CN118126493A - 一种汽车用碳纤维轮毂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车用碳纤维轮毂及其制备方法，涉及轮毂制造技术领域，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:5‑8；与传统的铝合金轮毂相比，本发明制备的碳纤维汽车轮毂质量更轻，同时，还具有较高的强度，相较于铝合金轮毂噪音较大的弊端，采用碳纤维汽车轮毂能够起到优异的降噪效果。
Description
技术领域
本发明属于轮毂制造技术领域，特别是一种汽车用碳纤维轮毂及其制备方法。
背景技术
由于汽车排放量较大，而降低汽车重量，进而降低汽车的排放，更加的环保，因此汽车轻量化己成为汽车发展的主要方向目前轿车的轮毂多采用金属加工制成，由于需要对整个汽车进行承载，因此，汽车的金属轮毂的重量较高，占据着整个汽车较大的份量，而碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，在同等动力下，碳纤维轮毂的制动性能比铝合金轮毂更灵敏，减震效果更好，并且油耗更低。
因此将碳纤维应用到汽车轮毂中，越来越受到应用。
基于此，提供一种汽车用碳纤维轮毂及其制备方法，来解决现有的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种一种汽车用碳纤维轮毂及其制备方法，以解决现有技术中的不足。
本发明采用的技术方案如下：
一种汽车用碳纤维轮毂，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；
其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:5-8。
作为进一步的技术方案，所述高性能碳纤维制备方法为：
首先，将木质素进行研磨，过筛，得到木质素粉；
将木质素粉添加到有机溶剂中，然后再添加十二酰氯、催化剂，调节温度至80-85℃，保温搅拌3小时，然后再添加丙烯腈共聚物、吡啶，继续搅拌反应1小时，然后进行沉淀、洗涤、干燥，得到混合料；
将混合料添加到有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到纺丝液；
对纺丝液进行静电纺丝，得到复合纤维；
首先，将复合纤维进行预氧化，经过预氧化处理后，再进行碳化处理，最终得到高性能碳纤维。
作为进一步的技术方案，所述有机溶剂为N，N－二甲基甲酰胺；
所述木质素粉、N，N－二甲基甲酰胺混合比例为12-18g：300mL；
所述木质素粉、十二酰氯、催化剂、丙烯腈共聚物、吡啶混合质量比为12:3:0.3:30-38:2；
丙烯腈共聚物为苯乙烯-丙烯腈共聚物。
作为进一步的技术方案，所述混合料、N,N-二甲基甲酰胺混合质量比为1:10-12。
作为进一步的技术方案，所述静电纺丝工艺参数为：
纺丝电压为25KV，负压为3KV；
纺丝液推进速度为1.6m l/h；
纺丝温度为45℃，纺丝相对湿度为55％；
接收装置转速为200rpm，接收距离16cm；
纺丝针头的摆动速率为220cm/min。
作为进一步的技术方案，所述预氧化的温度为310-320℃，时间为20min。
作为进一步的技术方案，所述碳化的温度为1000-1100℃，碳化保温时间为20-25s；
升温速率为80℃/s。
一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先，根据具体车辆参数来设计出所需轮毂的结构与相应的尺寸；
(2)参照步骤(1)中所设计的轮毂的结构与相应尺寸数据制备得到轮毂模具；
(3)将高性能碳纤维经过环氧树脂的浸渍，然后再均匀铺在轮毂模具内，合并上下模具，密封处理；
(4)在140℃下经过，保温2小时，自然冷却至室温，然后进行脱模，得到轮毂毛坯；
(5)采用数控车床加工轮毂：分别进行打螺孔、气嘴孔；
最后再进行表面打磨、喷漆、干燥，质检合格后，包装，即可。
作为进一步的技术方案：步骤(3)中所述的环氧树脂采用的是E-44(6101)环氧树脂；
所述环氧树脂的固化剂采用的是T31-1环氧固化剂；
作为进一步的技术方案：所述T31-1环氧固化剂类型为酚醛改性脂肪胺；粘度为2200mPa.s/25℃
胺值KOH/g为435mg。
有益效果：
与传统的铝合金轮毂相比，本发明制备的碳纤维汽车轮毂质量更轻，同时，还具有较高的强度，相较于铝合金轮毂噪音较大的弊端，采用碳纤维汽车轮毂能够起到优异的降噪效果。
