CN116118312A - 玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板及其制备方法。所述方法包括将热塑性PC树脂制成流延膜，与玻纤布和碳纤布分别复合制成GF/PC预浸料、CF/PC预浸料，并将这两种预浸料分别对称叠层铺设，制成复合层，将复合层模压加热成型，最终制得玻碳布混编的热塑性复合有机板。本发明通过玻纤和碳纤的对称铺设，抵消了玻纤布和碳纤布因收缩率和刚性不一致产生的应力差异，避免复合板材发生翘曲变形，提高了复合板材的综合性能，同时还兼具防火阻燃、低烟低毒、轻质等特点，完全符合高铁领域诸如内外饰用材料对力学性能及防火阻燃等性能方面的要求。

Description

玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板及其制备方法。
背景技术
随着新材料发展的趋势，纤维增强热塑性复合材料由于具有断裂韧性高、断裂伸长率高等优点，已被应用于汽车、轨道交通、电子电气和机械等诸多领域。其中，高铁领域所用内饰材料对强度等力学性能、轻量化、工艺性等均有更高的要求。现有的编织型复合板材以单一纤维布为主，例如玻纤板，刚性略差，韧性好，相对便宜，但外观差；再如碳纤板，刚性好，韧性差，价格昂贵，但外观漂亮。而普通的碳纤布和玻纤布混合叠层的热塑性复材由于碳纤和玻纤的刚性不一致，容易导致复材板翘曲变形，影响复材板的强度等力学性能。
发明内容
本发明所要解决的问题是现有的碳纤和玻纤混合叠层的热塑性复合材料由于碳纤和玻纤的刚性不一致，易导致板材翘曲变形，影响复材的力学性能。
为解决上述问题，本发明提供一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，包括：
将PC树脂通过流延成膜法制成PC膜；
按照两层所述PC膜之间加一层纤维布的形式，分别制备CF/PC预浸料和GF/PC预浸料，其中，所述纤维布包括碳纤布或玻纤布；
将所述CF/PC预浸料和所述GF/PC预浸料叠层铺设，得到复合层，其中，所述CF/PC预浸料以所述复合层的中间层对称铺设，所述GF/PC预浸料以所述复合层的中间层对称铺设，当所述复合层为奇数层时，所述复合层的中间层为所述CF/PC预浸料或所述GF/PC预浸料中的一层，当所述复合层为偶数层时，所述复合层的中间层为两个所述CF/PC预浸料的界面层或者两个所述GF/PC预浸料的界面层；
将所述复合层模压成型，得到玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板。
优选地，所述复合层中含有的PC树脂、玻纤布、碳纤布的重量比为30-40％：30-60％：5-25％。
优选地，所述按照两层所述PC膜之间加一层纤维布的形式，分别制备CF/PC预浸料和GF/PC预浸料包括：
将所述PC膜和所述碳纤布按照所述PC膜、所述碳纤布、所述PC膜的顺序放入预浸机中，在加压、加热条件下使所述碳纤布和所述PC膜贴合，制成所述CF/PC预浸料，其中，压力为0.5-1bar，温度为260-270℃；
并将所述PC膜和所述玻纤布按照所述PC膜、所述玻纤布、所述PC膜的顺序放入预浸机中，在加压、加热条件下使所述玻纤布和所述PC膜贴合，制成所述GF/PC预浸料，其中，压力为0.5-1bar，温度为260-270℃。
优选地，所述将所述复合层模压成型包括：对所述复合层进行加热加压，其中，模具加热温度为250-270℃，加热加压时间为5-20min，模压压力为10-20bar。
优选地，所述将所述复合层模压成型还包括：对所述复合层进行冷却保压，其中，模具冷却温度为50-60℃，冷却保压时间为5-10min，保压压力与所述模压压力相同。
优选地，所述复合层中，以所述CF/PC预浸料为面层。
优选地，所述CF/PC预浸料中碳纤布为200gsm的3K碳纤布，所述CF/PC预浸料中PC膜的厚度为0.07-0.09mm。
优选地，所述GF/PC预浸料中玻纤布为600gsm的玻纤布，所述GF/PC预浸料中PC膜的厚度为0.13-0.15mm。
本发明相较于现有技术的优势在于：
