CN101163584A - 使用气流成网工艺和湿玻璃的夹层复合材料 - Google Patents
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Abstract
提供了由将芯层(310)设置在第一和第二表层(320，330)之间形成的夹层复合材料(300)。所述芯层或者所述第一和第二表层由包括增强纤维和有机纤维的复合材料形成。优选地，所述增强用纤维是湿法应用的短切玻璃纤维。所述复合材料可以如下形成：将增强纤维开松，将增强纤维和有机纤维共混，将增强纤维和有机纤维成型为片材，和将片材粘合。可以通过粘合剂或树脂粘合层使所述芯层和第一与第二表层附着。所述夹层复合材料可以包括与所述第一和第二表层之一或两者的暴露的主表面粘贴的覆面层。可以通过改变所存在的纤维的用量和/或类型改变所述夹层复合材料的强度、刚性和载荷形变。
Description
本发明的技术领域和工业实用性
本发明一般性地涉及复合材料产品，更具体地说，涉及包括至少一个由增强用纤维和有机纤维形成的层(其可以用作覆面材料或芯部材料)的夹层复合材料。
发明背景
玻璃纤维可用于多种技术。例如，玻璃纤维用作聚合物基体中的增强材料以形成玻璃纤维增强的塑料或复合材料。玻璃纤维已经以连续或短切长丝、股、粗纱、机织物、无纺织物、网和纱布形式使用以增强聚合物。玻璃纤维通常用作聚合物基体中的增强材料以形成玻璃纤维增强的塑料或复合材料，原因在于它们提供尺寸稳定性，因为它们不会响应变化的大气条件发生收缩或伸展。此外，玻璃纤维具有高的拉伸强度、耐热性、防潮性和高的导热性。
玻璃纤维增强的塑料复合材料的一种应用是在夹层结构板中。夹层结构板是薄的高强度覆面层位于较厚的轻质芯部材料的每一侧上的结合物，它提供绝缘性能、声音衰减性能和结构性能。该芯部材料吸收通常由载荷产生的剪切力并将它们分布在大的面积上。因此，芯层应该足够地刚性并且具有良好的剪切强度。覆面层通常由玻璃纤维增强的塑料(FRP)形成。通常，采用粘合剂或机械紧固件将所述芯层和覆面层结合以致它们可以充当承载装置。
常规夹层结构板的实例在下面给出。
Blanpeid等人的美国专利No.4,459,334公开了复合板，其包括发泡塑料材料的芯和在该芯的至少一个面上的表层，该表层由铝箔与无规取向的玻璃纤维的毡相粘合的双层材料形成。由所述芯部材料和所述双层表层形成的板材被认为具有优异的隔热和阻燃性能。
O′Neill的美国专利No.4,910,067公开了结构材料，其由热塑性塑料层、与该热塑性塑料层分隔的纤维材料层和设置在该两层之间的空间中的泡沫塑料芯形成。树脂将纤维材料层浸渍和保持在一起以形成纤维增强的树脂结构。该泡沫塑料芯和纤维增强的树脂结构由能够具有发泡特性和树脂特性的芯部材料整体地形成。
Sanmartin等人的美国专利No.4,937,125公开了由芯插入外表层和内表层之间形成的夹层结构，该夹层结构设计用来抵抗冲击和热侵蚀。
Brambach的美国专利No.5,186,999描述了由芯部材料夹在两个增强的顶层之间形成的片状夹层材料。该芯层是热塑性发泡材料或具有蜂窝状结构的材料。该顶层由用纤维增强的热塑性合成塑料材料形成。在压力下穿过一个顶层将是塑性材料的至少一种局部增强材料注入芯层。
Tsotsis的美国专利No.5,460,865描述了由围绕着薄的轻质中间层设置的薄的上层蜂窝状芯和下层蜂窝状芯的结合物形成的杂化板，所述下层蜂窝状芯的密度等于或低于所述上层芯的密度。蜂窝状芯和轻质中间层的结合物设置在两个外表层内。
Ueda等人的美国专利No.6,743,497公开了具有蜂窝状芯、前表面层和后表面层的夹层板，其将该蜂窝状芯夹在其上和下表面之间。前表面层和后表面层中至少之一由使用酚醛树脂作为基体的纤维增强的塑料制成。
Wedi的美国专利No.6,753,061公开了由中心层和一个或两个外层形成的柔性夹层材料。该中心层由聚合物合成材料制成，所述聚合物合成材料是柔性的并且显示蜂窝状结构。该外层由硬化砂浆形成，所述硬化砂浆由于合成添加剂而变得是柔性的，并且所述外层使纤维网幅材料作为它们的芯。
Preisler等人的美国专利公开No.2003/0197400A1公开了夹层类增强复合材料内部屋面板。该内部屋面板包括由增强的热塑性材料制成的上表层，由热塑性材料制成的多孔芯和由增强的热塑性材料制成的底表层。
Preisler的美国专利公开No.2003/0205917A1公开了夹层类载重底板。该载重底板包括由增强的热塑性塑料材料制成的承载上表层，增强用板条(它们各自由增强的热塑性复合材料或挤拉型材(pultrusion)制成)的上骨架框架结构，由热塑性材料制成的多孔芯，增强用板条(增强的热塑性复合材料或挤拉型材)的下骨架框架结构，和由增强的热塑性材料制成的下表层。
