CN115960455A - 一种彩色零收缩碳纤维增强smc片状模塑料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料及其制备方法，所述彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料包括树脂基体和碳纤维，所述树脂基体按重量份计，包括聚氨酯基树脂80‑100份、固化剂0.8‑1.5份、非极性低收缩添加剂3‑10份、极性低收缩添加剂5‑15份、增稠剂20‑35份、阻聚剂0.03‑0.1份、润湿分散剂0.5‑2份、色浆3‑6份、脱模剂3‑6份。通过添加两种不同类型的低收缩添加剂与聚氨酯基树脂配合，在保证SMC片状模塑料制品机械性能基础上，解决了SMC片状模塑料制品外观缩痕的问题，并且还实现了不同颜色SMC片状模塑料的制备。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料领域，具体涉及一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料及其制备方法。
技术背景
碳纤维是一种高强度高模量的功能性纤维，在航空航天、风电、轨道交通等领域已经有一定应用，近年来在汽车上应用也逐渐增加，因此，适于制备造型复杂零部件的碳纤维增强SMC片状模塑料（CF-SMC）的应用也逐渐增加。随着CF-SMC的应用，在产品满足力学性能前提下，对产品表观质量的要求也越来越高。但是CF-SMC产品在模压后，从模具中取出来的过程中，产品迅速冷却，树脂会发生收缩，由于树脂收缩会导致产品出现缩痕，对着光线看，会出现凹凸不平的缺陷，这种外观缩痕，会影响产品外观平整度和美观，需要进行打磨处理，打磨后表面的光亮面被破坏，部分内部砂眼、鼓包等显露出来，需要重复喷漆来遮盖，重复喷漆会产生额外人工和涂料费用，成本增加；另外，由于产品收缩，尺寸会有所变化，产品外形尺寸、孔位置、BOSS柱位置相应发生变化，也会影响后续装配，导致零部件与车身匹配不上。
此外，目前碳纤维增强SMC片状模塑料多数采用的是不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂，不饱和聚酯树脂苯乙烯含量高，VOC严重超标，且树脂本身强度低，与碳纤维复合后不能发挥碳纤维的高强度和高模量的优势；乙烯基树脂虽然强度有所提高，但树脂中还是含有少量苯乙烯气味问题没有解决掉，并且增稠效果不好；环氧树脂虽然低VOC，气味很小，强度比不饱和聚酯树脂高，但是环氧树脂粘度高，增稠快，且片材很硬，不好裁剪，模压时保压时间长，均在10Min以上，并且开模后比较软，容易变形，环氧SMC的常温存储时间在两周内，不利于储存。
再有，现有碳纤维增强SMC片状模塑料的颜色为碳纤维和树脂的本色，其制成的产品后续还需要多道喷漆加工，对于彩色碳纤维增强SMC片状模塑料的研究和应用还比较少。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供一种彩色的零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，具体技术方案如下:
一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，包括树脂基体和短切碳纤维，所述树脂基体和短切碳纤维的重量百分比为（40-45）：（55-60）；所述树脂基体按原料重量份计，包括：
聚氨酯基树脂：80-100份；
固化剂：0.8-1.5份；
非极性低收缩添加剂：3-10份；
极性低收缩添加剂：5-15份；
阻聚剂：0.03-0.1份；
润湿分散剂：0.5-2份；
色浆：3-6份；
脱模剂：3-6份；
增稠剂：20-35份。
在另一个实施例中，所述聚氨酯基树脂为可增稠的改性聚氨酯基树脂，具体是由环氧树脂改性后，再在分子链上嫁接不饱和双键而成，其黏度范围在200-300mPa.s。
进一步的，所述改性聚氨酯基树脂，其改性方法包括以下步骤：
