複合材料模製品和製造複合材料模製品的方法

2023-05-25 15:58:06

專利名稱：複合材料模製品和製造複合材料模製品的方法
技術領域：
本發明涉及具有光滑美觀的表面的複合材料模製品。更具體而言，本發明涉及使材料在模具中結合而得到具有光潔表面的複合材料製品。本發明還涉及製造複合材料模製品的方法，所述複合材料模製品包括具有熱塑性外層的增強熱固性材料，該方法提高了效率並且減少了有害空氣汙染物的排放。
背景技術：
本發明涉及複合材料模製品。本發明還涉及異型的和多層的增強複合材料製品。所述製品為層壓材料的形式，其影響製品的結構完整性和美觀的物理性能得到了提高。本發明還涉及利用閉模加工法製造複合材料模製品。更具體而言，本發明涉及一種製造具有纖維增強結構和美觀的熱塑性外層的熱固性製品的改進方法，其屬性包括耐候性、強度和抗開裂性、表面抗損性和耐非水溶劑性都得到了提高。
已知包含使用固化的熱固性樹脂浸漬的纖維增強材料的複合材料結構用來為消費者和工業用途製造有用的非金屬製品。這包括例如按摩水療池(spa)、浴盆、房車、汽車車身蒙皮和船舶構件如船甲板和船體。纖維增強複合材料製品因其強度和耐久性而為人所知。除了具有合乎需要的結構特徵，製品也可具有裝飾性的或者視覺上美觀的表面。裝飾性表面可以是在其外部、內部或某一部分上形成的可見暴露層，或者是實用性製品的整個表面，以提供光滑、漂亮的外觀。該可見暴露層可以是光潔的、有光澤的或無光澤的、透明的、白色的或彩色的。所選用於複合材料外部裝飾性表面的材料需要具有包括戶外耐候性、抗衝擊性、漂亮美觀性和易加工性的綜合所需性質。用於製造纖維增強複合材料結構的傳統方法包括將增強纖維在模具表面手工成型，然後使用合適的可固化熱固性樹脂浸漬纖維。通常，在形成最終的層狀結構之前，塗覆一層純淨的或加有顏料的熱固性樹脂凝膠塗層至模具表面。凝膠塗層使最終製品具有美觀漂亮的外表面，並保護纖維複合材料免受來自陽光的紫外輻射的侵害。然而，由凝膠塗層材料製成的層在不利環境中會隨著時間的發展產生銀紋、裂紋並發生褪色。裂紋可從表面或者表面細紋至從凝膠塗層表面延伸至層壓製品內的裂紋，導致潛在的結構缺陷。即使是細紋也需要修補以阻止更大結構損壞的發展。修補是昂貴的，並且實際上不可能與凝膠塗層的原始顏色相匹配。
凝膠塗層通常以液體形式塗覆於模具表面。增稠的液體凝膠塗層材料置於模具表面上形成約0.3mm-約0.8mm厚的層。凝膠塗層材料包含釋放到周圍環境中的揮發性有機組分(VOC)，例如苯乙烯單體。許多這種揮發性組分被歸類為不利於人體健康和環境的有害氣體汙染。約束性的政府規章不斷降低排放標準。而且，VOC通常是可燃的，會導致火災。需要周密的防範和昂貴的設備使這些揮發性物質的釋放和暴露減到最少。
除了熱固性樹脂凝膠塗層，複合材料外表面上還可以應用熱塑性層。熱塑性層傾向於具有比熱固性塑料更好的耐候性和更大的柔性，並且較不易形成裂紋。片材可以通過熱成型法成型，然後使用玻璃纖維複合材料背材增強。Chapman等人的美國專利5,875,732公開了一種船體構造，包括具有KEVLAR和玻璃纖維-樹脂增強的超高分子量(UMHW)聚乙烯。該熱塑性UMHW聚乙烯船體在熱成型步驟中成型，並使用真空袋成型技術將增強體貼在船體內表面。真空袋成型法包括樹脂和填充材料在敞口模具上的傳統鋪疊，然後使用塑料層覆蓋疊層材料，並抽真空使得塑料緊緊貼附在增強體上。
Russell的美國專利4,178,406公開了一種製備玻璃纖維增強制品的方法，其中將成型的熱塑性膜置於夾緊裝置上，纖維增強材料和可固化熱固性樹脂層敷貼於該膜上，最後，將第二預成型的熱塑性膜敷貼於增強層上。然後在熱成型工藝中，使複合材料承受真空而形成異型製品。該膜為平均厚度40mil(約1mm)的片材形式。這種薄型材料難於操作，並且易起皺，使得外觀難看以及膜和增強層之間粘結不平。
包含層疊於熱可成型基材上的丙烯酸膜的熱可成型剛性板材提供改善了的操作性。在Rutledge的美國專利4,221,836、Goldworthy的美國專利4,498,941和Hicks等人的美國專利5,069,851中描述了代表性的板材。剛性板材可以通過本領域中熟知的熱成型法成型，並使用複合材料熱固性樹脂和纖維材料背材增強。玻璃纖維增強聚酯樹脂和單獨熱成型製品的結合通常在熱成型模具外手工進行，其工藝過程緩慢且勞動密集。這種方法導致應用過程中不希望的有害氣體汙染物排放。
具有凝膠塗層罩面漆的船體、發動機部件或房車、浴盆、浴盆周邊和按摩水療池，由於日常使用中的磨損和/或暴露於太陽光下，導致傾向於失去其光澤外觀，成為無光表面，並可出現「桔皮」微裂紋，這最終導致複合材料構件的結構破壞。
基於這些和其他原因，一直需要提高異型和層狀增強複合材料模製構件的有效壽命、美觀性和結構完整性。也需要提高異型層壓複合材料製品的產率，降低人工成本並控制有害氣體汙染物的排放。

發明內容
本發明提供異型和層狀複合材料製品，其包含具有至多約2.5mm或者大於約1mm-約2.5mm厚度的熱塑性丙烯酸聚合物層、具有0.5-15mm厚度的熱塑性聚合物層、和纖維增強複合材料的第三層。第一和第二熱塑性層的厚度範圍可以交疊或不交疊。例如，第一層厚度可為至多約2.5mm，第二層厚度可從約3.0mm到約15mm。術語「複合材料」通常是指在宏觀尺度上形態或組成不同的一種或多種材料的組合物。從不相互溶解或完全融合意義上來說，各組分保持其特徵，儘管它們協同起作用。通常各組分能夠在物理上區分開來並且相互之間存在界面。
複合材料製品還可包括含有剛性聚氨酯泡沫的組件。聚氨酯泡沫組件的功能是增強船舶製品的結構或漂浮性。複合材料製品可具有包含剛性聚氨酯泡沫增強體的第二纖維增強複合材料層。
丙烯酸聚合物層為結構提供裝飾性的漂亮外觀，並抵抗開裂和意外刮傷。丙烯酸聚合物層構成複合材料製品的表面，通常是看得見的，且一般是暴露的外表面。該表面可具有平直、彎曲、凹入或凸起的形狀。向丙烯酸聚合物層中加入彩色材料，例如顏料，可以改變製品外觀。可使用圖版工藝法在構件內部或其上引入裝飾性設計。複合材料製品可用於汽車應用、船舶製品如船體和船艙、戶外房車例如ATVs和雪地汽車，並且，一般而言，可用於暴露於戶外環境條件、陽光直射和極端溫度範圍下的任何結構。
