一种超轻高强的GMT复合板材的制备方法与流程

本发明属于汽车内外饰用热塑性复合材料技术领域，具体地说，涉及一种用于汽车内外饰件的超轻高强gmt复合板材的制备方法。

背景技术：

轻质玻璃纤维毡增强热塑性复合板材(简称轻质gmt板材)，是由连续玻璃纤维毡和热塑性树脂复合而成的一种新型复合材料，具有轻质环保、吸音隔热、高强韧性、优良的抗化学腐蚀性和环境适应性等特点，广泛应用于交通、建筑、航空领域中。现代汽车工业通过降低车身自重为主要的节能降耗发展方向。国际上也已经把gmt板材的使用量作为衡量一个国家汽车工业发展水平的重要指标之一。轻质gmt板材也逐步成为制作汽车零部件的主流材料(汽车顶棚、后隔板、护板、发动机盖、车后行李箱盖、齿轮箱盖等)。在现今汽车市场竞争激烈的大环境下，如何以更低成本制造出较高性能的产品成为汽车主机厂和零部件供应商的关注热点；同时，节能、轻量化和环保等发展趋势也对汽车材料提出了更高的要求。轻质gmt板材的制备方法经历了湿法工艺、干法工艺、流化场工艺三个阶段；干法工艺是具有我国自主知识产权的轻质gmt生产工艺，主要存在以下几个缺点：

(1)梳理过程中对纤维造成损伤，梳理后的玻纤实际长度只有30～50mm；

(2)梳理工艺的特征使得其中的玻纤取向明显，板材物理机械性能呈现出明显的各项异性特征；

(3)由于玻纤和热熔纤维之间的连接是点方式连接；为改善板材的力学性能，树脂用量则相对较高，因此成本增加，难以进一步实现材料的轻量化。

以上这些问题都将制约gmt板材的进一步发展空间，如何进一步提高轻质gmt板材的综合性能并契合“环保、节能、轻量化”的发展主题已成为该材料的研究热点。

国内受设备技术研发水平的限制，主要采用改良现有工艺的办法，比如在梳理过程中，通过调整工艺设备参数，轻度打击玻纤，降低玻纤的损伤，从而改善板材的力学性能；在单纤网的铺叠过程中，通过改变铺网的方式，使玻纤的取向发生改变，从而降低板材纵横向力学性能的差异；在基毡表面进行适当的表面处理,从而改变板材的热性能等。但上述改善方式均未从根本上改变纤网的内部结构形态，玻璃纤维间仍然以点连接的方式结合，毡网厚度方向取向纤维含量偏少，层层纤网之间仅靠针刺固结，二次成型过程中部件高膨化区域上下层纤网结合不足，仍需靠增加树脂用量保证板材力学性能，然随树脂用量增加，板材膨化比减小，渗入空气含量不足，制品超轻化难以实现，板材设计自由度及nvh性能也严重受限。

专利cn201610763845.5在通过现有的轻质gmt干法梳理成毡工序的基础上，通过浸渍的工艺在gmt毡网中引入微球发泡剂，通过改变增强纤维间隔点的连接支撑方式结合微球发泡剂的膨胀特性来调节板材的膨化度，所得板材在二次成型时会膨松扩展而使厚度达到原来的5-10倍，再根据产品性能要求通过调节膨化后的压缩比，按需压固获得不同的强度、刚度及声阻特性的汽车内外饰件制品。有效解决了传统轻质gmt进一步超轻量化困难，渗入空气量不足，制品设计自由度及nvh性能远落后于国外进口产品等缺陷。但经浸渍工艺引入微球发泡剂，后道毡网烘干困难，能耗大，不利于连续化生产。而且通过浸渍工艺在毡网内部引入发泡微球，容易导致微球分布不均匀，从而影响其力学性能。

