CN101809218A - 浸渍纤维网的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及浸渍纤维网的设备和方法。设备通常包括具有液体表面的一定量的液态固化性树脂，以及至少部分地浸没于所述一定量的树脂中的液态固化性树脂浸润的纤维网辊。所述设备被构造为使所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕，从而使得所述纤维网在所述液体表面之下从所述纤维网辊上分离，并且形成树脂浸渍的纤维网。

Description

浸渍纤维网的设备和方法
技术领域
本发明涉及浸渍纤维网的设备和方法。
背景技术
纤维网的浸渍在若干行业中有所应用，这些行业例如包括航空业、汽车制造业、造船业以及显示器制造业。用聚合物树脂浸渍纤维网的一个目的是形成具有其各组分的有益性质的复合结构。例如，用树脂浸渍的玻璃纤维布具有玻璃纤维的机械延展性和类似于树脂的机械弯曲性。在一些情况下，所得复合膜的缺陷数目应尽量地少。
多数纤维网具有与纤丝间的间距相关的两种尺寸。例如，在玻璃纤维织物中，纱线间的间距的尺寸为分数毫米级，而纱线中纤维间的间距的尺寸更小，且为微米级。通常，在外部强加的压力梯度或毛细力的作用下，可以将树脂注入纤维网。注入期间，必须从纱线间和纤丝间的空间中将空气(可能受所用低压影响而变得稀薄)或另外的气体置换出来。如果在浸渍期间夹带了若干气泡，则可通过产生流过纤维材料厚度的树脂流来消除一些气泡。如果将该浸渍树脂以液态保留足够时间，则较小的气泡可以随时间的推移而溶解。
取决于夹带气泡的量，在树脂反应(即，固化)形成固体之后留下的夹带气泡可以降低树脂浸渍的纤维网的机械和光学性质。
发明内容
本发明涉及浸渍纤维网的设备和方法。该设备通常包括具有液体表面的一定量的液态固化性树脂，以及至少部分地浸没于一定量的树脂中的液态固化性树脂浸润的纤维网辊。该设备被构造为使液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕，从而使得纤维网在液体表面之下从液态固化性树脂浸润的纤维网辊上分离，并且形成树脂浸渍的纤维网。在许多实施例中，根据需要，液态固化性树脂和纤维网的温度在它们结合之前可以独立地调控(例如，加热或冷却)。
在第一实施例中，设备包括不含溶剂并具有液体表面的一定量的液态固化性树脂，以及至少部分地浸没于一定量的树脂中的纤维网的液态固化性树脂浸润辊。该设备被构造为使液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕，从而使得纤维网在液体表面之下从纤维网辊上分离，并且形成树脂浸渍的纤维网。
在另一个实施例中，设备包括具有液体表面的一定量的液态固化性树脂，以及部分浸没于一定量的树脂中的液态固化性树脂浸润的纤维网辊。该设备被构造为使液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕，从而使得纤维网在液体表面之下从纤维网辊上分离，并且形成树脂浸渍的纤维网，而且纤维网辊的一部分设置在液体表面之上。
在另一个实施例中，浸渍纤维网的方法包括将液态固化性树脂浸润的纤维网辊至少部分地设置在不含溶剂并具有液体表面的一定量的液态固化性树脂中，使液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕以使得纤维网在液体表面之下从纤维网辊上分离并且形成树脂浸渍的纤维网，以及使树脂浸渍的纤维网固化以形成固化的树脂浸渍的纤维网。
在另一个实施例中，浸渍纤维网的方法包括将液态固化性树脂浸润的纤维网辊部分地设置在不含溶剂并具有液体表面的一定量的液态固化性树脂中，并且液态固化性树脂浸润的纤维网辊的一部分设置在液体表面之上，使液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕以使得纤维网在液体表面之下从纤维网辊上分离并且形成树脂浸渍的纤维网，以及使树脂浸渍的纤维网固化以形成固化的树脂浸渍的纤维网。
