CN109867908B

CN109867908B - 一种高流动性的碳纤维增强片状模压材料的制造方法

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Publication number: CN109867908B
Application number: CN201711271062.6A
Authority: CN
Inventors: 黄险波; 马雷; 范欣愉; 孙雅杰; 李晓拓; 熊鑫; 蒲颖; 邓荣坚; 宋威; 陈大华
Original assignee: Guangzhou Kingfa Carbon Fiber New Materials Development Co ltd
Current assignee: Guangzhou Kingfa Carbon Fiber New Materials Development Co ltd
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: CN109867908A

Abstract

本发明涉及高流动性的碳纤维增强片状模压材料的制造方法。将固态基体环氧树脂、粉末状环氧树脂固化剂、粉末状促进剂先进行研磨，然后与空心玻璃微珠、粉状碳纤维进行混合得到粉末混合物，之后与非连续碳纤维束在干法造纸机中进行气流成网、热压粘合、冷却后可得高流动性的碳纤维增强片状模压材料。本模压材料流动性好，可用于模压工艺制备结构较为复杂的大型平板型制件，制件各部位纤维含量、力学性能均比较均匀，且性能优异，表面光洁度高。

Description

一种高流动性的碳纤维增强片状模压材料的制造方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维片状模压材料的制造方法，特别涉及一种非连续碳纤维增强环氧树脂模压材料的制造方法。

背景技术

碳纤维复合材料以其高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等特点已经在航空航天、交通运输、体育器材等领域得到了比较广泛的应用。目前在碳纤维复合材料中，碳纤维主要以连续纤维的形式存在，使用预浸料铺贴后模压、热压罐、真空导入等工艺成型，难以用于制备结构复杂的制件，耗时较长，且后续的补土、打磨、喷漆等工序较为繁琐。

玻纤SMC材料是一种非常成熟的模压材料，广泛应用于卫浴、电器绝缘、交通领域。其流动性好，制件表面光洁度高，可以简单快速的成型结构复杂的制件。但其使用玻璃纤维增强，密度较大，且力学性能较低，在汽车领域，只能应用于内饰件、车身覆盖件等非承力结构部件。

国内外多家公司近年来也都推出过非连续碳纤维模压材料，所采用的工艺路线包括：类传统玻纤SMC法、单向预浸料裁切再分散法、湿法抄纸工艺法等。CN201410279159.1中公开了一种碳纤维SMC模压材料的制造方法，其采用M系列高模量碳纤维作为增强材料，以乙烯基树脂作为树脂基体，采用传统的玻纤SMC工艺制造而成。CN201610068223.0中也采用类似的方法制备了碳纤维SMC模压材料。美国的Hexcel公司采用单向预浸料裁切再分散工艺制备了HexMC模压材料，并应用于波音787科技的窗框，国内的广州赛奥碳纤维技术有限公司也推出了类似的材料。虽然非连续碳纤维模压材料层出不穷，但到现在为止还都没有得到大规模的应用。据分析，模压材料的流动性差是影响此类模压材料的应用得到推广的主要原因。碳纤维单丝直径较小、纤维束内单纤维数目过大被认为是模压材料流动性明显弱于玻纤SMC的主要原因。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维片状模压材料的制造方法，该碳纤维片状模压材料的制造方法得到的碳纤维增强片状模压材料具有较高流动性、较低的密度、良好力学性能。

本发明采用以下技术方案来实现本发明的目的：

一种高流动性的碳纤维增强片状模压材料的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)将固态基体环氧树脂、粉末状环氧树脂固化剂、粉末状促进剂放入球磨机进行研磨与混合，得到复配过的环氧树脂粉末；其中，固态基体环氧树脂：粉末状环氧树脂固化剂：粉末状促进剂的质量比为100:3～15：1～10；

