CN113636005B - 一种碳纤维自行车架 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自行车架技术领域，具体涉及一种碳纤维自行车架，通过若干碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，所述碳纤维增强环氧树脂预浸料由碳纤维层和环氧树脂复合粉末通过粉末浸渍成型。本发明减小了第一浸渍粉末中的增韧剂含量，并通过乳液聚合法合成聚丙烯酸酯纳米胶乳，干燥后即为聚丙烯酸纳米乳胶粒，与第一浸渍粉末混合，除了起到常规增韧剂的作用外，另一重要作用在于作为隔离剂分散于第一浸渍粉末中，从而减缓了环氧树脂成膜的进程，在第一浸渍粉末之间形成具有一定稳定性的通路，从而便于引出碳纤维的空气使第一浸渍粉末熔融进入碳纤维的空隙中，提高自行车架的整体性能以及降低了浸渍生产难度。

Description

一种碳纤维自行车架
技术领域
本发明涉及自行车架技术领域，具体涉及一种碳纤维自行车架。
背景技术
碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，用于制作自行车架上，赋予自行车架轻质高强和抗冲击性能好的特点。碳纤维复合材料的制备工艺通常有溶液法、热熔法和粉末法。
溶液法是利用含有基体树脂的有机溶液浸渍连续纤维或织物，通过高温干燥除去低沸点的溶剂后得到预浸料。其缺点是预浸料挥发份含量高，且有环境污染问题。
热熔法需要先将基体树脂制成厚度均匀的树脂胶膜，然后将两层树脂胶膜与一层连续纤维或织物复合，形成夹层结构，再在一定温度和压力下使树脂胶膜热熔并浸渍到纤维或织物中形成预浸料。其优点是挥发份含量低、无环境污染问题，但缺点是工艺流程复杂，由于物料粘度高，各组分混合均匀耗时长，且脱泡困难。
粉末法是指将树脂干粉铺洒在碳纤维的表面再通过加热熔融，树脂干粉浸润碳纤维层内部并形成连续的树脂膜，粉末法工艺简单，但是对于树脂粉末的粒径以及树脂粉末的熔融流动性要求较高，树脂膜容易出现性能差异，从而导致碳纤维自行车架容易出现刚性或韧性不足的缺陷。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种碳纤维自行车架，具有良好的刚性和抗冲击性，并且通过粉末浸渍法生产，易于工业化生产。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种碳纤维自行车架，通过若干碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，所述碳纤维增强环氧树脂预浸料由碳纤维层和环氧树脂复合粉末通过粉末浸渍成型，所述环氧树脂复合粉末通过如下方法制得：
(1)称取100重量份环氧树脂、6-10重量份固化剂、0.5-0.9重量份固化促进剂、10-20重量份增韧剂、1-2重量份抗氧化剂和4-6重量份润滑剂进行混合，然后加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，得到的颗粒进行气流粉碎，得到第一浸渍粉末；
(2)在100重量份的去离子水中加入0.1-0.5重量份乳化剂，搅拌均匀后，加入6-10重量份甲基丙烯酸甲酯、8-12重量份丙烯酸丁酯、2-4重量份丙烯酸和0.01-0.05重量份引发剂，加热至65-75℃并保温反应60-90min，然后再匀速滴加4-6重量份甲基丙烯酸甲酯、7-9重量份丙烯酸丁酯、2-4重量份甲基丙烯酸缩水甘油酯和0.01-0.05重量份引发剂，滴加完成后保温反应60-90min，得到聚丙烯酸酯纳米胶乳；
(3)往所述聚丙烯酸酯纳米胶乳中加入碳纳米管，超声分散后进行破乳、沉淀、过滤、洗涤和干燥，得到第二浸渍粉末，碳纳米管的加入量为聚丙烯酸酯纳米胶乳的1-3wt％；
(4)将所述第一浸渍粉末和第二浸渍粉末按重量比10:1-2的比例加入到高速混合机中进行混合，即得到所述环氧树脂复合粉末。
为了提高环氧树脂胶膜的韧性，一般会在环氧树脂中加入较多的增韧剂进行改性，而后制成树脂粉末。但是增韧剂会在环氧树脂内形成海岛结构，降低环氧树脂的熔融流动性，导致环氧树脂难以浸润碳纤维之间的空隙，容易导致结构分层或树脂厚度不均，此外环氧树脂浸润碳纤维空隙的过程中对应需要排出空气，但是环氧树脂连续成膜容易导致空气无法排出，因此更加提高了浸润难度，对碳纤维自行车架的整体力学性能和批次质量稳定性的影响较大。
