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CN112266604A - 一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN112266604A CN202011244174.4A CN202011244174A CN112266604A CN 112266604 A CN112266604 A CN 112266604A CN 202011244174 A CN202011244174 A CN 202011244174A CN 112266604 A CN112266604 A CN 112266604A
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hardening
bisphenol
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刘瑞景
李雪茹
丁京
任光远
陈思杰
张艺腾
吴鹏
闫鹿博
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Abstract

本发明提供了一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。本发明中，双酚A型热固性环氧树脂结合碳纤维布，具有良好的力学性能和加工成型性，可以对笔记本电脑整体起到良好的保护作用；聚氨酯弹性体具有耐磨、耐切割、耐撕裂、高承载性、透明或半透明、耐臭氧、可灌封、可浇注、硬度范围广的优点，以聚氨酯弹性体结合碳纤维布作为壳体缓冲区可以吸收大量的冲击能量，对力学冲击起到良好的缓冲作用。本发明采用分区三元一体聚合的方法，通过硅烷偶联剂使双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体在热处理过程中交联结合成为一个整体，保证了不同成分可以在对应防护区域发挥出最大的功效。

Description

一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
在如今高度信息化的社会，电子计算机已经成为人们日常生产生活中必不可少的重要工具。而笔记本电脑凭借其便携性和机动性，广泛应用于各类非固定使用场景中。普通的笔记本电脑外壳一般采用塑料或铝合金制成，虽然保证了其轻便性，但是对笔记本的保护性能欠佳，无法承受剧烈的冲击、震动。而在一些特殊的应用领域或比较恶劣的使用环境下，为了保护计算机内部的重要精密元器件，防止在冲击和震动中对笔记本电脑核心硬件造成损伤，必须对笔记本电脑外壳进行特殊的加固处理。
目前世面上存在的加固笔记本，其外壳大多采用铝合金制造而成，虽然可以对笔记本电脑起到一定的保护作用，但是无法直接通过铝合金材料进行受力缓冲，必须额外加装橡胶部件才能实现缓冲功效，导致其加固外壳体积过大、重量过重，大大降低了其便携性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料及其制备方法。本发明利用碳纤维布在起到有效保护作用的同时，大大降低整体的结构重量，缓冲区由异氰酸酯、端羟基异戊二烯、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A制得，可以吸收大量的冲击能量，对力学冲击起到良好的缓冲作用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将笔记本电脑外壳模具分为硬化区和缓冲区，所述硬化区为所述笔记本电脑外壳模具的中央部分，所述缓冲区为所述笔记本电脑外壳模具的四周边缘部分，所述硬化区和缓冲区之间设置模具隔离板；
将碳纤维布平铺在所述笔记本电脑外壳模具内，得到铺设碳纤维布的模具；
将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂混合后浇注于硬化区，然后进行预固化，得到预固化硬化区；
移除所述模具隔离板后，在所述硬化区和缓冲区的界面处涂覆硅烷偶联剂；
将异氰酸酯和端羟基异戊二烯混合进行预聚反应，得到聚氨酯预聚物；
将所述聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A混合后注塑于缓冲区，然后进行预交联，得到预交联缓冲区；所述预固化硬化区、预交联缓冲区和硅烷偶联剂构成坯体；
将所述坯体进行热处理，分别形成双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体，得到所述用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
优选地，所述碳纤维布的平铺层数为10~25层，所述碳纤维布的面密度克重为150~200g/m2，厚度为0.15~0.25mm。
优选地，所述硬化区内的碳纤维布、双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂的质量比为78~86：12~18：2~6。