步骤一、按重量份计，将100份聚醚多元醇、2-28份叔胺基聚醚醇、10-50份环氧树脂置于真空下和120-130℃温度条件下，脱水1-2h后冷却备用；
步骤二、将脱水冷却后的叔胺基聚醚醇、环氧树脂混合升温至100℃进行预反应，随后加入聚醚多元醇，搅拌均匀后升温至70℃，随后滴加20-40重量份的二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），充分反应，得到聚氨酯预聚体；
步骤三、将步骤二获得的聚氨酯预聚体与10-35重量份的羟基丙烯酸酯进行混合反应，得到改性聚氨酯基树脂。
在另一个实施例中，所述增稠剂为多亚甲基多苯基异氰酸酯，所述多亚甲基多苯基异氰酸酯为异氰酸酯与二苯基甲烷二异氰酸酯的混合而成；所述异氰酸酯的官能度为2.6-2.7。
在另一个实施例中，所述非极性低收缩添加剂是PS、PE、PP中任意一种或多种组合。
在另一个实施例中，所述极性低收缩添加剂是PVAc、饱和聚酯中任意一种或二者组合。
在另一个实施例中，按聚氨酯基树脂100重量份，所述非极性低收缩添加剂配3-5重量份；所述极性低收缩添加剂配5-10重量份。
进一步的，为解决色浆在模压过程中可能会变色，所述色浆采用耐高温190℃的色浆。
进一步的，所述一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料的克重为2000-2600g/㎡，黏度在1×106～1×108MPa.s。
一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配置树脂基体；
S12、将聚氨酯基树脂、非极性低收缩添加剂和极性低收缩添加剂按重量配比进行混合和搅拌，搅拌速度500-600r/min，搅拌时间5-10min,得到混合胶料A；
S13、在混合胶料A中按重量配比加入固化剂、阻聚剂、润湿分散剂，进行混合和搅拌，搅拌速度500-600r/min，搅拌时间5-10min，得到混合胶料B；
S14、在混合胶料B中按重量配比加入脱模剂进行搅拌混合，搅拌速度500-600r/min,搅拌时间5-10min，制得混合胶料C；
S15、将混合胶料C、增稠剂和色浆按重量配比混合得到树脂基体，输送至SMC生产线的前、后胶槽；
S2、刮胶：调整前、后胶槽刮刀间隙，具体前胶槽刮刀间隙设置为0.5-1.0mm，后胶槽刮刀间隙设置为0.7-1.2mm，将上、下胶槽中的树脂基体在上、下两层承载膜均匀涂覆，涂覆厚度在0.5-1.2mm；
S3、铺设短切碳纤维层：按树脂基体和碳纤维重量百分比，向下承载膜上散落铺设短切碳纤维层；
S4、浸渍：将涂覆有树脂基体的上承载膜与铺设有短切碳纤维层的下承载膜合在一起，并通过排气辊、浸渍辊，使树脂基体充分浸润短切碳纤维；
S5、收卷；
S6、熟化：将收卷包装的碳纤维增强SMC片状模塑料放入熟化室增稠，熟化温度为33-35℃，熟化时间5-7天，使树脂充分浸透纤维，制得成品。
有益效果：
（1）树脂基体采用了两种不同类型的低收缩剂复配，与固化剂、增稠剂、脱模剂、润湿分散剂、降粘剂、防分相助剂等共同作用，使得制成的碳纤维增强SMC片状模塑料，避免了产品成型后发生收缩，解决了现有技术SMC制品缩痕问题，提高了产品表观质量；还保证了产品上孔位的准确性，为车身装配提供良好的零件尺寸，保证装配过程的顺利；产品外观质量良好，可以减少后续打磨喷漆等加工处理，节约成本；
（2）提供彩色的CF-SMC片状模塑料，可直接制成车身颜色，减少后续喷漆工序；
（3）本发明中的聚氨酯基树脂粘度低，粘度范围在200-300mPa.s,有利于高含量纤维的浸渍，同时满足增稠效果，获得软硬适中的片材，低VOC，与环氧树脂媲美，满足客户端气味要求，其模压工艺固化时间短，开模后产品尺寸形状稳定，无需降温，生产效率高达5m/min，与不饱和聚酯树脂效率一样。树脂的Tg值高，达到150℃，满足高温环境进行使用。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。
