CN101668793A

CN101668793A - 复合材料

Info

Publication number: CN101668793A
Application number: CN200880009619A
Authority: CN
Inventors: L·J·阿达兹玛; R·P·克罗姆劳夫; M·斯特莱特; T·瓦格纳; M·格林伍德; K·斯伯
Original assignee: OCV Intellectual Capital LLC
Current assignee: Owens Corning Intellectual Capital LLC
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2010-03-10
Also published as: BRPI0809080A2; RU2009135870A; WO2008119060A1; US20080241446A1; MX2009010250A; CA2681240A1; EP2129707A1; KR20090126262A

Abstract

提供一种复合材料。该复合材料包括用含石膏、聚合物和水的水基基体粘合剂浸渍的由选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的材料制造的连续粗纱。

Description

复合材料

本发明的技术领域和工业实用性

本发明一般地涉及复合材料领域，和更特别地涉及新型复合材料，制造该材料的方法，长丝缠绕、拉挤成型和敞模成形该材料的方法，和由该材料和这些方法制备的新型产品。

发明背景

Haislet等人的美国专利6811877公开了在例如制备轮胎中使用的帘线结构。该帘线结构包括由金属材料，优选钢形成的一系列的芯线长丝，和由玻璃、碳、聚丙烯、尼龙、芳族聚酰胺、棉、羊毛、莱克拉(lycra)或其他金属线材形成的一系列的纤维长丝。可用各种树脂，其中包括聚合物改性的水泥或石膏浸渍该长丝。

Hauber等人的美国专利6524679公开了玻璃增强石膏板，它包括用石膏淤浆浸渍的无规取向的玻璃纤维。

尽管使用用聚合物改性的石膏基体浸渍的纤维玻璃生产轮胎用增强剂和建筑物用石膏板是已知的，但本发明涉及在长丝缠绕、拉挤成型和敞模成形工艺中有用的新型复合材料，以生产新型且有用的产品。

发明概述

根据此处所述的本发明的目的，提供改进的复合材料，它包括用水基基体粘合剂浸渍的连续纱线。该连续纱线由选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的材料制造。尽管可使用基本上任何类型的玻璃纤维，但在该复合材料中E-玻璃纤维尤其有用。

水基基体粘合剂包括有机材料，无机材料和水。典型地，有机材料是选自脲甲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、苯酚甲醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、苯乙烯丁二烯、丙烯酸乳液、聚氨酯及其混合物中的聚合物。典型地，无机材料是石膏。水基基体粘合剂包括30-80wt％石膏，0.1-40wt％聚合物和10-30wt％水。典型地，该水基基体粘合剂包括0.1-5wt％密度降低剂。密度降低剂可以是珠光体。此外，水基基体粘合剂也可包括0.1-0.5wt％聚丙烯酰胺和0.1-0.5wt％硅烷偶联剂。典型地，该复合材料包括10-70wt％连续粗纱和30-90wt％水基基体粘合剂。

根据本发明的另一方面，提供制备复合材料的方法。该方法包括用水基基体粘合剂浸渍连续粗纱，所述连续粗纱由选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、玻璃纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的材料制造，所述水基基体粘合剂包括有机材料、无机材料和水。更具体地，该方法包括使用含石膏、聚合物和水的水基基体粘合剂。再进一步地，该方法包括使用湿法玻璃纤维粗纱作为连续粗纱，和含石膏、聚合物与水的基体粘合剂作为水基基体粘合剂。再进一步地，该方法包括使用密度为1.2-2.0g/cm³的水基基体粘合剂。另外，该方法包括在水基基体粘合剂内使用聚丙烯酰胺作为加工助剂。

根据本发明的其它方面，提供长丝缠绕产品的方法。该方法包括喂入连续粗纱，并在选自心轴、成形体、管道、容器、罐和环氧与聚合物主体(body)组成的物体上缠绕该连续粗纱，其中所述连续粗纱由用含有机材料、无机材料和水的水基基体粘合剂浸渍的选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、玻璃纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的材料制造。该方法可进一步描述为包括使用具有连续粗纱的湿法玻璃纤维粗纱，以及含石膏、聚合物和水的基体粘合剂作为水基基体粘合剂。此外，该方法可包括在缠绕过程中旋转物体。

