CN110435180A - 一种热塑性复合材料结构及其成型方法 - Google Patents

一种热塑性复合材料结构及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热塑性复合材料结构，其特征在于，包括上下GMT层，所述上下GMT层中间为连续纤维预浸料层：所述GMT为短切玻璃纤维增强热塑性树脂毡，所述玻璃纤维长度为50‑100mm；所述的连续纤维预浸料为单向纤维热塑性树脂预浸料或编织布增强热塑性树脂预浸料。本发明还公开了其成型方法。本发明综合利用了GMT简单的成型工艺和连续纤维热塑性预浸料高性能特点，设计了一种可以广泛应用于汽车、电器等半结构、结构部件的复合材料结构和成型方法，工艺简单、成本低。

Description

一种热塑性复合材料结构及其成型方法
技术领域
本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种热塑性复合材料结构及其成型方法。
背景技术
GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)实际是一种玻纤热塑料的预浸料，类似热固性的SMC，是玻纤和热塑性塑料预先制成的半成品片材。可以利用加热使其软化，然后置于压机中，经冲压冷却而制成各种制品。用于GMT的热塑性塑料主要是PP(约占90％)，还有PBT、PET、PA、PC等；用于GMT的玻璃纤维有连续和无定向玻璃纤维毡两种。
连续纤维增强的GMT具有很高的强度、刚性和韧性，但是制备复杂制件比较困难，连续玻璃纤维在模具的细部和深部容易桥接而不是渗入和填充，在模具中流动受限，流动性不好。
这一问题通过改用短切纤维毡而得到解决，短切玻璃纤维长度为50-100mm，其流动特性使它们可以更好地渗入复杂部件(如仪表盘支架)的各个部位。为了更好利用GMT的优异性能和简易的加工工艺，目前汽车、电器等复杂制件主要使用的GMT是短玻璃纤维毡增强聚丙烯(PP)的，其玻纤含量从30％-50％。
现有技术所采用的PP树脂GMT拉伸强度40-140MPa、拉伸模量3.3-8.3GPa、冲击强度40-120kJ/m2，可以用于汽车仪器板、后挡板、座椅等，作为半结构部件；但是替代金属件，用于前段模块、保险杠大梁支架等车辆结构部件，强度、刚性和韧性就明显偏低。
发明内容
为了克服现有技术存在的连续纤维增强的GMT加工流动相差复杂制件难成型和短切玻璃纤维GMT性能低的问题。本发明采用短切玻璃纤维GMT和连续纤维预浸料搭配复合，提供了一种热塑性复合材料结构及其成型方法。
一种热塑性复合材料结构，包括上下GMT层，所述上下GMT层中间为连续纤维预浸料层，其中：
所述GMT为短切玻璃纤维增强热塑性树脂毡，所述玻璃纤维长度为50-100mm；
所述的连续纤维预浸料为单向纤维热塑性树脂预浸料或编织布增强热塑性树脂预浸料。
在本发明的一个优选实施例中，所述GMT中玻璃纤维含量为20％-50％wt。
在本发明的一个优选实施例中，所述GMT中玻璃纤维含量为35％-45％。玻纤含量太高，GMT的加工流动性差，难填充模具；玻纤含量太低，GMT的性能太低。
在本发明的一个优选实施例中，所述单向纤维热塑性树脂预浸料当中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维中的任意一种或多种。
在本发明的一个优选实施例中，所述热塑性树脂为PP、PA6、PA66、PC、PET或PPS中的任意一种或多种，优选PP、PA6。
在本发明的一个优选实施例中，所述连续纤维预浸料中热塑性树脂为PP、PA6、PA66、PC、PET或PPS中的任意一种或多种，优选PP、PA6。
在本发明的一个优选实施例中，所述连续纤维预浸料中的纤维含量为40％-60％wt。
在本发明的一个优选实施例中，所述单向纤维热塑性树脂预浸料厚度为0.2-0.4mm，为对称铺层，比如0°/90°/0°、0°/90°/90°/0°或45°/-45°/0°/90°/0°/0°/90°/0°/-45°/45°等，不对称铺的话会产生内应力，导致最终制件翘曲变形。
在本发明的一个优选实施例中，所述编织布增强热塑性树脂预浸料厚度为0.3-0.8mm，所述编织布增强热塑性树脂预浸料至少为一层。
一种热塑性复合材料结构的成型方法，包括：
步骤一：将所述上下GMT层和所述连续纤维预浸料层进行复合后加热切割成胚料待用，所述加热温度比所述热塑性树脂的溶融温度高30-50℃，压力为1-5MPa；
步骤二：将所述步骤一的胚料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔后待用。
在本发明的一个优选实施例中，所述成型方法还包括修飞边和二次加工步骤。
在本发明的一个优选实施例中，所述烘箱加热温度比所述热塑性树脂熔融温度高50-80℃；所述模具温度为50-150℃，其中PA6为80-120℃，PP为50-90℃；所述模压压力为3-10MPa，模压时间为60-120s。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
