一种适用于手机中框CNC加工的高韧性碳纤维环氧SMC/BMC组合物及其制备方法和应用与流程

本发明涉及热固性复合材料及消费电子结构件材料，尤其涉及一种适用于手机中框cnc加工的高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物及其制备方法和应用。

背景技术：

1、手机中框作为移动终端中的重要承力、装配和尺寸基准结构，通常需要同时满足轻量化、刚度、局部开孔精度、跌落可靠性、湿热稳定性、外观加工质量和批量制造效率等要求。现有手机中框普遍采用铝合金、不锈钢、镁合金或钛合金等金属材料制备，虽然具有较好的外观加工性和尺寸精度，但其密度较高，在cnc加工过程中材料去除率大，加工周期较长，并且对于复杂筋位、局部台阶及异形结构的成形效率仍有待提高。

2、碳纤维增强环氧复合材料具有密度低、比强度高、比模量高和结构可设计性强等优点，具备用于替代部分金属承力结构的应用潜力。现有技术中已经出现了消费电子壳体用环氧碳纤维增强复合材料、短切碳纤维/环氧模压料、热塑性或橡胶增韧环氧体系、低收缩环氧成型料以及碳纤维上浆/界面改性技术。

3、然而，手机中框通常属于薄壁开孔结构件，压缩模塑成型后还需要进行侧键孔、天线避让槽、usb接口开口、摄像头台阶面以及局部台阶等精细cnc后加工。现有短切碳纤维环氧模塑体系虽然能够在一定程度上改善强度、流动性或层间韧性，但在用于手机中框cnc精加工时仍存在不足：一方面，短切碳纤维环氧体系在微小进给、薄壁约束和小径刀具加工条件下容易出现崩边、起毛、纤维拔出和边缘微裂纹；另一方面，单纯采用橡胶增韧容易造成模量和玻璃化转变温度下降，单纯提高二氧化硅填料含量又可能导致材料脆性增加并加剧裂纹型切屑形成。此外，手机中框在长期使用过程中可能受到汗液、湿热和温度变化的影响，现有材料的界面强度保持率和尺寸稳定性仍有待提高。

4、因此，有必要提供一种适用于手机中框cnc加工的高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物，使其在满足压缩模塑流动性和充模能力的同时，兼顾固化后韧性、低收缩性、湿热后界面强度保持率以及cnc精加工后的边缘完整性。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有现有短切碳纤维环氧smc/bmc材料用于手机中框薄壁结构件时存在cnc加工边缘易崩边、起毛、纤维拔出、边缘微裂纹，以及材料韧性、尺寸稳定性和湿热后界面强度保持率难以兼顾的问题，提供一种适用于手机中框cnc加工的高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物及其制备方法和应用，使该组合物通过“热塑性半连续耗能相+弹性体微区+微米/纳米低收缩填料+环氧相容型上浆碳纤维+潜伏中温固化体系”的协同设计，具有良好的压缩模塑流动性、固化后韧性、低收缩性、湿热稳定性和cnc加工边缘完整性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种适用于手机中框cnc加工的高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物，包含树脂糊体系和短切碳纤维；

4、所述树脂糊体系，包含如下重量份数的组分：

5、双酚型环氧树脂35~65份、多官能芳香胺型环氧树脂10~30份、脂环族和/或脂肪族环氧树脂0~20份、热塑性增韧剂6~18份、弹性体增韧剂1.5~8份、低收缩填料1~10份、偶联剂0.2~2.5份、潜伏性固化剂2~12份、固化促进剂0.05~3份、加工助剂0.1~1.5份；

6、所述短切碳纤维分散于所述树脂糊体系中，以所述树脂糊体系和短切碳纤维的总质量计，所述短切碳纤维的质量分数为25~55%。

7、作为优选，所述双酚型环氧树脂为双酚f型液态环氧树脂和/或双酚a型液态环氧树脂；

8、所述多官能芳香胺型环氧树脂为四缩水甘油基二氨基二苯基甲烷、三缩水甘油基对氨基苯酚、三缩水甘油基间氨基苯酚和四缩水甘油基二氨基二苯醚中的一种或几种；

9、所述脂环族环氧树脂为3,4-环氧环己基甲基-3,4-环氧环己烷羧酸酯、双

10、(3,4-环氧环己基甲基)己二酸酯、1,2-环氧-4-乙烯基环己烷和氢化双酚a型环氧树脂中的一种或几种；

11、所述脂肪族环氧树脂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚和c12~c14烷基缩水甘油醚中的一种或几种；

