CN105619840B - 碳纤维复合材料同步成型涂装工艺 - Google Patents

碳纤维复合材料同步成型涂装工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，属于属于复合材料加工领域。该加工工艺在碳纤维预浸料的表面贴合一层印刷有所需涂装涂层的可撕涂层薄膜，通过热压成型工艺使碳纤维预浸料中的上浆树脂和可撕涂层薄膜中的涂层适当融化并在热压过程中紧密结合在一起，并通过抽真空等避免出现涂层起泡现象，该工艺将碳纤维复合材料的成型加工工艺与涂装加工工艺合并，大大节约了生产周期的时间，且避免了碳纤维复合材料制品在涂装中受烘烤，因此避免了涂装烘烤中制品变形扭曲，且成型造成的外观瑕疵可直接被涂层面覆盖，大大提高了产品的良率；该工艺加工过程中人力物力成本均大大减少，取消喷漆制程，避免了环境污染和对操作者的危险，环保安全。

Description

碳纤维复合材料同步成型涂装工艺
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料的加工工艺,尤其涉及一种碳纤维复合材料同步成型涂装工艺,属于复合材料加工领域。
背景技术
碳纤维复合材料具有优异的机械性能，例如高比强度和高比模量等，因此它们广泛的应用于航天航空工业、高档汽车、体育器材、风能、豪华游艇、3C产品、医疗产品和军事工业等领域中。由于碳纤维复合材料具有复杂变化的多尺度结构，使其从原材料生产到最终工业化应用均不能完全实现自动化，且由于其生产过程中工序多、周期长、产量低，导致了复合材料部件的价格昂贵，不能在普通民用装备上大量使用。现有的碳纤维复合材料成型和涂装的加工工艺是将碳纤维体编织成布状形成碳纤维编织体，通过浸渍上浆剂成为预浸料，然后对预浸料进行成型加工(如采用吹气成型法、模压成型法、贴模成型法等)得到初步产品，该成型后的初步产品再做精加工(如切削、包射、埋设等)后进行涂装。
目前碳纤维复合材料制品表面进行涂装涂层成为其加工的重要工序，这是因为此类材料特别是3C产品和医疗产品等的外观色泽是相关厂商吸引消费者时考量的重要因素。而目前的涂装工艺中“三涂三烤”是主要涂装程序，即碳纤维复合材料制品先喷涂后静置，之后再烘烤，中间为增加漆的附着力及去除杂质还含有打磨程序。有的产品为了看得到碳纤维的编织纹路，需要喷涂透明皮革漆，使其有皮革的触摸感，具有特殊视觉质感，以提高产品的档次。这个成型好的碳纤维复合材料制品经历了三次喷涂，三次静置，三次打磨，三次烘烤，投入人力庞大，各制程不良率高，导致整个涂装工艺良率低下，成本居高不下，亦成为当前业界急需改进的目标。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，该工艺简化了涂装工艺，降低了碳纤维复合材料制品涂装的成本，大大提升了产品良率，缩短了制程时间。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，包括下述步骤：
(1)将碳纤维编织体浸渍于上浆树脂中形成碳纤维预浸料；将需要涂装的涂料按顺序印刷于耐高温离型膜上形成可撕涂层薄膜，所述上浆树脂的固化温度与需要涂装的涂料的固化温度保持一致，且需要涂装的涂料在该固化温度下能够与耐高温离型膜剥离。该涂料和涂料印刷的顺序根据产品所需性能的不同会有改动，该印刷过程可按照涂层印刷领域内的常规做法进行，在实际操作中可外包给涂层印刷厂按照条件需求批量性提供。与传统碳纤维复合材料的涂装工艺相比，传统工艺是在已经成型的材料表面进行三次喷涂，三次静置，三次打磨，三次烘烤，而该步骤中以离型膜为中介，将涂层先涂覆好，涂层作为一个整体与碳纤维复合材料之间仅有一次接触，为简化涂装程序提供了良好的基础。
(2)将(1)中所得的碳纤维预浸料层叠好并放置在成型机的模具上，然后将可撕涂层薄膜上的涂料层和碳纤维预浸料的表面紧密贴合在一起；其中可撕涂层薄膜的尺寸大于或等于碳纤维预浸料的尺寸，一般采用等尺寸的可撕涂层薄膜。
(3)将成型机的模具进行合模并加温至所述上浆树脂的固化温度，同时对模具进行抽真空，在上述温度和抽真空状态下对贴覆有可撕涂层薄膜的碳纤维预浸料预加热3～5min，且所述抽真空的压力为7～9kg/cm2，通过抽真空的方式来控制涂装完成的产品表面无气泡且光滑平整。