综合利用了GMT简单的成型工艺和连续纤维热塑性预浸料高性能特点，设计了一种可以广泛应用于汽车、电器等半结构、结构部件的复合材料结构和成型方法，工艺简单、成本低。
附图说明
图1一种热塑性复合材料结构示意图1；
图2为一种热塑性复合材料结构示意图2；
图3为一种热塑性复合材料成型方法示意图。
具体实施方式
虽然连续纤维热塑性预浸料拥有很高的强度、刚性和韧性，但是面临和连续纤维增强的GMT同样的问题，是制备复杂制件比较困难，连续玻璃纤维在模具的细部和深部容易桥接而不是渗入和填充，在模具中流动受限，流动性不好，而且连续纤维延展性差，在加工过程中也不能像短纤维那样自由流动，在异形件加工中存在诸多的问题。
本发明选择“三明治结构”铺层，将连续纤维增强热塑性复合材料作为芯层，GMT作为面层，正好利用了连续纤维增强热塑性复合材料的高强度、高刚性和高韧性，让其起到了骨架的作用；而短切玻璃纤维增强热塑性树脂毡GMT在加工过程中具有很好的流动性，可以更好地在模具中渗入复杂部件结构中。如果将铺层结构调换的话，问题又回到了连续纤维复合材料的问题上了。因此，选择GMT作为面层，连续纤维复合材料作为芯层。
实施例1
(1)选择2层1mm厚玻璃纤维长度50mm、质量分数为45％的聚丙烯(PP)GMT(1)和3层0.2mm厚、纤维质量分数为45％的单向连续玻璃纤维增PP预浸料(2)，将GMT和连续纤维预浸料按照“三明治”结构铺层，连续纤维预浸料在中间，单向连续玻璃纤维增PP预浸料铺层方式是0°/90°/0°，通过双带压机复合成型，切割成坯料(3)，厚度为2.6mm；其中双带压机的加热温度为195℃，压力为1MPa；
(2)把(1)中坯料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具(4)的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔；其中：
烘箱加热温度215℃，模具温度为50℃，模压压力为3MPa，模压时间为60s。
(3)开模，取出制件(5)，修飞边及二次加工。
实施例2
(1)选择2层1.3mm厚玻璃纤维长度75mm、质量分数为40％的尼龙6(PA6)GMT(1)和4层0.3mm厚、纤维质量分数为40％的单向连续碳纤维增PA6预浸料(2)，将GMT和连续纤维预浸料按照“三明治”结构铺层，连续纤维预浸料在中间，单向连续碳纤维增PA6预浸料铺层方式是0°/90°/90°/0°，通过双带压机复合成型，切割成坯料(3)，厚度为3.8mm；其中双带压机的加热温度为245℃，压力为2MPa；
(2)把(1)中坯料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具(4)的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔；其中：
烘箱加热温度270℃，模具温度为100℃，模压压力为5MPa，模压时间为90s。
(3)开模，取出制件(5)，修飞边及二次加工。
实施例3
(1)选择2层1.2mm厚玻璃纤维长度100mm、质量分数为35％的尼龙6(PA6)GMT(1)和2层0.4mm厚、纤维质量分数为60％的碳纤维布增强PA6预浸料(2)，将GMT和连续纤维预浸料按照“三明治”结构铺层，连续纤维预浸料在中间，通过双带压机复合成型，切割成坯料(3)，厚度为3.2mm；其中双带压机的加热温度为255℃，压力为3MPa；
(2)把(1)中坯料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具(4)的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔；其中：
烘箱加热温度280℃，模具温度为120℃，模压压力为7.5MPa，模压时间为100s。
(3)开模，取出制件(5)，修飞边及二次加工。
实施例4
(1)选择2层1.6mm厚玻璃纤维长度100mm、质量分数为45％的聚丙烯(PP)GMT(1)和1层0.8mm厚、纤维质量分数为50％的玻璃纤维布增强PP预浸料(2)，将GMT和连续纤维预浸料按照“三明治”结构铺层，连续纤维预浸料在中间，通过双带压机复合成型，切割成坯料(3)，厚度为4.0mm；其中双带压机的加热温度为205℃，压力为4MPa；
(2)把(1)中坯料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具(4)的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔；其中：
烘箱加热温度220℃，模具温度为70℃，模压压力为9MPa，模压时间为90s。
(3)开模，取出制件(5)，修飞边及二次加工。
实施例5
(1)选择2层1.9mm厚玻璃纤维长度75mm、质量分数为45％的聚丙烯(PP)GMT(1)和2层0.6mm厚、纤维质量分数为50％的玻璃纤维/碳纤维布(2:1wt)增强PP预浸料(2)，将GMT和连续纤维预浸料按照“三明治”结构铺层，连续纤维预浸料在中间，通过双带压机复合成型，切割成坯料(3)，厚度为5.0mm；其中双带压机的加热温度为215℃，压力为5MPa；