本发明首先选取热塑性PC树脂，并将其制成流延膜，与玻纤布和碳纤布分别复合制成GF/PC预浸料、CF/PC预浸料，并将这两种预浸料分别对称叠层铺设，制成复合层，将复合层模压加热成型，最终制得综合玻纤板和碳纤板这两种纤维优势的PC树脂基复合板材，且通过玻纤和碳纤的对称铺设，抵消了玻纤布和碳纤布因收缩率和刚性不一致产生的应力差异，避免复合板材发生翘曲变形，提高了复合板材的综合性能，使得板材的拉伸强度达到400-550Mpa，拉伸模量为20-50Gpa，弯曲强度为600-700Mpa，弯曲模量为20-35Gpa，冲击强度为100-160KJ/m2。同时通过将PC树脂以流延膜形式引入并与纤维布以预浸料的形式复合，还使得制得的复合有机板兼具防火阻燃、低烟低毒、轻质(密度为1.6-1.9g/cm3)等特点，完全符合高铁领域诸如内外饰用材料对力学性能及防火阻燃等性能方面的要求。
本发明还提供一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板，采用如上所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法制得。
本发明还提供一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板在高铁领域的应用。
本发明的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板相比现有技术的优势与玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法相比现有技术的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
图1为玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例的一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，包括：
S110，将PC树脂通过流延成膜法制成PC膜；
S120，按照两层所述PC膜之间加一层纤维布的形式，分别制备CF/PC预浸料和GF/PC预浸料，其中，所述纤维布包括碳纤布或玻纤布；
S130，将所述CF/PC预浸料和所述GF/PC预浸料叠层铺设，得到复合层，其中，所述CF/PC预浸料以所述复合层的中间层对称铺设，所述GF/PC预浸料以所述复合层的中间层对称铺设，所谓复合层的中间层，当所述复合层为奇数层时，所述复合层的中间层为所述CF/PC预浸料和所述GF/PC预浸料中的一层，当所述复合层为偶数层时，所述复合层的中间层为两个所述CF/PC预浸料的界面层或者两个所述GF/PC预浸料的界面层；
S140，将所述复合层模压成型，得到玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板。
本实施例综合了玻纤布和碳纤布的优势，提供了一种玻纤布和碳纤布混合的热塑性复合有机板，制备步骤中，首先将PC树脂流延成PC膜，再通过两层膜加一层布的形式制成预浸料，根据纤维布的不同，制成的预浸料也不同，例如在两层PC膜中加一层碳纤布(简称CF)，则得到的为CF/PC预浸料，在两层PC膜中加一层玻纤布(简称GF)，则得到的为GF/PC预浸料。制成多个预浸料之后，将各预浸料叠层铺设，为了抵消玻纤布与碳纤布由于收缩率和刚性不一致产生的应力差异，本实施例在进行预浸料铺设时，将CF/PC预浸料和GF/PC预浸料对称铺设，所谓对称铺设是指以复合层的中间层为对称层，CF/PC预浸料和所述GF/PC预浸料分别对称铺设，例如按照CF/PC预浸料、GF/PC预浸料、CF/PC预浸料的顺序铺设，此时GF/PC预浸料为复合层的中间层，CF/PC预浸料对称铺设，再如按照CF/PC预浸料、GF/PC预浸料、CF/PC预浸料、CF/PC预浸料、GF/PC预浸料、CF/PC预浸料的顺序铺设成6层的复合层，此时第3层(CF/PC预浸料)与第4层(CF/PC预浸料)之间的界面为复合层的中间层，CF/PC预浸料和GF/PC预浸料分别对称铺设。由此，本实施例通过这种对称叠层铺设形式，避免了玻纤布和碳纤布因刚性不一致而产生应力并进而导致板材翘曲变形的问题，使得碳纤布与玻纤布产生的应力差异相互抵消，且综合了玻纤板和碳纤板的有点，提高了复材板的综合性能。
