CN107955322B - 一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料及其制备方法，涉及材料领域。该碳纤维增强复合材料按重量份数计包括：丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯共聚物20～80份、碳纤维15～35份、丙烯腈‑苯乙烯共聚物5～30份。制备方法，包括：按重量份数，将丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯共聚物、丙烯腈‑苯乙烯共聚物与助剂混合，得到混合物料；将混合物料与所述碳纤维混合后，挤出造粒。由该方法制备的这种碳纤维增强复合材料具有较高的比强度、弯曲模量以及冲击强度，能够使得由其制备的乐器具有良好音质和质量，同时还能提高乐器的生产效率。

Description

一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，乐器的制造过程，大多是由木材制造，例如吉他。吉他的制备过程通常是用特定木材经手工加工后得到各大部件，然后通过胶水进行手工粘接，效率比较低，一致性差，且各大部件所用的木材原料均有特殊要求，木材来源局限且价格高昂。例如：制作面板最常用的材料是云杉，产地不同，制作出来的面板质量也不同；背板和侧板需要质地坚硬结实，因此常用的木材有巴西玫瑰木，非洲紫檀木等；桃花芯木和枫木是最常见的琴颈木材；多数的木吉他指板材料使用乌木或者玫瑰木。此外，由于木材受气候影响比较大，太潮湿和太干燥都会使得木吉他发生变形，即使是轻微的变形都会影响吉他的音质。

另外，市面上还有一部分塑料材质的乐器，依然以吉他为例，这类塑料材质的吉他，基本都是电吉他，需要在通电的前提下才能进行演奏，否则吉他不会发出声音。由于乐器的制备材料对其音质、音量等方面的影响至关重要，而目前现有的热塑性材料，其机械强度、柔韧性等方面均难以满足制造乐器的需求。由此，目前市面上还没有出现可以直接用于制造乐器且使其拥有优异的性能和音效的热塑性材料。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料，这种碳纤维增强复合材料具有较高的比强度、弯曲模量以及冲击强度，能够使得由其制备的乐器具有良好音质和质量，同时还能提高乐器的生产效率。

本发明的第二目的在于提供一种上述碳纤维增强复合材料的制备方法，该方法制备工艺简单，容易工业化连续生产。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料，其按重量份数计包括：

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物20～80份、

碳纤维15～35份、

丙烯腈-苯乙烯共聚物5～30份。

一种上述碳纤维增强复合材料的制备方法，其包括：

按重量份数，将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物与助剂混合，得到混合物料；

将混合物料与所述碳纤维混合后，挤出造粒。

与现有技术相比，本发明的有益效果例如包括：

本发明提供的碳纤维增强复合材料，具有较高的比强度、弯曲模量、冲击强度以及热变形温度，从而确保由其制备的乐器的音质和质量，例如可用来制备吉他、钢琴背板、琵琶等乐器。这种材料可以通过注塑工艺一体成型的制备乐器的各大部件，从而替代传统的由木材制备乐器部件的限制，极大的提高了乐器的制造效率。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本实施方式提供一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料，具有较高的比强度、弯曲模量以及变形温度，能够确保由其制备的乐器具有良好的音质，且使其具有优良的抗摔性能和尺寸稳定性。

虽然目前，现有技术中的热塑性材料种类有很多，但非增强的热塑性材料，弯曲模量低，由其制造的吉他琴颈，承受不住金属琴弦的拉力；而由其制造的吉他面板刚性差，共震不强，音量小，音质差。

由玻纤增强的热塑性材料，需要玻纤的含量很高时，材料的弯曲模量才能提高，但同时也会导致注塑件的密度大，比强度小，并且由于大量玻纤的加入，注塑件表面粗糙，无法进一步喷涂。

相比之下，碳纤维，密度小，另外同等含量的碳纤维增强热塑性材料的弯曲模量明显优于玻纤增强热塑性材料，因此选择碳纤维增强热塑性材料比较合适。然而，碳纤增强的热塑性材料种类很多，树脂有结晶类的，也有非晶类的。