虽然现有技术中存在许多夹层结构板，但是现有的夹层板都没有提供足够的强度、刚性、载荷形变(load deflection)和足够的声音衰减性能、或调节该夹层板以满足所需的强度和声学要求的能力。因此，存在对以下夹层复合材料的需要，该夹层复合材料显示优异的声音衰减性能、改进的结构和热性能，并且是轻质和低成本的。
发明概述
本发明的一个目的是提供夹层复合材料的形成方法，包括在第一表层和第二表层的主表面之间设置芯层和将该芯层粘贴到所述第一和第二表层上。在至少一个示例性实施方案中，所述第一和第二表层由包括脱水增强纤维和有机纤维的复合材料形成。形成所述第一和第二表层的复合材料可以是相同的或不同的。在至少一个另外的示例性实施方案中，所述芯层由所述复合材料形成。所述复合材料可以如下形成：将湿增强纤维的束开松和将存在于所述湿增强纤维中的至少一部分水除去以形成脱水的增强纤维。将所述脱水的增强纤维与有机纤维共混，如在高速空气流中进行共混，以形成增强纤维和有机纤维的基本上均匀的混合物。然后将该混合物输送到片材成型机中并成型为片材。将脱水的增强纤维的至少一些和有机纤维粘合以形成复合材料。优选地，所述增强用纤维是湿法应用的短切玻璃纤维。可以将覆面层或表面覆盖物粘贴到所述第一和第二表层之一或两者的暴露的主表面上。
此外，本发明的另一个目的是提供包括至少一个由复合材料形成的层的夹层复合材料，所述复合材料包括脱水的增强纤维和有机纤维。所述夹层复合材料由将芯层设置在第一和第二表层之间形成。在至少一个示例性实施方案中，第一和第二表层由复合材料形成，芯层可以是泡沫塑料、轻木(balsa wood)、纸、纸板、铝、耐纶纸(nomex)或玻璃增强的热塑性塑料(GMT)。在至少一个另外的示例性实施方案中，芯层由复合材料形成，第一和第二表层是复合材料板或聚合物板。可以通过粘合剂、粘合层或其它通常已知的固定技术如超声波或振动焊接将芯层和第一与第二表层附着。可以将覆面层或表面覆盖物粘贴到所述第一和第二表层之一或两者的暴露的主表面上。
本发明的一个优点是：通过存在于复合材料中的纤维的特定结合可以改变或改进夹层复合材料的强度、刚性、载荷形变和声学要求，并且因此可以调节上述性能来满足特定应用的需要。例如，通过改变复合材料中所使用的增强用纤维和/或有机纤维的用量和/或类型，该复合材料提供能够优化和/或调节为特定应用所需要的夹层复合材料的物理性能(如刚性和/或强度)的能力。
本发明的另一个优点是：通过改变增强纤维和/或有机纤维的重量，改变增强纤维含量和/或增强纤维的长度或直径，或改变复合材料中使用的有机纤维的纤维长度和/或旦尼尔，该复合材料提供能够优化和/或调节为特定应用所需要的夹层复合材料的物理性能(如刚性、载荷形变或强度)的能力。
本发明的另一个优点是：通过在此描述的方法形成的复合材料具有均匀或基本上均匀分布的纤维，从而为夹层复合材料提供了改进的强度以及改进的声学和热学性能、刚性、载荷形变、和耐冲击性。
本发明的又一个优点是：当湿法应用的短切玻璃纤维用作增强用纤维材料时，由于所述玻璃纤维中存在的水分，可以在几乎不产生静电的情况下容易地将所述玻璃纤维开松和纤维化。
本发明的另一个优点是：使用湿法应用的短切玻璃纤维在例如本文描述的干法成网工艺中形成的复合材料具有更高的膨松度(增加的孔隙率)。增加的孔隙率减小了复合材料的密度，同时，提供增加的相对刚性和吸音性。
此外，一个优点是：在本文描述的干法成网工艺中使用的湿法应用的短切玻璃纤维制造起来比干燥短切纤维更廉价，因此，能够以更低的成本制造夹层复合材料。
本发明的上述和其它的目的、特征和优点将通过考虑随后的详细描述而更完全地显而易见。然而，应当清楚地理解，所述附图用于说明性目的，而不应认为是限制本发明的范围。
附图简述
本发明的优点将在考虑本发明以下详述公开内容后变得显而易见，尤其是当结合附图考虑时，其中：
图1是示出根据本发明至少一个示例性实施方案的干法成网工艺中使用湿增强纤维的步骤的流程图；
图2是根据本发明至少一个示例性实施方案的使用湿增强纤维形成复合材料的气流成网工艺的示意图；
图3是根据本发明至少一个示例性实施方案的夹层复合材料的示意图，其中通过图2描述的工艺形成的复合材料用作外表层；和
图4是根据本发明至少一个示例性实施方案的夹层复合材料的示意图，其中通过图2示出的工艺形成的复合材料用作夹层复合材料中的芯层。
本发明的详细描述和优选实施方案
除非另有限定，本文所使用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然与本文描述的那些类似或等效的任何方法和材料在本发明的实践或测试中可以使用，但是本文描述的是优选的方法和材料。
附图中，为了清楚性，线、层和区域的粗度可以放大。应当注意在所有附图中发现的相同数字表示相同元件。仅为了解释的目的，在此使用术语“顶部”、“底部”、“侧面”等。应理解，当例如层、区域、或板的元件被称为在另一个元件“上”时，其可以直接位于所述另一个元件上，或者可以存在插入的元件。如果元件或层被描述为“邻近”或“靠近”另一个元件或层，那么应理解，该元件或层可以直接邻近或直接靠近所述另一个元件或层，或者可以存在插入的元件。还应理解，当例如层、或元件的元件被称为在另一个元件之上时，其可以直接位于所述另一个元件之上，或者可以存在插入的元件。此外，术语“增强用纤维”和“增强纤维”在本文中可以互换地使用。
