一種纖維增強樹脂產品及其成型方法與流程
2023-06-14 18:59:21
本發明涉及複合材料領域，具體地，涉及一種纖維增強樹脂產品及其成型方法。
背景技術：
：模壓成型(SMC成型)，又稱壓製成型或壓縮成型，其是一種通過將原料放入模具中進行加壓成型的工藝方法。目前這種工藝多數是用於強度要求不高的產品的製備過程中，而對於具有一定特殊結構且要求強度的產品，這種工藝存在靈活性不足的問題。現有的採用模壓成型的方式製備具有一定特殊結構的產品的方法包括：先將粉狀，粒狀或纖維狀的塑料放入成型溫度下的模具型腔中，然後閉模加壓而使其成型並固化的作業。然而這種成型方法在用於成型具有一定特殊結構的產品時，存在幾種常見的缺點：(1)在成型過程中，SMC原材料中含有的纖維量越高，製品的強度就越大，但是其含量增加之後，又會降低SMC的流動性。(2)填料佔了SMC原材料的較大比重，在很大程度上會影響產品強度。(3)成型後SMC製品的表面容易出現氣孔、氣泡、缺料等問題，嚴重影響表面效果。為了克服這些缺陷，已出現了一些針對SMC原材料本身、加料量、保溫時間、成型壓力等方向的改進，但是工藝參數之間，一個量的變化必然引起其他相關的變化，比如提高填料比例會得到表面改善的產品，但產品強度必然下降。技術實現要素：本發明的目的是提供一種纖維增強樹脂產品及其成型方法，以實現產品結構的複雜化並改善纖維增強樹脂產品的力學性能和表面效果。為了實現上述目的，本發明提供了一種纖維增強樹脂產品的成型方法，該成型方法包括：S1、提供預浸料；S2、在預成型模具中形成具有第一纖維材料層-預浸料-第一纖維材料層的複合層疊體；S3、在成型條件下，將所述複合層疊體置入成型模具中，壓制所述複合層疊體形成纖維增強樹脂產品。同時，在本發明中還提供了一種纖維增強樹脂產品，該纖維增強樹脂產品由根據本發明所述的方法製備而成。應用本發明的纖維增強樹脂產品的成型方法，通過增加預成型模具的使用，為纖維增強樹脂產品的成型工藝增加了靈活性，實現了產品結構的大型化與複雜化；使得第一纖維材料層能夠鋪設在纖維增強樹脂產品的兩側，進而能夠有效的提高纖維增強樹脂產品的強度，並減少纖維增強樹脂產品的表面缺陷(氣孔、氣泡、缺料等)，並獲得表面光澤度較好的纖維增強樹脂產品。本發明的其它特徵和優點將在隨後的具體實施方式部分予以詳細說明。具體實施方式以下對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。在本發明中所披露的範圍的端點和任何值都不限於該精確的範圍或值，這些範圍或值應當理解為包含接近這些範圍或值的值。對於數值範圍來說，各個範圍的端點值之間、各個範圍的端點值和單獨的點值之間，以及單獨的點值之間可以彼此組合而得到一個或多個新的數值範圍，這些數值範圍應被視為在本文中具體公開。針對於具有一定特殊結構的產品，這種模壓成型工藝的靈活性不足，在本發明中提供了一種纖維增強樹脂產品的成型方法，該成型方法包括：S1、提供預浸料；S2、在預成型模具中形成具有第一纖維材料層-預浸料-第一纖維材料層的複合層疊體；S3、在成型條件下，將所述複合層疊體置入成型模具中，壓制所述複合層疊體形成纖維增強樹脂產品。根據本發明的工藝方法，對於所述S1中預浸料的選擇並沒有特殊要求，其可以參照本領域的常規選擇，只要包括樹脂混合物和第二纖維材料層，且所述樹脂混合物浸漬在所述第二纖維材料層中即可。優選情況下，這種預浸料的製備方法包括：(1)製備樹脂混合物；(2)將樹脂混合物均勻塗覆在兩張離型紙上，然後在纖維表面氈的上下表面各鋪上一層離型紙，使離型紙上塗覆有樹脂混合物的一面貼在第二纖維材料層上，壓實而得預浸料；(3)將上述預浸料升溫至30℃-60℃增稠，再置於溫度20℃-25℃，溼度30％-60％條件下存儲2-7天。其中優選所述第二纖維材料層是重量為600-1000g/m2，優選為700-900g/m2，更優選為750-850g/m2的纖維編織布。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述預浸料中樹脂混合物的含量為40-55wt％，優選為45-50wt％。通過控制預浸料中樹脂混合物的含量，有利於在模壓成型的過程中，使得預浸料中的樹脂混合物能夠流化並浸透第一纖維材料層，並填充到整個模腔，這個過程中覆蓋在整個產品上下表面上的玻璃纖維表面氈能有效引導樹脂料並排除氣泡，同時，由於該第一纖維材料層複合在預浸料的兩側，可以提高產品強度。