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CN112824739A - 纤维增强热塑性复合材料及其制备方法 - Google Patents

纤维增强热塑性复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN112824739A
CN112824739A CN201911152241.7A CN201911152241A CN112824739A CN 112824739 A CN112824739 A CN 112824739A CN 201911152241 A CN201911152241 A CN 201911152241A CN 112824739 A CN112824739 A CN 112824739A
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fiber reinforced
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colored
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王凇
李一兰
祁贵东
向金宝
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Covestro Deutschland AG
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Covestro Deutschland AG
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Abstract

本申请涉及一种纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。所述纤维增强热塑性复合板材在表面上具有大理石纹理效果,所述表面大理石纹理通过将连续纤维增强热塑性单向带碎片层压而获得,所述连续纤维增强热塑性单向带中所用的纤维与树脂的颜色不同。所述热塑性复合板材可采用简单快速的方法制备并满足最终产品在表面外观上的个性化要求。

Description

纤维增强热塑性复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域。具体地,本发明涉及一种纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。
背景技术
连续纤维增强热塑性复合材料是用热塑性树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维而制成树脂基体与增强纤维的复合材料。由于连续纤维增强热塑性复合材料具有高比模量、高比强度、成型周期短,成型过程中无化学反应等优点,其被应用于汽车、航空航天、电子电气和机械等诸多领域。
用于制备连续纤维增强热塑性复合材料的纤维主要有碳纤维、芳纶纤维等。
碳纤维(简称CF)是一种含碳量在90%以上的高强度高模量的特种纤维。具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性外形呈纤维状、柔软、可加工成各种织物,由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向,因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小,因此比强度和比模量高。碳纤维的主要用途是作为增强材料,与树脂、金属、陶瓷及炭等复合,制造先进复合材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度及比模量在现有工程材料中是最高的。
芳纶具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能,广泛应用于复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域。
连续纤维增强热塑性复合材料的生产方式主要有熔融挤出法、薄膜法、溶液法、粉末法等。熔融挤出法是将连续纤维通过热塑性树脂熔体浸润形成,此方法浸润完全,成本较低。薄膜法是将连续纤维放置于两层树脂薄膜之间,然后在适当的温度下是树脂熔融、再在压力作用下制成预浸料。溶液法通常选用合适的溶剂,将树脂溶解制备低粘度的溶液,用所得溶液浸渍纤维,然后使溶剂挥发制得复合材料。粉末法是通过将粉状树脂施加到增强材料上来制得预浸料的方法。连续碳纤维增强热塑性复合单向带也是预浸料的一种,其连续碳纤维方向相互平行,单向带厚度通常在0.10-0.25mm。
现有连续纤维增强热塑性复合材料多为单向或编织纤维和无色透明热塑性树脂结合,颜色和纹理比较单调,需要开发更多具有不同表面纹理的复合材料用于个性化产品的生产。
