一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料及制备方法

摘要

本发明属于功能高分子材料领域，具体提供一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料及制备方法。所述连续纤维增强热塑性头盔外壳材料是在连续纤维玻璃纤维布用于ABS时，铺设两层玻璃纤维布，在两层玻璃纤维布间设置高流动性复合层。其优异的效果是在用于深冲模压制备头盔外壳时，通过在两层玻璃纤维布间的高流动性复合体，促使两层玻璃纤维布互相滑动，避免冲压深度过高造成的玻璃纤维被拉断。本发明制备工艺简单，无需特制设备，适合工业化大规模生产。

权利要求

1.一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性头盔外壳材料包括两层ABS树脂层和夹在ABS树脂层间的高流动复合层；

所述ABS树脂层与高流动复合层间铺设玻璃纤维布层；

所述高流动复合层由玻璃微球、硅酮粉与热塑性弹性体组成；

所述玻璃微球、硅酮粉与热塑性弹性体质量比为10‑15：0.5‑1：80‑85；

所述玻璃微球选用粒径在50‑100μm的玻璃微球；

所述热塑性弹性体选用乙烯‑辛烯共聚物。

2.根据权利要求1所述一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料，其特征在于：所述玻璃2

纤维布层为经树脂预浸处理的300‑350g/m的玻璃纤维布。

3.一种如权利要求1‑2任一项所述连续纤维增强热塑性头盔外壳材料的制备方法，其特征在于：具体制备方法如下：(1)在第一双螺杆挤出机将ABS熔融挤出成片，趁热铺设玻璃纤维布辊压复合，得到A层；

(2)在第二双螺杆挤出机将ABS熔融挤出成片，趁热铺设玻璃纤维布辊压复合，得到B层；

(3)在第三双螺杆挤出机将玻璃微球、硅酮粉与热塑性弹性体混合物熔融挤出，辊压成片，得到C层；

(4)将A层玻璃纤维布一侧、B层玻璃纤维布一侧分别于C层贴合，使C层夹在中间，经热辊热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

4.根据权利要求3所述连续纤维增强热塑性头盔外壳材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述A层的厚度为2‑3mm；步骤(2)所述B层的厚度为2‑3mm；步骤(3)所述C层的厚度为

1‑2mm。

5.根据权利要求3所述连续纤维增强热塑性头盔外壳材料的制备方法，其特征在于：步骤(4)所述的热辊热压采用的温度为165‑170℃。

说明书

一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及功能高分子材料领域，具体涉及到用于头盔外壳的复合材料领域，特别是涉及一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料及制备方法。

背景技术

[0002] 目前，安全头盔成为摩托车、自行车、电动自行车必不可少的需求。尤其是随着各种滑轮、平衡车、滑板的大量使用，对头盔需求快速增加。由于塑料易于热塑加工成型的特点，大部分头盔材质选用了ABS、PA等塑料材质作为外壳。头盔的外壳材质要求兼具硬度、耐磨、刚性、抗冲击性等。而单一的塑料基材质难以满足这一要求。

[0003] 为了满足头盔外壳的强度需要，提升安全性，对头盔外壳材质常常需要进行增强改性。如采用碳纤维、玻璃纤维、木纤维等对ABS改性在提高冲击强度方面已表现较佳。头盔外壳需要足够的耐冲击强度，一般使用ABS玻纤增强塑料注塑成型。但仍然存在一些问题。玻璃纤维、木纤维大部分是以短纤维的方式加入，在提高ABS的抗冲击性能方面还存在不足。采用连续的纤维增强ABS，效果表现显著。我们寄希望将连续纤维用于ABS来提升抗冲击性以便用于头盔的外壳材料。

[0004] 根据现在已有技术，由于连续纤维增强效果明显，近年来利用连续纤维增强热塑性复合材料的使用保持快速增长，相关技术被不断开发出来。但不同于短玻璃纤维在螺杆挤出机直接分散在ABS中，连续纤维用于增强ABS受到诸多限制。