熱塑性丙烯酸聚合物層和熱塑性層可以是複合熱塑性片材形式的層壓板。熱塑性片材可通過傳統的熱成型法成型為所需形狀。非排他的可能型材包括車身部件如門、引擎罩、後備箱、格柵和後翼子板、浴盆、浴盆周邊、按摩水療池、船體和船部件如甲板、船艙和座椅，以及休閒娛樂品組件如ATVs、水上動力艇、舷外馬達罩、滑水橇和衝浪板。成型熱塑性片材，以使丙烯酸聚合物層作為複合材料製品的外層或者一般可見層。丙烯酸聚合物層為模製品外表提供具有漂亮外觀的耐用表面，而熱塑性層為模製品提供強度和剛性。熱塑性材料可以是例如ABS、ASA或者ABS-丙烯酸合金。熱塑性合金是熱塑性材料的簡單混合物，其可以得到熔體穩定的單相材料，這是因為聚合物具有使它們結合在一起的某種相互作用。丙烯酸聚合物可包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯或者這些聚合物的熱塑性化學衍生物。同樣，ABS-丙烯酸合金可包括聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯及其化學衍生物中的一種或多種。
熱塑性片材可包含多於兩層。例如，可將一層或者多層熱塑性丙烯酸聚合物、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)或ABS-丙烯酸合金層壓在將成為模製品內表面的熱塑性片材的表面。該內層構成通常敷貼纖維增強複合材料的構件的表面。熱塑性片材具有熱塑性丙烯酸聚合物外層、選自ASA、ABS或ABS-丙烯酸合金的熱塑性聚合物層和丙烯酸聚合物、ASA或ABS-丙烯酸合金的內層。丙烯酸聚合物、ASA或ABS-丙烯酸合金內層為熱固性樹脂提供改善的結合面，以在已固化熱固性樹脂和熱塑性片材之間形成更強的結合。
將包含纖維增強體和熱固性樹脂的纖維增強複合材料敷貼在模製熱塑性片材的內表面並固化。纖維增強複合材料為構件提供強度和剛性。纖維增強體可以是編織的或非編織的合成或天然材料。合適的熱固性樹脂已為本領域的技術人員所熟知，通常包括能夠進行不可逆的化學交聯反應的樹脂。熱固性樹脂應粘附在熱塑性片材的配合面或與熱塑性片材的配合面形成強粘合。如果熱塑性片材的內(粘結)表面是丙烯酸或丙烯酸合金，則可提高結合強度。
本發明也提供一種效率提高且有害氣體汙染排放減少的製造包含具有增強體的熱塑性片材的複合材料模製品的方法。該方法包括在相對且分離的兩半模具(moldhalves)之間放置熱固性材料、纖維增強體和熱塑性片材以形成層壓材料。兩半模具有互補的模具表面。當將兩半模利用各自的成型面相對裝配時，則其中限定模具填充空間(mold plenum)，以製造所需製品。熱塑性片材基本上是按照模具表面尤其是模具內表面的形狀預成型為所需形狀。熱塑性片材和模具表面具有互補的形狀，從而熱塑性片材能夠安放在兩半模之間，並允許兩半模合起來限定模具填充空間，而模具表面很少或不會發生改變或變形。將纖維增強材料置於熱塑性片材上。將相對且分離的兩半模合起來以成型模具填充空間。將模塑流體注射到模具填充空間中，以浸漬纖維增強材料。模具填充空間基本上是封閉體系，可防止揮發性有機物質從模塑流體中逸出而進入大氣。固化模塑流體以形成剛性複合材料模製品。所有的熱固性材料進行反應並形成固態增強複合材料結構，幾乎沒有揮發性材料留下。熱塑性片材形成為複合材料結構的外層。
在另一個實施方案中，具有互補成型面的第一和第二半模利用各自的成型面彼此相對裝配。當兩半模合起來時，在其中形成模具填充空間以製造所需製品。將纖維增強材料置於第一或第二半模之一的模具表面上。將形狀基本上與模具填充空間一致的熱塑性片材置於增強材料上。兩半模合起來成型模具填充空間，並將模塑流體注射到模具填充空間中，以浸漬增強材料。固化模塑流體，形成熱塑性片材位於製品結構外表面的剛性複合材料模製品。
在另一個實施方案中，熱塑性片材置於相對且分離的兩半模之間。兩半模具有互補的成型面，以致當將兩半模合起來時，模具表面形成模具填充空間。在將熱塑性片材放於兩半模間之前可先進行軟化。作為選擇，可通過將模具表面加熱到足夠的溫度而軟化熱塑性片材。將兩半模閉合起來，熱塑性片材便按照模具表面的形狀成型。將兩半模分開，並將纖維增強材料放在已成型熱塑性片材的一個表面上。再次將兩半模合起來，以形成模具填充空間，並將模塑流體注射到模具填充空間中，以浸漬纖維材料。固化模塑流體，形成熱塑性片材位於製品外表面的剛性層壓複合材料模製品。
在另一個實施方案中，將熱塑性片材置於相對且分離的兩半模之間。兩半模具有互補的成型面，以致將兩半模合起來時，模具表面形成模具填充空間。在將熱塑性片材放於兩半模間之前可先進行軟化。與熱塑性片材相接觸的成型面提供有真空口，用於施加真空將軟化的熱塑性片材成型在模具表面。本實施方案不需要閉合兩半模以成型熱塑性片材。熱塑性片材成型之後，將纖維增強材料置於已成型熱塑性片材的表面。將兩半模合起來形成模具填充空間，並將模塑流體注射到模具填充空間中，以浸漬纖維材料。固化模塑流體，形成熱塑性片材位於製品外表面的剛性層壓複合材料模製品。
在又一個實施方案中，具有互補成型面的第一和第二半模利用各自的成型面彼此相對裝配。當將兩半模閉合起來時，在其中形成模具填充空間以製造所需製品。第一熱塑性片材基本上是按照模具表面的形狀預成型為所需形狀。熱塑性片材和模具表面具有互補的形狀，從而熱塑性片材能夠放置在兩半模之間，並允許兩半模合起來限定模具填充空間。將第一熱塑性片材置於相對且分離的兩半模之間，將纖維增強材料置於熱塑性片材上。使具有與第一熱塑性片材相互補形狀的第二熱塑性片材與增強材料相接觸。所形成的層狀結構包含第一熱塑性片材、增強材料和第二熱塑性片材。兩半模合起來形成模具填充空間。將模塑流體注射到模具填充空間中，以浸漬增強材料。固化模塑流體，形成以熱塑性片材為內表面和外表面的剛性複合材料製品。
複合材料製品通常對於可見表面具有非常高的美觀要求。閉合模具隔膜(moldmembrane)的成型面可能會具有微小缺陷，這將對美觀產生不利影響。希望模製品的裝飾性表面不與模具隔膜的表面直接接觸。這種製品的裝飾性表面可以通過在模具隔膜表面和熱塑性片材的裝飾性表面之間插入柔軟內襯而包容於閉合模具中。內襯材料可以具有單層或多層。合適的柔軟內襯材料的實例包括將塑料膜層壓在海綿背襯上的氈或複合材料、在模塑條件下穩定的熱塑性泡沫或彈性背襯材料。通常，將內襯材料剪裁成一定的圖案，覆蓋模具隔膜並使用膠粘劑固定在膜的表面。柔軟內襯也可適應熱成型工藝期可能發生的已成型熱塑性片材尺寸的少許改變。例如，熱塑性塑料的軟化和硬化可能會導致某種程度的尺寸收縮。如果熱成型片材的冷卻速率變化，就可導致不易控制的片材輕微收縮。收縮對片材與模具隔膜的形狀保持嚴格一致的能力產生不利影響。柔軟內襯彌補了熱成型片材和模具隔膜在尺寸上的細小偏差。