专利200680020471.2将增强纤维、热塑性树脂粉末和微球发泡剂分散于添加了表面活性剂的泡液中，通过抄纸法制作网状物(又称造纸法)，但是这种制造方法需要复杂结构的装置，操作、工艺也很烦杂，同时会对环境造成较大的污染。由于使用了界面活性剂使增强纤维、热塑性树脂粉末与微球发泡剂调制的高价泡沫溶液，所以成本也相对较高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种超轻高强的gmt复合板材的制备方法。本发明在现有的轻质gmt干法梳理成毡的基础上增加一道撒粉工艺，将微球发泡剂均匀分散于毡网内部，制成以增强纤维为增强体、热塑性合成纤维为粘结基体，微球发泡剂为填充改性材料的轻质高强gmt复合板材。

所述复合板材由于微球发泡剂的膨胀特性帮助板材在二次加热成型时膨松扩展至原始厚度的5-10倍，可根据产品性能要求通过调节膨化后的压缩比并借助微球发泡剂的挤压浸胶，按需压固获得高强度、高刚度的汽车内外饰件制品。除次之外，微球发泡剂的引入还使材料内部玻璃纤维毡网间的连接方式更加多样化，除传统的点连接外，微球发泡剂作为连接桥梁将其周边的玻璃纤维束缚在一起，微球发泡剂之间又彼此相连接，这些多样化的连接方式使gmt复合板材内部毡网结构发生了根本改变，产品机械性能提高明显，从而使其在保证汽车安全性和强度特性的前提下，减少自身材料用量，实现超轻化的目的。

下面对本发明采用的技术方案作具体说明：

一种用于汽车内外饰件的超轻高强gmt复合板材的制备方法，以撒粉的工艺将微球发泡剂引入由热塑性合成纤维和增强纤维制成的混纺纤维复合毡中，通过连续型复合设备热压制成由增强纤维为增强体，热塑性合成纤维为粘结基体，微球发泡剂为填充改性剂的汽车内外饰用超轻高强gmt复合板材。

作为进一步地改进，本发明的具体包括以下步骤：

1)、将增强纤维和热塑性合成纤维以30wt％:70wt％-70wt％:30wt％的比例混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理制得均匀的单纤维网，单纤维网的面密度为25-35g/m²；

2)、在梳理工序之后、交叉铺网工序之前通过撒粉工艺将微球发泡剂均匀分散于单纤维网表面，基于单纤网的总重量，撒入微球发泡剂的含量为单纤网质量的1wt％-10wt％；

3)、含有微球发泡剂的单纤维网经交叉铺网、针刺固结，制得一定克重、均匀分散有微球发泡剂的混纺复合纤维毡；

4)、得到的混纺复合纤维毡再通过连续型复合压板设备，经预热、热粘合、加压、复合上下面料、冷却和切割得到最终的超轻高强gmt复合板材，预热温度160-190℃。

作为进一步地改进，本发明所制备的gmt复合板材的面密度为500-2000g/m²，体密度为0.05-0.5g/cm³。

作为进一步地改进，本发明所述的热塑性合成纤维为聚丙烯纤维pp、聚乙烯纤维pe、聚酯纤维pet、es纤维、尼龙纤维pa、中的一种或几种；所述的增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、植物纤维中的一种或几种。

作为进一步地改进，本发明所述的微球发泡剂由聚合物壳体与其内部的发泡剂构成，其中聚合物壳体为丙烯酸酯类聚合物构成的单层或双层结构，发泡剂为乙烷、丙烷、丙烯、异丁烷、丁烯、异丁烯、正戊烷、异戊烷、石油醚中的一种或几种，微球发泡剂的粒径为15-40微米，最大发泡体积倍率为5-10倍，发泡后尺寸为75-400微米，发泡起始温度为160-210℃。

作为进一步地改进，本发明所述步骤4)中，加压与冷却之间的复合面料步骤包括复合上表层和/或下表层面料，所述上表层和/或下表层面料选自聚丙烯胶膜、聚乙烯胶膜、eva胶膜、eaa胶膜、聚酯薄膜、热熔胶粉、无纺布或耐候、增强复合膜中的一种或几种。

