製備纖維增強的複合材料的方法
2023-05-15 09:05:46 2
製備纖維增強的複合材料的方法
【專利摘要】本發明涉及由纖維增強的複合材料製備模塑部件的方法，以及涉及在根據RIM或RTM法製備結構材料中用於預成型織物結構的粘合劑。
【專利說明】製備纖維增強的複合材料的方法
[0001]本發明涉及由纖維增強的複合材料構成的模製品的製備方法，還涉及在通過RM法或RTM法製備結構材料中用於預成型織物結構的粘合劑。
[0002]基於澆注聚醯胺來製備纖維增強的夾層組件的已知方法源於所謂的RTM (樹脂傳遞模塑(resin transfer molding)法。在此方法中,將上面排布有幹(即非預浸潰的)纖維材料層的芯布置於鎖模(lockable mold)中。該模具由兩個可加熱的半模組成,所述半模的內部形狀對應於成品組件的外部形狀。在模具的閉合空間內，液體樹脂被引入幹纖維材料中。樹脂經由加熱模具而硬化。在RTM模具中製備樹脂的條件可涉及超大氣壓或真空。各自的壓力差尤其用於避免外層中不想要的空氣夾雜物。利用乾燥的平紋纖維織物(laidfiber scrims)避免了預浸料(prepreg)技術的多個缺點。文獻中通常使用與RTM法同義的表述RM法。RIM法和RTM法對於本發明的目的而言也是同義的。
[0003]EP-A-722825公開了模具中使用超大氣壓的RTM法。
[0004]EP-A-770472、EP-A-786330和EP-A-1281505公開了相應的在模具中提供真空的RTM 法。
[0005]W0-A-02/074469公開了一種RTM法，其中在超大氣壓下注入樹脂並通過在氣密封閉的模具中產生真空來提供協助。
[0006]然而，上述方法並不令人滿意。具體而言，它們不能簡易地製備出質量穩定的纖維增強的複合材料。一個特別的困難在於確保機械性能重現性地穩定。
[0007]因此，本發明的目的是克服上述缺點。現已出人意料地發現，當首先將織物結構用聚合物粘合劑預處理並進行成型步驟，再使所得的含有粘合劑的模塑的織物結構與可聚合組合物接觸並聚合材料時，可實現上述目的。
[0008]因此，本發明首先提供一種由纖維增強的複合材料構成的模製品的製備方法，包括:
[0009]al)用至少一種液體粘合劑組合物來浸潰織物結構，所述液體粘合劑組合物呈聚合物粘合劑於溶劑中的溶液形式或分散體形式，
[0010]a2)使織物結構進行模塑，
[0011]其中，步驟al)和a2)可以任意所需順序進行，其中得到模塑的浸潰的織物結構。
[0012]b)從所述模塑的浸潰的織物結構中至少部分地移除溶劑，以得到含有粘合劑的模塑的織物結構，以及
[0013]c)使用可聚合組合物來浸潰所得的含有粘合劑的模塑的織物結構，並聚合所述可聚合組合物。
[0014]本發明進一步提供可根據如上所述且如下定義的方法獲得的複合材料模製品。
[0015]本發明進一步提供所述複合材料模製品作為安全帽殼體例如用於個人頭部保護的用途。
[0016]本發明進一步提供由無定形聚醯胺和溶劑或溶劑混合物組成的液體粘合劑組合物。
[0017]本發明進一步提供如上所述且如下定義的液體粘合劑組合物在通過RM法或RTM法製備複合材料中用於預成型織物結構的用途。
[0018]就本發明而言，表述「由纖維增強的複合材料構成的模製品」意指包含纖維增強的複合材料或由纖維增強的複合材料組成，且具有適於所需應用的形狀的製品。
[0019]對於步驟al)中的浸潰過程，可使用本領域技術人員已知的常規方法將織物結構與至少一種液體粘合劑組合物接觸。對於步驟c)中的浸潰過程，可使用領域技術人員已知的常規方法將步驟b)中獲得的含有粘合劑的模塑的結構織物與可聚合組合物接觸。在步驟al)和c)中的各個浸潰過程可相互獨立地進行，例如，通過常規的應用方法，例如噴灑、塗覆、澆注、浸潰、印刷等。浸潰過程可使用減壓。減壓階段之後可任選地進行增壓階段。