根據本發明的工藝方法，對於預浸料中樹脂混合物的選擇並沒有特殊要求，可以參照行業內常規製備模壓板時所採用的樹脂混合物。優選情況下，所述預浸料中樹脂混合物中的樹脂材料為環氧樹脂，優選所述樹脂混合物包括80-100重量份的環氧樹脂、6-10重量份的稀釋劑、0.5-1.5重量份的浸潤劑、0.5-1.5重量份的潤溼分散劑，以及20-30重量份的固化劑。在上述樹脂混合物中所使用的環氧樹脂包括但不限於雙酚A型環氧樹脂、雙酚E型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、酚醛環氧樹脂中的一種或幾種，更優選所述環氧樹脂在25℃的粘度為3000-6000cps，環氧當量為160-180g/eq，密度為1.15-1.17g/cm3(25℃下)。在上述樹脂混合物中所使用的稀釋劑可以選自乙二醇二縮水甘油醚、C12-C14烷基類縮水甘油醚、苄基縮水甘油醚和1,4-丁二醇二縮水甘油醚中的一種或幾種，最優選為1,4-丁二醇二縮水甘油醚(例如廠家為深圳佳迪達、牌號為BDGE-125的稀釋劑)。在上述樹脂混合物中所使用的浸潤劑和潤溼分散劑可以有效地改善預浸料中纖維材料的的浸潤能力，並能夠促進填料的分散，能降低粘度的同時，增大填料的添加量。所述浸潤劑可以為選自破泡聚合物和聚矽氧烷以重量比1：0.1-1混合的混合物(例如牌號為BYK-9920、廠家為畢克化學的浸潤劑)、丙烯酸型聚合物(例如牌號為AFCONA-7200、廠家為埃夫科納助劑有限公司的浸潤劑，其中丙烯酸型聚合物的含量為19-21重量％，其他成分為溶劑)和改性有機矽(例如廠家為埃夫科納助劑有限公司、牌號為AFCONA-7204(氟改性有機矽)或AFCONA-7201的浸潤劑，其中改性有機矽的含量為5-6重量％，其他成分為溶劑)中的一種或幾種。所述潤溼分散劑選自如下組合中的一種或幾種：磷酸酯、2-甲氧基-1-甲基乙基醋酸酯和低沸點石腦油(通常指沸程為60-90℃的石腦油)以重量比2-5：0.9-1.1：1混合的混合物(例如牌號為BYK-996、廠家為畢克化學的潤溼分散劑)；磷酸聚酯和磷酸以重量比17-100：1混合的混合物(例如牌號為BYK-W9010、廠家為畢克化學的潤溼分散劑)；低沸點石腦油、2-甲基丙醇乙酸酯和1-甲氧基-2-乙酸丙酯以重量比120-500：1：120-500混合的混合物(例如牌號為BYK-985、廠家為畢克化學的潤溼分散劑)；以及磷酸酯、2-甲基丙醇乙酸酯和2-甲氧基-1-乙酸丙酯以重量比20-70：1：200-1000混合的混合物(例如牌號為BYK-903、廠家為畢克化學的潤溼分散劑)。其中可以使用的固化劑可以為雙酚A、脂肪胺和脂環胺中的一種或幾種；例如可以選自廠家為深圳佳迪達，牌號為EC201、EC210、EC301、XH-125、XH226、N-AEP和JH5472的固化劑中的一種或幾種。根據本發明的成型方法，當要求所得產品具有阻燃性能時，所述樹脂混合物還可以包括阻燃劑，以樹脂混合物的重量為100重量份計，所述阻燃劑的含量可以為10-35重量份。可以使用的所述阻燃劑的選擇沒有特別的限定，可以為粉末型阻燃劑和/或液體阻燃劑。所述粉末型阻燃劑例如可以為磷系包括粉末型磷氮系型無滷阻燃劑，例如選自聚磷酸銨、磷酸鹽、次膦酸鹽(例如次磷酸脂、次磷酸鋁和次磷酸鋅)，以及廠家為東莞三威化工有限公司的牌號為op100C、op100A中的一種或幾種。所述液體阻燃劑例如可以為液體型無滷磷酸酯類阻燃劑，例如選自牌號為廠家為東莞道爾牌號為SW-610A、SW-610、Doher601R、Doher601和Doher6200的阻燃劑中的一種或幾種。根據本發明的成型方法，當要求所得產品具有一定色彩時，所述樹脂混合物中還可以包括色料，以樹脂混合物的重量為100重量份計，所述色料的含量可以為1-5重量份。可以使用的所述色料的選擇沒有特別的限定，所述的色料選自鈦白粉、炭黑等。根據本發明的成型方法，當要求所得產品具有較高的強度時，所述環氧樹脂組合物還可以包括填料，以樹脂混合物的重量為100重量份計，所述填料的含量可以為10-35重量份。可以使用的所述阻燃劑的選擇沒有特別的限定，例如選自碳酸鈣、氫氧化鋁、滑石粉、二氧化矽、玻璃微珠、高嶺土中的一種或幾種；根據本發明的成型方法，在上述樹脂混合物中含有固體成分時，該固體成分優選為粒徑滿足5μm≤D50≤25μm的粉料。