专利名称：一种热塑性轻型复合板材及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种热塑性轻型复合板材及其制备工艺。
背景技术：
目前国内汽车内饰常用板材有聚氨脂树脂发泡复合板材、热塑性麻纤维复合板材、半固化棉毡板材、PP木粉板、PS泡沫板材等，上述材料的特性无法完全满足汽车内饰材料的要求，如高热变型温度、高拉伸、轻质、阻燃、环保等特性指标，大部分材料的热变型温度均在82℃左右，对高拉伸饰件往往是靠增加材料单位面积克重来实现，如柳汽重卡M333顶用热塑性麻纤维复合板材为了满足350mm深拉伸，麻纤维复合板材单位面积克重为2300g/m2；客车前后顶因变形拉伸大所选用PP木粉板单位面积克重为2700g/m2。上述材料中聚氨脂树脂发泡复合板材、PS泡沫板材、PU泡沫板材、半固化棉毡板材等，边角废料无法回收；热塑性麻纤维复合板材、PP木粉板等边角废料虽可回收利用、但其单位面积质重、耐高温性能、阻燃性能较差，因为目前没有更好的材料来取代上述材料。
另汽车内饰材料生产过程中产生的边角料和报废车辆的内饰大都采用焚烧与深埋的方法处理。深埋占用土地，浪费资源；焚烧产生“二恶英”等有毒气体，污染环境，损害人体健康。根据汽车法规，今后谁生产谁负责回收，及环境保护法，淘汰落后的与不可回收再利用的内饰材料已是提高中国汽车质量的标准与要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种热塑性轻型复合板材及制备方法，以克服现有技术操作的上述缺陷，满足交通工具内饰件对新材料的需求。
本发明的热塑性轻型复合板材包括热塑性乳液双面泡沫浸渍的针刺纤维毡层和刮涂在其表面的起平整和黏结作用的热塑性胶液层；所说的热塑性材料选自聚醋酸乙烯、聚丙烯酸酯、饱和聚酯或环氧树脂中的一种；热塑性材料与针刺纤维毡的重量比例为热塑性材料∶针刺纤维毡＝1∶～4∶10；所说的针刺纤维毡中的纤维包括增强纤维和热塑性合成纤维，依据增强形式不同，增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维、金属纤维或植物纤维中的一种，金属纤维优选Fe、Cu、Ag纤维，植物纤维优选天然麻纤维或竹纤维；所说的热塑性合成纤维选自聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、ES纤维(PP/PE(复合纤维)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)纤维、尼龙纤维、聚醚酰亚胺纤维或visil纤维(芬兰纤维制造商Sateri公司产品牌号)、聚酯纤维。
热塑性合成纤维与增强纤维的重量比例为25∶75～75∶25。
所述的针刺纤维毡中包含重量为5～60％的长度为100～300mm的纤维，其中，成束状分布的纤维的重量含量为针刺纤维毡的15～45％；所说的热塑性胶液选自聚氨酯胶粘剂、丙烯酸酯胶粘剂、醋酸乙烯共聚物、聚氯乙烯类共聚物或合成橡胶胶乳等。
本发明的材料中，增强纤维主要起增强作用，热塑性合成纤维主要起黏结作用，在制备过程中，经过“热压”工艺中会受热熔融，并且在与增强纤维的交接处与增强纤维黏结在一起。
按照本发明优选的技术方案，所说的热塑性轻型复合板材还包括粘合在其表面的上表层和/或下表层。
