本发明涉及汽车材料制造技术领域，具体涉及一种轻量化汽车材料及其制备方法。
背景技术：
据统计，汽车自重每减少10％，油耗可降低6％～8％，聚乙烯、聚丙烯等热塑性塑料由于具有比重小、耐腐蚀性好、成本低、易于加工等诸多优点，逐渐成为一类重要的非金属汽车用轻量化材料。但是大多数塑料制品存在机械强度低、抗冲击性能差等缺点，不能用于制造汽车车身、底盘等结构。
采用长纤维对热塑性塑料进行增强，能够大幅度提高热塑性塑料的力学性能和尺寸稳定性，目前在汽车领域应用最多的增强纤维是碳纤维和玻璃纤维，但是由于碳纤维的成本较高，表面处理比较困难，因此在一定程度上限制了其在汽车工业中的应用和推广，主要用于高档轿车和赛车的生产制造中；同时玻璃纤维也存在难以回收和降解的问题。
纳米纤维素纤维(cnf)作为一种热塑性塑料的增强材料，由于其特殊的结构特点和较高的结晶度，强度高达2～3gpa。当cnf用于增强聚乙烯等热塑性塑料时。一般先熔融共混、挤出、造粒，然后通过注塑成型得到各种结构复杂、形状多变的汽车零部件。但是cnf表面含有大量的羟基，在熔融共混过程中cnf之间很容易通过氢键作用而发生团聚，从而导致cnf不能分散地与聚合物基体相“溶合”，无法形成界面，很难大幅度提升热塑性塑料的性能。利用酯化、阳离子化、接枝共聚等化学方法对cnf进行疏水改性，可防止cnf团聚，增加其稳定性和分散性，但是改性过程通常需要多步反应，涉及冗长的溶剂交换过程，且改进过程中需要使用丙酮、甲苯、四氢呋喃、吡啶等大量的有机溶剂，不仅污染环境而且还会增加成本。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种轻量化汽车材料及其制备方法，其能克服现有碳纤维或玻璃纤维价格高、表面处理困难、难以回收的缺点，同时制备过程中能有效减少有机溶剂的使用。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种轻量化汽车材料，包括以下质量分数的原料：纳米纤维素1～10％；热塑性塑料90～99％。
进一步地，所述纳米纤维素为三维网状结构，直径为5～50nm，长径比大于1000nm。
进一步地，所述热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯、尼龙6、尼龙66中的一种。
一种轻量化汽车材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：先将60～100目的木粉或竹粉置于亚氯酸钠溶液中，用冰醋酸或盐酸调节ph至3.0～5.0，所得溶液在70～90℃条件下加热搅拌1～2h；之后将上述溶液冷却室温后进行真空抽滤洗涤操作，直至上述溶液呈中性；
步骤2：重复步骤1操作4～6次，直至木粉或竹粉变成白色；
步骤3：将上述白色的木粉或竹粉溶于氢氧化钾溶液中，在80～90℃，处理2～3h，待上述溶液冷却至室温后进行真空抽滤洗涤操作至滤液中性；其中氢氧化钾溶液的质量分数为6～10％；
步骤4：重复步骤1操作1次，即得纯化纤维素待用；
步骤5：对纯化纤维素进行细纤维化作用得到纳米纤维素；
步骤6：将纳米纤维素冷冻干燥处理后与热塑性塑料粉末混合，并将混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合机中进行固体剪切粉碎处理；所述混合物中纳米纤维素的质量分数为50～85％；
步骤7：将步骤6处理后的混合材料放置于双螺杆挤出机中熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得纳米纤维素增强热塑性塑料母料；
步骤8：称取热塑性塑料粒子，与纳米纤维素增强热塑性塑料母料熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得纳米纤维素增强热塑性塑料粒子；其中纳米纤维素的质量分数为1～10％；
步骤9：将纳米纤维素增强热塑性塑料粒子进行干燥、筛选，置于注塑成型机中成型即可，其中注塑温度为150～300℃。
进一步地，步骤5中细纤维化采用一次研磨法或高压均质法。
进一步地，步骤6中固体剪切粉碎过程的处理温度为80～150℃，处理时间为1～120min，捏合机转速为60～120rpm/min。
更进一步地，步骤7中双螺杆挤出机的温度为120～280℃，转速为200～350rpm/min。
上述技术方案中提供的轻量化汽车材料及其制备方法，采用天然纤维素cnf作为热塑性塑料的增强材料，安全高效、经济环保，在制备过程中采用母料法和固体剪切粉碎法，能减少cnf的团聚，促进cnf在热塑性塑料基体中均匀分散；同时可减少化学药剂的污染。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
一种轻量化汽车材料，包括以下质量分数的原料：纳米纤维素1％；热塑性塑料99％。
所述纳米纤维素为三维网状结构，直径为5nm，长径比为1100nm。
所述热塑性塑料为聚乙烯。
一种轻量化汽车材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：先将60目的木粉或竹粉置于亚氯酸钠溶液中，用冰醋酸或盐酸调节ph至3.0，所得溶液在70℃条件下加热搅拌2h；之后将上述溶液冷却室温后进行真空抽滤洗涤操作，直至上述溶液呈中性；
步骤2：重复步骤1操作4次，直至木粉或竹粉变成白色；
步骤3：将上述白色的木粉或竹粉溶于氢氧化钾溶液中，在80℃，处理3h，待上述溶液冷却至室温后进行真空抽滤洗涤操作至滤液中性；其中氢氧化钾溶液的质量分数为6％；
步骤4：重复步骤1操作1次，即得纯化纤维素待用；
步骤5：对纯化纤维素进行细纤维化作用得到cnf；