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述成型模具包括成型陰模和成型陽模；所述預成型模具與所述成型陽模結構相同，均具有凸起結構，且兩者的尺寸也相同。由於預浸料具有一定的隨行性和粘性，使其在鋪設在預成型模具上時能夠具有與預成型模具相類似的形狀，通過設置與成型陽模結構相同的預成型模具，能夠製備出與成型陽模結構匹配的複合層疊體，再通過成型模具對複合層疊體的壓制，能夠提高產品密度，優化產品強度，減少產品表面缺陷，獲得表面光澤度較好的產品。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述S2包括：S21、將第一纖維材料層貼合在一層預浸料的一側表面上，形成初步層疊體；S22、將所述初步層疊體剪切成所需尺寸，形成中間層疊體；S23、將所述中間層疊體中具有第一纖維材料層的一側朝下的鋪設在所述預成型模具的表面上，在所述中間層疊體的另一側表面上貼合另一個第一纖維材料層，形成所述複合層疊體。通過分層將材料逐漸鋪設在預成型模具上，可以根據實際情況將所欲鋪設的材料剪切適合的尺寸，進而使得產品結構完整，進而避免在預成型的過程中，因材料變形而導致複合層疊體上表面的邊緣位置預浸料裸露的不足。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述S23中在貼合另一個第一纖維材料層的步驟之前，還包括在所述中間層疊體的另一側表面上鋪設另一層或多層預浸料。在製備複合層疊體的步驟中可以根據所欲製備的產品的厚度，選擇預浸料的層數。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述S23中形成所述複合層疊體後還進一步包括將所述複合層疊體進行冷凍處理，優選在-18℃至0℃下冷凍-5-30min。通過對複合層疊體進行冷凍處理，一方面便於複合層疊體的結構固定，另一方面，可以適用於纖維增強樹脂產品在大規模生產規程中的保存。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述第一纖維材料層為30-200g/m2的纖維編織布、纖維原絲氈或纖維表面氈。通過限定該第一纖維材料層的重量，有利於使得預浸料中的樹脂樹脂混合物在熔融後能夠浸潤第一纖維材料層，以並得到高質量表面光澤度。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述第一纖維材料層和所述第二纖維材料層中纖維材料分別獨立地選自玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、芳香族聚醯胺纖維和玄武巖纖維中的一種或幾種。優選情況下，所述第一纖維材料層和所述第二纖維材料層中的纖維材料均為玻璃纖維，玻璃纖維的選擇能夠在合理的產品價格下增加產品結構強度、提高力學性能。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述S3包括：S31、將所述複合層疊體套設在所述成型陽模上；S32、在所述成型條件下，將所述成型陰模和所述成型陽模合模，壓制所述複合層疊體形成纖維增強樹脂產品。根據本發明的工藝方法，優選情況下，所述S31包括先將所述成型模具升溫至成型溫度，然後再將所述複合層疊體套設在所述成型陽模上。優選情況下，所述成型條件包括：10-25MPa，130-160℃保溫10-40min。同時，在本發明中還提供了一種纖維增強樹脂產品，其由根據本發明所述的方法製備而成。這種纖維增強樹脂產品通過採用本發明所提供的方法進行成型，不但具有優化的強度，而且表面缺陷較少，光澤度較高。以下將結合具體實施例進一步說明本發明纖維增強樹脂產品及其成型方法的製備方法。