随着新能源汽车的不断发展，碳纤维轮毂的应用空间相较于传统的铝合金轮毂空间更加广阔，市场潜力巨大。将本发明制备的高性能碳纤维材料应用到汽车轮毂上，能够实现轻量化，降低能耗，并且对于汽车的安全性能同样具有明显的提高。本发明制备的碳纤维轮毂与传统的铝合金轮毂相比，还有效的避免了金属疲劳现象的发生。
本发明制备的高性能碳纤维的碳含量在95％以上，因此，具有高强度和高模量，并且，密度较低，因此，制成汽车轮毂的重量相较于铝合金轮毂的重量更低，同时，具有优异的耐腐蚀特性。
由于汽车车身每减10％，可以降低百分之5-6的油耗，减少6-8的碳排放，因此，采用本发明制备的碳纤维轮毂，能够大幅度降低油耗，同时减少了碳排放。
在汽车上使用碳纤维轮毂，其具有较高的弹性，因此整个汽车的舒适性得到明显的提高，由于汽车更换本发明制备的高性能碳纤维轮毂之后，汽车的悬挂响应速度也就有了明显的提升，加速会显得越快越轻松，制动性同样更好。
附图说明
图1为实施例碳纤维密度柱状图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种汽车用碳纤维轮毂，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；
其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:5；高性能碳纤维制备方法为：
首先，将木质素进行研磨，过筛，得到木质素粉；
将木质素粉添加到有机溶剂中，然后再添加十二酰氯、催化剂，调节温度至80℃，保温搅拌3小时，然后再添加丙烯腈共聚物、吡啶，继续搅拌反应1小时，然后进行沉淀、洗涤、干燥，得到混合料；
将混合料添加到有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到纺丝液；
对纺丝液进行静电纺丝，得到复合纤维；
首先，将复合纤维进行预氧化，经过预氧化处理后，再进行碳化处理，最终得到高性能碳纤维；有机溶剂为N，N－二甲基甲酰胺；
所述木质素粉、N，N－二甲基甲酰胺混合比例为12g：300mL；
所述木质素粉、十二酰氯、催化剂、丙烯腈共聚物、吡啶混合质量比为12:3:0.3:30:2；
丙烯腈共聚物为苯乙烯-丙烯腈共聚物；混合料、N,N-二甲基甲酰胺混合质量比为1:10；静电纺丝工艺参数为：
纺丝电压为25KV，负压为3KV；
纺丝液推进速度为1.6m l/h；
纺丝温度为45℃，纺丝相对湿度为55％；
接收装置转速为200rpm，接收距离16cm；
纺丝针头的摆动速率为220cm/min。
预氧化的温度为310℃，时间为20min。
碳化的温度为1000℃，碳化保温时间为20s；
升温速率为80℃/s。
一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先，根据具体车辆参数来设计出所需轮毂的结构与相应的尺寸；
(2)参照步骤(1)中所设计的轮毂的结构与相应尺寸数据制备得到轮毂模具；
(3)将高性能碳纤维经过环氧树脂的浸渍，然后再均匀铺在轮毂模具内，合并上下模具，密封处理；
(4)在140℃下经过，保温2小时，自然冷却至室温，然后进行脱模，得到轮毂毛坯；
(5)采用数控车床加工轮毂：分别进行打螺孔、气嘴孔；
最后再进行表面打磨、喷漆、干燥，质检合格后，包装，即可；步骤(3)中所述的环氧树脂采用的是E-44(6101)环氧树脂；
所述环氧树脂的固化剂采用的是T31-1环氧固化剂；T31-1环氧固化剂类型为酚醛改性脂肪胺；
粘度为2200mPa.s/25℃
胺值KOH/g为435mg。
实施例2
一种汽车用碳纤维轮毂，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；
其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:6；高性能碳纤维制备方法为：
首先，将木质素进行研磨，过筛，得到木质素粉；
将木质素粉添加到有机溶剂中，然后再添加十二酰氯、催化剂，调节温度至82℃，保温搅拌3小时，然后再添加丙烯腈共聚物、吡啶，继续搅拌反应1小时，然后进行沉淀、洗涤、干燥，得到混合料；
将混合料添加到有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到纺丝液；
对纺丝液进行静电纺丝，得到复合纤维；
首先，将复合纤维进行预氧化，经过预氧化处理后，再进行碳化处理，最终得到高性能碳纤维；有机溶剂为N，N－二甲基甲酰胺；
所述木质素粉、N，N－二甲基甲酰胺混合比例为15g：300mL；
