~30000MPa，剪切模量根据ASTM D 638 测试为10 MPa~150MPa；比重优选为0.5g/cm3~1.0g/cm3，厚度优选为0.6mm~1.0mm。
所述芯材（Ⅰ）由环氧树脂作为基体，在环氧树脂基体中添加轻量化填料和纤维，通过钢板或模具加热到100℃~160℃，压力维持30kg~100kg，成型时间30min~60min混合而成。
所述芯材（Ⅰ）中的环氧树脂是通过双酚A、双酚F或酚醛改性而成的改性环氧树脂。其制备方法可采用常规的改性方法，如在双酚A或双酚F添加N/P系的阻燃剂、铝硅类的填料、促进剂和胺系的固化剂后，混合改性而成。
上述环氧树脂的玻璃化温度Tg点在100℃~180℃之间，优选120℃~150℃。
上述环氧树脂中的卤素的重量含量为0~1500ppm，优选0~600ppm。
上述环氧树脂可以选取阻燃和不阻燃的环氧树脂作为基体，选取阻燃的环氧树脂作为基体时，阻燃等级达到UL940-V0级以上。
所述芯材（Ⅰ）中的轻量化填料占所述芯材的总重量的10wt%~50wt%。该产品具有质轻、低导热、较高的强度、良好的化学稳定性等优点，其表面经过特殊处理具有亲油憎水性能，非常容易分散于有机材料体系中。所述轻量化填料包括空心玻璃微珠60wt%~100wt%和其他填料0~40wt%，所述其他填料为滑石粉、铝粉、碳化硅粉或氮化硅中的一种或几种的混合。
所述空心玻璃微珠中具有密闭的真空气泡，是由硼硅酸盐、碳酸钙或铝硅酸盐中的一种或几种原料经高科技加工而成，粒度为10微米~250微米，壁厚1微米~2微米，在芯材（Ⅰ）中添加空心玻璃微珠能降低体系的密度。
所述芯材（Ⅰ）中纤维为连续或不连续纤维，不连续纤维的尺寸在0.1mm~100mm之间，连续纤维为编织布形式表现。纤维通过与特定的环氧树脂和轻量化填料分混合浸润后，纤维之间均匀交叉排布，纤维的含量为10wt%~70wt%，选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石墨纤维、芳纶纤维、腈纶纤维或木质纤维中的一种或几种。可以根据性能要求选择不同纤维及含量。
所述树脂基纤维增强体（Ⅱ）中的树脂基体为热固性树脂，具体可以优选为环氧树脂、酚醛树脂、环氧酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚氨酯树脂中的一种或几种；纤维增强体优选为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或几种，这些纤维可以是连续纤维或者不连续纤维。
所述过渡胶膜粘结层（Ⅲ）由树脂胶膜或树脂基纤维增强材料组成，厚度为0.02mm~2.0mm，密度为0.9g/cm3~1.3g/cm3。
所述树脂胶膜是由环氧树脂、酚醛树脂、环氧酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚氨酯树脂中的一种或几种构成；所述树脂基纤维增强材料中的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、环氧酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚氨酯树脂中的一种或几种，其中树脂基体的含量为35wt%~70wt%；纤维增强材料可以为连续的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或几种，具有连续平铺或编织布纤维外观结构，其中，玻璃纤维编织布的规格为25gsm~300gsm。纤维增强材料还可以为不连续的尺寸大于2mm的长纤维或尺寸小于2mm的短纤维构成的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或几种，所述树脂基体与不连续纤维经过互相浸润后交叉形成空隙结构。
由树脂基纤维增强材料组成的过渡胶膜粘结层（Ⅲ）的制备方法是通过将热固性树脂涂覆在离型纸/膜上面，然后将纤维增强材料均匀铺在树脂膜上，通过加热到70℃左右，用加热的双滚轴钢滚碾压后制成。
所述过渡胶膜粘结层（Ⅲ）的作用主要是配合树脂基纤维增强体（Ⅱ）和芯材（Ⅰ）作为粘接剂，增加二者之间的粘结力。
本发明所述的复合材料夹层结构体的制备方法，包括如下步骤：
将芯材（Ⅰ）、配置在该芯材（Ⅰ）的上下表面的树脂基纤维增强体（Ⅱ），以及配制在
芯材（Ⅰ）和树脂基纤维增强体（Ⅱ）中间的过渡胶膜粘结层（Ⅲ）在具有光滑面平板模具内，经过复合加热固化形成，加热的压力控制在10kg~180kg之间，温度控制在80℃~200℃之间，时间保持1min~30min。
本发明所述的复合材料夹层结构体在3C行业、家电行业、汽车行业、航空、轨道交通行业以及相关的机箱表面结构板材中的应用。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1） 本发明通过对芯材组成的优化，制备得到的复合材料夹层结构体在具有重量轻、
