碳纤维注塑成型工艺及其产品 |
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| 申请号 | CN201610040138.3 | 申请日 | 2016-01-21 | 公开(公告)号 | CN105729815A | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 陈勇军; | 发明人 | 陈勇军; | ||||
| 摘要 | 碳 纤维 注塑成型 工艺 及其产品，适用于以 碳纤维 作为原材料并以固塑 树脂 成型的工艺及其产品，包括六道工序，第一道工序是备料工序，第二道工序是成形工序，第三道工序是切边工序，第四道工序是内表面涂层工序，第五道工序是注塑成型工序，第六道工序是 表面处理 工序。其产品主要应用于航空、体育用品、机械、 汽车 领域、医疗器械、石油化工、土木建筑甚至宇航领域。具有工艺简单，适用范围广，产品强度高，重量轻，耐高温，耐用，加工效率高，成本低的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.碳纤维注塑成型工艺及其产品，其特征是：碳纤维注塑成型工艺包括六道工序，第一道工序是备料工序（1），按产品要求选择碳纤维原材料；第二道工序是成形工序（2），碳纤维原材料成形；第三道工序是切边工序（3），成形碳纤维切边；第四道工序是内表面涂层（4），成形碳纤维内表面涂层；第五道工序是注塑成型工序（5），成形碳纤维在模内注塑树脂成型成为产品；第六道工序是表面处理工序（6），注塑成型碳纤维产品表面处理。 |
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| 说明书全文 | 碳纤维注塑成型工艺及其产品技术领域[0002] 背景技术[0003] 碳纤维（Carbon fibre）材料是一种新兴的高科技材料，不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 [0004] 采用碳纤维材料制成的产品具有强度高、重量轻、力学性能优越、耐高温的优点，是一种环保产品，目前主要应用于航空、体育用品、机械、汽车领域、医疗器械、石油化工工业、土木建筑甚至宇航等领域。但存在加工艺复杂，碳纤维材料与固塑树脂结合不够融合紧密，在很大程度上影响碳纤维产品的性能和质量，使碳纤维产品使用和推广受到限制，存在缺点。 [0005] 发明内容[0006] 本发明的目的，在于提供一种采用碳纤维材料和可以固塑的树脂制成碳纤维复合产品的工艺及其产品，解决碳纤维复合产品存在的加工工艺复杂，碳纤维材料与固塑树脂结合不够融合和紧密，影响碳纤维复合产品性能和质量的技术问题。 [0007] 本发明碳纤维注塑成型工艺的技术方案包括六道工序：1.备料工序-按产品要求选择碳纤维原材料，2.成形工序-碳纤维原材料成形，3.切边工序-成形碳纤维切边，4.内表面涂层工序-成形碳纤维内表面涂层，5.注塑工序-成形碳纤维在模内注塑树脂成型成为产品，6.表面处理工序-注塑成型碳纤维产品经表面处理成为成品。 [0008] 本文所述“成形”是指成为形状，“成型”是指成为成品。 [0009] 第一道工序备料工序-按产品要求选择碳纤维原材料：碳纤维原材料为碳纤布、碳素纤维布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、PC、PE、植物纤维、碳纤+PC、碳纤+TPU，等等 。 [0010] 通常采用PAN基碳纤维布；或者黏胶基碳纤维布；或者沥青碳纤维布。 [0012] 第二道工序成形工序-碳纤维原材料成形：将碳纤维原材料按产品形状进行成形，成形过程中不使用脱模剂，使碳纤维成形后表面无脱模剂残留。