优选地，所述胺类固化剂为二乙基甲苯二胺或二乙氨基丙胺。
优选地，所述异氰酸酯与端羟基异戊二烯的质量比为6~10：28~34。
优选地，所述异氰酸酯为二异氰酸酯、二亚甲基苯基二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯。
优选地，所述缓冲区内的碳纤维布、聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A的质量比为65~70：34~44：1.4~3.6：0.16~0.22：0.8~1.4：2.4~2.8。
优选地，所述硅烷偶联剂的用量为20~30mg/cm2。
优选地，所述热处理的温度为110~120℃，时间为80~95min。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料，包括碳纤维布、双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体，所述碳纤维布和双酚A型热固性环氧树脂构成硬化区，所述碳纤维布和聚氨酯弹性体构成缓冲区，所述硬化区和缓冲区通过硅烷偶联剂交联结合。
本发明提供了一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：将笔记本电脑外壳模具分为硬化区和缓冲区，所述硬化区为所述笔记本电脑外壳模具的中央部分，所述缓冲区为所述笔记本电脑外壳模具的四周边缘部分，所述硬化区和缓冲区之间设置模具隔离板；将碳纤维布平铺在所述笔记本电脑外壳模具内，得到铺设碳纤维布的模具；将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂混合后浇注于硬化区，然后进行预固化，得到预固化硬化区；移除所述模具隔离板后，在所述硬化区和缓冲区的界面处涂覆硅烷偶联剂；将异氰酸酯和端羟基异戊二烯混合进行预聚反应，得到聚氨酯预聚物；将所述聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A混合后注塑于缓冲区，然后进行预交联，得到预交联缓冲区；所述预固化硬化区、预交联缓冲区和硅烷偶联剂构成坯体；将所述坯体进行热处理，得到所述用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。本发明中，碳纤维具有极高强度、模量以及优异的力学性能，比强度和比模量远远高于传统的金属材料，可以在对笔记本电脑起到有效保护作用的同时，大大降低整体的结构重量；双酚A型热固性环氧树脂结合碳纤维布，具有良好的力学性能和加工成型性，可以对笔记本电脑整体起到良好的保护作用；聚氨酯弹性体的模量介于一般橡胶和塑料之间，可在较宽的硬度范围内（邵氏A10~邵氏D75）保持较高的弹性，在相同硬度下，比其它弹性体承载能力更高，具有优异的耐磨性，耐磨性是天然橡胶的2~10倍，耐油脂及耐化学腐蚀性优良，抗冲击性高、耐疲劳性及抗震动性好，适于高频挠屈应用，低温柔顺性好，和金属材料相比，具有重量轻、噪音低、耐损耗、加工费用低及耐腐蚀的优点，与塑料相比，具有不发脆、弹性记忆、耐磨的优点，与橡胶相比，具有耐磨、耐切割、耐撕裂、高承载性、透明或半透明、耐臭氧、可灌封、可浇注、硬度范围广的优点，以聚氨酯弹性体结合碳纤维布作为壳体缓冲区可以吸收大量的冲击能量，对力学冲击起到良好的缓冲作用。
且本发明采用分区三元一体聚合的方法，通过硅烷偶联剂使双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体在热处理过程中交联结合成为一个整体，保证了不同成分可以在对应防护区域发挥出最大的功效。
进一步地，本发明在聚氨酯预聚体制备过程中，采用了分子柔性极佳的二亚甲基苯基二异氰酸酯和端羟基异戊二烯，从而使聚氨酯弹性体具有高弹性和稳定性，不易发生蠕变和应力松弛，并且添加了聚碳化二亚胺作为水解稳定剂、四溴双酚A作为抗静电剂和阻燃剂，进一步保证了聚氨酯弹性体的化学稳定性，同时使其具备抗静电、耐高温和不易燃的热稳定性。
实施例的数据表明：
第一，本发明中碳纤维布与双酚A型热固性环氧树脂复合组成的硬化区，比强度可以达到1500~2000MPa/(g·cm-3)，比模量可以达到100 GPa/(g·cm-3)，而以铝合金为代表的轻质金属材料，比强度只能达到100~200MPa/(g·cm-3)，比模量一般只有20 GPa/(g·cm-3)，因此本发明中的复合材料性能远远超过传统金属材料，可以对笔记本内部起到良好的保护作用，同时可以使加固外壳的重量减轻30%~55%，实现了加固笔记本电脑的轻量化，增加其便携性；
第二，碳纤维布与聚氨酯弹性体组成的缓冲区，具有优异的耐磨性和韧性，可以通过弹性形变吸收外部冲击能量，抗冲击性高、耐疲劳性好，从而防止在特殊应用环境下的冲击和震动对笔记本电脑的损伤，耐油脂及耐化学品性优良，更好地保护内部精密元器件；
第三，在复合材料中添加了四溴双酚A，作为阻燃剂和抗静电剂，大大提高了外壳复合材料的耐热性，并防止静电对内部电子元件造成损坏；
第四，使用硅烷偶联剂进行交联，从而使不同树脂复合材料界面之间产生强相互作用形成一个整体结构，不易发生断裂、剥离。
