CN109910405B - 一种轻量化的超高冲击复合片材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种轻量化的超高冲击复合片材，该复合片材包括上层的第一树脂层、芯层的聚烯烃纺织物以及下层的第二树脂层，所述第一树脂层以及第二树脂层分别附着至聚烯烃纺织物的顶面与底面。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种轻量化的超高冲击复合片材及其制备方法。
背景技术
复合材料代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：1.纤维增强复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成；2.夹层复合材料，由性质不同的表面材料和芯材组合而成；3.细粒复合材料，将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。其中夹层复合材料中的玻纤和芳纶纤维，可以提高拉伸和冲击性能，然而你其重量重，不利于轻量化的发展。CN108407412A公开了一种连续玻纤增强复合材料，包括依次设有的热塑性面板、玻纤增强和PP基材；其芯层采用玻纤增强材料，可以提高拉伸和冲击性能，但是在轻量化方面的发展受到限制。
发明内容
第一方面，本发明提供一种轻量化的超高冲击复合片材，该复合片材包括上层的第一树脂层、芯层的聚烯烃纺织物以及下层的第二树脂层，所述第一树脂层以及第二树脂层分别附着至聚烯烃纺织物的顶面与底面。
需要说明的是，本发明提供的芯层聚烯烃纺织物的层数至少为一层，也可以为多层，例如将三层聚烯烃纺织物与第一树脂层和第二树脂层进行层叠复合。
在本发明一些优选实施方式中，所述聚烯烃纺织物选自聚乙烯纺织物、聚丙烯纺织物或聚丁烯纺织物；另优选地，所述聚烯烃纺织物为聚乙烯纺织物；更优选地，所述聚烯烃纺织物为UHMWPE(超高分子量聚乙烯)纺织物，此时第一树脂层以及第二树脂层的熔点≤140℃。
在本发明一些优选实施方式中，按照重量百分比计，所述UHMWPE纺织物占所述复合片材重量的40％～95％；优选为55％～90％；优选为75％～88％。
在本发明一些优选实施方式中，第一树脂层以及第二树脂层层各自独立选择以下树脂中的至少一种：聚苯乙烯(PS)树脂类、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物树脂类、橡胶改性的聚苯乙烯(HIPS)树脂类、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)共聚物树脂类、丙烯腈-苯乙烯(SAN)共聚物树脂类、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯(MBS)共聚物树脂类、丙烯腈-丙烯酸乙酯-苯乙烯(AES)共聚物树脂类、聚碳酸酯(PC)树脂类、聚苯醚(PPE)树脂类、聚苯硫醚(PPS)树脂类、聚乙烯(PE)树脂类、聚丙烯(PP)树脂类、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)树脂类、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)树脂类、聚(甲基)丙烯酸树脂类以及聚酰胺(PA)树脂类；优选地，所述的第一树脂层以及第二树脂层层各自独立选择聚乙烯(PE)树脂类和/或聚丙烯(PP)树脂类；另优选地，第一树脂层以及第二树脂层层采用低温无规共聚聚丙烯；更优选地，所述的低温无规共聚聚丙烯选自LYONDELLBASELL公司提供的牌号为PRO-fax RP913J,RP320N,RP735S，RP311H,RP323M,RP448S,RP512H；PURELL RP378T中的一种或者两种以上；在本发明一些具体实施方式中，所述的第一树脂层以及第二树脂层层均为PRO-faxRP512H与PURELL RP378T的聚丙烯复合物；在本发明另一些具体实施方式中，所述的第一树脂层以及第二树脂层层均为PRO-faxRP512H。