可以采用三种成形方式：第一种，热压成形，将碳纤维预浸布、碳纤+PC、碳纤+TPU或者干布平铺到事先预热好的产品形状模具（金属模）当中，拐角处不能使碳纤布打皱，（干布成形的话，在此时需加入适量的树脂，其中树脂包括：热固性聚酰亚胺树脂、脲醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚树脂），然后合模将模具放置加热板上使模具达到120℃到170℃，5到15分钟后，将模具取下冷却（此处可以用气冷或者水冷）到常温后开模，这样固定的形状的碳纤维半成品就成形了，这种工艺比较适合中小型产品，可实现大批量生产。 [0013] 第二种，真空热压吸塑成形，将碳纤维预浸布或者干布平贴到产品形状凹模（金属模或者钢模具）上，（干布成形的话，在此时需加入适量的树脂，其中树脂包括：热固性聚酰亚胺树脂、脲醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚树脂）在贴好的碳纤布上放上事前成形好的矽胶片，然后将整套铝模放入耐高温的真空袋中，再将此袋放入热压罐中，将温度调至120℃-180℃恒温15-45分钟左右进行固化。此种工艺比较适合外表要求高、尺寸小、精度要求高的产品，如汽车内外装饰件，精密电子产品，如笔记本电脑外壳，手机外壳，手表外壳等。 [0014] 第三种，RTM工艺（常温固化成形），将碳纤预浸布平贴至玻璃钢模具或者金属模具上，同样拐角处不能打皱，在上面加一层玻璃纤维，然后用薄膜在玻璃钢或者金属模具上进行密封，在模具一端吸入环氧树脂，在模具另一端抽出多余的树脂和汽泡，常温固化1-3小时，产品定形后取出。此种工艺比较适合尺寸大的工业产品，如汽车前盖，汽车尾盖，底盘，汽车骨架等。 [0015] 现在以RTM工艺为例 详细叙述真空辅助RTM工艺装置：主要由树脂注射机、成形模具、抽真空设备三部分组成，1、树脂注射机由计量泵、注射头组成，计量泵含有树脂泵、固化剂泵及计量装置，树脂及固化剂经计量泵按一定的比例加压输入注射头中，经注射头混合后注入模具，这种方法注射速度易于控制，树脂和固化剂只在注射头中混合，因而可长期存放，且注射结束后易于清洗。 [0016] 2、成形模具采用金属制造，金属模具使用寿命长（>25000次）,表面质量良好,模具结构为组合形式,有定位、锁紧、开启、密封装置，注射口位于模具最低点，排出口在树脂较难流到处，抽真空设备同排出口连接，在注射机注射树脂的同时抽真空，这样能增加树脂传递压力，排除模具及树脂中的气泡和水分，并为树脂在模腔中打开通道，形成完整的通路，从而大大提高制品成功率，使得制品质量上升。 [0017] 3、工艺特点及材料，RTM工艺的技术关键是树脂系统的选择，为了提高产品的质量，选用了韧性好、同碳纤维亲合力强的改性树脂，其中树脂包括（热固性聚酰亚胺树脂、脲醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚树脂）要将树脂输送至模腔内并迫使树脂迅速浸润纤维，其粘度为0.025Pa·s～0.030Pa·s为最佳，以加热压注方式为好。 [0018] 树脂传递压力是RTM工艺中应该控制的主要参数，此压力用来克服注入模腔和浸透碳纤维时所遇到的阻力，注射压力必须满足注射速度的要求，注射操作一般要求就在树脂胶凝的1/4～1/2的时间内完成，注射压力为0.3MPa～0.5MPa.树脂完成传递的时间与系统压力和温度有关，时间短可提高生产效率，但如果树脂流量太大，胶液就来不及浸透碳纤维，因此，一般要求在传递过程中进入模具的树脂液面上升速度≤25mm/min,通过模具上的观察口（排出口）来监控树脂传递过程。 [0019] 4.工艺流程RTM法可以实现复杂形状的产品一次整体性成形，从而简化了产品结构，并且减少了组成零件和联接零件的数量，因而能有效地减轻产品重量，降低工业消耗和提高产品的使用性能。 [0020] RTM 法成形形状复杂的制品比较方便，因为树脂在固化前具有一定的流动性，纤维很柔软，能依模具形成所要求的形状和尺寸，这对单件和小批量产品尤为方便，是金属制品工艺无法相比的。 [0021] 第三道工序切边工序-成形碳纤维切边，碳纤维原材料成形成为半成品后切边可采用两种方式：第一种，手工切割打磨，将成形好的碳纤维进行余边打磨，此种方法加工精度低，效率也相对比较低，比较适合小批量生产和精度要求不高的产品，如运动器材类的产品。 [0022]第二种，CNC电脑铣加工，将成形好的碳纤维半成品固定到夹具上进行数控精铣的方法去除余量，这个方法效率高、尺寸精度高，可实现大批量生产，加工精度高，比较适合汽车内外装饰件和结构件的生产。 [0023] 第四道工序内表面涂层工序-成形碳纤维内表面涂层成形碳纤维内表面涂层是将成形好的碳纤内表面喷涂HPM579的胶水，使其与树脂融合得更加紧密。第一次喷胶处理：碳纤维半成品上要涂上一层处理剂MP82（MP82要加TP101硬化剂3%～5%后涂于碳纤维半成品的内表面），上过处理剂的碳纤维半成品放置烤箱内用50℃-80℃烘烤15分钟。 [0024] 第二次喷胶：将第一次处理过的碳纤维半成品表面再喷一层胶HPM579（HPM579喷胶前先搅拌，搅拌完加TP101固化剂3%～5%，胶水会比较稠，所以要加稀释剂，如果是涂或者刷胶，稀释剂加40%～50%。若是喷涂，稀释剂要加100%～150%，胶水粘稠程度依当时喷胶情形做稀释剂的增减）上完胶再放置烤箱用50℃-80℃烤50分钟，烘烤过后碳纤维半成品表面胶水厚度要有0.3-0.5mm确保强度。 [0025] 上完胶烘烤过后，碳纤维半成品就可以直接放入注塑模具内注塑树脂成型。 [0026] 第五道工序注塑成型工序-成形碳纤维在模内注塑树脂成型成为产品使用改性树脂及改性塑胶原料，使双方能有效粘接。首先，将注射成型工艺参数调至正常，确保注塑无缺料，收缩痕等不良缺陷。将预先处理好的碳纤维半成品放入注塑模腔，确保碳纤维半成品在模腔中定位准确；在注塑之前预先加热烤好注塑料（此料包含PP,PC,PC+ABS,PC+GF,ABS,尼龙,PA+碳纤等注塑料），一般烘烤温度为80℃-120℃，烘烤2小时到3小时，使其充分的烤干，避免后续出现料花等不良现象。注塑时冷却时间尽量延长到15-30秒，一般喷嘴温度产品化，在高温熔融胶料含有0.02%以上水份时，易使产品有料花现象而影响外观及容易脆性破坏而影响冲击强度，所以原料必须彻底的烘干。注塑完成后产品自然冷却到常温即可。零件从模具中取出后，需要平面静置4～5分钟，待零件完全冷却至室温再装箱，以免变形。 [0027] 第六道工序表面处理工序-成型碳纤维产品表面处理产品注塑完成后需要进行表面处理，按照前面的成型方法得出的碳纤维产品，外观表面略显亚光效果，立体感不强，亮度不够，因此，必须对碳纤维产品外观面进行精油喷涂处理，在喷涂之前产品表面进行打磨处理，表面进行两次喷涂，第一次喷完后需要放进烤箱2- 3小时进行烘烤处理，烘烤温度为30℃-50℃度。等烘干之后再进行第二次喷涂，同样第二次喷涂完后要进行烘烤，烘烤过后就是完整的成品。 [0028] 本发明的优点本发明的工艺具有工艺简单，适用范围广，在航空工业、机械工业、汽车工业、医疗器械、石油化工、体育用品、土木建筑甚至宇航工业等零部件均可以应用。 [0031] 具体实施方式[0032] 下面将结合附图和实施例对本发明作详细说明1.备料工序-按产品要求选择碳纤维原材料，2.成形工序-碳纤维原材料成形，3.切边工序-成形碳纤维切边，4.内表面涂层工序-成形碳纤维内表面涂层，5.注塑工序-成形碳纤维在模内注塑树脂成型成为产品，6.表面处理工序-注塑成型碳纤维产品表面处理成型成为成品。 [0033] 第一道工序备料工序1-按产品要求选择碳纤维原材料：碳纤维原材料为碳纤布、碳素纤维布、碳纤维编织布、碳纤维预浸布、碳纤维加固布、碳布、碳纤维织物、碳纤维带、PC、PE、植物纤维、碳纤+PC、碳纤+TPU,等等。 [0034] 通常采用PAN基碳纤维布；或者黏胶基碳纤维布；或者沥青碳纤维布。 [0035] 或者按产品使用温度采用可以耐高温2000℃-3000℃的石墨化碳纤维布，或者采用耐高温1000℃-2000℃的碳纤维布，或者采用耐高温100℃-1000℃的预氧化碳纤维布。 [0036] 第二道工序成形工序2-碳纤维原材料成形：将碳纤维原材料按产品形状进行成形，成形过程中不使用脱模剂，使碳纤维成形后表面无脱模剂残留。可以采用三种成形方式：第一种，热压成形，将碳纤维预浸布、碳纤+PC、碳纤+TPU或者干布平铺到事先预热好的产品形状模具（金属模）当中，拐角处不能使碳纤布打皱，（干布成形的话，在此时需加入适量的树脂，其中树脂包括：热固性聚酰亚胺树脂、脲醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚树脂），然后合模将模具放置加热板上使模具达到120℃到170℃，5到15分钟后，将模具取下冷却（此处可以用气冷或者水冷）到常温后开模，这样固定的形状的碳纤维半成品就成形了，这种工艺比较适合中小型产品，可实现大批量生产。 [0037] 第二种，真空热压吸塑成形，将碳纤维预浸布或者干布平贴到产品形状凹模（金属模或者钢模具）上，（干布成形的话，在此时需加入适量的树脂，其中树脂包括：热固性聚酰亚胺树脂、脲醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚树脂）在贴好的碳纤布上放上事前成形好的矽胶片，然后将整套铝模放入耐高温的真空袋中，再将此袋放入热压罐中，将温度调至120℃-180℃恒温15-45分钟左右进行固化。此种工艺比较适合外表要求高、尺寸小、精度要求高的产品，如汽车内外装饰件，精密电子产品，如笔记本电脑外壳，手机外壳，手表外壳等。 [0038] 第三种，RTM工艺（常温固化成形），将碳纤预浸布平贴至玻璃钢模具或者金属模具上，同样拐角处不能打皱，在上面加一层玻璃纤维，然后用薄膜在玻璃钢或者金属模具上进行密封，在模具一端吸入环氧树脂，在模具另一端抽出多余的树脂和汽泡，常温固化1-3小时，产品定形后取出。此种工艺比较适合尺寸大的工业产品，如汽车前盖，汽车尾盖，底盘，汽车骨架等。 [0039] 现在以RTM工艺为例 详细叙述真空辅助RTM工艺装置：主要由树脂注射机、成形模具、抽真空设备三部分组成，1、树脂注射机由计量泵、注射头组成，计量泵含有树脂泵、固化剂泵及计量装置，树脂及固化剂经计量泵按一定的比例加压输入注射头中，经注射头混合后注入模具，这种方法注射速度易于控制，树脂和固化剂只在注射头中混合，因而可长期存放，且注射结束后易于清洗。 [0040] 2、成形模具采用金属制造，金属模具使用寿命长（>25000次）,表面质量良好,模具结构为组合形式,有定位、锁紧、开启、密封装置，注射口位于模具最低点，排出口在树脂较难流到处，抽真空设备同排出口连接，在注射机注射树脂的同时抽真空，这样能增加树脂传递压力，排除模具及树脂中的气泡和水分，并为树脂在模腔中打开通道，形成完整的通路，从而大大提高制品成功率，使得制品质量上升。 [0041] 3、工艺特点及材料，RTM工艺的技术关键是树脂系统的选择，为了提高产品的质量，选用了韧性好、同碳纤维亲合力强的改性树脂，其中树脂包括（热固性聚酰亚胺树脂、脲醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯硫醚树脂）要将树脂输送至模腔内并迫使树脂迅速浸润纤维，其粘度为0.025Pa·s～0.030Pa·s为最佳，以加热压注方式为好。 [0042] 树脂传递压力是RTM工艺中应该控制的主要参数，此压力用来克服注入模腔和浸透碳纤维时所遇到的阻力，注射压力必须满足注射速度的要求，注射操作一般要求就在树脂胶凝的1/4～1/2的时间内完成，注射压力为0.3MPa～0.5MPa.