附图说明
图1为笔记本电脑外壳模具的平面示意图，其中1是笔记本电脑外壳模具，2是缓冲区，3是模具隔离板，4是硬化区；
图2为笔记本电脑外壳模具的截面示意图，其中3是模具隔离板，1是笔记本电脑外壳模具；
图3为笔记本电脑外壳模具中碳纤维布铺设示意图；
图4为用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的平面结构示意图，其中5是碳纤维-双酚A型热固性环氧树脂硬化区，6是碳纤维-聚氨酯弹性体缓冲区；
图5为用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的截面结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
将笔记本电脑外壳模具分为硬化区和缓冲区，所述硬化区为所述笔记本电脑外壳模具的中央部分，所述缓冲区为所述笔记本电脑外壳模具的四周边缘部分，所述硬化区和缓冲区之间设置模具隔离板；
将碳纤维布平铺在所述笔记本电脑外壳模具内，得到铺设碳纤维布的模具；
将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂混合后浇注于硬化区，然后进行预固化，得到预固化硬化区；
移除所述模具隔离板后，在所述硬化区和缓冲区的界面处涂覆硅烷偶联剂；
将异氰酸酯和端羟基异戊二烯混合进行预聚反应，得到聚氨酯预聚物；
将所述聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A混合后注塑于缓冲区，然后进行预交联，得到预交联缓冲区；所述预固化硬化区、预交联缓冲区和硅烷偶联剂构成坯体；
将所述坯体进行热处理，分别形成双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体，得到所述用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
本发明中，若无特殊说明，所用的原料均选自市售商品。
本发明将笔记本电脑外壳模具分为硬化区和缓冲区，所述硬化区为所述笔记本电脑外壳模具的中央部分，所述缓冲区为所述笔记本电脑外壳模具的四周边缘部分，所述硬化区和缓冲区之间设置模具隔离板。在本发明中，所述笔记本电脑外壳模具的材质优选为钢，本发明对所述笔记本电脑外壳模具的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述缓冲区的表面积优选为笔记本电脑外壳模具表面积的8~10%。本发明对所述模具隔离板的材质没有特殊的限定，优选为7075铝合金。图1为笔记本电脑外壳模具的平面示意图，其中1是笔记本电脑外壳模具，2是缓冲区，3是模具隔离板，4是硬化区；图2为笔记本电脑外壳模具的截面示意图，其中3是模具隔离板，1是笔记本电脑外壳模具。图3为笔记本电脑外壳模具中碳纤维布铺设示意图。
本发明将碳纤维布平铺在所述笔记本电脑外壳模具内，得到铺设碳纤维布的模具。在本发明中，所述碳纤维布的平铺层数优选为10~25层，更优选为15~20层，所述碳纤维布的面密度克重优选为150~200g/m2，更优选为198g/m2，厚度优选为0.15~0.25mm，更优选为0.23mm，所述碳纤维布的原纱优选为3K丝束T300级碳纤维。在本发明中，所述碳纤维布优选为T700级平纹编织碳纤维布。
本发明将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂混合后浇注于硬化区，然后进行预固化，得到预固化硬化区。
在本发明中，所述硬化区内的碳纤维布、双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂的质量比优选为78~86：12~18：2~6，更优选为78：18：6、82：15：4或86：12：6。
在本发明中，所述胺类固化剂优选为二乙基甲苯二胺或二乙氨基丙胺。
本发明对所述混合和浇注没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的的方式即可。
在本发明中，所述预固化的温度优选为80~100℃，更优选为90℃，时间优选为45~60min，更优选为50min，本发明对由室温升温至所述预固化的温度的升温速率没有特殊的限定。
所述预固化完成后，本发明移除所述模具隔离板后，在所述硬化区和缓冲区的界面处涂覆硅烷偶联剂。在本发明中，所述硅烷偶联剂的用量优选为20~30mg/cm2，更优选为24mg/cm2。在本发明中，所述硅烷偶联剂优选为硅烷偶联剂KH-570（γ-甲基丙烯酰氧基丙基）。本发明对所述涂覆的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
本发明将异氰酸酯和端羟基异戊二烯混合进行预聚反应，得到聚氨酯预聚物。在本发明中，所述异氰酸酯与端羟基异戊二烯的质量比优选为6~10：28~34，更优选为10：28、8：31或6：34。
在本发明中，所述异氰酸酯优选为二异氰酸酯、二亚甲基苯基二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯。
