CN209600012U - 一种易于热成型的轻质高抗冲高模量多层复合板材 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种易于热成型的轻质高抗冲高模量多层复合板材，包括复合板材本体；该复合板材本体由两层或多层结构的复合层板材复合而成；本实用新型将轻质抗冲的超高分子量聚乙烯层和高模量的纤维增强热塑性复合材料相结合，并通过热压方式可制备大尺寸的板材产品；该复合材料板材兼具了超高分子量聚乙烯的高强高抗冲性能以及刚性纤维增强复合材料的轻质高模量的特性；同时由于采用的刚性纤维为短切或长纤维，在加热加压的条件下具有良好的成型性能。
Description
技术领域
本实用新型属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强多层复合板材。
背景技术
纤维增强热塑性复合板材最初主要用于航空航天领域和特殊需要的工业品，近几年开始在汽车、体育休闲、建筑等民用领域应用。例如遮阳板、后行李隔板等汽车内饰件，飞机内饰、火车的外部车身覆盖件、建筑装饰、家具表面包覆层、特种包装箱体外壳等。其特点为强度高、韧性好、环保可回收利用，在工业和民用领域有着较广泛的应用前景。
纤维增强热塑性复合材料板材的性能不仅与树脂、增强纤维的性能，还与增强纤维的长度、增强方式、材料的成型工艺以及成型设备有关。
纤维增强热塑性复合板材根据材料中的最大纤维保留尺寸大小，可分为：(1)非连续纤维增强热塑性复合材料，包括短切纤维增强塑料(SFT最大纤维保留尺寸0.2-0.6mm)；(2)长纤维增强热塑性复合材料(LFT最大纤维保留尺寸5-20mm)；(3)连续纤维增强热塑性复合材料(CFT，最大纤维保留尺寸>20mm)。
一般意义上来讲，对于同种树脂原材料，纤维的长度越长，复合材料板材的力学性能越优异，但后期加工成型的难度也越大。纤维增强热塑性复合材料的传统成型工艺包含注塑、模压及真空吸塑。这些工艺可以实现SFT材料非结构件或半结构部件的制造（如汽车工程塑料部件），而CFT是一种具有更高性能的轻量化新材料，但其成型工艺局限于热压成型和缠绕成型，一般用于管状、棒状及平面应用中，在具有复杂几何外形的部件中很难得以应用。
在同样的纤维长度条件下，随着增强纤维（以玻纤或碳纤为例）的含量增强，热塑性复合材料板材的强度和弯曲模量也随之增加，但板材的韧性可能会有所下降，材料的密度会有所提高。而且随着玻纤和碳纤含量的增加，在热压成型或吸塑成型中，板材的加工难度提高，曲面成型精度会大幅下降。这直接导致许多复杂几何形状的部件或者三维拉伸的部件难以用高纤维含量的纤维增强热塑性复合材料板材制备。
因此，现有的纤维增强复合材料一般都只能侧重于强调某个方面的性能，如CFT板材利用连续纤维增强，可以实现高强度高抗冲，但其成型性能很差。而短切纤维增强SFT板材具有良好的成型性能，但其力学性能有显著不足。而LFT板材具有适宜的成型性能，但其密度相比没有纤维填充的树脂体系要高，且拉伸抗冲等性能相比CFT也有不小的差距。
针对以上问题，故，有必要对其进行改进。
实用新型内容
本实用新型是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强热塑性树脂复合板材。
为了达到以上目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强多层复合板材，包括复合板材本体；该复合板材本体由两层或多层结构的复合层板材复合而成。
作为本实用新型的一种优选方案，所述复合板材本体包括外层和内层；外层和内层通过加热加压复合制成板材。
作为本实用新型的一种优选方案，所述外层为纤维增强热塑性复合材料层，内层为超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层。
作为本实用新型的一种优选方案，还设置有中间层，中间层位于外层和内层之间，所述中间层为热塑性胶粘薄膜层。
作为本实用新型的一种优选方案，所述热塑性胶粘薄膜层为聚丙烯基、EVA基、乙烯基、或者热塑性聚氨酯基材，其厚度为0.1mm～1mm。
作为本实用新型的一种优选方案，所述内层包括两层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层；外层包括2个两层纤维增强热塑性复合材料层，2个两层纤维增强热塑性复合材料层分别布设于两层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层的上下端。
作为本实用新型的一种优选方案，所述中间层包括两层热塑性胶粘薄膜层，所述两层热塑性胶粘薄膜层分别位于超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层与纤维增强热塑性复合材料层之间。