同时，本实施例选择可快速加工的热塑性PC树脂，一方面便于加工，提高生产效率，另一方面，通过将其制成流延膜，并与玻纤布和碳纤布模压复合，使得纤维间的孔隙完全由树脂填充，得到全浸渍的热塑性板材，提高了复材板的强度，同时还具有防火阻燃、低烟低毒等优势，符合高铁领域例如高铁内外饰材料对力学性能及防火阻燃等性能方面的要求。
因此，本实施例采用模压工艺进行快速压板层合，制成符合轨交行业尤其是高铁领域要求的轻量化新型热塑性复合板材。
其中一些实施方式中，所述复合层中含有的PC树脂、玻纤布、碳纤布的重量比为30-40％：30-60％：5-25％。通过上述配比，可以保证复材板具有较高的强度等力学性能。
其中一些实施方式中，所述按照两层所述PC膜之间加一层纤维布的形式，分别制备CF/PC预浸料和GF/PC预浸料包括：
将所述PC膜和所述碳纤布按照所述PC膜、所述碳纤布、所述PC膜的顺序放入预浸机中，在加压、加热条件下使所述碳纤布和所述PC膜贴合，制成所述CF/PC预浸料，其中，压力为0.5-1bar，温度为260-270℃；
并将所述PC膜和所述玻纤布按照所述PC膜、所述玻纤布、所述PC膜的顺序放入预浸机中，在加压、加热条件下使所述玻纤布和所述PC膜贴合，制成所述GF/PC预浸料，其中，压力为0.5-1bar，温度为260-270℃。
本实施例通过采用两膜夹一布的形式，在加热、加压的情况下，使得纤维布和树脂膜初步贴合在一起，形成了“三明治”式预浸料，该预浸料可在常温下长期保存，便于后续制备复材板时选用。上述加压压力和加热温度，可以保证PC膜与纤维布良好的贴合。
其中一些实施方式中，所述将所述复合层模压成型包括：对所述复合层进行加热加压，其中，模具加热温度为250-270℃，加热加压时间为5-20min，模压压力为10-20bar。
本实施例将前述制备好的预浸料按所需尺寸裁切后，根据实际所需复材板的厚度要求选择若干层，按照对称叠层方式，铺设在模具中，闭模后压缩坯料，在250-270℃温度及10-20bar压力下，加热加压5-20min。其中，该温度的设置，可以保证树脂处于熔融状态但不至于分解，该压力的设置，可以保证给熔融的树脂一定的背压，使树脂能够流动，同时在压力作用下使纤维间存在间隙，以保证空气导出，树脂能够完全浸入纤维间的空隙中，使得树脂置换空气能够顺利进行，由此熔融状态的树脂完全填充在纤维的空隙中，得到碳纤布和玻纤布对称铺设的复合有机板。
其中一些实施方式中，所述将所述复合层模压成型还包括：对所述复合层进行冷却保压，其中，模具冷却温度为50-60℃，冷却保压时间为5-10min，保压压力与所述模压压力相同。
本实施例中，将铺设好的预浸料放置模具中受热受压成型后，还需要进行保压冷却，以使得熔融后的树脂冷却成型，从而固定在纤维布间，且由于本实施例中的复合有机板为多层预浸料铺设，即含有多层纤维布，且每层纤维布中均含有树脂，如此形成多层树脂，进行层层阻燃，保证复合有机板的防火阻燃效果。
其中一些实施方式中，所述复合层中，以所述CF/PC预浸料为面层。碳纤维由于良好的外观，因此，本实施例在进行叠层铺设时，将碳纤维与树脂复合制成的预浸料置于最外层，以提高复合有机板的外观美感。可以理解，这里的最外层包括两层，并将最外层称之为面层，相应地，两个面层之间为里层。当然，其它一些实施例中，也可以将GF/PC预浸料作为面层，例如，按照GF/PC预浸料、CF/PC预浸料、GF/PC预浸料、CF/PC预浸料、GF/PC预浸料的顺序铺设。可见，本实施例可以根据所需板材的要求，选择铺设层数，只要保证CF/PC预浸料和GF/PC预浸料分别对称铺设即可。
其中一些实施方式中，所述CF/PC预浸料中碳纤布为200gsm的3K碳纤布，所述CF/PC预浸料中PC膜的厚度为0.07-0.09mm。
其中一些实施方式中，所述GF/PC预浸料中玻纤布为600gsm的玻纤布，所述GF/PC预浸料中PC膜的厚度为0.13-0.15mm。
上述实施例中，由于玻纤布和碳纤布的单层板材厚度不同，因此，根据纤维布的厚度选择合适的树脂膜层的厚度，以使得预浸料中外层的树脂膜层和里层的纤维布层厚度适宜，避免纤维布层较厚，而外层的树脂膜层较薄导致二者贴合不紧密。
本发明实施例还提供采用上述方法制备的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板，以及该复合有机板在高铁领域的应用。