[0005] 一方面，连续纤维主要以玻璃纤维布的形式存在，这样使得聚合物与玻璃纤维布的结合较困难，需要对玻璃纤维布进行充分的预先浸润处理。如中国发明专利公开号CN106084606B公开了一种连续纤维增强热塑性复合材料及其制备方法。该技术方案通过选择合适的改性剂与甲基丙烯酸类单体、引发剂及其它各组分以合理的配比复配得到热塑性树脂组合物。将该树脂组合物涂布到连续纤维上进行常温预浸，再根据设定的层压工艺流程制备出连续纤维增强的热塑性复合材料。

[0006] 在实际的应用中，连续纤维的应用主要是通过铺设连续纤维铺层用于增强板材。如中国发明专利公开号CN113696583A公开了一种连续纤维增强MC尼龙板材，采用底膜、顶膜、位于所述底膜与所述顶膜之间的连续纤维铺层、以及浸渍并加热固化在所述连续纤维铺层上的MC尼龙，制备得到连续纤维增强MC尼龙板材产品。

[0007] 但对于头盔的加工，常规是采用注塑或模压进行成型，显然连续纤维难以满足注塑的加工条件。而对于模压成型，需要将连续纤维板材进行模压，限于头盔模压加工时冲压深度大，加工拉伸较大，极易造成内部连续纤维断裂。

发明内容

[0008] 本发明的技术目的致在开发一种适合用于头盔外壳加工使用的连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。解决问题的技术方案是在连续纤维玻璃纤维布用于ABS时，铺设两层玻璃纤维布，在两层玻璃纤维布间设置高流动性复合层，这一技术处理得到的连续纤维增强热塑性头盔外壳材料，模压时通过预加热使ABS软化，利于冲压成型，通过在两层玻璃纤维布间铺设高流动性复合体，促使两层玻璃纤维布互相滑动，避免冲压深度过高造成的玻璃纤维被拉断。

[0009] 为了实现上述技术目的，本发明提出一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料，其特征在于：所述连续纤维增强热塑性头盔外壳材料包括两层ABS树脂层和夹在ABS树脂层间的高流动复合层；

[0010] 所述ABS树脂层与高流动复合层间铺设玻璃纤维布层；

[0011] 所述高流动复合层由玻璃微球、硅酮粉与热塑性弹性体组成。

[0012] 作为优选，所述玻璃纤维布层为经树脂预浸处理的300‑350g/m2的玻璃纤维布。

[0013] 作为优选，所述玻璃微球、硅酮粉与热塑性弹性体质量比为10‑15：0.5‑1：80‑85。

[0014] 进一步优选的，所述玻璃微球选用粒径在50‑100μm的玻璃微球；

[0015] 进一步优选的，所述热塑性弹性体选用乙烯‑辛烯共聚物(POE)。

[0016] 通过玻璃微球和硅酮粉处理热塑性弹性体得到高流动复合层，不但具有良好的弹性，而且流动性好，通过在两层玻璃纤维布间的高流动复合层，在高深度模冲压制备头盔时高流动复合层流动，促使两层玻璃纤维布互相滑动，避免冲压深度过高造成的玻璃纤维被拉断，以此满足头盔的制备。

[0017] 进一步，本发明提供所述连续纤维增强热塑性头盔外壳材料的制备方法，其特征在于：具体制备方法如下：

[0018] (1)在第一双螺杆挤出机将ABS熔融挤出成片，趁热铺设玻璃纤维布辊压复合，得到A层；

[0019] (2)在第二双螺杆挤出机将ABS熔融挤出成片，趁热铺设玻璃纤维布辊压复合，得到B层；

[0020] (3)在第三双螺杆挤出机将玻璃微球、硅酮粉与热塑性弹性体混合物熔融挤出，辊压成片，得到C层；

[0021] (4)将A层玻璃纤维布一侧、B层玻璃纤维布一侧分别于C层贴合，使C层夹在中间，经热辊热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