所说的上表层和下表层的材料选自PP薄膜、BOPP(双向拉伸聚乙烯)薄膜、PE薄膜、聚氨酯薄膜、热熔粉、阻隔膜或无纺布；所述的热熔粉乙烯醋酸乙烯酯共聚物粉，可采用市售产品，如常熟化工厂生产的牌号为YF10100的产品。
所述的阻隔膜为聚氨酯微孔薄膜或聚乙烯微孔薄膜；可采用市售产品，如上海杰事杰公司生产的超高分子量聚乙烯微孔薄膜。
所述的无纺布选自由涤纶、腈纶、维纶、丙纶、粘胶纤维、棉、毛、麻天然纤维、碳素纤维或硼素纤维等制造的无纺布；本发明的热塑性轻型复合板材的密度为0.35～0.90g/cm3。
本发明针刺纤维毡层是通过非织造布干法成网制毡工艺来实现的，该工艺既要确保100～300mm长纤维的顺利梳理，又要纤网中含有15～45％左右的束状纤维(纤维束)，本发明通过对梳理机的喂入和梳理系统的改造达到此目的，使纤维顺利通过成网，确保了针刺毡中的纤维损伤尽量少、纤网中束状纤维的比例高。因纤维长度长，从而大大提高了材料内部树脂的应力传递连续性，提高了热塑性轻型复合板材的断裂强度质量，降低纵横向强力比值，确保复合板材表面平整，减少复合板材的翘曲现象发生。
本发明的热塑性轻型复合板材可以快速模压成型，以柳汽东风重卡M333侧窗围饰件为例，该产品烘烤时间90S、烘烤温度185℃、保压时间70S、压力70T；而常规材料PP木粉板、麻毡板烘烤时间90S、烘烤温度210℃、保压时间90S、压力120T；半固化棉毡需要经两次成型，成型工艺更为复杂，耗能更高。由于热塑性轻型复合材料具有变形恢复产生膨胀的特点，1.5mm～3.5mm的板材二次烘培中合成纤维熔融、流动，使增强纤维自由舒展形成海绵状泡沫体结构层，板材自由膨松厚度可增至2～5mm，因而饰件的厚度可由模具间隙、较低压力调节，该复合材料对模具适应性较好，不须对模具进行改造，适用于树脂模、铝模、钢模。
本发明利用该材料受热膨胀的特性，可制造出如同泡沫体结构的膨化车顶棚，具有非常好的减震与隔音效果。由于材料强度高，兼有传统的金属隔热性和缓冲性能，从而大大减轻车身重量，达到节能与降低运营成本的目的。
本发明热塑性轻型复合材料中的针刺毡中含有25～35％的束状纤维，且主纤维长度达到200～250mm，其强度、模量高于其它内饰材料；刚性、韧性可按纤维配比调整，耐热性好(热变形温度可达90～105℃)；在较大的温度范围内能保持其物理特性；有优良的耐化学药品性和耐水性。
本发明热塑性轻型复合材料的刚度/重量比，高于同样单位面积重量的传统GMT产品(Glass Mat Reinforced Thermoplastic)。
本发明热塑性轻型复合材料是热塑性材料可回收利用，边角余料可通过回收造粒，粒料可用于热塑加工的挤塑、注射工艺，是热塑性基材较好的填料，能改善制品耐热性、低收缩性和机械性能，生产使用过程中无害，是利于形成资源-材料-环境良性循环的产品。
本发明的制备方法包括如下步骤(1)备料准备长切纤维材料，增强纤维(长度120～300mm)；热塑性合成纤维(长度100～300mm)，重量比例为25∶75～75∶25。
