CN116331658A - 一种大型轻质复合材料包装箱及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包装箱成型方法领域，具体是一种大型轻质复合材料包装箱及其成型方法。解决了现有RTM工艺不能加工加强筋大变截面结构以及轻质化与性能间存在矛盾的技术问题。本发明的主要创新点如下：1)产品设计为框架‑蒙皮结构，工艺采用手糊和RTM相结合的方式，框架部分及表面加强采用手糊工艺，蒙皮部分采用RTM成型工艺。分配两种工艺铺设纤维层的比例，解决大变截面结构难以成型的问题；2）设计采用加入轻质化PET材质填充材料，设计填充部位、填充用量，用以在保证包装箱各项性能达标的基础上，降低重量。

Description

一种大型轻质复合材料包装箱及其成型方法
技术领域
本发明涉及包装箱成型方法领域，具体是一种大型轻质复合材料包装箱及其成型方法。
背景技术
复合材料包装箱是用增强纤维与树脂复合而成，具有质量轻、比强度高、抗疲劳、隔热效果佳等优点，主要用于产品的包装、运输及贮存，特殊产品需要包装箱具有相应的抗跌落性能，耐高低温性能、密封性能等。现有的复合材料包装箱制作方法主要有以下四种：一、手糊成型（即湿法工艺）。二、模压工艺（SMC工艺），三、真空导入工艺（干法工艺）。四、RTM成型工艺。手糊工艺操作简单，但产品质量不稳定，不能满足高性能包装箱产品批产要求。模压工艺成型的包装箱，表面质量高，产品性能稳定，但由于其纤维不是连续的，性能难以满足对密封和强度等性能要求较高的包装箱要求，且前期投入模具成本及设备成本较大，后期如产品数量不够，难以降低成本。真空导入工艺，是一种较为先进的成型工艺，通常作为高性能产品的成型工艺，但只能保证单面质量，难以满足包装箱产品整体外观要求，且工艺耗材成本较高，批量生产成本不易控制。RTM工艺能够满足包装箱性能和外观要求，但产品中如存在较大变截面（大于9mm），工艺难以实施。在大型包装箱成型应用中，鲜有案例。
发明内容
本发明为解决如下技术问题：（1）现有RTM工艺不能加工加强筋大变截面结构；（2）大型包装箱需要保证轻质化要求，以及强度、密封、堆码等高型性能指标，轻质化与性能间存在矛盾。
本发明所述大型轻质复合材料包装箱是采用如下技术方案实现的：一种大型轻质复合材料包装箱，包括箱体和箱盖，箱盖和箱体的蒙皮上分别设有多条上下对应的环筋段，箱盖和箱体扣合后上下环筋段构成完整的多条环筋；同时箱盖和箱体中部沿轴向均设有轴筋；所述环筋和轴筋均为厚度大于其两侧蒙皮的变截面结构；环筋和轴筋内部均填充有泡沫预制件；环筋内部固定有金属预埋件，箱体和箱盖两端蒙皮中也固定有金属预埋件；所述金属预埋件均靠近箱体和箱盖的结合处布置。
本发明所述包装箱通过在环筋和轴筋内部填充泡沫预制件，在满足大变截面结构强度要求的同时还减轻了包装箱的重量；同时还通过蒙皮中设置的金属预埋件有效提升了包装箱的强度。
本发明所述大型轻质复合材料包装箱成型方法是采用如下技术方案实现的：一种大型轻质复合材料包装箱的成型方法，所用模具包括箱体阴模，箱体阳模，箱盖阴模，箱盖阳模；包括如下步骤：
1、手糊部分：
S1. 箱体阴模、箱体阳模、箱盖阴模、箱盖阳模作业表面，各喷涂一层0.4±0.02mm的环氧乙烯基胶衣；
S2. S1完成固化后在箱体阴模、箱体阳模、箱盖阴模、箱盖阳模四片模具作业表面依次手糊做一层30g/㎡表面毡及一层150g/㎡短切纤维毡；