製品還可包含具有各種幾何形狀的固化聚氨酯泡沫增強體，以為構件提供額外的剛性。如果製品是船體，可以使用剛性聚氨酯泡沫增強例如船尾肋板、甲板或座椅，以及船殼。聚氨酯泡沫也為船舶製品提供浮力。當用於增強船體時，某些剛性聚氨酯泡沫增強組件在本領域中也被稱作「桁條(stringer)」或「承力架(logs)」。聚氨酯泡沫增強體可以是預成型的剛性泡沫製品，其位於纖維增強層上。承力架的形狀通常與熱成型熱塑性片材的形狀一致。在注射熱固性樹脂期間，與熱塑性片材形狀相匹配的形狀指出了承力架的位置，從而減少模具閉合之後承力架移位的可能性。可以在熱固性樹脂注入纖維增強材料之前或之後，將剛性泡沫製品放置在纖維增強層上。通常在注入熱固性樹脂之前更便於放置剛性聚氨酯泡沫增強體。剛性聚氨酯泡沫增強體可用額外的纖維增強複合材料層包圍起來。額外的複合材料層有助於使剛性聚氨酯泡沫增強體保持在適當的位置，並進一步加固構件。剛性聚氨酯泡沫增強制品的數量和位置取決於複合材料構件的形狀和尺寸。
適當尺寸的熱塑性片材通過熱成型方法成型，得到與模具形狀一致的形狀，以形成最終的複合材料結構。為了易化熱成型步驟中結構或形狀的成型，可以加熱熱塑性片材。也可以將熱成型模具升溫或加熱到適當溫度，以有效促成熱塑性片材成型。仔細選擇模具溫度，使其與對熱塑性片材有效的溫度相匹配。在某些情況下，所使用的溫度大於熱塑性片材的軟化點。通常，對於熱塑性片材來說，熱成型步驟在高於150°F的溫度，通常為約250°F-約350°F的溫度下進行。
封閉式模塑設備，例如可得自密西根州芬頓的RTM複合材料公司的多重插入加工技術(multiple insert tooling technology)或McCollum等人的美國專利6,143,215中所描述的設備，適合於成型複合材料構件。′215專利設備包括相對且分離的、閉合的、成型面互補的陰陽半模。當這兩半模根據各自的成型面彼此相對安裝時，模具填充空間被限定於其中，以製造所需製品。熱塑性片材可以預成型為基本上與模具表面，尤其是與用來接收熱塑性片材的丙烯酸側的模具表面形狀一致的所需形狀。成型熱塑性片材，使得丙烯酸聚合物層為複合材料結構的外表層，或「外觀」層。熱塑性片材和模具表面具有互補的形狀，從而熱塑性片材能夠安放在兩半模之間，並允許兩半模合起來限定模具填充空間，而模具表面或熱塑性模塑製品很少或不會發生改變或變形。為了防止丙烯酸表面被模具表面意外刮傷，可以在丙烯酸表面和模具表面之間放置柔軟的內襯。
纖維增強材料置於內表面。如果聚氨酯泡沫承力架是構件的組成部分，那麼將其置於纖維增強材料上，並將第二層纖維增強材料覆蓋在承力架上並與第一層纖維增強材料交迭。相對且分離的兩半模合起來形成模具填充空間。將模塑流體注射到模具填充空間中，以浸漬纖維增強材料。模具填充空間基本上是封閉體系，可防止揮發性有機物質從模塑流體中逸出而進入大氣。固化模塑流體，形成剛性複合材料模製品。基本上所有的熱固性材料進行交聯反應並形成固體增強複合材料結構，幾乎沒有揮發性材料留下。
本發明的複合材料構造可以利用開式模塑法或閉式模塑法製得。上述方法舉例說明了一種閉式模塑法，但其他為本領域內技術人員所公知的閉式模塑法，例如真空袋法或多重插入加工法，也可同樣適用。
下面的詳細描述和附圖將會使得本發明的其他細節和優點更清楚。


圖1是模塑設備的部分橫截面，表示在陰陽半模之間成型的熱塑性片材。
圖2是模塑設備的部分橫截面，表示在帶有纖維增強材料的陰半模中成型的熱塑性片材。
圖3是模塑設備的部分橫截面，表示陰陽半模圍繞成型的熱塑性片材閉合以形成模具填充空間。
圖4是模塑設備的部分橫截面，表示置於帶有纖維增強材料的陰半模中的增強材料。
圖5是模塑設備的部分橫截面，表示置於陰陽半模之間的熱塑性片材。
圖6是模塑設備的部分橫截面，表示在帶有纖維增強材料的陰半模中成型的熱塑性片材。
圖7是具有模具填充空間的封閉式模塑設備的部分橫截面，表示位於填充空間中的帶有纖維增強材料的成型熱塑性片材。
圖8是模塑設備的部分橫截面，表示其間具有增強材料的兩層成型熱塑性片材。
圖9是具有模具填充空間的封閉式模塑設備的部分橫截面，表示位於填充空間中的帶有纖維增強材料的兩層成型熱塑性片材。
圖10是帶有真空口的半模的部分橫截面。
圖11是本發明另一實施方案的部分橫截面，表示模具隔膜表面和熱塑性片材裝飾性表面之間的柔軟內襯。
圖12是具有本發明層壓特徵的船體。
圖13是船體構造的橫截面。
圖14是船體構造的部分側面。
圖15是本發明另一實施方案的橫截面。
圖16是本發明另一實施方案的橫截面。
圖17是本發明另一實施方案的橫截面。
圖18是本發明另一實施方案的橫截面。
具體實施例方式
本發明的方法包括將熱塑性片材、纖維增強材料和模塑流體放入模具中以成型複合材料結構單元。
複合材料包括纖維增強體或長纖增強材料。這種材料通常包括由纖維段或長纖材料製成的編織或非編織片材。編織或非編織材料可由纖維成型，或者可用編織或非編織片材中的其他塗料或樹脂浸漬或與之結合。許多天然或合成纖維可用於增強層。天然纖維可包括棉、亞麻、黃麻、knaff和來源於本領域普通技術人員所知的天然來源的其他纖維。同樣，合成纖維可包括聚烯烴纖維、聚酯纖維、聚醯胺纖維和其他這類熱塑性或熱固性纖維材料。並且，其他類型的增強纖維可包括玻璃纖維、碳纖維或其他特種纖維如硼纖維等。
本發明的產品和方法使用熱塑性片材作為內表面層或外表面層來為結構提供裝飾性的或美化的外觀。熱塑性層具有容易納入層狀熱固性結構的優點，並且避免形成凝膠塗層時的固有問題。適用於本發明的熱塑性片材包括厚度約0.5mm-15mm、軟化點約200°F-400°F的片材，製造成可應用於本發明的模塑方法的大矩形片材或輥狀形式。熱塑性片材必須易於處理，並且在本發明的預模塑操作和模塑操作中是可用的。熱塑性片材具有容易納入熱固性結構的優點，並且避免凝膠塗層中的固有問題。適用於本發明的熱塑性片材包括具有厚度至多約2.5mm的丙烯酸膜層和厚度約0.5mm-約15mm的ABS或ABS-丙烯酸合金層。熱塑性片材可具有一個額外層，包含厚度至多2.5mm的熱塑性丙烯酸或ABS-丙烯酸合金。另一種可用的熱塑性片材具有熱塑性丙烯酸層、ASA層和ABS層。可以使用多於三層的熱塑性片材，但是通常並不經濟。該熱塑性片材具有約200°F-約400°F的軟化點。