一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强多层复合板材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将玻纤、碳纤或玄武岩纤维材料按照需要的长度进行裁切，并均匀分散，然后通过输送辊导入两层预热的热塑性树脂薄膜间，然后加热加压使得热塑性树脂熔融流入增强玻纤或碳纤维间，充分浸渍并保压，随后降压冷却，形成刚性纤维增强热塑性复合材料层。
步骤二，将超高分子量聚乙烯纤维预先均匀分散，通过牵引辊导入两层热塑性树脂薄膜间，加热加压促使热塑性薄膜熔融并完全浸渍超高分子量聚乙烯纤维，随后在一对冷却辊作用下冷却固化成型，形成超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层；
步骤三，将步骤一中制得的刚性纤维增强热塑性复合材料层和步骤二中制得的超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层按照所需要的材料刚性、抗冲性能、及面密度要求进行两层或多层叠加，然后在层压机或连续复合压机上加热加压，使得各层之间熔融固化；
步骤四，将所制备的复合板材缓慢降压冷却，最终制得平整且内部无气孔缺陷的轻质抗冲高强复合材料板材。
本实用新型还进一步设置为，在上述制备步骤一中所述的刚性纤维增强热塑性复合材料层中，纤维的质量含量在20%-70%之间；单层片层的厚度为0.2-0.5mm之间。
本实用新型还进一步设置为，在上述制备步骤二中所述的超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层中，超高分子量聚乙烯纤维的质量含量在30%-80%之间；单层片层的厚度为0.1-0.3mm之间。
本实用新型还进一步设置为，在上述制备步骤一和步骤二中，所选用的热塑性树脂基材可以是同种材料，也可以是不同种材料；或者是同种材料但具备不同的熔体流动性能和力学性能。
本实用新型还进一步设置为，在上述制备步骤三中，刚性纤维增强热塑性复合材料层为A层，超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层为B层，可以采用AB类型铺层，也可以依据最终板材性能需求的不同，采用ABA、ABABA、AABB、AABBAA等其他多层铺层方式；当采用AABB、AABBAA等多层铺层时，两层或多层刚性纤维增强热塑性复合材料层之间，或者两层或多层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层之间可以采用0度和90度角两个方向交替铺设，以使得板材制品各方向力学性能上更加均一。
本实用新型还进一步设置为，在上述制备步骤三中，如果在AB两层所选用的热塑性树脂基材为异种材料，AB之间可以选择性的插入热塑性胶粘薄膜层，来增加AB两层之间的结合强度并降低层间应力，避免或减少复合材料板材的翘曲；或者在保持AB两层不熔融的情况下使得热塑性胶粘薄膜层中的胶粘薄膜受热熔融而提供层间粘接；该胶粘薄膜可以是聚丙烯基、EVA基、乙烯基、或者热塑性聚氨酯基材，其厚度范围为0.1mm-1mm。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型将轻质抗冲的超高分子量聚乙烯层和高模量的纤维增强热塑性复合材料相结合，并通过热压方式可制备大尺寸的板材产品；该复合材料板材兼具了超高分子量聚乙烯的高强高抗冲性能以及刚性纤维增强复合材料的轻质高模量的特性；同时由于采用的刚性纤维为短切或长纤维，在加热加压的条件下具有良好的成型性能，而高分子量聚乙烯纤维在加热加压时更具有优异的成型性，因此该复合材料可以根据产品需求，利用模压或吸塑工艺，制备出带有三维曲面造型的制品。并最终赋予制品轻质、抗冲、高模量、复杂几何形状等特点。
附图说明
图1为本实用新型实施例一的结构示意图；
图2为本实用新型实施例二的结构示意图；
图中附图标记：复合板材本体1，外层2，纤维增强热塑性复合材料层2-1，中间层3，热塑性胶粘薄膜层3-1，内层4，超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型实施例作详细说明。
实施例一：如图1所示，一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强多层复合板材，包括复合板材本体1；该复合板材本体1由两层或多层结构的复合层板材复合而成；复合板材本体1包括外层2和内层4；外层2和内层4通过加热加压复合制成板材，所述外层2为纤维增强热塑性复合材料层，内层4为超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层；内层4包括两层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1；外层2包括2个两层纤维增强热塑性复合材料层2-1，2个两层纤维增强热塑性复合材料层2-1分别布设于两层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1的上下端。