所述木质素粉、十二酰氯、催化剂、丙烯腈共聚物、吡啶混合质量比为12:3:0.3:33:2；
丙烯腈共聚物为苯乙烯-丙烯腈共聚物；混合料、N,N-二甲基甲酰胺混合质量比为1:11；静电纺丝工艺参数为：
纺丝电压为25KV，负压为3KV；
纺丝液推进速度为1.6m l/h；
纺丝温度为45℃，纺丝相对湿度为55％；
接收装置转速为200rpm，接收距离16cm；
纺丝针头的摆动速率为220cm/min。
预氧化的温度为315℃，时间为20min。
碳化的温度为1030℃，碳化保温时间为22s；
升温速率为80℃/s。
一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先，根据具体车辆参数来设计出所需轮毂的结构与相应的尺寸；
(2)参照步骤(1)中所设计的轮毂的结构与相应尺寸数据制备得到轮毂模具；
(3)将高性能碳纤维经过环氧树脂的浸渍，然后再均匀铺在轮毂模具内，合并上下模具，密封处理；
(4)在140℃下经过，保温2小时，自然冷却至室温，然后进行脱模，得到轮毂毛坯；
(5)采用数控车床加工轮毂：分别进行打螺孔、气嘴孔；
最后再进行表面打磨、喷漆、干燥，质检合格后，包装，即可；步骤(3)中所述的环氧树脂采用的是E-44(6101)环氧树脂；
所述环氧树脂的固化剂采用的是T31-1环氧固化剂；T31-1环氧固化剂类型为酚醛改性脂肪胺；
粘度为2200mPa.s/25℃
胺值KOH/g为435mg。
实施例3
一种汽车用碳纤维轮毂，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；
其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:7；高性能碳纤维制备方法为：
首先，将木质素进行研磨，过筛，得到木质素粉；
将木质素粉添加到有机溶剂中，然后再添加十二酰氯、催化剂，调节温度至84℃，保温搅拌3小时，然后再添加丙烯腈共聚物、吡啶，继续搅拌反应1小时，然后进行沉淀、洗涤、干燥，得到混合料；
将混合料添加到有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到纺丝液；
对纺丝液进行静电纺丝，得到复合纤维；
首先，将复合纤维进行预氧化，经过预氧化处理后，再进行碳化处理，最终得到高性能碳纤维；有机溶剂为N，N－二甲基甲酰胺；
所述木质素粉、N，N－二甲基甲酰胺混合比例为16g：300mL；
所述木质素粉、十二酰氯、催化剂、丙烯腈共聚物、吡啶混合质量比为12:3:0.3:35:2；
丙烯腈共聚物为苯乙烯-丙烯腈共聚物；混合料、N,N-二甲基甲酰胺混合质量比为1:11；静电纺丝工艺参数为：
纺丝电压为25KV，负压为3KV；
纺丝液推进速度为1.6m l/h；
纺丝温度为45℃，纺丝相对湿度为55％；
接收装置转速为200rpm，接收距离16cm；
纺丝针头的摆动速率为220cm/min。
预氧化的温度为318℃，时间为20min。
碳化的温度为1080℃，碳化保温时间为23s；
升温速率为80℃/s。
一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先，根据具体车辆参数来设计出所需轮毂的结构与相应的尺寸；
(2)参照步骤(1)中所设计的轮毂的结构与相应尺寸数据制备得到轮毂模具；
(3)将高性能碳纤维经过环氧树脂的浸渍，然后再均匀铺在轮毂模具内，合并上下模具，密封处理；
(4)在140℃下经过，保温2小时，自然冷却至室温，然后进行脱模，得到轮毂毛坯；
(5)采用数控车床加工轮毂：分别进行打螺孔、气嘴孔；
最后再进行表面打磨、喷漆、干燥，质检合格后，包装，即可；步骤(3)中所述的环氧树脂采用的是E-44(6101)环氧树脂；
所述环氧树脂的固化剂采用的是T31-1环氧固化剂；T31-1环氧固化剂类型为酚醛改性脂肪胺；
粘度为2200mPa.s/25℃
胺值KOH/g为435mg。
实施例4
一种汽车用碳纤维轮毂，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；
其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:6；高性能碳纤维制备方法为：
首先，将木质素进行研磨，过筛，得到木质素粉；
将木质素粉添加到有机溶剂中，然后再添加十二酰氯、催化剂，调节温度至82℃，保温搅拌3小时，然后再添加丙烯腈共聚物、吡啶，继续搅拌反应1小时，然后进行沉淀、洗涤、干燥，得到混合料；
