CN110757722B - 一种热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法，包括步骤：(1)将热塑性连续纤维预浸带进行铺层、模压得到有机复合板；(2)将步骤(1)得到的有机复合板进行二维裁切得到2D有机板；(3)将步骤(2)得到的2D有机板加热软化后移入成型模具中；(4)合模并进行微发泡注塑成型，冷却后开模即得热塑性连续纤维增强复合材料制件。本发明利用热塑性连续纤维复合材料与微发泡注塑材料结合，经模压‑注塑一体成型，从材料、模具、成型工艺三个方面协同，制备的复合材料制品，表面平滑均匀，无缩印、低翘曲适合后期喷漆涂装。产品刚性高，而且质量轻，适合电视、电脑外壳以及汽配轻量化外观件的制备。

Description

一种热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料及成型技术领域，具体涉及一种热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法。
背景技术
随着工业制造技术和塑料改性技术的不断发展，以塑代钢已经在汽车制造、移动办公以及家居行业中形成一种趋势，许多传统的金属部件，逐渐被高性能的塑料所替代，但是由于通用改性工程塑料强度限制，对于结构强度要求较高的金属部件，取代难度较大。复合材料是以连续纤维为主，高分子树脂起到浸渍粘合作用，复合材料的强度可达到所含高强度纤维的水平，近年来在笔记本电脑外壳、增强管道和新能源汽车领域开始应用，取代金属材质，达到轻量化的目的。随着近年来热塑性复合材料应用技术的快速发展，采用模压注塑一体成型工艺，可大大缩短复合材料成型制品生产周期，使得复合材料在移动终端、汽车部件上的大批量生产成为现实。
对于汽车外饰、电脑、手机外壳产品件，一般需要较高的外观品质，特别是产品的翘曲、表面平滑性、缩印、气孔等要求极高。当前一般采用热塑性复合板模压后再进行裁切修边，对于装配结构，后期进行粘接处理。当前，也有部分内装制品采用有机板材与塑胶一体成型，但是有机板与后期注塑的材料存在收缩率不一致，发生翘曲变形、特别是注塑支撑筋位壁厚较大，容易引起表面明显的缩印，不适合外观制品的成型。
公开号为CN107474308A的专利说明书公开了一种微发泡聚丙烯复合材料的制备方法，采用聚丙烯、玻璃纤维、稀土氧化物先通过双螺杆挤出机挤出造粒，再将挤出得到的物料与发泡剂进行混合通过注塑机，得到微发泡聚丙烯复合材料制品。该方法主要研究发泡剂的类型和比例对注塑产品闭孔率和强度的影响，并没有涉及微发泡注塑制品外观及复合成型的研究。
公开号为CN105922601A的专利说明书公开了一种纤维增强热塑性复合材料部件的制备方法，采用先将复合板材预热，利用具有急冷急热的3D模具，模压成型为半成品，通过激光裁切，再嵌入注塑模具内注塑包边。主要利用高模温使得的板材表面平整光滑，不翘曲。此发明对复合板材的收缩率与注塑材料收缩率不一致引起的包边注塑结合面收缩斑未进行说明，对于边缘全部外漏部件的外观问题还有待研究。
公开号为CN108015923A的专利说明书公开了一种纤维增强热塑性复合材料产品的加工成型工艺，采用复合板材作为补强部分，裁切板经预热模压并同时注塑，注塑料为纯树脂及纤维增强材料。板材与注塑料结合力强，成型效率高。此工艺适合对外观要求不高的内部结构件的制备，因复合板材与注塑料收缩率差异较大，在板材与注塑料汇合处，容易形成明显的收缩斑痕及翘曲现象，不适合于汽车外饰平滑面制品的制作。
公开号为CN102532840A的专利说明书公开了一种用于笔记本电脑外壳的热塑树脂复合材料，采用热塑性树脂、有机纤维、无机纤维、无卤阻燃母粒及相关助剂组成。树脂熔体与连续纤维在张力作用下，引入浸渍模头充分浸渍，冷却后切成纤维增强粒料，最后与无卤阻燃母粒掺混得到产品，可用于笔记本电脑外壳的制备。该发明是一种浸渍的连续纤维制备切粒掺混过程，所列强度略高于传统双螺杆改性树脂，但远远不及连续纤维复合板材料的强度，对产品壁厚的设计空间有限。