本发明涉及包括至少一个由复合材料形成的层的夹层复合材料，所述复合材料包括增强用纤维和有机纤维。该复合材料可以用作夹层复合材料中的表层或芯层。
在复合材料中使用的增强纤维可以是适合于提供良好的结构质量以及良好的声学和热学性能的任何类型的有机或无机纤维。可以用于复合材料的增强纤维的非限制性实例包括玻璃纤维、羊毛玻璃纤维(wool glass fiber)、天然纤维、纤维素纤维，金属纤维、陶瓷纤维、矿物纤维、碳纤维、石墨纤维、纳米纤维或它们的结合物。与本发明结合使用的术语“天然纤维”是指从植物的任何部分包括但不限于茎、种子、叶、根或韧皮提取的植物纤维。在复合材料中，增强纤维可以具有相同的或不同的长度、直径和/或旦尼尔。优选地，增强用纤维是玻璃纤维。
用于复合材料的增强纤维可以具有大约5-大约100mm的长度，甚至更优选大约10-大约50mm的长度。此外，增强用纤维可以具有大约8-大约25微米的直径，优选具有大约12-大约18微米的直径。在复合材料内的增强用纤维可以彼此具有不同的长度(长径比)和直径。增强用纤维在复合材料中的存在量可以为全部纤维的大约20-大约80wt％，优选以大约40-大约60wt％的量存在。
此外，复合材料包括至少一种有机纤维。存在于复合材料中的有机纤维可以包括聚合物类热塑性纤维，例如但不限于，聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、聚苯硫醚(PPS)纤维、聚氯乙烯(PVC)纤维、乙烯乙酸乙烯酯/氯乙烯(EVA/VC)纤维、丙烯酸低级烷基酯聚合物纤维、丙烯腈聚合物纤维、部分水解的聚乙酸乙烯酯纤维、聚乙烯醇纤维、聚乙烯基吡咯烷酮纤维、苯乙烯丙烯酸酯纤维、聚烯烃、聚酰胺、聚硫化物、聚碳酸酯、人造纤维和尼龙。有机纤维可以采用酸性基团官能化，例如，通过用酸如马来酸或丙烯酸进行羧基化，或者可以通过添加酸酐基团或乙酸乙烯酯将该有机纤维官能化。可选地，有机纤维还可以采取薄片、颗粒或粉末形式而不是呈聚合物纤维形式。在一些实施方案中，除了有机纤维之外，还可以添加呈薄片、颗粒和/或粉末形式的树脂。
复合材料中可以存在一种或多种有机纤维。在复合材料内的有机纤维可以具有相同或不同的长度、直径和/或旦尼尔。通过改变有机纤维的长度和/或旦尼尔可以调节复合材料的声学性能、刚性、载荷形变和强度。此外，可以改变存在于复合材料中的不同有机纤维的比例以获得特定的机械、声学和热学性能。
有机纤维可以具有大约10-大约100mm的长度，优选具有大约10-大约50mm的长度。此外，有机纤维可以具有大约2-大约25旦尼尔，优选大约2-大约12旦尼尔的旦尼尔。聚合物纤维在复合材料中的存在量可以为全部纤维的大约20-大约80wt％，优选以大约40-大约60wt％的量存在。
一种或多种有机纤维可以是多组分纤维如双组分聚合物纤维、三组分纤维、或塑料涂敷的矿物纤维如热塑性塑料涂敷的玻璃纤维。双组分纤维可以壳-芯、并排、天星状或扇形嵌段结构排列。优选地，按壳-芯结构形成双组分纤维，其中壳由第一聚合物纤维形成，该第一聚合物纤维基本上包围由第二聚合物纤维形成的芯。不需要壳纤维完全地包围芯纤维。第一聚合物纤维具有比第二聚合物纤维的熔点更低的熔点，以致当加热双组分纤维时，第一和第二聚合物纤维发生不同的反应。具体来说，当将双组分纤维加热到大于第一聚合物纤维(壳纤维)的熔点但小于第二聚合物纤维(芯纤维)的熔点的温度时，第一聚合物纤维将软化或熔融而第二聚合物纤维保持完好。第一聚合物纤维(壳纤维)的这种软化将使第一聚合物纤维变为粘性的，并且将第一聚合物纤维自身和其它可能紧密相邻的纤维粘合。
很多的材料结合物可以用来制造双组分聚合物纤维，例如但不限于，使用聚酯、聚丙烯、聚硫化物、聚烯烃和聚乙烯纤维的结合物。双组分纤维的具体的聚合物结合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯和聚丙烯/聚乙烯。其它的非限制性双组分纤维实例包括共聚聚酯聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(coPET/PET)、聚1，4-环己烷二甲基对苯二甲酸酯/聚丙烯(PCT/PP)、高密度聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(HDPE/PET)、高密度聚乙烯/聚丙烯(HDPE/PP)、线性低密度聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(LLDPE/PET)、尼龙6/尼龙6，6(PA6/PA6，6)和二醇(glycol)改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(6PETg/PET)。