(2)将定量的复配过的环氧树脂粉末与一定量空心玻璃微珠、粉状碳纤维放入高速混合机进行混合，得到粉末混合物；

(3)将粉末混合物与非连续碳纤维束送入干法造纸设备进行气流成网、热压粘合、冷却后即制得高流动性的碳纤维增强片状模压材料。

进一步地，步骤(1)中所述的固态基体环氧树脂的软化点在60℃以上，其种类可以为双酚A型、双酚F型、脂环族环氧树脂中的一种或几种。

进一步地，步骤(1)中所述的粉末状环氧树脂固化剂为双氰胺类固化剂；所述的粉末状促进剂为有机脲类促进剂或者咪唑类促进剂。

进一步地，步骤(2)中空心玻璃微珠为硅烷类偶联剂处理得到的，所述空心玻璃微珠的目数为300～600目，密度为0.15～0.25g/cm³。添加空心玻璃微珠的目的是防止复配后的环氧树脂粉末团聚、结块，降低材料密度以及与粉状碳纤维共同提高物料流动性。

进一步地，步骤(2)中粉状碳纤维的平均长度为150～200微米。其主要作用为提高物料的流动性以及在制件的厚度方向上起到增强作用，提高制件的力学性能。

进一步地，经过步骤(1)所制备的复配过的环氧树脂粉末：空心玻璃微珠：粉状碳纤维的质量比为100：5～15:5～15。

进一步地，步骤(3)中所述的非连续碳纤维的长度为15～25mm，纤维力学性能为T300以上级别，表面上浆剂类型为环氧类。

进一步地，经过步骤(1)后的复配的环氧树脂粉末，粒度在200目以下，研磨方式为干法研磨。

进一步地，步骤(3)中，粉末混合物与非连续碳纤维束的质量比为100：60～150。

进一步地，使用的干法造纸设备中的气流成网装置能将非连续碳纤维束中单纤维的含量降到每束100根单丝及以下。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

1.采用干法非织造技术制备，无溶剂，无污染。

2.体系中添加了真空玻璃微珠和粉状碳纤维，降低了材料密度，提高了模压材料的流动性，使得模压材料更适合制备不等厚的形状复杂制件。

3.体系中添加的粉状碳纤维平均长度为150～200微米，除了和真空玻璃微珠一样可以起到提高材料流动性的作用外，还可以在模压过程中在制件中形成三维的无规分布，更有利于制品在厚度方向上性能的提升。

附图说明：

图1为高流动性的碳纤维增强片状模压材料的制造流程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应包括在本发明权利要求的保护范围之内。

物理性能测试方法：

弯曲强度和弯曲模量：GB/T 9341-2008；

密度：密度天平；

厚度：千分尺。

弯曲强度、弯曲模量、密度以及厚度的均值及离散系数的计算方法：取约1100g模压材料放入尺寸为600*660mm*2.5mm的平板模具，物料呈金字塔型铺放，铺放面积约占模具面积的55％～60％；模压温度180℃，模压压力150kg，抽真空时间15s，成型时间20分钟得到压制的板材，在所述压制的板材中长度方向、宽度方向、以及随意方向各取3根样条各进行三点式弯曲强度、弯曲模量、密度以及厚度测试，然后取平均值，即得弯曲强度、弯曲模量、密度以及厚度的均值μ，而弯曲强度、弯曲模量、密度以及厚度的离散系数的计算方法为：离散系数CV＝σ/μ，其中

流动性的评价方法：弯曲强度、弯曲模量、密度以及厚度的离散系数越小，说明流动性越好。

本发明的实施例以及对比例使用了以下原材料：

粉状碳纤维：东邦HT800 160MU，纤维平均长度160微米；

固态基体环氧树脂：新日铁住金YD-012，软化点75～85℃，双酚A型环氧树脂；

粉末状环氧树脂固化剂：双氰胺类固化剂，100S，Dyhard；

粉末状促进剂：有机脲类促进剂，UR500，Dyhard；

空心玻璃微珠：目数为500目，密度为0.20g/cm3，SL04，3M；

非连续碳纤维：台塑TC35，24K，长度15～25mm，环氧类上浆剂，纤维拉伸强度4.0GPa，弹性模量240GPa。

实施例1：

一种高流动性碳纤维增强片状模压材料的制造方法，包括以下步骤：

(1)将固态基体环氧树脂、粉末状环氧树脂固化剂、粉末状促进剂按照100:5：2的质量比放入球磨机进行研磨与混合，得到复配过的环氧树脂粉末，粒度在200目以下。

(2)将定量的复配过的环氧树脂粉末混合物与一定量空心玻璃微珠、粉状碳纤维按照100：15:15的质量比放入高速混合机进行混合，得到粉末混合物。

(3)将粉末混合物与非连续碳纤维束按照100：100的质量比送入气流成网装置进行气流成网、热压粘合、冷却后即制得碳纤维增强的片状模压材料。制得的模压材料的力学性能及其离散系数等见表1。