发明内容
针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法，采用热塑性复合材料模压成型与微发泡注塑工艺相结合，通过对预浸带铺层复合设计、模具设计、注塑材料设计，三位一体，制备出低翘曲、表面平整的高强度复合材料外观件，适合喷漆涂装，可用于轻量化移动办公制品外壳和汽车外饰产品的制备。
一种热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法，包括步骤：
(1)将热塑性连续纤维预浸带进行铺层、模压得到有机复合板；
(2)将步骤(1)得到的有机复合板进行二维(2D)裁切得到2D有机板；
(3)将步骤(2)得到的2D有机板加热软化后移入成型模具中；
(4)合模并进行微发泡注塑成型，冷却后开模即得所述的热塑性连续纤维增强复合材料制件。
塑料注塑成型从熔融状态到模具固化定型，由于相态转变，分子聚集状态发生变化，宏观尺寸上表现出不同程度收缩，树脂比例越多，收缩率越大，因此添加填料玻纤等无机组份，减少树脂的比例，从而降低产品的收缩率。此外对于不同结构的制品而言，因厚壁突变、筋位加厚，注塑成型冷却不均，容易出现明显缩印，影响制品外观。为了降低材料的收缩率，纵向和横向收缩均匀，加工的制品翘曲小，外观平整度高，当前一般采用低收缩树脂+纤维的改性塑料，如ABS+GF(玻璃纤维)、PC(聚碳酸酯)+GF、PPO(聚苯醚)+GF等，制品注塑筋位收缩小，产品平整度高。对于汽车外饰部件，一般选用比重小、易加工的聚丙烯树脂，如汽车保险杠、门内板，底护板等，成本较低，综合性能好。在热塑性复合材料领域，PP基连续纤维复合材料制作成本低，已成为汽车零部件领域以塑带钢的最佳选择。在移动办公产品中，阻燃连续碳纤维热塑性复合材料强度可与金属媲美，而且质量更轻，特别是在5G时代，应用前景更大。
连续纤维增强预浸带材料，经不同角度的铺层设计复合，制备出热塑性有机板材，机械强度较改性树脂提高上百倍，完全可以取代金属及厚壁玻纤增强材料，进一步降低制品厚度，减轻重量。但热塑性复合材料成型受制于成型周期因素，应用较少，随着成型技术的不断进步，压注一体成型技术逐渐成熟，可以一次性整体成型一套部件。热塑性连续纤维复合材料与结晶性基体树脂结合性最好，但是结晶性树脂材料成型收缩率大，与复合材料一体成型时，结合部分容易形成收缩印迹。采用低收缩非结晶性树脂如ABS，PC等材料，需要增加与复合材料界面相容的组份，提高界面强度。另一方面，考虑到制品的回收利用的经济性，不同类型基体树脂相容性较差，不利于后期的循环利用。采用微发泡注塑技术，与有机复合板材一体成型，可以有效地解决这个问题。
采用微发泡注塑成型技术，主要是解决注塑材料壁厚不均匀造成制品局部收缩问题。在注塑过程中形成高压气液混合熔胶，当注入模腔后，外部压力瞬间减小，气核膨胀，接触模腔壁的外侧熔胶先行固化，内部熔胶气核在高温下持续发泡，特别是筋位壁厚位置，补偿收缩，使得制品外观平滑一致，有效改善筋位缩印。
本发明方法成型得到的产品对模具表面复制能力强，在筋位以及边缘包覆部分收缩痕迹不明显，而且同种基体树脂，有机板材与注塑料的表面结合力强。
步骤(1)中，作为优选，所述热塑性连续纤维预浸带为单向预浸带，所述铺层为交叉铺层，具体方式为(0/45/-45/0)s。
作为优选，所述热塑性连续纤维预浸带的增强组分为连续玻璃纤维或连续碳纤维。
作为优选，所述热塑性连续纤维预浸带的厚度为0.1～0.35mm；
所述有机复合板的厚度为0.5～3mm。
进一步优选，所述热塑性连续纤维预浸带为PP基玻璃纤维增强预浸带和/或PA6基碳纤维预浸带。
步骤(2)中，所述有机复合板根据目标制件的表面结构数据，进行仿真计算及实际验证，确定最终二维形状，采用雕刻机进行精细裁切，得到2D有机板。
