一种可变密度的热塑性复合材料夹芯结构及其制备方法和应用

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种可变密度的热塑性复合材料夹芯结构及其制备方法和应用。

背景技术：

复合材料夹芯结构通常是由厚度较小的板材作为面板,厚度较大且密度小的材料作为芯材，如蜂窝夹芯结构、泡沫夹芯结构、轻木夹芯结构等。一般说来,面板使用材料的材料力学性能较为优异,而低密度的芯材之间起支撑作用,使面板在承受应力时能够较好的保持弹性稳定性。通过对不同材料的形式进行合理的选择,可赋予夹芯结构各种不同的性能，如优异的抗弯刚度、吸音隔热、可变密度等特性，从而拓展其应用。

常见的复合材料夹芯结构面板以单一材料体系为主,采用胶接或者共固化而成，但是单一材料体系在很多场合无法满足力学性能、物理性能和环境等要求，且上下面板大多全部采用热固性树脂,方便热固化后整体成形且力学性能良好,但是存在密度偏大和不易回收等缺陷。常见的玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(gmt)在加热至熔点以上的温度会发生厚度方向上的膨化，导致密度的改变，冷却定型后能保留足够力学性能的同时大幅度降低材料的密度，这种材料能很好的承担夹芯结构芯层作用。但是，传统的gmt中采用聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)等作为基体材料，在选用面皮材料的过程中受限较大，为更好提升复合材料夹层结构的性能满足多种应用领域需求，急需开发轻量化、可变密度的热塑性复合材料夹芯结构。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述不足，本发明的第一目的是提供一种可变密度的热塑性复合材料夹芯结构，采用连续纤维织物增强热塑性树脂和膨胀化的长纤维增强热塑性树脂相结合，热塑性复合材料夹芯结构具有轻量化、可变密度和安全环保的优异性能。

本发明的第二目的是提供上述热塑性复合材料夹芯结构的制备方法，通过面板和位于面板之间的可变密度夹芯层热压固化后冷压定型得到。

本发明的第二目的是提供上述热塑性复合材料夹芯结构在汽车内饰、公交车顶板或笔记本电脑后盖中的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供可变密度的热塑性复合材料夹芯结构，包括面板和位于所述面板之间的可变密度夹芯层；其中，所述面板采用连续纤维织物增强热塑性树脂板材，所述可变密度夹芯层采用膨胀化的长纤维增强热塑性树脂片材。

优选地，所述可变密度夹芯层中采用的热塑性树脂选自粉末状的聚苯硫醚(pps)或聚醚醚酮(peek)，添加量为40wt％–60wt％。

优选地，所述可变密度夹芯层中所述长纤维的长度为9–18mm，添加量为40wt％–60wt％，选自玻璃纤维(gf)、碳纤维(cf)、玄武岩纤维(gbf)或芳纶纤维(af)中的一种或两种以上组合。

优选地，所述面板中采用的热塑性树脂为聚碳酸酯(pc)，添加量为30wt％–70wt％。

优选地，所述面板中采用的连续纤维织物选自玻璃纤维织物或碳纤维织物，添加量为30wt％–70wt％。

本发明的热塑性复合材料夹芯结构具有以下优势：轻量化、可变密度和安全环保。

本发明还提供所述热塑性复合材料夹芯结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)向湿法分散-搅拌设备内加入水和热塑性树脂粉末进行搅拌形成悬浮液，再加入长纤维和复合表面活性剂持续搅拌10-20min，停止搅拌，静置等待混合物沉降；

(2)待所述复合表面活性剂产生的泡沫消去后，将底部沉淀物取出，并用烘箱105–110℃干燥至恒重，得到毡体；

(3)将步骤(2)中干燥后的毡体加热至熔点温度以上进行膨化处理8–15min，膨化处理后的毡体通过模具确定定型厚度为4–10mm后进行冷压定型，得到可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材；

(4)以连续纤维织物增强热塑性树脂板材作为面板、步骤(3)中可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材作为可变密度夹芯层叠放整齐，在加热温度为260–270℃和压力为1–2mpa的条件下热压固化60–120s，快速转移至冷压机上在压力为1–2mpa的条件下冷压定型，得到热塑性复合材料夹芯结构。

优选地，步骤(1)中，所述复合表面活性剂的用量为30–60mg/l，其由质量比为1:4的阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂复配而成。

优选地，步骤(3)中，所述毡体加热至325℃膨化处理10min。

优选地，步骤(4)中，所述热塑性复合材料夹芯结构通过所述面板和所述可变密度夹芯层在温度为265℃和压力为1.5mpa的条件下热压固化90s，快速转移至冷压机上在压力为1.5mpa的条件下冷压定型得到。