[0020]對於浸潰過程，優選在步驟al)中用液體粘合劑組合物噴灑織物結構。
[0021]本發明的方法能夠製備出質量穩定的由纖維增強的複合材料構成的模製品。具體而言，可提供機械性能穩定的纖維增強的複合材料。所述機械性能是例如拉伸強度、彈性模量、耐衝擊性等。
[0022]本發明方法中使用的織物結構用作用於製備複合材料模製品的增強材料。原則上，纖維或纖維結構提供合適的織物結構。所述織物結構優選為選自下列的織物結構:粗紗(roving)、機織物(woven fabric)(包括微纖維機織物)、針織物(knitted fabric)、租(mat)、無紡布(nonwoven)、毛租(felt)、平紋織物(laid scrim)等，及其結合物。
[0023]纖維結構可使用由纖維製得的織物片材來提供，所述織物片材例如採用線(line)、粗線(cord)、繩(rope)、紗(yarn)或絲(thread)的形式。
[0024]纖維可以為天然或合成的來源。由無機材料製得的纖維和由有機材料製得的纖維可用於提供織物結構。由有機材料製得的纖維可包含天然聚合物、合成聚合物或其結合物，或可由天然聚合物、合成聚合物、或其結合物組成。合適的纖維為無機材料，例如高模量碳纖維、極多種類型的矽酸鹽和非矽酸鹽玻璃、碳、硼、碳化矽、金屬、金屬合金、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物和娃酸鹽；有機材料，例如天然聚合物和合成聚合物，如聚丙烯腈、聚酯、超高拉伸聚烯烴纖維、聚醯胺、聚醯亞胺、芳族聚醯胺、液晶聚合物、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚醯亞胺、棉、纖維素、以及其他天然纖維(例如亞麻、劍麻、洋麻、大麻、和蕉麻)。優選高熔點材料，例如玻璃、碳、芳族聚醯胺、液晶聚合物、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮和聚醚醯亞胺。本發明中使用的纖維特別優選為選自以下的那些:玻璃纖維、碳纖維、芳族聚醯胺纖維、鋼纖維、陶瓷纖維、不同於上述纖維的耐熱性聚合物纖維和它們的結合物。
[0025]具體而言，合適的織物結構優選由上述纖維的粗紗提供，優選由非線性和線性的結構提供，且特別優選由片狀模製品(例如纖維、紗、絲和繩)以及織物結構(例如機織物、針織物、編織物和無紡布)提供。極特別地，合適的織物結構由無紡布、毛氈、機織物、粗紗、氈和無搶粗紗織物(woven roving)提供。極特別地，合適的織物結構通過機織物、無紡布和平紋織物提供。
[0026]織物結構優選包含以下物質或由以下物質組成:玻璃纖維、碳纖維、和/或耐熱塑料纖維。特別優選基於玻璃纖維、碳纖維或芳族聚醯胺纖維的織物結構，尤其基於玻璃纖維或碳纖維的織物結構。
[0027]本發明的複合材料模製品中的纖維含量優選為20至85體積％，特別優選40至70體積％，基於複合材料模製品的總體積計。一個具體的實施方案由具有純單向增強的複合材料模製品提供。具有純單向增強的複合材料模製品中的纖維含量優選為30至90體積％，特別優選40至80體積％，基於複合材料模製品的總體積計。
[0028]增強材料在本發明的複合材料模製品中可具有均勻分布，但其在複合材料的某些部分(例如在邊緣區域和/或在特殊增強區域)中的含量可高於在複合材料的其他部分中的含量。
[0029]優選地，用於步驟al)中的液體粘合劑組合物包含基於其總重量計為I至30重量％，特別為2至20重量％的聚合物粘合劑。
[0030]所述粘合劑組合物中含有的聚合物粘合劑優選包含至少一種熱塑性聚合物。
[0031]在一個具體的實施方案中，所述粘合劑組合物中含有的聚合物粘合劑由熱塑性聚合物組成或由熱塑性聚合物的混合物組成。
[0032]優選地，所述熱塑性聚合物選自聚醯胺和聚醯胺的共混物。