在本发明一些优选实施方式中，所述的UHMWPE纺织物为超高分子量聚乙烯长线纤维经纺织制造工艺加工而成的织物，或UHMWPE短纤维/碳纤维复合纤维经纺织制造工艺加工而成的织物；优选地，所述的UHMWPE短纤维/碳纤维复合纤维为卷曲度在1-15之间的UHMWPE短纤维通过包覆的方式缠绕在碳纤维的表面，形成UHMWPE纤维在外层，碳纤维在内层的复合纤维；更优选地，外层UHMWPE短纤维与内层碳纤维的重量比为3～8:1，再优选为5:1。
在本发明一些优选实施方式中，所述UHMWPE纺织物的面密度为200-3000g/m2，优选300-2500g/m2；更优选为300-350g/m2。
在本发明一些优选实施方式中，UHMWPE纺织物的顶面和底面预先涂覆有粘合剂形成粘合层，所述第一树脂层以及第二树脂层通过挤出流延工艺结合在涂覆有粘合剂的UHMWPE纺织物；优选地，所述的粘合层的厚度在3um～40um，优选为8um～12um；更优选地，采用熔融流延的方式将粘合剂涂覆在HMWPE纺织物层顶面和底面；再优选地，所述粘合剂选自SEBS、SIS、乙烯-丙烯-辛烯共聚物，马来酸酐-丙烯-乙烯三元共聚物中的一种或者多种；在本发明一些具体实施例中，本发明采用的粘合剂采用SEBS与SIS的复合物；在本发明另一些具体实施例中，所述粘合剂的重量占芯层聚烯烃纺织物总重量的2-50重量％，优选5-15重量％，更优选8-12％重量。
需要说明的是：本发明的“SEBS”是指以苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁二烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌段共聚物；本发明的“SIS”是指以苯乙烯为末端段的异戊二烯的三元共聚物；本发明的“乙烯-丙烯-辛烯共聚物”是指乙烯与具有6-10个碳原子的α-烯烃和辛烯的共聚物。
在本发明一些优选实施方式中，该复合片材经多层热压定型形成不同厚度的复合材料。
在本发明一些具体实施例中，所述纺织物制造工艺是本领域中所熟知，包括但不限于机织、针织、3D纺织工艺。
在本发明一些具体实施例中，所述短纤维是指长度为35mm～150mm的纤维，优选38-51mm的纤维。
在本发明一些具体实施例中，所述长纤维是指孔数在20孔～1200孔、直径在1um～70um之间的纤维，优选10um～40um的纤维。
在本发明一些具体实施例中，所述碳纤维是型号为T800的纤维。
在本发明一些具体实施例中，面密度为300g/m2～2500g/m2的UHMWPE纺织物由DPF为1.1-7、强度为26-40gf/den、伸长为2.4-4.1％、结晶度大于80％、取向度大于80％的2400D UHMWPE长丝纤维切断成38mm～51mm的短纤维制备而成。
第二方面，本发明提供一种轻量化的超高冲击复合片材的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤1)聚烯烃通过纺织物制造工艺获得聚烯烃纺织物；
步骤2)将聚烯烃纺织物通过热挤出流延表面涂覆厚度为8um～12um的粘合剂，形成织物芯层；
步骤3)将树脂经过双螺杆挤出机，经过分流道，通过T型流延口膜，形成上下两层流出，流出的物料的层厚在15um～100um，与织物芯层在导流辊进行汇合，形成三明治结构的层合体；
需要说明的是，通过调节流延过程中所用的辊之间的压力和间隙调节聚丙烯复合物的流延的涂布量，即调节复合片材中纺织物所占的比例；
步骤4)将至少一层步骤3)获得层合体进行热压定型，形成的三明治结构的复合片材。
在本发明一些优选实施方式中，所述聚烯烃纺织物为UHMWPE(超高分子量聚乙烯)纤维纺织物，此时作为芯层的UHMWPE(超高分子量聚乙烯)纤维纺织物熔点在140℃，通常的PP或PP/PE复合物的加工熔融温度在140℃～160℃之间，如果采用常规的PP或PP/PE的复合物的加工熔融温度与UHMWPE(超高分子量聚乙烯)纤维纺织物进行汇合，超高分子量聚乙烯纤维会熔融，此时纤维的高强度在熔融后的状态下应为高取向结晶结构的变化而失去；基于此，本发明采用低温无规共聚聚丙烯，通过降低加工温度，达到不破坏UHMWPE纤维的同时，可以提供三明治结构的层合体，最终获得轻量化的抗冲击材料。