本发明减小了第一浸渍粉末中的增韧剂含量，并通过乳液聚合法合成聚丙烯酸酯纳米胶乳，干燥后即为聚丙烯酸纳米乳胶粒，与第一浸渍粉末混合，除了起到常规增韧剂的作用外，另一重要作用在于作为隔离剂分散于第一浸渍粉末中，从而减缓了环氧树脂成膜的进程，在第一浸渍粉末之间形成具有一定稳定性的通路，从而便于引出碳纤维的空气使第一浸渍粉末熔融进入碳纤维的空隙中。其次，为了提高分散均匀性和空气通路的稳定性，在第二浸渍粉末内还加入了碳纳米管，第一浸渍粉末、聚丙烯酸酯乳胶粒和碳纳米管作为三种不同粒径尺寸的物质可以充分互相填充，提高分散均匀性，而且碳纳米管中空以及不参与熔融的特性，也有利于提高空气通路的稳定性，从而改善了环氧树脂复合粉末浸润性能。再者，本发明在聚丙烯酸酯纳米胶乳的合成中，通过在滴加过程中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，引入环氧基团，在浸渍成型过程中可以与环氧树脂在固化剂的作用下发生交联，因此虽然在浸渍成型的初期存在较大的相分离(空气通路)，但浸渍后期可以通过交联作用形成连续稳定的树脂膜，从而提高整体的力学性能表现。此外，本发明合成的第二浸渍粉末也对复合材料的抗冲击性能有显著的提升作用。
其中，所述环氧树脂由环氧树脂E-51和环氧树脂E-44按重量比3:1的比例组成。
其中，所述固化剂为双氰胺类固化剂，所述固化促进剂为脲类促进剂。
其中，所述增韧剂为端羧基丁腈橡胶、端羟基丁腈橡胶和端氨基丁腈橡胶中的至少一种，所述抗氧化剂为抗氧化剂168和/或抗氧化剂1010，所述润滑剂为硬脂酸钙。
其中，所述第一浸渍粉末的平均粒径为40-50μm，所述聚丙烯酸酯纳米胶乳的乳胶粒平均粒径为160-230nm，所述碳纳米管的平均管径为20-30nm。
其中，所述乳化剂为十二烷基硫酸钠，所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
其中，所述粉末浸渍成型的操作为：将环氧树脂复合粉末铺洒在碳纤维层上下表面后，在环氧树脂复合粉末的表面再覆盖一层分离膜，放入模具中进行热压成型，热压成型的温度为80-100℃，热压压力为1-2MPa，热压时间为6-10min，然后进行冷却，剥除分离膜，即得到碳纤维增强环氧树脂预浸料。
其中，碳纤维增强环氧树脂预浸料中树脂含量为40-50wt％。
其中，所述碳纤维层为碳纤维T300，所述自行车架由8-10层碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，热压温度为130-140℃，热压压力为1-2MPa，热压时间为10-20min。
本发明的有益效果在于：本发明减小了第一浸渍粉末中的增韧剂含量，并通过乳液聚合法合成聚丙烯酸酯纳米胶乳，干燥后即为聚丙烯酸纳米乳胶粒，与第一浸渍粉末混合，除了起到常规增韧剂的作用外，另一重要作用在于作为隔离剂分散于第一浸渍粉末中，从而减缓了环氧树脂成膜的进程，在第一浸渍粉末之间形成具有一定稳定性的通路，从而便于引出碳纤维的空气使第一浸渍粉末熔融进入碳纤维的空隙中。其次，为了提高分散均匀性和空气通路的稳定性，在第二浸渍粉末内还加入了碳纳米管，第一浸渍粉末、聚丙烯酸酯乳胶粒和碳纳米管作为三种不同粒径尺寸的物质可以充分互相填充，提高分散均匀性，而且碳纳米管中空以及不参与熔融的特性，也有利于提高空气通路的稳定性，从而改善了环氧树脂复合粉末浸润性能。再者，本发明在聚丙烯酸酯纳米胶乳的合成中，通过在滴加过程中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，引入环氧基团，在浸渍成型过程中可以与环氧树脂在固化剂的作用下发生交联，因此虽然在浸渍成型的初期存在较大的相分离(空气通路)，但浸渍后期可以通过交联作用形成连续稳定的树脂膜，从而提高整体的力学性能表现。此外，本发明合成的第二浸渍粉末也对复合材料的抗冲击性能有显著的提升作用。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种碳纤维自行车架，通过若干碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，所述碳纤维增强环氧树脂预浸料由碳纤维层和环氧树脂复合粉末通过粉末浸渍成型，所述环氧树脂复合粉末通过如下方法制得：