第一方面，本发明提供了一种彩色零收缩碳纤维SMC片状模塑料，包括树脂基体与短切碳纤维，所述树脂基体与短切碳纤维的重量百分比为（40-45）:（55-60），所述树脂基体包含如下重量份数的各组分：
聚氨酯基树脂：80-100份；
固化剂：0.8-1.5份；
非极性低收缩添加剂：3-10份；
极性低收缩添加剂：5-15份；
阻聚剂：0.03-0.1份；
润湿分散剂：0.5-2份；
色浆：3-6份；
脱模剂：3-6份；
增稠剂：20-35份；
脱模剂：3-6份。
所述聚氨酯基树脂为可增稠的改性聚氨酯基树脂，具体是由环氧树脂改性后，再在分子链上嫁接不饱和双键而成，其粘度范围在200-300mPa.s。
所述改性聚氨酯基树脂，其改性方法包括以下步骤：
步骤一、按重量份计，将100份聚醚多元醇、2-28份叔胺基聚醚醇、10-50份环氧树脂置于真空下和120-130℃温度条件下，脱水1-2h后冷却备用；
步骤二、将脱水冷却后的叔胺基聚醚醇、环氧树脂混合升温至100℃进行预反应，随后加入聚醚多元醇，搅拌均匀后升温至70℃，随后滴加20-40重量份的MDI，反应得到聚氨酯预聚体；
步骤三、将聚氨酯预聚体与10-35重量份的羟基丙烯酸酯进行混合反应，得到改性聚氨酯基树脂。
所述增稠剂为多亚甲基多苯基异氰酸酯，为异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物，所述异氰酸酯官能团为2.6-2.7。
所述非极性低收缩添加剂是PS、PE、PP中任意一种或多种形成的组合物。
所述极性低收缩添加剂是PVAc、饱和聚酯中中任意一种或二者的组合。
所述聚氨酯基树脂按100重量份计，则所述非极性低收缩添加剂为3-5重量份，所述极性低收缩添加剂为5-10重量份。
第二方面，本发明还提供了一种彩色零收缩碳纤维SMC片状模塑料的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备树脂基体，具体包括：
S11、按重量配比将聚氨酯基树脂、非极性低收缩添加剂、极性低收缩添加剂进行搅拌混合，搅拌速度500-500 r/min,搅拌时间5-10min；
S12、向S11步骤中形成的树脂混合物中按重量配比加入固化剂、阻聚剂、润湿分散剂，进行搅拌混合，搅拌速度500-600 r/min，搅拌时间5-10min；
S13、向S12步骤中形成的树脂混合物中按重量配比加入脱模剂，搅拌速度500-600r/min，搅拌时间5min；
S14、将S13步骤制成的树脂混合物、增稠剂和色浆按重量配比混合后输送至SMC生产线前、后胶槽；
S2、刮胶：调整前、后胶槽刮刀间隙，具体前胶槽刮刀间隙设置为0.5-1.0mm，后胶槽刮刀间隙设置为0.7-1.2mm，在上下两层承载膜均匀涂覆0.5-1.2mm厚的树脂基体；
S3、铺设短切碳纤维层：按树脂基体和短切碳纤维质量百分比设计，向下承载膜上散落铺设短切碳纤维层；
S4、浸渍：将涂覆有树脂基体的上承载膜与铺设有短切碳纤维层的下承载膜合在一起，并通过排气辊、浸渍辊，使树脂基体充分浸润短切碳纤维；
S5、收卷
S6、熟化：将收卷包装的碳纤维增强SMC片状膜塑料放入熟化室增稠，熟化温度为33-35℃，熟化时间5-7天，使树脂充分浸透纤维，制得成品。
以下，将通过具体的实施例对本发明的碳纤维增强SMC片状模塑料进行详细描述。
实施例1
一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，其特征在于包括树脂基体和短切碳纤维，所述树脂基体与短切碳纤维的重量百分比为45%：55%，所述树脂基体包括以下重量份数的组分：
可增稠的聚氨酯基树脂，重量份数为100份，
固化剂，具体可选用阿克苏诺贝尔TRIGONOX C，重量份数为1.5份；
非极性低收缩添加剂，具体选用聚苯乙烯H814-902，重量份数为3份；
极性低收缩添加剂，具体选用H892-02饱和型聚酯，重量份数为5份；
阻聚剂，具体选用对苯醌，重量份数为0.05份；
润湿分散剂，具体选用W972，重量份数为0.5份；
色浆，选用可耐高温190℃的色浆，重量份数为3份；
磷酸酯类脱模剂，重量份数为3份；