专利申请CN 109263050 A公开了一种具有木纹效果的纤维增强复合材料及其制备方法。在该专利中主要采用热固性树脂制备复合材料,并通过切割材料在截面形成木纹效果。该专利将碳纤维布或者玻璃纤维布浸泡在第一树脂中,优选为环氧树脂,将带有颜色的呈半固化状态的第二树脂覆盖于浸入第一树脂的所述碳纤维布或者玻璃纤维布的一面;第二树脂优选为双组份的环氧树脂与环氧树脂色浆以及稀释剂共同混合形成。重复上述步骤,形成叠层结构并在一定的温度和压力下成型;后由顶面或底面沿着与其垂直的中轴线方向倾斜的方向切割,形成木纹效果纤维材料。该专利仅仅涉及到热固性树脂复合材料,而且其纹理效果仅是截侧面,而非上下表面。
CN107443825A公开了一种仿大理石复合板材,其包括TPU板层、纤维材料层和仿大理石涂料层,所述TPU板层、纤维材料层和仿大理石涂料层依次相连接。该仿大理石复合板材通过仿大理石涂料层的设置,具有天然大理石的质感、光泽和纹理。然而,这种大理石复合板材的仿大理石纹理容易由于涂层磨损而消失。
因此本领域中仍对持久性地具有表面纹理的复合材料存在需求。
发明内容
本发明的一个目的是提供在表面上具有纹理效果的复合材料。
本发明的另一目的是提供在表面上具有纹理效果的复合材料的制备方法。
因此,根据本发明的第一个方面,提供一种纤维增强热塑性复合板材,其特征在于,所述复合板材在表面上具有大理石纹理效果,所述表面大理石纹理通过将连续纤维增强热塑性复合单向带碎片层压而获得,所述连续纤维增强热塑性单向带中所用的纤维与树脂的颜色不同。
根据本发明的第二个方面,提供一种制备上述纤维增强热塑性复合板材的方法,其特征在于,其包括如下步骤:
I)将连续纤维增强热塑性复合单向带切成碎片;和
II)将所得碎片平铺在模具中并进行热压成型,以形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材。
所述纤维增强热塑性复合板材在表面上持久性地具有大理石纹理效果,可用于对表面外观有要求的应用,例如汽车内饰。所述热塑性复合板材可采用简单快速的方法制备并满足最终产品在表面外观上的个性化要求。
附图说明
下面结合附图对本发明进行更详细地说明和解释,其中:
图1显示了实施例1中制备的碳纤维增强热塑性复合板材;
图2显示了实施例2中制备的碳纤维增强热塑性复合板材。
具体实施方案
现在参考附图以说明的目的而非限制地描述本发明的一些具体实施方案。
根据本发明的第一个方面,提供一种纤维增强热塑性复合板材,其特征在于,所述复合板材在表面上具有大理石纹理效果,所述表面大理石纹理通过将连续纤维增强热塑性复合单向带碎片层压而获得,所述连续纤维增强热塑性单向带中所用的纤维与树脂的颜色不同。
优选地,所述单向带中使用的树脂选自聚碳酸酯(PC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或其组合。
优选地,所述纤维选自碳纤维或芳纶纤维。所述纤维可以是未经染色的或经过染色的。
在一些实施方案中,所述纤维是未经染色的。
在一些实施方案中,所述纤维在用于增强树脂之前经过染色。
所述单向带中使用的树脂可以为未添加颜料或已添加颜料的。
在一些实施方案中,所述单向带中使用的树脂为未添加颜料的,所述纤维未经染色或经过染色。
在一些实施方案中,所述树脂为已添加颜料的,所述纤维未经染色或经过染色。
优选地,所述单向带的厚度在0.10-0.25mm之间。
优选地,所述单向带中纤维的体积含量为35%至60%。
根据本发明的纤维增强热塑性复合板材可以通过简单快速的方法制备。
根据本发明的第二个方面,提供一种制备上述纤维增强热塑性复合板材的方法,其包括如下步骤:
I)将连续纤维增强热塑性复合单向带切成碎片;和
II)将所得碎片平铺在模具中并进行热压成型,以形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材。
优选地,所述单向带的厚度在0.10-0.25mm之间。
优选地,所述单向带中纤维的体积含量为35%至60%。
所述单向带可商购获得或自行制备。
连续纤维增强热塑性复合单向带可以通过用树脂浸润连续纤维来制备。浸润方法可以为本领域中常用的方法,例如熔融挤出法、薄膜法、溶液法、粉末法等,优选熔融挤出法。
在一些实施方案中,所述方法还包括通过用树脂浸润连续纤维来制备连续纤维增强热塑性复合单向带。
所述连续纤维增强热塑性复合单向带中使用的树脂可以选自聚碳酸酯(PC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。
当希望获得纤维增强热塑性复合板材呈现有色板材时,可以通过使连续纤维增强热塑性复合单向带呈有色单向带来实现,例如通过在制备连续纤维增强热塑性复合单向带时使用有色纤维和/或有色树脂来实现,或者通过在连续纤维增强热塑性复合单向带上覆盖有色树脂薄膜来实现。
在一些实施方案中,所述连续纤维增强热塑性复合单向带为有色的纤维增强热塑性复合单向带,所述方法还包括提供有色的连续纤维增强热塑性复合单向带。
例如,在一些具体实施方案中,所述单向带为有色的单向带,所述方法还包括采用连续纤维和树脂制备所述有色的单向带,其中所述纤维和树脂至少之一是有色的。
在一些实施例中,所述单向带为有色的单向带,所述方法还包括采用连续纤维和树脂制备所述有色的单向带,其中仅所述纤维是有色的。
在一些实施例中,所述单向带为有色的单向带,所述方法还包括采用连续纤维和树脂制备所述有色的单向带,其中仅所述树脂是有色的。
在一些实施例中,所述单向带为有色的单向带,所述方法还包括采用连续纤维和树脂制备所述有色的单向带,其中所述纤维和所述树脂都是有色的。
