一种汽车复合结构件的制作方法

本公开涉及
技术领域：
，具体涉及一种汽车复合结构件。
背景技术：
：随着汽车工业的不断发展，对汽车的燃油经济性及续航里程有了更高的要求，汽车的轻量化作为最佳解决方案之一，已经成为世界汽车发展的潮流。作为轻量化材料的最佳选择之一的纤维增强树脂复合材料已在汽车用材中广泛应用。然而，相比钣金，复合材料模量较低，需要增加厚度来增加材料刚性，从而增加了复合材料应用的成本，在一定程度上限制了复合材料的应用。技术实现要素：本公开的目的是提供一种汽车复合结构件。为了实现上述目的，本公开提供一种汽车复合结构件，所述结构件包括：纳米纤维素层；气凝胶层，覆盖在所述纳米纤维素层的外侧；纤维布层，覆盖在所述气凝胶层的外侧；树脂层，模压成型在所述纤维布层的外侧。可选的，所述纳米纤维素层的厚度为1-20mm，所述纳米纤维素层中纳米纤维素的直径为5-500nm，长度为0.1-10mm；所述气凝胶层的厚度为0.5-10mm；所述树脂层的重量为所述结构件重量的20-60重量％。可选的，所述纤维布层由多层单面纤维布层铺而成；单面纤维布的厚度为0.1-5mm。可选的，所述纤维布层中单面纤维布的层数为2-20层。可选的，所述纳米纤维素层中的纳米纤维素来自木材和/或竹材；所述气凝胶层中气凝胶为二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶或碳气凝胶；所述纤维布层中的纤维材料为碳纤维、玻璃纤维、竹纤维，麻纤维、大豆纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维；所述树脂层的材料为聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚酰亚胺。可选的，所述结构件还包括纳米纤维层，所述纳米纤维层设置于纳米纤维素层与气凝胶层之间和/或气凝胶层与纤维布层之间；所述纳米纤维层的重量占结构件总重量的0.5-10重量％，纳米纤维层中纳米纤维的直径为50-100nm，长度为0.1-5mm，纳米纤维的材料为聚丙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚酰亚胺。本公开还提供所提供的汽车复合结构件的制备方法，该方法包括：在纳米纤维素层的外侧依次铺设气凝胶层和纤维布层，其中任选在纳米纤维素层与气凝胶层之间和/或气凝胶层与纤维布层之间铺设纳米纤维层；在纤维布层的外侧模压成型树脂层。可选的，所述纳米纤维素层的制备步骤包括：将木材和/或竹材浸没在强碱-胺水溶液和浸润剂的混合液中进行第一反应，然后加入过氧化氢进行第二反应，将所得板材沿厚度方向进行压缩处理。可选的，所述木材的厚度为1-100mm，所述强碱-胺水溶液中，所述强碱-胺水溶液包括强碱、以及有机胺和/或无机铵，所述强碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾，强碱的浓度为5-30重量％，所述无机铵为氯化铵和/或硫酸铵，所述有机胺为季铵盐，所述有机胺和/或无机铵的浓度为5-20重量％；所述浸润剂为选自烷基酚聚氧乙烯醚、TX-10和脂肪醇硫酸钠中的一种或多种；所述木材、强碱-胺水溶液、浸润剂和过氧化氢的重量比为1：(1-20)：(0.01-0.5)：(0.1-2)；所述第一反应的条件包括：温度为60-120℃，时间为30-120min；所述第二反应的条件包括：温度为70-130℃，时间为2-10小时，在回流条件下进行；所述压缩处理使得纳米纤维素层的厚度为木材厚度的五分之一至二分之一。可选的，所述模压成型的条件包括：温度为120-230℃，压力为10-60MPa，时间为5-60min。本公开提供的汽车复合结构件具有轻质高模、耐冲击性能好的优点，且成本低，可以全材料回收利用。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是本公开提供的汽车复合结构件一种具体实施方式的结构示意图。图2是本公开提供的汽车复合结构件另一种具体实施方式的结构示意图。附图标记说明1纳米纤维素层2气凝胶层3纤维布层4树脂层5纳米纤维层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。如图1所示，本公开提供一种汽车复合结构件，所述结构件包括：纳米纤维素层1；气凝胶层2，覆盖在所述纳米纤维素层1的外侧；纤维布层3，覆盖在所述气凝胶层2的外侧；树脂层4，模压成型在所述纤维布层3的外侧。