CN108284564A - 一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法及产品 - Google Patents

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Abstract

本发明属于注塑制品成型领域，并公开了一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法及其产品。(a)通过静电粉末喷涂工艺制备碳纤维增强层和连接层；(b)将碳纤维增强层和连接层叠放，最上层为连接层，叠放后热压成型碳纤维增强复合材料；(c)将碳纤维复合材料置于模具中膜内注塑，获得所需的制品。本发明还公开了该制备方法制备的产品。通过本发明，利用热压工艺低成本高效率获得高粘度材料复合材料板，并且结合模内注塑工艺获得多层复合材料结构，节省了昂贵材料开支并且可以起到表面装饰的作用，与同厚度的电子工程塑料相比，机械强度更高。

Description

一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法及产品
技术领域
本发明属于注塑制品成型领域，更具体地，涉及一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法及其产品。
背景技术
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料(CFRP)抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa同样高于钢。现在已广泛应用在航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品产业。
复合材料相对工程塑料来说具有机械强度高，耐磨性好等特点，复合材料成型工艺有多种，其中热压成形是一种应用广泛的工艺，热压成型具有能成形结构复杂的高分子复合材料，克服了注塑等工艺中高粘度塑料无法填充完整的缺点，且生产效率高、成本相对较低等优点，是力学结构等制件的有效成型方式。模内注射二次成型工艺为一新型的装饰方法，在制件表面注塑同种或异种塑料，二者形成多层结构，在减少材料加工成本的同时起到保护或者装饰的作用，现在广泛应用在汽车、家电等行业。
但碳纤维由于其材料特性，对于结构上比较细小的复杂结构不易制作或制作成本过高，比如卡扣、倒扣、螺丝柱、筋位等类结构，因而使用碳纤维制作一件完整产品时需要通过模内注塑工艺(IML)来完成复杂结构。对于碳纤复合材料与注塑两种材料的结合，需要解决碳纤维基材与塑胶材料注射后的粘接力问题。此外，高分子复合材料加工成本较高，膜内注塑时异种高分子之间的结合容易达不到要求等，这都影响产品的力学性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法及其产品，通过采用多层结构的设计，其中混合层的设计是将碳纤维的基材粉末与注塑材料的粉末混合后成型，该混合层连接碳纤维基材与塑胶材料，由此解决碳纤维基材与塑胶材料注射后粘接力不足的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：
(a)碳纤维增强层，连接层的制备
选取热塑性粉末A、热塑性粉末B、增容剂和碳纤维布作为原材料，
将所述热塑性粉末A采用静电粉末喷涂工艺喷涂在所述碳纤维布的表面，然后将该碳纤维布烘干使得所述热塑性粉末A均匀涂覆在所述碳纤维布上，由此完成碳纤维增强层的制备；
将所述热塑性粉末A、热塑性粉末B、增容剂混合形成混合粉末，采用静电粉末喷涂工艺喷涂在所述碳纤维布的表面，然后将该碳纤维布烘干使得所述混合粉末均匀涂覆在所述碳纤维布上，由此完成连接层的制备；
(b)热压成型碳纤维增强复合材料
将多个所述碳纤维增强层与连接层叠放形成层状结构，其中，连接层置于最上层，将所述层状结构进行热压成型获得层合板，将该层合板冷却和清洗获得碳纤维增强复合材料；
(c)膜内注塑
将步骤(b)中获得的碳纤维增强复合材料置于模具中，然后进行模内注塑，由此获得所需的碳纤维增强的多层结构注塑制品，其中，所述模内注塑采用的材料所述热塑性粉末B材料相同。
进一步优选地，所述热塑性粉末A优选为聚碳酸酯粉末，所述热塑性粉末B为聚丙烯粉末，所述增容剂优选采用聚丙烯接枝马来酸酐增容剂 (PP-g-MAH)。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述碳纤维布为T300平纹或斜纹编织碳纤维布。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述碳纤维增强层中的含胶量为35％～ 70％。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述热塑性粉末A、热塑性粉末B、增容剂混合时，聚碳酸酯与聚丙烯的质量分数比为(3～4)：(1～2)， PP-g-MAH质量分数为5％～20％。
进一步优选地，在步骤(a)中，所述碳纤维增强层的制备中烘干温度为230℃～260℃，所述连接层的制备中烘干温度为200℃～250℃，烘干时间均为5min～10min。