双组分聚合物纤维可以具有大约1-18旦尼尔的旦尼尔和大约2-大约4mm的长度。优选第一聚合物纤维(壳纤维)具有大约150-大约400，优选大约170-大约300的熔点。第二聚合物纤维(芯纤维)具有更高的熔点，优选大于大约350。双组分纤维可以用作复合材料的组分或它们可以用作复合材料中存在的有机纤维。
复合材料可以由无规取向的增强纤维和有机纤维的气流成网、湿法成网或熔喷非织造毡或网形成。在至少一个示例性实施方案中，通过干法成网工艺形成复合材料，例如通过EnamulHaque的标题为“Development Of Thermoplastic Composites Using Wet Use ChoppedStrand Glass In A Dry Laid Process”的美国专利公开No.2005-0082721中描述的干法成网工艺形成。在优选的实施方案中，用来形成复合材料的增强用纤维是湿增强用纤维，最优选湿法应用的短切玻璃纤维。用作增强纤维的湿法应用的短切玻璃纤维可以通过本领域中已知的常规方法形成。希望的是，所述湿法应用的短切玻璃纤维具有大约5-大约30％的水分含量，更优选具有大约5-大约15％的水分含量。
湿法应用的短切玻璃纤维的使用提供优于常规干法成网玻璃工艺的成本优势。例如，湿法应用的短切玻璃纤维制造起来比干燥短切纤维如干法应用的短切玻璃纤维(DUCS)更廉价，原因在于在切短之前通常在分开的步骤中将干燥纤维干燥和包装。因此，湿法应用的短切玻璃纤维的使用使得能够以更低的成本制造复合材料和随后的夹层复合材料。
形成根据本发明的复合材料的示例性工艺在图1中概括性地示出，并且包括：将增强纤维和有机纤维至少部分地开松(步骤100)，将增强纤维和有机纤维共混(步骤110)，将增强纤维和有机纤维成型为片材(步骤120)，任选地将该片材针刺(步骤130)，和将增强纤维和有机纤维粘合(步骤140)。
增强用纤维和有机纤维通常以单根纤维的束的形式聚集。湿玻璃增强用纤维通常以单根纤维的“箱子(box)”形式聚集。在形成复合材料的过程中，增强用纤维的束和有机纤维的束可以通过工业中常用的开松系统，如束开松系统，进行开松。开松系统既用来将聚集的纤维分离又用来增强纤维与纤维的接触。
现转到图2，可以看到湿增强纤维200和有机纤维210的开松。分别将通常呈束形式的湿增强用纤维200和有机纤维210进料到第一开松系统220和第二开松系统230，以至少部分地将湿增强用纤维200和有机纤维210开松和/或成丝(个体化)。虽然图1和2中描述的示例性工艺示出了通过第二开松系统230将有机纤维210开松，但是如果有机纤维210以成丝的形式存在或获得，而不是呈束的形式，则可以将有机纤维210直接地进料到纤维传输系统250(没有示出的实施方案)。此种实施方案被认为在本发明的范围之内。
在其中有机纤维210呈薄片、颗粒或粉末(未示出)形式并且不呈纤维形式的可选实施方案中，第二开松系统230可以被适合于将薄片、粉末或颗粒分配到纤维传输系统250的设备替代，以致这些树脂材料可以与增强纤维200混合。本领域的技术人员将容易地识别适合的分配设备。在其中除了有机纤维210之外(不是代替)还使用呈薄片、颗粒或粉末形式的树脂的实施方案中，不需要用分配薄片、颗粒或粉末的设备替代第二开松系统230。
第一和第二开松系统220、230优选是束开松机，但是可以是适合于将湿增强纤维200的束和有机纤维210的束开松的任何类型的开松机。开松机的设计取决于待开松的纤维的类型和物理特性。用于本发明的适合的开松机包括有或者没有称重设备的任何常规标准类型的束开松机。当部分开松的纤维穿过束开松机时，称重设备用来连续地称重部分开松的纤维以监测进入下一个加工步骤的纤维的量。束开松机可以安装有各种精细开松机、一个或多个刺辊转筒或锯齿转筒、进料辊、和/或进料辊和凸杆的组合。
然后可以将部分开松的湿增强纤维200从第一开松系统220计量加入或进料到冷凝装置240以从湿纤维中除去水。在示例性的实施方案中，除去了大于约70％的游离水(增强纤维外部的水)。然而，优选由冷凝装置240除去基本上所有的水。应该指出的是，本文所使用的措词“基本上所有的水”表示全部或几乎全部的游离水被除去。冷凝装置240可以是本领域中已知的任何已知的干燥或除水设备，例如但不限于，空气干燥器、烘箱、辊、抽吸泵、加热的鼓式干燥器、红外加热源、热鼓风机或微波发射源。
在增强纤维200已经通过冷凝装置240之后，所述纤维可以通过另一个开松系统，例如如上所述的束开松机，以进一步使增强纤维200成丝和分离(没有示出的实施方案)。