在本发明一些具体实施方式中，本发明提供的轻量化的超高冲击复合片材的制备方法包括如下步骤：
步骤1)采用2400D UHMWPE长丝纤维作为原材料，将其切断成短纤维，该短纤维采用包覆的方式均匀包覆在碳纤维的外围，形成UHMWPE/碳纤维质量比为3～8:1包覆纱，该包覆纱采用针织工艺将其制备成面密度为300g/m2～350g/m2的UHMWPE/碳纤维纺织物；
步骤2)将所得UHMWPE/碳纤维纺织物的顶面和底面通过热挤出流延表面涂覆厚度在8um～12um的低温无规共聚聚丙烯形成织物芯层；
步骤3)将织物芯层置于卷轴上，通过张力控制架引入流延设备的导入口；将低温无规共聚聚丙烯经过双螺杆挤出机，经过分流道，通过T型流延口膜，形成上下两层流出，流出的物料的层厚在35um～45um，与织物芯层在导流辊进行汇合，形成三明治结构的层合体；
步骤4)通过多个导流辊将获得层合体进行热压定型，辊间压力控制在2～4kgf。
本发明将涂覆有粘合剂的聚烯烃纺织物与PP或PE或PE/PP的复合物进行挤出复合形成三明治结构的复合片材；该片材的上下两层是含有PP(组分重量大于含量大于60％)的聚烯烃复合物，中间芯层是表面涂覆有站合剂的聚烯烃纺织物或PE/碳纤维复合纤维纺织物。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明将超高分子量聚乙烯长丝纤维或超高分子量聚乙烯短纤维/碳纤维的复合纤维制成织物，将该织物用于增强聚烯烃材料，该复合片材跟常用的玻纤复合材料以及芳纶复合材料相比，在达到相同的厚度和面积下，重量轻质30-60％，且拉伸强度和冲击强度也获得显著的提高(强度提高30％)。
2.本发明提供的轻量化的超高冲击复合片材的制备方法加工的温度处于低温加工。
具体实施方式
实施例1
步骤1)采用1600D UHMWPE长丝纤维(DPF为4、强度为38gf/den、伸长为3.9％、结晶度80％、取向度80％)作为原材料，采用针织工艺将其制备成面密度为340g/m2的UHMWPE纺织物；
步骤2)将所得UHMWPE纺织物的顶面和底面通过热挤出流延表面涂覆厚度在8um～12um的SEBS/SIS复合物中，形成纺织物芯层；
步骤3)将纺织物芯层置于卷轴上，通过张力控制架引入流延设备的导入口；PRO-faxRP512H与PURELL RP378T复合体(PRO-faxRP512H与PURELL RP378T的重量比1:1)经过双螺杆挤出机，在加工温度在150℃的情况下，经过分流道，通过T型流延口膜，形成上下两层流出，流出的物料的层厚在35um～45um之间，与纺织物芯层在导流辊进行汇合，形成三明治的层合体，其中纺织物芯层在中间，含有聚丙烯的聚合物在上下两层；
步骤4)通过7个导流辊进行热压定型，辊间压力控制在2-4kgf，最终形成的三明治的片材结构，其中纺织物芯层重量为复合材料总重量的78重量％；
通过调节流延过程中所用的辊之间的压力和间隙调节聚丙烯复合物的流延的涂布量，即调节复合材料中纺织物所占的比例，本实施例中聚丙烯复合物量为22％重量，纺织物重量为复合材料总重量的78重量％。
将一层三明治结构的片材制作成大小为21cm*29.7cm的复合材料，在进行拉伸强度测试，为3.8GPa。
实施例2
步骤1)采用2400D UHMWPE长丝纤维(DPF为2.4、强度为29gf/den、伸长为3.5％、结晶度80％、取向度80％)作为原材料，将其切断成51mm的短纤维，该短纤维采用包覆的方式均匀包覆在碳纤维的外围，形成UHMWPE/碳纤维质量比为5：1包覆纱，该包覆纱采用针织工艺将其制备成面密度为340g/m2的UHMWPE/碳纤维纺织物；
步骤2)将所得UHMWPE/碳纤维纺织物纺织物上下通过热挤出流延表面涂覆厚度在8um～12um的SEBS/马来酸酐-丙烯-乙烯三元共聚物复合物中，形成纺织物芯层；