(2)将增强纤维和热塑性合成纤维开松、梳理、成网，获得针刺纤维毡；(3)将通过发泡机发泡的由热塑性材料和偶联剂组成的乳液泡沫涂布与针刺纤维毡的两面，发泡比例为1∶8～3∶5，粘度为1500～20000厘泊，发泡比例为发泡之前的液体和发泡之后的泡沫体积之比；偶联剂的重量为热塑性材料的0.5～10％，偶联剂的作用是解决纤维界面相容问题，所说的偶联剂选自钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂、硼酸酯偶联剂或硅烷偶联剂，优选正硅酸乙酯、甲基(乙基、丙基、苯基等烷基)三甲(乙、丙等)氧基硅烷、环氧丙基三甲(乙、丙等)氧基硅烷、甲基丙烯酰氧丙基三甲(乙，丙等)氧基硅烷(KH570/A-174)、乙烯基三甲(乙、丙等)氧基硅烷(A-151)或钛酸正丁酯等；(4)刮涂通过刮涂机，将粘合胶液刮涂于步骤(3)的产物的两面，并使之平整，有利于烘焙后的复合工艺得以顺利进行；(5)烘焙复合工艺刮涂后的针刺毡在80～270℃下烘焙4～20分钟，使其中的热塑性纤维受高温塑化呈熔融状，起到进一步浸渍的作用，其中的加热温度应视采用的热塑性纤维，控制在热塑性纤维的融点之上，然后利用双辊热压机将上表层和下表层分别从上下辊复合在针刺毡上，利用双辊压力，将它们压成一体，根据板材的厚度来调整双辊的间隙，使之等于或小于针刺毡的厚度0～2mm，温度为70～160℃，针刺毡中的增强纤维与热塑性合成纤维浸渍透彻，板材得到最好的塑化效果，经冷却定型，制备成具有一定强度、韧性、厚度的轻型热塑性复合板材，其中，增强纤维交叉点60％～80％被合成纤维所包覆，其余主体纤维间形成一定间隙的泡沫层，使材料具有泡沫体结构的特征。
本发明的优点是十分显著的，本发明材料打破了长纤维不能梳理成网的历史，长切束状纤维比例占25～35％，普通玻纤毡很少有束状纤维。束状纤维比单根纤维的拉力大、抗弯曲拉伸的机械力大，束状纤维占一定比例的玻纤针刺毡肯定比短玻纤或单体玻纤组成的针刺毡强，无论从哪方面去比，材料整体的强力比值都要高许多。这是一般短切玻纤连续针刺毡无法比拟的优势。由此，奠定新型GMT材料的高强度、高韧性、高拉伸的性能与特点。
在普通的连续短切玻纤针刺毡中(不论湿法成网还是干法成网)，束状纤维是极少的。事实证明，普通梳理设备也是做不到的。由于束状纤维是由几根细小的单纤维组成一束的状态，所以它显得更粗壮、更刚直一些。在通过梳理与针刺加固的过程中，比单纤维损伤小，也不易折断。由众多的单纤维组成的连续短切玻纤针刺毡与有一定比例的束状纤维组成的连续长切玻纤针刺毡相比，前者肯定不及后者，无论从材料的整体强度或刚性比较。束状纤维含量增加在GMT材料的生产中尚属首创，它向我们展示了超强的刚性与机械强力，在研制GMT的历史上也是一种新的技术突破。实践证明，其效果非常好。
图1为本发明的梳理机的喂入和梳理系统结构示意图。
图2为喂入系统结构示意图。
具体实施例方式
参见图1和图2，本发明的梳理机的喂入和梳理系统，包括锡林30、与锡林30配合的刺辊3、与刺辊3配合的主喂入罗拉2、与主喂入罗拉2配合的次喂入罗拉1、与锡林30和刺辊3配合的喂入挡风辊31、与锡林30配合的梳理区和与锡林配合的纤维网剥取区；所说的梳理区包括与锡林30配合的工作辊8和剥毛辊6；所说的纤维网剥取区包括与锡林30配合的道夫14和纤维网剥取挡风辊12；其特征在于，在锡林30上设有2～4组梳理区和两个纤维网剥取区，优选3组梳理区；所说的主喂入罗拉2包括上主喂入罗拉201和下主喂入罗拉202，上主喂入罗拉201和下主喂入罗拉202间距H为10～70mm；所说的次喂入罗拉1包括上次喂入罗拉101和下次喂入罗拉102，上次喂入罗拉101和下次喂入罗拉102间距与H相同，为10～70mm；主喂入罗拉2与次喂入罗拉1的间距H2为20～100mm；主喂入罗拉2与刺辊间距H3为10～80mm；进一步，本技术方案中金属针布选择也至关重要，为了满足轻打击、大隔距、低纤伸、低速比的工艺原则，刺辊的金属针布采用直齿，以便于纤维转移；喂入罗拉、工作辊、剥毛辊、锡林、道夫的金属针布均采用降低齿针高度、增大纵向齿距，以降低对纤维的握持和穿刺分梳能力，使纤维顺利通过，满足梳理过程中尽量减少纤维损伤、确保了纤网中束状纤维的比例要求。
