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CN106273021A - 一种中空芯材的制备方法和中空芯材及其在制备汽车结构件的用途 - Google Patents

一种中空芯材的制备方法和中空芯材及其在制备汽车结构件的用途 Download PDF

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CN106273021A
CN106273021A CN201610663964.3A CN201610663964A CN106273021A CN 106273021 A CN106273021 A CN 106273021A CN 201610663964 A CN201610663964 A CN 201610663964A CN 106273021 A CN106273021 A CN 106273021A
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李文博
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Beijing Automotive Research Institute Co Ltd
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BAIC Motor Co Ltd
Beijing Automotive Research Institute Co Ltd
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Abstract

本公开提供了一种中空芯材的制备方法，所述中空芯材含有基体树脂、增强纤维和空心玻璃微球，该中空芯材的制备方法包括：(1)使所述基体树脂和增强纤维混合后经挤出加热熔融得到熔融材料；(2)在熔融状态下向挤出后的所述熔融材料内加入空心玻璃微球，并使空心玻璃微球与熔融材料混合均匀，得到熔融状态的混合料；(3)使所述混合料进行吹塑成型，得到所述中空芯材。本公开的制备方法通过调整在树脂基体中加入空心玻璃微球的加料时机，避免空心玻璃微球在挤出加热熔融过程中被剪切力破碎，使中空芯材中的空心玻璃微球破碎率降低，从而进一步降低了中空芯材的密度，提高强度。

