[發(fā)明專利]熱塑性材料和工具的表面工程

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380054655.0
• 申請(qǐng)日: 2013-10-17
• 公開（公告）號(hào): CN104736328A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 詹姆斯·弗朗西斯·普拉特;史考特·艾弗雷·羅杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 塞特工業(yè)公司
• 主分類號(hào): B29C70/38
• 分類號(hào): B29C70/38;B29C70/08;B29C37/00;B29C33/56;B29C41/08;B32B37/26
• 代理公司: 北京律盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11287
• 代理人: 劉鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的標(biāo)的物涉及纖維增強(qiáng)的熱塑性塑性復(fù)合材料，并且特定來說將表面層聚合物涂層施加到復(fù)合物形成模制工具上或施加到纖維增強(qiáng)的熱塑性預(yù)浸體復(fù)合材料上以增強(qiáng)預(yù)浸體在用于預(yù)浸體形成或原位自動(dòng)化鋪設(shè)膠帶布置的所述復(fù)合物形成模制工具上的第一夾層鋪設(shè)。在自動(dòng)化鋪設(shè)期間或之前原位施加所述表面層聚合物涂層還可在纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料的每一層之間提供有益的富樹脂層間層。所述表面層聚合物涂層優(yōu)選是熱塑性顆粒，其通過等離子噴霧施加到模制工具或預(yù)浸體上以形成熱塑性顆粒的實(shí)質(zhì)上融合層。更具體來說，在某些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及用于快速層壓和形成工藝的纖維增強(qiáng)的分層熱塑性預(yù)浸體，其中所述纖維增強(qiáng)的熱塑性預(yù)浸體可用于航空和其它高性能汽車/工業(yè)應(yīng)用中。

背景技術(shù)

增強(qiáng)的熱塑性和熱固性材料已廣泛應(yīng)用于(例如)航空、汽車、工業(yè)/化學(xué)和體育用品工業(yè)。在固化之前將熱固性樹脂浸漬于纖維增強(qiáng)材料中，而樹脂性材料具有低粘度。熱固性復(fù)合物具有一定缺點(diǎn)，包含與去除夾帶空氣或揮發(fā)物以產(chǎn)生無空隙基質(zhì)有關(guān)的處理問題。通過預(yù)浸漬方法制得的熱固性復(fù)合物需要漫長(zhǎng)的固化時(shí)間與交替壓力以在樹脂固化時(shí)控制其流動(dòng)，從而防止在基質(zhì)中出現(xiàn)氣泡。盡管傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制作手動(dòng)將熱固性預(yù)浸體夾層布置于工具上，但當(dāng)前大結(jié)構(gòu)的制作利用機(jī)器人將熱固性復(fù)合材料布置于工具上以增加產(chǎn)生速率。結(jié)構(gòu)組份的總產(chǎn)生速率受限于高壓釜工藝步驟中的漫長(zhǎng)固化和制備用于所述工藝步驟的材料的相關(guān)操作。一些高容量工藝(例如樹脂輸注)避免了預(yù)浸漬步驟，但仍需要特殊設(shè)備和材料以及在固化時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)工藝(例如美國(guó)專利第4,132,755號(hào)和第5,721,034號(hào))。

熱塑性樹脂組合物較難以浸漬到纖維增強(qiáng)材料中，因?yàn)槠湔扯认鄬?duì)高于熱固性樹脂組合物。另一方面，熱塑性樹脂組合物提供許多優(yōu)于熱固性樹脂組合物的益處。舉例來說，熱塑性預(yù)浸體可更快速地制作成物件，并且使用纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行制作可利用機(jī)器人自動(dòng)化鋪設(shè)膠帶將纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料布置于模制工具上以增加產(chǎn)生速率。此可經(jīng)由多步驟機(jī)器人臂來實(shí)現(xiàn)，其中預(yù)熱纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料的先前層，然后加熱纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料的后續(xù)層并將其鋪設(shè)于先前層的頂部。

熱塑性樹脂是具有高分子量的長(zhǎng)鏈聚合物，其在熔化時(shí)具有高粘性且其流動(dòng)行為通常是非牛頓性(non-Newtonian)。因此，盡管熱固性材料的粘度在100厘泊到5,000厘泊(0.1Pa*s到5Pa*s)的范圍內(nèi)，但熱塑性材料的熔體粘度范圍為5,000厘泊到20,000,000厘泊(5Pa*s到20,000Pa*s)且更通常地20,000厘泊到1,000,000厘泊(20Pa*s到1000Pa*s)。盡管熱固性材料與熱塑性材料之間的粘度差為三個(gè)數(shù)量級(jí)，但一些工藝已應(yīng)用到兩種類型的基質(zhì)中以用于層壓纖維性材料。

可通過以下步驟來制造纖維增強(qiáng)的塑性材料：首先使用樹脂浸漬纖維增強(qiáng)物以形成預(yù)浸體，然后任選地利用額外形成步驟使兩個(gè)或更多個(gè)預(yù)浸體固結(jié)為壓層。一些工藝將熔體直接施加到纖維上。可通過以下步驟來制備膠帶：使用聚合物涂覆準(zhǔn)直纖維的干燥網(wǎng)片且施加加熱工藝以迫使聚合物進(jìn)入纖維中并環(huán)繞纖維(例如參見美國(guó)專利第4,549,920號(hào)和第4,559,262號(hào))。用于涂覆和浸漬準(zhǔn)直纖維的干燥網(wǎng)片的另一工藝是通過牽拉網(wǎng)片穿過精細(xì)熱塑性聚合物顆粒的水性漿液，由此將聚合物顆粒陷獲于絲束內(nèi)。隨后，工藝中的熱和壓力使水蒸發(fā)且然后使聚合物熔化以迫使其進(jìn)入絲束中并環(huán)繞絲束。此工藝描述于美國(guó)專利第6,372,294號(hào)、第5,725,710號(hào)、第4,883,552號(hào)和第4,792,481號(hào)中。對(duì)水性漿液浸漬工藝的修改消除使用水和表面活性劑作為聚合物顆粒的分散劑且改為使空氣流化床中的顆粒帶靜電以將顆粒陷獲于絲束中。隨后的熱和壓力區(qū)使聚合物熔化以涂覆/浸漬絲束，如美國(guó)專利第5,094,883號(hào)中所給出。因此，對(duì)于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說，考慮到可用工藝設(shè)備和聚合物產(chǎn)物形式(薄片、精細(xì)粉末、膜、非織造覆面、沉淀物)和熔體粘度的適當(dāng)選擇，存在多種涂覆和/或浸漬纖維性襯底的方法。

熱塑性和熱固性復(fù)合物二者均可形成為薄柔性片材或條帶，稱為膠帶。此允許通過將復(fù)合膠帶鋪設(shè)于模制工具中來形成復(fù)合組件，其中組件厚度根據(jù)所鋪設(shè)復(fù)合膠帶的層數(shù)而局部變化，并且還可控制膠帶中一或多個(gè)層的方向以控制所形成復(fù)合組件的最終結(jié)構(gòu)性質(zhì)。然后將所鋪設(shè)組件“固結(jié)”，所述工藝情形涉及加熱復(fù)合結(jié)構(gòu)以使熱固性或熱塑性基質(zhì)軟化到足夠程度以形成單一的一致性基質(zhì)，并且向經(jīng)軟化基質(zhì)施加足夠壓力以從基質(zhì)逐出任何陷獲空氣。