(1)称取100重量份环氧树脂、8重量份固化剂、0.7重量份固化促进剂、15重量份增韧剂、1.5重量份抗氧化剂和5重量份润滑剂进行混合，然后加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，得到的颗粒进行气流粉碎，得到第一浸渍粉末；
(2)在100重量份的去离子水中加入0.3重量份乳化剂，搅拌均匀后，加入8重量份甲基丙烯酸甲酯、10重量份丙烯酸丁酯、3重量份丙烯酸和0.03重量份引发剂，加热至70℃并保温反应75min，然后再匀速滴加5重量份甲基丙烯酸甲酯、8重量份丙烯酸丁酯、3重量份甲基丙烯酸缩水甘油酯和0.03重量份引发剂，滴加完成后保温反应75min，得到聚丙烯酸酯纳米胶乳；
(3)往所述聚丙烯酸酯纳米胶乳中加入碳纳米管，超声分散后进行破乳、沉淀、过滤、洗涤和干燥，得到第二浸渍粉末，碳纳米管的加入量为聚丙烯酸酯纳米胶乳的2wt％；
(4)将所述第一浸渍粉末和第二浸渍粉末按重量比10:1.5的比例加入到高速混合机中进行混合，即得到所述环氧树脂复合粉末。
其中，所述环氧树脂由环氧树脂E-51和环氧树脂E-44按重量比3:1的比例组成。
其中，所述固化剂为双氰胺类固化剂，所述固化促进剂为脲类促进剂。
其中，所述增韧剂为端羧基丁腈橡胶，所述抗氧化剂为抗氧化剂168和抗氧化剂1010按重量比1:1组成的混合物，所述润滑剂为硬脂酸钙。
其中，所述第一浸渍粉末的平均粒径为43μm，所述聚丙烯酸酯纳米胶乳的乳胶粒平均粒径为180nm，所述碳纳米管的平均管径为25nm。
其中，所述乳化剂为十二烷基硫酸钠，所述引发剂为过硫酸钾
其中，所述粉末浸渍成型的操作为：将环氧树脂复合粉末铺洒在碳纤维层上下表面后，在环氧树脂复合粉末的表面再覆盖一层分离膜，放入模具中进行热压成型，热压成型的温度为90℃，热压压力为1.5MPa，热压时间为8min，然后进行冷却，剥除分离膜，即得到碳纤维增强环氧树脂预浸料。
其中，碳纤维增强环氧树脂预浸料中树脂含量为45wt％。
其中，所述碳纤维层为碳纤维T300，所述自行车架由9层碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，热压温度为135℃，热压压力为1.5MPa，热压时间为15min。
实施例2
一种碳纤维自行车架，通过若干碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，所述碳纤维增强环氧树脂预浸料由碳纤维层和环氧树脂复合粉末通过粉末浸渍成型，所述环氧树脂复合粉末通过如下方法制得：
(1)称取100重量份环氧树脂、6重量份固化剂、0.5重量份固化促进剂、10重量份增韧剂、1重量份抗氧化剂和4重量份润滑剂进行混合，然后加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，得到的颗粒进行气流粉碎，得到第一浸渍粉末；
(2)在100重量份的去离子水中加入0.1重量份乳化剂，搅拌均匀后，加入6重量份甲基丙烯酸甲酯、8重量份丙烯酸丁酯、2重量份丙烯酸和0.01重量份引发剂，加热至65℃并保温反应60min，然后再匀速滴加4重量份甲基丙烯酸甲酯、7重量份丙烯酸丁酯、2重量份甲基丙烯酸缩水甘油酯和0.01重量份引发剂，滴加完成后保温反应60min，得到聚丙烯酸酯纳米胶乳；
(3)往所述聚丙烯酸酯纳米胶乳中加入碳纳米管，超声分散后进行破乳、沉淀、过滤、洗涤和干燥，得到第二浸渍粉末，碳纳米管的加入量为聚丙烯酸酯纳米胶乳的1wt％；
(4)将所述第一浸渍粉末和第二浸渍粉末按重量比10:1的比例加入到高速混合机中进行混合，即得到所述环氧树脂复合粉末。
其中，所述环氧树脂由环氧树脂E-51和环氧树脂E-44按重量比3:1的比例组成。
其中，所述固化剂为双氰胺类固化剂，所述固化促进剂为脲类促进剂。
其中，所述增韧剂为端羟基丁腈橡胶，所述抗氧化剂为抗氧化剂168，所述润滑剂为硬脂酸钙。
其中，所述第一浸渍粉末的平均粒径为40μm，所述聚丙烯酸酯纳米胶乳的乳胶粒平均粒径为160nm，所述碳纳米管的平均管径为20nm。
其中，所述乳化剂为十二烷基硫酸钠，所述引发剂为过硫酸铵。
其中，所述粉末浸渍成型的操作为：将环氧树脂复合粉末铺洒在碳纤维层上下表面后，在环氧树脂复合粉末的表面再覆盖一层分离膜，放入模具中进行热压成型，热压成型的温度为80℃，热压压力为1MPa，热压时间为6min，然后进行冷却，剥除分离膜，即得到碳纤维增强环氧树脂预浸料。