通常，乐器对材料的尺寸稳定性要求很高，如果材料的尺寸稳定性不佳，会影响乐器的品质，例如会影响吉他金属弦的张力，从而影响吉他的音质。碳纤维增强的结晶类树脂材料的尺寸稳定性差，因此优选碳纤维增强的非晶类树脂材料。

非晶材料种类比较多，例如聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS)、聚苯乙烯(PS)、聚丙乙烯(PPE)等。通用塑料比工程塑料注塑成型容易，成型温度也低，由于一体成型的乐器部件很大，优选流动性好的通用塑料。常用的碳纤增强ABS材料，存在弯曲模量不足、翘曲变形、表面有浮纤而不能喷涂等问题，不满足制备乐器的要求。

在上述分析的基础上，本发明提供的这种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料，按重量份数计包括：

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS树脂)20～80份、

碳纤维15～35份、

丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS树脂)5～30份。

进一步地，按重量份数计，碳纤维增强复合材料包括：ABS树脂30～70份、碳纤维20～30份、AS树脂10～25份；

或者，按重量份数计，碳纤维增强复合材料包括：ABS树脂40～60份、碳纤维23～28份、AS树脂15～20份；

或者，按重量份数计，碳纤维增强复合材料包括：ABS树脂45～55份、碳纤维24～26份、AS树脂17～18份。

进一步的，碳纤维为短切碳纤维，短切碳纤维的直径为5～10μm，或者为6～9μm，或者为7～8μm。短切碳纤维的份数及直径会影响材料的弯曲模量和密度，从而影响材料的比强度。

进一步的，丙烯腈-苯乙烯共聚物的数均分子量为18000～22000。

进一步的，还包括按重量份数计的抗氧剂0.2～0.6份、润滑剂0.4～0.8份；或者，抗氧剂为0.3～0.5份、润滑剂0.5～0.7份；或者，抗氧剂为0.4份、润滑剂0.6份。

其中，抗氧剂包括β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯。较为优选的，抗氧剂按重量份数计包括：β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯0.1～0.3份、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.1～0.3份。

其中，润滑剂包括硬脂酸锌、乙撑双硬脂酰胺。较为优选的，润滑剂按重量份数计包括：硬脂酸锌0.2～0.4份、乙撑双硬脂酰胺0.2～0.4份。

本实施方式还提供一种上述碳纤维增强复合材料的制备方法，其包括：

步骤S1:按重量份数，将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物与助剂混合，得到混合物料。

其中，助剂即为抗氧剂和润滑剂。

较为具体地，采用预混剂进行混合，即按重量份将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物与助剂加入预混机内，混合3～5min，得到均匀的混合物料。

步骤S2:将混合物料与碳纤维混合后，挤出造粒。

进一步的，该步骤包括：将混合物料于200～230℃下混炼熔融后，再与碳纤维混合，于180～220℃下混炼熔融后，挤出造粒，并于25～45℃下冷却。

进一步的，碳纤维增强复合材料是由挤出机制备得到，为了增大组分的分散性，挤出机的螺杆长径比为46～50：1，或者为47～49：1。

进一步的，挤出机的温度设置包括：T1区(80-120℃)，T2区(180-220℃)，T3区(180-220℃)，T4区(180-230℃)，T5区(190-230℃)，T6区(180-220℃)，T7区(170-210℃)，T8区(170-210℃)，T9区(170-210℃)，T10区(170-210℃)，T11区(180-220℃)，T12区(180-220℃)；机头区的温度为190～230℃。

由这种方法制备的碳纤维增强复合材料，具有较高的比强度、弯曲模量以及热变形温度，从而确保由其制备的乐器的音质，可用来制备吉他、钢琴背板、琵琶等乐器。这种材料可以通过注塑工艺一体成型的制备乐器各大部件，从而替代传统的由木材制备乐器部件的限制，极大的提高了乐器的制造效率。