将混合料添加到有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到纺丝液；
对纺丝液进行静电纺丝，得到复合纤维；
首先，将复合纤维进行预氧化，经过预氧化处理后，再进行碳化处理，最终得到高性能碳纤维；有机溶剂为N，N－二甲基甲酰胺；
所述木质素粉、N，N－二甲基甲酰胺混合比例为14g：300mL；
所述木质素粉、十二酰氯、催化剂、丙烯腈共聚物、吡啶混合质量比为12:3:0.3:36:2；
丙烯腈共聚物为苯乙烯-丙烯腈共聚物；混合料、N,N-二甲基甲酰胺混合质量比为1:10；静电纺丝工艺参数为：
纺丝电压为25KV，负压为3KV；
纺丝液推进速度为1.6m l/h；
纺丝温度为45℃，纺丝相对湿度为55％；
接收装置转速为200rpm，接收距离16cm；
纺丝针头的摆动速率为220cm/min。
预氧化的温度为318℃，时间为20min。
碳化的温度为1070℃，碳化保温时间为21s；
升温速率为80℃/s。
一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先，根据具体车辆参数来设计出所需轮毂的结构与相应的尺寸；
(2)参照步骤(1)中所设计的轮毂的结构与相应尺寸数据制备得到轮毂模具；
(3)将高性能碳纤维经过环氧树脂的浸渍，然后再均匀铺在轮毂模具内，合并上下模具，密封处理；
(4)在140℃下经过，保温2小时，自然冷却至室温，然后进行脱模，得到轮毂毛坯；
(5)采用数控车床加工轮毂：分别进行打螺孔、气嘴孔；
最后再进行表面打磨、喷漆、干燥，质检合格后，包装，即可；步骤(3)中所述的环氧树脂采用的是E-44(6101)环氧树脂；
所述环氧树脂的固化剂采用的是T31-1环氧固化剂；T31-1环氧固化剂类型为酚醛改性脂肪胺；
粘度为2200mPa.s/25℃
胺值KOH/g为435mg。
实施例5
一种汽车用碳纤维轮毂，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；
其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:8；高性能碳纤维制备方法为：
首先，将木质素进行研磨，过筛，得到木质素粉；
将木质素粉添加到有机溶剂中，然后再添加十二酰氯、催化剂，调节温度至85℃，保温搅拌3小时，然后再添加丙烯腈共聚物、吡啶，继续搅拌反应1小时，然后进行沉淀、洗涤、干燥，得到混合料；
将混合料添加到有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到纺丝液；
对纺丝液进行静电纺丝，得到复合纤维；
首先，将复合纤维进行预氧化，经过预氧化处理后，再进行碳化处理，最终得到高性能碳纤维；有机溶剂为N，N－二甲基甲酰胺；
所述木质素粉、N，N－二甲基甲酰胺混合比例为18g：300mL；
所述木质素粉、十二酰氯、催化剂、丙烯腈共聚物、吡啶混合质量比为12:3:0.3:38:2；
丙烯腈共聚物为苯乙烯-丙烯腈共聚物；混合料、N,N-二甲基甲酰胺混合质量比为1:12；静电纺丝工艺参数为：
纺丝电压为25KV，负压为3KV；
纺丝液推进速度为1.6m l/h；
纺丝温度为45℃，纺丝相对湿度为55％；
接收装置转速为200rpm，接收距离16cm；
纺丝针头的摆动速率为220cm/min。
预氧化的温度为320℃，时间为20min。
碳化的温度为1100℃，碳化保温时间为25s；
升温速率为80℃/s。
一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先，根据具体车辆参数来设计出所需轮毂的结构与相应的尺寸；
(2)参照步骤(1)中所设计的轮毂的结构与相应尺寸数据制备得到轮毂模具；
(3)将高性能碳纤维经过环氧树脂的浸渍，然后再均匀铺在轮毂模具内，合并上下模具，密封处理；
(4)在140℃下经过，保温2小时，自然冷却至室温，然后进行脱模，得到轮毂毛坯；
(5)采用数控车床加工轮毂：分别进行打螺孔、气嘴孔；
最后再进行表面打磨、喷漆、干燥，质检合格后，包装，即可；步骤(3)中所述的环氧树脂采用的是E-44(6101)环氧树脂；
所述环氧树脂的固化剂采用的是T31-1环氧固化剂；T31-1环氧固化剂类型为酚醛改性脂肪胺；
粘度为2200mPa.s/25℃
胺值KOH/g为435mg。
对比例1：
与实施例1区别为碳纤维采用纯木质素作为原料，其余技术方案不变。
对比例2：
与实施例1区别为碳纤维采用纯苯乙烯-丙烯腈共聚物为原料，其余技术方案不变。
试验：
