CN104908201A - 短碳纤维复合材料的制备方法及成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种短碳纤维复合材料的成型方法，包括：S21.对短碳纤维复合材料进行烘烤处理以去除水分；S22.将所述步骤S21处理后的短碳纤维复合材料放入注塑机中，并使所述短碳纤维复合材料升温变成熔融状态；S23.将所述步骤S22中所得的熔融状态的短碳纤维复合材料注入用于注塑成型的模具中；S24.待所述模具中的所述熔融状态的短碳纤维复合材料流动、成型并冷却后开模，获得短碳纤维复合材料塑料制品。本发明中的短碳纤维复合材料制备方法及成型方法具有产能高、不良率低、成本低且适合大规模生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料的制备和加工领域，尤其涉及一种短碳纤维复合材料的制备方法以及注塑成型的方法。
背景技术
碳纤维由有机母体纤维（比如粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等）采用高温分解法在高温惰性气体下碳化所得，是一种纤维状碳材料。碳纤维材料是一种具有优异的电学、热学和力学性能的新型材料。其中，短碳纤维又称短切碳纤维，是由碳纤维长丝经过短切机切制而成，长度一般以毫米为单位，其基本性能主要取决于原料——碳纤维长丝的性能。与碳纤维长丝相比，短碳纤维在工业应用中具有分散均匀、喂料方式多样、工艺简单等优点。
目前，碳纤维复合材料的成型方法主要有手糊成型方法、拉挤成型方法以及树脂成型模压工艺（RTM）等。
其中，手糊成型方法包括依次在模具型腔表面涂布脱模剂、碳纤织布、粘度适中的环氧树脂和固化剂，手持辊子或刷子使环氧树脂浸渍碳纤维，并驱除气泡，反复多次铺层操作直至达到制品的设计厚度；拉挤成型方法是指将碳纤维置于树脂槽中浸渍树脂，然后将其放入加热模具中固化，进而制得不同形状的型材；树脂成型模压工艺是指先将碳纤维复合材料做成预成型件放入封闭模具中，然后在真空和压力的条件下将碳纤维复合材料注入模具以固化成型。现有的这三种碳纤维复合材料成型方法都无法生产结构复杂的产品、生产成本高且生产效率低；其中，手糊成型方法属于劳动密集型生产，制品质量由工人技术熟练程度决定，往往不良率较高且产品质量不稳定；此外，树脂产生的有害气体还会危害人体。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种产能高、不良率低、成本低、适合大规模生产的短碳纤维材料成型方法及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种短碳纤维复合材料的成型方法，包括：
S21.对短碳纤维复合材料进行烘烤处理以去除水分；
S22.将所述步骤S21处理后的短碳纤维复合材料放入注塑机中，并使所述短碳纤维复合材料升温变成熔融状态；
S23.将所述步骤S22中所得的熔融状态的短碳纤维复合材料注射入用于注塑成型的模具中；
S24.待所述模具中的所述熔融状态的短碳纤维复合材料完成流动、成型并冷却后开模，获得短碳纤维复合材料塑料制品。
优选的，在所述步骤S21的所述烘烤处理过程中，烘烤温度控制在110-120℃，烘烤时间为4-6个小时。
在所述步骤S22中，所述短碳纤维复合材料在注塑机射嘴的加热作用以及注塑机螺杆的剪切作用下升温；所述注塑机射嘴的温度控制在245℃和255℃之间，所述注塑机各段的温度均控制在260℃和270℃之间。
所述注塑机射嘴的温度维持在245℃，所述注塑机的一段、二段、三段和四段的温度均维持在260℃。
在所述步骤S23中，通过所述注塑机螺杆将所述熔融状态的短碳纤维复合材料注入所述模具的型腔中，注射压力在100Mpa和140Mpa之间。
所述注塑机螺杆为含镍的高耐磨螺杆。
所述注塑机选用高速注塑机或超高速注塑机。
所述方法在所述步骤S21之后、所述步骤S22之前还包括：步骤S20.加热所述模具并保温，使所述模具的温度控制在110℃至120℃之间。
所述方法在所述步骤S21之前还包括：步骤S20.加热所述模具并保温，使所述模具的温度控制在110℃至120℃之间。
本发明还提供了一种短碳纤维复合材料的制备方法，对于100重量份的所述短碳纤维复合材料，所述制备方法包括：
S11.将45-60重量份的聚碳酸酯和30-45重量份的ASA工程塑料混合，获得75-90重量份的基材；
S12.将所述步骤S11中所得的75-90重量份的所述基材与10-25重量份的短碳纤维材料混合并抽粒，使所述基材包裹在所述短碳纤维材料的外部，得到所述短碳纤维复合材料。
实施本发明的短碳纤维复合材料的成型方法，其有益效果在于：只需要将高温短碳纤维复合材料直接注塑成型即可获得所需的产品，工艺步骤更加简洁优化；采用直接注塑的成型方法，不需要增加树脂槽等设备，降低了生产成本；采用直接注塑的成型方法，提高了成型过程中的机械化和自动化程度，进而提高了生产效率并降低产品的不良率。此外，将通过本发明的短碳纤维复合材料制备方法所制得的短碳纤维复合材料用于本发明的短碳纤维复合材料成型方法，可以获得具有良好力学性能的产品，达到质量轻和超薄的效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一具体实施例中短碳纤维复合材料制备方法的流程图；