根据本发明的再一方面，提供敞模成形产品的方法。该方法包括将用水基基体粘合剂浸渍的连续粗纱放置在敞模内，允许连续粗纱至少部分凝固在该敞模内，形成产品并从该敞模中取出该产品。

再进一步地，本发明可包括拉挤成型方法。拉挤成型方法包括施加水基基体粘合剂到连续粗纱上，形成复合材料，将该复合材料牵引通过模头，形成所需截面的产品并固化该产品。另外，该方法包括使用湿玻璃纤维连续粗纱。进一步地，施加步骤可进一步定义为包括使连续粗纱穿过容纳含石膏、聚合物和水的水基基体粘合剂的浸渍罐。

根据本发明的再一方面，提供制备产品的方法。该方法包括由环氧长丝材料形成产品，和使用用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的连续粗纱外卷绕(overwrap)该产品。再进一步地，成形和/或外卷绕步骤可包括长丝缠绕方法。

另外，本发明包括含管状体的管道，它由用连续长丝外卷绕且用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的环氧长丝材料制造。此外，本发明可包括含中空体的容器，它由用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的连续粗纱外卷绕的环氧长丝材料制造。

在下述说明，通过简单地阐述最适合于实施本发明的一些模型，示出并描述了本发明的数个优选实施方案。本发明能实现其他不同的实施方案，且它的数个细节能在各个方面改性且完全没有脱离本发明。因此，附图和说明被视为在性质上是阐述而不是限制本发明。

附图简述

引入并形成说明书一部分的附图阐述了本发明的数个方面，和它们与说明书一起起到解释本发明原理的作用。在附图中：

图1是本发明复合材料的剖视图。

图2是在本发明方法中所使用的长丝缠绕装置的示意图。

图3是在本发明方法中所使用的拉挤成型装置的示意图。

图4是本发明方法中所使用的敞模的剖视图。

图5是根据本发明构造的管道的端面纵剖图；和

图6是阐述根据本发明构造的容器的部分断面剖视图。

详细地参考本发明的优选实施方案，其实施例将在所附的附图中阐述。

本发明优选实施方案的详细说明

参考图1，它阐述了本发明的复合材料10。复合材料10包括用水基基体粘合剂浸渍的连续粗纱12，例如T-30单端粗纱。更具体地，连续粗纱由选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维及其混合物中的材料制造。更典型地，连续粗纱由洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物构造。基本上任何类型的玻璃纤维可用于连续粗纱，但对于本发明目的来说，尤其有用的是E-玻璃纤维和S2-玻璃纤维，其中包括以商品名Advantex销售的那些。典型地，粗纱内的纤维直径为13-23微米，和16微米是尤其有用的。

水基基体粘合剂可宽泛地描述为包括有机材料、无机材料和水。有机材料典型地为聚合物。该聚合物可选自脲甲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、苯酚甲醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、苯乙烯丁二烯、丙烯酸乳液、聚氨酯及其混合物。典型地，无机材料是石膏。该石膏可以是α石膏、β石膏或其任何混合物。典型地，水基基体粘合剂包括30-80wt％石膏，0.1-40wt％聚合物和10-30wt％水。典型地，该水基基体粘合剂的密度为1.2-2.0g/cm³。基体粘合剂可包括0.1-5wt％密度降低剂。珠光体在本发明中尤其可用作密度降低剂。此外，水基基体粘合剂也可包括0.1-0.5wt％聚丙烯酰胺。该聚丙烯酰胺充当加工助剂且辅助润湿连续粗纱12和经基体粘合剂浸渍到该粗纱的长丝和纤维内。再进一步地，水基基体粘合剂也可包括0.1-0.5wt％硅烷偶联剂。典型地，该复合材料包括10-70wt％连续粗纱和30-90wt％水基基体粘合剂。