Description

一种中空芯材的制备方法和中空芯材及其在制备汽车结构件 的用途
技术领域
本公开涉及复合材料领域，具体地，涉及一种中空芯材的制备方法和中空芯材及其在制备汽车结构件的用途。
背景技术
复合材料已广泛应用于航空、建筑、汽车等领域。纤维复合材料作为近年突飞猛进发展的新型材料，由于特殊的物理性质及稳定的化学性质，尤其是出色的质轻、高强度，已在工程上被广泛地使用。现有复合材料内部多为实心结构，其在隔热、隔音、减震等方面效果并不理想。
空心玻璃微球具有密度小、模量高、耐高温和导热因数小等优点，是近年来常用于树脂填充改性制备复合材料的新型功能性无机填充材料。将空心玻璃微球填充树脂不仅可以增加复合材料的耐磨、抗压和阻燃等性能，而且其球形表面可以提高材料的加工流动性，降低材料密度。另外，空心玻璃微球的表面光泽度好，可以增加制品的表面光泽，减少表面污垢吸附。其来源广泛、价格低廉，对制备轻量化的新型复合材料有重要意义。但是采取现有工艺制备空心玻璃微球复合材料，其减重效果不明显，达不到轻量化要求，且复合材料的综合力学性能有待提高。
发明内容
本公开的目的是提供一种中空芯材的制备方法，该方法提供了一种密度更小、强度更高的中空芯材的制备方法，可以解决现有的制备方法制备的含有空心玻璃微球的复合材料密度降低不明显，材料强度不高的技术问题。
为了实现上述目的，本公开提供一种中空芯材的制备方法，所述中空芯材含有基体树脂、增强纤维和空心玻璃微球，该中空芯材的制备方法包括：
(1)使所述基体树脂和增强纤维混合后经挤出加热熔融得到熔融材料；
(2)在熔融状态下向挤出后的所述熔融材料内加入空心玻璃微球，并使空心玻璃微球与熔融材料混合均匀，得到熔融状态的混合料；
(3)使所述混合料进行吹塑成型，得到所述中空芯材。
本公开还提供采用上述制备方法制得的中空芯材。
本公开还提供上述中空芯材在制备汽车结构件的用途。
通过上述技术方案，本公开的制备方法通过调整在树脂基体中加入空心玻璃微球的加料时机，避免空心玻璃微球在挤出加热熔融过程中被剪切力破碎，使中空芯材中的空心玻璃微球破碎率降低，从而进一步降低了中空芯材的密度，提高强度。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开提供的中空芯材的制备方法的一种具体实施方式所采用的装置的示意图。
图2是本公开提供的中空芯材的制备方法的一种具体实施方式制备的中空芯材的示意图。
附图标记说明
1 螺杆挤出机 2 空心玻璃微球添加口
3 储料装置 4 吹塑成型机
5 推杆 6 进料口
7 模具
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
本公开提供一种中空芯材的制备方法，所述中空芯材含有基体树脂、增强纤维和空心玻璃微球，该中空芯材的制备方法包括：
(1)使所述基体树脂和增强纤维混合后经挤出加热熔融得到熔融材料；
(2)在熔融状态下向挤出后的所述熔融材料内加入空心玻璃微球，并使空心玻璃微球与熔融材料混合均匀，得到熔融状态的混合料；
(3)使所述混合料进行吹塑成型，得到所述中空芯材。
本公开的制备方法通过调整在树脂基体中加入空心玻璃微球的加料时机，避免空心玻璃微球在挤出加热熔融过程中被剪切力破碎，使中空芯材中的空心玻璃微球破碎率降低，从而进一步降低了中空芯材的密度，提高强度。
根据本公开，中空芯材的基体树脂种类没有特别的要求，可以为任何种类适用于吹塑成型的树脂，树脂的性能也没有特别的要求，优选情况下，为了满足吹塑成型的树脂流动性要求，树脂的熔融指数可以为0.2-1.5g/10min范围内。具体地，基体树脂可以为复合材料领域常用的树脂种类，例如，基体树脂可以为选自聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种。优选情况下，基体树脂可以为适于吹塑成型的聚乙烯和/或聚丙烯。其中，聚乙烯可以为选自低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、线型低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)中的至少一种；聚丙烯可以为选自等规聚丙烯、间规聚丙烯和无规聚丙烯中的至少一种。
在根据本公开的方法中，增强纤维的种类没有特别的要求，可以为复合材料领域常用的增强纤维种类，例如，增强纤维可以为选自碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的一种或几种。上述种类的增强纤维强度高且与树脂基体的相容性较好，可以有效地提高中空芯材的强度。
根据本公开，基体树脂和增强纤维的相对用量可以在很大范围内变化，优选情况下，相对于100重量份基体树脂，增强纤维的用量可以为10-40重量份。在上述优选的用量范围内，可以得到密度更低且强度更高的中空芯材。
根据本公开，增强纤维的长度也可以在很大范围内变化，只要满足增强纤维起到增强作用，且可以在所述复合材料中分散均匀即可。例如，增强纤维可以为短切纤维，优选情况下，增强纤维的长度可以为0.2-0.8mm。在上述优选的长度范围内，增强纤维与基体树脂的相容性好，且对中空芯材的增强作用明显。
为了提高基体树脂和复合纤维进行挤出加热熔融的效率，优选地，本公开的方法可以包括：使基体树脂和增强纤维混合后进入螺杆挤出机进行挤出加热熔融，得到所述熔融材料。所述螺杆挤出机可以为本领域技术人员所熟知的，例如可以为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。
根据本公开，挤出加热熔融的反应条件可以本领域技术人员所熟知的树脂和/或复合材料进行挤出加热熔融的常规反应条件，只要满足可以使上述基体树脂熔融并与增强纤维混合均匀即可，例如，挤出加热熔融可以在螺杆挤出机上完成，挤出加热熔融的温度优选为180-220℃。
在根据本公开的制备方法中，使基体树脂和增强纤维混合后经挤出加热熔融的方法没有特别的要求，例如，在本公开的一种实施例中，可以使所述基体树脂在熔融状态下与增强纤维混合均匀后进行挤出加热熔融得到熔融材料，即熔融状态下的基体树脂与增强纤维混合均匀后，含有基体树脂和增强纤维的熔融混合物不经挤出造粒的步骤而直接作为熔融材料进行步骤(2)的制备过程。
在本公开的另一实施方式中，可以使增强纤维改性树脂进行挤出加热熔融得到熔融材料，其中，增强纤维改性树脂中可以含有基体树脂和增强纤维，增强纤维改性树脂可以由基体树脂和增强纤维在熔融状态下混合后经挤出造粒的方法制得，也就是说，在这一实施方式中，可以先将基体树脂与增强纤维熔融混合均匀后挤出造粒得到增强纤维改性树脂，再将增强纤维改性树脂直接加热熔融用作熔融材料进行步骤(2)的制备过程。
根据本公开，所述空心玻璃微球为本领域技术人员所熟知，为一种中空密闭的球体、粉末状的填充材料。其密度、尺寸和耐压性能可以在很大范围内变化，在根据本公开的制备方法中，可以根据所制备的芯材的减重和性能需求进行调整，优选情况下，空心玻璃微球的密度可以为0.3-0.6g/cm3，空心玻璃微球的直径可以为20-40μm；空心玻璃微球的耐压强度可以为高于6000PSI。在上述优选的范围内，空心玻璃微球可以起到减轻中空芯材的整体重量、降低材料成本，以及提高中空芯材的力学性能的作用。