在本发明中，所述异氰酸酯与端羟基异戊二烯使用前优选分别进行脱水处理，所述脱水处理的温度独立地优选为100~120℃，更优选为110℃，真空度独立地优选为6~8MPa，更优选为7MPa，时间独立地优选为2~3h，更优选为2.5h。
在本发明中，所述预聚反应的温度优选为70~80℃，更优选为75℃，时间优选为30~60min，本发明对由室温升温至所述预聚反应的温度的升温速率优选为10℃/min。
得到聚氨酯预聚物后，本发明将所述聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A混合后注塑于缓冲区，然后进行预交联，得到预交联缓冲区；所述预固化硬化区、预交联缓冲区和硅烷偶联剂构成坯体。
在本发明中，所述缓冲区内的碳纤维布、聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A的质量比优选为65~70：34~44：1.4~3.6：0.16~0.22：0.8~1.4：2.4~2.8，更优选为70：34：3.6：0.16：1.4：2.8或67：38：3：0.19：1.1：2.6或65：44：1.4：0.22：0.8：2.4。在本发明中，所述2-甲基-1,3丙二醇为扩链剂，所述二丁基锡二月桂酸酯为催化剂，所述聚碳化二亚胺为水解稳定剂，所述四溴双酚A为阻燃剂和抗静电剂。本发明对所述注塑的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，所述预交联的温度优选为80~100℃，更优选为90℃，时间优选为30~60min，更优选为40~50min，本发明对由室温升温至所述预交联的温度的升温速率优选为10℃/min。
得到坯体后，本发明将所述坯体进行热处理，分别形成双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体，得到所述用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。所述热处理后，本发明优选由模具下的预留顶出孔进行脱模。
在本发明中，所述热处理的温度优选为110~120℃，更优选为115℃，时间优选为80~95min，更优选为90min。本发明对由室温升温至所述热处理的温度的升温速率优选为10℃/min。本发明中，在所述热处理过程中，实现了预固化硬化区的最终固化，形成双酚A型热固性环氧树脂，预交联缓冲区形成聚氨酯弹性体，同时硬化区中双酚A型热固性环氧树脂与缓冲区聚氨酯弹性体通过硅烷偶联剂形成了交联结合。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料，包括碳纤维布、双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体，所述碳纤维布和双酚A型热固性环氧树脂构成硬化区，所述碳纤维布和聚氨酯弹性体构成缓冲区，所述硬化区和缓冲区之间通过硅烷偶联剂交联结合。
图4为用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的平面结构示意图，其中5是碳纤维-双酚A型热固性环氧树脂硬化区，6是碳纤维-聚氨酯弹性体缓冲区；图5为用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的截面结构示意图。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
纤维铺设：根据模具尺寸裁切T700级平纹编织碳纤维布（T700碳纤维布，面密度克重为198g/m2，厚度为0.23mm），并于模具中铺设15层；
硬化区浇注：将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和固化剂二乙基甲苯二胺充分混合，混合质量比例为T700碳纤维布78份、双酚A型二缩水甘油醚18份、二乙基甲苯二胺6份，并浇注于硬化区，加热至90℃，持续60分钟进行预固化；
移除硬化区与缓冲区模具隔离板，在硬化区和缓冲区界面涂覆硅烷偶联剂KH-570，硅烷偶联剂的用量为24mg/cm2；
脱水处理：分别对二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯进行脱水处理：加热至100℃，持续搅拌下抽真空，真空度为6MPa，脱水3h；
聚氨酯预聚：将二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯按比例充分混合，质量比例为二亚甲基苯基二异氰酸酯10份、端羟基异戊二烯28份，并加热至75℃（升温速率为10℃/min）维持30分钟，进行预聚反应，生成聚氨酯预聚物；
缓冲区浇注：将聚氨酯预聚体与2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺及四溴双酚A按比例进行混合，质量比例为T700碳纤维布70份，聚氨酯预聚体34份，2-甲基-1,3丙二醇3.6份，二丁基锡二月桂酸酯0.16份，聚碳化二亚胺1.4份，四溴双酚A 2.8份，并注塑于缓冲区，加热至90℃进行预交联60分钟；