在如下實施例1至6和對比例1至3中所採用的原料說明如下：環氧樹脂混合物的製備：將90重量份的雙酚F樹脂(在25℃的粘度為3800cps，環氧當量為166g/eq，25℃下的密度為1.16g/cm3；牌號為170，廠家為南亞)、8.8重量份的稀釋劑(1,4-丁二醇二縮水甘油醚；牌號為BDGE-125，廠家為深圳佳迪達)；1.2重量份的浸潤劑(破泡聚合物和聚矽氧烷以重量比1：0.7混合的混合物；牌號為BYK-9920，廠家為畢克化學)；1重量份的潤溼分散劑(磷酸聚酯和磷酸以重量比為73：1混合的混合物；牌號為BYK-W9010，廠家為畢克化學)、20重量份的液體型無滷磷酸酯類阻燃劑(牌號為Doher6200，廠家為東莞道爾)、25重量份的固化劑1(脂環胺類固化劑；牌號為EC201，廠家深圳佳迪達)以及30重量份的氫氧化鋁(分析純，商購自阿拉丁試劑公司)混合形成樹脂混合物。預浸料的製備：(1)製備樹脂混合物；(2)將樹脂混合物均勻塗覆在兩張離型紙上，然後在纖維表面氈的上下表面各鋪上一層離型紙，使離型紙上具有樹脂混合物的一面貼在纖維表面氈上，壓實而得預浸料(不包括離型紙)；(3)將上述預浸料升溫至45℃增稠，再置於溫度20℃，溼度50％條件下存儲2天。在如下實施例1至6中所採用的預成型模具和成型模具的結構說明如下：成型模具包括成型陽模和成型陰模，所述成型陽模上具有半徑為200mm的半球型凸出結構，所述成型陰模上具有半徑為202mm的半球形凹槽結構。預成型模具與所述成型模具中的成型陽模結構相同，具有半徑為200mm的半球型凸出結構。實施例1預浸料：包括玻璃纖維編織布(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為800g/m2)和佔所述預浸料重量48wt％的樹脂混合物。纖維增強樹脂產品的成型方法包括以下步驟：將一層玻璃纖維表面氈(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為50g/m2)貼合在一層預浸料的一側表面上，形成初步層疊體；根據所述預成型模具的尺寸剪切所述初步層疊體剪形成中間層疊體；將所述中間層疊體中具有第一纖維材料層的一側朝下的鋪設在所述成型模具的表面上，在所述中間層疊體的另一側表面上貼合另外的多層所述預浸料和另一層玻璃纖維表面氈(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為50g/m2)，得到的複合層疊體，將所述複合層疊體在-5℃下冷凍10min備用。所形成的複合層疊體中形成有一個空心的半球形凸起，該半球形凸起的內半徑為200mm，外半徑為203mm。將所述成型模具加熱至150℃，將所述複合層疊體套設在所述成型陽模上，接著將所述成型陰模和所述成型陽模合模，在20MPa，150℃保溫15min，脫模得到所需纖維增強樹脂產品，記為S1。實施例2預浸料：包括玻璃纖維編織布(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為800g/m2)和佔所述預浸料重量45wt％的樹脂混合物。纖維增強樹脂產品的成型方法包括以下步驟：參照實施例1，區別在於，採用上述預浸料代替實施例1中的預浸料，而且成型條件為在22MPa，130℃保溫20min，所製備的纖維增強樹脂產品記為S2。實施例3預浸料：包括玻璃纖維編織布(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為800g/m2)和佔所述預浸料重量50wt％的樹脂混合物。纖維增強樹脂產品的成型方法包括以下步驟：參照實施例1，區別在於，採用上述預浸料代替實施例1中的預浸料，而且成型條件為在10MPa，160℃保溫8min，所製備的纖維增強樹脂產品記為S3。實施例4預浸料：包括玻璃纖維編織布(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為800g/m2)和佔所述預浸料重量40wt％的樹脂混合物。纖維增強樹脂產品的成型方法包括以下步驟：同實施例1，區別在於，採用上述預浸料代替實施例1中的預浸料，所製備的纖維增強樹脂產品記為S4。實施例5預浸料：包括玻璃纖維編織布(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為200g/m2)和佔所述預浸料重量40wt％的樹脂混合物。纖維增強樹脂產品的成型方法包括以下步驟：同實施例1，區別在於，採用上述預浸料代替實施例1中的預浸料，所製備的纖維增強樹脂產品記為S5。實施例6預浸料：同實施例1。纖維增強樹脂產品的成型方法包括以下步驟：同實施例1，區別在於，採用重量為220g/m2玻璃纖維編織布代替重量為50g/m2玻璃纖維表面氈貼合在預浸料的兩側表面上，所製備的纖維增強樹脂產品記為S6。