合適的熱塑性片材可以通過本領域技術人員所熟知的擠出法成型。具有兩層或多層的片材易於利用擠出技術製得，並適合於實施本發明。片材可以製造為大矩形片材或輥狀形式，其可應用於適合形成本發明構件的模塑方法。熱塑性片材必須易於處理，並且可用於熱成型操作和模塑操作，以形成複合材料結構。熱塑性片材的一個重要方面是它可以被放進熱成型模具中，實現最終製品的整體成型。熱成型形狀優選具有很少或沒有氣泡、褶皺、塌陷或丙烯酸聚合物外層光滑表面的其他變形。在成型最終製品時應避免這種表面瑕疵，以提供視覺上具有均勻色密度的光滑均勻表面。
熱塑性片材可為裁片式貯存(cut-sheet stock)、輥進式貯存(roll-fed stock)，或者直接擠出到熱成型模具中的形式。熱塑性片材的厚度可以在約0.5mm-約15mm範圍內。輥進式貯存或直接擠出熱成型通常受片材厚度小於約3mm的限制。本領域的技術人員將基於最終零部件的需要選擇片材厚度。合適的熱塑性材料包括ABS、PVC、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯共聚物(ASA)、丙烯酸酯乙烯苯乙烯共聚物(AES)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、尼龍、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯共聚物、聚乙烯聚丙烯和可為熱塑性材料如合金或層壓材料的組合物的熱塑性片材。示例性的兩層熱塑性材料包括具有ABS層和包含聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯共聚物的層的片材，並且可包括熱塑性彈性體和彈性體共混物。並且，ABS層可與聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯共聚物進行合金化。示例性材料包括可購自肯塔基州佛羅倫斯市的Aristech丙烯酸LLC公司的以商標名ACRYLSTEEL M出售的丙烯酸片材和以商標名ALTAIR PLUS與QUARITE PLUS出售的丙烯酸/ABS層壓片材、可購自賓夕法尼亞州匹茲堡市的拜爾(Bayer)聚合物公司的LUSTRAN ABS752以及可購自密蘇裡州克萊頓市的Spartech公司的WEATHER PRO。層壓材料的丙烯酸部分提供美觀漂亮的外表面。其他合適的片材包括以商標名CENTREX出售的ASA和AES片材和以商標名MAKROLON出售的聚碳酸酯片材，這些都可以購自賓夕法尼亞州匹茲堡市的Bayer公司。具有產品名稱HDPE SP、LDPE SP、HIPS SP的熱塑性聚烯烴片材可購自密蘇裡州克萊頓市的SPARTECH公司。這些片材以不同等級供應，本領域的技術人員懂得如何選擇適於實現製品所需特徵的等級。
一般而言，本發明的方法包括形成纖維增強熱塑性製品，其內表面層或外表面層之一由具有可視的裝飾性美觀層的熱塑性片材形成。在預成型的熱成型模具中引入合適尺寸的熱塑性片材，以得到與最終熱固性結構的模製形狀一致的形狀。可以加熱熱塑性片材，以易於在預成型步驟中結構或形狀的成型。也可以將熱成型模具升溫或加熱到適當溫度，以有效促成熱塑性片材成型。仔細選擇預成型溫度，使其與對熱塑性片材有效的溫度相匹配。在某些情況下，所使用的溫度大於熱塑性片材的軟化點。通常，對於熱塑性片材來說，預成型步驟在約250°F-約350°F的溫度下進行。也可以將熱塑性片材直接引入到模具中，不經過預成型而直接形成複合材料製品。如果片材不是預先成型的，那麼可以在引入到模具中之前，將片材加熱到高於其熱變形溫度的溫度。熱變形溫度可以根據ASTM D-648方法測定，通常由片材供應商指定。
合適的模塑流體包括為本領域技術人員所熟知的熱固性樹脂，還包括能夠進行不可逆化學交聯反應的聚酯、乙烯酯、丙烯酸聚合物、聚環氧化物、氨基塑料、醇酸樹脂、聚醯胺、聚烯烴、聚氨酯、乙烯基聚合物和酚醛樹脂，以及其混合物。可用的聚酯材料的非限定性實例包括可購自俄亥俄州哥倫布市Borden化學品公司的RD-847A聚酯樹脂、可購自華盛頓州Port市Cook複合材料和聚合物公司的STYPOL聚酯樹脂、可購自北卡羅來納州達勒姆市Reichold公司的帶有苯乙烯的POLYLITE聚酯樹脂和可購自義大利科摩市DSM B.V.的NEOXIL聚酯。可以向樹脂中加入各種添加劑，包括固化催化劑、粘度調節劑、脫模劑、填料、顏料、遮光劑等。粘度調節劑可包括第II族金屬的氧化物或氫氧化物，和結晶狀的氫飽和聚酯。
可用樹脂包含下列配方

實施本發明的複合材料模塑設備的特徵在於利用可替換和可重複利用的模具隔膜或外皮。可置換的模具隔膜為製造具有不同形狀的複合材料製品提供成本低廉和易於替換的模具表面，或者僅僅是替換磨損表面。實施本發明的模塑設備在McCollum等人的美國專利5,971,742、6,143,215和6,257,867中進行了描述。在下面的描述中，展示本發明視圖和實施方案的所有圖中的相同部分使用相同的附圖標記表示。
部分地，模塑設備包括一對具有相對且分離關係的半模。圖1表示第一半模1和第二半模3形成為一對相對半模1、3的截面。半模根據其各自的模具表面5、7彼此相對安裝以限定在其中製造所需複合材料製品的模具填充空間。每個半模包括剛性殼體9、11和可移除地安裝到剛性殼體上以形成流體密閉室(fluidtight chamber)17、19的隔膜13、15。隔膜可由玻璃纖維複合材料、增強尼龍、片狀金屬或其他可以本領域技術人員所知的方式方便且廉價地製造、成型或重複成型的合適材料製成。每個半模的隔膜可以是相同或不同的材料。並且，隔膜可以是柔性的，在模塑步驟期間被填充流體(backing fluid)21所支撐，以確保最終製品尺寸恰當。