最终加热固化，加热温度为120℃（升温速率为10℃/min），时间为80分钟，除去模具，得到用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
实施例2
纤维铺设：根据模具尺寸裁切T700级平纹编织碳纤维布（T700碳纤维布，面密度克重为198g/m2，厚度为0.23mm），并于模具中铺设10层；
硬化区浇注：将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和固化剂二乙基甲苯二胺充分混合，混合质量比例为T700碳纤维布82份、双酚A型二缩水甘油醚15份、二乙基甲苯二胺4份，并浇注于硬化区，加热至90℃，持续50分钟进行预固化；
移除硬化区与缓冲区模具隔离板，在硬化区和缓冲区界面涂覆硅烷偶联剂KH-570，硅烷偶联剂的用量为24mg/cm2；
脱水处理：分别对二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯进行脱水处理：加热至110℃，持续搅拌下抽真空，真空度为7MPa，脱水2.5h；
聚氨酯预聚：将二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯按比例充分混合，质量比例为二亚甲基苯基二异氰酸酯8份、端羟基异戊二烯31份，并加热至75℃（升温速率为10℃/min）维持30分钟，进行预聚反应，生成聚氨酯预聚物；
缓冲区浇注：将聚氨酯预聚体与2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺及四溴双酚A按比例进行混合，质量比例为T700碳纤维布67份，聚氨酯预聚体38份，2-甲基-1,3丙二醇3份，二丁基锡二月桂酸酯0.19份，聚碳化二亚胺1.1份，四溴双酚A 2.6份，并注塑于缓冲区，加热至90℃进行预交联30分钟；
最终加热固化，加热温度为115℃（升温速率为10℃/min），时间为85分钟，除去模具，得到用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
实施例3
纤维铺设：根据模具尺寸裁切T700级平纹编织碳纤维布（T700碳纤维布，面密度克重为198g/m2，厚度为0.25mm），并于模具中铺设25层；
硬化区浇注：将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和固化剂二乙基甲苯二胺充分混合，混合质量比例为T700碳纤维布86份、双酚A型二缩水甘油醚12份、二乙基甲苯二胺6份，并浇注于硬化区，加热至90℃，持续45分钟进行预固化；
移除硬化区与缓冲区模具隔离板，在硬化区和缓冲区界面涂覆硅烷偶联剂KH-570，硅烷偶联剂的用量为24mg/cm2；
脱水处理：分别对二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯进行脱水处理：加热至120℃，持续搅拌下抽真空，真空度为8MPa，脱水2h；
聚氨酯预聚：将二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯按比例充分混合，质量比例为二亚甲基苯基二异氰酸酯6份、端羟基异戊二烯34份，并加热至75℃（升温速率为10℃/min）维持30分钟，进行预聚反应，生成聚氨酯预聚物；
缓冲区浇注：将聚氨酯预聚体与2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺及四溴双酚A按比例进行混合，质量比例为T700碳纤维布65份，聚氨酯预聚体44份，2-甲基-1,3丙二醇1.4份，二丁基锡二月桂酸酯0.22份，聚碳化二亚胺0.8份，四溴双酚A 2.4份，并注塑于缓冲区，加热至90℃进行预交联30分钟；
最终加热固化，加热温度为110℃（升温速率为10℃/min），时间为95分钟，除去模具，得到用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
对比例1
纤维铺设：根据模具尺寸裁切T700级平纹编织碳纤维布（T700碳纤维布，面密度克重为198g/m2，厚度为0.23mm），并于模具中铺设15层；
硬化区浇注：将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和固化剂二乙基甲苯二胺充分混合，混合质量比例为T700碳纤维布86份、双酚A型二缩水甘油醚12份、二乙基甲苯二胺6份，并浇注于硬化区，加热至90℃，持续45分钟进行预固化；
移除硬化区与缓冲区模具隔离板，在硬化区和缓冲区界面涂覆硅烷偶联剂KH-570，硅烷偶联剂的用量为24mg/cm2；
脱水处理：分别对二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯进行脱水处理：加热至120℃，持续搅拌下抽真空，真空度为8MPa，脱水2h；