S3. S2完成固化后，在模具环筋、轴筋部位做轻质材料底层纤维，采用湿法工艺铺设600g/㎡多轴向玄武岩纤维布，铺层由里到外依次为为：600g/㎡多轴向玄武岩纤维布---150g/㎡玄武岩短切纤维毡---600g/㎡多轴向玄武岩纤维布---150g/㎡玄武岩短切纤维毡---600g/㎡多轴向玄武岩纤维布，铺设方式为“凹“字形，纤维贴附紧实；
将采用CNC（计算机数控机床）加工的150g/m³PET泡沫预制件放入筋槽，填充厚度为15±2mm，与筋槽产生的缝隙用玄武岩纤维丝进行填充填实；
S4. 用结构胶将金属预埋件在筋槽内的指定位置进行固定，采用手糊工艺将此位置沿筋槽面做平；
2、RTM工艺部分
S5. 在完成S4后的箱体阳模作业面上，铺设1层350g/㎡玄武岩纤维布，1层450 g/㎡玄武岩纤维布；
S6. 在完成S4后的箱体阴模上，铺设1层防雷铜网，防雷铜网贴敷上沿距离模具合模线25mm，铺设时用喷胶进行固定；铺设完成后，在铜网面干铺1层350g/㎡玄武岩纤维布和1层450 g/㎡玄武岩纤维布；
S7. 将铺设好的S5和S6进行合模，进行注胶前，需要检查合模后的密封性能，抽真空0.06KPa,保持20min不掉压；
真空验证完毕后，进行RTM成型，工艺参数如下：
1）. 注胶压力2bar，注胶速率:80g/次，1分钟25-30次；注胶量：30kg；
2）. 树脂配方：以质量比计算，MFE-27L预促性环氧乙烯基树脂 100，M50固化剂0.75-2.25；
3）. 凝胶时间：注胶前应在固化剂比例范围内做浇注体试验，确定固化剂比凝胶时间；
4）. 凝胶后进行加热固化，固化温度曲线：常温(8h)--45℃（1h）--55℃（1h）--60℃（2h）--常温；
5）.固化冷却后，脱模，箱体完成；
S8.箱盖铺设过程与箱体相同，RTM工艺参数为：
1）.注胶压力2bar，注胶速率:80g/次，每分钟25-30次；注胶量：20kg；
2）.树脂配方：按质量比计，MFE-27L预促性环氧乙烯基树脂 100，M50固化剂1-1.5；
3）. 凝胶时间：注胶前应在固化剂范围内做浇注体试验，确定固化剂比凝胶时间；
4）. 凝胶后进行加热固化，固化温度曲线：常温(8h)--45℃（1h）--55℃（1h）--60℃（2h）--常温；
5）. 固化冷却后，脱模，箱盖完成；
S9.按照要求装配各种配件，玄武岩包装箱产品完成。
该制备方法中解决前述技术问题的主要方案如下：
1)产品设计为框架-蒙皮结构，工艺采用手糊和RTM相结合的方式，框架部分及表面加强采用手糊工艺，蒙皮部分采用RTM成型工艺。分配两种工艺铺设纤维层的比例，解决大变截面结构难以成型的问题。
2）设计采用加入轻质化PET材质填充材料。设计填充部位、填充用量，用以在保证包装箱各项性能达标的基础上，降低重量。
在环筋、轴筋等填充部位铺设形成：增强纤维复合材料（厚3-5mm）—PET材料（厚约18mm）—增强纤维复合材料（厚7-9mm）的夹心结构，各项性能都能保证的情况下，刚性得到有效提高，降低重量。
实施本发明所述工艺方法成型的包装箱能够达到以下性能要求：
密封性能：5.2KPa×30min ，25℃，不掉压；
40 KPa×30min ，25℃，不掉压；
强度性能：堆码1150kg 1h, -40℃，不变型；
堆码1150kg 1h, 70℃，不变型；
跌落性能：10.5m 垂直无风 箱内物品不破损；
箱盖重量不超过45kg（含金属预埋件及防雷铜网等）；
箱体重量不超过70kg（含金属预埋件及防雷铜网等）；
防雷击、防火性能、阻燃性能、动载、静载、火车运输、公路运输等。
