CN105922694A - 一种轻型纤维增强热塑性树脂板材 - Google Patents

一种轻型纤维增强热塑性树脂板材 Download PDF

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Abstract

一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，由于在面层与板芯之间设置了夹层，且夹层与面层采用的材质不同，当夹层为单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片时，面层为单层或多层短纤维增强热塑性树脂片，而当夹层为单层或多层短纤维增强热塑性树脂片时，面层则是连续纤维增强热塑性树脂预浸片，该种材质结构的板材，结合了连续纤维增强热塑性树脂预浸片与短纤维增强热塑性树脂片的优势，有效保证了该板材具有优良的力学性能及热稳定性。

Description

一种轻型纤维增强热塑性树脂板材
技术领域
本发明涉及汽车用材料领域，特别涉及一种轻型纤维增强热塑性树脂板材。
背景技术
目前，复合板材在生活中应用越来越广泛，现有的复合板材，包括板芯及覆在板芯上下表面的面层，其板芯常常选择胶合板、木塑板、刨花板等等，其面层材质为连续纤维增强热塑性树脂材料或者短纤维增强热塑性树脂材料，通过热压将板芯与面层复合为一体，由于连续纤维增强热塑性树脂材料的成型难度大，且制成的板材弯曲性能低，常常出现分层现象，而短纤维增强热塑性树脂材料制成的板材拉伸性能等力学性能差，热稳定性低，易于出现板材翘曲等问题，因此，当板材的面层单纯使用上述两种材料中的一种时，板材整体力学性能都比较低，使用寿命短。
发明内容
本发明旨在提供一种弯曲性能高、不会分层且热稳定性好的轻型纤维增强热塑性树脂板材，延长板材的使用寿命。
本发明所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，包括板芯，板芯上下表面热复合有面层，面层与板芯之间设置有夹层，所述面层由单层或多层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，所述夹层由单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，或者所述面层由单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，所述夹层由单层或多层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成；所述板芯为热塑性树脂板。
本发明所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，由于在面层与板芯之间设置了夹层，且夹层与面层采用的材质不同，当夹层为单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片时，面层为单层或多层短纤维混合增强热塑性树脂片，而当夹层为单层或多层短纤维增强热塑性树脂片时，面层则是连续纤维增强热塑性树脂预浸片，从而避免了单纯使用连续纤维增强热塑性树脂预浸片出现的板材成型难度大、弯曲性能低、易分层的问题，同时，也避免了单纯使用短纤维增强热塑性树脂片出现的板材拉伸性能等力学性能差、受热易变形、易出现板材翘曲的问题。该种材质结构的板材，由于层与层之间的结合界面可相互渗透，因此，能紧密的交叉结合在一起，有效保证了板材的力学性能优良，而由于结合了连续纤维增强热塑性树脂预浸片与短纤维增强热塑性树脂片的优势，有效保证了该板材具有优良的力学性能及热稳定性，受热不易变形，而由于各片层间结合紧密、密度小，因此，弯曲性能高，不会出现分层现象，大幅延长了板材的使用寿命。另外，由于板芯为热塑性树脂板，通过将热塑性树脂板的材质与面层及夹层中使用的树脂基体材质一致，可直接将面层、夹层及板芯热压复合为一体，避免使用胶黏剂，更加环保，也提高了加工效率，而热塑性树脂板的密度小，也可以大幅降低板材的重量，使板材应用范围更广。
附图说明
图1为本发明板材结构示意图。
具体实施方式
一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，包括板芯，所述板芯为热塑性树脂板，板芯的厚度为0.1mm~20mm，所述热塑性树脂板的材质可以是任一种热塑性树脂材料，如聚乙烯板、聚丙烯板、聚酰胺板、聚氯乙烯板、聚苯乙烯板、聚甲醛板、聚碳酸酯板、聚苯醚板或聚砜板等，板芯上下表面热复合有面层，面层与板芯之间设置有夹层，面层的厚度范围为0.1mm~20mm，夹层的厚度范围为0.1mm~20mm，面层由单层或多层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层由单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，或者面层由单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，夹层由单层或多层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，所述连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为0°≤θ≤90°，所述短纤维增强热塑性树脂片由长度不一致的短纤维以任意比例混合后和树脂基体复合形成，或短纤维增强热塑性树脂片由长度一致的短纤维和树脂基体复合形成，所述短纤维长度0.1mm≤L≤150mm，所述连续纤维增强热塑性树脂预浸片由连续纤维和树脂基体复合形成，基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为5wt%~95wt%，树脂基体的重量百分比为5wt%~95wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为5wt%~95wt%，树脂基体的重量百分比为5wt%~95wt%，所述树脂基体可以是任意一种热塑性树脂或多种热塑性树脂以任意比混合，如选自聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、ABS、PET、聚醚酰亚胺、聚醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺中的一种或多种以任意比混合等，形成面层的短纤维增强热塑性树脂片或连续纤维增强热塑性树脂预浸片的层数优选2层到5层，形成夹层的短纤维增强热塑性树脂片或连续纤维增强热塑性树脂预浸片的层数优选2层到5层，所述树脂基体中还添加有助剂，所述助剂为偶联剂、相容剂、抗氧剂、润滑剂、色母填料中的一种或多种组合，所述短纤维或连续纤维均选自玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或玄武岩纤维中的一种或多种组合，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度0.92g/cm3<α<1.4g/cm3，该种板材由于密度小，因此，重量轻，搬运方便。该板材可用于汽车后备箱盖板和其他结构件，力学性能优良且重量较轻。
制备方法：（1）面层制备：将单层或多层短纤维增强热塑性树脂片铺设形成面层2，或将单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片按角度铺设形成面层2；（2）夹层制备：将单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片按角度铺设形成夹层3，或将单层或多层短纤维增强热塑性树脂片铺设形成夹层3；（3）板材的制备：将短纤维增强热塑性树脂片铺设形成的面层2、连续纤维增强热塑性树脂预浸片铺设形成的夹层3与热塑性树脂板热复合形成板材；或将连续纤维增强热塑性树脂预浸片铺设形成的面层2、短纤维增强热塑性树脂片铺设形成的夹层3与热塑性树脂板热复合形成板材；面层2、夹层3、板芯1热复合形成板材的热压温度为180℃~250℃，热压压力为0.1MPa~5MPa，所述面层2、夹层3及板芯1由上至下按面层—夹层—板芯—夹层—面层的顺序依次铺设。
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。
实施例 1
本实施例中，板芯1聚丙烯板，板芯1的厚度为6mm；面层2的厚度为0.1mm，夹层3的厚度为0.3mm，面层2由单层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层3由单层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为30wt%，树脂基体的重量百分比为70wt%；面层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为30wt%，树脂基体的重量百分比为70wt%，短纤维或连续纤维均为玻璃纤维；树脂基体为聚丙烯，夹层中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为0.92g/cm3。通过上述制备方法制成板材，其力学性能如表1所示。
实施例 2
本实施例中，面层2的厚度为0.3mm，夹层3的厚度为0.5mm，面层2由单层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，夹层3由单层短纤维增强热塑性树脂片形成，基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为30wt%，树脂基体的重量百分比为70wt%，夹层中短纤维的长度一致，均为50mm；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为45wt%，树脂基体的重量百分比为55wt%，面层中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为0.95g/cm3。其余内容与实施例1相同。
实施例 3
