CN109385042B - 低密度预浸料以及包含其的夹层复合成型品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了能够形成轻量且薄型、刚性出色的碳纤维强化成型品的低密度预浸料以及包含其的夹层复合成型品。所述低密度预浸料包括：碳纤维面纱；以及环氧树脂组合物，其被含浸于所述碳纤维面纱，所述环氧树脂组合物包含作为所述预浸料的基质的环氧树脂、用于固化所述环氧树脂的固化剂以及发泡剂。而且，所述夹层复合成型品，包括：芯层，其由所述低密度预浸料而形成，且具有由所述发泡剂的发泡而形成的气孔；以及外面层，粘接于所述芯层的两面，由单向或织物预浸料而形成。

Description

低密度预浸料以及包含其的夹层复合成型品
技术领域
本发明涉及一种低密度预浸料以及包含其的夹层复合成型品，更详细而言，涉及一种能够形成轻量且薄型、刚性出色的碳纤维强化成型品的低密度预浸料以及包含其的夹层复合成型品。
背景技术
预浸料(prepreg)是“Preimpregnated Material”的缩写，指将基质(matrix)事先含浸在强化纤维中的、片材(sheet)形态的产品，其被用作成型复合材料的中间材料。一般而言，将预浸料区分为强化纤维呈朝一方向排列的形态的单向(unidirectional)预浸料和强化纤维呈织物形态的织物(woven)预浸料。在通常的预浸料中，强化纤维为强度和弹性高的碳纤维等，基质主要为环氧树脂等高分子树脂。
在成型复合材料时适用预浸料是因为其能够控制强化材料(强化纤维)的含量及排列，能够最大限度地体现所设计材料的物性，并能够制造具有高纤维体积比的成型物，且成型物的机械强度出色。此外，由于使用中间材料，利用预浸料的复合材料的成型工艺的成本比较高；但是，成型工艺干净且单纯，所以可以降低工作费用。预浸料主要为片材形态，因此易于使用，成型时节省能量费用；因其裁剪成型的特性，可以减少加工所需的零件数，故在航空、宇宙、汽车、体育、激光、土木、建设等各种工业领域中可作为成型复合材料的中间材料得到广泛使用。但是，通常的单向或织物预浸料的刚性出色，密度却较高，重量较重。为了获得所需的刚性，需层叠多层预浸料；因此，存在成型品的厚度较厚的问题。
现有技术文献：
专利文献1：美国专利公开2015-0174791；
专利文献2：国际专利公开WO 2014-078496；
专利文献3：美国专利公开2009-0185340。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种能够形成轻量且薄型、刚性出色的碳纤维强化成型品的低密度预浸料。
本发明的第二个目的在于提供一种包含上述低密度预浸料的的夹层复合成型品。
为达到所述第一个目的，本发明提供一种低密度预浸料，其包含：碳纤维面纱，以及环氧树脂组合物，所述的环氧树脂组合物被含浸于所述碳纤维面纱，所述环氧树脂组合物包含作为所述低密度预浸料的基质的环氧树脂、用于固化所述环氧树脂的固化剂以及发泡剂。
具体而言，形成所述碳纤维面纱的长丝的直径为6μm至12μm，长度为30mm至50mm，所述碳纤维面纱的每单位面积的重量为15g/m2至30g/m2。
具体而言，所述发泡剂为由热塑性树脂制成的热膨胀性微球发泡体。
具体而言，在所述环氧树脂组合物中，所述环氧树脂的重量百分比为70％至96％，所述固化剂的重量百分比为1％至10％，所述发泡剂的重量百分比为3％至20％。
具体而言，所述碳纤维面纱和所述环氧树脂组合物的重量比为2:8至5:5。
具体而言，对所述低密度预浸料进行热固化而制成的成型品的密度为0.7g/cm3以下。