进一步优选地，在步骤(c)中，所述模内注塑的注射温度为180℃～ 220℃，保压压力为30MPa～90MPa。
按照本发明的另一方面，提供了一种采用上述所述的制备方法所获得的产品。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明增强对碳纤维产品表层的外观保护，简化碳纤维产品模内注塑生产工艺，并减少加工工艺，减少外观不良率，减少传统涂胶水的方法，从而提升产品质量，降低成本，提高生产效益；
2、本发明解决了复合材料模内注塑工艺中不同塑料粒子之间的结合问题，两种不相容塑料粒子通过连接层完全连接，提升了界面强度，大大提升产品力学性能；
3、本发明采用静电粉末喷涂的方式制备预浸料，通过控制喷涂速度及静电量来调节树脂与纤维的体积比，该预浸工艺、设备简单，热塑性塑料粉末在碳纤维上分布均匀，制备的预浸料保留了碳纤布的柔性。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的制备方法流程图；
图2是按照本发明的优选实施例1所构建的按照本发明的制备方法制备获得的产品；
图3是按照本发明的优选实施例2所构建的按照本发明的制备方法制备获得的产品。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，多层结构包括三大层，底层为碳纤维增强复合材料层，中间层为连接层，解决不同高分子相容性差的问题，表层为高分子塑料层提供保护、支撑作用，该复合材料包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酐增容剂(PP-g-MAH)、碳纤维布，脱模剂等。
为了实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案来实现：
预浸料制备：预浸料包括碳纤维增强复合材料层和连接层，利用静电粉末喷涂工艺在连续碳纤维布表面均与覆盖一层热塑性塑料粉末，并利用烘箱制备碳纤维增强复合材料预浸料；
碳纤维增强层为聚碳酸酯层，其中含胶量为35％～70％左右，在范围内预浸料层能够充分发挥碳纤维的高强度、高模量的增强作用，减少了后续热压过程中气泡出现的可能性，更进一步节约了成本。碳纤维布为一般T300 平纹或斜纹编织碳纤维布；
连接层通过聚丙烯与聚碳酸酯共混实现，聚碳酸酯与聚丙烯的含量比为(3～4)：(1～2)，PP-g-MAH含量为5％～20％(wt)；
碳纤维增强层烘烤温度为230～260℃，连接层的烘烤温度为200～ 250℃，烘烤时间为5～10min；
热成型：首先将模具温度升至180℃左右后，预浸料按一定顺序叠放，最上层为连接层，连接层下面是碳纤维增强层，叠放后放置热压模具中，在非压紧状态下开始抽真空，使真空罩内的绝对真空度达到1KPa以下；再将模具温度上升至240～260℃，热压机合模，施加5～10ton压力并保温 15～30min；
冷却：停止加热和抽真空，以5℃/min～20℃/min冷却速度冷至 100℃，取出制品；
清洗加工：将制品表面的油脂清洗干燥，以80℃～120℃温度烘干，按照零件尺寸要求对制品进行粗加工；
膜内注塑：将所得的碳纤维增强复合材料放入注塑模具中，固定，其中层合板连接层一面为注塑表面，进行膜内注塑，其中形成多层卡扣结构；优选的，注塑材料为聚丙烯，注射温度为180～220℃，保压压力为30～ 90MPa；
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
预浸料制备：利用静电粉末喷涂方式在碳纤维布表面涂覆一层聚碳酸酯粉末，在烤箱中以230℃温度烘烤10min，制备塑胶含量为35％碳纤维增强层片材；聚碳酸酯和聚丙烯按照3:2比例混合，添加5％(wt)的PP-g-MAH，利用粉末喷涂方式在碳纤维布上涂覆粉末，在烤箱中以200℃温度烘烤 10mim获得中间层片材。
热压成型：模具温度提升至180℃，将十层预浸料按照顺序放入热压模具中，最上一层为连接层，热压机内部抽真空至1KPa以下，模具温度提升至240℃，热压机合模，施加5ton压力并保温30min获得复合材料产品。
冷却清洗：停止加热和抽真空，以20℃/min冷却速度冷至100℃，取出制品；将制品表面的油脂清洗干燥，以80℃温度烘干，按照零件尺寸要求对制品进行粗加工。
膜内注塑：将所得的碳纤维增强复合材料放入模具中并固定，采用聚丙烯塑料进行膜内注塑，其中形成卡扣结构；注射温度为220℃，保压压力为30MPa，脱模获得多层结构制品。
实施例2
预浸料制备：利用静电粉末喷涂方式在碳纤维布表面涂覆一层聚碳酸酯粉末，在烤箱中以260℃温度烘烤5min，制备塑胶含量为70％碳纤维增强层片材；聚碳酸酯和聚丙烯按照4:1比例混合，添加20％(wt)的PP-g-MAH，利用粉末喷涂方式在碳纤维布上涂覆粉末，在烤箱中以250℃温度烘烤5mim 获得中间层片材。
热压成型：模具温度提升至180℃，将十层预浸料按照顺序放入热压模具中，最上一层为连接层，热压机内部抽真空至1KPa以下，模具温度提升至260℃，热压机合模，施加10ton压力并保温15min获得复合材料产品。