实施例2：

步骤(2)复配过的环氧树脂粉末与空心玻璃微珠、粉状碳纤维按照100：15:5的质量比进行混合制备粉状混合物，其余同实施例1，制得的制得的模压材料的力学性能及其离散系数等见表1。

实施例3：

步骤(2)复配过的环氧树脂粉末与空心玻璃微珠、粉状碳纤维按照100：5:15的质量比进行混合制备粉状混合物，其余同实施例1，制得的制得的模压材料的力学性能及其离散系数等见表1。

实施例4：

步骤(1)将固态基体环氧树脂、粉末状环氧树脂固化剂、粉末状促进剂按照100:3：2的质量比放入球磨机进行研磨与混合得到复配过的环氧树脂粉末，粒度在200目以下。

其余同实施例1，制得的制得的模压材料的力学性能及其离散系数等见表1。

对比例1：

与实施例1相比，不添加真空玻璃微珠，其余同实施例1，制得的模压材料的力学性能及离散系数见表1。

对比例2：

与实施例1相比，不添加粉状碳纤维，其余同实施例1，制得的模压材料的力学性能及离散系数见表1。

对比例3：

与实施例1相比，将粉末混合物与非连续碳纤维束按照100：200的质量比送入气流成网装置进行气流成网、热压、冷却后即制得碳纤维增强的片状模压材料。制得的模压材料的力学性能及其离散系数等见表1。

对比例4：

与实施例1相比，将固态基体环氧树脂、粉末状环氧树脂固化剂、粉末状促进剂按照100:20：10的质量比放入球磨机进行研磨与混合得到复配过的环氧树脂粉末，粒度在200目以下。其余同实施例1，制得的模压材料的力学性能及离散系数见表1。

表1实施例1-4及对比例1-4的性能测试结果

通过表1的数据对比可以看到，实施例1～4制得的碳纤维增强片状模压材料，弯曲强度、弯曲模量明显强于对比例1-4；各方面离散系数明显低于对比例1-4。从实施例1-4和对比例1-4的对比可以得出，实施例1-4制备的碳纤维增强片状模压材料具有更好的抗弯曲能力，和明显优秀的流动性。增加了材料的适用性和实用性。

Claims

1.一种高流动性的碳纤维增强片状模压材料的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：

(3)将粉末混合物与非连续碳纤维束送入干法造纸设备进行气流成网、热压粘合、冷却后即制得高流动性的碳纤维增强片状模压材料；

步骤(1)中所述的固态基体环氧树脂的软化点在60℃以上，其种类可以为双酚A型、双酚F型、脂环族环氧树脂中的一种或几种；

步骤(1)中所述的粉末状环氧树脂固化剂为双氰胺类固化剂；所述的粉末状促进剂为有机脲类促进剂或者咪唑类促进剂；

步骤(2)中空心玻璃微珠为硅烷类偶联剂处理得到的，所述空心玻璃微珠的目数为300～600目，密度为0.15～0.25g/cm³；

步骤(2)中粉状碳纤维的平均长度为150～200微米；

经过步骤(1)所制备的复配过的环氧树脂粉末：空心玻璃微珠：粉状碳纤维的质量比为100：5～15:5～15；

步骤(3)中所述的非连续碳纤维的长度为15～25mm，纤维力学性能为T300以上级别，表面上浆剂类型为环氧类；

经过步骤(1)后的复配的环氧树脂粉末，粒度在200目以下，研磨方式为干法研磨；

步骤(3)中，粉末混合物与非连续碳纤维束的质量比为100：60～150；

使用的干法造纸设备中的气流成网装置能将非连续碳纤维束中单纤维的含量降到每束100根单丝及以下。