可以通过纤维传输系统250将增强用纤维200和有机纤维210共混在一起。在优选的实施方案中，在高速空气流中将纤维共混。纤维传输系统250既用作将增强用纤维200和有机纤维210运输到片材成型机270的管道，又用作将增强用纤维200和有机纤维210基本上均匀混合的管道。尽可能均匀地分布增强用纤维200和有机纤维210是合乎需要的。进入纤维传输系统250的增强用纤维200和有机纤维210的比例可以通过称重设备例如以上关于第一和第二开松系统220、230所述的称重设备进行控制或通过纤维穿过第一和第二开松系统220、230的量和/或速度进行控制。在优选的实施方案中，存在于空气流中的增强用纤维200与有机纤维210的比例为50∶50(分别对应增强用纤维200和有机纤维210)。然而，应理解，存在于空气流内的纤维的比例将取决于最终产品的所需结构和声学要求而改变。
在本发明的一些实施方案中，取决于复合材料的所需组成，其它类型的纤维如短切粗纱、干法应用的短切玻璃纤维(DUCS)、天然纤维(例如黄麻、大麻和洋麻)、芳族聚酰胺纤维、金属纤维、陶瓷纤维、矿物纤维、碳纤维、石墨纤维、聚合物纤维或它们的结合物可以通过附加的开松机(未显示)进行开松和成丝、添加到纤维传输系统250、和与增强纤维200和有机纤维210混合。当添加这些附加的纤维时，在纤维传输系统250中的纤维的至多大约25％由这些附加的纤维组成。
可以将离开纤维传输系统250的增强用纤维200和有机纤维210的混合物输送到片材成型机270，其中将纤维成型为片材。在进入片材成型机270之前，可以通过纤维传输系统250将共混的纤维输送到填充箱塔260，其中如通过计算机监测的电子称重设备按体积将增强用纤维200和有机纤维210进料到片材成型机270。填充箱塔260可以位于片材成型机270的内部或它可以设置在片材成型机270的外部。填充箱塔260还可以包括挡板以进一步在进入片材成型机270之前将增强纤维200和有机纤维210共混和混合。在一个示例性的实施方案(未显示)中，将增强用纤维200和有机纤维210的混合物吹送到一个或一系列覆盖有细线或齿的鼓上，以在纤维进入片材成型机260(未示出)之前将纤维梳理成平行排列，如在精梳工艺中那样。
此外，可以将通过片材成型机270形成的片材输送到第二片材成型机(未显示)。第二片材成型机帮助在片材中分布增强纤维200和有机纤维210。附加的片材成型机的使用可以增加成形片材的结构完整性。
在一些实施方案中，带有冷凝器和分配输送机的片材成型机270可用来实现进入填充箱塔260的更高的纤维进料和增加的通过填充箱塔260的空气体积。为了实现开松的纤维的改进的横向分布(cross-distribution)，分配输送机可以相对于片材的方向横向运行。因此，可以在几乎没有或没有压力和最小纤维断裂的情况下将增强纤维200和有机纤维210输送进入填充箱塔260。在至少一个示例性的实施方案中，有机纤维210的长度基本上与增强纤维200的长度相同。增强纤维和有机纤维200，210的基本上类似的长度有助于在纤维传输系统250、填充箱塔260和片材成型机270中的增强用纤维200和有机纤维210的混合过程中均匀地分布纤维。
通过片材成型机270形成的片材以所需的比例和重量分布含有基本上均匀分布的增强用纤维200和有机纤维210。通过片材成型机270形成的片材可以具有400-2500g/m2的重量分布，且优选的重量分布为大约1000-大约2000g/m2。
在本发明的一个或多个实施方案中，离开片材成型机270的片材在针刺制毡设备280中经历针刺工艺，其中将倒刺针或叉形针以向下和/或向上运动形式推进穿过片材的纤维以将增强用纤维200和有机纤维210缠绕或缠结并为毡赋予机械强度和完整性。针刺制毡设备280可以包括送网机构、带有针板的针板横梁、倒刺制毡针数为每米机宽约500针到每米机宽约7,500针、托板、底板和卷取机构。增强纤维200和有机纤维210的机械互锁通过让倒刺制毡针反复穿入和穿出片材而得到。与选定用于本发明工艺的特定增强纤维200和有机纤维210一起使用的最佳针刺选择将是本领域技术人员容易确定的。
在片材离开片材成型机270之后或在片材任选的针刺之后，可以让片材穿过热粘合系统290以将增强纤维200和有机纤维210粘合。在热粘合中，有机纤维210的热塑性性能用来在加热时与增强纤维200形成粘合。在热粘合系统290中，将片材加热到大于有机纤维210的熔点但是小于增强纤维200的熔点的温度。当使用双组分纤维作为有机纤维210时，将热粘合系统290中的温度升高到大于壳纤维的熔点，但是小于增强纤维200的熔点的温度。将有机纤维210加热到大于它们的熔点或在有机纤维210是双组分纤维的情况下加热到大于壳纤维的熔点的温度导致有机纤维210(或壳纤维)成为粘合剂，并使有机纤维210和增强用纤维200粘合。如果有机纤维210完全地熔融，则熔融的纤维可能将增强纤维200包封。只要在热粘合系统290内的温度没有被提高到增强用纤维200和/或芯纤维的熔点，这些纤维将在热粘合系统290和复合材料295内保持纤维形式。