[0022] 作为优选，步骤(1)所述A层的厚度为2‑3mm；步骤(2)所述B层的厚度为2‑3mm；步骤(3)所述C层的厚度为1‑2mm。

[0023] 作为优选，步骤(4)所述的热辊热压采用的温度为165‑170℃。

[0024] 以玻璃纤维布为骨架的连续纤维增强材料通常是生产成片材半成品使用。而经连续纤维增强的片材半成品在制作模压冲击深度大的制品时很容易造成纤维被拉断，从而影响增强效果。本发明为了满足头盔的深冲模压需要，提出一种连续纤维增强热塑性头盔外壳材料及制备方法，在制备ABS层时，铺设两层玻璃纤维布，在两层玻璃纤维布间设置高流动性复合层，模压时通过预加热使ABS软化，利于冲压成型，通过在两层玻璃纤维布间铺设高流动性复合体，促使两层玻璃纤维布互相滑动，避免冲压深度过高造成的玻璃纤维被拉断。这一技术解决了连续玻璃纤维增强材料在深充模压制备头盔材料的纤维断离问题，为头盔材料中使用连续纤维奠定了技术基础。

[0025] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0026] (1)本发明采用简单的技术手段使头盔使用连续玻璃纤维增强材料，避免了连续纤维增强材料深冲模压成型易造成纤维断裂的缺陷。

[0027] (2)本发明制备工艺简单，无需特制设备，适合工业化大规模生产。

[0028] 综上所述，本发明的技术方案特质突出，实用价值明显，并在现有技术产品中未见有相关公开发表的技术，较现有的技术具有显著的进步，并具有广泛的规模化推广生产价值。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面示意图的形式明示本发明连续纤维增强热塑性头盔外壳材料的结构组成。

[0030] 图1：连续纤维增强热塑性头盔外壳材料的结构示意图，其中：

[0031] 1‑ABS树脂层；2‑玻璃纤维布层；3‑高流动复合层。

具体实施方式

[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0033] 实施例1

[0034] (1)在第一同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的A层；

[0035] (2)在第二同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的B层；

[0036] (3)将粒径在50‑100μm的玻璃微球、硅酮粉、热塑性弹性体POE(POE8450陶氏化学)按照质量比为10：1：85混合均匀；在第三同向双螺杆挤出机在120℃熔融挤出，辊压成片，得到厚度为1mm的C层；

[0037] (4)将A层玻璃纤维布一侧、B层玻璃纤维布一侧分别于C层贴合，使C层夹在中间，经热辊在165℃热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

[0038] 对比例1

[0039] (1)在第一同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为3.0mm的A层；

[0040] (2)在第二同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为3.0mm的B层；

[0041] (3)将A层玻璃纤维布一侧与B层玻璃纤维布一侧贴合，经热辊在165℃热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

[0042] 本次方案没有在玻璃纤维布间设置流动层，在用于深冲模压时，玻璃纤维布随着模压被拉伸，连续纤维容易被拉断，造成连续纤维增强效果降低。

[0043] 实施例2

[0044] (1)在第一同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的A层；

[0045] (2)在第二同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的B层；

[0046] (3)将粒径在50‑100μm的玻璃微球、硅酮粉、热塑性弹性体POE(POE8450陶氏化学)按照质量比为12：1：85混合均匀；在第三同向双螺杆挤出机在120℃熔融挤出，辊压成片，得到厚度为1mm的C层；

[0047] (4)将A层玻璃纤维布一侧、B层玻璃纤维布一侧分别于C层贴合，使C层夹在中间，经热辊在165℃热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

[0048] 对比例2

[0049] (1)在第一同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的A层；

[0050] (2)在第二同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的B层；

[0051] (3)将硅酮粉、热塑性弹性体POE(POE8450陶氏化学)按照质量比为1：85混合均匀；在第三同向双螺杆挤出机在120℃熔融挤出，辊压成片，得到厚度为1mm的C层；

[0052] (4)将A层玻璃纤维布一侧、B层玻璃纤维布一侧分别于C层贴合，使C层夹在中间，经热辊在165℃热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