步骤(3)中，作为优选，所述加热软化温度为230～280℃，时间为1～5min。
步骤(3)中，作为优选，采用红外烘箱加热软化2D有机板，所述2D有机板是由可从中间对开回抽的金属网格托盘支撑。
进一步优选，所述红外烘箱采用陶瓷加热或石英加热模块，红外烘箱内温度均匀，温差不超过10℃。
所述成型模具为上下布局，制件型腔边缘填充材料厚度比2D有机板厚0.4～0.6mm，并有5～10mm宽的叠合过渡区，增大注塑料的附着面积，提高结合强度。
软化后的2D有机板经由金属网格托盘平移，进入模腔固定位置后，所述金属网格托盘从中间对开，铺放软化的2D有机板。
步骤(4)中，作为优选，成型过程中所述成型模具的温度保持80～130℃。
步骤(4)中，作为优选，注塑材料为矿物填充或玻璃纤维增强改性树脂，其中无机填充物含量为10wt％～40wt％，所述注塑材料与热塑性连续纤维预浸带采用同一种基体树脂。
步骤(4)中，作为优选，发泡剂采用化学发泡剂母粒。所述化学发泡剂母粒可采用市售产品，添加量根据所需要求确定。
改性树脂与化学微发泡剂混合，在注塑机螺杆中高温高压熔融塑化，形成气-液均相体系。合模后即进行注塑，熔胶与预热有机板材均为同一种树脂基体，可以完全互容，界面结合力强。对于壁厚位置因为熔胶内部发泡膨胀作用，大大降低因冷却和收缩不均引起的表面缩印，有效地避免制品的外观缺陷。
步骤(4)中，作为优选，采用装有截流式喷嘴的立式注塑机进行微发泡注塑成型。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)本发明采用热塑性连续纤维复合材料替代原金属材质以及厚壁塑料材质，在保持制品使用性能的同时，明显减重。
(2)本发明采用特定铺层方式制备的热塑性有机片材与同材质的改性塑料进行微发泡注塑复合注塑，制品低翘曲，表面平整，产品回收无需二次分拣，可100％回收利用。
(3)与当前热塑性复合材料模压成型相比，无需后期再次裁切修边，制品后处理工艺更加简单；与一般模压-注塑的工艺相比，本发明一体成型外观制品，低翘曲，无缩印，表面平整，易涂装。
(4)本发明采用模压+注塑一体成型，成型周期与一般注塑材料周期相当，生产效率高，综合成本低，容易工业化实施。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
以带有筋位的长方壳体模具进行对比验证，壳体长220mm，宽140mm，高10mm，壁厚1.5mm，中间有3×5井字形加强筋位，筋位厚度1.5mm，高5mm，边缘内侧包胶厚度为2mm，宽5mm过渡区。
热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法具体步骤包括：
(1)有机片材的制备
将热塑性连续纤维预浸带按照一定的方式对称铺层模压成有机复合板，预浸带厚度为0.12～0.35mm。采用特氟龙带式复合机，复合温度为180～260℃，厚度控制在0.5～2.2mm。本次验证1.6mm厚度有机板，裁切形状218×138mm。
(2)将裁切好的有机板放置到不锈钢网格托盘上，网格托盘可以从中间对开移出。
(3)将裁切好的有机板水平移入卧式红外烘箱，烘箱为双面加热，设定温度为230～280℃，预热板材表面树脂基体软化但不流动为最佳状态。加热时间依据温度设置和烘箱加热功率调节，一般控制在1～5min。
(4)将预热后的有机板水平移入成型模腔内，到达固定位置后，托盘从中间打开，将预热片材铺放在模腔内。
(5)立式注塑机合模后即启动微发泡注塑，快速完成筋位及边缘包覆的成型。
(6)冷却后开模，制件下模顶出取下，完成一个成型周期。
按上述方法进行对比例1～3和实施例1～4。
对比例1
连续玻纤PP预浸带，厚0.2mm，铺层方式(0/90/90/0)s，注塑料采用PP+T20，不加发泡剂，模具温度90℃；注塑制品翘曲，主要因板材模压翘曲以及注塑料收缩偏大引起上凸翘曲，筋位缩印明显，包边结合面痕迹明显。