所说的直齿是指金属针布的工作面、背面为直线；所说的罗拉、工作辊、剥毛辊、锡林、道夫的金属针布的齿针高度为2.8～4mm，齿针纵向齿距为2.2～3.5mm。。
以下实施例中，采用两对喂入罗拉，上下罗拉间距60mm、主次两对喂入罗拉间距55mm，罗拉直径为88mm，刺辊直径为305mm，工作辊直径为210mm，剥毛辊直径为125mm，4组梳理区，罗拉、工作辊、剥毛辊、锡林、道夫的金属针布的齿针高度分别为6mm、4mm、3.3mm、3.2mm、4mm，齿针纵向齿距分别为7.6mm、2.5mm、3.2mm、3.2mm、2.5mm。刺辊的金属针布采用直齿。
实施例1备料无缄玻璃纤维(密度2.28g/cm3100kg 长度300mm 直径10um)，PP纤维(密度0.92g/cm3100kg、长度150mm 直径6um)材料按1∶1混合，幅宽按2M。
将上述备料开松，然后采用具有图1的喂入和梳理系统的梳理机进行梳理，然后成网加固，获得长切玻璃纤维针刺毡。
泡沫浸渍将上述步骤制得的针刺毡由发泡机双面施胶，热塑性胶液采用丙烯酸酯胶液(丙烯酸酯重量含量40％，偶联剂正硅酸乙酯的重量含量为1％，溶剂为水)，发泡比例为3∶8，发泡量200kg/h，粘度18000厘泊，压力控制在500kg，气动施加，机械速度2M/min，按每平方250g双面浸渍针刺毡。
将上述通过泡沫浸渍后的针刺毡用连云港市新光化工厂的EX-1丙烯酸酯乳液粘合胶液进行表面刮涂。
刮涂后的针刺毡在200℃烘焙6分钟。
然后利用双辊热压机将上表层和下表层分别从上下辊复合在针刺毡上，利用双辊压力，将它们压成一体，根据板材的厚度调整双辊的间隙，使之等于针刺毡的厚度，温度为160℃，然后经空气冷却定型，通过裁切机定尺寸切割修边，制备成热塑性复合板材。
上表层和下表层分别为涤纶无纺布和热熔聚丙烯胶膜；物化指标见附表。
实施例2备料无缄玻璃纤维(密度2.28g/cm3100kg 长度300mm 直径10um)PP纤维(密度0.92g/cm3 100kg、长度55～65mm 直径6um)材料按4∶6混合，幅宽按2.5M。
将上述备料开松，然后采用具有图1的喂入和梳理系统的梳理机进行梳理，然后成网加固，获得长切玻璃纤维针刺毡。
泡沫浸渍将上述步骤制得的针刺毡由发泡机双面施胶，热塑性胶液采用醋酸乙烯胶液(醋酸乙烯重量含量35％，偶联剂甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷的重量含量为2％，溶剂为水)，发泡比例为2∶7，发泡量100kg/h，粘度18000厘泊，压力控制在500kg，气动施加，机械速度2M/min，按每平方250g双面浸渍针刺毡。
刮涂将上述通过泡沫浸渍后的针刺毡用聚氨酯胶粘剂进行表面刮涂。刮涂后的针刺毡在185℃烘焙6分钟。
然后利用双辊热压机将上表层和下表层分别从上下辊复合在针刺毡上，利用双辊压力，将它们压成一体，根据板材的厚度调整双辊的间隙，使之小于针刺毡的厚度1mm，温度为140℃，然后经空气冷却定型，通过裁切机定尺寸切割修边，制备成热塑性复合板材。上表层和下表层分别为热熔粉和阻隔膜。
