包含連續纖維和長纖維的熱塑性預浸料坯制造技術

本發明專利技術提供了包含嵌入在熱塑性聚合物基體(127)內的多個單向排列的連續纖維(142)的預浸料坯。除連續纖維之外，該預浸料坯還包含多個長纖維，使得它們在熱塑性基體內無規分布。因此，至少一部分該長纖維變得相對于該連續纖維的方向成一定角度取向。該長纖維能夠顯著增加預浸料坯在橫向方向的機械性能。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】包含連續纖維和長纖維的熱塑性預浸料坯相關申請本申請要求2010年6月22日提交的臨時申請序列號61/357，301的優先權，其全部內容通過引用并入本文。
技術介紹
增強復合材料(或“預浸料坯”)通常是由浸潰在樹脂基體內的纖維(例如碳纖維或玻璃纖維)制成。熱固性樹脂(例如不飽和聚酯、環氧樹脂或聚酰亞胺)通常用作基體，特別是在需要高強度水平的應用中。然而，由熱固性樹脂制成的預浸料坯的一個問題是其通常脆性且具有差的抗沖擊性。此外，由于該樹脂的保存期限短，因此該預浸料坯通常難以儲存。在為了克服這些問題的嘗試中，近來努力開發熱塑性預浸料坯。一種這樣的預浸料坯是由熱塑性樹脂和單向排列的連續纖維制成的。這樣的預浸料坯在纖維軸方向的彈性模量和強度方面具有優良的性能。然而，由于這樣的預浸料坯具有各向異性的機械性能，因此在使用中需要在不同方向上取向的多個預浸料坯層。這必然引起所得到部件的成本的提高和厚度的增加。為解決與熱固性預浸料坯相關問題的其它嘗試包括使用熱塑性樹脂和通過切割單向排列的纖維束形成的短纖維。盡管這樣的預浸料坯呈現出較好的各向同性強度性能， 但增強纖 維的最大體積分數通常低，這導致相對差的彈性模量和強度。此外，難以通過控制這種短纖維的體積來調節預浸料坯的機械性能。如此，目前存在對根據具體應用選擇性地控制其機械性能的熱塑性預浸料坯的制備方法的需要。還存在對具有各向同性的機械性能的熱塑性預浸料坯的需要。
技術實現思路
依照本專利技術的一個實施方案，公開了包含基本上在縱向方向上取向的多個連續纖維和無規分布的多個長纖維的熱塑性預浸料坯，至少一部分長纖維以相對于該縱向方向成一定角度取向。連續纖維構成預浸料坯的約10wt%-約80wt%，長纖維構成預浸料坯的約 2wt%-約35wt%。預浸料坯還包含樹脂基體，其包含一種或多種熱塑性聚合物且連續纖維和長纖維嵌入在其中，其中熱塑性聚合物構成預浸料坯的約10wt%-約80wt%。預浸料坯在縱向方向的最大拉伸應力與預浸料還在橫向方向的最大拉伸應力的比值為約I-約40。依照本專利技術的另一實施方案，公開了熱塑性預浸料坯的制備方法。該方法包括將連續纖維和長纖維供給擠出裝置，并將熱塑性進料供給擠出裝置，其中該進料包含至少一種熱塑性聚合物。將連續纖維、長纖維和熱塑性聚合物在浸潰模具內擠出以形成其中連續纖維與長纖維混雜并用熱塑性聚合物基體嵌入的擠出物。依照本專利技術的另一實施方案，公開了熱塑性預浸料坯的制備方法。該方法包括將連續纖維和熱塑性進料供給擠出裝置，其中該進料包含至少一種熱塑性聚合物。將連續纖維和進料在浸潰模具中擠出以形成其中連續纖維嵌入有熱塑性聚合物基體的擠出物。然后將長纖維施加到擠出物中以形成復合材料。下面更詳細地提出了本專利技術的其它特征和方面。4附圖簡述在說明書的剩余部分中，包括參照附圖，更具體地提出了本專利技術的完整和能夠實現的公開內容，包括對本領域技術人員而言的其最佳方式，在附圖中附圖I是用于本專利技術中的浸潰系統的一種實施方案的示意圖；附圖2A是圖I中所示的浸潰模具的截面視圖；附圖2B是可在本專利技術中使用的浸潰模具的歧管組件和澆道的一種實施方案的部件分解圖；附圖2C是至少部分地限定可在本專利技術中使用的浸潰區域的板的一種實施方案的透視圖；附圖3是用圖I的系統制備的預浸料坯的一種實施方案的橫向截面視圖；附圖4是圖3中所示的預浸料坯的縱向截面視圖；附圖5是可在由本專利技術的預浸料坯制備型材中使用的拉擠系統的一種實施方案的不意圖；附圖6是本專利技術制備的預浸料坯的陽極實施方案的橫向截面視圖；附圖7是圖6中所示預浸料坯的縱向截面視圖；附圖8是在制備本專利技術的預浸料坯中使用的浸潰系統的仍另一實施方案的示意圖；附圖9是用圖8的系統制備的預浸料坯的一個實施方案的橫向截面視圖；附附圖說明圖10是圖9中所示的預浸料坯的縱向截面視圖；和附圖11是可依照本專利技術制備的型材的一個實施方案的截面視圖。