附图说明
图1为本发明专利一种实施例的上-下开盖式复合材料包装箱结构示意图。
图2为本发明专利一种实施例的包装箱箱盖纵向变截面示意图。
图3为本发明专利一种实施例的包装箱箱盖纵向变截面局部放大示意图。
图4为本发明专利一种实施例的包装箱箱盖轻质材料填充位置横截面示意图。
图5复合材料包装箱大变截面填充结构（含预埋件）。
图6为图5中的N-N剖视图。
1-箱盖，2-箱体，3-蒙皮，4-环筋，5-轴筋，6-金属预埋件，7-泡沫预制件，8-螺栓。
具体实施方式
实施例1
如图1-6所示，一种大型轻质复合材料包装箱，包括箱盖1和箱体2，箱盖1和箱体2的蒙皮3上分别设有多条上下对应的环筋段，箱盖1和箱体2扣合后上下环筋段构成完整的多条环筋4；同时箱盖1和箱体2中部沿轴向均设有轴筋5；所述环筋4和轴筋5均为厚度大于其两侧蒙皮的变截面结构；环筋4和轴筋5内部均填充有泡沫预制件7；环筋4内部固定有金属预埋件6，箱盖1和箱体2两端蒙皮3中也固定有金属预埋件6；所述金属预埋件6均靠近箱盖1和箱体2的结合处布置；构成箱体和箱盖的蒙皮3厚度为3~5mm，环筋4和轴筋5部位厚度为23±2mm；优选的蒙皮厚度为3mm，环筋和轴筋部位厚度为23mm。
实施例2
箱体上的每条环筋段内部均预埋有两个金属预埋件6，箱体每个端面蒙皮中预埋有两个金属预埋件6；箱盖上的每条环筋段内部均预埋有两个金属预埋件6，箱盖每个端面蒙皮中预埋有两个金属预埋件6。每个金属预埋件6通过一对螺栓8固定。
实施例3
如图1所示，环筋共有六条；
箱体和箱盖之间通过密封搭扣实现连接；箱盖和箱体的蒙皮内还内嵌有防雷铜网；箱盖箱体铺设的防雷铜网，通过环周的16个搭扣（成型后装配）进行连接，再与箱体上安装的金属接地器进行联接。起到防雷导电的作用实施例4
本发明所述包装箱采用如下方法制备。
1）主要原材料：MET-27L预促性阻燃环氧乙烯基树脂，M50固化剂，环氧乙烯基胶衣，600g/㎡多轴向（0°/90°/±45°）玄武岩纤维布，450g/㎡轴向（0°/90°）玄武岩纤维布，350g/㎡轴向（0°/90°）玄武岩纤维布，30g/㎡玄武岩纤维短切毡，150g/㎡玄武岩纤维短切毡，结构胶。
2）模具：选用45#钢金属模具，由一套箱体阴模，箱体阳模，箱盖阴模，箱盖阳模组成。合模后，蒙皮型腔厚度3.0mm，环向加强筋型腔厚度23mm。
3）工艺实施：
1、手糊部分：
S1. 箱体阴模、箱体阳模、箱盖阴模、箱盖阳模作业表面，各喷涂一层约0.4mm的环氧乙烯基胶衣。
S2. S1完成固化后在箱体阴模、箱体阳模、箱盖阴模、箱盖阳模四片模具作业表面手糊做一层30g/㎡表面(里层)毡及一层150g/㎡短切纤维毡(外层)。
S3. S2完成固化后，在模具环筋、轴筋部位做轻质材料底层纤维，具体实施为：采用湿法工艺铺设600g/㎡多轴向玄武岩纤维布，铺层由里到外为：600g/㎡多轴向玄武岩纤维布---150g/㎡玄武岩短切纤维毡---600g/㎡多轴向玄武岩纤维布---150g/㎡玄武岩短切纤维毡---600g/㎡多轴向玄武岩纤维布，铺设方式为“凹“字形，纤维贴附紧实。
通过计算，将采用CNC加工的150g/m³PET泡沫预制件(图4所示)放入筋槽。填充厚度为15mm,与筋槽产生的缝隙用玄武岩纤维丝进行填充填实。
S4. 用结构胶将金属预埋件在筋槽内的指定位置进行固定，采用手糊工艺将此位置沿筋槽面做平。
2、RTM工艺部分
S5. 在完成S4后的箱体阳模作业面上，铺设1层350g/㎡玄武岩纤维布，1层450 g/㎡玄武岩纤维布。