步骤3)将织纺织物芯层置于卷轴上，通过张力控制架引入流延设备的导入口。PRO-faxRP512H经过挤出机，在加工温度在150℃的情况下，经过分流道，通过T型口膜，形成上下两层流出，流出的物料的层厚在35um～45um之间，与纺织物芯层在导流辊进行汇合，形成三明治的层合体，其中织物在中间，含有聚丙烯的聚合物(PRO-faxRP512H)在上下两层；
步骤4)通过7个导流辊进行热压定型，辊间压力控制在2-4kgf；所形成的三明治的片材结构，其中纺织物重量为复合材料总重量的78重量％。
本实施例中PRO-faxRP512H为22％重量，纺织物重量为复合材料总重量的78重量％。
将一层三明治结构的片材制作成大小为21cm*29.7cm的复合材料，在进行冲击强度测试，结果显示拉伸强度在4.8GPa。
实施例3
步骤1)采用2400D UHMWPE长丝纤维(DPF为2.4、强度为29gf/den、伸长为3.5％、结晶度80％、取向度80％)作为原材料，将其切断成51mm的短纤维，该短纤维采用包覆的方式均匀包覆在碳纤维的外围，形成UHMWPE/碳纤维质量比为4：1包覆纱，该包覆纱采用针织工艺将其制备成面密度为340g/m2的UHMWPE/碳纤维纺织物；
步骤2)将所得UHMWPE/碳纤维纺织物纺织物上下通过热挤出流延表面涂覆厚度在8um～12um的SEBS/马来酸酐-丙烯-乙烯三元共聚物复合物中，形成纺织物芯层；
步骤3)将织纺织物芯层置于卷轴上，通过张力控制架引入流延设备的导入口，PRO-faxRP512H经过挤出机，在加工温度在150℃的情况下，经过分流道，通过T型口膜，形成上下两层流出，流出的物料的层厚在35um～45um之间，与纺织物芯层在导流辊进行汇合，形成三明治的层合体，其中织物在中间，含有聚丙烯的聚合物(PRO-faxRP512H)在上下两层；
步骤4)通过7个导流辊进行热压定型，辊间压力控制在2-4kgf；所形成的三明治的片材结构，其中纺织物重量为复合材料总重量的78重量％。
本实施例中PRO-faxRP512H占复合片材重量的22％，纺织物重量为复合片材总重量的78重量％。
将一层三明治结构的片材制作成大小为21cm*29.7cm的复合材料，在进行冲击强度测试，结果显示拉伸强度在5.2GPa。
用上述实验步骤进行其他试验，具体如下：
实施例4
实施例4将实施例1中的1600D UHMWPE长丝纤维经过PE机织布获得平纹布。
实施例5
实施例5将实施例1中的1600D UHMWPE长丝纤维经过PE机织布获得斜纹布。
实施例6
实施例6将实施例1中的1600D UHMWPE长丝纤维经过PE机织布获得斜纹布，且聚丙烯复合物量为复合材料总重量78％，纺织物重量为复合材料总重量的22％。
实施例7
实施例7将实施例1中的1600D UHMWPE长丝纤维经过PE机织布获得斜纹布，且将聚丙烯复合物量为复合材料总重量50％，纺织物重量为复合材料总重量的50％。
实施例8
实施例8将实施例1中的1600D UHMWPE长丝纤维经过PE机织布获得斜纹布，且将聚丙烯复合物量为复合材料总重量80％，纺织物重量为复合材料总重量的20％。
实施例9
实施例9将实施例1中的1600D UHMWPE长丝纤维经过PE机织布获得斜纹布，且将聚丙烯复合物量为复合材料总重量88％，纺织物重量为复合材料总重量的12％。
对比例1
对比例1将实施例1中的UHMWPE纺织物替换为玻纤。
对比例2
对比例2将实施例1中的UHMWPE纺织物替换为芳纤。
性能测试：
将根据实施例1～9以及对比例1～2所制备的复合材料进行测试，性能测试结果如下：
Claims (6)
1.一种轻量化的超高冲击复合片材，其特征在于：该复合片材包括上层的第一树脂层、芯层的聚烯烃纺织物以及下层的第二树脂层，所述第一树脂层以及第二树脂层分别附着至聚烯烃纺织物的顶面与底面；
所述的第一树脂层以及第二树脂层的熔点≤140℃；
所述的第一树脂层以及第二树脂层采用低温无规共聚聚丙烯，所述的低温无规共聚聚丙烯选自LYONDELLBASELL公司提供的牌号为PRO-fax，RP913J，RP320N，RP735S，RP311H，RP323M，RP 448S，RP512H，PURELL RP378T中的一种或者两种以上；