12、所述热塑性增韧剂为聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚酚氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯醚、聚芳醚砜和酚酞型聚芳醚酮中的一种或几种。

13、作为优选，所述弹性体增韧剂为核壳橡胶母料、羧基封端丁腈橡胶改性环氧树脂、氨基封端丁腈橡胶改性环氧树脂和聚氨酯改性环氧树脂中的一种

14、或几种；

15、所述偶联剂为氨基硅烷、缩水甘油醚基硅烷、钛酸酯偶联剂和锆酸酯偶联剂中的一种或几种；

16、所述潜伏性固化剂为双氰胺、微胶囊化胺类固化剂、改性酰肼和酸酐中的一种或几种；

17、所述固化促进剂为芳香脲类促进剂和/或咪唑类促进剂；

18、所述加工助剂为内脱模剂和/或润滑剂；其中，所述内脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁、蒙旦蜡、聚乙烯蜡、棕榈蜡和改性硅氧烷脱模剂中的一种或几种；所述润滑剂为聚四氟乙烯微粉、聚乙烯蜡、酰胺蜡、芥酸酰胺和硅酮粉中的一种或几种。

19、作为优选，所述低收缩填料包括球形二氧化硅和纳米二氧化硅；

20、所述球形二氧化硅的d50为0.3~5μm；

21、所述纳米二氧化硅的平均粒径为10~80nm；

22、所述球形二氧化硅和纳米二氧化硅的质量比为100：5~35。

23、作为优选，所述低收缩填料还包括辅助填料；

24、所述辅助填料为氮化硼、勃姆石和氧化铝中的一种或几种，且所述辅助填料为片状或近球形；以所述低收缩填料的总质量计，所述辅助填料的质量分数为1~20%。

25、作为优选，所述短切碳纤维为聚丙烯腈基短切碳纤维、沥青基短切碳纤维和再生短切碳纤维中的一种或几种，直径为5~10μm。

26、作为优选，所述短切碳纤维为表面带有环氧相容型上浆剂的聚丙烯腈基短切碳纤维；

27、所述环氧相容型上浆剂的上浆量为所述聚丙烯腈基短切碳纤维质量的0.2~1.5%。

28、作为优选，当所述组合物为bmc时，短切碳纤维的原始短切长度为2~8mm；当所述组合物为smc时，短切碳纤维的原始短切长度为12~30mm。

29、本发明还提供了所述的适用于手机中框cnc加工的高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物的制备方法，包含如下步骤：

30、1）将双酚型环氧树脂、多官能芳香胺型环氧树脂以及可选的脂环族和/或脂肪族环氧树脂在70~120°c下进行混合，得到基体树脂混合物；

31、2）向基体树脂混合物中加入热塑性增韧剂，然后在80~140°c下预溶解，得到热塑性增韧树脂母液；

32、3）将热塑性增韧树脂母液冷却至40~80°c后，加入弹性体增韧剂、低收缩填料、偶联剂、潜伏性固化剂、固化促进剂和加工助剂进行混合分散，

33、得到树脂糊体系；

34、4）将树脂糊体系与短切碳纤维在25~70°c下浸润复合5~60min，得到未熟化smc/bmc组合物前体；

35、5）将未熟化smc/bmc组合物前体在20~35°c下熟化4~48h，得到适用于手机中框cnc加工的高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物。

36、本发明还提供了所述的适用于手机中框cnc加工的高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物在制备手机中框结构件中的应用，包含如下步骤：

37、a.将高韧性碳纤维环氧smc/bmc组合物在130~170℃、3~15mpa条件下压缩模塑60~600s，得到预制件；

38、b.对预制件进行后固化和cnc精加工，得到手机中框结构件。

39、本发明的有益效果包括以下几点：

40、1）本发明通过热塑性增韧剂和弹性体增韧剂的多尺度耗能设计，使材料在保持较高弯曲模量和玻璃化转变温度的同时，提高切削边缘抗裂能力，减少cnc加工中的崩边和边缘微裂纹。

41、2）本发明通过球形二氧化硅/纳米二氧化硅的低剂量复配降低固化收缩，提高刀口附近局部支撑，避免大量填料导致材料脆化，从而兼顾尺寸稳定性和加工边缘完整性。

42、3）本发明通过偶联剂、环氧相容型上浆剂和潜伏固化体系的配合，提高碳纤维/环氧基体/填料多相界面的湿热稳定性，提升85℃、85%rh处理后的短梁层间剪切强度保持率。

43、4）本发明所得组合物可采用smc或bmc工艺制备，适用于手机中框等3c薄壁结构件的模压成形、后固化和cnc精加工，具有较好的产业化可行性。