步骤6：将cnf冷冻干燥处理后与热塑性塑料粉末混合，并将混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合机中进行固体剪切粉碎处理；所述混合物中cnf的质量分数为50％；
步骤7：将步骤6处理后的混合材料放置于双螺杆挤出机中熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得cnf增强热塑性塑料母料；
步骤8：称取热塑性塑料粒子，与cnf增强热塑性塑料母料熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得cnf增强热塑性塑料粒子；其中cnf的质量分数为1％；
步骤9：将cnf增强热塑性塑料粒子进行干燥、筛选，置于注塑成型机中成型即可，其中注塑温度为160℃。
步骤5中细纤维化采用一次研磨法或高压均质法。
步骤6中固体剪切粉碎过程的处理温度为80℃，处理时间为120min，捏合机转速为120rpm/min。
步骤7中双螺杆挤出机的温度为140℃，转速为350rpm/min。
实施例2
一种轻量化汽车材料，包括以下质量分数的原料：纳米纤维素5％；热塑性塑料95％。
所述纳米纤维素为三维网状结构，直径为30nm，长径比1200nm。
所述热塑性塑料为聚丙烯。
一种轻量化汽车材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：先将80目的木粉或竹粉置于亚氯酸钠溶液中，用冰醋酸或盐酸调节ph至4.0，所得溶液在80℃条件下加热搅拌1.5h；之后将上述溶液冷却室温后进行真空抽滤洗涤操作，直至上述溶液呈中性；
步骤2：重复步骤1操作5次，直至木粉或竹粉变成白色；
步骤3：将上述白色的木粉或竹粉溶于氢氧化钾溶液中，在85℃，处理2.5h，待上述溶液冷却至室温后进行真空抽滤洗涤操作至滤液中性；其中氢氧化钾溶液的质量分数为8％；
步骤4：重复步骤1操作1次，即得纯化纤维素待用；
步骤5：对纯化纤维素进行细纤维化作用得到cnf；
步骤6：将cnf冷冻干燥处理后与热塑性塑料粉末混合，并将混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合机中进行固体剪切粉碎处理；所述混合物中cnf的质量分数为68％；
步骤7：将步骤5处理后的混合材料放置于双螺杆挤出机中熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得cnf增强热塑性塑料母料；
步骤8：称取热塑性塑料粒子，与cnf增强热塑性塑料母料熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得cnf增强热塑性塑料粒子；其中cnf的质量分数为5％；
步骤9：将cnf增强热塑性塑料粒子进行干燥、筛选，置于注塑成型机中成型即可，其中注塑温度为200℃。
步骤5中细纤维化采用一次研磨法或高压均质法。
步骤6中固体剪切粉碎过程的处理温度为120℃，处理时间为60min，捏合机转速为90rpm/min。
步骤7中双螺杆挤出机的温度为180℃，转速为280rpm/min。
实施例3
一种轻量化汽车材料，包括以下质量分数的原料：纳米纤维素10％；热塑性塑料90％。
所述纳米纤维素为三维网状结构，直径为50nm，长径比大于1300nm。
所述热塑性塑料为尼龙6。
一种轻量化汽车材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：先将100目的木粉或竹粉置于亚氯酸钠溶液中，用冰醋酸或盐酸调节ph至5.0，所得溶液在90℃条件下加热搅拌1h；之后将上述溶液冷却室温后进行真空抽滤洗涤操作，直至上述溶液呈中性；
步骤2：重复步骤1操作6次，直至木粉或竹粉变成白色；
步骤3：将上述白色的木粉或竹粉溶于氢氧化钾溶液中，在90℃，处理2h，待上述溶液冷却至室温后进行真空抽滤洗涤操作至滤液中性；其中氢氧化钾溶液的质量分数为10％；
步骤4：重复步骤1操作1次，即得纯化纤维素待用；
步骤5：对纯化纤维素进行细纤维化作用得到cnf；
步骤6：将cnf冷冻干燥处理后与热塑性塑料粉末混合，并将混合物置于120℃干燥箱中干燥2h，然后置于捏合机中进行固体剪切粉碎处理；所述混合物中cnf的质量分数为85％；
步骤7：将步骤6处理后的混合材料放置于双螺杆挤出机中熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得cnf增强热塑性塑料母料；
步骤8：称取热塑性塑料粒子，与cnf增强热塑性塑料母料熔融共混、挤出，冷却后再进行切粒，即得cnf增强热塑性塑料粒子；其中cnf的质量分数为10％；
步骤9：将cnf增强热塑性塑料粒子进行干燥、筛选，置于注塑成型机中成型即可，其中注塑温度为260℃。
步骤5中细纤维化采用一次研磨法或高压均质法。
步骤6中固体剪切粉碎过程的处理温度为150℃，处理时间为1min，捏合机转速为60rpm/min。
步骤7中双螺杆挤出机的温度为240℃，转速为200rpm/min。
上述实施例中使用的捏合机均采用同时具有压缩和剪切功能的捏合机。
将实施例2制得的轻量化汽车材料注塑成型后，使用万能力学试验机测定其静态力学性能。结果表明，与未增强的热塑性塑料相比，cnf的加入使得热塑性塑料的拉伸模量、拉伸强度、弯曲模量和弯曲强度分别达到2.52gpa、51mpa、2.7gpa和73mpa，与未改进的热塑性塑料基体材料相比，上述指标分别提高了70％、64％、100％和40％。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。