一种团状模塑料及其制备方法与流程

本发明涉及一种团状模塑料及其制备方法，属于热固性复合材料。

背景技术：

1、团状模塑料（bmc）是一种由热固性树脂、短切增强纤维、填料及多种助剂经充分混合而成的“面团状”预浸料，可通过模压、注射或传递模塑等方式成型为制品。bmc具有成型效率高、尺寸稳定性好、电绝缘性能优异等特点，广泛应用于汽车、电气、电子及日用消费品等领域。传统bmc通常采用短切玻璃纤维作为增强体，玻纤含量一般在9%-25%之间。公开号为cn120623743a的专利申请中采用短切玻纤作为增强体，创新点在于含有双键的含硅消泡剂结合纳米碳酸钙微孔填充补强，最终实现团状模塑料的强度和韧性得到大幅度提升。公开号为cn122356586a的专利申请中采用了另一种界面改性工艺，硅灰石/氢氧化镁/白云石/玻纤混合料先硅烷包覆，再超临界co2高压渗透深度活化，粉体整体活化度达98.5%以上，突破传统仅表层偶联改性局限，界面脱粘大幅减少。公开号为cn112322012a的专利申请中公开了一种高耐压的聚酯团状模塑料复合材料及其制备方法，同样采用玻纤作为增强体，但解决材料体内气泡问题，采用环氧填补聚酯内部微气泡缺陷，并在最后的成型过程中采用三次泄压排气，从根源解决bmc成型气泡击穿缺陷，大幅提升耐压制品良品率。然而，玻璃纤维增强的bmc存在以下显著不足：其一，玻璃纤维耐磨性较差，在摩擦工况下纤维易断裂、剥落，导致制品磨损加剧、使用寿命缩短；其二，玻纤含量达到20%以上时，材料粘度急剧上升，流动性显著下降，给注射成型带来较大困难；其三，玻璃纤维密度较大（约2.5g/cm3），不利于轻量化设计目标的实现。

2、芳纶纤维（芳香族聚酰胺纤维）以其高强度、高模量、低密度（约1.44 g/cm3）、优异的耐磨性和良好的热稳定性而被视为高性能复合材料的理想增强体。芳纶纤维具有突出的耐磨优势，在摩擦材料领域已有广泛应用。然而，将芳纶纤维直接应用于bmc体系面临两大技术瓶颈：第一，芳纶纤维表面光滑、化学惰性大，与不饱和聚酯树脂等常用的bmc基体树脂的界面结合力弱，易发生纤维分散不均、成型材料界面脱粘和纤维拔出；第二，芳纶短切纤维在bmc的高剪切混炼过程中易发生团聚和缠绕，难以实现高含量均匀分散，限制了纤维增强效率的发挥。针对上述问题，已有研究尝试通过表面化学改性、等离子体处理等方法改善芳纶纤维与树脂的界面结合，但这些方法通常工艺复杂、成本较高，且对纤维本身强度有一定损伤。

3、本发明正是针对上述现有技术的不足，提出一种以芳纶短切纤维与芳纶纳米微粒协同增强的团状模塑料及其制备方法，实现纤维总含量高、工艺简单、耐磨性显著提升的技术目标。

技术实现思路

1、本发明针对现有团状模塑料玻纤增强体系耐磨性差、芳纶纤维分散困难以及芳纶纤维与树脂界面结合弱的技术问题，提出一种芳纶短切纤维与芳纶纳米微粒协同增强的bmc材料体系及其制备方法。通过短切纤维的骨架增强与纳米微粒的界面桥接协同作用，实现高纤维含量下的良好成型工艺性，同时赋予材料优异的耐磨性能和力学性能。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种团状模塑料，所述团状模塑料包含热固性树脂基体、芳纶短切纤维和芳纶纳米微粒；

3、所述芳纶纳米微粒的至少一部分附着于所述芳纶短切纤维的表面，形成纳米尺度的界面粗糙层；

4、所述芳纶短切纤维与所述芳纶纳米微粒的总质量占所述团状模塑料总质量的18%-28%。

5、进一步地，所述芳纶短切纤维的长度为3-12mm，直径为3-12μm；

6、所述芳纶纳米微粒的平均直径为20-200nm，长径比≥50。

7、进一步地，所述芳纶短切纤维与所述芳纶纳米微粒的质量比为（2-5）:1。

8、进一步地，按照重量份数计，所述团状模塑料包括以下组分：

9、热固性树脂基体：20-35份；

10、芳纶短切纤维：10-20份；

11、芳纶纳米微粒：2-10份；

12、无机矿物填料：30-50份；

13、固化剂：0.5-2份；

14、增稠剂：0.5-2份；

15、内脱模剂：1-3份；

16、低收缩添加剂：3-8份。

17、进一步地，所述热固性树脂基体选自不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂中的至少一种。