实施例3备料麻纤维(100kg、长度150～200mm、直径8um)PP纤维(100kg、长度120～150mm、直径6um)材料按1∶1混合，幅宽按2M。
将上述备料开松，然后采用具有图1的喂入和梳理系统的梳理机进行梳理，然后成网加固，获得长切玻璃纤维针刺毡。
泡沫浸渍将上述步骤制得的针刺毡由发泡机双面施胶，热塑性胶液采用丙烯酸酯胶液(丙烯酸酯重量含量40％，偶联剂甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷的重量含量为3％，溶剂为水)，发泡比例为3∶8，发泡量100kg/h，粘度20000厘泊，压力控制在500kg，气动施加，机械速度2M/min，按每平方250g双面浸渍针刺毡。
将上述通过泡沫浸渍后的针刺毡用聚氨酯胶粘剂进行表面刮涂。刮涂后的针刺毡在185℃，烘焙6分钟。
然后利用双辊热压机利用粘合胶液将上表层和下表层分别从上下辊复合在针刺毡上，利用双辊压力，将它们压成一体，根据板材的厚度调整双辊的间隙，使之小于针刺毡的厚度2mm，温度为150℃，然后经空气冷却定型，通过裁切机定尺寸切割修边，制备成热塑性复合板材。
上表层和下表层分别为聚氨酯微孔膜、涤纶无纺布；物化指标见附表。
实施例4备料无缄玻璃纤维(密度2.28g/cm3 100kg、长度300mm、直径10um)、PEI(聚醚酰亚胺)纤维(100kg、长度150mm、直径6um)材料按3∶2混合，幅宽按2M。
将上述备料开松，然后采用具有图1的喂入和梳理系统的梳理机进行梳理，然后成网加固，获得长切玻璃纤维针刺毡。
泡沫浸渍将上述步骤制得的针刺毡由发泡机双面施胶，热塑性胶液采用丙烯酸酯胶液(丙烯酸酯重量含量40％，偶联剂钛酸正丁酯的重量含量为4％，溶剂为水)，发泡比例为3∶8，发泡量150kg/h，粘度18000厘泊，压力控制在500kg，气动施加，机械速度2M/min，按每平方250g双面浸渍针刺毡。
将上述通过泡沫浸渍后的针刺毡用丙烯酸酯-羟甲基丙烯酰胺共聚乳液(上海无纺布厂生产的180胶)进行表面刮涂。刮涂后的针刺毡在190℃烘焙6分钟。
然后利用双辊热压机利用粘合胶液将上表层和下表层分别从上下辊复合在针刺毡上，利用双辊压力，将它们压成一体，根据板材的厚度调整双辊的间隙，使之小于针刺毡的厚度1.5mm，温度为150℃，然后经空气冷却定型，通过裁切机定尺寸切割修边，制备成热塑性复合板材。
上表层和下表层分别为聚氨酯微孔膜、玻璃纤维无纺布；物化指标见附表。
实施例5采用Visil(芬兰纤维制造商Sateri公司产品牌号)纤维，该胶粘纤维含有一定比例的硅酸盐和一定量的水分，具有较高的耐高温、阻燃效果，燃烧时不会产生有毒气体。
ES纤维为双组份纤维，外层为PE，内芯层为PP，起到低、中温先熔融粘接玻璃纤维的作用。
Visil纤维与玻璃纤维及少量ES纤维按比例混合Visil∶GF∶ES＝30∶45∶25备料 Visil纤维30kg 长度100～150mm 直径4～6um无缄玻璃纤维45kg 长度180～260mm 直径8～6umES纤维25kg 长度120～180mm 直径6～8um工艺特点(其余过程与实施例1相同)(1)、泡沫浸渍中热塑性胶液中丙烯酸酯的重量含量为45％，偶联剂钛酸正丁酯的重量含量为5％，其余为水，发泡比例3∶8之间，发泡量150kg/h，发泡粘度16000厘泊，压力控制在500kg，气动施加，机械速度2.5m/min.