(2)把(1)中坯料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具(4)的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔；其中：
烘箱加热温度235℃，模具温度为90℃，模压压力为10MPa，模压时间为110s。
(3)开模，取出制件(5)，修飞边及二次加工。
对比例1
(1)选择玻璃纤维长度100mm、质量分数为45％的聚丙烯(PP)GMT(1)，厚度为4.0mm；
(2)把(1)中坯料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具(4)的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔；其中：
烘箱加热温度220℃，模具温度为70℃，模压压力为9MPa，模压时间为90s。
(3)开模，取出制件(5)，修飞边及二次加工。
对比例2
(1)选择连续玻璃纤维长度增强聚丙烯(PP)预浸带，玻璃纤维质量分数为45％，按照[0/90]n铺层，制备4mm复合材料板；
(2)把(1)中坯料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具(4)的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔；其中：
烘箱加热温度220℃，模具温度为70℃，模压压力为9MPa，模压时间为90s。
(3)开模，取出制件(5)，修飞边及二次加工。
另外，如果不考虑加工成本的问题，LFT(长纤维增强热塑塑料)可以替代GMT，但是必须先将LFT制成片材，再与连续纤维预浸料复合，这样在LFT的基础增加了压板工艺，成本会有所提高，方案上还是可行的。
以上制得的复合材料性能如下表1：
对比例1和2都是玻璃纤维增强PP，玻璃纤维质量分数均为45％，进行了如表1的性能对比，连续玻璃纤维复合材料的性能比短切纤维的高，这也是为什么要将GMT和连续纤维复合材料搭配使用的原因。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例，做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热塑性复合材料结构，其特征在于，包括上下GMT层，所述上下GMT层中间为连续纤维预浸料层：
所述GMT为短切玻璃纤维增强热塑性树脂毡，所述玻璃纤维长度为50-100mm；
所述的连续纤维预浸料为单向纤维热塑性树脂预浸料或编织布增强热塑性树脂预浸料。
2.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述GMT中玻璃纤维含量为20％-50％wt。
3.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述GMT中玻璃纤维含量为35％-45％。玻纤含量太高，GMT的加工流动性差，难填充模具；玻纤含量太低，GMT的性能太低。
4.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述单向纤维热塑性树脂预浸料当中的纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维中的任意一种或多种。
5.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述热塑性树脂为PP、PA6、PA66、PC、PET或PPS中的任意一种或多种，优选PP、PA6。
6.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述连续纤维预浸料中的纤维含量为40％-60％wt。
7.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述单向纤维热塑性树脂预浸料厚度为0.2-0.4mm，为对称铺层。
8.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述编织布增强热塑性树脂预浸料厚度为0.3-0.8mm，所述编织布增强热塑性树脂预浸料至少为一层。
9.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，包括：
步骤一：将所述上下GMT层和所述连续纤维预浸料层进行复合后加热切割成胚料待用，所述加热温度比所述热塑性树脂的溶融温度高30-50℃，压力为1-5MPa；
步骤二：将所述步骤一的胚料在红外线或对流热风烘箱中预热，加热至熔融透过坯料的整个厚度，然后把坯料迅速送入压机模具的模腔，铺放在下模中，压机快速闭模，压缩坯料，使之填充模腔后待用。
10.如权利要求1所述的一种热塑性复合材料结构，其特征在于，所述烘箱加热温度比所述热塑性树脂熔融温度高50-80℃；所述模具温度为50-150℃，其中PA6为80-120℃，PP为50-90℃；所述模压压力为3-10MPa，模压时间为60-120s。
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