S6. 在完成S4后的箱体阴模上，铺设1层防雷铜网，防雷铜网贴敷上沿距离模具合模线25mm，铺设时用喷胶进行固定。铺设完成后，在铜网面干铺1层350g/㎡玄武岩纤维布和1层450 g/㎡玄武岩纤维布。
S7. 将铺设好的S5和S6进行合模，进行注胶前，需要检查合模后的密封性能，抽真空0.06KPa,保持20min不掉压。
真空验证完毕后，进行RTM成型，工艺参数
1）. 注胶压力2bar，注胶速率:80g/次，1分钟25-30次；注胶量：30kg；
2）. 树脂配方：按质量比计，MFE-27L预促性环氧乙烯基树脂 100，M50固化剂0.75-2.25；
3）. 凝胶时间：注胶前应在固化剂比例范围内做浇注体试验，确定固化剂比凝胶时间：夏季约70min，冬季约45min。
4）. 凝胶后进行加热固化，固化温度曲线：RT(8h)--45℃（1h）--55℃（1h）--60℃（2h）--RT（RT指常温，通常是25℃）。
5）.固化冷却后，脱模，箱体完成。
S8.箱盖铺设过程与箱体相同，RTM工艺参数为：
1）.注胶压力2bar，注胶速率:80g/次，每分钟25-30次；注胶量：20kg；
2）.树脂配方：MFE-27L预促性环氧乙烯基树脂 100，M50固化剂1-1.5；
3）. 凝胶时间：注胶前应在固化剂范围内做浇注体试验，确定固化剂比凝胶时间：夏季约70min，冬季约45min。
4）. 凝胶后进行加热固化，固化温度曲线：RT(8h)--45℃（1h）--55℃（1h）--60℃（2h）--RT。
5）. 固化冷却后，脱模，箱盖完成。
S9.按照要求装配各种配件，玄武岩包装箱产品完成。
本发明主要的创新点：
1）手糊-RTM成型工艺方法。手糊和RTM工艺相结合，充分发挥工艺优点，弥补工艺缺点。手糊工艺操作性强，将大变截面进行按比例填充，使其满足RTM工艺要求，达到满足复合材料包装箱性能的要求。
2）轻质化。该成型工艺中，轻质PET材料填充的位置、纤维与轻质材料的体积比例、铺层工艺有效控制纤维与树脂的含量 。
3）大细长比（长宽比例大于5倍，长深比例大于5倍，宽深比例小于1.2倍，长度不小于3m），多变截面结构箱体RTM工艺成型参数见S8。该成型参数能够满足长度与深度、宽度比例较大的上下开口型包装箱RTM工艺整体成型，成型后性能能够满足40KPa的气密要求，以及强度、堆码要求。
包装箱产品性能试验数据及与传统手糊工艺性能对比：
Figure SMS_1
。

Claims (8)

1.一种大型轻质复合材料包装箱，包括箱盖和箱体，其特征在于，箱盖和箱体的蒙皮上分别设有多条上下对应的环筋段，箱盖和箱体扣合后上下环筋段构成完整的多条环筋；同时箱盖和箱体中部沿轴向均设有轴筋；所述环筋和轴筋均为厚度大于其两侧蒙皮的变截面结构；环筋和轴筋内部均填充有泡沫预制件；环筋内部固定有金属预埋件，箱体和箱盖两端蒙皮中也固定有金属预埋件；所述金属预埋件均靠近箱体和箱盖的结合处布置。
2.如权利要求1所述的一种大型轻质复合材料包装箱，其特征在于，构成箱体和箱盖的蒙皮厚度为3~5mm，环筋和轴筋部位厚度为23±2mm。
3.如权利要求1或2所述的一种大型轻质复合材料包装箱，其特征在于，箱体上的每条环筋段内部均预埋有两个金属预埋件，箱体每个端面蒙皮中预埋有两个金属预埋件；箱盖上的每条环筋段内部均预埋有两个金属预埋件，箱盖每个端面蒙皮中预埋有两个金属预埋件；每个金属预埋件通过一对螺栓固定。