每個流體密閉室17、19完全充滿不可壓縮的導熱填充流體21。流體21支撐隔膜13、15，並且均勻分布穿過其整個表面的任何注射壓力載荷。由於填充流體21是不可壓縮的，任何施加在隔膜13、15上的力將通過流體傳遞到剛性殼體9、11的壁上。填充流體包括無機流體如水和有機流體如聚乙二醇和聚矽氧烷。填充流體的選擇取決於模塑變量如溫度和壓力。例如，本領域的技術人員了解，隨著模具的工作溫度提高，優選具有較高蒸發溫度和熱穩定性的填充流體。
半模1可包括一個或多個延伸穿過半模1的流道23，以提供所需模塑流體可在壓力下通過其注入模具填充空間的通道。相對的半模也可以包括一個或多個流道。流道的數量和位置取決於模塑製品的構造和所需特徵，以及按照本領域技術人員所理解的方式應用的模塑流體的流動特徵。
根據本發明熱塑性片材25利用主模通過熱成型而成型。用於成型熱塑性片材的熱成型法使公知的，並為本領域技術人員所理解。熱成型條件如加熱速率、成型溫度和冷卻速率會隨所成型的特定片材的性質而改變。例如，片材可能在真空成型步驟中成型，其中片材通過加熱而軟化，放置在主模上，然後通過向軟化的片材施加真空而使得片材形成與主模一致的形狀。主模可提供陽模或陰模的成型面。為主模選擇形狀，以使得模製熱塑性片材的形狀與注射模塑設備模具隔膜的形狀互補。成型片材配置於其中，並與半模所限定的模具填充空間的形狀基本一致。模具隔膜13、15同樣具有陽模和陰模成型面。成型熱塑性片材的陰模特徵與模具隔膜的陽模特徵相互補。
熱塑性片材25可具有裝飾性的美觀表面31，並且裝飾性的美觀表面31設計為最終複合材料製品的外表面。熱塑性片材的組成可以是完全相同的，或者可以是包含膜27在剛性支撐29上的層壓體。例如，膜27可以是丙烯酸類，剛性支撐29可以是ABS。如圖2和3所示，當將片材25置於模具中時，裝飾性表面31與模具隔膜15表面最為接近，並且將增強材料33與裝飾性美觀表面31相對放置。在下述實施方案中，模具隔膜上片材25和增強材料33的位置可以正好相反。增強材料可以與模具隔膜表面最接近，而片材置於增強材料上。確定熱塑性片材和增強材料在注射模塑設備中的特定布置，以使片材的裝飾性美觀表面成為最終複合材料製品的外表面或可見表面。
熱塑性片材25可以是單一熱塑性聚合物、兩種或多種熱塑性聚合物的共混物或合金、兩種或多種熱塑性聚合物的層壓體或者具有泡沫芯的層壓體，如具有固定於泡沫芯的一邊或兩邊的熱塑性片材材料的聚氨酯泡沫。熱塑性層壓體可具有包含裝飾性美觀膜27的表面，其中膜27與用於增強的高抗衝熱塑性基體29相結合。參照圖1-2，半模1、3以開啟的、相對且分開的關係放置，以接收成型的熱塑性片材25。將成型的熱塑性片材25置於半模1、3之間，以使得熱塑性片材25的形狀與模具隔膜13、15的形狀一致，從而允許半模1、3合起來形成封閉狀態。圖2表示置於模具隔膜15上的成型熱塑性片材25。纖維增強材料33放在與成型熱塑性片材7的裝飾性美觀表面31相對的表面37上。纖維增強材料33可以是長纖狀的編織、非編織或縫合的人造或天然纖維，並且可以是切斷股或連續股的預成型氈。合適的纖維包括玻璃纖維、尼龍、聚酯、大麻纖維、knaff等。參照圖3，半模1、3合起來形成模具填充空間35。可以在使熱塑性片材25與模具隔膜15相接觸之前，將纖維增強材料33與熱塑性片材25相接觸，這不會背離本發明的原理。
可以改變填充流體21的溫度，以使所用特定模塑流體的固化速率達到最優。通常，填充流體21的溫度是80°F-200°F。並且，每個半模1、3中填充流體21的溫度可以相同或不同，可以根據經驗基於片材材料和模塑流體的性質進行選擇。在半模1、3合起來形成模具填充空間35之後，將所需模塑流體通過注射流道23注射到模具填充空間35中。注射速率可以通過改變模塑流體的溫度來改變。模塑流體的溫度通常在70°F-150°F範圍內，注射速率通常是每分鐘25-50磅模塑流體。根據為本領域技術人員所熟知的因素，易於確定最佳的注射速率。一旦模具填充空間完全被模塑流體充滿，就停止注射。填充物是否被完全充滿可以利用上面提到的美國專利中描述的方法進行確定。這包括對過量流體通過排氣口(未示出)的排出進行目測，或者通過半模內的壓力傳感器(未示出)監測模塑流體注射過程中的壓力變化。注射壓力的相對急速增加指示模具填充空間35已被充滿。可以調節每個成型面5、7的溫度，以提供最適宜的固化速率，並因此得到最終製品的所需性能，或以其它方式優化模塑工藝。模塑流體的固化通常是放熱過程，並且固化會繼續進行，直到觀察到放熱峰。在樹脂固化之後，將層壓複合材料模塑製品從模具中移除。可以在樹脂完全固化之前移除製品，這不會背離本發明的實質。
在另一個實施方案中，一對半模1、3以相對且分開的關係放置，如第一實施方案中所述。參照圖4，增強材料33放在與模具表面7相接觸的位置。成型的熱塑性片材25放在半模1、3之間，並與增強材料33相接觸。熱塑性片材25具有與模具隔膜5、7的形狀一致的形狀，以使半模1、3合起來形成封閉狀態而形成模具填充空間。熱塑性片材25可以是包含與高抗衝熱塑性基體29相結合的裝飾性美觀膜27的層壓體，提供裝飾性美觀的表面31。裝飾性的美觀膜27提供複合材料製品的外表面。半模1、3合起來形成模具填充空間。將模塑流體注射到填充空間中以浸漬增強材料。固化模塑流體，並將複合材料模製品從模具中移除。
參照圖5-7，在另一個實施方案中，將熱塑性片材57放在半模1、3之間，並將半模1、3合起來使片材57按照模具隔膜13、15的形狀成型。在將片材放在半模1、3之前，可以通過加熱來軟化熱塑性片材57，以使成型步驟更容易進行。作為選擇，可以調節填充流體21的溫度，使其足以在將半模合起來時軟化熱塑性片材57。軟化熱塑性片材57的方法受本領域普通技術人員易於確定的變量如片材厚度、柔性和軟化點的影響。一般來說，在將半模1、3合起來時，小於約5mm厚度的較薄的柔性片材可利用來自於填充流體21的熱量進行軟化。在插入半模之前，厚度超過約5mm的片材可利用熱空氣、紅外加熱器、加熱板或任何傳統方法進行軟化。分離半模1、3，將增強材料33放在成型的熱塑性片材57的表面39上。再次將半模1、3合起來形成模具填充空間35，並將模塑流體注射到填充空間35中。固化模塑流體，並將複合材料模製品從模具中移除。