本发明相对于现有的技术具有如下优点和有益效果:

第一、通过撒粉工艺将微球发泡剂均匀分散在混纺纤维毡内部，相较于专利cn201610763845.5所述的通过浸渍工艺将微球发泡剂引入混纺复合纤维毡工艺更加简单、操作更加灵活，更适合连续化生产，同时也具有低成本的优势；相比专利200680020471.2同样降低了制造成本，无需配制高价泡液，对环境的污染也较小。

第二、所得到的gmt复合板材除了传统的点连接之外，微球发泡剂在其内部也起着连接的作用，彼此相互粘结的同时与周边的增强纤维束缚在一起，多重连接方式使得毡网内部的结构发生根本性改变，产品的机械性能有了明显提高。同时，所制备的复合板材在二次成型过程中，微球发泡剂发生膨胀，起着支撑的作用。在增强纤维内应力和微球发泡剂的双重作用下，复合板的厚度可为原来的5-10倍，同时其强度相比传统的gmt复合材料提高了2-4倍。

附图说明

图1为利用本发明制备的超轻高强gmt复合板材内部毡网结构图；

图2为用本发明制备的超轻高强gmt复合板材与传统轻质gmt复合板材制备的汽车内外饰件的内部毡网结构对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不仅限于此。

实施例一：

一种用于制备汽车底护板的超轻高强gmt复合板材，由聚丙烯纤维1作为粘结基体，玻璃纤维2作为增强体和具有改变玻璃纤维间隔点连接方式调整板材膨化比功效的微球发泡剂3组成。其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将聚丙烯纤维1和玻璃纤维2以60wt％:40wt％的比例进行混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理制得均匀的单纤维网。

(2)通过撒粉工艺将微球发泡剂均匀分散在梳理好的单纤维网表面，其中微球发泡剂的含量为单纤维网质量的5wt％。

(3)含有微球发泡剂的单纤维网在进行交叉铺网、针刺固结，得到均匀分散有微球发泡剂的混纺复合纤维毡。

(4)将均匀分散有微球发泡剂的混纺复合纤维毡供给到连续型复合压板设备中，经预热、热粘合、加压、上表层复合耐候抗冲pp胶膜、下表层复合疏水拒油无纺布、冷却和切割制得汽车底护板用超轻高强gmt复合板材，复合板材的面密度为1000g/m²。

将所得超轻高强gmt复合板材通过如下工艺制备汽车底护板：

(1)将复合板材放入烘箱中，加热至180-210℃，使板材在玻璃纤维2内应力和微球发泡剂3的双重作用下，厚度膨松扩展至原来的5倍；

(2)根据底护板产品性能要求，调节膨化后的压缩比，模制成厚度为4mm，体密度为0.25g/m³的汽车底护板产品。

比较例1：

一种用于制备汽车底护板的传统轻质gmt复合板材，有作为粘结基体的聚丙烯纤维1和作为增强体的玻璃纤维2组成。其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将聚丙烯纤维1和玻璃纤维2按60wt％:40wt％比例混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理、交叉铺网、针刺固结，制得混纺复合纤维毡；

(2)将混纺复合纤维毡供给到连续型复合压板设备中，经预热、热粘合、加压、上表层复合耐候抗冲pp胶膜、下表层复合疏水拒油无纺布、冷却和切割制得汽车底护板用传统轻质gmt复合板材，复合板材的面密度为1000g/m²。

将所得传统轻质gmt复合板材通过如下工艺制备汽车底护板：

(1)将复合板材放入烘箱中，加热至180-210℃，板材仅在玻璃纤维2内应力的作用下，厚度只能膨松扩展至原来的2倍；

(2)根据底护板产品性能要求，调节膨化后的压缩比，模制成厚度为4mm，体密度为0.25g/m³的汽车底护板产品。

比较例2：

一种用于制备汽车底护板的传统轻质gmt复合板材，有作为粘结基体的聚丙烯纤维1和作为增强体的玻璃纤维2组成。其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将聚丙烯纤维1和玻璃纤维2按60wt％:40wt％比例混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理、交叉铺网、针刺固结，制得混纺复合纤维毡；