在一些实施方案中,根据本发明的方法包括如下步骤:
I)用具有颜色的热塑性树脂浸润连续纤维,以形成连续纤维增强热塑性复合单向带,其中所述纤维和所述树脂的颜色不同;
II)将步骤I)中得到的连续纤维增强热塑性复合单向带切成碎片;和
III)将碎片平铺在模具中并进行热压成型,以形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材。
在一些实施方案中,根据本发明的方法包括如下步骤:
I)用未添加颜料的热塑性树脂浸润有色的连续纤维,以形成连续纤维增强热塑性复合单向带;
II)将步骤I)中得到的连续纤维增强热塑性复合单向带切成碎片;和
III)将碎片平铺在模具中并进行热压成型,以形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材。
在一些实施方案中,根据本发明的方法包括如下步骤:
I)用具有颜色的热塑性树脂浸润有色的连续纤维,以形成连续纤维增强热塑性复合单向带,其中所述纤维和所述树脂的颜色不同;
II)将步骤I)中得到的连续纤维增强热塑性复合单向带切成碎片;和
III)将碎片平铺在模具中并进行热压成型,以形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材。
在一些实施方案中,所述方法包括在将所述单向带切成碎片之前先用有色树脂薄膜覆盖所述单向带的一面或两面并通过热压成型使所述单向带和有色树脂薄膜层合,然后将所述单向带和有色树脂薄膜一起切成碎片。
通过在原有连续纤维增强热塑性复合单向带基础上引入有色树脂薄膜,然后切碎并热压形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材,可以快速实现对不同颜色大理石纹理效果的筛选,节省生产成本,提高效率,为大批量生产提供参考方案。
所述有色树脂薄膜由含有颜料的聚碳酸酯(PC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)树脂形成。
所述有色树脂薄膜可商购获得或自行制备。
因此,根据本发明的方法还可以包括采用含有颜料的热塑性树脂颗粒制备有色树脂薄膜的步骤。
在一些实施方案中,根据本发明的方法包括如下步骤:
I)用未添加颜料的透明或半透明第一热塑性树脂浸润连续纤维,以形成连续纤维增强热塑性复合单向带;
II)将具有颜色的第二热塑性树脂粒子熔融挤出形成有色树脂薄膜;
III)用步骤II)中得到的有色树脂薄膜覆盖于步骤I)中得到的连续纤维增强热塑性复合单向带的一面或两面,通过热压成型使所述单向带和有色树脂薄膜层合;
IV)将步骤III)中得到的覆盖有有色树脂薄膜的连续纤维增强热塑性复合单向带切成碎片;和
V)将碎片平铺在模具中并进行热压成型,以形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材。
形成纤维增强热塑性复合单向带的步骤和形成有色树脂薄膜的步骤在顺序上没有要求。
优选地,所述第一热塑性树脂和第二热塑性树脂相互独立地选自聚碳酸酯(PC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。
更优选地,所述第一热塑性树脂和第二热塑性树脂为同一类树脂。
优选地,所述有色树脂薄膜的厚度为0.04-0.10mm。
本领域技术人员可以根据单向带与有色树脂薄膜中所用材料选择对单向带和有色树脂薄膜进行热压时使用的温度和压力。
在一些实施方案中,在170-180℃的温度下和1-2MPa的压力下通过热压成型使所述单向带和有色树脂薄膜层合。
所得碎片可以呈任意形状,例如呈矩形、三角形或圆形。
所得碎片也可具有任意合适尺寸。
例如,当所述碎片为长方形时,其长度可以为5-50mm,宽度可以为5-50mm。
当所述碎片为三角形、圆形或不规则形状时,其名义尺寸为5-50mm。
本申请中,名义尺寸为与所述碎片具有相同面积的正方形的边长的尺寸。
本领域技术人员也可以根据单向带和任选的有色树脂薄膜中所用材料选择将碎片热压成型时使用的温度和压力。
在一些实施方案中,在160-230℃的温度和1-5MPa的压力下将所述碎片热压成型为所述复合板材。
在一些实施方案中,在160-230℃的温度和2-3MPa的压力下将所述碎片热压成型为所述复合板材。
本申请中针对各个特征的描述在相互不矛盾的情况下可以相互结合,都落入本申请请求保护的范围。
本申请中所述的“包含”和“包括”涵盖还包含或包括未明确提及的其它要素的情形以及由所提及的要素组成的情形。
除非另外限定,本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域技术人员通常理解的相同意义。当本说明书中术语的定义与本发明所属领域技术人员通常理解的意义有矛盾时,以本文中所述的定义为准。
除非另有说明,否则在说明书和权利要求书中使用的表达成分的量、反应条件等的所有数值被理解为在被术语“约”修饰。因此,除非有相反指示,否则在这里阐述的数值参数是能够根据需要获得的所需性能来变化的近似值。
实施例
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以让本领域技术人员充分地了解本发明的目的、特征和效果。本领域技术人员不难理解,此处的实施例仅仅用于示例目的,本发明的范围并不局限于此。