通过上述方法制备的复合有机板，具有轻质、高强等特点，其中，通过对复合有机板的力学性能进行测试，发现其具有较高的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度等，具体参数详见表1所示。
表1：
Figure BDA0004056191130000071
实施例1
(1)选择0.075mm和0.13mm厚的专用PC膜,以及200gsm的3K碳纤布和600gsm的玻纤布；
以0.075mmPC膜、200gsm碳纤布、0.075mmPC膜的形式(2膜加1布)放入双皮带机中,生产CF/PC预浸料；
以0.13mmPC膜、600gsm玻纤布、0.13mmPC膜的形式(2膜加1布)放入双皮带机中，生产GF/PC预浸料；
其中，预浸料生产过程中热温度为260℃，压力为0.5bar。
(2)将步骤(1)中生产的预浸料按需要尺寸裁切，并放置在模具上,叠层方式为CFPC/GFPC/CFPC，其中，CFPC表示CF/PC预浸料，GFPC表示GF/PC预浸料，CFPC/GFPC/CFPC表示CF/PC预浸料、GF/PC预浸料、CF/PC预浸料依次铺设。然后将预浸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，使之受热加压；其中：模具加热温度265℃，时间为12min，模压压力为12bar；冷却温度50℃，时间为5min，保压压力为12bar。
(3)开模，取出制件,修飞边，得到复合有机板。
实施例2
(1)选择0.075mm和0.13mm厚的专用PC膜,以及200gsm的3K碳纤布和600gsm的玻纤布；
以0.075mmPC膜、200gsm碳纤布、0.075mmPC膜的形式(2膜加1布)放入双皮带机中,生产CF/PC预浸料；
以0.13mmPC膜、600gsm玻纤布、0.13mmPC膜的形式(2膜加1布)放入双皮带机中，生产GF/PC预浸料；
其中，预浸料生产过程中热温度为260℃，压力为0.5bar。
(2)将步骤(1)中生产的预浸料按需要尺寸裁切，并放置在模具上,叠层方式为CFPC/GFPC/CFPC/CFPC/GFPC/CFPC，然后将预浸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，使之受热加压；其中：模具加热温度265℃，时间为15min，模压压力为15bar；冷却温度50℃，时间为5min，保压压力为15bar。
(3)开模，取出制件,修飞边，得到复合有机板。
实施例3
(1)选择0.075mm和0.13mm厚的专用PC膜,以及200gsm的3K碳纤布和600gsm的玻纤布；
以0.075mmPC膜、200gsm碳纤布、0.075mmPC膜的形式(2膜加1布)放入双皮带机中,生产CF/PC预浸料；
以0.13mmPC膜、600gsm玻纤布、0.13mmPC膜的形式(2膜加1布)放入双皮带机中，生产GF/PC预浸料；
其中，预浸料生产过程中热温度为260℃，压力为0.5bar。
(2)将步骤(1)中生产的预浸料按需要尺寸裁切，并放置在模具上,叠层方式为CFPC/GFPC/GFPC/GFPC/GFPC/GFPC/CFPC，然后将预浸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，使之受热加压；其中：模具加热温度265℃，时间为20min，模压压力为15bar；冷却温度50℃，时间为5min，保压压力为15bar。
(3)开模，取出制件,修飞边，得到复合有机板。
对实施例1-3制得的复合有机板进行测试，结果如表2所示：
表2：
Figure BDA0004056191130000081
Figure BDA0004056191130000091
按照欧盟铁路车辆的防火标准对实施例1制得的复合有机板进行测试，测试标准详见EN45545-2 R7 HL2，其中，EN45545-2 R7为车外材料烟火毒测试标准，并根据车辆运行的风险程度，划分了HL1、HL2、HL3共3个火灾风险等级，按照HL2火灾风险等级，实施例1制得的复合有机板测试结果如表3所示。
表3：
说明 测试结果 要求 结论
侧面火焰蔓延 无 无 通过
烟密度 401 ＜600 通过