在又一个实施例中，浸渍纤维网的方法包括用液态固化性树脂浸润纤维网辊以形成液态固化性树脂浸润的纤维网辊，使液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕以使得纤维网从液态固化性树脂浸润的纤维网辊上分离并且形成树脂浸渍的纤维网，以及使树脂浸渍的纤维网固化以形成固化的树脂浸渍的纤维网。
附图说明
结合附图考虑本公开各个实施例的以下详细说明可以更全面地理解本公开，其中：
图1为示例性树脂浸渍的纤维网的示意性侧面透视图；
图2为示例性纤维网的示意性俯视图；
图3为用于形成树脂浸渍的纤维网的示例性设备的示意性侧视图；
图4为用于加工树脂浸渍的纤维网的示例性设备的示意性侧视图；
图5为另一个用于加工树脂浸渍的纤维网的示例性设备的示意性侧视图；
图6为用于形成树脂浸渍的预浸润纤维网的示例性设备的示意性侧视图；以及
图7为用于加工树脂浸渍的预浸润纤维网的示例性设备的示意性侧视图。
附图未必按比例绘制。附图中用类似的数字表示类似的元件。然而，应当理解，在给定的图中使用数字来表示元件并非意图限制另一个图中用相同数字标记的元件。
具体实施方式
在以下的说明书中，结合作为本文一部分的附图进行描述，并且其中通过举例说明示出了若干具体实施例。应当理解的是，对其他实施例进行了设想，并且在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以实现这些实施例。因此，以下详细说明不应以限制性意义来理解。
除非另外指明，否则本文所用的所有科技术语都具有本领域中常用的意思。本文提供的定义是为了便于理解本文中频繁使用的某些术语，而并非旨在限制本发明的范围。
除非另外指明，否则应当将说明书和权利要求中用来表述特征尺寸、数量和物理特性的所有数字理解为在所有实例中由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求中列出的数值参数均为近似值，且根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容获得的所需特性而有所不同。
由端点表述的数值范围包括该范围内所包含的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
除非所述内容明确指出，否则本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“所述”涵盖了具有多个指代物的具体情况。本说明书和附加权利要求中使用的术语“或”的含义通常包括“和/或”，除非内容明显指示其它。
本发明涉及树脂浸渍纤维网的设备和方法。本公开利用毛细力作用到树脂浸渍纤维网以获得无泡复合物。将树脂与纤维网的相互作用安排成这样的方式：树脂仅在具有最小外部强加压力梯度的毛细力的作用下平移穿过纤维网的厚度。有时，以厚度方向(图2中的Z-方向)穿过织物的此类树脂平移称之为面外芯吸。通过此类面外芯吸型浸润可以产生尽可能少(最小或最低频率)的气泡。在面外芯吸浸润仍然导致纤维网包含气泡的情况下，这些气泡通常比通过其他技术产生的气泡更小，从而更易于随后溶解在树脂材料中。在一个实施例中，纤维网辊至少部分地浸没于一定量的树脂中(树脂可以不含溶剂)，并且当纤维网从该辊上退绕时，将把树脂带到了前进/退绕的辊的顶部，从而使得毛细管作用吸取树脂穿过辊的厚度(面外芯吸)。在另一个实施例中，用树脂浸润纤维网辊，然后将纤维网辊至少部分地浸没于一定量的树脂中。随后在一定量的树脂中退绕浸润的辊，然后进行加工以制作无泡复合膜。通过辊旋转的自然作用，和/或通过某些诸如涂布装置的机构有意识地添加树脂，可以将带到退绕的纤维网辊顶部的液态固化性树脂层施加到辊的外部。此涂布装置可以包括，但不限于：模具涂布、辊涂等装置。
在一些情况下，有利的是当液态固化性树脂渗透纤维网时，调控液态固化性树脂的粘度。在这些情况下，液态固化性树脂温度和纤维网温度中的一者或两者均可以独立地调控，以改变液态固化性树脂的粘度。例如，如果纤维网和液态固化性树脂在结合之前处于高温下，则液态固化性树脂将得到最低粘度。虽然本发明并不局限于此，但是通过对下文所提供实例的讨论，将获得对本发明各个方面的认识。