本发明还提供了所述热塑性复合材料夹芯结构在汽车内饰、公交车顶板或笔记本电脑后盖中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的热塑性复合材料夹芯结构具有轻量化、可变密度和安全环保的特性，通过面板和位于面板之间的可变密度夹芯层热压固化后冷压定型得到，工艺简单，易于大规模工业化生产，可以用于汽车内饰、公交车顶板或笔记本电脑后盖等场合，拓宽了夹芯结构复合材料的应用范围。

参考以下详细说明更易于理解本发明的上述以及其他特征、方面和优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更显著：

图1为实施例中可变密度的热塑性复合材料夹芯结构的形貌图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中可变密度的热塑性复合材料夹芯结构包括面板和位于面板之间的可变密度夹芯层，以连续纤维织物增强热塑性树脂板材作为面板，以膨胀化的长纤维增强热塑性树脂片材作为可变密度夹芯层。一些实施例中，可变密度夹芯层中采用的热塑性树脂选自粉末状的聚苯硫醚或聚醚醚酮，添加量可为40wt％–60wt％；可变密度夹芯层中长纤维的长度可为9–18mm，添加量可为40wt％–60wt％，选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维中的一种或两种以上组合；一些实施例中，面板中采用的热塑性树脂为聚碳酸酯(熔融温度265℃左右)，添加量为30wt％–70wt％；连续纤维织物选自玻璃纤维织物或碳纤维织物，添加量可为30wt％–70wt％。

以下实施例中可变密度的热塑性复合材料夹芯结构通过包括以下步骤的制备方法得到：

(1)向湿法分散-搅拌设备内加入水和热塑性树脂粉末进行搅拌形成悬浮液，再加入长纤维和复合表面活性剂持续搅拌10-20min，停止搅拌，静置等待混合物沉降；

(2)待复合表面活性剂产生的泡沫消去后，将底部沉淀物取出，并用烘箱105–110℃干燥至恒重，得到毡体；

(3)将步骤(2)中干燥后的毡体加热至熔点温度以上进行膨化处理8–15min，膨化处理后的毡体通过模具确定定型厚度为4–10mm后进行冷压定型，得到可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材；

(4)以连续纤维织物增强热塑性树脂板材作为面板、步骤(3)中可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材作为可变密度夹芯层叠放整齐，在加热温度为260–270℃和压力为1–2mpa的条件下热压固化60–120s，快速转移至冷压机上并在压力为1–2mpa的条件下冷压定型，得到热塑性复合材料夹芯结构。

一些实施例中，复合表面活性剂的用量为30–60mg/l，其由质量比为1:4的阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂复配而成。

一些实施例中，步骤(3)中，毡体加热至325℃膨化处理10min。

一些实施例中，步骤(4)中，面板和可变密度夹芯层在温度为265℃和压力为1.5mpa的条件下热压固化90s，快速转移至冷压机上并在压力为1.5mpa的条件下冷压定型得到可变密度的热塑性复合材料夹芯结构。

以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例中制备可变密度的热塑性复合材料夹芯结构，步骤如下：向湿法分散-搅拌设备内加入适量的水和50wt％的聚苯硫醚粉末进行搅拌形成悬浮液，再加入50wt％的切割长度为15mm的玻璃纤维和50mg/l由非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂按照质量比为4：1复配的复合表面活性剂持续搅拌15min，停止搅拌，静置等待混合物沉降；待复合表面活性剂产生的泡沫消去后，将底部沉淀物取出，并用烘箱108℃干燥至恒重，得到毡体。干燥后的毡体在平板硫化机上的模具内加热至325℃膨化处理10min，膨化处理后的毡体通过模具确定定型厚度为5mm后进行冷压定型，得到可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材；以连续纤维织物增强聚碳酸酯板材作为面板、可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材作为可变密度夹芯层叠放整齐，在加热温度为265℃和压力为1.5mpa的条件下热压固化90s，快速转移至冷压机上并在压力为1.5mpa的条件下冷压定型，得到可变密度的热塑性复合材料夹芯结构，如图1所示。

实施例2

本实施例中制备可变密度的热塑性复合材料夹芯结构，步骤如下：向湿法分散-搅拌设备内加入适量的水和50wt％的聚醚醚酮粉末进行搅拌形成悬浮液，再加入50wt％的切割长度为15mm的玻璃纤维和50mg/l由非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂按照质量比为4：1复配的复合表面活性剂持续搅拌15min，停止搅拌，静置等待混合物沉降；待复合表面活性剂产生的泡沫消去后，将底部沉淀物取出，并用烘箱108℃干燥至恒重，得到毡体。干燥后的毡体在平板硫化机上的模具内加热至325℃膨化处理10min，膨化处理后的毡体通过模具确定定型厚度为8mm后进行冷压定型，得到可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材；以连续纤维织物增强聚碳酸酯板材作为面板、可变密度的长纤维增强热塑性树脂片材作为可变密度夹芯层叠放整齐，在加热温度为265℃和压力为1.5mpa的条件下热压固化90s，快速转移至冷压机上并在压力为1.5mpa的条件下冷压定型，得到可变密度的热塑性复合材料夹芯结构。