18、进一步地，所述芳纶短切纤维为对位芳纶短切纤维，且所述芳纶短切纤维经硅烷偶联剂进行表面预处理后再用于所述团状模塑料中。

19、本发明还公开了一种团状模塑料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：

20、s1、将所述芳纶纳米微粒加入所述热固性树脂基体中，进行高速剪切分散，得到纳米微粒分散液；

21、s2、向所述纳米微粒分散液中加入固化剂、增稠剂、内脱模剂、低收缩添加剂和无机矿物填料，混合均匀，得到树脂糊状物；

22、s3、将所述芳纶短切纤维加入所述树脂糊状物中，进行捏合混合，得到混合料；

23、s4、将所述混合料进行真空处理和静置熟化，得到所述团状模塑料。

24、进一步地，步骤s1中，所述高速剪切分散的时间为10-30分钟，分散过程中温度控制在40℃以下；

25、步骤s2中，搅拌速度为200-500 rpm；

26、步骤s3中，所述捏合混合采用阶梯变速工艺：先以20-50rpm的速度捏合15-20分钟，再以50-100rpm的速度捏合20-30分钟。

27、进一步地，步骤s4中，所述真空处理的真空度为-0.08mpa~-0.1mpa；所述静置熟化的温度为30-40℃，时间为24-72小时。

28、进一步地，所述制备方法中还包括步骤s5：将熟化后的所述团状模塑料通过模压成型或注射成型加工为制品；

29、所述模压成型的条件为：模压温度为140-170℃，反复泄压多次后，再设置模压压力为10-20mpa，保压时间为10-25分钟；

30、所述注射成型的条件为：料筒温度为70-80℃，模具温度为140-160℃，注射压力为15-25mpa。

31、本发明的有益效果是：

32、本发明所述团状模塑料中采用“芳纶短切纤维+芳纶纳米微粒”的同源协同增强体系，有效解决了现有芳纶纤维增强bmc中界面结合弱与分散困难的技术问题。芳纶纳米微粒凭借其极高的比表面积和丰富的表面活性基团，在混炼过程中自发附着于芳纶短切纤维表面，将其光滑表面改造为布满纳米级触手的粗糙界面层，使纤维与树脂的接触面积显著增大并形成机械锁扣，界面结合力大幅提升，避免了传统等离子体或强酸化学改性对纤维强度的损伤。

33、本发明所述团状模塑料中，附着于短切纤维表面的芳纶纳米微粒在纤维之间起到物理隔离与滚珠润滑作用，有效抑制了短切纤维在高剪切混炼过程中的团聚和缠绕，使得纤维总含量高达20wt%时仍保持良好的成型流动性，解决了高含量芳纶纤维难以均匀分散的行业难题。

34、本发明所述团状模塑料的制备方法中，均匀分散的芳纶纳米微粒在树脂基体中彼此搭接形成纳米尺度的物理交联网络，与芳纶短切纤维构筑的微米级骨架相互贯穿，形成了从纳米到微米的全尺度增强结构。受力时载荷能够从树脂基体经纳米网络传递至短切纤维骨架，实现应力均匀传递与有效耗散，使材料的拉伸强度达到138-158mpa、冲击韧性达到47-54kj/m2，实现了刚韧平衡。

35、本发明所述团状模塑料中，短切纤维提供宏观尺度的耐磨骨架，纳米微粒填充纤维-树脂界面的微区缺陷并形成微观磨屑阻挡层，两者协同使材料摩擦系数低至0.19-0.22，耐磨性较传统玻纤增强bmc提升50%以上，同时材料密度仅为1.61-1.68g/cm3，较玻纤增强bmc减重约30%，满足了航空、汽车等领域对耐磨性和轻量化的双重需求。

36、本发明制备工艺简单高效，无需对芳纶短切纤维进行复杂的表面化学改性或等离子体处理，仅通过纳米微粒的原位桥联作用即可实现良好的界面结合，整体工艺流程简捷、成本显著降低，适合工业化批量生产。