本公开的汽车复合结构件具有轻质、高强和高模量的优点，通过纳米纤维素、气凝胶与纤维材料同时使用优势互补，使结构件轻量化的同时，增加结构件的刚性，提高结构件的综合性能，并降低结构件的成本。本公开中，纳米纤维素又称为纳米木头，由纤维素纳米原纤维制备而成，具有强度高、重量轻、缓冲、绝热和隔音性能好等优点，导热系数低至0.03W/m·K，并且为生物质材料，可完全回收利用，能够节约大量的资源，保护和改善生态环境。本公开纳米纤维素层1中的纳米纤维素可以来自木材和/或竹材，也可以来自其它植物材料，通过将植物材料中的木质素和半纤维素去除后压缩而得，所述纳米纤维素层1的厚度可以为1-20mm，所述纳米纤维素层中纳米纤维素的直径可以为5-500nm，长度可以为0.1-10mm。本公开中，气凝胶是一种固体物质形态，具有高孔隙率、低密度、坚固耐用、隔热和缓冲性能好等优点，所述气凝胶层2的厚度(指结构件中总厚度)可以为0.5-10mm，气凝胶层2中气凝胶可以为二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶或碳气凝胶。本公开中，纤维布层3可以由多层单面纤维布层铺而成，单面纤维布是由纤维编织或单向排列而成的单面布，纤维布层3中单面纤维布的层数(指结构件中总层数)可以为2-20层，单面纤维布的厚度可以为0.1-5mm，纤维布层3中的纤维材料可以为碳纤维、玻璃纤维、竹纤维，麻纤维、大豆纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维，优选为碳纤维或玻璃纤维。本公开中，树脂层由模压的方式成型在纤维布层外侧，起到使结构件中各层稳定连接的作用，所述树脂层4的重量可以为所述结构件重量的20-60重量％，树脂层4的材料可以为热塑性树脂，例如可以为聚丙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚酰亚胺，热塑性树脂具有韧性好、损伤容限大、介电常数良好，同时储存期不受限制，尤其具有良好的可循环性、可回收、可重复利用和不污染环境的特性。如图2所示，所述结构件还可以包括纳米纤维层5，纳米纤维可以提高结构件的压缩强度、弯曲强度和弯曲模量等性能，所述纳米纤维层5可以设置于纳米纤维素层1与气凝胶层2之间和/或气凝胶层2与纤维布层3之间，所述纳米纤维层5的重量可以占结构件总重量的0.5-10重量％，纳米纤维层5中纳米纤维的直径可以为50-100nm，长度可以为0.1-5mm，纳米纤维的材料可以为聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮或聚酰亚胺。本公开中，结构件的形状可以根据汽车需要进行制备，例如可以先制备成板形，然后进行切割、粘结或冲击等方式成型。本公开所述外侧是以“纳米纤维素层”为中心而言，相对远离“纳米纤维素层”的一侧为外侧，以板形结构件为例，气凝胶层覆盖在纳米纤维素层厚度方向的两侧，而纤维布层覆盖在两层气凝胶层的远离纳米纤维素层的两侧，而树脂层覆盖在两层纤维布层远离纳米纤维素层的两侧，具体位置关系可以参考附图1。本公开还提供所提供的汽车复合结构件的制备方法，该方法包括：在纳米纤维素层的外侧依次铺设气凝胶层和纤维布层，其中任选(任选是指可以选择铺设或不铺设纳米纤维层)在纳米纤维素层与气凝胶层之间和/或气凝胶层与纤维布层之间铺设纳米纤维层；在纤维布层的外侧模压成型树脂层。采用本公开方法制备的结构件为三明治复合结构，由湿法模压成型，兼具纤维复合材料和纳米纤维素的优点，并通过气凝胶提高结构件的隔热性能，降低结构件的密度，具有轻质高模、热稳定性好、膨胀系数低、隔音效果好，减少车内噪音、振动，提高车内舒适度，成本低等优点。本公开中，所述纳米纤维素层的制备步骤可以包括：将木材和/或竹材浸没在强碱-胺水溶液和浸润剂的混合液中进行第一反应，然后加入过氧化氢进行第二反应，将所得板材沿厚度方向进行压缩处理。本公开中，木材可以为各种树木的原生木材，所述木材的厚度可以为1-100mm，所述强碱-胺水溶液包括强碱、以及有机胺和/或无机铵，所述强碱可以为氢氧化钠和/或氢氧化钾，强碱的浓度可以为5-30重量％，所述无机铵可以为氯化铵和/或硫酸铵，所述有机胺可以为季铵盐，所述有机胺和/或无机铵的浓度可以为5-20重量％，所述浸润剂可以为选自烷基酚聚氧乙烯醚、TX-10和脂肪醇硫酸钠中的一种或多种；所述木材、强碱-胺水溶液、浸润剂和过氧化氢的重量比可以为1：(1-20)：(0.01-0.5)：(0.1-2)；所述第一反应的条件可以包括：温度为60-120℃，时间为30-120min；所述第二反应的条件可以包括：温度为70-130℃，时间为2-10小时，在回流条件下进行；所述压缩处理使得纳米纤维素层的厚度可以为木材厚度的五分之一至二分之一。