图2是本发明第一具体实施例中短碳纤维复合材料成型方法的流程图；
图3是本发明第二具体实施例中短碳纤维复合材料成型方法的流程图；
图4是本发明第三具体实施例中短碳纤维复合材料成型方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了短碳纤维复合材料制备方法的流程图。如图1所示，在本实施例中，对于100重量份的短碳纤维复合材料，其制备方法主要包含以下步骤：
S11.将45-60重量份的PC和30-45重量份的ASA工程塑料混合，获得75-90重量份的基材。
S12.将步骤S11中所得的75-90重量份的基材与10-25重量份的短碳纤维材料混合并抽粒，使所述基材包裹在所述短碳纤维材料的外部，得到短碳纤维复合材料。
根据上述方法所制得的短碳纤维复合材料不仅保留了基材的高耐热性和耐候性，同时也获得了短碳纤维复合材料所拥有的高抗拉强度等优良力学性能，扩大了复合材料的应用领域。
此外，将步骤S12制得的短碳纤维复合材料切割成不同长度的塑料米粒，可用于生产各种短碳纤维复合材料塑料制品。
步骤S11中的PC是聚碳酸酯(Polycarbonate)的简称，而ASA（AcrylonitrileStyrene acrylate copolymer）是一种由丙烯腈、苯乙烯和丙烯酸橡胶组成的三元聚合物。
优选的，将步骤S12中制得的短碳纤维复合材料切割成直径为3～4mm、长度为2～4mm的塑料米粒，然后通过图2所示的短碳纤维复合材料成型方法，以直接注塑成型的方式批量的生产各类短碳纤维复合材料产品。使用该短碳纤维复合材料相比普通塑料材料，可以使最终获得的制品在同等力学性能下减薄20%以上、重量减轻25%以上。
适用于本发明的短碳纤维材料具有以下特征：单丝直径在7.0-10μm之间、抗拉强度在3.6-3.8GPa之间、抗伸模量在220-240GPa之间、含碳量≥95%、伸长率为1.5%、密度在1.6-1.76g/cm3之间、外观为灰黑色且电阻率在1.0-1.6Ωcm之间。
图2示出了本发明第一具体实施例中短碳纤维复合材料成型方法的流程图。如图2所示，短碳纤维复合材料的成型方法主要包含以下步骤：
S21.对短碳纤维复合材料进行烘烤处理以去除水分，其中，烘烤温度控制在110-120℃，烘烤时间为4-6小时。
S22.将步骤S21处理后的短碳纤维复合材料放入注塑机的料筒中，并使该短碳纤维复合材料在注塑机射嘴的加热作用以及注塑机螺杆转动时的剪切作用下升温，变成熔融状态，即粘流态。
S23.将步骤S22中所得的熔融状态的短碳纤维复合材料通过注塑机螺杆的注射作用，注入用于注塑成型的模具的型腔中。
S24.待模具型腔中的塑料材料，即步骤S23中的熔融状态的短碳纤维复合材料，流动、成型冷却后，模具在注塑机的作用下开模，并顶出短碳纤维复合材料塑料制品，然后模具在注塑机的作用下合模，完成整个注塑成型周期，从而进行下一个注塑成型周期的生产。
本实施例中所使用的短碳纤维复合材料是通过图1中的短碳纤维复合材料的制备方法制得的。优选的，为确保最终获得的短碳纤维复合材料塑料制品的质量，所使用的短碳纤维复合材料直接由图1中的短碳纤维复合材料制备方法制得，不能使用和添加二次回收料。
步骤S21中的烘烤处理，是用于去除短碳纤维复合材料中的水分，避免水分在后续注塑过程中影响短碳纤维复合材料的流动性和排气性，进而防止困气。在本实施例中，将烘烤温度提升至110-120℃，烘烤时间延长至4-6小时，从而尽量去除短碳纤维复合材料中的水分。
在步骤S22中，对放入注塑机料筒中的短碳纤维复合材料的加热，可以通过注塑机射嘴的加热作用以及注塑机螺杆转动时的剪切作用来实现。此外，注塑机射嘴的温度控制在245℃和255℃之间，优选将注塑机射嘴的温度维持在245℃。同时，为了确保短碳纤维复合材料保持一定的流动性，需要控制注塑机每段的温度都在260℃和270℃之间，优选的，使注塑机一段、二段、三段和四段的温度均维持在260℃。
在步骤S23中，用于注塑成型的模具可以根据最终成型的短碳纤维复合材料塑料制品的结构和形状，采用多点进胶的方式设计；当该模具用于生产外观件产品时，模具的结构尽量采用倒装结构，从而避免浇口直接开设在产品外表面，影响产品的外观。
同时，在通过注塑机螺杆将熔融状态的短碳纤维复合材料注入模具型腔的过程中，需要较高的注射压力，在本实施例中该注射压力优选为在100Mpa至140Mpa之间。
优选的，本实施例中使用高速注塑机或超高速注塑机，一般而言，注射速度小于400mm/s的注塑机归类为传统注塑机，注射速度在400-800mm/s之间的归类为高速注塑机，注射速度大于800mm/s归类为超高速注塑机。
此外，由于普通的氮化钢材质的注塑机螺杆在长期使用后会出现腐蚀，甚至导致螺杆在注射时无法转动，进行大规模生产后造成螺杆的报废，因此，优选含镍的高耐磨螺杆作为本实施例中的注塑机螺杆。