强度高、刚性好等优点的同时，能够显著降低产品的成本，提高市场竞争力；
2） 在特定要求下，能做到低卤素（小于600ppm）的性能要求；
3） 本发明的制备工艺简单，可应用于3C行业、家电行业、汽车行业、航空、轨道交通
行业以及相关的机箱等表面结构板材。
附图说明
图1为本发明复合材料夹层结构体的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明，以下实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受下述实施例的限制。
本发明实施例和对比例中所采用的材料如下：
环氧树脂：通过在双酚A或双酚F树脂中，添加N/P系的阻燃剂、铝硅阻燃类的填料、促进剂和胺系的固化剂后，混合改性而成。该环氧树脂经过测试，弹性模量根据GB/T 9341-2008测试在1~3Gpa，拉伸强度根据GB/T 1040-2006测试在100~300MPa。
如图1所示，一种复合材料夹层结构体，包括芯材（Ⅰ）、配置在该芯材（Ⅰ）的上下表面的树脂基纤维增强体（Ⅱ），以及配制在芯材（Ⅰ）和树脂基纤维增强体（Ⅱ）中间的过渡胶膜粘结层（Ⅲ）。
实施例1：
以环氧树脂为基体、在环氧树脂基体中添加10wt%轻量化填料（由60wt%空心玻璃微珠和40wt%由滑石粉、铝粉、碳化硅粉、氮化硅组成的混合物构成）和40wt%碳纤维（尺寸3-5mm），在模具中加热到120℃，压力维持50kg，成型时间30min混合而成芯材，芯材的比重为1.1g /cm3，厚度为1.0mm，弹性模量根据ASTM D 638 测试为23000 MPa，剪切模量根据ASTMD 638 测试为80MPa；
在具有光滑面模具内，将上述芯材上、下两面帖覆由40wt%热固性环氧树脂和玻璃纤维编织布（规格50gsm）构成的过渡胶膜粘结层（厚度为0.05mm），然后再在过渡胶膜粘结层上贴覆由环氧树脂和碳纤维构成的树脂基纤维增强体，最后复合加热固化，加热的压力控制在100kg，温度控制在150℃，时间保持10min，即得复合材料夹层结构体。测试其各项性能指标，结果见表1。
实施例2：
以环氧树脂为基体、通过在环氧树脂基体中添加30wt%轻量化填料（由70wt%空心玻璃微珠和30wt%由滑石粉、铝粉、碳化硅粉、氮化硅组成的混合物构成）和20wt%碳纤维（尺寸50mm），在模具中加热到130℃，压力维持80kg，成型时间40min混合而成芯材，芯材的比重为0.8g/cm3，厚度为1.0mm，弹性模量根据ASTM D 638 测试为12000 MPa，剪切模量根据ASTM D 638 测试为60MPa；
将由环氧树脂和碳纤维3K编织布构成的树脂基纤维增强体、由50wt%热固性环氧树脂和碳纤维3K编织布构成的过渡胶膜粘结层（厚度为0.1mm）以及上述芯材在具有光滑面平板模具内复合加热固化，加热的压力控制在100kg，温度控制在150℃，时间保持10min，即得复合材料夹层结构体。测试其各项性能指标，结果见表1。
实施例3：
以环氧树脂为基体、通过在环氧树脂基体中添加50wt%轻量化填料（由80wt%空心玻璃微珠和20wt%由滑石粉、铝粉、碳化硅粉、氮化硅组成的混合物构成）和10wt%玄武岩纤维（尺寸20mm）在模具中加热到140℃，压力维持30kg，成型时间50min混合而成芯材，芯材的比重为0.6g/cm3，厚度为1.0mm，弹性模量根据ASTM D 638 测试为6500 MPa，剪切模量根据ASTM D 638 测试为30MPa；
将由环氧树脂和玄武岩纤维编织布构成的树脂基纤维增强体、由60wt%热固性环氧树脂和玻璃纤维编织布（规格100gsm）构成的过渡胶膜粘结层（厚度为0.06mm）以及上述芯材在具有光滑面平板模具内复合加热固化，加热的压力控制在100kg，温度控制在150℃，时间保持10min，即得复合材料夹层结构体。测试其各项性能指标，结果见表1。
实施例4：
以环氧树脂为基体、通过在环氧树脂基体中添加20wt%轻量化填料(由90wt%空心玻璃微珠和10wt%由滑石粉、铝粉、碳化硅粉、氮化硅组成的混合物构成)和30wt%芳纶纤维（尺寸30mm），在模具中加热到150℃，压力维持70kg，成型时间35min混合而成芯材，芯材的比重为0.9g /cm3，厚度为1.0mm，弹性模量根据ASTM D 638 测试为8000 MPa，剪切模量根据ASTM D 638 测试为50MPa；
将由环氧树脂和芳纶纤维编织布构成的树脂基纤维增强体、由35wt%热固性环氧树脂和玻璃纤维编织布（规格200gsm）构成过渡胶膜粘结层（厚度为0.05mm）以及上述芯材在具有光滑面平板模具内复合加热固化，加热的压力控制在100kg，温度控制在150℃，时间保持10min，即得复合材料夹层结构体。测试其各项性能指标，结果见表1。