所用设备
压机设备名称:东莞市宝轮精密检测仪器有限公司生产的静态热压机,型号为BL-6170-B。
实施例1
按照如下步骤制备碳纤维增强聚碳酸酯复合板材:
首先用白色聚碳酸酯树脂浸润连续碳纤维,以形成厚度为0.17mm、纤维体积含量为44%的连续碳纤维增强聚碳酸酯复合单向带。
接着,将所得连续碳纤维增强聚碳酸酯复合单向带切成尺寸为20mm×10mm的碎片。
然后将碎片平铺在模具中,在170℃的温度、2Mpa的压力下保持10分钟进行热压成型,形成在表面上具有大理石纹理效果的碳纤维增强聚碳酸酯复合板材,其厚度为1mm。
对所得碳纤维增强聚碳酸酯复合板材表面进行拍照,所得照片显示于图1中。
实施例2
按照如下步骤制备碳纤维增强聚碳酸酯复合板材:
首先用不含颜料的聚碳酸酯树脂浸润连续碳纤维,以形成厚度为0.17mm、纤维体积含量为44%的连续碳纤维增强聚碳酸酯复合单向带。
接着,将含有绿色颜料的聚碳酸酯树脂粒子挤出形成厚度为0.04mm聚碳酸酯薄膜。
将所得聚碳酸酯薄膜双面覆盖于连续碳纤维增强聚碳酸酯复合单向带上,在170℃的温度和2MPa的压力下通过热压使薄膜和单向带结合在一起。
接着,将薄膜和单向带切成尺寸为20mm×10mm的碎片。
然后将碎片平铺在模具中,在170℃、2Mpa的压力下保持10分钟进行热压成型,形成在表面上具有大理石纹理效果的碳纤维增强聚碳酸酯复合板材,其厚度为1.05mm。
对所得碳纤维增强聚碳酸酯复合板材表面进行拍照,所得照片显示于图2中。
以上仅描述了本发明的示例性实施方案或实施例,并不旨在限制本发明。对于本领域技术人员来说,本发明可以由各种更改和变化。
凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本申请权利要求范围内。

Claims (15)

1.一种纤维增强热塑性复合板材,其特征在于,所述复合板材在表面上具有大理石纹理效果,所述表面大理石纹理通过将连续纤维增强热塑性复合单向带碎片层压而获得,所述单向带中所用的纤维与树脂的颜色不同。
2.根据权利要求1所述的复合板材,其特征在于,所述单向带中使用的树脂选自聚碳酸酯(PC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或其组合。
3.根据权利要求1或2所述的复合板材,其特征在于,所述纤维选自碳纤维或芳纶纤维。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合板材,其特征在于,所述纤维未经染色或经过染色。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合板材,其特征在于,所述单向带中使用的树脂为未添加颜料或已添加颜料的。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的复合板材,其特征在于,所述单向带中纤维的体积含量为35%至60%。
7.一种制备根据权利要求1-6中任一项所述的纤维增强热塑性复合板材的方法,其特征在于,其包括如下步骤:
I)将连续纤维增强热塑性复合单向带切成碎片;和
II)将所得碎片平铺在模具中并进行热压成型,以形成在表面上具有大理石纹理效果的纤维增强热塑性复合板材。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述单向带的厚度在0.10-0.25mm之间。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,所述单向带为有色的单向带,所述方法还包括采用纤维和树脂制备所述有色的单向带,其中所述纤维和树脂至少之一是有色的。
10.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,所述方法包括在将所述单向带切成碎片之前先用有色树脂薄膜覆盖所述单向带的一面或两面并通过热压成型使所述单向带和有色树脂薄膜层合,然后将所述单向带和有色树脂薄膜一起切成碎片。
11.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,所述有色树脂薄膜由含有颜料的聚碳酸酯(PC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)树脂形成。
12.根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,所述有色树脂薄膜的厚度在0.04-0.10mm之间。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法,其特征在于,在170-180℃的温度下和1-2MPa的压力下通过热压成型使所述单向带和有色树脂薄膜层合。
14.根据权利要求7-13中任一项所述的方法,其特征在于,所述碎片呈矩形、三角形或圆形。
15.根据权利要求7-14中任一项所述的方法,其特征在于,在160-230℃的温度和1-5MPa的压力下将所述碎片热压成型为所述复合板材。
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