一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强多层复合板材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将玻纤、碳纤或玄武岩纤维材料按照需要的长度进行裁切，并均匀分散，然后通过输送辊导入两层预热的热塑性树脂薄膜间，然后加热加压使得热塑性树脂熔融流入增强玻纤或碳纤维间，充分浸渍并保压，随后降压冷却，形成刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1。
步骤二，将超高分子量聚乙烯纤维预先均匀分散，通过牵引辊导入两层热塑性树脂薄膜间，加热加压促使热塑性薄膜熔融并完全浸渍超高分子量聚乙烯纤维，随后在一对冷却辊作用下冷却固化成型，形成超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1；
步骤三，将步骤一中制得的刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1和步骤二中制得的超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1按照所需要的材料刚性、抗冲性能、及面密度要求进行两层或多层叠加，然后在层压机或连续复合压机上加热加压，使得各层之间熔融固化；
步骤四，将所制备的复合板材缓慢降压冷却，最终制得平整且内部无气孔缺陷的轻质抗冲高强复合材料板材。
其中，在上述制备步骤一中所述的刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1中，纤维的质量含量在20%-70%之间；单层片层的厚度为0.2-0.5mm之间。
其中，在上述制备步骤二中所述的超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1中，超高分子量聚乙烯纤维的质量含量在30%-80%之间；单层片层的厚度为0.1-0.3mm之间。
其中，在上述制备步骤一和步骤二中，所选用的热塑性树脂基材可以是同种材料，也可以是不同种材料；或者是同种材料(如聚烯烃）但具备不同的熔体流动性能和力学性能。
其中，在上述制备步骤三中，刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1为A层，超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1为B层，可以采用AB类型铺层，也可以依据最终板材性能需求的不同，采用ABA、ABABA、AABB、AABBAA等其他多层铺层方式；当采用AABB、AABBAA等多层铺层时，两层或多层刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1之间，或者两层或多层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1之间可以采用0度和90度角两个方向交替铺设，以使得板材制品各方向力学性能上更加均一。
纤维增强热塑性复合材料层2-1为玻纤增强聚丙烯片材，超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层为超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层，具体到本方案而言，如图1所示，本实用新型为一种6层结构的易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强热塑性树脂复合板材，其由四层玻纤增强聚丙烯片材、两层超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层组成。其中两层超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层成0度和90度角交替排列；玻纤增强聚丙烯片材两层为一组，分别放置于超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层的上下两面。上下表面层中的玻纤增强聚丙烯片层也成0度和90度角交替排列。
其制作方法为：
1）玻纤增强聚丙烯片层制备：选择表面包覆与PP相容的浸润剂体系的无捻粗纱玻纤，然后在专用裁切设备上切断成10mm长度的玻纤段，将玻纤段均匀散布于两层0.1mm厚聚丙烯薄膜间，然后在200℃下热辊压制备得到厚度为0.23mm, 玻纤质量含量在30%的纤维增强聚丙烯片层。