虽然有机纤维210可用来将增强纤维200彼此粘合，但是可以在使片材穿过热粘合系统290之前添加热塑性或热固性粘合剂树脂285来帮助将纤维粘合。粘合剂树脂285可以呈树脂粉末、薄片、颗粒、泡沫或液体喷雾形式。可以通过任何适合的方式，如溢流和提取方法或通过将粘合剂树脂285喷涂到片材上将粘合剂树脂285添加到片材中。添加到片材中的粘合剂树脂285的量可以取决于复合材料295的所需特性而变化。还可以使用催化剂如氯化铵、对甲苯、磺酸、硫酸铝、磷酸铵或硝酸锌来改进固化速率和固化的粘合剂树脂285的质量。
单独的或除了在此所述的其它粘合方法之外，可以用来进一步粘合增强用纤维200和有机纤维210的其它方法为胶乳粘合。在胶乳粘合中，由单体，例如乙烯(Tg-125℃)、丁二烯(Tg-78℃)、丙烯酸丁酯(Tg-52℃)、丙烯酸乙酯(Tg-22℃)、乙酸乙烯酯(Tg30℃)、氯乙烯(Tg80℃)、甲基丙烯酸甲酯(Tg105℃)、苯乙烯(Tg105℃)和丙烯腈(Tg130℃)形成的聚合物用作粘合剂。较低的玻璃化转变温度(Tg)产生较软质的聚合物。胶乳聚合物可以在片材进入热粘合系统290之前以喷雾形式添加。一旦片材进入热粘合系统290，该胶乳聚合物熔融并将增强纤维200和有机纤维210粘合。
可以单独使用或与在此所述的其它粘合方法结合使用的另一种任选的粘合方法为化学粘合。液体类粘合剂、粉末粘合剂、泡沫以及在一些情况下，有机溶剂可以用作化学粘合剂。化学粘合剂的适合实例包括但不限于丙烯酸酯聚合物和共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙酸乙烯酯-乙烯共聚物及其结合物。例如，聚乙酸乙烯酯(PVA)、乙烯-乙酸乙烯酯/氯乙烯(EVA/VC)、丙烯酸低级烷基酯聚合物、丁苯橡胶、丙烯腈聚合物、聚氨酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、偏二氯乙烯与其它单体的共聚物、部分水解的聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚酯树脂和苯乙烯丙烯酸酯可以用作化学粘合剂。化学粘合剂可以通过浸渍、涂布或喷涂片材而均匀施加。
热粘合系统290可以包括本领域已知的任何已知加热和粘合方法，例如烘箱粘合、使用强制空气的烘箱粘合、红外加热、热压延、带压延、超声波粘合、微波加热和加热转鼓。任选地，这些粘合方法的两种或更多种可以组合用于将片材中的纤维粘合。热粘合系统290的温度取决于所使用的有机纤维210的熔点以及在片材中是否存在双组分纤维而变化。从热粘合系统290排出的复合材料295含有均匀或几乎均匀分布的有机纤维210和增强纤维200。增强纤维200和有机纤维210在复合材料295中的均匀或几乎均匀的分布为夹层复合材料提供了改进的强度、改进的声学和热学性能、改进的刚性、改进的载荷形变和改进的耐冲击性。此外，复合材料295具有基本上均匀的重量一致性，这导致在夹层复合材料中具有均匀的性能如挠曲和冲击强度。
图3中示出了包括设置在第一表层320和第二表层330之间的芯层310的夹层复合材料300。应理解，第一和第二表层320、330中的每一个由通过图1和2中描述的上述方法制备的复合材料295形成，并且这些层可以由相同的复合材料295或不同的复合材料295形成。
如上所述，夹层复合材料300包括设置在第一和第二表层320、330的主表面之间的芯层310。用于芯层310的适合的组分包括，但不限于，聚氨酯泡沫、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烃(如聚丙烯、聚乙烯)、聚碳酸酯、聚甲基甲基芳酰胺(polymethyl metharylamide)、苯乙烯丙烯腈(SAN)共聚物、聚醚酰亚胺泡沫、聚醚酰亚胺/聚砜泡沫、不同重量的轻木、纸、纸板、铝、耐纶纸、玻璃增强的热塑性塑料和它们的结合物。通过改变泡沫的重量、K值、厚度和/或类型或通过改变芯层310中使用的其它芯部材料的具体类型(如轻木重量)，可以改变或调节夹层复合材料300的物理性能如强度、刚性和载荷分布以满足特定的要求。
可以通过粘合剂(如喷涂(spray-on)粘合剂、压敏粘合剂、热敏粘合剂)或树脂粘合层将芯层310附着到第一和第二表层320、330上。适合的树脂粘合层的非限制性实例包括PlexarTM(可从QuantumChemical商购)、AdmerTM(可从Mitsui Petrochemical商购)和BynelTM(可从DuPont商购的酸酐改性的聚烯烃)。其它的通常已知的固定技术如超声波或振动焊接可用来将芯层310粘贴到第一和第二表层320、330上。或者，可以通过不同层的双片热成型将芯层310和第一与第二表层320、330附着。