(2)将混纺复合纤维毡供给到连续型复合压板设备中，经预热、热粘合、加压、上表层复合耐候抗冲pp胶膜、下表层复合疏水拒油无纺布、冷却和切割制得汽车底护板用传统轻质gmt复合板材，复合板材的面密度为1400g/m²。

将所得传统轻质gmt复合板材通过如下工艺制备汽车底护板：

(1)将复合板材放入烘箱中，加热至180-210℃，板材仅在玻璃纤维2内应力的作用下，厚度只能膨松扩展至原来的2.5倍；

(2)根据底护板产品性能要求，调节膨化后的压缩比，模制成厚度为4mm，体密度为0.35g/m³的汽车底护板产品。

比较例3：

参照专利cn201610763845.5制备一种用于制备汽车底护板的传统轻质gmt复合板材，有作为粘结基体的聚丙烯纤维1和作为增强体的玻璃纤维2组成。其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将聚丙烯纤维1和玻璃纤维2按60wt％:40wt％比例混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理、交叉铺网、针刺固结，制得混纺复合纤维毡；

(2)通过在现有轻质gmt干法梳理成毡工艺后道，通过纤维毡浸渍工艺在gmt毡网中引入微球发泡剂3得到复合纤维毡。

(3)将复合纤维毡供给到连续型复合压板设备中，经预热、热粘合、加压、上表层复合耐候抗冲pp胶膜、下表层复合疏水拒油无纺布、冷却和切割制得汽车底护板用超轻高强gmt复合板材，复合板材的面密度为1000g/m²。

将所得超轻高强gmt复合板材通过如下工艺制备汽车底护板：

(1)将复合板材放入烘箱中，加热至180-210℃，板材仅在玻璃纤维2内应力的作用下，厚度只能膨松扩展至原来的2.5倍；

(2)根据底护板产品性能要求，调节膨化后的压缩比，模制成厚度为4mm，体密度为0.25g/m³的汽车底护板产品。

下表1中显示了利用本发明制备的超轻高强gmt复合板、参考专利cn201610763845.5制备的超轻高强gmt复合板和传统轻质gmt复合板模制的底护板的性能对比。

表1

实施例1在现有的轻质gmt复合板材的毡网内部引入微球发泡剂3，微球发泡剂3的引入使得玻璃纤维2之间的连接方式更加多样化。除传统的点连接外，微球发泡剂3作为桥梁将其周边的玻璃纤维2束缚在一起，微球发泡剂3之间又彼此相连接，如图1所示，这些多样化的连接方式使得复合板材的内部毡网结构发生了根本性的改变。图2对比了实施例1和比较例1中毡网内部的结果，发现实施例1的毡网内部玻璃纤维2之间彼此相连接，而比较例2中玻璃纤维2只是简单的点接。对比底护板在同等密度下，实施例1相比比较例1机械性能提高明显，与传统的高密度gmt复合板材比较例2的机械性能相当。在保证汽车安全性能和机械性能的前提下，减少材料的重量，实现超轻量化的目的。而比较例3中通过在现有轻质gmt干法梳理成毡工艺后道，通过纤维毡浸渍工艺在gmt毡网中引入微球发泡剂3制备的类似本专利同类产品用于制备汽车底护板的超轻高强gmt复合板材。在工序中相比本专利增加了浸渍、烘干工序，大量能源浪费在因浸渍工艺带来的水分烘干，因而生产速率低下；同时，水分的重力作用带动微球发泡剂流向毡网底面，导致材料中微球发泡剂分布不均，团聚于单侧，增强效果得不到充分体现。

实施例二：

一种用于制备汽车顶棚的超轻高强gmt复合板材，由es纤维作为粘结基体，麻纤维作为增强体和具有改变增强纤维间隔点连接方式调整板材膨化比功效的微球发泡剂3组成。其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将es纤维和麻纤维以55wt％:45wt％的比例进行混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理制得均匀的单纤维网。