2）超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层的制备：将超高分子量聚乙烯纤维通过分散辊均匀分散，并施加引力通过导引辊进入两层90℃预热的聚丙烯薄膜之间，然后在160℃温度条件下保压1分钟，使得聚丙烯充分热熔并浸渍超高分子量聚乙烯纤维。冷却收卷制备得到0.2mm厚度的超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯单向带材。
3）将玻纤增强片层（A层）和超高分子量聚乙烯纤维增强片层（B层）按照AABBAABB的排列方式进行叠加。其中两层A层和两层B层分别按照0°和90°角度交替排列。
4）将铺好层的材料放入热压机中，在170℃温度下，施加2MPa的压力，保压1分钟，然后自然冷却，得到最终平均厚度为1.25mm的复合材料层压板。
实施例二：
如图2所示，一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强多层复合板材，还包括有中间层3，中间层3位于外层2和内层4之间，所述中间层3为热塑性胶粘薄膜层；所述热塑性胶粘薄膜层为聚丙烯基、EVA基、乙烯基、或者热塑性聚氨酯基材，其厚度为0.1mm～1mm；中间层3包括两层热塑性胶粘薄膜层3-1，所述两层热塑性胶粘薄膜层3-1分别位于超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1与纤维增强热塑性复合材料层2-1之间；
一种易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强多层复合板材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将玻纤、碳纤或玄武岩纤维材料按照需要的长度进行裁切，并均匀分散，然后通过输送辊导入两层预热的热塑性树脂薄膜间，然后加热加压使得热塑性树脂熔融流入增强玻纤或碳纤维间，充分浸渍并保压，随后降压冷却，形成刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1。
步骤二，将超高分子量聚乙烯纤维预先均匀分散，通过牵引辊导入两层热塑性树脂薄膜间，加热加压促使热塑性薄膜熔融并完全浸渍超高分子量聚乙烯纤维，随后在一对冷却辊作用下冷却固化成型，形成超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1；
步骤三，将步骤一中制得的刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1和步骤二中制得的超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1按照所需要的材料刚性、抗冲性能、及面密度要求进行两层或多层叠加，然后在层压机或连续复合压机上加热加压，使得各层之间熔融固化；
步骤四，将所制备的复合板材缓慢降压冷却，最终制得平整且内部无气孔缺陷的轻质抗冲高强复合材料板材。
其中，在上述制备步骤一中所述的刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1中，纤维的质量含量在20%-70%之间；单层片层的厚度为0.2-0.5mm之间。
其中，在上述制备步骤二中所述的超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1中，超高分子量聚乙烯纤维的质量含量在30%-80%之间；单层片层的厚度为0.1-0.3mm之间。
其中，在上述制备步骤一和步骤二中，所选用的热塑性树脂基材可以是同种材料，也可以是不同种材料；或者是同种材料(如聚烯烃）但具备不同的熔体流动性能和力学性能。
其中，在上述制备步骤三中，刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1为A层，超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1为B层，可以采用AB类型铺层，也可以依据最终板材性能需求的不同，采用ABA、ABABA、AABB、AABBAA等其他多层铺层方式；当采用AABB、AABBAA等多层铺层时，两层或多层刚性纤维增强热塑性复合材料层2-1之间，或者两层或多层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1之间可以采用0度和90度角两个方向交替铺设，以使得板材制品各方向力学性能上更加均一。
其中，在上述制备步骤三中，如果在AB两层所选用的热塑性树脂基材为异种材料，AB之间可以选择性的插入热塑性胶粘薄膜层3-1，来增加AB两层之间的结合强度并降低层间应力，避免或减少复合材料板材的翘曲；或者在保持AB两层不熔融的情况下使得热塑性胶粘薄膜层3-1中的胶粘薄膜受热熔融而提供层间粘接；该胶粘薄膜可以是聚丙烯基、EVA基、乙烯基、或者热塑性聚氨酯基材，其厚度范围为0.1mm-1mm。