其中，碳纤维增强环氧树脂预浸料中树脂含量为40wt％。
其中，所述碳纤维层为碳纤维T300，所述自行车架由8层碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，热压温度为130℃，热压压力为1MPa，热压时间为10min。
实施例3
一种碳纤维自行车架，通过若干碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，所述碳纤维增强环氧树脂预浸料由碳纤维层和环氧树脂复合粉末通过粉末浸渍成型，所述环氧树脂复合粉末通过如下方法制得：
(1)称取100重量份环氧树脂、10重量份固化剂、0.9重量份固化促进剂、20重量份增韧剂、2重量份抗氧化剂和6重量份润滑剂进行混合，然后加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，得到的颗粒进行气流粉碎，得到第一浸渍粉末；
(2)在100重量份的去离子水中加入0.5重量份乳化剂，搅拌均匀后，加入10重量份甲基丙烯酸甲酯、12重量份丙烯酸丁酯、4重量份丙烯酸和0.05重量份引发剂，加热至75℃并保温反应90min，然后再匀速滴加6重量份甲基丙烯酸甲酯、9重量份丙烯酸丁酯、4重量份甲基丙烯酸缩水甘油酯和0.05重量份引发剂，滴加完成后保温反应90min，得到聚丙烯酸酯纳米胶乳；
(3)往所述聚丙烯酸酯纳米胶乳中加入碳纳米管，超声分散后进行破乳、沉淀、过滤、洗涤和干燥，得到第二浸渍粉末，碳纳米管的加入量为聚丙烯酸酯纳米胶乳的3wt％；
(4)将所述第一浸渍粉末和第二浸渍粉末按重量比10:2的比例加入到高速混合机中进行混合，即得到所述环氧树脂复合粉末。
其中，所述环氧树脂由环氧树脂E-51和环氧树脂E-44按重量比3:1的比例组成。
其中，所述固化剂为双氰胺类固化剂，所述固化促进剂为脲类促进剂。
其中，所述增韧剂为端氨基丁腈橡胶，所述抗氧化剂为抗氧化剂1010，所述润滑剂为硬脂酸钙。
其中，所述第一浸渍粉末的平均粒径为50μm，所述聚丙烯酸酯纳米胶乳的乳胶粒平均粒径为230nm，所述碳纳米管的平均管径为30nm。
其中，所述乳化剂为十二烷基硫酸钠，所述引发剂为过硫酸铵。
其中，所述粉末浸渍成型的操作为：将环氧树脂复合粉末铺洒在碳纤维层上下表面后，在环氧树脂复合粉末的表面再覆盖一层分离膜，放入模具中进行热压成型，热压成型的温度为100℃，热压压力为2MPa，热压时间为10min，然后进行冷却，剥除分离膜，即得到碳纤维增强环氧树脂预浸料。
其中，碳纤维增强环氧树脂预浸料中树脂含量为50wt％。
其中，所述碳纤维层为碳纤维T300，所述自行车架由10层碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，热压温度为140℃，热压压力为2MPa，热压时间为20min。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于：
所述环氧树脂复合粉末通过如下方法制得：
称取100重量份环氧树脂、8重量份固化剂、0.7重量份固化促进剂、30重量份增韧剂、1.5重量份抗氧化剂和5重量份润滑剂进行混合，然后加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，得到的颗粒进行气流粉碎，得到环氧树脂复合粉末。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于：
所述环氧树脂复合粉末通过如下方法制得：
(1)在100重量份的去离子水中加入0.3重量份乳化剂，搅拌均匀后，加入8重量份甲基丙烯酸甲酯、10重量份丙烯酸丁酯、3重量份丙烯酸和0.03重量份引发剂，加热至70℃并保温反应75min，然后再匀速滴加5重量份甲基丙烯酸甲酯、8重量份丙烯酸丁酯、3重量份甲基丙烯酸缩水甘油酯和0.03重量份引发剂，滴加完成后保温反应75min，得到聚丙烯酸酯纳米胶乳；
(2)往所述聚丙烯酸酯纳米胶乳中加入碳纳米管，超声分散后进行破乳、沉淀、过滤、洗涤和干燥，得到浸渍粉末，碳纳米管的加入量为聚丙烯酸酯纳米胶乳的2wt％；