烟毒性 第4分钟：0，第10分钟：0 ＜1.8 通过
综上，本实施例制得的复合材料是由碳纤布与PC层复合板以及玻纤布与PC层复合板构成，具有轻质高强、防火阻燃、低烟低毒、隔音降噪好、导热系数低、抗压性能好等优点，可以提高高铁乘坐的舒适性及安全性，且本复材外层为碳纤复材，外观美丽，本复材为热塑性复材，加工效率高。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，包括：
将PC树脂通过流延成膜法制成PC膜；
按照两层所述PC膜之间加一层纤维布的形式，分别制备CF/PC预浸料和GF/PC预浸料，其中，所述纤维布包括碳纤布或玻纤布；
将所述CF/PC预浸料和所述GF/PC预浸料叠层铺设，得到复合层，其中，所述CF/PC预浸料以所述复合层的中间层对称铺设，所述GF/PC预浸料以所述复合层的中间层对称铺设，当所述复合层为奇数层时，所述复合层的中间层为所述CF/PC预浸料或所述GF/PC预浸料中的一层，当所述复合层为偶数层时，所述复合层的中间层为两个所述CF/PC预浸料的界面层或者两个所述GF/PC预浸料的界面层；
将所述复合层模压成型，得到玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板。
2.根据权利要求1所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，所述复合层中含有的PC树脂、玻纤布、碳纤布的重量比为30-40％：30-60％：5-25％。
3.根据权利要求1所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，所述按照两层所述PC膜之间加一层纤维布的形式，分别制备CF/PC预浸料和GF/PC预浸料包括：
将所述PC膜和所述碳纤布按照所述PC膜、所述碳纤布、所述PC膜的顺序放入预浸机中，在加压、加热条件下使所述碳纤布和所述PC膜贴合，制成所述CF/PC预浸料，其中，压力为0.5-1bar，温度为260-270℃；
并将所述PC膜和所述玻纤布按照所述PC膜、所述玻纤布、所述PC膜的顺序放入预浸机中，在加压、加热条件下使所述玻纤布和所述PC膜贴合，制成所述GF/PC预浸料，其中，压力为0.5-1bar，温度为260-270℃。
4.根据权利要求1所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，所述将所述复合层模压成型包括：对所述复合层进行加热加压，其中，模具加热温度为250-270℃，加热加压时间为5-20min，模压压力为10-20bar。
5.根据权利要求4所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，所述将所述复合层模压成型还包括：对所述复合层进行冷却保压，其中，模具冷却温度为50-60℃，冷却保压时间为5-10min，保压压力与所述模压压力相同。
6.根据权利要求1所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，所述复合层中，以所述CF/PC预浸料为面层。
7.根据权利要求1所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，所述CF/PC预浸料中碳纤布为200gsm的3K碳纤布，所述CF/PC预浸料中PC膜的厚度为0.07-0.09mm。
8.根据权利要求7所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法，其特征在于，所述GF/PC预浸料中玻纤布为600gsm的玻纤布，所述GF/PC预浸料中PC膜的厚度为0.13-0.15mm。
9.一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板的制备方法制得。
10.一种玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板在高铁领域的应用，其特征在于，基于如权利要求9所述玻纤布和碳纤布混编的热塑性复合有机板。
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