例如，用该碳纤维增强复合材料制备吉他：

吉他是由面板，背板，琴头，侧板，金属支撑杆等5个以上部件组成。而通过本发明提供的这种碳纤维增强复合材料，运用注塑成型，辅助气辅成型的工艺，把侧板，背板，琴头和琴颈多个部件一体成型，避免了用胶水进行粘接的过程，且由于这种复合材料的弯曲模量高(19000Mpa)，无需使用金属支撑杆就能保证吉他在琴弦的拉力下不变形，而传统的木吉他琴颈上就必须设置金属支撑杆才能防止变形。

传统木吉他面板和音梁是分开的，然后用胶水进行粘接。通过本发明这种碳纤维增强复合材料，采用注塑成型、辅助气辅成型的工艺，可以一体成型制备面板和音梁。

由此，用该碳纤维增强复合材料制备吉他，仅需通过两次注塑工艺分别得到一体成型的吉他面板音梁部分、和吉他型体部分(包括吉他背板、侧板和琴颈)，再用胶水将两部分进行粘接，得到吉他。

因此，利用这种碳纤维增强复合材料制备吉他，不但能够突破传统木质吉他材料上的局限性，还能够减少吉他的制备工序、减少复杂的手工作业，极大的提升了吉他的生产效率，同时也保证了吉他质量的一致性。同时，相比于现有的电吉他，这种由碳纤维增强复合材料制备的吉他，具有特有的音质，其音量和声学性能均高于木制吉他，且无需通电，即可进行演奏。此外，由这种碳纤维增强复合材料注塑成型的吉他，外观光洁，可以实现喷涂；且由于这种碳纤维增强复合材料的热变形温度高达100℃，15-85％的湿度不影响其性能，因此可以确保由这种碳纤维增强复合材料制备的吉他有宽泛的使用温度和湿度范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：

碳纤维增强复合材料的制备方法：

a.按重量份将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物以及助剂混合，得到混合物料；其中，助剂包括：β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯0.2份、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.2份、硬脂酸锌0.3份、乙撑双硬脂酰胺0.3份。

b.将上述混合物料于200～230℃下混炼熔融后，再与短切碳纤维混合，于180～220℃下混炼熔融后，挤出造粒，并于25～45℃下冷却，即得。

下面结合性能测试数据对本发明提供的碳纤维增强复合材料性能进行评价。

(1)根据上述碳纤维增强复合材料的制备方法，按照表1中记载的组分配比制备碳纤维增强复合材料，并对其按照ISO标准进行性能测试，探究碳纤维的份数对复合材料性能的影响，结果如表1所述：

表1.碳纤维的份数对复合材料性能的影响

由表1可以看出，碳纤份数主要影响的是材料的弯曲模量和密度，从而影响材料比强度。材料的比强度影响吉他面板和形体的共振，从而影响吉他的音量和音质，比强度越高，音量会越大。同时弯曲模量影响吉他琴颈的抗拉力，弯曲模量越高，抵抗琴弦的拉力越大，琴颈越就不容易变形。

对比可知，对比例1中材料的比强度太低，共振效果很弱，无法产生低音，另外高音也不全。另外对比例1中材料的弯曲模量太低，无法抵抗琴弦的拉力。

(2)根据上述碳纤维增强复合材料的制备方法，按照表2中记载的组分配比制备碳纤维增强复合材料，并对其按照ISO标准进行性能测试，探究ABS的份数对复合材料性能的影响，结果如表2所述：

表2.ABS的份数对复合材料性能的影响

由表2可以看出，ABS的份数主要影响的是材料的缺口冲击性能，从而影响材料冲击韧性。ABS含量越高的材料的缺口冲击强度越高，说明该材料的抗冲击能力增强，但ABS的加入，会降低材料的比强度，因此合适的ABS份数范围是25～80份。