4.如权利要求3所述的一种大型轻质复合材料包装箱，其特征在于，环筋共有六条；箱体和箱盖之间通过密封搭扣实现连接。
5.如权利要求1所述的一种大型轻质复合材料包装箱，其特征在于，箱盖和箱体的蒙皮内还内嵌有防雷铜网。
6.一种大型轻质复合材料包装箱的成型方法，所用模具包括箱体阴模，箱体阳模，箱盖阴模，箱盖阳模；其特征在于，包括如下步骤：
1、手糊部分：
S1. 箱体阴模、箱体阳模、箱盖阴模、箱盖阳模作业表面，各喷涂一层0.4±0.02 mm的环氧乙烯基胶衣；
S2. S1完成固化后在箱体阴模、箱体阳模、箱盖阴模、箱盖阳模四片模具作业表面依次手糊做一层30g/㎡表面毡及一层150g/㎡短切纤维毡；
S3. S2完成固化后，在模具环筋、轴筋部位做轻质材料底层纤维，采用湿法工艺铺设600g/㎡多轴向玄武岩纤维布，铺层由里到外依次为：600g/㎡多轴向玄武岩纤维布---150g/㎡玄武岩短切纤维毡---600g/㎡多轴向玄武岩纤维布---150g/㎡玄武岩短切纤维毡---600g/㎡多轴向玄武岩纤维布，铺设方式为“凹“字形，纤维贴附紧实；
将采用CNC加工的150g/m³PET泡沫预制件放入筋槽，填充厚度为15±2mm，与筋槽产生的缝隙用玄武岩纤维丝进行填充填实；
S4. 用结构胶将金属预埋件在筋槽内的指定位置进行固定，采用手糊工艺将此位置沿筋槽面做平；
2、RTM工艺部分
S5. 在完成S4后的箱体阳模作业面上，铺设1层350g/㎡玄武岩纤维布，1层450 g/㎡玄武岩纤维布；
S6. 在完成S4后的箱体阴模上，铺设1层防雷铜网，防雷铜网贴敷上沿距离模具合模线25mm，铺设时用喷胶进行固定；铺设完成后，在铜网面干铺1层350g/㎡玄武岩纤维布和1层450 g/㎡玄武岩纤维布；
S7. 将铺设好的S5和S6进行合模，进行注胶前，需要检查合模后的密封性能，抽真空0.06KPa,保持20min不掉压；
真空验证完毕后，进行RTM成型，工艺参数如下：
1）. 注胶压力2bar，注胶速率:80g/次，1分钟25-30次；注胶量：30kg；
2）. 树脂配方：以质量比计算，MFE-27L预促性环氧乙烯基树脂 100，M50固化剂0.75-2.25；
3）. 凝胶时间：注胶前应在固化剂比例范围内做浇注体试验，确定固化剂比凝胶时间；
4）. 凝胶后进行加热固化，固化温度曲线：常温(8h)--45℃（1h）--55℃（1h）--60℃（2h）--常温；
5）.固化冷却后，脱模，箱体完成；
S8.箱盖铺设过程与箱体相同，RTM工艺参数为：
1）.注胶压力2bar，注胶速率:80g/次，每分钟25-30次；注胶量：20kg；
2）.树脂配方：按质量比计，MFE-27L预促性环氧乙烯基树脂 100，M50固化剂1-1.5；
3）. 凝胶时间：注胶前应在固化剂范围内做浇注体试验，确定固化剂比凝胶时间；
4）. 凝胶后进行加热固化，固化温度曲线：常温(8h)--45℃（1h）--55℃（1h）--60℃（2h）--常温；
5）. 固化冷却后，脱模，箱盖完成；
S9.按照要求装配各种配件，玄武岩包装箱产品完成。
7.如权利要求6所述的一种大型轻质复合材料包装箱的成型方法，其特征在于，模具采用45#钢制成，合模后，蒙皮型腔厚度3.0~5.0mm，环向加强筋型腔厚度23±2mm。
8.如权利要求6或7所述的一种大型轻质复合材料包装箱的成型方法，其特征在于，S7、S8中，凝胶时间：夏季70±5min，冬季45±5min。
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