聚氨酯预聚：将二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯按比例充分混合，质量比例为二亚甲基苯基二异氰酸酯6份、端羟基异戊二烯34份，并加热至75℃（升温速率为10℃/min）维持30分钟，进行预聚反应，生成聚氨酯预聚物；
缓冲区浇注：将聚氨酯预聚体与2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺及四溴双酚A按比例进行混合，质量比例为T700碳纤维布65份，聚氨酯预聚体44份，2-甲基-1,3丙二醇1.4份，二丁基锡二月桂酸酯0.22份，并注塑于缓冲区，加热至90℃进行预交联30分钟；
最终加热固化，加热温度为110℃（升温速率为10℃/min），时间为95分钟，除去模具，得到用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
对比例2
纤维铺设：根据模具尺寸裁切T700级平纹编织碳纤维布（T700碳纤维布，面密度克重为198g/m2，厚度为0.23mm），并于模具中铺设15层；
硬化区浇注：将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和固化剂二乙基甲苯二胺充分混合，混合质量比例为T700碳纤维布86份、双酚A型二缩水甘油醚12份、二乙基甲苯二胺6份，并浇注于硬化区，加热至90℃，持续45分钟进行预固化；
移除硬化区与缓冲区模具隔离板；
脱水处理：分别对二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯进行脱水处理：加热至120℃，持续搅拌下抽真空，真空度为8MPa，脱水2h；
聚氨酯预聚：将二亚甲基苯基二异氰酸酯、端羟基异戊二烯按比例充分混合，质量比例为二亚甲基苯基二异氰酸酯6份、端羟基异戊二烯34份，并加热至75℃（升温速率为10℃/min）维持30分钟，进行预聚反应，生成聚氨酯预聚物；
缓冲区浇注：将聚氨酯预聚体与2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺及四溴双酚A按比例进行混合，质量比例为T700碳纤维布65份，聚氨酯预聚体44份，2-甲基-1,3丙二醇1.4份，二丁基锡二月桂酸酯0.22份，聚碳化二亚胺0.8份，四溴双酚A 2.4份，并注塑于缓冲区，加热至90℃进行预交联30分钟；
最终加热固化，加热温度为110℃（升温速率为10℃/min），时间为95分钟，除去模具，得到用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
对比例3
以6061铝合金制备与复合材料壳体体积、厚度相同的金属加固外壳。
对比例4
发明专利CN201610181621.3中的复合材料保护外壳。
通过电子万能试验机对实施例1~3以及对比例1~4制得的复合材料进行力学性能测试，测试标准为纤维增强塑料拉伸性能试验方法GBT 1447-2005，测试结果如表1所示，根据力学性能测试结果可以看出，本发明的复合材料保护壳体相较于现有的铝合金或复合材料，其整体重量大大降低，比强度和比模量有大幅提高。
表1 实施例1~3以及对比例1~4的复合材料的力学性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
对实施例3和对比例1和对比例4的复合材料进行抗静电性能和阻燃性能的测试，测试标准为纤维增强塑料燃烧性能试验方法氧指数法GB/T 8924-2005及导电和抗静电纤维增强塑料电阻率试验方法GB/T 15738-2008，测试结果如表2所示，可知，相较于未添加阻燃剂的复合材料和现有技术中的复合材料，本发明中添加的阻燃剂四溴双酚A可以有效提高复合材料壳体的承受温度和阻燃性能，根据导电和抗静电纤维增强塑料电阻率试验的测试结果可知，本发明中添加了抗静电剂的复合材料壳体表面电阻率更高，因此具有更好的抗静电性能。
表2 实施例3、对比例1和对比例4的复合材料的抗静电和阻燃性能结果
氧指数 熔融温度/℃ 电阻率/MΩ·m<sup>-2</sup>
实施例3 44.5 114.8 2785.4
对比例1 16.7 68.3 792.5
对比例4 20.3 76.4 737.1
对实施例3和对比例2的硬化区-缓冲区结合界面进行剪切强度的测定，测试标准为聚合物基复合材料短梁剪切强度试验方法GB/T 30969-2014，测试结果如表3所示，根据剪切强度的测试结果可知，在硬化区与缓冲区的交界面涂覆硅烷偶联剂，可以使硬化区与缓冲区产生有效的交联结合，保证界面结合强度。
表3 实施例3和对比例2的复合材料硬化区-缓冲区结合界面剪切强度结果
剪切强度/MPa 剪切模量/GPa
实施例3 632.84 45.58
对比例2 217.33 17.93
对实施例3和对比例4中的聚氨酯弹性体组成部分进行橡胶弹性模量的测定，以比较二者在承受冲击载荷时的弹性缓冲作用。测试标准为硫化橡胶弹性模量的测定方法HG/T3321-2012，测试结果如表4所示，可知，本发明中的复合材料中的聚氨酯弹性体，其弹性优于现有技术中复合材料壳体的聚氨酯弹性体组成部分，因此在承受跌落、撞击、磕碰等冲击载荷时会具有更好的缓冲弹性。