树脂完成传递的时间与系统压力和温度有关，时间短可提高生产效率，但如果树脂流量太大，胶液就来不及浸透碳纤维，因此，一般要求在传递过程中进入模具的树脂液面上升速度≤25mm/min,通过模具上的观察口（排出口）来监控树脂传递过程。 [0043] 4.工艺流程RTM法可以实现复杂形状的产品一次整体性成形，从而简化了产品结构，并且减少了组成零件和联接零件的数量，因而能有效地减轻产品重量，降低工业消耗和提高产品的使用性能。 [0044] RTM 法成形形状复杂的制品比较方便，因为树脂在固化前具有一定的流动性，纤维很柔软，能依模具形成所要求的形状和尺寸，这对单件和小批量产品尤为方便，是金属制品工艺无法相比的。 [0045] 第三道工序切边工序3-成形碳纤维切边，碳纤维原材料成形成为半成品后切边可采用两种方式：第一种，手工切割打磨，将成形好的碳纤维进行余边打磨，此种方法加工精度低，效率也相对比较低，比较适合小批量生产和精度要求不高的产品，如运动器材类的产品。 [0046]第二种，CNC电脑铣加工，将成形好的碳纤维半成品固定到夹具上进行数控精铣的方法去除余量，这个方法效率高、尺寸精度高，可实现大批量生产，加工精度高，比较适合汽车内外装饰件和结构件的生产。 [0047] 第四道工序内表面涂层工序4-成形碳纤维内表面涂层成形碳纤维内表面涂层是将成形好的碳纤内表面喷涂HPM579的胶水，使其与树脂融合得更加紧密。第一次喷胶处理：碳纤维半成品上要涂上一层处理剂MP82（MP82要加TP101硬化剂3%～5%后涂于碳纤维半成品的内表面），上过处理剂的碳纤维半成品放置烤箱内用50℃-80℃烘烤15分钟。 [0048] 第二次喷胶：将第一次处理过的碳纤维半成品表面再喷一层胶HPM579（HPM579喷胶前先搅拌，搅拌完加TP101固化剂3%～5%，胶水会比较稠，所以要加稀释剂，如果是涂或者刷胶，稀释剂加40%～50%。若是喷涂，稀释剂要加100%～150%，胶水粘稠程度依当时喷胶情形做稀释剂的增减）上完胶再放置烤箱用50℃-80℃烤50分钟，烘烤过后碳纤维半成品表面胶水厚度要有0.3-0.5mm确保强度。 [0049] 上完胶烘烤过后，碳纤维半成品就可以直接放入注塑模具内注塑树脂成型。 [0050] 第五道工序注塑成型工序5-成形碳纤维在模内注塑树脂成型成为产品使用改性树脂及改性塑胶原料，使双方能有效粘接。首先，将注射成型工艺参数调至正常，确保注塑无缺料，收缩痕等不良缺陷。将预先处理好的碳纤维半成品放入注塑模腔，确保碳纤维半成品在模腔中定位准确；在注塑之前预先加热烘烤注塑料（此料包含PP,PC,PC+ABS,PC+GF,ABS,尼龙、PA+碳纤等注塑料），一般烘烤温度为80℃-120℃，烘烤2小时到3小时，使其充分的烤干，避免后续出现料花等不良现象。注塑时冷却时间尽量延长到15-30秒，一般喷嘴温度产品化，在高温熔融胶料含有0.02%以上水份时，易使产品有料花现象而影响外观及容易脆性破坏而影响冲击强度，所以原料必须彻底的烘干，注塑完成后产品自然冷却到棠温即可。零件从模具中取出后，需要平面静置4～5分钟，待零件完全冷却至室温再装箱，以免变形。 [0051] 第六道工序表面处理工序6-成型碳纤维产品表面处理产品注塑完成后需要进行表面处理，按照前面的成型方法得出的碳纤维产品，外观表面略显亚光效果，立体感不强，亮度不够，因此，必须对碳纤维产品外观面进行精油喷涂处理，在喷涂之前产品表面进行打磨处理，表面进行两次喷涂，第一次喷完后需要放进烤箱2- 3小时进行烘烤处理，烘烤温度为30℃-50℃度。等烘干之后再进行第二次喷涂，同样第二次喷涂完后要进行烘烤，烘烤过后就是完整的成品。 |
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