用水基基体粘合剂浸渍连续粗纱12来制备复合材料10。这可采用许多方式来进行，其中包括例如连续粗纱12通过含基体粘合剂材料的浸渍罐喂入。由于基体粘合剂是水性的，因此粗纱可被湿法或干法喂入。喂入且合适地浸渍湿的连续粗纱的能力代表明显的制造优势，因为它允许人们省去在进一步加工之前干燥粗纱的步骤。这显著地降低加工时间和生产成本二者。

参考图2，它图示了长丝缠绕产品的方法。正如所示的，一系列干燥或湿的连续粗纱12从粗纱架14通过张紧装置16喂入。粗纱12然后通过树脂浴18引出，其中树脂基体浸渍粗纱12，形成复合材料10。然后该复合材料通过传送装置20喂入，之后缠绕在物体22上。该物体22可以是例如心轴、成形体、管道、容器、罐或环氧和聚合物体，只要该物体不包括凹状曲率即可。

复合材料10可以以本领域众所周知的方式缠绕。因此，复合材料10可以在相邻的带材(band)或在重复的带材内盘绕，其中所述盘绕在带材的宽度上阶跃(step)，直到它最终覆盖物体22的表面。在四周缠绕、局部螺旋带材过程中，或者通过使用织造或单向布料，可将局部增强剂加入到该结构体中，缠绕的角度可相对于以本领域已知的方式缠绕的物体的轴向，从0变化到90度。

参考图3，它图示了本发明的拉挤成型方法。正如所示的，一系列连续的粗纱12从粗纱架26经含基体粘合剂的树脂罐28喂入。基体粘合剂在这儿浸渍粗纱12，之后所得复合材料10经模头30通过拉出器(puller)34引出，所述模头将引起基体粘合剂水合并硬化，产生所需截面的产品32。接着固化该产品32。

图4示出了本发明的敞模工艺。更具体地，将由用水基基体粘合剂浸渍的连续粗纱组成的本发明的复合材料10置于敞模40内。然后允许复合材料10在敞模内部分凝固，形成产品。通过加热敞模，该凝固工艺可显著缩短。然后从敞模中取出产品。

可使用本发明的复合材料10制备各种产品。图5示出了可使用复合材料10构造的管道50。更具体地，管道50包括由环氧长丝材料以本领域众所周知的方式制造的管状体52。采用本发明的复合材料10的层54，外卷绕管状体52。所述复合材料10包括用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的连续粗纱12。

图6公开了使用本发明的复合材料10构造的容器60。更具体地，容器60包括例如由环氧长丝材料以本领域众所周知的方式制造的中空体62。采用本发明复合材料的层64，外卷绕该中空体62，所述复合材料包括用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的连续粗纱12。容器60可包括压力容器或甚至热水加热器所使用的水罐类型。

为了阐述和说明的目的，列出了本发明的优选实施方案的前述说明。不打算穷举或限制本发明到所公开的精确形式上。鉴于上述教导，明显的改性或变化是可能的。选择并描述该实施方案，以提供本发明原理及其实际应用的最好阐述，从而使得本领域的技术人员能在各种实施方案中和在各种改性下使用本发明，因为它们适合于加以考虑的实际用途。当根据它们合理、合法和等价授予的宽度解释时，所有这种改性和变化在通过所附权利要求确定的本发明的范围内。在合理和宽泛的解释中，附图和优选的实施方案决不打算且没有限制权利要求的常见含义。

Claims

1.一种复合材料，它包括：

用水基基体粘合剂浸渍的连续粗纱。

2.权利要求1的复合材料，其中所述连续粗纱由选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的一种材料制造。

3.权利要求2的复合材料，其中所述玻璃纤维是E-玻璃纤维。

4.权利要求1的复合材料，其中所述水基基体粘合剂包括有机材料，无机材料和水。

5.权利要求4的复合材料，其中所述有机材料是聚合物和所述无机材料是石膏。

6.权利要求5的复合材料，其中所述聚合物选自脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、苯乙烯丁二烯、丙烯酸乳液、聚氨酯及其混合物。