本实施例中，面层2的厚度为0.5mm，夹层3的厚度为0.8mm，面层2由单层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层3由两层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成；基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为45wt%，树脂基体的重量百分比为55wt%；面层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为45wt%，树脂基体的重量百分比为55wt%，夹层中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°/90°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为1.02g/cm3，其余内容与实施例1相同。
实施例 4
本实施例中，面层2的厚度为1mm，夹层3的厚度为0.9mm，面层2由两层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，夹层3由两层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成；基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为55wt%，树脂基体的重量百分比为45wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为45wt%，树脂基体的重量百分比为55wt%，面层2中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°/90°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为1.09g/cm3，其余内容与实施例1相同。
实施例 5
本实施例中，面层2的厚度为2mm，夹层3的厚度为3mm，面层2由两层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层3由三层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，面层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成，基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为55wt%，树脂基体的重量百分比为45wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为55wt%，树脂基体的重量百分比为45wt%，夹层2中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°/90°/45°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为1.18g/cm3，其余内容与实施例1相同。
实施例 6
本实施例中，面层2的厚度为4mm，夹层3的厚度为4mm，面层2由三层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，夹层3由四层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成；基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为65wt%，树脂基体的重量百分比为35wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为55wt%，树脂基体的重量百分比为45wt%，面层2中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°/90°/0°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为1.27g/cm3，其余内容与实施例1相同。
实施例 7
本实施例中，面层2的厚度为4mm，夹层3的厚度为5mm，面层2由四层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层3由四层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，面层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成；基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为65wt%，树脂基体的重量百分比为35wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为65wt%，树脂基体的重量百分比为35wt%，夹层3中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°/90°/45°/0°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为1.33g/cm3，其余内容与实施例1相同。
实施例 8
本实施例中，面层2的厚度为4mm，夹层3的厚度为5mm，面层2由五层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，夹层3由四层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成；基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为70wt%，树脂基体的重量百分比为30wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为65wt%，树脂基体的重量百分比为35wt%，面层2中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°/90°/45°/0°/90°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为1.35g/cm3，其余内容与实施例1相同。
实施例 9
本实施例中，面层2的厚度为5mm，夹层3的厚度为5mm，面层2由五层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，夹层3由五层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，面层中短纤维的长度不一致，由长度为0.1mm、30mm、50mm、75mm、100mm、120mm以及150mm的短纤维以任意比例混合形成；基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为70wt%，树脂基体的重量百分比为30wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为70wt%，树脂基体的重量百分比为30wt%，夹层3中的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为θ=0°/45°/90°/45°/0°，所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度为1.37g/cm3，其余内容与实施例1相同。
对比例 1-5
对比例1-5与实施例1-5相对应，对比例1-5中，板材由板芯及覆在板芯上下表面的面层形成，其中，对比例1-2中板芯采用胶合板，对比例3-4中板芯采用木塑板，对比例5中板芯采用刨花板，对比例1-5中面层为连续纤维增强热塑性树脂预浸片复合形成，其余内容与对应实施例中内容一致；制得的板材的力学性能参照表1。
对比例 6-9
对比例6-9与实施例6-9相对应，对比例6-9中，板材由板芯及覆在板芯上下表面的面层形成，其中，对比例6中板芯采用胶合板，对比例7中板芯采用木塑板，对比例8-9中板芯采用刨花板，对比例6-9中面层为短纤维增强热塑性树脂片复合形成，其余内容与对应实施例中内容一致；制得的板材的力学性能参照表一。
将实施例1-9中制得的板材与对比例1-9中制得的板材，根据GB/T1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法，测得弯曲强度和弯曲模量参照表1；将实施例1-9中制得的板材与对比例1-9中制得的板材，在80 ℃条件下根据GB/T1449-2005纤维增强塑料弯曲性能试验方法，测试弯曲强度和弯曲模量参照表1。
表1
弯曲强度（ MPa ） 弯曲模量（ GPa ） 弯曲强度 /80 ℃ （ MPa ） 弯曲模量 /80 ℃ （ GPa ）
实施例 1 230 13.6 219 12.7
实施例 2 235 14.1 225 13.2
实施例 3 241 14.6 220 13.1
实施例 4 248 15.1 229 13.4
实施例 5 260 15.8 241 14.7
实施例 6 255 15.5 235 14.1
实施例 7 251 15.3 232 14.1
实施例 8 252 15.0 231 13.9
实施例 9 248 14.7 227 13.7
对比例 1 221 12.9 180 10.1
对比例 2 219 12.6 178 9.8
对比例 3 217 12.3 176 9.7
对比例 4 218 12.7 177 9.9
对比例 5 221 13.0 178 10.2
对比例 6 230 13.5 188 10.5
对比例 7 228 13.1 186 10.1
对比例 8 227 12.9 185 9.7
对比例 9 221 12.7 179 9.5
由表1可明确看出，由于夹层和面层采用短纤维增强热塑性树脂片复合形成或连续纤维增强热塑性树脂预浸片复合形成，且夹层和面层材质不同，因此，通过短纤维增强热塑性树脂材料与连续纤维增强热塑性树脂材料的优势互补，可大幅提升板材的弯曲性能，避免分层现象，有效延长板材的使用寿命。