增稠剂，重量份数为26份。
实施例2
与实施例1不同的在于，所述树脂基体中各组分及重量份如下：
可增稠的聚氨酯基树脂，重量份数为100份；
固化剂为TRIGONOX C，重量份数为 1.1份；
非极性低收缩添加剂，型号为改性聚苯乙烯H814-905，重量份数为5份；
极性低收缩添加剂，型号为BEYONE 875-H-02，重量份数为8份；
阻聚剂为对苯醌，重量份数为0.03份；
润湿分散剂W972，重量份数为1份；
色浆，可耐高温190℃，重量份数为5份；
脱模剂7011，重量份数为3份；
增稠剂，重量份数为24份。
实施例3
与实施例1不同的在于，所述树脂基体中各组分及重量份如下：
可增稠的聚氨酯基树脂，重量份数为100份；
固化剂为TRIGONOX C，重量份数为 1.1份；
非极性低收缩添加剂，型号为改性聚苯乙烯H814-905，重量份数为5份；
极性低收缩添加剂，型号为BEYONE 875-H-02，重量份数为12份；
阻聚剂为对苯醌，重量份数为0.03份；
润湿分散剂W972，重量份数为1份；
色浆，可耐高温190℃，重量份数为5份；
脱模剂7011，重量份数为3份；
增稠剂，重量份数为24份。
实施例4
与实施例1不同的在于，所述树脂基体中各组分及重量份如下：
可增稠的聚氨酯基树脂，重量份数为100份；
固化剂为TRIGONOX C，重量份数为 1.1份；
非极性低收缩添加剂，型号为改性聚苯乙烯H814-905，重量份数为8份；
极性低收缩添加剂，型号为BEYONE 875-H-02，重量份数为10份；
阻聚剂为对苯醌，重量份数为0.03份；
润湿分散剂W972，重量份数为1份；
色浆，可耐高温190℃，重量份数为5份；
脱模剂7011，重量份数为3份；
增稠剂，重量份数为24份。
实施例5
与实施例1不同的是，所述树脂基体中各组分的重量份如下：
可增稠的改性聚氨酯基树脂，重量份数为100份；
固化剂为TRIGONOX C，重量份数为 1.2份；
非极性低收缩添加剂，型号为改性聚苯乙烯H814-905，重量份数为10份；
极性低收缩添加剂，型号为高强改性饱和聚酯H2700-01，重量份数为15份；
阻聚剂为对苯醌，重量份数为0.06份；
润湿分散剂W972，重量份数为1.5份；
色浆，可耐高温190℃，重量份数为6份；
磷酸酯类脱模剂，重量份数为2.8份；
增稠剂，重量份数为23份。
通过对实施例1-5制备的SMC片状模塑料制备的碳纤维复合材料制品进行性能测试，结果如表1所示。
表1
| 性能 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| 拉伸强度（MPa) | 220 | 215 | 200 | 195 | 180 |
| 拉伸模量（GPa） | 30 | 30 | 27 | 27 | 24 |
| 弯曲强度（MPa） | 310 | 305 | 295 | 290 | 240 |
| 弯曲模量（GPa） | 27 | 27 | 26 | 25 | 22 |
| 密度（g/cm³） | 1.45 | 1.45 | 1.45 | 1.45 | 1.44 |
| 收缩率（%） | 0.0005 | 0.0004 | 0.0003 | 0.0003 | 0 |
由表1可知，在树脂基体与碳纤维比例一定的前提下，随着树脂基体中极性低收缩添加剂和非极性低收缩添加剂的量的增加，产品收缩率得到了相应改善，并且随着添加量增加，产品收缩率改善越优异。但是随着非极性低收缩添加剂超过5重量份，或极性低收缩添加剂超过10重量份时，产品机械性能出现了降低。
Claims (8)
1.一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，包括树脂基体和短切碳纤维，所述树脂基体重量百分比为40%-45%，所述短切碳纤维重量百分比为55%-60%，其特征在于所述树脂基体按原料重量份计，包括：
聚氨酯基树脂：80-100份；
固化剂：0.8-1.5份；
非极性低收缩添加剂：3-10份；
极性低收缩添加剂：5-15份；