7.权利要求5的复合材料，其中所述水基基体粘合剂包括30-80wt％石膏，0.1-40wt％聚合物和10-30wt％水。

8.权利要求7的复合材料，其中所述水基基体粘合剂还包括0.1-5wt％密度降低剂。

9.权利要求8的复合材料，其中所述密度降低剂是珠光体。

10.权利要求7的复合材料，其中所述水基基体粘合剂还包括0.1-0.5wt％聚丙烯酰胺。

11.权利要求7的复合材料，其中所述水基基体粘合剂还包括0.1-0.5wt％硅烷偶联剂。

12.权利要求7的复合材料，其中所述复合材料包括10-70wt％连续粗纱和30-90wt％水基基体粘合剂。

13.制备复合材料的方法，该方法包括：

用水基基体粘合剂浸渍连续粗纱，所述连续粗纱由选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、玻璃纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的一种材料制造，所述水基基体粘合剂包括有机材料、无机材料和水。

14.权利要求13的方法，包括使用含石膏、聚合物和水的水基基体粘合剂。

15.权利要求13的方法，包括使用湿法玻璃纤维粗纱作为所述连续粗纱，和含石膏、聚合物与水的基体粘合剂作为所述水基基体粘合剂。

16.权利要求15的方法，包括使用密度为1.2-2.0g/cm³的所述水基基体粘合剂。

17.权利要求16的方法，包括在所述水基基体粘合剂内使用聚丙烯酰胺作为加工助剂。

18.长丝缠绕产品的方法，该方法包括：

喂入连续粗纱，其中所述连续粗纱由用含有机材料、无机材料和水的水基基体粘合剂浸渍的选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、玻璃纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的一种材料制造；和

在选自心轴、成形体、管道、容器、罐和环氧与聚合物主体组成的物体上缠绕该连续粗纱。

19.权利要求18的方法，包括使用湿法玻璃纤维粗纱作为所述连续粗纱和含石膏、聚合物与水的基体粘合剂作为所述水基基体粘合剂。

20.权利要求19的方法，包括使用密度为1.2-2.0g/cm³的所述水基基体粘合剂。

21.权利要求20的方法，包括在所述水基基体粘合剂内使用聚丙烯酰胺作为加工助剂。

22.权利要求18的方法，包括旋转所述物体。

23.敞模成形产品的方法，该方法包括：

将连续粗纱放置在敞模内，其中所述连续粗纱由用含有机材料、无机材料和水的水基基体粘合剂浸渍的选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、玻璃纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的一种材料制造；

让所述连续粗纱在该敞模内至少部分凝固以形成所述产品；和

从所述敞模中取出所述产品。

24.拉挤成型方法，该方法包括：

施加含有机材料、无机材料和水的水基基体粘合剂到由选自天然纤维、矿物纤维、合成纤维、玻璃纤维、洋麻纤维、大麻纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物中的一种材料制造的连续粗纱上以形成复合材料；

将所述复合材料牵引通过模头以形成所需截面的产品；和

固化该产品。

25.权利要求24的方法，包括使用湿玻璃纤维连续粗纱作为所述连续粗纱。

26.权利要求25的方法，其中所述施加步骤进一步包括使所述连续粗纱穿过罐，所述罐容纳含石膏、聚合物和水的所述水基基体粘合剂。

27.制备产品的方法，该方法包括：

由环氧长丝材料形成所述产品；和

采用用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的连续粗纱外卷绕所述产品。

28.权利要求27的方法，其中所述成形包括长丝缠绕工艺。

29.权利要求28的方法，其中所述外卷绕包括长丝缠绕工艺。

30.管道，它包括：

由环氧长丝材料制造的管状体，所述环氧长丝材料采用用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的连续粗纱外卷绕。

31.容器，它包括：

由环氧长丝材料制造的中空体，所述环氧长丝材料采用用含石膏、聚合物和水的基体粘合剂浸渍的连续粗纱外卷绕。