图1为示例性树脂浸渍的纤维网100的示意性侧面透视图，该图示出了相对于随意指定的坐标系而言的树脂浸渍的纤维网100。树脂浸渍的纤维网100具有在z方向上的厚度。树脂浸渍的纤维网包含聚合物或树脂基质104内的增强纤维102。树脂浸渍的纤维网100形成为独立个体的元件，并且树脂浸渍的纤维网可以(例如)薄片或薄膜、圆柱体、管状等形式存在。
将增强纤维102(例如树脂的有机纤维或玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷的无机纤维)设置在基质104内。虽然并无要求，但各个增强纤维102可以在树脂浸渍的纤维网100的整个长度上延伸。在图示实施例中，纤维102以平行于x方向纵向取向，尽管并非必须如此。纤维102可以增强纤维网的方式布置在基质104中，如下文所述。
在一些实施例中，增强纤维102有助于形成偏振膜，如美国专利申请公布No.2006/0193577中所述那样，该专利申请公布在不与本公开相冲突的程度下以引用方式并入本文。
本文将形成树脂基质104的材料在x、y和z方向的折射率用n1x、n1y和n1z表示。如果该树脂材料为各向同性的，则x、y和z折射率都基本上一致。如果基质材料为双折射的，则x、y和z方向的折射率中至少一者与其他折射率不匹配。在一些情况下，仅一个折射率不同于其他折射率，那么该材料称为单轴材料，而在其他情况下，所有三个折射率均不同，那么该材料称为双轴材料。在许多实施例中，纤维102的材料是各向同性的。因此，形成纤维的材料的折射率用n2给出。在一些实施例中，增强纤维102是双折射的。
在一些实施例中，可能希望树脂基质104为各向同性的，即n1x≈n1y≈n1z。如果要视为各向同性的，则折射率之间的差值应小于0.05，优选地小于0.02，并且更优选小于0.01。此外，在一些实施例中，希望基质104和纤维102的折射率基本上一致。因此，基质104和纤维102之间的折射率差值应很小，至少小于0.03，或小于0.005，或小于0.002。在其他实施例中，可能希望树脂基质104是双折射的，其中基质折射率中至少有一个不同于纤维102的折射率。
适合在聚合物或树脂基质内使用的材料包括在所需的光波长范围内透明的热塑性和热固性聚合物。在一些实施例中，可能尤其有用的是，该聚合物在水中不可溶，该聚合物可以是疏水性的或具有低的吸水倾向。此外，合适的聚合物材料可以是无定形的或半结晶性的，并且可以包括均聚物、共聚物或其共混物。聚合物材料的例子包括，但不限于：聚碳酸酯(PC)；间同立构和全同立构聚(苯乙烯)(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；含烷基、含芳族环和含脂肪族环的(甲基)丙烯酸酯，包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和PMMA共聚物；乙氧基化和丙氧基化的(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯；丙烯酸改性环氧树脂；环氧树脂；降冰片烯；乙烯基酯、乙烯基醚、以及其他烯键式不饱和材料；硫醇烯单体和低聚物体系以及不饱和聚酯；混杂基团和阳离子可聚合体系，例如环氧树脂和(甲基)丙烯酸酯、以及它们的组合；环烯烃和环烯烃共聚物；丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)；苯乙烯丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚(乙烯基环己烷)；PMMA/聚(氟乙烯)共混物；聚(苯醚)合金；苯乙烯系嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚(氯乙烯)；聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)；聚氨酯；饱和聚酯；聚(乙烯)，包括低双折射聚乙烯；聚(丙烯)(PP)；聚(对苯二甲酸烷基酯)，例如聚(对苯二甲酸乙二酯)(PET)；聚(萘二甲酸烷基酯)，例如聚(萘二甲酸乙二醇酯)(PEN)；聚酰胺；离聚物；醋酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；醋酸纤维素；醋酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚(苯乙烯)-聚(乙烯)共聚物；PET和PEN共聚物，包括多烯键的PET和PEN；以及聚(碳酸酯)/脂族PET共混物。