在另一個實施方案中，形成增強材料夾在第一和第二熱塑性片材之間的複合材料模製品。參照圖8-9，半模1、3以空間分離、相對的關係配置。將第一熱塑性片材41放在半模3中。熱塑性片材基本上按照模具隔膜15的形狀成型。將增強材料33放在熱塑性片材41上。增強材料33可以是所需製品形狀的預成型體。將與第一熱塑性片材41形狀一致的第二熱塑性片材43放在增強材料33上。第一和第二熱塑性片材41、43可以是相同或不同的熱塑性材料。例如，如果最終製品的兩側都可以看到，就可能需要所有的外表面具有美化外觀。然而，如果最終製品只有一側可以看到，那麼只有提供可見表面的片材需要具有美化外觀。將半模1、3彼此相對閉合，使得熱塑性片材41、43和增強材料33在模具填充空間35中形成夾層結構。將模塑流體注射到填充空間35中，固化模塑流體，並將複合材料模製品從模具中移除。
在將熱塑性片材放入封閉式模塑設備中之後，對其施加真空將是有利的。真空使熱塑性片材保持在模具隔膜上的適當位置處，或者可助於將熱塑性片材熱成型為模具隔膜的形狀。如圖10所示，真空口45形成在模具隔膜15中。口45與真空管道47相連，真空管道47與真空泵(未示出)或其他真空源相連。真空口45的數量和位置不是關鍵性的，可以根據其使用意圖改變。例如，如果僅僅是使成型的片材保持在適當的位置，那麼只需要較少的口，而如果是對片材進行熱成型，那麼就會需要較多的口。同樣，真空口可以存在於模具隔膜13、15的其中之一或者兩個上。
參照圖11，可在模具隔膜15上放置可壓縮、不造成磨損的柔軟內襯49。在複合材料製品模塑過程中，柔軟內襯防止熱塑性片材的裝飾性表面被模具隔膜15上的不平處、毛刺或附於其上的碎屑刮傷。柔軟內襯49可具有約3mm-約25mm的厚度，並且可以預成型為模具形狀。然而，如果柔軟內襯49易於符合模具隔膜15的形狀，則不需要進行預成型準備。柔軟內襯49被切割成一定的圖形以適應模具隔膜15，並使用膠粘劑粘接在模具隔膜15上。內襯材料可以包含單一材料如羊毛氈，羊毛氈可購自緬因州桑福德市USFELT，並且有多種適用等級。也可以使用包括泡沫橡膠層的多層內襯材料。橡膠層可以是開孔或閉孔橡膠，包含天然橡膠、氯丁橡膠(NEOPRENE)、SBR、EDPM、聚乙烯、聚氨酯、NPVC和EVA橡膠材料。合適的多層材料是開孔泡沫橡膠，其中一側粘附有塑料膜，可購自康乃狄克州Moosup市Griswold橡膠公司。對於多層柔軟內襯，優選把內襯放在使泡沫橡膠層最接近於模具隔膜並且塑料膜最接近於熱塑性片材裝飾性表面的位置上。至少一側具有裝飾性美觀表面31的已成型熱塑性片材51置於柔軟內襯49上，使得裝飾性的美觀表面31接觸柔軟內襯49。增強材料(未示出)可放在熱塑性片材51的與裝飾性美觀表面31相對的表面55上，半模閉合起來形成模具填充空間，並將模塑流體注射到模具填充空間中，固化形成複合材料製品。柔軟內襯可以應用在熱塑性片材的裝飾性表面和模具隔膜13、15之一或兩者的成型面之間，這不會背離本發明的範圍。
纖維增強複合材料製品的多種應用包括陸地交通工具如汽車、卡車、箱式貨車、公共汽車、野營車和拖車的結構件和裝飾件，包括例如卡車貨廂底板和篷蓋、汽車後座篷蓋、格柵套和車身板；建築結構件和可替換部件，包括浴缸、熱浴盆、淋浴器、淋浴底座和牆面包圍；休閒娛樂用水上船隻，包括船體、甲板、艙口蓋、桅杆、座椅和控制臺；休閒娛樂用設備，如高爾夫球桿頭和桿身、獨木舟和皮船；運動設備，如水滑道、衝浪板、滑雪橇和滑水橇、沙盒；和航空太空飛行器部件。一般來說，在需要強度和耐久性並且需要漂亮或裝飾性外觀的許多應用中，複合材料纖維增強結構是金屬的合適替代品。
本發明的一個複合材料構件是船體。船體的設計在尺寸和形狀上有所變化。特定設計可能需要剛性聚氨酯泡沫增強體(桁條或承力架)，以得到強度、剛性和漂浮性。特定船體設計的承力架尺寸、形狀和數量可以與下述不同。然而，船體構造方面的技術人員理解用於特定設計的結構標準。本發明可用於適合於由模塑複合材料構造的船體。儘管使用船體舉例說明根據本發明的構件，但本領域普通技術人員應認識到本發明的全部範圍不限於特定的物品或形狀，而是包括如上所述的寬範圍應用。
根據本發明的船體包括厚度至多約2.5mm、通常大於1mm-2.5mm的丙烯酸聚合物層和包含厚度為約0.5-約15mm的ABS或ABS-丙烯酸合金熱塑性材料的層。可以包括包含熱塑性丙烯酸聚合物、ASA或ABS-丙烯酸合金的厚度至多約2.5mm的額外層。將包含纖維增強複合材料的層敷貼在作為最終構件的內層的熱塑性材料層上。剛性聚氨酯泡沫增強體可以包括在構件中，並與纖維增強複合材料層相鄰。
片材以各種等級供應，本領域的技術人員理解如何選擇適合於實現最終構件所需性能的等級。片材可以是利用塑料擠出法定製的，從而為特定外觀、結構、強度或模塑工藝提供熱塑性材料任何層數和結合方式。
構件還包括纖維增強體或長纖維增強複合材料層。纖維增強體通常包含由纖維段或長纖材料製成的編織或非編織片材。編織或非編織材料可以由纖維形成，或者可以用編織或非編織片材中的其他塗料或樹脂浸漬或與之結合。多種天然或合成纖維可以用於增強層。天然纖維可包括棉、亞麻、黃麻、knaff和來源於本領域技術人員所公知的天然來源的其他纖維。同樣，合成纖維可包括聚烯烴纖維、聚酯纖維、聚醯胺纖維和其他這種熱塑性或熱固性纖維材料。無機纖維可包括玻璃纖維增強材料、碳纖維增強材料或其他特種纖維如硼纖維等。
纖維增強體灌注模塑流體，然後固化以增強熱塑性製品。合適的模塑流體包括為本領域技術人員所熟知的不飽和熱固性樹脂，還包括能夠進行不可逆化學交聯反應的聚酯、乙烯酯、丙烯酸聚合物、聚環氧化物、氨基塑料、醇酸樹脂、聚醯胺、聚烯烴、聚氨酯、乙烯基聚合物和酚醛樹脂，以及它們的混合物。可用的聚酯材料的非限定性實例包括可購自俄亥俄州哥倫布市Borden化學品公司的RD-847A聚酯樹脂、可購自華盛頓州Port市Cook複合材料和聚合物公司的STYPOL聚酯樹脂、可購自北卡羅來納州達勒姆市Reichold公司的帶有苯乙烯的POLYLITE聚酯樹脂和可購自義大利科摩市DSM B.V.的NEOXIL聚酯。熱塑性表面和已固化的不飽和熱固性樹脂之間的粘結強度可隨熱塑性材料和樹脂的不同組合而變化。製造增強複合材料結構的技術人員理解如何選擇材料以使特定結構的粘結強度達到最佳。可以向樹脂中加入各種添加劑，包括固化催化劑、粘度調節劑、脫模劑、填料、顏料、遮光劑等。粘度調節劑可包括第II族金屬的氧化物或氫氧化物，和結晶狀的氫飽和聚酯。