增稠剂：20-35份；
阻聚剂：0.03-0.1份；
润湿分散剂：0.5-2份；
色浆：3-6份；
脱模剂：3-6份。
2.根据权利要求1所述的一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，其特征在于所述聚氨酯基树脂为可增稠的改性聚氨酯基树脂，其黏度范围在200-300mPa.s。
3.根据权利要求2所述的一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，其特征在于所述改性聚氨酯基树脂的改性方法包括以下步骤：
步骤一、按重量份计，将100份聚醚多元醇、2-28份叔胺基聚醚醇、10-50份环氧树脂置于真空和120-130℃温度条件下，脱水1-2h后冷却备用；
步骤二、将脱水冷却后的叔胺基聚醚醇、环氧树脂混合均匀后升温至100℃进行预反应，随后加入聚醚多元醇，搅拌均匀后升温至70℃，随后滴加20-40重量份的MDI，反应得到聚氨酯预聚体；
步骤三、将聚氨酯预聚体与10-35重量份的羟基丙烯酸酯进行混合反应，得到改性聚氨酯基树脂。
4.根据权利要求1所述的一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，其特征在于所述聚氨酯基树脂按100重量份为基准，所述非极性低收缩添加剂配3-5重量份；所述极性低收缩添加剂配5-10重量份。
5.根据权利要求1所述的一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，其特征在于所述增稠剂为多亚甲基多苯基异氰酸酯，所述多亚甲基多苯基异氰酸脂包含异氰酸酯与二苯基甲烷二异氰酸酯；所述异氰酸酯官能度为2.6-2.7。
6.根据权利要求1所述的一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，其特征在于所述非极性低收缩添加剂是PS、PE、PP中的任意一种或多种混合，极性低收缩添加剂为PVAc、饱和聚酯中任意一种或二者的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料，其特征在于所述SMC片状模塑料克重为2000-2600g/㎡，黏度在1×106-1×108mPa.s。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种彩色零收缩碳纤维增强SMC片状模塑料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、配置树脂基体，具体包括以下步骤：
S11、按重量配比将聚氨酯基树脂、非极性低收缩添加剂和极性低收缩添加剂进行搅拌混合，搅拌速度500-600r/min，搅拌时间5-10min,得到混合胶料A；
S12、在混合胶料A中，按重量配比加入固化剂、阻聚剂、润湿分散剂进行搅拌混合，搅拌速度500-600r/min，搅拌时间5-10min，得到混合胶料B；
S13、在混合胶料B中按重量配比加入脱模剂进行搅拌混合，搅拌速度500-600r/min,搅拌时间5-10min，制得混合胶料C；
S14、将混合胶料C、增稠剂和色浆按重量份配比混合后输送至SMC生产线的前、后胶槽；
S2、刮胶：调整前、后胶槽刮刀间隙，具体前胶槽刮刀间隙设置为0.5-1.0mm，后胶槽刮刀间隙设置为0.7-1.2mm，将上、下胶槽中的树脂基体均匀涂覆在上、下承载膜上，涂覆厚度在0.5-1.2mm；
S3、铺设短切碳纤维层：按树脂基体和碳纤维重量配比，在下承载膜上散落铺设短切碳纤维层；
S4、浸渍：将涂覆有树脂基体的上承载膜与铺设有短切碳纤维层的下承载膜合在一起，并通过排气辊、浸渍辊，使树脂基体充分浸润短切碳纤维；
S5、收卷；
S6、熟化：将收卷包装的碳纤维SMC片状模塑料放入熟化室增稠，熟化温度为33-35℃，熟化时间5-7天，使树脂充分浸透纤维，制得成品。
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