(2)通过撒粉工艺将微球发泡剂均匀分散在梳理好的单纤维网表面，其中微球发泡剂的含量为单纤维网质量的10wt％。

(3)含有微球发泡剂的单纤维网在进行交叉铺网、针刺固结，得到均匀分散有微球发泡剂的混纺复合纤维毡。

(4)将混纺复合纤维毡供给到连续型复合压板设备中，经预热、热粘合、加压、下表层复合耐候增强复合膜、上表层复合疏水拒油无纺布、冷却和切割制得汽车底护板用超轻高强gmt复合板材，复合板材的面密度为600g/m²。

将所得超轻高强gmt复合板材通过如下工艺模制成汽车顶棚部件：

(1)将复合板材放入烘箱中，加热至180-210℃，使板材在麻纤维内应力和微球发泡剂3的双重作用下，厚度膨松扩展至原来的8倍；

(2)根据底护板产品性能要求，调节膨化后的压缩比，模制成厚度为5mm，体密度为0.12g/m³的汽车底护板产品。

比较例4：

一种用于制备汽车顶棚的传统轻质gmt复合板材，有作为粘结基体的es纤维和作为增强体的麻纤维组成。其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将es纤维和麻纤维按55wt％:45wt％比例混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理、交叉铺网、针刺固结，制得混纺复合纤维毡；

(2)将混纺复合纤维毡供给到连续型复合压板设备中，经预热、热粘合、加压、下表层复合耐候增强复合膜、上表面复合疏水拒油无纺布、冷却和切割制得汽车顶棚用传统轻质gmt复合板材，复合板材的面密度为600g/m²。

将所得传统轻质gmt复合板材通过如下工艺模制成汽车顶棚部件：

(1)将复合板材放入烘箱中，加热至180-210℃，板材仅在麻纤维内应力的作用下，厚度只能膨松扩展至原来的2倍；

(2)根据底护板产品性能要求，调节膨化后的压缩比，模制成厚度为5mm，体密度为0.12g/m³的汽车底护板产品。

比较例5：

一种用于制备汽车顶棚的传统轻质gmt复合板材，有作为粘结基体的es纤维和作为增强体的麻纤维组成。其具体制备方法包括以下步骤：

(1)将es纤维和麻纤维按55wt％:45wt％比例混合均匀，通过非织造工艺经开松、混合、梳理、交叉铺网、针刺固结，制得混纺复合纤维毡；

(2)将混纺复合纤维毡供给到连续型复合压板设备中，经预热、热粘合、加压、下表层复合耐候增强复合膜、上表面复合疏水拒油无纺布、冷却和切割制得汽车顶棚用传统轻质gmt复合板材，复合板材的面密度为800g/m²。

将所得传统轻质gmt复合板材通过如下工艺模制成汽车顶棚部件：

(1)将复合板材放入烘箱中，加热至180-210℃，板材仅在玻璃纤维2内应力的作用下，厚度只能膨松扩展至原来的3倍；

(2)根据底护板产品性能要求，调节膨化后的压缩比，模制成厚度为5mm，体密度为0.16g/m³的汽车底护板产品。

下表2中显示了利用本发明制备的超轻高强gmt复合板和传统轻质gmt复合板模制的顶棚的性能对比。

表2

实施例2在现有的轻质gmt复合板材的毡网内部引入微球发泡剂3，同实施例1的原理相同：微球发泡剂3的引入使得麻纤维之间的连接方式更加多样化，除传统的点连接外，微球发泡剂3作为桥梁将其周边的麻纤维束缚在一起，麻纤维之间又彼此相连接，使得复合板材的内部毡网结构发生了根本性的改变。在同等密度下的比较例4相比机械性能提高明显，又与传统的高密度gmt复合板材比较例5的机械性能相当。在保证汽车安全性能和机械性能的前提下，减少材料的重量，实现超轻量化的目的。

以上列举的仅是本发明的一些具体实施例，显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。