对比例2
连续玻纤PP预浸带，厚0.2mm，铺层方式(0/90/90/0)s，注塑料采用PP+GF30，不加发泡剂，模具温度110℃；注塑制品翘曲严重，主要是PP增强材料收缩不均引起，筋位缩印明显，包边结合面痕迹明显。
对比例3
连续碳纤PA6预浸带，厚0.2mm，铺层方式(0/45/-45/0)s，注塑料采用PA+T30，不加化学发泡剂，模具温度130℃；注塑制品微翘曲，主要PA注塑料收缩过大引起板材拱起，筋位缩印明显，包边结合面明显。
实施例1
连续玻纤PP预浸带，厚0.2mm，铺层方式(0/45/-45/0)s，注塑料采用PP+T20，添加化学发泡剂2wt％，模具温度90℃；注塑制品无翘曲，筋位缩印不明显，包边结合面不明显，制品平面部分平滑光洁。
实施例2
连续玻纤PP预浸带，厚0.2mm，铺层方式(0/45/-45/0)s，注塑料采用PP+GF30，添加化学发泡剂2wt％，模具温度110℃；注塑制品无翘曲，筋位缩印不明显，包边结合面不明显，制品平面部分平滑光洁。
实施例3
连续碳纤PA6预浸带，厚0.2mm，铺层方式(0/45/-45/0)s，注塑料采用PA+T30，添加化学发泡剂2wt％，模具温度100℃；注塑制品无翘曲，筋位缩印不明显，包边结合面不明显，制品平面部分平滑光洁。
实施例4
连续碳纤PA6预浸带，厚0.2mm，铺层方式(0/45/-45/0)s，注塑料采用PA+GF30，添加化学发泡剂2wt％，模具温度130℃；注塑制品无翘曲，筋位缩印不明显，包边结合面不明显，制品平面部分平滑光洁。
本发明利用热塑性连续纤维复合材料与微发泡注塑材料结合，经模压-注塑一体成型，从材料、模具、成型工艺三个方面协同，制备的复合材料制品，表面平滑均匀，无缩印、低翘曲适合后期喷漆涂装。产品刚性高，而且质量轻，适合电视、电脑外壳以及汽配轻量化外观件的制备。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法，其特征在于，包括步骤：
(1)将热塑性连续纤维预浸带进行铺层、模压得到有机复合板；所述热塑性连续纤维预浸带为单向预浸带，所述铺层为交叉铺层，具体方式为(0/45/-45/0)s；所述热塑性连续纤维预浸带为PP基玻璃纤维增强预浸带和/或PA6基碳纤维预浸带；
(2)将步骤(1)得到的有机复合板进行二维裁切得到2D有机板；
(3)将步骤(2)得到的2D有机板加热软化后移入成型模具中；采用红外烘箱加热软化2D有机板，所述红外烘箱内温差不超过10℃，所述2D有机板由可从中间对开回抽的金属网格托盘支撑；所述成型模具为上下布局，制件型腔边缘填充材料厚度比2D有机板厚0.4～0.6mm，并有5～10mm宽的叠合过渡区；
(4)合模并采用装有截流式喷嘴的立式注塑机进行微发泡注塑成型，注塑材料为矿物填充或玻璃纤维增强改性树脂，其中无机填充物含量为10wt％～40wt％，所述注塑材料与热塑性连续纤维预浸带采用同一种基体树脂，冷却后开模即得所述的热塑性连续纤维增强复合材料制件。
2.根据权利要求1所述的热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法，其特征在于，步骤(1)中，所述热塑性连续纤维预浸带的厚度为0.1～0.35mm；
所述有机复合板的厚度为0.5～3mm。
3.根据权利要求1所述的热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法，其特征在于，步骤(4)中，成型过程中所述成型模具的温度保持80～130℃。
4.根据权利要求1所述的热塑性连续纤维增强复合材料制件的成型方法，其特征在于，步骤(4)中，发泡剂采用化学发泡剂母粒。
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