此外，夹层复合材料300可以包括与第一和第二表层320、330之一或两者的暴露的主表面粘贴的覆面层或表面覆盖物(未示出)。表面覆盖物可由以下物质形成：织物、墙纸、乙烯基树脂、皮革、铝箔、薄铜片、热塑性烯烃(TPO)、或具有各种构造的薄膜，包括单层薄膜如聚丙烯、聚乙烯和聚酰胺，或多层薄膜如乙烯/丙烯酸(EAA)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)和聚丙烯/聚酰胺(PP/PA)。表面层可以帮助改变夹层复合材料300的声学性能，以致可以将它调节以满足特定应用的需要。此外，取决于表面层的材料，该表面层可以提供夹层复合材料的其它性能，例如但不限于，渗水性或非渗水性、耐磨性和/或耐热性。
在图4中示出的可选实施方案中，通过图1和2中描述的上述方法形成的复合材料295用作夹层复合材料340中的芯层350。该芯层350被第一和第二表层360、370包围。第一和第二表层360、370可以由高强度复合材料片材，例如但不限于，片状模塑料(SMC)、预制整体模塑料(BMC)、玻璃毡增强的热塑性塑料(GMT)、碳纤维增强的片材、天然纤维增强的片材、薄铝的金属片材、和铜形成。此外，第一和第二表层360、370可以由聚合物片材例如聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯/聚酯类塑性基材(由GeneralElectric Company以商品名称XenoyTM销售)、聚醚酰亚胺(由GeneralElectric Company以商品名称UltemTM销售)和聚苯醚(由GeneralElectric Company作为NorylTM销售)形成。第一和第二表层360、370可以由相同的材料或不同的材料形成。由复合材料295形成的芯层350提供良好的绝缘、物理和动态性能，这使得夹层复合材料340对其中经历震动和冲击载荷的应用是理想的。如以上关于图3所述的，可以通过粘合剂、树脂粘合层、超声波、振动焊接或通过将各层片材热成型，将芯层350和第一与第二表层360、370彼此粘贴。此外，可以将覆面层(未显示)粘贴到所述第一和第二表层360、370之一或两者的暴露的主表面上。
使用复合材料295形成第一和第二表层320，330(图3)或芯层350(图4)为制造商提供了通过改变复合材料中使用的增强用纤维和/或有机纤维的用量和/或类型而优化夹层复合材料的物理性能(强度、刚性和载荷形变)的能力。此外，可以通过改变增强纤维和/或有机纤维的重量、改变增强纤维含量和/或增强纤维的长度或直径、或改变复合材料中使用的有机纤维的纤维长度和/或旦尼尔来优化夹层复合材料的强度、刚性和载荷形变。因此，通过存在于复合材料中的纤维的特定结合可以改变或改进夹层复合材料的强度、刚性、载荷形变和声学要求(如果有的话)，并且因此可以调节夹层复合材料以满足特定应用的需要。
夹层复合材料300和340可以通过顺次地沉积第一表层、粘合剂或粘合层、芯层、另一个粘合剂或粘合层和第二表层来形成。然后可以将夹层复合材料层压，例如通过使用层压机或其它类型的移动式压带机。可以将夹层复合材料压塑或热成型为各种形状。例如，可以在双片热成型机中通过加热表层和使用真空和/或压力成型使形状形成而将表层热成型为所需的形状。将芯层，以及热成型的表层加压成型。可以在一步法中将夹层复合材料模塑或冲切以形成所需的声学半结构化的最终部件。夹层复合材料的制造方法可以在线(以连续方式)进行，或以单独的步骤进行。优选地，在线进行该方法。此外，任何附加的工艺步骤例如添加特种薄膜、纱布和/或其它的织物被认为在本发明范围之内。
夹层复合材料可以用于许多结构应用例如用于形成运输载重底板、座椅靠背和用于消费者和建筑工业中的其它应用。夹层复合材料还可以用作办公室隔板和家庭中，例如地下室饰面系统中的吸声板。
所形成的复合材料部件的厚度、所形成的复合材料部件的孔隙率(孔隙含量)和空气流路可以通过改变有机纤维的基重和/或复合材料的玻璃含量来控制。此外，在以上关于图1和2所描述的干法成网工艺中使用湿短切玻璃纤维有助于改进本发明复合材料的吸音性能，原因在于通过干法成网工艺形成的复合材料具有更高的膨松度(增加的孔隙率)。此外，通过本文描述的方法形成的复合材料具有均匀或基本上均匀分布的增强纤维和有机纤维，从而提供了改进的强度以及改进的声学和热学性质、刚性和耐冲击性。
本发明的又一个优点是：当湿法应用的短切玻璃纤维用作增强用纤维时，由于所述玻璃纤维中存在的水分，可以在几乎不产生静电的情况下容易地将所述玻璃纤维开松和纤维化。此外，湿法应用的短切玻璃纤维制造起来比干燥短切纤维更廉价，原因在于在切短之前通常在分开的步骤中将干燥纤维干燥和包装。因此，湿法应用的短切玻璃纤维的使用使得能够以更低的成本制造复合产品(和夹层复合材料)。
本申请的发明已经在上面概括性地和涉及具体的实施方案进行了描述。虽然本发明已经说明了认为是优选实施方案的那些，但是可以在概括的公开内容内选择本领域的技术人员已知的各式各样的替换方式。除了下面给出的权利要求书的叙述之外，本发明不受另外限制。
Claims (18)