[0053] 本次方案在C层制备时没有使用玻璃微球，使得流动层的流动性降低，在用于深冲模压时，两层玻璃纤维布滑动减弱，连续纤维存在拉断现象，造成连续纤维增强效果降低。

[0054] 实施例3

[0055] (1)在第一同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的A层；

[0056] (2)在第二同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的B层；

[0057] (3)将粒径在50‑100μm的玻璃微球、硅酮粉、热塑性弹性体POE(POE8450陶氏化学)按照质量比为15：1：85混合均匀；在第三同向双螺杆挤出机在120℃熔融挤出，辊压成片，得到厚度为1mm的C层；

[0058] (4)将A层玻璃纤维布一侧、B层玻璃纤维布一侧分别于C层贴合，使C层夹在中间，经热辊在165℃热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

[0059] 对比例3

[0060] (1)在第一同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的A层；

[0061] (2)在第二同向双螺杆挤出机将ABS(ABS 3453陶氏化学)在220℃熔融挤出成片，2
趁热铺设由环氧树脂预浸处理的350g/m的玻璃纤维布辊压复合，得到厚度为2.5mm的B层；

[0062] (3)将粒径在50‑100μm的玻璃微球、硅酮粉、ABS(ABS 3453陶氏化学)按照质量比为15：1：85混合均匀；在第三同向双螺杆挤出机在220℃熔融挤出，辊压成片，得到厚度为1mm的C层；

[0063] (4)将A层玻璃纤维布一侧、B层玻璃纤维布一侧分别于C层贴合，使C层夹在中间，经热辊在165℃热压复合，得到连续纤维增强热塑性头盔外壳材料。

[0064] 本次方案在C层制备时使用ABS替代POE，在用于深冲模压时，由于A、B、C层的基料相同，软化点相近，使得在相同温度下深冲模压的C层流动性减弱，玻璃纤维布滑动减弱，连续纤维存在拉断现象，造成连续纤维增强效果降低。

[0065] 采用以下定性分析对实施例1‑3、对比例1‑3得到的头盔外壳材料进行性能测试：

[0066] 将实施例1‑3对比例1‑3得连续纤维增强热塑性头盔材料的片材裁剪；在加热箱恒温至100℃，然后将片材送入模压模具进行模压，模压深度14cm，经动模与定模保压，开模后得到头盔外壳。裁切头盔外壳最顶部裁切宽度为10mm的样，经100℃压平整作为测试样，最顶部属于深冲模压拉伸最大处，最能反应连续玻纤维是否被拉断。参考GB/T 1843测试冲击强度，如表1所示。

[0067] 表1：

[0068]

[0069]

[0070] 通过上述的定性测试和对比分析，实施例1‑3的方案随着中间C层使用玻璃微球量的增加，流动性较好，加之在100℃热烘后ABS出现软化，而中间出现熔融，在深冲模压时，两层玻璃纤维布间的高流动性复合C层流动，促使两层玻璃纤维布互相滑动，避免冲压深度过高造成的玻璃纤维被拉断，因此C层流动越好玻璃纤维布完整性越好，得到的头盔外壳抗冲击性越好。

[0071] 对比例1由于没有在玻璃纤维布间设置流动层，在用于深冲模压时，玻璃纤维布随着模压被拉伸，连续纤维容易被拉断，造成连续纤维增强效果降低，抗冲击性降低。

[0072] 对比例2在C层制备时没有使用玻璃微球，使得流动层的流动性降低，在用于深冲模压时，两层玻璃纤维布滑动减弱，连续纤维存在拉断现象，造成连续纤维增强效果降低，抗冲击性降低。

[0073] 对比例3在C层制备时使用ABS替代POE，在用于深冲模压时，由于A、B、C层的基料相同，软化点相近，使得在相同温度下深冲模压的C层流动性减弱，玻璃纤维布滑动减弱，连续纤维存在拉断现象，造成连续纤维增强效果降低。