对实施例与对比例高性能碳纤维(直径200nm)拉伸强度参照GB/T3362进行测试：
表1
| 抗拉强度MPa | |
| 实施例1 | 3280.1 |
| 实施例2 | 3295.3 |
| 实施例3 | 3287.8 |
| 实施例4 | 3290.2 |
| 实施例5 | 3293.3 |
| 对比例1 | 2017.5 |
| 对比例2 | 2636.3 |
由表1可以看出，实施例与对比例中所得到的高性能碳纤维力学具有较高的抗拉强度，而抗拉强度的提高，能够大幅度的改善制成的轮毂的性能。
对实施例与对比例高性能碳纤维(直径200nm)密度参照GB/T30019进行测试：
表2
| 密度g/cm3 | |
| 实施例1 | 1.75 |
| 实施例2 | 1.73 |
| 实施例3 | 1.70 |
| 实施例4 | 1.74 |
| 实施例5 | 1.76 |
由表2可以看出，本发明制备的高性能碳纤维的密度较低，从而使得制成的轮毂的重量具有明显的降低。
以实施例1为基础试样，制成的汽车轮毂，汽车轮毂参数为：
表3
对此汽车轮毂重量检测为3.568kg，而采用铝合金加工得到的汽车轮毂质量为10kg左右；
可见，本发明制备的汽车轮毂的重量具有大幅度的降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种汽车用碳纤维轮毂，其特征在于，包括采用了以木质素与丙烯腈共聚物为原料制成的高性能碳纤维制成；
其中，木质素、丙烯腈共聚物混合质量比为1:5-8。
2.根据权利要求1所述的一种汽车用碳纤维轮毂，其特征在于，所述高性能碳纤维制备方法为：
首先，将木质素进行研磨，过筛，得到木质素粉；
将木质素粉添加到有机溶剂中，然后再添加十二酰氯、催化剂，调节温度至80-85℃，保温搅拌3小时，然后再添加丙烯腈共聚物、吡啶，继续搅拌反应1小时，然后进行沉淀、洗涤、干燥，得到混合料；
将混合料添加到有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到纺丝液；
对纺丝液进行静电纺丝，得到复合纤维；
首先，将复合纤维进行预氧化，经过预氧化处理后，再进行碳化处理，最终得到高性能碳纤维。
3.根据权利要求1所述的一种汽车用碳纤维轮毂，其特征在于，所述有机溶剂为N，N－二甲基甲酰胺；
所述木质素粉、N，N－二甲基甲酰胺混合比例为12-18g：300mL；
所述木质素粉、十二酰氯、催化剂、丙烯腈共聚物、吡啶混合质量比为12:3:0.3:30-38:2；
丙烯腈共聚物为苯乙烯-丙烯腈共聚物。
4.根据权利要求1所述的一种汽车用碳纤维轮毂，其特征在于，所述混合料、N,N-二甲基甲酰胺混合质量比为1:10-12。
5.根据权利要求1所述的一种汽车用碳纤维轮毂，其特征在于，所述静电纺丝工艺参数为：
纺丝电压为25KV，负压为3KV；
纺丝液推进速度为1.6ml/h；
纺丝温度为45℃，纺丝相对湿度为55％；
接收装置转速为200rpm，接收距离16cm；
纺丝针头的摆动速率为220cm/min。
6.根据权利要求1所述的一种汽车用碳纤维轮毂，其特征在于，所述预氧化的温度为310-320℃，时间为20min。
7.根据权利要求1所述的一种汽车用碳纤维轮毂，其特征在于，所述碳化的温度为1000-1100℃，碳化保温时间为20-25s；
升温速率为80℃/s。
8.根据权利要求1所述的一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先，根据具体车辆参数来设计出所需轮毂的结构与相应的尺寸；
(2)参照步骤(1)中所设计的轮毂的结构与相应尺寸数据制备得到轮毂模具；
(3)将高性能碳纤维经过环氧树脂的浸渍，然后再均匀铺在轮毂模具内，合并上下模具，密封处理；
(4)在140℃下经过，保温2小时，自然冷却至室温，然后进行脱模，得到轮毂毛坯；
(5)采用数控车床加工轮毂：分别进行打螺孔、气嘴孔；
最后再进行表面打磨、喷漆、干燥，质检合格后，包装，即可。
9.根据权利要求8所述的一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的环氧树脂采用的是E-44(6101)环氧树脂；
所述环氧树脂的固化剂采用的是T31-1环氧固化剂。
10.根据权利要求8所述的一种汽车用碳纤维轮毂的制备方法，其特征在于：所述T31-1环氧固化剂类型为酚醛改性脂肪胺；
粘度为2200mPa.s/25℃
胺值KOH/g为435mg。
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