根据本公开，空心玻璃微球的用量可以为复合材料制备领域填料的常规用量，空心玻璃微球的用量也可以根据所制备的芯材的减重和性能需求进行调整，优选情况下，相对于100重量份基体树脂，空心玻璃微球的加入量可以为3-15重量份。空心玻璃微球在上述优选的用量范围内，可以在提高或保持中空芯材的力学性能的前提下，有效降低中空芯材的密度和整体重量，达到良好的减重效果。
在根据本公开的制备方法中，使空心玻璃微球加入到经过挤出加热熔融的熔融材料中，可以避免将空心玻璃微球与基体树脂和增强纤维共同进行挤出加热熔融时由于受到螺杆等挤出设备的强烈剪切力造成的空心玻璃微球的大量破碎。为了进一步提高空心玻璃微球与基体树脂和增强纤维熔融材料混合的均匀程度，在本公开的制备方法中，可以使熔融材料进入储料装置，使空心玻璃微球在储料装置中与熔融材料混合均匀得到熔融状态的混合料。
在本公开的一种实施方式中，如图1所示，可以使基体树脂和增强纤维在螺杆挤出机1中熔融塑化、混合均匀，得到熔融材料进入储料装置3，并使空心玻璃微球在储料装置3中与上述熔融材料混合均匀得到混合料，例如，空心玻璃微球从位于螺杆塑化区域之后的玻璃微球添加口2加入储料装置3中。
优选地，储料装置3中可以设置有搅拌装置，便于空心玻璃微球与熔融材料进一步混合均匀。在上述实施方式中，空心玻璃微球在含有基体树脂和增强纤维的储料装置分散地更均匀，可以提高制备得到的中空芯材的力学性能。
进一步优选地，储料装置3还可以设有推杆5，便于控制进入吹塑成型步骤的混合料的用量，提高吹塑成型的精度和成型的中空芯材的质量。
根据本公开，吹塑成型的含义为本领域技术人员所熟知，是借助于气体压力使闭合在模具中的热熔型坯吹胀形成中空制品的方法。具体地可以包括挤出吹塑成型、注射吹塑成型、拉伸吹塑成型、多层吹塑成型、压制吹塑成型、蘸涂吹塑成型、发泡吹塑成型和三维吹塑成型中的至少一种。其中，为了节省设备成本、提高生产效率，优选情况下，本公开的制备方法中所述吹塑成型可以为挤出吹塑成型。
根据本公开，挤出吹塑成型的具体反应条件可以为本领域技术人员所熟知的常规条件，其中，为了使挤出吹塑成型产品的壁厚更为均匀，提高成型精度，优选地，挤出吹塑成型的吹气压力可以为0.2-0.7MPa。
本公开还提供采用上述制备方法制得的中空芯材。
本公开还提供上述中空芯材在制备汽车结构件的用途。上述中空芯材可以用于制备含有芯材的夹心结构的汽车结构件，也可以在取芯法制备中空汽车结构件时，作为汽车结构件成型后从结构件取出的循环芯材使用。
以下通过实施例详细描述本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。在本公开的下述实施例中，使用华泰HT-65型吹塑机，并按图1所示对其进行改造，增加玻璃微球进料口及储料箱内搅拌装置，空心玻璃微球为3M公司的iM16K，空心玻璃微球的密度为0.46g/cm3，直径为24μm，耐压强度为16500PSI。中空芯材的结构如图2所示。
实施例1
本实施例用于说明本公开的中空芯材制备方法，本实施例中，基体树脂为聚乙烯(巴塞尔ACP 6031D)，增强纤维为碳纤维使用碳纤维零部件裁切余料粉碎制备，长度0.2-0.8mm，碳纤维原丝购自东丽公司，牌号为T300。
如图1所示，使100重量份基体树脂和20重量份增强纤维混合均匀后在螺杆挤出机1中熔融塑化、混合均匀，挤出加热熔融温度210℃，得到熔融材料进入储料装置3，并使15重量份空心玻璃微球在储料装置3中与上述熔融材料在熔融状态下混合均匀得到熔融状态的混合料，通过推杆5使混合料进入吹塑成型机4，通过吹塑机的机头射嘴将混合料送入模具7的模腔内，混合料超过模具模腔容积10％后，开启机头射嘴上的进气口向模具模腔内吹入高压气体，吹气压力为0.2MPa，推动混合料流动填充模具模腔，混合熔融物超过模具模腔容积30％后，关闭机头射嘴，停止向模具模腔内送入混合料，混合料冷却后关闭机头射嘴上的进气口，关闭模具7，成型得到本实施例的中空芯材。
实施例2
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，增强纤维的用量为10重量份。
实施例3
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，空心玻璃微球的用量为5重量份。
实施例4
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，挤出加热熔融的温度为190℃。
实施例5
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，挤出吹塑成型的吹气压力为0.7MPa。
实施例6
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，增强纤维为玻璃纤维，泰山玻纤的TCR736。
实施例7
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，基体树脂为聚丙烯(埃克森美孚的7031E2)。
实施例8
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，使碳纤维改性聚乙烯树脂在螺杆挤出机中熔融塑化、混合均匀，得到熔融材料。碳纤维改性聚乙烯树脂中含有100重量份聚乙烯和20重量份碳纤维。
对比例1
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，将空心玻璃微球替换为等重量的聚乙烯树脂。
对比例2
采用与实施例1相同的方法和材料制备中空芯材，所不同的是，空心玻璃微球由图1所示的进料口加入。
测试实施例1
分别对实施例1-5和对比例1-3中得到的中空芯材的重量和屈服强度进行测试，拉伸模量的测试方法参照ASTM D638标准进行测试，测试结果列于表1。
表1
重量/kg 拉伸模量/MPa
实施例1 1.60 3342
实施例2 1.53 2675
实施例3 1.70 3413
实施例4 1.60 3361
实施例5 1.58 3374
实施例6 1.62 2571
实施例7 1.58 3285
实施例8 1.60 3395
对比例1 1.83 3486
对比例2 1.78 3462
根据表1，从实施例1与对比例1的数据对比可以看出，与不含有空心玻璃微球的中空芯材相比，采用本公开的制备方法得到的含有空心玻璃微球的中空芯材强度相当且重量大幅度降低；从实施例1与对比例2的数据对比可以看出，与使空心玻璃微球与树脂基体和增强纤维共同进入熔融挤出的方法相比，本公开的制备方法在熔融挤出过程之后再加入空心玻璃微球，在强度变化不大的情况下，得到的中空芯材重量更轻。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所提供的内容。