(2)、辊刮涂工艺中加入FE-5偶联剂(硅烷类偶联剂，南京菲尔特过滤材料研究开发中心生产)与丙烯酸酯胶粘剂，胶液量控制在250g/m2。
(3)、烘焙复合工艺中，温度为220℃，根据工艺规程直至针刺毡塑化反应完全。
(4)、利用双辊热压塑化好的针刺毡，利用双辊压力，使材料中的玻纤、Visil纤维、ES纤维熔融为一体，根据板材的厚度调整双辊的间隙，使之小于针刺毡的厚度0.5mm，温度为160℃。
附表
权利要求
1.一种热塑性轻型复合板材，其特征在于，包括热塑性胶液的乳液双面泡沫浸渍的针刺纤维毡层和刮涂在其表面的粘合胶液层，复合板材的密度为0.35～0.90g/cm3；热塑性材料与针刺纤维毡的重量比例为热塑性材料∶针刺纤维毡＝1∶～4∶10；所述的针刺毡中包含5～60％的长度为100～300mm的纤维，其中，成束状分布的纤维重量含量为针刺纤维毡的15～45％。
2.根据权利要求1所述的热塑性轻型复合板材，其特征在于，所说的热塑性材料选自聚醋酸乙烯、聚丙烯酸酯、饱和聚酯或环氧树脂中的一种。
3.根据权利要求1所述的热塑性轻型复合板材，其特征在于，所说的针刺纤维毡的纤维包括热塑性合成纤维和增强纤维；增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维、金属纤维或植物纤维中的一种；热塑性合成纤维选自聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、ES纤维(PP/PE(复合纤维)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)纤维、尼龙纤维、聚醚酰亚胺纤维或visil纤维(芬兰纤维制造商Sateri公司产品牌号)或聚酯纤维。
4.根据权利要求3所述的热塑性轻型复合板材，其特征在于，金属纤维选自Fe、Cu或Ag纤维，植物纤维选自天然麻纤维或竹纤维。
5.根据权利要求3所述的热塑性轻型复合板材，其特征在于，合成纤维与增强纤维的重量比例为25∶75～75∶25。
6.根据权利要求1所述的热塑性轻型复合板材，其特征在于，所说的所述的粘合胶液选自聚氨酯胶粘剂、丙烯酸酯胶粘剂、醋酸乙烯共聚物、聚氯乙烯类共聚物或合成橡胶胶乳。
7.根据权利要求1～6任一项所述的热塑性轻型复合板材，其特征在于，所说的热塑性轻型复合板材还包括粘合在其表面的上表层和/或下表层，所说的上表层和下表层选自聚丙烯胶膜、聚酯薄膜、BOPP(双向拉伸聚丙烯)薄膜、热熔粉、无纺布层或耐候、增强阻隔膜；所述的无纺布选自由涤纶、腈纶、维纶、丙纶、粘胶纤维、棉、毛、麻天然纤维、碳素纤维或硼素纤维制造的无纺布。
8.制备权利要求1～7任一项所述的热塑性轻型复合板材的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)备料准备长切纤维材料，增强纤维(长度100～300mm)；热塑性合成纤维(长度100～300mm)，重量比例为25∶75～75∶25。(2)将增强纤维和热塑性合成纤维开松、梳理、成网、针刺获得针刺纤维毡；(3)将通过发泡机发泡的由热塑性材料和偶联剂组成的乳液泡沫双面涂布于针刺纤维毡的两面，发泡比例为1∶8～3∶5，粘度为1500～20000厘泊，发泡比例为发泡之前的液体和发泡之后的泡沫体积之比，偶联剂的重量为热塑性材料的0.5～10％；(4)刮涂通过刮涂机，将粘合胶液刮涂于步骤(3)的产物的两面；(5)烘焙复合工艺刮涂后的针刺毡在80～270℃下烘焙4～20分钟，然后利用双辊热压机利用粘合胶液将上表层和下表层分别从上下辊复合在针刺毡上，根据针刺毡的厚度调整双辊的间隙，使之等于或小于针刺毡的厚度0～2mm，利用双辊压力，将它们压成一体，温度为70～160℃。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所说的偶联剂选自钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、铝钛复合偶联剂、硼酸酯偶联剂或硅烷偶联剂。
全文摘要
本发明公开了一种热塑性轻型复合板材及制备方法，其特征在于，包括热塑性胶液的双面泡沫浸渍的针刺纤维毡层和刮涂在其表面的热塑性胶液层，复合板材的密度为0.35～0.90g/cm
文档编号F16S1/00GK1991233SQ20051011230
公开日2007年7月4日 申请日期2005年12月29日 优先权日2005年12月29日
发明者杨桂生, 黄云清, 蒋建云, 黄亦赛 申请人:上海杰事杰新材料股份有限公司