实施例5：
以环氧树脂为基体、通过在环氧树脂基体中添加40wt%轻量化填料(由75wt%空心玻璃微珠和25%由滑石粉、铝粉、碳化硅粉、氮化硅组成的混合物构成)和30wt%玻璃纤维（尺寸40mm），在模具中加热到120℃，压力维持30kg，成型时间40min混合而成芯材，芯材的比重为1.0g /cm3，厚度为1.0mm，弹性模量根据ASTM D 638 测试为8000 MPa，剪切模量根据ASTM D 638 测试为50MPa；
将由环氧树脂和连续碳纤维构成的树脂基纤维增强体、由热固性环氧树脂构成过渡胶膜粘结层（厚度为0.07mm）以及上述芯材在具有光滑面平板模具内复合加热固化，加热的压力控制在100kg，温度控制在150℃，时间保持10min，即得复合材料夹层结构体。测试其各项性能指标，结果见表1。
对比例1：
芯材使用（邵和电工（株）制“EFCELL（注册商标）”RC2010，独立发泡聚丙烯（厚度1mm，比重0.48 g/cm3）；
将由环氧树脂和碳纤维3K编织布构成的树脂基纤维增强体、及上述芯材在具有光滑面模具内复合加热固化，加热的压力控制在100kg，温度控制在150℃，时间保持10min，即得复合材料夹层结构体。测试其各项性能指标，结果见表1。
对比例2：
以热塑性树脂基体纤维增强体材料作为芯材，其中，所述芯材中热塑性树脂基体聚丙烯PP和碳纤维之间通过纤维浸润树脂交叉形成空隙结构，所述纤维浸润树脂长度在10nm以上；所述芯材的比重为1.0 g/cm3，厚度为1.0mm；
将由聚丙烯树脂和碳纤维连续纤维丝构成的树脂基纤维增强体及上述芯材在具有光滑面平板模具内复合加热固化，加热的压力控制在100kg，温度控制在260℃，时间保持20s，即得复合材料夹层结构体。测试其各项性能指标，结果见表1。
表1 实施例1~5及对比例1~2的夹层结构体的测试性能结果
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 | 对比例2 | |
| 比重 | 1.3 | 1.1 | 1.2 | 1.4 | 1.2 | 0.9 | 1.2 |
| 厚度/mm | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 弯曲模量/ Gpa | 43 | 36 | 18 | 22 | 52 | 13 | 10 |
| 弯曲强度/ Mpa | 500 | 400 | 210 | 250 | 560 | 150 | 230 |
各项性能测试方法：
比重：按GB1033-86，测试夹层结构体的比重；
厚度：通过千分尺或者游标卡尺测试板材厚度；
弯曲强度：塑料弯曲性能试验GB/T9341-2008；
弯曲模量：塑料弯曲性能试验GB/T9341-2000。
Claims (11)
1.一种复合材料夹层结构体，其特征在于，包括芯材（Ⅰ）、配置在该芯材（Ⅰ）的上下表面的树脂基纤维增强体（Ⅱ），以及配制在芯材（Ⅰ）和树脂基纤维增强体（Ⅱ）中间的过渡胶膜粘结层（Ⅲ），所述树脂基纤维增强体（Ⅱ）由树脂基体和纤维增强体构成，所述芯材（Ⅰ）由环氧树脂、轻量化填料和纤维构成，所述芯材（Ⅰ）的比重为0.3g/cm3~1.2g/cm3，厚度为0.1mm~5.0mm；所述芯材（Ⅰ）的弹性模量根据ASTM D 638 测试为10 MPa ~30000MPa，剪切模量根据ASTM D 638 测试为10 MPa ~150MPa；所述芯材（Ⅰ）中的环氧树脂为通过双酚A、双酚F或酚醛改性而成的改性环氧树脂; 所述芯材（Ⅰ）中的环氧树脂的玻璃化温度Tg点在100℃~180℃之间；所述芯材（Ⅰ）中轻量化填料占所述芯材总重量的10wt%~50wt%;所述轻量化填料包括空心玻璃微珠60wt%~100wt%，其他填料0~40wt%;所述其他填料为滑石粉、铝粉、碳化硅粉或氮化硅中的一种或几种的混合；所述过渡胶膜粘结层（Ⅲ）由树脂胶膜或树脂基纤维增强材料组成，厚度为0.02mm~2.0mm，密度为0.9g/cm3~1.3g/cm3。
2.根据权利要求1所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述芯材（Ⅰ）的比重为0.5g/cm3~1.0g/cm3，厚度为0.6mm~1.0mm。
3.根据权利要求1所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述芯材（Ⅰ）中的环氧树脂的玻璃化温度Tg点为 120℃~150℃。
4.根据权利要求1所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述芯材（Ⅰ）中的环氧树脂中的卤素的重量含量为0~1500ppm。