Claims (13)

1.一种中空芯材的制备方法，所述中空芯材含有基体树脂、增强纤维和空心玻璃微球，其特征在于，该中空芯材的制备方法包括：
(1)使所述基体树脂和增强纤维混合后经挤出加热熔融得到熔融材料；
(2)在熔融状态下向挤出后的所述熔融材料内加入空心玻璃微球，并使空心玻璃微球与熔融材料混合均匀，得到熔融状态的混合料；
(3)使所述混合料进行吹塑成型，得到所述中空芯材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基体树脂为选自聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和乙烯-醋酸乙烯共聚物中的至少一种；所述增强纤维为选自碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的至少一种；相对于100重量份所述基体树脂，所述增强纤维的用量为10-40重量份。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强纤维的长度为0.2-0.8mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述挤出加热熔融的温度为180-220℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，该方法包括：使所述基体树脂和增强纤维混合后进入螺杆挤出机进行挤出加热熔融，得到所述熔融材料。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的制备方法，其特征在于，该方法包括：使所述基体树脂在熔融状态下与所述增强纤维混合均匀后进行挤出加热熔融得到熔融材料；或者，使增强纤维改性树脂进行挤出加热熔融得到熔融材料，所述增强纤维改性树脂中含有所述基体树脂和所述增强纤维。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空心玻璃微球的密度为0.3-0.6g/cm3，所述空心玻璃微球的直径为20-40μm，所述空心玻璃微球的耐压强度大于6000PSI。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，相对于100重量份所述基体树脂，所述空心玻璃微球的加入量为3-15重量份。
9.根据权利要求1、7和8中任意一项所述的制备方法，其特征在于，该方法包括：使所述熔融材料进入储料装置，使所述空心玻璃微球在所述储料装置中与所述熔融材料混合均匀得到混合料。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述吹塑成型为挤出吹塑成型。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述挤出吹塑成型的吹气压力为0.2-0.7MPa。
12.采用权利要求1-11中任意一项所述的制备方法制得的中空芯材。
13.权利要求1-11中任意一项所述的制备方法制得的中空芯材在制备汽车结构件的用途。
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