纤维增强热塑性复合材料层2-1为玻纤增强聚碳酸酯片材，超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层为超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层，热塑性胶粘薄膜层3-1为热塑性聚氨酯胶粘层；具体到本方案而言，如图2所示，本实用新型为一种8层结构的易于热成型的轻质高抗冲高模量纤维增强热塑性树脂复合板材，其由四层玻纤增强聚碳酸酯片材、两层超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层、及两层热塑性聚氨酯胶粘层组成；其中两层超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层成0度和90度角交替排列。玻纤增强聚碳酸酯片材两层为一组，分别放置于超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层的上下两面。两层热塑性聚氨酯胶粘层置于超高分子量聚乙烯层及聚碳酸酯片层之间，上下表面层中的玻纤增强聚碳酸酯片层也成0度和90度角交替排列。
其制作方法为：
1）玻纤增强聚碳酸酯片层制备：选择表面包覆与聚碳酸酯相容的环氧基浸润剂体系的无捻粗纱玻纤，然后在专用裁切设备上切断成10mm长度的玻纤段，将玻纤段均匀散布于两层0.1mm厚聚碳酸酯薄膜间，然后在230℃下热压制备得到厚度为0.25mm, 玻纤质量含量在30%的纤维增强聚碳酸酯片层；
2）超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯片层的制备：将超高分子量聚乙烯纤维通过分散辊均匀分散，并施加引力通过导引辊进入两层90℃预热的聚丙烯薄膜之间，然后在160℃温度条件下保压1分钟，使得聚丙烯充分热熔并浸渍超高分子量聚乙烯纤维。冷却收卷制备得到0.2mm厚度的超高分子量聚乙烯纤维增强聚丙烯单向带材；
3）选择0.15mm厚度的热塑性聚氨酯薄膜层，作为中间胶粘层；
3）将玻纤增强片层（A层）和超高分子量聚乙烯纤维增强片层（B层）以及热塑性聚碳脂胶粘层（C层）按照AACBBCAA的排列方式进行叠加。其中四层A层和两层B层分别按照0°和90°角度交替排列；
4）将铺好层的材料放入热压机中，在130℃温度下，施加2MPa的压力，保压5分钟，然后自然冷却，得到最终平均厚度为1.5mm的复合材料层压板；
本实施例的其它内容可参考实施例一。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：复合板材本体1，外层2，纤维增强热塑性复合材料层2-1，中间层3，热塑性胶粘薄膜层3-1，内层4，超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层4-1等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
Claims (3)
1.一种多层复合板材，其特征在于：包括复合板材本体（1）；该复合板材本体（1）由两层或多层结构的复合层板材复合而成；所述复合板材本体（1）包括外层（2）和内层（4）；外层（2）和内层（4）通过加热加压复合制成板材；所述外层（2）为纤维增强热塑性复合材料层，内层（4）为超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层；还设置有中间层（3），中间层（3）位于外层（2）和内层（4）之间，所述中间层（3）为热塑性胶粘薄膜层；所述内层（4）包括两层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层（4-1）；外层（2）包括2个两层纤维增强热塑性复合材料层（2-1），2个两层纤维增强热塑性复合材料层（2-1）分别布设于两层超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层（4-1）的上下端。
2.根据权利要求1所述的一种多层复合板材，其特征在于：所述热塑性胶粘薄膜层为聚丙烯基、EVA基、乙烯基、或者热塑性聚氨酯基材，其厚度为0.1mm～1mm。
3.根据权利要求1所述的一种多层复合板材，其特征在于：所述中间层（3）包括两层热塑性胶粘薄膜层（3-1），所述两层热塑性胶粘薄膜层（3-1）分别位于超高分子量聚乙烯纤维增强树脂层（4-1）与纤维增强热塑性复合材料层（2-1）之间。
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|---|---|---|---|---|
| CN114683624A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-07-01 | 山东莱威新材料有限公司 | 一种基于超高分子量聚乙烯纤维的多层复合板材及其制备方法 |
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