5.根据权利要求4所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述芯材（Ⅰ）中的环氧树脂中的卤素的重量含量为0~600ppm。
6.根据权利要求1所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述芯材（Ⅰ）中的纤维为连续或不连续纤维，其含量为10wt%~70wt%，所述纤维之间均匀交叉排布，尺寸在0.1mm~100mm之间，选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、石墨纤维、芳纶纤维、腈纶纤维或木质纤维中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述树脂基纤维增强体（Ⅱ）中的树脂基体为热固性树脂，纤维增强体为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、环氧酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚氨酯树脂中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的复合材料夹层结构体，其特征在于：所述树脂胶膜是由环氧树脂、酚醛树脂、环氧酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚氨酯树脂中的一种或几种构成；所述树脂基纤维增强材料中的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、环氧酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或聚氨酯树脂中的一种或几种，纤维增强材料为连续或不连续的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或几种，其中树脂基体的含量为35wt%~70wt%。
10.根据权利要求1~9任一项所述的复合材料夹层结构体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将芯材（Ⅰ）、配置在该芯材（Ⅰ）的上下表面的树脂基纤维增强体（Ⅱ），以及配制在
芯材（Ⅰ）和树脂基纤维增强体（Ⅱ）中间的过渡胶膜粘结层（Ⅲ）在具有光滑面模具内，经过复合加热固化形成，加热的压力控制在10kg~180kg之间，温度控制在80℃~200℃之间，时间保持1min~30min。
11.根据权利要求1~9任一项所述的复合材料夹层结构体在3C消费类电子行业、家电行业、汽车行业、航空、轨道交通行业以及相关的机箱表面结构板材中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510187342.3A CN105563971B (zh) | 2015-04-20 | 一种复合材料夹层结构体及其制备方法和应用 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN105563971A CN105563971A (zh) | 2016-05-11 |
| CN105563971B true CN105563971B (zh) | 2018-08-31 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5034502B2 (ja) * | 2004-09-07 | 2012-09-26 | 東レ株式会社 | サンドイッチ構造体およびそれを用いた一体化成形体 |
| CN102848622A (zh) * | 2012-09-06 | 2013-01-02 | 江苏兆鋆新材料科技有限公司 | 一种具有pmi泡沫芯材的夹芯材料及其制备方法 |
| CN103087463A (zh) * | 2013-01-28 | 2013-05-08 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种轻质复合材料 |
| CN103753905A (zh) * | 2013-12-23 | 2014-04-30 | 广州金发碳纤维新材料发展有限公司 | 一种无卤阻燃树脂基体夹层结构体及其制备方法 |
| CN104292786A (zh) * | 2013-07-15 | 2015-01-21 | 珠海兴业绿色建筑科技有限公司 | 一种空心玻璃微珠改性frp板及其制备方法 |
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