通过第一反应和第二反应可以去除木材中木质素及大多数的半纤维素，而保留纤维素的原始排布，并通过压缩处理使制备纳米纤维素层密实度和强度增加。本公开中，模压成型是本领域技术人员所熟知的，一般指将待成型材料放置于模具型腔中在一定成型温度和压力下进行保压一段时间，得到成型材料的方法，所述模压成型可以采用常规的成型方法和条件进行成型，例如所述模压成型的条件可以包括：温度为120-230℃，压力为10-60MPa，时间为5-60min。下面通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何限制。本公开实施例和对比例所用原生柏木板材购自上海柏泛木业有限公司；所用碳纤维单向布购自中安信公司，商业型号为ZA50XC；所用气凝胶购自中凝科技有限公司，商业型号为AG-ST-GF；所用热塑性纳米纤维购自江西先材纳米材料科技有限公司，商业型号为PI-T，主要成分为聚氨酯材料；铝蜂窝板购自苏州贝芯蜂窝科技有限公司，商业型号为贝芯A3003H18。本公开复合板的压缩强度采用GB/T1448-2005纤维增强塑料压缩性能试验方法进行测定。本公开复合板的弯曲强度和弯曲模量采用纤维增强塑料弯曲性能试验方法GB/T1449-2005进行测定。本公开的复合板的密度采用国家标准GB/T1463-2005进行测定。本公开的复合板的比模量＝弯曲模量/密度。实施例1：选用厚度为10mm原生柏木板材，在90℃温度下，浸没在15重量％氢氧化钠-5重量％氯化铵水溶液内，加入壬基酚聚氧乙烯醚磷酸单脂浸润剂，浸润120min，之后加入适量过氧化氢，继续在110℃下回流6h，去除掉木质素及大多数的半纤维素，而保留纤维素的原始排布，木材、强碱-胺水溶液、浸润剂和过氧化氢的重量比为1:3:0.02:0.5，之后进行机械压缩，压缩厚度到原木材厚度的三分之一，即3.3mm，作为纳米纤维素层，纳米纤维素层中纳米纤维素的直径为200nm，长度为3mm。将单层厚度为0.33mm的碳纤维单向布进行设计、铺设在纳米纤维素层外侧作为纤维布层，铺设总厚度为1.98mm，两侧各3层。在相邻纳米纤维素层和纤维布层之间铺设两层厚度均为1.0mm的气凝胶以形成气凝胶层。在上述各层之间添加热塑性纳米纤维，纳米纤维直径为100nm，长度为3mm，占总重量的1重量％，以形成纳米纤维层。选用热塑性树脂聚酰胺(PA)，在230℃，50MPa条件下，采用模压20min成型，形成三明治结构的复合板，其中聚酰胺用量为复合板总重量的23.5％。本实施例所得复合板的性质见表1。实施例2选用厚度为8mm原生柏木板材，在90℃温度下，浸没在10重量％氢氧化钠-10重量％溴化双十八烷基二甲基铵溶液内，加入聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸脂浸润剂，浸润120min，之后加入适量过氧化氢，继续在120℃下回流6h，去除掉木质素及大多数的半纤维素，而保留纤维素的原始排布，木材、强碱-胺水溶液、浸润剂和过氧化氢的重量比为1:2.5:0.06:1，之后进行机械压缩，压缩厚度到原木材厚度的四分之一，即2mm，作为内层材料。其余步骤与实施例1相同，本实施例所得复合板的性质见表1。实施例3采用与实施例1相同的方法，所不同的是，在各层之间未添加纳米纤维。本实施例所得复合板的性质见表1。对比例1采用与制备实施例1相同的方法，所不同的是，用同等厚度的铝蜂窝板替代纳米纤维素层。本对比例所得复合板的性质见表1。对比例2采用与制备实施例1相同的方法，所不同的是，用同等厚度的纤维布层替代纳米纤维素层。本对比例所得复合板的性质见表1。从表1可以看出，与对比例1相比，实施例1-3提供的复合板具有更好的压缩强度、弯曲强度、弯曲模量和比模量，与对比例2相比，虽然对比例2在压缩强度、弯曲强度、弯曲模量等性能上具有优势，但是比模量却远低于实施例1-3，而且对比例2由于大量采用纤维布，成本远高于实施例1-3。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公开的内容。表1实施例1实施例2实施例3对比例1对比例2压缩强度，MPa450.2438.4394.3291.8930.8弯曲强度，MPa614.4626.3502.9371.71051.2弯曲模量，MPa62.163.453.446.281.4密度，g/cm30.710.730.710.691.47比模量，m87.586.875.266.955.4当前第1页1 2 3