[發明專利]用于代替金屬的高模量高強度高流動性OSU合規性聚醚酰亞胺?碳纖維復合材料

有效

• 申請號: 201380030281.9
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN104350089B
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 穆罕默德·穆尼魯扎曼
• 申請（專利權）人: 沙特基礎全球技術有限公司
• 主分類號: C08J5/04
• 分類號: C08J5/04;C08L79/08;C08L71/00;C08K7/06
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 余剛,張英

技術領域

本發明涉及纖維增強熱塑性復合材料(fiber reinforced thermoplastic composites)及其制造方法，其中，纖維增強熱塑性復合材料包含連續熱塑性聚合物相和分散在連續熱塑性聚合物相中的包含多個碳纖維的分散相，并且連續熱塑性聚合物相包含熱塑性樹脂和流動改性劑。

背景技術

用輕質材料替換金屬是航空業實現燃料經濟性的主要焦點。由于短碳纖維增強熱塑性復合材料重量輕、可注射成型并且復合材料的剛度(stiffness)和強度可以通過調節碳纖維類型且負載在復合材料中而調整，所以對于代替金屬，其具有很大的潛力。對于飛機中的代替金屬應用中的短碳纖維熱塑性復合材料，存在兩個主要挑戰。對于飛機內部應用，材料必須通過包括垂直本生燈試驗、熱釋放試驗以及煙霧試驗的可燃性試驗。歷史上，也稱為OSU(俄亥俄州立大學)試驗的熱釋放試驗是熱塑性塑料最難通過的試驗。其次，在熱塑性塑料中需要高負荷的碳纖維以滿足其中目前正使用鋁或其他金屬的承載部件的剛度和強度要求。這種碳纖維的高負荷引起造成處理困難的復合材料的熔融粘度(熔體粘度)的顯著增加。挑戰在于操縱熱塑性復合材料以實現高模量、高剛度和高流動性的組合，同時維持OSU熱釋放合規性(compliancy)。

因此，對于包含碳纖維的熱塑性復合材料、其裝置及其方法存在需要，其中，熱塑性復合材料具有高模量，例如，類似或大于鋁的比模量；高強度，例如，類似或大于壓鑄鋁的強度的強度；高流動性；并且符合OSU 65/65熱釋放參數。本文中描述了這種熱塑性復合材料、包括熱塑性復合材料的裝置、以及涉及其的方法。

發明內容

根據本發明的一個或多個目的，如在本文中體現和廣泛描述的，在一個方面，本發明涉及包含連續熱塑性聚合物相和分散在連續熱塑性聚合物相中的包含多個碳纖維的分散相的纖維增強熱塑性復合材料，以及纖維增強熱塑性復合材料的制備方法。在進一步的方面，纖維增強熱塑性復合材料具有高模量、高強度、高流動性，并且符合OSU 65/65標準，即，當根據俄亥俄州立大學(OSU)熱釋放試驗(Heat Release test)測定時，復合材料表現出由小于約65kW min/m²的2分鐘總熱釋放和小于約65kW/m²的峰值熱釋放速率表征的熱釋放分布(熱釋放曲線，heat release profile)。在又進一步的方面，本發明涉及制造的包含纖維增強熱塑性復合材料的制品。

本文中公開了纖維增強熱塑性復合材料，包含：a)連續熱塑性聚合物相，包含：i)具有至少約40,000道爾頓的分子量的熱塑性樹脂；以及ii)流動改性劑；以及b)分散在連續熱塑性聚合物相中的包含具有在從38至48百萬磅/平方英寸(million pounds per square inch)(MSI)的范圍內的拉伸模量的多個碳纖維的分散相；其中，復合材料表現出至少約25的比模量(specific modulus)；其中，復合材料表現出至少約226MPa的拉伸強度；并且其中，當根據俄亥俄州立大學(OSU)熱釋放試驗測定時，復合材料表現出由小于約65kW min/m²的2分鐘總熱釋放和小于約65kW/m²的峰值熱釋放速率表征的熱釋放分布。

本文中還公開了纖維增強熱塑性復合材料，包含連續熱塑性聚合物相，包括：a)具有至少40,000道爾頓的分子量的聚醚酰亞胺；以及當在400℃和1000/s的剪切速率(shear rate)的條件下測定時具有小于150帕斯卡-秒(Pa-s)的熔融粘度的聚醚醚酮；以及b)分散在連續熱塑性聚合物相中的包含具有在從38至48MSI的范圍內的拉伸模量的多個碳纖維的分散相；并且其中，復合材料表現出至少約25的比模量；其中，復合材料表現出至少約226MPa的拉伸強度；其中，當在380℃和6.6kg質量的條件下測定時，復合材料表現出至少10g/min的熔體質量流動速率(melt mass-flow rate)(MFR)；并且其中，當根據俄亥俄州立大學(OSU)熱釋放試驗測定時，復合材料表現出由小于約65kW min/m²的2分鐘總熱釋放和小于約65kW/m²的峰值熱釋放速率表征的熱釋放分布。