(3)称取100重量份环氧树脂、8重量份固化剂、0.7重量份固化促进剂、15重量份增韧剂、15重量份浸渍粉末、1.5重量份抗氧化剂和5重量份润滑剂进行混合，然后加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，得到的颗粒进行气流粉碎，得到环氧树脂复合粉末。
将实施例1、对比例1和对比例2的碳纤维自行车架按照ISO4210进行测试，测试指标和结果如下：
Figure BDA0003228457720000101
经测试，本实施例1的各项测试项目均达到指标要求，对比例1仅在五通刚性和头管刚性达到指标要求，对比例2在五通踏力疲劳、震动疲劳和头管水平疲劳测试上均无法到指标要求。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纤维自行车架，其特征在于：通过若干碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，所述碳纤维增强环氧树脂预浸料由碳纤维层和环氧树脂复合粉末通过粉末浸渍成型，所述环氧树脂复合粉末通过如下方法制得：
(1)称取100重量份环氧树脂、6-10重量份固化剂、0.5-0.9重量份固化促进剂、10-20重量份增韧剂、1-2重量份抗氧化剂和4-6重量份润滑剂进行混合，然后加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出造粒，得到的颗粒进行气流粉碎，得到第一浸渍粉末；
(2)在100重量份的去离子水中加入0.1-0.5重量份乳化剂，搅拌均匀后，加入6-10重量份甲基丙烯酸甲酯、8-12重量份丙烯酸丁酯、2-4重量份丙烯酸和0.01-0.05重量份引发剂，加热至65-75℃并保温反应60-90min，然后再匀速滴加4-6重量份甲基丙烯酸甲酯、7-9重量份丙烯酸丁酯、2-4重量份甲基丙烯酸缩水甘油酯和0.01-0.05重量份引发剂，滴加完成后保温反应60-90min，得到聚丙烯酸酯纳米胶乳；
(3)往所述聚丙烯酸酯纳米胶乳中加入碳纳米管，超声分散后进行破乳、沉淀、过滤、洗涤和干燥，得到第二浸渍粉末，碳纳米管的加入量为聚丙烯酸酯纳米胶乳的1-3wt％；
(4)将所述第一浸渍粉末和第二浸渍粉末按重量比10:1-2的比例加入到高速混合机中进行混合，即得到所述环氧树脂复合粉末。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：所述环氧树脂由环氧树脂E-51和环氧树脂E-44按重量比3:1的比例组成。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：所述固化剂为双氰胺类固化剂，所述固化促进剂为脲类促进剂。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：所述增韧剂为端羧基丁腈橡胶、端羟基丁腈橡胶和端氨基丁腈橡胶中的至少一种，所述抗氧化剂为抗氧化剂168和/或抗氧化剂1010，所述润滑剂为硬脂酸钙。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：所述第一浸渍粉末的平均粒径为40-50μm，所述聚丙烯酸酯纳米胶乳的乳胶粒平均粒径为160-230nm，所述碳纳米管的平均管径为20-30nm。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：所述乳化剂为十二烷基硫酸钠，所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：所述粉末浸渍成型的操作为：将环氧树脂复合粉末铺洒在碳纤维层上下表面后，在环氧树脂复合粉末的表面再覆盖一层分离膜，放入模具中进行热压成型，热压成型的温度为80-100℃，热压压力为1-2MPa，热压时间为6-10min，然后进行冷却，剥除分离膜，即得到碳纤维增强环氧树脂预浸料。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：碳纤维增强环氧树脂预浸料中树脂含量为40-50wt％。
9.根据权利要求1所述的一种碳纤维自行车架，其特征在于：所述碳纤维层为碳纤维T300，所述自行车架由8-10层碳纤维增强环氧树脂预浸料层叠热压成型，热压温度为130-140℃，热压压力为1-2MPa，热压时间为10-20min。
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