(4)预加热结束后在仍保持上述温度和抽真空状态下进行热压成型，并待成型后的碳纤维复合材料冷却后移出模具，将耐高温离型膜撕除，得到同步完成成型和涂装的碳纤维复合材料。
在步骤(3)和(4)中进行涂装和成型时采用了分段加热的方式，即先进行预加热，然后再进行热压成型。其中步骤(3)中预加热的目的是采用烘烤的方式令碳纤维预浸料和涂料中的水分能够缓慢挥发，避免在后续的热压工艺中出现涂层表面起泡的现象。步骤(4)中将涂装和烘烤通过热压工艺同步进行，当达到上浆树脂的固化温度时，此时碳纤维预浸料的表面和涂层的表面均处于轻微融化，但仍不能像液体一样四处流动的状态，此时在压力作用下，上浆树脂和涂料能够达到分子层面的相互渗透，使得需要涂装的涂层很好的结合在碳纤维预浸料上，同时碳纤维预浸料也通过热压成型为所需的形状。
其进一步的技术方案是：
步骤(1)中所述可撕涂层薄膜由耐高温离型膜和涂料层组成，所述耐高温离型膜由载体和离型层层叠组成，所述涂料层由需要涂装的涂料按照皮革层、介质层、油墨层和胶层的顺序依次印刷于所述离型层上组成。其中载体一般采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，离型层一般为硅油等离型剂，可便于在成型后将载体撕除。其中胶层主要用来提供良好粘着力；油墨层是颜色和图案的主要提供者；介质层作为皮革层和油墨层连接层，能很好的将二者结合起来；皮革层能够为成型后的碳纤维复合材料提供良好的表面触感，能够提高材料的档次。该耐高温离型膜在撕除时要能够很好的撕除，涂料层不能经高温后与上浆树脂结合后仍有残留在离型膜上。
步骤(2)中与碳纤维预浸料的表面紧密贴合在一起的为所述胶层。即在放置的时候，将可撕涂层薄膜印刷有胶层的一面紧贴于碳纤维预浸料的表面上。
耐高温离型膜的所述载体为能够承受温度高于所述上浆树脂的固化温度的塑料薄膜。
步骤(4)中热压成型的时长由所述碳纤维预浸料的成型工艺决定，一般是由上浆树脂决定的，且通常为8～15min，热压成型结束的冷却时长为8～10min，该时间内能够保证碳纤维预浸料制品的硬化及涂装后涂层表面附着的平滑性，可以有效保证制品表面外观质量的同时能够进行大批量生产。
所述上浆树脂为热固性树脂或热塑性树脂，且该上浆树脂的固化温度为150～200℃。
本发明的有益技术效果是：该加工工艺将碳纤维复合材料的成型加工工艺与涂装加工工艺合并，大大节约了生产周期的时间，仅就涂装工艺相比，传统的涂装生产周期需30h，而本发明所述成型及涂装共需约几十分钟；此外该工艺避免了碳纤维复合材料制品在涂装中受烘烤，因此避免了涂装烘烤中制品变形扭曲的现象，且成型造成的外观瑕疵可直接被涂层面覆盖，大大提高了产品的良率；加工过程中人力物力成本均大大减少，降低成本，同时取消喷漆制程，避免了环境污染和对操作者的危险，环保安全。
具体实施方式
下面结合具体实施例和对比实施例对本发明进行详细说明。
下述具体实施例和对比实施例中所采用的上浆树脂为环氧树脂和酚醛树脂，所采用的碳纤维编织体为由日本东丽T300-3K碳纤维编织布、纤维编织布UD和玻璃纤维布中的至少一种。将日本东丽T300-3K碳纤维编织布和纤维编织布UD分别浸渍环氧树脂形成碳纤维预浸料，然后将浸渍好的日本东丽T300-3K碳纤维编织布和纤维编织布UD层叠构成物品A1，其中层叠次序按照最终产品的需求而定。将日本东丽T300-3K碳纤维编织布和玻璃纤维布分别浸渍酚醛树脂形成碳纤维预浸料，然后将浸渍好的日本东丽T300-3K碳纤维编织布和玻璃纤维布层叠构成物品A2，其中层叠次序按照最终产品的需求而定。上述碳纤维编织布的型号种类及上将树脂的种类可根据最终产品的实际需求进行选择，并不限制于上述内容。
按照碳纤维复合材料制品最终的外观要求将不同的涂料按照顺序印刷在耐高温的PET载体膜上形成可撕涂层薄膜B，下述实施例中采用的顺序为PET膜-离型层-皮革层-介质层-油墨层-胶层，但本发明中所使用的可撕涂层薄膜B上的涂层并不限制于上述种类和顺序。