Claims (10)

1.一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，包括板芯，板芯上下表面热复合有面层，其特征在于：面层与板芯之间设置有夹层，所述面层由单层或多层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成，所述夹层由单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，或者所述面层由单层或多层连续纤维增强热塑性树脂预浸片热复合形成，所述夹层由单层或多层短纤维增强热塑性树脂片热复合形成；所述板芯为热塑性树脂板。
2.根据权利要求1所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：所述轻型纤维增强热塑性树脂板材的密度0.92g/cm3<α<1.4g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：形成面层的短纤维增强热塑性树脂片或连续纤维增强热塑性树脂预浸片的层数优选2层到5层，形成夹层的短纤维增强热塑性树脂片或连续纤维增强热塑性树脂预浸片的层数优选2层到5层。
4.根据权利要求1所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：所述短纤维增强热塑性树脂片由长度不一致的短纤维以任意比例混合后和树脂基体复合形成，或短纤维增强热塑性树脂片由长度一致的短纤维和树脂基体复合形成，所述短纤维长度0.1mm≤L≤150mm；所述连续纤维增强热塑性树脂预浸片由连续纤维和树脂基体复合形成；所述热塑性树脂板为聚乙烯板、聚丙烯板、聚酰胺板、聚氯乙烯板、聚苯乙烯板、聚甲醛板、聚碳酸酯板、聚苯醚板或聚砜板。
5.根据权利要求3所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：所述形成面层或夹层的连续纤维增强热塑性树脂预浸片的铺层方向为0°≤θ≤90°。
6.根据权利要求4所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：基于短纤维增强热塑性树脂片的总重量，短纤维的重量百分比为5wt%~95wt%，树脂基体的重量百分比为5wt%~95wt%；基于连续纤维增强热塑性树脂预浸片的总重量，连续纤维的重量百分比为5wt%~95wt%，树脂基体的重量百分比为5wt%~95wt%。
7.根据权利要求4所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：所述树脂基体中还添加有助剂，所述助剂为偶联剂、相容剂、抗氧剂、润滑剂、色母填料中的一种或多种组合。
8.根据权利要求4所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：所述短纤维或连续纤维均选自玻璃纤维、碳纤维、硼纤维或玄武岩纤维中的一种或多种组合；所述树脂基体为任意一种热塑性树脂或多种热塑性树脂以任意比例混合。
9.根据权利要求1所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：所述面层的厚度范围为0.1mm~20mm，所述夹层的厚度范围为0.1mm~20mm。
10.根据权利要求1所述的一种轻型纤维增强热塑性树脂板材，其特征在于：所述板芯的厚度为0.1mm~20mm。
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