在本实施例的步骤S24中，模具在注塑机的作用下开模，并顶出短碳纤维复合材料塑料制品。可以理解的是，获取短碳纤维复合材料塑料制品的方法不限于顶出，可以是采用人工方式或机械手方式取出短碳纤维复合材料塑料制品，在此不作具体限定。
如图3和图4所示，在本发明的第二实施例和第三实施例中，步骤S21至S24与第一实施例相同，在此不再赘述。不同点在于，第二实施例和第三实施例中的短碳纤维复合材料成型方法还包括步骤20，即使用油温机对用于注塑成型的模具进行加热和保温，使模具的温度控制在110-120℃。
步骤S20是为了使模具的温度与通过烘烤处理后的短碳纤维复合材料的温度接近，以避免在注塑过程中，当熔融状态的短碳纤维复合材料注入低温的模具型腔时，短碳纤维复合材料出现温度分布不均等现象从而影响流动性和成型质量。
而且，步骤S20可以在步骤S21之前执行（如图3所示），也可以在步骤S21之后执行（如图4所示）。因为步骤S20中的保温过程使模具的温度一直维持在110-120℃的范围内，增大了步骤S20的灵活性。
综上所述，本发明中的短碳纤维复合材料成型方法只需要直接将高温短碳纤维复合材料注塑成型即可获得所需的产品，工艺步骤更加简洁优化；采用直接注塑的成型方法，不需要增加树脂槽等设备，降低了生产成本；采用直接注塑的成型方法，提高了成型过程中的机械化和自动化程度，进而提高了生产效率并降低产品的不良率。此外，将通过本发明的短碳纤维复合材料制备方法所制得的短碳纤维复合材料用于本发明的短碳纤维复合材料成型方法，可以获得具有良好力学性能的产品，达到质量轻和超薄的效果。
Claims (10)
1.一种短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，包括：
S21.对短碳纤维复合材料进行烘烤处理以去除水分；
S22.将所述步骤S21处理后的短碳纤维复合材料放入注塑机中，并使所述短碳纤维复合材料升温变成熔融状态；
S23.将所述步骤S22中所得的熔融状态的短碳纤维复合材料注射入用于注塑成型的模具中；
S24.待所述模具中的所述熔融状态的短碳纤维复合材料完成流动、成型并冷却后开模，获得短碳纤维复合材料塑料制品。
2.根据权利要求1所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，在所述步骤S21的所述烘烤处理过程中，烘烤温度控制在110-120℃，烘烤时间为4-6个小时。
3.根据权利要求1所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，在所述步骤S22中，所述短碳纤维复合材料在注塑机射嘴的加热作用以及注塑机螺杆的剪切作用下升温；所述注塑机射嘴的温度控制在245℃和255℃之间，所述注塑机各段的温度均控制在260℃和270℃之间。
4.根据权利要求3所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，所述注塑机射嘴的温度维持在245℃，所述注塑机的一段、二段、三段和四段的温度均维持在260℃。
5.根据权利要求3所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，在所述步骤S23中，通过所述注塑机螺杆将所述熔融状态的短碳纤维复合材料注入所述模具的型腔中，注射压力在100Mpa和140Mpa之间。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，所述注塑机螺杆为含镍的高耐磨螺杆。
7.根据权利要求1所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，所述注塑机选用高速注塑机或超高速注塑机。
8.根据权利要求1所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，所述方法在所述步骤S21之后、所述步骤S22之前还包括：
步骤S20.加热所述模具并保温，使所述模具的温度控制在110℃至120℃之间。
9.根据权利要求1所述的短碳纤维复合材料的成型方法，其特征在于，所述方法在所述步骤S21之前还包括：
步骤S20.加热所述模具并保温，使所述模具的温度控制在110℃至120℃之间。
10.一种短碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，对于100重量份的所述短碳纤维复合材料，所述制备方法包括：
S11.将45-60重量份的聚碳酸酯和30-45重量份的ASA工程塑料混合，获得75-90重量份的基材；
S12.将所述步骤S11中所得的75-90重量份的所述基材与10-25重量份的短碳纤维材料混合并抽粒，使所述基材包裹在所述短碳纤维材料的外部，得到所述短碳纤维复合材料。
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