表4 实施例3和对比例4的聚氨酯弹性体的橡胶弹性模量测试结果
弹性模量/MPa 泊松比
实施例3 4.36 0.47
对比例4 1.95 0.33
对实施例3和对比例4中的聚氨酯弹性体组成部分进行定负荷冲击疲劳强度的测定，测试标准为高聚物多孔弹性材料定负荷冲击疲劳的测定GB/T 18941-2003，测试结果如表5所示，可知，相较于现有技术中的聚氨酯弹性体，本发明中的复合材料中的聚氨酯弹性体，在长时间反复承受震动和冲击作用之后仍能保持更好的弹性和缓冲性能。
表5 实施例3和对比例4的聚氨酯弹性体的定负荷冲击疲劳强度测试结果
厚度减少百分率 硬度减少值
实施例3 7.4% 0.32HRC
对比例4 26.5% 2.81HRC
本发明制得的用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料，通过以双酚A型二缩水甘油醚预聚物和固化剂浇注于硬化区制备双酚A型热固性环氧树脂复合材料，以异氰酸酯与端羟基异戊二烯制备聚氨酯预聚物，与2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺、四溴双酚A充分混合并浇注于缓冲区，加热交联成为碳纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，在硬化区与缓冲区的交界面涂覆硅烷偶联剂，使硬化区与缓冲区交联结合，制得的碳纤维复合材料加固笔记本电脑保护外壳，整体重量低，具有高强度和高模量，同时具有阻燃性和抗静电性，并且对外界冲击和震动具有良好的缓冲性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将笔记本电脑外壳模具分为硬化区和缓冲区，所述硬化区为所述笔记本电脑外壳模具的中央部分，所述缓冲区为所述笔记本电脑外壳模具的四周边缘部分，所述硬化区和缓冲区之间设置模具隔离板；
将碳纤维布平铺在所述笔记本电脑外壳模具内，得到铺设碳纤维布的模具；
将双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂混合后浇注于硬化区，然后进行预固化，得到预固化硬化区；
移除所述模具隔离板后，在所述硬化区和缓冲区的界面处涂覆硅烷偶联剂；
将异氰酸酯和端羟基异戊二烯混合进行预聚反应，得到聚氨酯预聚物；
将所述聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A混合后注塑于缓冲区，然后进行预交联，得到预交联缓冲区；所述预固化硬化区、预交联缓冲区和硅烷偶联剂构成坯体；
将所述坯体进行热处理，分别形成双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体，得到所述用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维布的平铺层数为10~25层，所述碳纤维布的面密度克重为150~200g/m2，厚度为0.15~0.25mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硬化区内的碳纤维布、双酚A型二缩水甘油醚预聚物和胺类固化剂的质量比为78~86：12~18：2~6。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述胺类固化剂为二乙基甲苯二胺或二乙氨基丙胺。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述异氰酸酯与端羟基异戊二烯的质量比为6~10：28~34。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述异氰酸酯为二异氰酸酯、二亚甲基苯基二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯。
7.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲区内的碳纤维布、聚氨酯预聚物、2-甲基-1,3丙二醇、二丁基锡二月桂酸酯、聚碳化二亚胺和四溴双酚A的质量比为65~70：34~44：1.4~3.6：0.16~0.22：0.8~1.4：2.4~2.8。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂的用量为20~30mg/cm2。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为110~120℃，时间为80~95min。
10.权利要求1~9任一项所述制备方法制得的用于加固笔记本电脑外壳的碳纤维复合材料，其特征在于，包括碳纤维布、双酚A型热固性环氧树脂和聚氨酯弹性体，所述碳纤维布和双酚A型热固性环氧树脂构成硬化区，所述碳纤维布和聚氨酯弹性体构成缓冲区，所述硬化区和缓冲区通过硅烷偶联剂交联结合。
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