(3)根据上述碳纤维增强复合材料的制备方法，按照表3中记载的组分配比制备碳纤维增强复合材料，并对其按照ISO标准进行性能测试，探究AS的份数对复合材料性能的影响，结果如表3所述：

表3.AS的份数对复合材料性能的影响

由表3可以看出，AS的份数主要影响的是材料融熔注塑时的流动性和光泽度，流动性好，注塑吉他形体时，能让部件容易充满模具型腔，但AS加入量多后，会让材料的缺口冲击强度下降。对比例2的材料熔融之后，流动性差，注塑吉他型体时，无法打满；且注塑件的光泽度很差，无法进行喷涂油漆，最终无法制造吉他。而对比例3的材料，由于缺口强度太低，以致于无法测试，制造吉他，撞击时会破裂，也是无法制造吉他。因此，AS合适的范围是5～30份。

(4)根据上述碳纤维增强复合材料的制备方法，按照表4中记载的组分配比制备碳纤维增强复合材料，并对其按照ISO标准进行性能测试，探究AS的分子量对复合材料性能的影响，结果如表4所述：

表4.AS的分子量对复合材料性能的影响

由表4中不同分子量的AS的对比可以看出，AS分子量影响的是材料融熔注塑时的流动性和光泽度，流动性好，注塑吉他型体时，能让部件容易充满模具型腔，但AS分子量过高，不能提升材料的流动性和光泽度，过低会让材料非常脆，因此合适的分子量范围是18000～22000。

(5)利用实施例1制备的碳纤维增强复合材料，采用注塑成型、辅助气辅成型的工艺，通过两次注塑工艺分别得到一体成型的吉他面板音梁部分、和吉他型体部分(包括吉他背板、侧板和琴颈)，再用胶水将两部分进行粘接，得到38寸吉他，与市售的38寸木质吉他进行对比，结果如表5所示：

表5.吉他性能对比

由于吉他的音量与材料的弯曲模量和比强度成正比，弯曲模量越高，比强度越大，吉他的音量会越大。由表5可知，用本实施例1提供的碳纤维增强复合材料制备的吉他，在同等尺寸下，音量延音均优于市购得木吉他，并且有更宽泛的使用温度和湿度。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (6)

1.一种用于制造乐器的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料按重量份数计包括：

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物30～70份、

碳纤维20～30份、

丙烯腈-苯乙烯共聚物10～25份，

所述碳纤维为短切碳纤维，所述短切碳纤维的直径为5～10μm，所述丙烯腈-苯乙烯共聚物的数均分子量为18000～22000。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料还包括按重量份数计的抗氧剂0.2～0.6份、润滑剂0.4～0.8份。

3.根据权利要求2所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述抗氧剂包括β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯和三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯中的至少一种。

4.根据权利要求2所述的碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述润滑剂包括硬脂酸锌和乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。

5.一种根据权利要求1～4任一项所述的碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，其包括：按重量份数，将所述丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、所述丙烯腈-苯乙烯共聚物与助剂混合，得到混合物料；

将所述混合物料与所述碳纤维混合后，挤出造粒，

将所述混合物料与所述碳纤维混合后挤出造粒的步骤包括：将所述混合物料于200～230℃下混炼熔融后，再与所述碳纤维混合，于180～220℃下混炼熔融后，挤出造粒，并于25～45℃下冷却。

6.根据权利要求5所述的碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料是由挤出机制备得到，所述挤出机的温度设置包括：T1区(80-120℃)，T2区(180-220℃)，T3区(180-220℃)，T4区(180-230℃)，T5区(190-230℃)，T6区(180-220℃)，T7区(170-210℃)，T8区(170-210℃)，T9区(170-210℃)，T10区(170-210℃)，T11区(180-220℃)，T12区(180-220℃)，机头区的温度为190～230℃。