其中物品A1和A2中环氧树脂和酚醛树脂的固化温度和可撕涂层薄膜B中涂料(最主要是胶层)的固化温度保持一致，本具体实施例中选用的环氧树脂、酚醛树脂和可撕涂层薄膜B中涂料的固化温度均为150～160℃。
下述具体实施例中采用的成型方法为模压成型法，所采用的成型机至少为50吨位以上，一般选择100～200吨位的，最优选择200～300吨位的，本具体实施例中选用200～300吨位的成型机。
具体实施例1
将层叠好的物品A1放置在成型机的模具上，然后将可撕涂层薄膜B倒扣使胶层和物品A1的表面紧密贴合在一起，保证可撕涂层薄膜B的胶层与物品A1的外观纹路面结合；然后将成型机的模具进行合模并加温至150℃，同时对模具进行抽真空7kg/cm2，在上述温度和抽真空状态下对贴覆有可撕涂层薄膜B的物品A1预加热180s；预加热结束后在仍保持上述温度和抽真空状态下进行热压成型，热压成型的固化时长为900s，并待成型后的碳纤维复合材料冷却后移出模具，冷却时长为600s，将耐高温离型膜撕除，得到同步完成成型和涂装的碳纤维复合材料C1，然后检查涂装的外观。
具体实施例2
将层叠好的物品A2放置在成型机的模具上，然后将可撕涂层薄膜B倒扣使胶层和物品A2的表面紧密贴合在一起，保证可撕涂层薄膜B的胶层与物品A2的外观纹路面结合；然后将成型机的模具进行合模并加温至150℃，同时对模具进行抽真空7kg/cm2，在上述温度和抽真空状态下对贴覆有可撕涂层薄膜B的物品A2预加热180s；预加热结束后在仍保持上述温度和抽真空状态下进行热压成型，热压成型的固化时长为900s，并待成型后的碳纤维复合材料冷却后移出模具，冷却时长为600s，将耐高温离型膜撕除，得到同步完成成型和涂装的碳纤维复合材料C2，然后检查涂装的外观。
具体实施例3
将层叠好的物品A1放置在成型机的模具上，然后将可撕涂层薄膜B倒扣使胶层和物品A1的表面紧密贴合在一起，保证可撕涂层薄膜B的胶层与物品A1的外观纹路面结合；然后将成型机的模具进行合模并加温至160℃，同时对模具进行抽真空9kg/cm2，在上述温度和抽真空状态下对贴覆有可撕涂层薄膜B的物品A1预加热180s；预加热结束后在仍保持上述温度和抽真空状态下进行热压成型，热压成型的固化时长为900s，并待成型后的碳纤维复合材料冷却后移出模具，冷却时长为600s，将耐高温离型膜撕除，得到同步完成成型和涂装的碳纤维复合材料C3，然后检查涂装的外观。
具体实施例4
将层叠好的物品A1放置在成型机的模具上，然后将可撕涂层薄膜B倒扣使胶层和物品A1的表面紧密贴合在一起，保证可撕涂层薄膜B的胶层与物品A1的外观纹路面结合；然后将成型机的模具进行合模并加温至160℃，同时对模具进行抽真空9kg/cm2，在上述温度和抽真空状态下对贴覆有可撕涂层薄膜B的物品A1预加热200s；预加热结束后在仍保持上述温度和抽真空状态下进行热压成型，热压成型的固化时长为800s，并待成型后的碳纤维复合材料冷却后移出模具，冷却时长为500s，将耐高温离型膜撕除，得到同步完成成型和涂装的碳纤维复合材料C4，然后检查涂装的外观。
对比实施例1
将层叠好的物品A1放置在成型机的模具上，然后将成型机的模具进行合模并加温至150℃，同时对模具进行抽真空7kg/cm2，在上述温度和抽真空状态下对物品A1预加热180s；预加热结束后在仍保持上述温度和抽真空状态下进行热压成型，热压成型的固化时长为900s，并待成型并冷却后移出模具，其中冷却时长为600s。检查取出制品的外观是否有白化、异色、拉伸、粘模、压伤、杂质等不良现象，对符合要求的制品进行外观形状精加工，然后对加工好的制品进行喷涂，其中喷涂需进行“三涂三烤”工艺。该工艺如下所述：第一涂一烤，将成型制品的表面打磨60s后，喷涂PU涂层30s后，在60℃下烘烤60min，然后检验是否有色差不均、棉须、杂质、颗粒划伤等不良外观；第二涂二烤，将合格的一涂一烤制品的表面打磨60s，喷涂面漆多次，然后于60℃下烘烤30min后，按照上述一涂一烤的检验标准进行外观检验；第三涂三烤，将合格的二涂二烤制品的表面打磨60s，然后喷涂皮革漆，并于60℃下烘烤120min，然后按照一涂一烤的检验标准进行外观检验。最终得到碳纤维复合材料D。