1.夹层复合材料(340)的形成方法，包括以下步骤：在第一表层(320)和第二表层(330)的主表面之间设置芯层(310)，所述第一和第二表层各自由包含脱水增强用纤维和有机纤维的复合材料形成，和使所述芯层与所述第一表层和所述第二表层中的每一个粘贴以形成夹层复合材料。
2.根据权利要求1的方法，其中所述芯层选自聚氨酯泡沫、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚甲基甲基芳酰胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚醚酰亚胺泡沫、聚醚酰亚胺/聚砜泡沫、轻木、纸、纸板、铝、耐纶纸、玻璃增强的热塑性塑料和它们的结合物。
3.权利要求1的方法，还包括在所述设置步骤之前形成所述复合材料的步骤，所述形成步骤包括：
从湿增强用纤维中除去水以形成脱水增强用纤维；
将所述脱水增强用纤维与所述有机纤维共混以形成所述脱水增强用纤维和所述有机纤维的基本上均匀的混合物；
将所述混合物成型为片材；和
将所述脱水增强用纤维的至少一些和所述有机纤维粘合以形成所述复合材料。
4.权利要求3的方法，还包括在所述除去步骤之前将湿增强用纤维的束至少部分地开松的步骤。
5.权利要求3的方法，其中所述湿增强用纤维是湿法应用的短切玻璃纤维。
6.权利要求1的方法，还包括将覆面层附着到所述第一和第二表层中之一或两者的暴露的主表面上的步骤。
7.权利要求1的方法，其中通过选自粘合剂、树脂粘合层、超声波和振动焊接中的方法将所述芯层粘贴到所述第一和第二表层上。
8.夹层复合材料的形成方法，包括以下步骤：
在第一表层(320)和第二表层(330)的主表面之间设置芯层(310)，所述芯层由包括脱水增强纤维和有机纤维的复合材料形成，和
使所述芯层与所述第一表层和所述第二表层中的每一个粘贴以形成夹层复合材料(340)。
9.权利要求8的方法，还包括在所述设置步骤之前形成所述复合材料的步骤，所述形成步骤包括：
将湿增强纤维的束至少部分地开松；
从所述至少部分开松的湿增强纤维的束中除去水以形成脱水增强纤维；
将所述脱水增强纤维与所述有机纤维共混以形成所述脱水增强纤维和所述有机纤维的基本上均匀的混合物；
将所述混合物成型为片材；和
将所述脱水增强纤维的至少一些和所述有机纤维粘合以形成所述复合材料。
10.权利要求9的方法，其中所述湿增强纤维是湿法应用的短切玻璃纤维。
11.权利要求8的方法，还包括将覆面层附着到所述第一和第二表层中之一或两者的暴露的主表面上的步骤。
12.权利要求8的方法，其中所述第一和第二表层由以下物质形成：片状模塑料、预制整体模塑料、玻璃毡增强的热塑性塑料、碳纤维增强的片材、天然纤维增强的片材、金属片材、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、xenoy、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚酰亚胺和聚苯醚。
13.夹层复合材料(340)，包括：
具有第一主表面和第二主表面的第一表层(320)；
具有第一主表面和第二主表面的第二表层(330)；和
设置在所述第一和第二表层之间的芯层(310)，使得所述第一和第二表层的所述第一主表面与所述芯层相邻；
其中所述第一和第二表层中的每一个或所述芯层是包括脱水增强纤维和有机纤维的复合材料。
14.权利要求13的夹层复合材料，其中所述第一和第二表层由所述复合材料形成，并且所述芯层选自聚氨酯泡沫、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚甲基甲基芳酰胺、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚醚酰亚胺泡沫、聚醚酰亚胺/聚砜泡沫、轻木、纸、纸板、铝、耐纶纸和玻璃增强的热塑性塑料。
15.权利要求14的夹层复合材料，其中形成所述第一表层的所述复合材料和形成所述第二表层的所述复合材料是相同的。
16.权利要求13的夹层复合材料，其中所述芯层由所述复合材料形成，并且所述第一和第二表层选自片状模塑料、预制整体模塑料、玻璃毡增强的热塑性塑料、碳纤维增强的片材、天然纤维增强的片材、金属片材、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、xenoy、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚醚酰亚胺和聚苯醚。
17.权利要求13的夹层材料，还包括与所述第一和第二表层的所述第二主表面中的至少一个粘贴的覆面层。
18.权利要求13的夹层材料，其中通过选自粘合剂、树脂粘合层、超声波和振动焊接中的方法将所述芯层粘贴到所述第一和第二表层的所述第一表面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080416 |