在本說明書和附圖中參考標記的重復使用意于表示本專利技術的相同或類似的特征或要素。具體實施例方式本領域普通技術人員應當認識到目前的討論僅是對示例性實施方案的描述，并不意于為限制本專利技術的較寬方面。一般而言，本專利技術涉及包含嵌入在熱塑性聚合物基體內的多個單向排列的連續纖維的預浸料坯。除連續纖維之外，該預浸料坯還包含與連續纖維結合的多個長纖維，使得它們在熱塑性基體內無規分布。因此，至少一部分該長纖維變得相對于該連續纖維的方向成一定角度(例如垂直)取向。通過這樣的定位，該長纖維能夠顯著增加預浸料坯在橫向方向的機械性能(例如強度)并因此達到更各向同性的材料。盡管獨特的各向同性的預浸料坯是本專利技術的一個方面，但應當認識到這不是必需的。事實上，本專利技術的一個顯著特征是通過選擇性地控制某些工藝參數例如使用的長纖維的類型、使用的連續纖維的類型、長纖維的濃度、連續纖維的濃度、使用的熱塑性樹脂等從而能夠調節用于意欲應用的預浸料坯的機械性能。現在將更詳細地描述本專利技術的各種實施方案。I.連續纖維術語“連續纖維”指具有通常僅由部件的長度限制的長度的纖維、細絲、紗線或粗紗(例如纖維束)。例如，這樣的纖維可以具有大于約25毫米的長度，在一些實施方案中約50毫米或更長，和在一些實施方案中約100毫米或更長。連續纖維可以由本領域中已知的任意常規材料制成，例如金屬纖維、玻璃纖維(例如E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、 AR-玻璃、R-玻璃、SI-玻璃、S2-玻璃)、碳纖維(例如石墨)、硼纖維、陶瓷纖維(例如氧化招或二氧化娃)、芳族聚酰胺纖維(例如E. I. duPont de Nemours, Wilmington, DE銷售的 Kevlar )、合成有機纖維(例如聚酰胺、聚乙烯、聚對苯撐(paraphenylene)、對苯二甲酰胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚苯硫醚)和已知用于增強熱塑性組合物的各種其它天然或合成的無機或有機纖維材料。玻璃纖維和碳纖維特別理想地于連續纖維中。這樣的纖維通常具有約4-約35微米的標稱直徑，在一些實施方案中為約9-約35微米。纖維可以是絞合的或直的。如果需要，纖維可以是含單一的纖維類型或不同的纖維類型的粗紗(例如纖維束)的形式。不同的纖維可以包含在單個粗紗中，或者替代地，各粗紗可以包含不同的纖維類型。例如，在一個實施方案中，某些粗紗可以包含連續碳纖維，而其它粗紗可以包含玻璃纖維。各粗紗中包含的纖維數目可以是相同的或粗紗之間不同。典型地，粗紗可以包含約1，000纖維-約50，000單纖維，和在一些實施方案中約2，000-約40，000纖維。II.長纖維術語“長纖維”通常指不連續的且具有約O. 5-約25毫米(在一些實施方案中約 O. 8-約15毫米，和 在一些實施方案中約I-約12毫米)的長度的纖維、細絲、紗線或粗紗。 長纖維可以由如上面關于連續纖維所述的任意材料、形狀和/或尺寸形成。玻璃纖維和碳纖維特別理想地用作長纖維。III.熱塑性基體可以使用任意多種熱塑性聚合物形成其中嵌入連續纖維和長纖維的熱塑性基體。 在本專利技術中使用的適合的熱塑性聚合物可以包括例如聚烯烴(例如聚丙烯、丙烯_乙烯共聚物等)、聚酯(例如聚對苯二甲酸丁二醇酯(“PBT”))、聚碳酸酯、聚酰胺(例如Nylon )、聚醚酮(例如聚醚醚酮(“PEEK”))、聚醚酰亞胺、聚亞芳基酮(例如聚亞本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：J·J·瑪麗澤維斯基，A·H·約翰遜，T·L·迪波爾，
申請(專利權)人：提克納有限責任公司，
類型：
國別省市：