对上述具体实施例1～4和具体实施例1所得的碳纤维复合材料进行性能测试，测试要求如表1所示，测试结果如表2所示；同时进行工艺流程对比，对比结果参见表3。
表1测试要求
表2测试结果
表3工艺对比结果
通过上述具体实施例和对比实施例之间的对比，可以看出，在两种工艺最终所得产品的性能一致的情况下，采用本发明所述方法进行碳纤维复合材料成型与涂装，成型与涂装耗时仅35～40min，而采用传统的三涂三烤的工艺时，除去成型车间与喷涂车间之间的搬运耗时，仅涂装耗时，一片产品一次性通过所有流程至少需要5h(包含冷却时间)，仅涂装的整个流程下来需要耗时20～30h。此外采用本发明所述工艺，最终产品一次性通过的良率可高达95％以上，而采用传统三涂三烤工艺，直通率不到40％，良率仅为55～60％。
本发明所述工艺方法将碳纤维复合材料的成型加工工艺与涂装加工工艺合并，大大节约了生产周期的时间，避免了碳纤维复合材料制品在涂装中受烘烤，因此避免了涂装烘烤中制品变形扭曲的现象，且成型造成的外观瑕疵可直接被涂层面覆盖，大大提高了产品的良率；加工过程中人力物力成本均大大减少，降低成本，同时取消喷漆制程，避免了环境污染和对操作者的危险，环保安全。
以上所述仅为本发明的优先实施方式。应当指出的是，在不脱离本发明原理的情况下，还可作出若干改进和变型，均视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：包括下述步骤：
(1)将碳纤维编织体浸渍于上浆树脂中形成碳纤维预浸料；将需要涂装的涂料按顺序印刷于耐高温离型膜上形成可撕涂层薄膜；所述上浆树脂的固化温度与需要涂装的涂料的固化温度保持一致，且需要涂装的涂料在该固化温度下能够与耐高温离型膜剥离；
(2)将(1)中所得的碳纤维预浸料层叠好并放置在成型机的模具上，然后将可撕涂层薄膜上的涂料层和碳纤维预浸料的表面紧密贴合在一起；
(3)将成型机的模具进行合模并加温至所述上浆树脂的固化温度，同时对模具进行抽真空，在上述温度和抽真空状态下对贴覆有可撕涂层薄膜的碳纤维预浸料预加热；
(4)预加热结束后在仍保持上述温度和抽真空状态下进行热压成型，并待成型后的碳纤维复合材料冷却后移出模具，将耐高温离型膜撕除，得到同步完成成型和涂装的碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：步骤(1)中所述可撕涂层薄膜由耐高温离型膜和涂料层组成，所述耐高温离型膜由载体和离型层层叠组成，所述涂料层由需要涂装的涂料按照皮革层、介质层、油墨层和胶层的顺序依次印刷于所述离型层上组成。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：步骤(2)中与碳纤维预浸料的表面紧密贴合在一起的为所述胶层。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：耐高温离型膜的载体为能够承受温度高于所述上浆树脂的固化温度的塑料薄膜。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：步骤(3)中预加热时间为3～5min。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：步骤(3)中所述抽真空的压力为7～9kg/cm2。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：步骤(4)中热压成型的时长由所述碳纤维预浸料的成型工艺决定，且热压成型结束的冷却时长为8～10min。
8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：步骤(4)中热压成型的时长为8～15min。
9.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料同步成型涂装工艺，其特征在于：所述上浆树脂为热固性树脂或热塑性树脂，且该上浆树脂的固化温度为150～200℃。
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