所述聚烯烃纺织物为UHMWPE纺织物，所述的UHMWPE纺织物为UHMWPE短纤维/碳纤维复合纤维经纺织制造工艺加工而成的织物；所述的UHMWPE短纤维/碳纤维复合纤维为卷曲度在1-15之间的UHMWPE短纤维通过包覆的方式缠绕在碳纤维的表面，形成UHMWPE纤维在外层，碳纤维在内层的复合纤维；外层UHMWPE短纤维与内层碳纤维的重量比为3-8:1；
所述UHMWPE纺织物的面密度为300g/m2-350g/m2；
所述的UHMWPE纺织物由DPF为1.1-7、强度为26-40gf/den、伸长为2.4-4.1％、结晶度大于80％、取向度大于80％的2400D UHMWPE长丝纤维切断成38mm-51mm的短纤维，通过包覆的方式缠绕在碳纤维的表面制备而成。
2.根据权利要求1所述的轻量化的超高冲击复合片材，其特征在于：按照重量百分比计，所述UHMWPE纺织物占所述复合片材重量的75％-88％。
3.根据权利要求2所述的轻量化的超高冲击复合片材，其特征在于：UHMWPE纺织物的顶面和底面预先涂覆有粘合剂形成粘合层，所述第一树脂层以及第二树脂层通过挤出流延工艺结合在涂覆有粘合剂的UHMWPE纺织物；所述的粘合层的厚度在3μm-40μm；采用熔融流延的方式将粘合剂涂覆在HMWPE纺织物层顶面和底面；所述粘合剂选自SEBS、SIS、乙烯-丙烯-辛烯共聚物，马来酸酐-丙烯-乙烯三元共聚物中的一种或者多种。
4.根据权利要求2所述的轻量化的超高冲击复合片材，其特征在于：该复合片材经多层热压定型形成不同厚度的复合材料。
5.如权利要求1-4任意一项所述的轻量化的超高冲击复合片材的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1)聚烯烃通过纺织物制造工艺获得聚烯烃纺织物；
步骤2)将聚烯烃纺织物通过热挤出流延表面涂覆厚度为8μm-12μm的粘合剂，形成织物芯层；
步骤3)将树脂经过双螺杆挤出机，经过分流道，通过T型流延口膜，形成上下两层流出，流出的物料的层厚在15μm-100μm，与织物芯层在导流辊进行汇合，形成三明治结构的层合体；
步骤4)将至少一层步骤3)获得层合体进行热压定型，形成的三明治结构的复合片材。
6.如权利要求5所述的轻量化的超高冲击复合片材的制备方法，其特征在于：所述织物芯层
步骤1)采用2400D UHMWPE长丝纤维作为原材料，将其切断成短纤维，该短纤维采用包覆的方式均匀包覆在碳纤维的外围，形成UHMWPE/碳纤维质量比为3-8:1包覆纱，该包覆纱采用针织工艺将其制备成面密度为300g/m2-350g/m2的UHMWPE/碳纤维纺织物；
步骤2)将所得UHMWPE/碳纤维纺织物的顶面和底面通过热挤出流延表面涂覆厚度在8μm-12μm的低温无规共聚聚丙烯形成织物芯层；
步骤3)将织物芯层置于卷轴上，通过张力控制架引入流延设备的导入口；将低温无规共聚聚丙烯经过双螺杆挤出机，经过分流道，通过T型流延口膜，形成上下两层流出，流出的物料的层厚在35μm-45μm，与织物芯层在导流辊进行汇合，形成三明治结构的层合体；
步骤4)通过多个导流辊将获得层合体进行热压定型，辊间压力控制在2-4kgf。
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Denomination of invention: A lightweight ultra-high impact composite sheet and its preparation method Effective date of registration: 20230608 Granted publication date: 20210907 Pledgee: Zhejiang Tailong Commercial Bank Co.,Ltd. Jinhua Yongkang sub branch Pledgor: ZHEJIANG QIANXILONG SPECIAL FIBER CO.,LTD. Registration number: Y2023330001129 |
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