冷却清洗：停止加热和抽真空，以5℃/min冷却速度冷至100℃，取出制品；将制品表面的油脂清洗干燥，以120℃温度烘干，按照零件尺寸要求对制品进行粗加工。
膜内注塑：将所得的碳纤维增强复合材料放入模具中并固定，采用聚丙烯塑料进行膜内注塑，其中形成卡扣结构；注射温度为180℃，保压压力为90MPa，脱模获得多层结构制品。
实施例3
预浸料制备：利用静电粉末喷涂方式在碳纤维布表面涂覆一层聚碳酸酯粉末，在烤箱中以240℃温度烘烤8min，制备塑胶含量为45％碳纤维增强层片材；聚碳酸酯和聚丙烯按照7:3比例混合，添加10％(wt)的PP-g-MAH，利用粉末喷涂方式在碳纤维布上涂覆粉末，在烤箱中以220℃温度烘烤6mim 获得中间层片材。
热压成型：模具温度提升至180℃，将十层预浸料按照顺序放入热压模具中，最上一层为连接层，热压机内部抽真空至1KPa以下，模具温度提升至250℃，热压机合模，施加8ton压力并保温20min获得复合材料产品。
冷却清洗：停止加热和抽真空，以10℃/min冷却速度冷至100℃，取出制品；将制品表面的油脂清洗干燥，以100℃温度烘干，按照零件尺寸要求对制品进行粗加工。
膜内注塑：将所得的碳纤维增强复合材料放入模具中并固定，采用聚丙烯塑料进行膜内注塑，其中形成卡扣结构；注射温度为200℃，保压压力为50MPa，脱模获得多层结构制品。
实施例4
预浸料制备：利用静电粉末喷涂方式在碳纤维布表面涂覆一层聚碳酸酯粉末，在烤箱中以250℃温度烘烤6min，制备塑胶含量为60％碳纤维增强层片材；聚碳酸酯和聚丙烯按照3:1比例混合，添加15％(wt)的PP-g-MAH，利用粉末喷涂方式在碳纤维布上涂覆粉末，在烤箱中以230℃温度烘烤8mim 获得中间层片材。
热压成型：模具温度提升至180℃，将十层预浸料按照顺序放入热压模具中，最上一层为连接层，热压机内部抽真空至1KPa以下，模具温度提升至250℃，热压机合模，施加6ton压力并保温25min获得复合材料产品。
冷却清洗：停止加热和抽真空，以15℃/min冷却速度冷至100℃，取出制品；将制品表面的油脂清洗干燥，以110℃温度烘干，按照零件尺寸要求对制品进行粗加工。
膜内注塑：将所得的碳纤维增强复合材料放入模具中并固定，采用聚丙烯塑料进行膜内注塑，其中形成卡扣结构；注射温度为210℃，保压压力为70MPa，脱模获得多层结构制品。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：
(a)碳纤维增强层，连接层的制备
选取热塑性粉末A、热塑性粉末B、增容剂和碳纤维布作为原材料，将所述热塑性粉末A、热塑性粉末B、增容剂混合形成混合粉末，
将所述混合粉末/热塑性粉末A采用静电粉末喷涂工艺喷涂在所述碳纤维布的表面，然后将该碳纤维布烘干使得所述混合粉末/热塑性粉末A均匀涂覆在所述碳纤维布上，由此完成连接层/碳纤维增强层的制备；
(b)热压成型碳纤维增强复合材料
将多个所述碳纤维增强层与连接层叠放形成层状结构，其中，连接层置于最上层，将所述层状结构进行热压成型获得层合板，将该层合板冷却和清洗获得碳纤维增强复合材料；
(c)膜内注塑
将步骤(b)中获得的碳纤维增强复合材料置于模具中，然后进行模内注塑，由此获得所需的碳纤维增强的多层结构注塑制品，其中，所述模内注塑采用的材料所述热塑性粉末B材料相同。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，所述热塑性粉末A优选为聚碳酸酯粉末，所述热塑性粉末B为聚丙烯粉末，所述增容剂优选采用聚丙烯接枝马来酸酐增容剂(PP-g-MAH)。
3.如权利要求1或2所述的一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述碳纤维布为T300平纹或斜纹编织碳纤维布。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述碳纤维增强层中的含胶量为35％～70％。
5.如权利要求2任一项所述的一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述热塑性粉末A、热塑性粉末B、增容剂混合时，聚碳酸酯与聚丙烯的质量分数比为(3～4)：(1～2)，PP-g-MAH质量分数为5％～20％。
6.如权利要求2任一项所述的一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述碳纤维增强层的制备中烘干温度为230℃～260℃，所述连接层的制备中烘干温度为200℃～250℃，烘干时间均为5min～10min。
7.如权利要求2任一项所述的一种碳纤维增强的多层结构注塑制品的制备方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述模内注塑的注射温度为180℃～220℃，保压压力为30MPa～90MPa。
8.一种采用权利要求1-7任一项所述的制备方法所制备的产品。
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