構件還可包括剛性聚氨酯泡沫增強體，通常稱作「承力架」或「桁條」。桁條用於為複合材料船體提供結構增強和漂浮性。桁條可以是適合於船體設計的任何形狀和尺寸，利用成型聚氨酯泡沫的傳統方法進行成型固化。通常，結構泡沫是雙組分、自膨脹、自固化泡沫，在固化之前擴展至充滿模具。聚氨酯的主要組分是二異氰酸酯和活性氫化合物如多元醇或多胺。異氰酸酯和活性氫官能基團結合形成氨酯鍵。形成聚氨酯泡沫的異氰酸酯化合物可從BASF公司、Bayer集團和PPG廠購得，並具有多種等級。形成泡沫的發泡劑包括「氫化氯氟烴」(HCFC)、水和/或CO2。合適的多元醇化合物在化學結構上差異很大，以提供寬廣範圍的物理性能。典型的多元醇化合物包括聚醚多元醇、多價醇、雙酚化合物、烷醇胺、聚酯多元醇等等。描述用於形成聚氨酯泡沫的組分的選擇標準的有專題論文，如Technomic出版公司的Rigid UrethaneFoam Processing或者Noyes數據公司的Urethane FoamsTechnology and Application。製造聚氨酯泡沫的技術人員懂得如何組合聚氨酯以得到所需性能。
根據本發明的複合材料構件參照圖12-14進行描述。圖12表示具有船側2、翼緣4、船底板6、頷線8和船尾肋板12的船體10。翼緣4可作為船舷上緣或者作為甲板、船體內襯或者其他結構組件的附加面。船側壁2是基本上平坦的表面，並且可能與頷線8形成約85°-105°的角度。船尾肋板12可具有開孔(未示出)，用於安裝機械組件如船底排水泵或船尾驅動器。圖13示出船體10的橫截面，船體10基本上關於船脊14對稱。船體10包括與包含熱塑性丙烯酸聚合物外表層18的船底面21形成一定角度的船側壁2、具有內層19a的熱塑性層20、與內表面19a相鄰的纖維增強複合材料層22和任選的剛性聚氨酯泡沫桁條16。桁條16使用第二纖維增強複合材料層24包圍起來，使得桁條16在模塑過程中保持在所需位置。桁條16可具有與熱塑性層的形狀一致的形狀。圖13中所示桁條16具有突出部分26，與由船底板6形成的船體10內部的凹陷部分28相一致。突出部分26與凹陷部分28相配合，有助於在模塑過程中使桁條16保持在合適的位置。船底面21可能是平坦的或彎曲的。圖14是圖13的局部放大，更詳細地示出了複合材料構件。
圖15表示船體構件的另一實施方案的橫截面，其具有額外的包含丙烯酸聚合物、ASA或ABS/丙烯酸合金的熱塑性材料內層70，並與纖維增強層76相鄰。圖15的構件包括丙烯酸聚合物外層74、相鄰的熱塑性層72、與熱塑性層72相鄰的熱塑性內層70和與內層70相鄰的纖維增強層76。內層70為纖維增強層76提供結合表面78。構件可包括剛性聚氨酯泡沫桁條16。桁條16被包圍在纖維增強複合材料層24中，以使桁條16保持在所需位置。
參照圖16-18描述另一實施方案。圖16表示浴缸40，其具有外側42、內側43a、與內側43a相鄰接的底部48、內凹部44和在一端用於管道連接的孔46。圖17表示浴缸40的橫截面。浴缸40包括熱塑性丙烯酸聚合物外層52、層壓在丙烯酸聚合物層52上的熱塑性層54和與熱塑性層54相鄰的纖維增強複合材料層56。丙烯酸聚合物層52具有美觀漂亮的表面58，根據浴缸40的安裝情況全部或部分可見。浴缸40是具有都可見的凹入和凸出表面的構件實例。圖18表示具有可選的剛性聚氨酯泡沫支撐體60的浴缸40的橫截面。剛性聚氨酯支撐體的形狀和位置可根據其為浴缸提供所需強度和剛性的需要隨浴缸設計而改變。使用纖維增強複合材料層62將剛性聚氨酯支撐體60包圍起來，以在模塑過程中使支撐體60保持在合適的位置。
實施例根據本發明製造複合材料的代表性實施例如下。將可購自密蘇裡州克萊頓市Spartech公司以商標名稱DR/GX 3800出售的、尺寸為3.8mm×1650mm×2030mm的丙烯酸/ABS片材安裝在旋轉式熱成型設備上。丙烯酸表面是裝飾性表面，對片材進行熱成型，使得丙烯酸表面為最終製品的外表面。使片材處於預熱狀態，並在約320°F-約370°F的溫度下加熱。加熱片材，直到達到合適的成型溫度，此時片材開始彎曲下垂。片材必須被軟化，以得到最初的預成型形狀，使得所操作的片材能夠放入模具中，而不會出現間隙、皺褶或其他表面缺陷。使加熱到約170°F的成型主模與軟化的片材接觸，並施加真空。片材成型為主模形狀。使成型的片材冷卻至室溫並變硬。
使用可得自賓夕法尼亞州格林維爾市VEC技術有限公司的封閉式模塑設備製造複合材料製品。該設備包括相對的半模，每個半模具有粘附有隔膜的剛性殼體。隔膜成型為陽模和陰模組件，從而在將半模合起來時形成模具填充空間。每個半模的剛性殼體和隔膜形成流體密閉室。各流體室充滿作為填充流體的水。填充流體支撐隔膜，以確保合適的尺寸，並使溫度調節能夠控制模塑流體的固化速率。
熱塑性片材的形狀符合模具隔膜的形狀，從而使半模能夠合起來形成模具填充空間。每個半模中填充流體的溫度調整到150°F。成型的熱塑性片材放在一個半模中。將約17.6磅的玻璃纖維氈粘附在熱塑性片材的暴露表面，即與隔膜接觸的片材表面相對的片材表面上。將半模合在一起形成模具填充空間。
用於形成模塑流體的樹脂混合物根據下列組成製備實施例1

結果凝膠時間 13′47″出現凝膠峰 21′15″放熱峰 220.8°F
實施例2

結果凝膠時間 45′24″出現凝膠峰 22′15″放熱峰 247.8°F實施例3

結果凝膠時間 76′21″出現凝膠峰 45′36″放熱峰 186.8°F實施例4

結果凝膠時間 22′12″出現凝膠峰 8′25″放熱峰 327.2°F
實施例5

結果凝膠時間104′02″實施例6

結果凝膠時間34′25″
出現凝膠峰 20′22″放熱峰 242.1°F實施例7

結果凝膠時間 35′23″出現凝膠峰 21′37″放熱峰 224.2°F
實施例8

結果凝膠時間 91′35″出現凝膠峰 30′+放熱峰 低於110°F
實施例9

在容器中加熱包含樹脂共混物、催化劑和約0.001磅阻燃劑的模塑流體到82°F。將模塑流體注射到模具填充空間中，以浸漬玻璃纖維增強材料。注射速率為約190英寸-秒-1，直至完全注滿。使模塑流體固化約60分鐘。在約40分鐘(或者如注釋所示)時出現約151°F的放熱峰溫度。分離半模並使複合材料在從模具中移除之前進行空氣冷卻。從模具中移除複合材料之後，可根據需要去除邊緣並切割孔洞處的多餘材料，以完成最終製品的製造。