为达到所述第二个目的，本发明提供一种夹层复合成型品，其包括：芯层，所述的芯层由低密度预浸料形成，所述低密度预浸料包含碳纤维面纱以及含浸于所述碳纤维面纱的环氧树脂组合物，所述环氧树脂组合物包含作为所述低密度预浸料的基质的环氧树脂、用于固化所述环氧树脂的固化剂以及发泡剂，所述芯层具有由所述发泡剂的发泡所形成的气孔；以及外面层，所述的粘接于所述芯层的两面，由单向预浸料或织物预浸料形成。
优选地，所述夹层复合成型品的密度在1.0g/cm3以下。
有益效果：
根据本发明的低密度预浸料以及包含其的夹层复合成型品能够形成轻量且薄型、刚性出色的碳纤维强化成型品。而且，本发明的低密度预浸料与通常的单向或织物预浸料之间的粘接性出色。
附图说明
图1为根据本发明所述的低密度预浸料的结构示意图。
图2为包含本发明的一个实施例所述的低密度预浸料的夹层复合成型品的结构示意图。
具体实施方式
下文将参照附图详细对本发明进行说明。
图1用于说明根据本发明所述的低密度预浸料的结构。如图1所示，根据本发明所述的低密度预浸料10包括碳纤维面纱12以及含浸于所述碳纤维面纱12的环氧树脂组合物14。
本发明中使用的碳纤维面纱12被用作预浸料10的强化材料；碳纤维长丝随机(randomly)排列而形成片材形态。形成所述碳纤维面纱12的长丝的直径为6μm至12μm，例如8μm至10μm；长度为30mm至50mm，例如35mm至45mm。所述碳纤维面纱12的每单位面积的重量为15g/m2至150g/m2，优选为15g/m2至30g/m2。所述碳纤维面纱12在液体介质中分散为长度为30mm至50mm的碳纤维长丝，将该碳纤维长丝在带上形成网后干燥并制成片材形态的预浸料；一般而言，该碳纤维长丝的厚度为10μm至100μm，优选为10μm至30μm。此处，当所述长丝的直径、长度等超出所述范围时，存在所制造的预浸料10的刚性或均匀性降低的问题。
本发明中使用的环氧树脂组合物14包括作为预浸料10的基质的环氧树脂、用于固化所述环氧树脂的固化剂及发泡剂14a。所述环氧树脂可以不受限地使用可固化的、通常的环氧树脂；例如，可单独或混合使用双酚A型环氧树脂、双酚F型环氧树脂，优选可以使用双酚A型环氧树脂。所述环氧树脂在常温下可以以固相、半固相、液相或这些的混合相存在；例如，所述环氧树脂可由重量百分数为40％至60％的液相环氧树脂和重量百分数为40％至60％的固相环氧树脂混合而成。所述固化剂是与环氧树脂反应而使环氧树脂具有预定粘度的化合物；用于固化环氧树脂的固化剂并没有特别限制，例如，可以使用双氰胺(dicyandiamide)、二氯苯基二甲脲(dichlorophenyl dimethylurea)等。所述发泡剂14a在环氧树脂的热固化过程中发泡，在预浸料的内部形成气孔22(参照图2)，从而降低预浸料的密度。所述发泡剂14a使用由热塑性树脂制成的热膨胀性微球发泡体；具体而言，可以使用阿克苏诺贝尔(Akzonobel)公司的Expancel 920 DU20、Expancel 920 DU40等。
在本发明所使用的环氧树脂组合物中，所述环氧树脂的重量百分比为70％至96％，优选为79％至92％；固化剂的重量百分比为1％至10％，优选为3％至6％；发泡剂的重量百分比为3％至20％，优选为5％至15％。若所述固化剂的含量过多，则存在环氧树脂的粘度过高的问题；若所述固化剂的含量过低，则存在环氧树脂因固化不充分而无法在片材上形成预浸料的可能性。此外，若所述发泡剂的含量过多，则存在难以混合环氧树脂组合物的可能性；若所述发泡剂的含量过低，则存在发泡量少而预浸料成型品的密度减小的可能性。
本发明的低密度预浸料中的碳纤维面纱12和环氧树脂组合物14的重量比(碳纤维面纱12：环氧树脂组合物14)为2:8至5:5，优选为3:7至4:6。此处，若所述碳纤维面纱12的含量过多，则存在预浸料的粘度降低或者层叠时粘接力降低的可能性；若所述碳纤维面纱12的含量过低，则存在在生产预浸料时因张力减弱而难以生产以及成型品的刚性降低的可能性。
