[發明專利]在具有增強可模制性的復合材料的前驅體形成過程中對連續碳纖維的改性

有效

• 申請號: 201810945528.4
• 申請日: 2018-08-17
• 公開（公告）號: CN109423703B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: H·G·起亞;S·X·趙
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12;C08J5/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 韋欣華;楊思捷

提供了一種生產用于具有增強可模制性的復合材料的連續碳纖維的方法。形成具有護套和芯的連續前體纖維。護套包括第一聚合物材料。芯包括第二聚合物材料和分布在第二聚合物材料內的多個離散區域。離散區域包括第三聚合物材料。在連續前體纖維被加熱以進行碳化和石墨化之后，連續前體纖維形成連續碳纖維，連續碳纖維具有與芯中的多個離散區域相對應的多個離散弱區域。還提供了由這種改進的連續碳纖維制成的具有增強可模制性的碳纖維復合材料。

引言

該部分提供與本公開相關的背景信息，其不一定是現有技術。

本公開涉及在前體形成期間改性連續碳纖維以形成具有增強可模制性的高強度復合材料的方法。

碳纖維用作輕質增強相以制備高強度輕質聚合物復合材料。碳纖維可以通過碳化或石墨化碳纖維前體材料纖維來生產。作為實例，碳纖維前體可由聚丙烯腈(PAN)、石油瀝青或人造絲前體形成。碳纖維和石墨纖維在不同溫度下制造和熱處理，因此每種碳纖維和石墨纖維具有不同的碳含量。通常，碳纖維被認為是具有至少約90重量％的碳的纖維。

含有碳纖維的復合材料重量輕，強度高。與包含切碎或研磨的碳纖維的復合材料相比，包含連續碳纖維長絲的復合材料具有特別高的強度(例如，超高強度)。雖然超高強度復合材料在某些應用中是非常需要的，但其缺乏流動性和可成形性對于在復合材料中使用連續碳纖維一直是一個挑戰。例如，包含連續碳纖維的復合預浸料可能太硬并因此具有高的流動阻力。這種不靈活性和剛性導致可模制性差，使得難以由具有連續碳纖維的復合材料形成三維形狀。期望形成具有更大柔性、更高流動性并因此具有更大可模制性的連續碳纖維復合材料，其具有容易形成具有超高強度的復雜三維成形部件的能力。

發明內容

本部分提供了對本公開的總體概述，但并未全面公開其全部范圍或其所有特征。

在某些方面，本公開提供了一種制備連續碳纖維的方法，所述連續碳纖維用于具有增強可模制性的復合材料中。該方法可包括形成包括護套和芯的連續前體纖維。護套包括第一聚合物材料，并且芯包括第二聚合物材料和分布在第二聚合物材料內的多個離散區域。多個離散區域包括第三聚合物材料。在連續前體纖維被加熱以進行碳化和石墨化之后，連續前體纖維形成連續碳纖維，該連續碳纖維具有與芯中的多個離散區域相對應的多個離散弱區域。連續碳纖維基本上保持完整，直至形成碳纖維復合材料的模制工藝為止。

在一個方面，形成包括在第一擠出機中擠出第一聚合物材料以形成護套，并在第二擠出機中共擠出第二聚合物材料和第三聚合物材料，以形成所述芯，所述芯具有第三聚合物材料分布在第二聚合物材料內的多個離散區域。

在一個方面，在所述擠出和所述共擠出之后，所述方法還包括通過噴嘴或噴絲頭引入所述第一聚合物材料、所述第二聚合物材料和所述第三聚合物材料，以形成包括所述護套和所述芯的所述連續前體纖維。

在一個方面，所述第三聚合物材料選自由以下組成的組：木質素、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈(PAN)、包括亞微米填料顆粒的聚合物，及其組合。

在一個方面，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料具有相同的組成。

在一個方面，所述第一聚合物材料和所述第二聚合物材料是由丙烯腈單體和選自由以下組成的組的第二單體形成的丙烯酸共聚物：丙烯酸、衣康酸、甲基丙烯酸、乙烯基酯、乙烯基酰胺、乙烯基鹵化物、乙烯基化合物的鹽、磺酸鹽及其組合。

在一個方面，所述多個離散弱區域具有的第一極限拉伸強度比所述連續碳纖維的其余部分具有的第二極限拉伸強度小至少50％。

在一個方面，所述連續前體纖維的所述芯中的第二聚合物材料與第三聚合物材料的比在大于或等于約2且小于或等于約300的范圍內。

在一個方面，所述多個離散弱區域中的每個相應的離散弱區域具有小于或等于約2英寸的長度。