對比例1預浸料：同實施例1。將一層玻璃纖維表面氈(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為50g/m2)貼合在一層預浸料的一側表面上，形成初步層疊體；根據所述成型陽模的尺寸剪切所述初步層疊體剪形成中間層疊體；將所述中間層疊體中具有第一纖維材料層的一側朝下的鋪設在所述成型陽模的表面上，在所述中間層疊體的另一側表面上貼合另外的多層所述預浸料，接著鋪設另一層玻璃纖維表面氈(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為50g/m2)，接著將所述成型陰模和所述成型陽模在20MPa下合模，接著加熱至150℃，保溫15min，脫模得到所需纖維增強樹脂產品，記為D1。在上述對比例1中所採用的方法中，由於是成型模具是在油浴中加熱，其升溫較慢，將溫度升值150℃需要幾個小時的時間，其並不適用於商業化的大規模生產。對比例2預浸料：同實施例1。將多層預浸料複合，形成預浸料層疊體，接著在所述預浸料層疊體的兩側分別貼合玻璃纖維編織布(商購自重慶國際複合材料有限公司，重量為200g/m2)，所述根據所述成型模具的尺寸剪切所述複合層疊體；將所述成型模具加熱至150℃，將所述複合層疊體放置在所述成型陽模上，接著將所述成型陰模和所述成型陽模合模，在20MPa，150℃保溫15min，脫模得到所需纖維增強樹脂產品，記為D2。在上述對比例2中所採用的方法中，對於板裝的複合層疊體而言，對於在該實施例中所成型的半球形結構還能使用，但對於結構更為複雜的產品這無法成型，其並不適用於複雜產品的成型。對比例3預浸料：將所述樹脂混合物與玻璃纖維短纖(長度為40mm)混合得到，所述樹脂混合物佔所述預浸料重量48wt％。將所述成型模具加熱至150℃，將所述預浸料熔融後加入到所述成型陽模的型腔中，接著將所述成型陰模和所述成型陽模合模，在20MPa，150℃保溫15min，脫模得到所需纖維增強樹脂產品，記為D3。測試：將實施例1至6和對比例1至3所製備的纖維增強樹脂產品S1-S6和D1-D3進行如下測試：(1)強度測試：根據國標GB/T1447-2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法進行測試，測試結果如表1所示；(2)衝擊韌性測試：根據國標GB/T1451-2005纖維增強塑料簡支梁式衝擊韌性試驗方法進行測試，測試結果如表1所示；(3)密度測試：根據國標GB/T3850-1983緻密燒結金屬材料與硬質合金密度測定方法進行測試，測試結果如表1所示；(4)表面光澤度測試：根據國標GB/T8807-1988塑料鏡面光澤試驗方法進行測試，入射角為60°，測試結果如表1所示。表1.S1S2S3S4S5S6D1D2D3拉伸強度(MPa)252243258220218230200198190彎曲強度(MPa)458445430403396415392359282衝擊韌性(KJ/m2)220209198205226210183170172密度(g/cm3)1.81.81.81.81.71.71.81.71.8表面光澤度868588797776636462由表1中數據可以看出，與對比例1-3所製備的D1-D3相比，根據本發明成型方法所製備的S1-S6，通過增加預成型模具的使用，為纖維增強樹脂產品的成型工藝增加了靈活性，實現了產品結構的大型化與複雜化；使得第一纖維材料層能夠鋪設在纖維增強樹脂產品的兩側，進而能夠有效的提高纖維增強樹脂產品的強度，並減少纖維增強樹脂產品的表面缺陷(氣孔、氣泡、缺料等)，以獲得表面光澤度較好的纖維增強樹脂產品。以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行幾種簡單變型，這些簡單變型均屬於本發明的保護範圍。另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特徵，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重複，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。當前第1頁1 2 3