根据本发明所述的低密度预浸料可通过溶液法(Solution process)、薄膜法(film process)、粉末喷涂法(Powder coatingprocess)、合捻纱利用法(Co-mingled yarnprocess)、直接熔融法(Direct melt process)等通常的预浸料制造方法制造。例如，从卷绕有片材形态的碳纤维面纱12的辊筒解开碳纤维面纱12并进行供应，在所供应的碳纤维面纱12的两面(上部面及下部面)或单面以溶液或薄膜形态提供环氧树脂组合物14之后，加热及加压含浸或层叠环氧树脂组合物14的碳纤维面纱12；将环氧树脂组合物14熔融含浸于碳纤维面纱12以制造低密度预浸料10。
一般而言，使用片材形态的、环氧树脂含浸于单向(unidirectional:UD)碳纤维的预浸料(密度：1.8g/cm3)或者片材形态的、环氧树脂含浸于碳纤维织物的预浸料(密度：1.2g/cm3)作为制造碳纤维增强塑料(CFRP)的中间材料；热固化后所得到的成型品的密度为约1.5g/cm3至1.6g/cm3。相较于此，将环氧树脂组合物14含浸于碳纤维面纱12以制备预浸料，并将由此方法制造的预浸料进行热固化而制造成型品；所述碳纤维面纱12通过将碳纤维长丝切断为预定长度后随机排列得到，所述环氧树脂组合物14包含热固化时膨胀的发泡剂14a。此时，所制造的成型品的密度为约0.7g/cm3以下，例如0.3g/cm3至0.7g/cm3。因此，根据本发明的低密度预浸料与通常的单向或织物预浸料相比，可以制造密度为50％水平的成型品。
图2示出了包含根据本发明的一个实施例所述的低密度预浸料的夹层复合成型品的结构。如图2所示，根据本发明所述的夹层复合成型品由低密度预浸料而形成，包括：芯层20、通过发泡剂14a的发泡而形成的气孔22以及外面层30，该外面层30粘接于所述芯层20的两面，由单向预浸料或织物预浸料形成。在本发明的夹层复合成型品中，所述芯层20的厚度通常为0.3mm至0.7mm，优选为0.60mm至0.65mm，所述外面层30的厚度通常为0.3mm至0.7mm，优选为0.20mm至0.25mm。
可以通过在碳纤维面纱预浸料(低密度预浸料)的外表面层叠通常的单向或织物预浸料后进行热固化来制造根据本发明所述的夹层复合成型品。通过此方法制造的夹层复合成型品的密度为约1.0g/cm3以下，例如0.7g/cm3至1.0g/cm3；与使用塑料(热塑性高分子)芯材的成型品相比，本发明的夹层复合成型品更薄、更轻、刚性更出色。而且，本发明所述的低密度预浸料所形成的芯层20与形成外面层30的单向或织物预浸料之间的粘接力出色，因此，存在不需要另外使用粘接剂来粘接芯层20和外面层30的优点。
通过将本发明的低密度预浸料用作夹层复合成型品的芯材(core)，不仅能够保持夹层复合成型品的强度，还能减小成型品的重量及厚度(轻量化及薄型化)。具体而言，利用根据本发明的低密度预浸料制造的成型品与现有的预浸料成型品相比，能够形成密度低的、具有例如1mm以下的薄厚度的，同时刚性出色的碳纤维强化成型品；可将该碳纤维强化成型品有效地用于电子产品外壳等的制造。
下面，通过具体实施例及比较例进一步详细说明本发明。以下实施例是举例说明本发明的，本发明并不限定于以下实施例。
[实施例1]低密度预浸料及成型品的制造
混合34重量％的液相双酚A型(BPA)环氧树脂、50重量％的固相BPA环氧树脂、6重量％的固化剂以及10重量％的发泡剂，以制造环氧树脂组合物。将所制造的65重量份的环氧树脂组合物浸渍于35重量份的碳纤维面纱以制造低密度预浸料。所制造的低密度预浸料的FAW(纤维面积重量，fiber areal weight)为15g/m2，RC(1平方米预浸料中的树脂含量)为70％。将所制造的低密度预浸料层叠5层(ply)，在预热至150℃的模具内以5MPa的压力按压，保持此状态30分钟，制造出密度在0.7g/cm3或以下的成型品。