雖然在這裡公開和描述了本發明的某些實施方案，但是應該理解，在不背離本發明的實質或所附權利要求的範圍的情況下易於對本發明進行改進。
權利要求
1.一種製造模製品的方法，包括以下步驟(a)以空間分離的關係放置包括第一成型模具隔膜的第一半模和包括第二成型模具隔膜的第二半模，其中當第一和第二成型模具隔膜合起來時限定模具填充空間，以成型製品；(b)將熱塑性片材放入模具填充空間，其中熱塑性片材的形狀基本上與模具隔膜的形狀一致；(c)將增強材料放入模具填充空間；(d)閉合第一和第二半模，使得熱塑性片材和增強材料在模具填充空間中接觸；(e)在壓力下向模具填充空間中引入模塑流體；和(f)固化模塑流體。
2.根據權利要求1的方法，還包括在熱塑性片材和模具隔膜之間放置內襯的步驟。
3.一種製造模製品的方法，包括以下步驟(a)以空間相對且分離的關係放置包括第一模具隔膜的第一半模和包括第二模具隔膜的第二半模，其中當第一和第二模具隔膜合起來時限定模具填充空間，以成型製品；(b)使增強材料與第一或第二模具隔膜之一接觸；(c)使熱塑性片材與增強材料接觸，其中熱塑性片材具有基本上與模具填充空間的形狀一致的形狀；(d)彼此相對閉合第一和第二半模，使得熱塑性片材和增強材料在模具填充空間中接觸；(e)在壓力下向模具填充空間中注射模塑流體；和(f)固化模塑流體。
4.一種製造模製品的方法，包括以下步驟(a)將熱塑性片材放入第一半模中，其中所述半模包括第一成型模具隔膜；(b)以空間相對且分離的關係放置第一半模和片材，以及包括第二成型模具隔膜的第二半模，其中當第一和第二成型模具隔膜合起來時限定模具填充空間，以成型製品；(c)閉合第一和第二半模，使得熱塑性片材在模具填充空間中成型；(d)打開第一和第二半模；(e)使增強材料與成型熱塑性片材的表面接觸；(f)彼此相對閉合第一和第二半模，使得熱塑性片材和增強材料在模具填充空間中接觸；(g)在壓力下向模具填充空間中注射模塑流體；和(h)固化模塑流體。
5.一種製造模製品的方法，包括以下步驟(a)將具有一定形狀的第一熱塑性片材放入第一半模，其中所述半模包括第一成型模具隔膜，並且熱塑性片材的形狀基本上與模具隔膜的形狀一致；(b)使增強材料與成型熱塑性片材的表面接觸；(c)使形狀和第一熱塑性片材一致的第二熱塑性片材與增強材料接觸，其中第一熱塑性片材、增強材料和第二熱塑性片材組成層壓體；(d)以空間相對且分離的關係放置第一半模和層壓體，與包括第二成型模具隔膜的第二半模，其中當第一和第二成型模具隔膜合起來時限定模具填充空間，以成型製品；(e)彼此相對閉合第一和第二半模，使得熱塑性片材和增強材料在模具填充空間中形成夾層結構；(f)在壓力下向模具填充空間中注射模塑流體；和(g)固化模塑流體。
6.一種包括異型和多層構造的製品，其結構包括(a)厚度至多約2.5mm的丙烯酸聚合物層；(b)厚度為約0.5mm-約15mm的熱塑性層；和(c)包括纖維增強複合材料的第三層。
7.根據權利要求6的製品，其中丙烯酸聚合物層是構件的暴露的裝飾性外層。
8.根據權利要求7的製品，其中所述第三層與熱塑性層相鄰接。
9.根據權利要求6的製品，其中丙烯酸聚合物層為約0.4mm-約1mm，熱塑性層為約1.5mm-約15mm。
10.根據權利要求6的結構，其中熱塑性層選自ABS、ASA或ABS-丙烯酸合金。
11.根據權利要求6的製品，其中所述結構為浴缸、機動車輛或娛樂設備或航空或航天設備部件的形狀。
12.根據權利要求6的製品，還包括剛性聚氨酯泡沫增強體，並且剛性聚氨酯泡沫被纖維增強複合材料層包圍起來。
13.根據權利要求6的製品，其中複合材料使用天然或合成纖維材料增強。
14.一種包括異型和多層構造的製品，其結構包括(a)厚度至多約2.5mm的第一丙烯酸聚合物層；(b)厚度為約0.5-約15mm的熱塑性層；(c)包括丙烯酸聚合物、ASA或ABS-丙烯酸合金的第三層；和(d)與第三層相鄰接的纖維增強複合材料層。
15.根據權利要求14的製品，其中丙烯酸聚合物層是構件的暴露的裝飾性外層。
16.根據權利要求14的製品，其中第一丙烯酸聚合物層為約0.4mm-約1mm，熱塑性層為約1.5mm-約15mm。
17.根據權利要求14的製品，其中熱塑性層選自ABS、ASA或ABS-丙烯酸合金
18.根據權利要求14的製品，其中結構為浴缸、機動車輛或娛樂設備或航空或航天設備部件的形狀。
19.根據權利要求14的構件，其中複合材料使用天然或合成纖維材料增強。
20.根據權利要求14的製品，還包括剛性聚氨酯泡沫增強體，並且剛性聚氨酯泡沫被纖維增強複合材料層包圍起來。
21.一種包括異型和多層構造的製品，其結構包括(a)厚度至多約2.5mm的第一丙烯酸聚合物層；(b)厚度為約0.5-約15mm的熱塑性ABA或ABS-丙烯酸合金層；(c)包括丙烯酸聚合物、ASA或ABS-丙烯酸聚合物合金的第三層；(d)包括與第三層相鄰接的纖維增強複合材料的第四層；和(e)結構聚合物泡沫增強體。
22.根據權利要求21的製品，其中丙烯酸聚合物層是構件的暴露的裝飾性外層。
23.根據權利要求21的製品，其中第一丙烯酸聚合物層為約0.4mm-約1mm，熱塑性層為約1.5mm-約15mm。
24.根據權利要求21的製品，其中結構為浴缸、機動車輛或娛樂設備或航空或航天設備部件的形狀。
全文摘要
本發明涉及具有光滑、美觀的熱塑性表面的複合材料模製品。本發明還涉及一種提高效率和減少有害氣體汙染物排放的製造複合材料模製品的方法，所述複合材料模製品包含複合材料纖維增強體，具有熱塑性外層的熱固性樹脂材料。該方法包括以下步驟(a)以空間分離的關係放置包括第一成型模具隔膜(5)的第一半模和包括第二成型模具隔膜(7)的第二半模(3)，其中當第一和第二半模合起來時限定模具填充空間，以成型製品；(b)將熱塑性片材(25)放入模具填充空間，其中熱塑性片材的形狀基本上與模具隔膜的形狀一致；(c)將增強材料(33)放入模具填充空間；(d)閉合第一和第二半模，從而得到熱塑性片材。
文檔編號B29C70/86GK1741896SQ200480002612
公開日2006年3月1日 申請日期2004年1月23日 優先權日2003年1月24日
發明者羅伯特·P·麥科勒姆, 希拉茲·西迪, 傑弗裡·J·歐哈拉, 理察·尤金·克拉克 申請人:Vec工業有限公司