[0033]合適材料的實例為衍生自含有7至13個環成員的內醯胺的聚醯胺，例如聚己內醯胺、聚辛內醯胺和聚十二內醯胺，且其他實例為通過二元羧酸與二胺反應得到的聚醯胺。可用的二元羧酸的實例為含有6至12個、特別是6至10個碳原子的鏈烷二羧酸，以及芳族二元羧酸，特別是己二酸、壬二酸、癸二酸、十二烷二酸、對苯二甲酸和/或間苯二甲酸。
[0034]特別合適的二胺為含有6至12個碳原子的鏈烷二胺，以及芳族二胺，例如間苯二甲胺、二(4_氨基苯基)甲燒、二 -(4-氨基環己基)-甲燒、2，2- 二 -(4-氨基苯基)丙烷、2，2-二 - (4-氨基環己基)丙烷或1，5-二氨基-2-甲基戍燒。其他合適的材料為通過兩種或多種上述單體共聚得到的聚醯胺，以及按所需比例混合的多種聚醯胺的混合物。以下非排他性的列舉包含了合適的聚醯胺及其單體。
[0035]AB聚合物:
[0036]
【權利要求】
1.一種由纖維增強的複合材料構成的模製品的製備方法，包括: al)用至少一種液體粘合劑組合物來浸潰織物結構，所述液體粘合劑組合物呈聚合物粘合劑於溶劑中的溶液形式或分散體形式， a2)使織物結構進行模塑， 其中，步驟al)和a2)可以任意所需順序進行，其中得到模塑的浸潰的織物結構。 b)從所述模塑的浸潰的織物結構中移除溶劑，以得到含有粘合劑的模塑的織物結構，以及 c)使用可聚合組合物來浸潰步驟b)中獲得的含有粘合劑的模塑的織物結構，並聚合所述可聚合組合物。
2.權利要求1的方法，其中所述粘合劑組合物中含有的粘合劑為熱塑性聚合物或熱塑性聚合物的混合物。
3.權利要求2的方法，其中所述熱塑性聚合物選自聚醯胺以及聚醯胺的共混物。
4.權利要求2的方法，其中所述熱塑性聚合物選自無定形聚醯胺以及無定形聚醯胺的共混物。
5.權利要求4的方法，其中所述熱塑性聚合物選自聚醯胺-6、聚醯胺-6，6、聚醯胺-6/6，6，以及包含聚醯胺_6、聚醯胺-6，6和/或聚醯胺-6/6，6作為主要成分的共混物。
6.前述權利要求任一項的方法，其中所述溶劑為水或含水的醇溶劑。
7.權利要求6的方法，其中聚醯胺或聚醯胺的共混物於水/乙醇混合物或於水/丙醇混合物中的溶液作為液體粘合劑組合物使用。
8.前述權利要求任一項的方法，其中所述液體粘合劑組合物包含基於其總重量計為2至20重量％的聚合物粘合劑。
9.前述權利要求任一項的方法，其中在步驟al)中，所述浸潰通過用液體粘合劑組合物噴灑織物結構而實現。
10.前述權利要求任一項的方法，其中進行步驟al)、a2)和b)，以使含有粘合劑的模塑的織物結構包含5至200g/kg的聚合物粘合劑。
11.前述權利要求任一項的方法，其中所述可聚合組合物中的可聚合成分包含內醯胺或內醯胺樹脂。
12.前述權利要求任一項的方法，其中步驟c)採取RIM法或RTM法的形式。
13.可由權利要求1至12任一項的方法獲得的複合材料模製品。
14.權利要求13的複合材料模製品作為個人頭部保護用的安全帽殼體的用途。
15.根據權利要求1至12任一項製備的複合材料模製品作為個人頭部保護用的安全帽殼體的用途。
16.由無定形聚醯胺和溶劑或溶劑混合物組成的液體粘合劑組合物。
17.權利要求16的粘合劑組合物，其中所述無定形聚醯胺選自:聚醯胺_6、聚醯胺-6，6、聚醯胺-6/6，6，以及包含聚醯胺_6、聚醯胺-6，6和/或聚醯胺-6/6，6作為主要成分的共混物。
18.權利要求16或17的粘合劑組合物，其中所述溶劑為水或含水的醇溶劑。
19.權利要求16至18任一項的液體粘合劑組合物在通過RIM法或RTM法製備複合材料中用於預成型織物結構的用途。
【文檔編號】B29C70/48GK103826833SQ201180073848
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2011年10月5日 優先權日:2011年10月5日
【發明者】D·施爾澤爾, P·德斯保斯, U·格蘭特, M·韋伯, M·高爾 申請人:巴斯夫歐洲公司