[实施例2]夹层复合成型品的制造
在实施例1中制造的层叠低密度预浸料的两面分别层叠2层单向预浸料(FAW为75g/m2，RC为36％)；在预热至150℃的模具内以5MPa的压力按压，保持此状态30分钟，制造出密度在1.0g/cm3以下的夹层复合成型品。
[比较例]利用单向预浸料制造成型品
将在实施例2使用的单向预浸料(FAW为75g/m2，RC为36％)层叠14层(ply)，在预热至150℃的模具内以5MPa的压力按压，将此状态保持30分钟，制造出成型品。
[参考例1]不包含发泡剂的环氧树脂组合物的密度
除了不包含10重量％的发泡剂之外，将与在实施例1中所使用的相同的环氧树脂组合物在150℃的烤箱保持30分钟以进行固化。经固化的环氧树脂组合物的密度为1.20g/cm3。
[参考例2]包含发泡剂的环氧树脂组合物的密度
将与实施例1中所使用的环氧树脂组合物相同的环氧树脂组合物在150℃的烤箱保持30分钟进行固化。经固化的环氧树脂组合物的密度为0.43g/cm3。
将在实施例、比较例及参考例制造的成型品的厚度及密度表示在以下表1。
Figure BDA0001753308320000071
从所述实施例及比较例可知，使用本发明的低密度预浸料制造的成型品的密度低、更薄更轻、刚性出色。

Claims (7)

1.一种低密度预浸料，其特征在于包含：
碳纤维面纱，以及
环氧树脂组合物，所述的环氧树脂组合物被含浸于所述碳纤维面纱；
所述环氧树脂组合物包含作为所述低密度预浸料的基质的环氧树脂、用于固化所述环氧树脂的固化剂以及发泡剂，以及
形成所述碳纤维面纱的长丝的直径为6μm至12μm，长度为30mm至50mm，所述碳纤维面纱的每单位面积的重量为15g/m2至小于30g/m2，以及
其中所述碳纤维面纱被用作所述预浸料的强化材料，碳纤维长丝随机排列而形成片材形态的所述碳纤维面纱，以及所述碳纤维面纱的厚度为10μm至30μm。
2.根据权利要求1所述的低密度预浸料，其特征在于：所述发泡剂为由热塑性树脂制成的热膨胀性微球发泡体。
3.根据权利要求1所述的低密度预浸料，其特征在于：在所述环氧树脂组合物中，所述环氧树脂的重量百分比为70％至96％，所述固化剂的重量百分比为1％至10％，所述发泡剂的重量百分比为3％至20％。
4.根据权利要求1所述的低密度预浸料，其特征在于：所述碳纤维面纱和所述环氧树脂组合物的重量比为2:8至5:5。
5.根据权利要求1所述的低密度预浸料，其特征在于：对所述低密度预浸料进行热固化而制成的成型品的密度为0.7g/cm3以下。
6.一种夹层复合成型品，其特征在于包含：
芯层，所述的芯层由低密度预浸料形成，所述低密度预浸料包含碳纤维面纱以及含浸于所述碳纤维面纱的环氧树脂组合物，所述环氧树脂组合物包含作为所述低密度预浸料的基质的环氧树脂、用于固化所述环氧树脂的固化剂以及发泡剂，所述芯层具有由所述发泡剂的发泡所形成的气孔；以及
外面层，所述的外面层粘接于所述芯层的两面，由单向预浸料或织物预浸料形成，以及
形成所述碳纤维面纱的长丝的直径为6μm至12μm，长度为30mm至50mm，所述碳纤维面纱的每单位面积的重量为15g/m2至小于30g/m2，以及
其中所述碳纤维面纱被用作所述预浸料的强化材料，碳纤维长丝随机排列而形成片材形态的所述碳纤维面纱，以及所述碳纤维面纱的厚度为10μm至30μm。
7.根据权利要求6所述的夹层复合成型品，其特征在于所述夹层复合成型品的密度在1.0g/cm3以下。
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