术语(甲基)丙烯酸酯被定义为相应的甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯化合物。
在一些实施例中，有利的是采用聚合物材料作为增强纤维。聚合物材料的例子包括(但不限于)：聚碳酸酯(PC)；间同立构和全同立构聚苯乙烯(PS)；C1-C8烷基苯乙烯；含烷基、含芳族环和含脂肪族环的(甲基)丙烯酸酯，包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和PMMA共聚物；乙氧基和丙氧基(甲基)丙烯酸酯；多官能(甲基)丙烯酸酯；丙烯酸改性环氧树脂；环氧树脂；以及其他的烯键式不饱和材料；环状烯烃和环状烯共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)；苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)；环氧树脂；聚乙烯基环己烷；PMMA/聚氟乙烯共混物；聚苯醚合金；苯乙烯系嵌段共聚物；聚酰亚胺；聚砜；聚氯乙烯；聚二甲基硅氧烷(PDMS)；聚氨酯；饱和聚酯；聚乙烯，包括低双折射聚乙烯；聚丙烯(PP)；聚对苯二甲酸烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；聚萘二甲酸烷基酯，例如聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；聚酰胺；离聚物；乙酸乙烯酯/聚乙烯共聚物；乙酸纤维素；醋酸丁酸纤维素；含氟聚合物；聚苯乙烯-聚乙烯共聚物；PET和PEN共聚物，包括多烯键的PET和PEN；以及聚碳酸酯/脂族PET共混物。
在一些产品应用中，所得产品和组分具有较低含量水平的易散逸物质(低分子量的未反应或未转化的分子、溶解的水分子或反应副产物)。易散逸物质可能是从产品的最终使用环境中吸收得到的，例如水分子；可能从产品的最初加工时开始就存在于产品中，例如水；或者可能由于化学反应(例如，缩聚反应)而产生。由缩聚反应产生小分子的例子是：在二胺和二元酸反应生成聚酰胺的过程中释放出水。易散逸物质还可以包括低分子量有机材料，例如单体、增塑剂等。相比形成功能性产品的其余部分的大多数材料而言，易散逸物质通常分子量较低。产品使用条件可能(例如)在产品或薄膜一侧产生较大的热应力。在这些情况下，易散逸物质可能会穿过产品迁移，或从薄膜或产品的一个表面挥发，从而产生浓度梯度、总体的机械变形、表面改变和(有时)不期望的渗气。渗气会导致产品、薄膜或基质内出现空隙或气泡，或在与其他薄膜粘合时出现问题。易散逸物质还可能在产品应用中使其他组分溶剂化、使之受到腐蚀或对其产生不良影响。
上述聚合物或树脂中的一些在获得取向时可能会变成双折射的。具体地讲，PET、PEN及其共聚物以及液晶聚合物在获得取向时表现出相对较大的双折射率值。树脂可以采用不同方法取向，所述方法包括挤出和拉伸。对于聚合物取向来说，拉伸是一种尤其有用的方法，这是因为这种方法允许进行很大程度的取向，并且该方法可以通过很多容易控制的外部参数(例如温度和拉伸比)来控制。
合适的固化性树脂或聚合物包括烯键式不饱和树脂和光引发剂和/或热引发剂和/或阳离子引发剂。如果用电子束或硫醇烯型反应体系进行固化，则不需要单独的引发剂。
可以在基质104中加入各种添加剂，以使树脂浸渍的纤维网100具有所需性质。例如，添加剂可以包括一种或多种以下物质：耐候剂、紫外线吸收剂、受阻胺光稳定剂、抗氧化剂、分散剂、润滑剂、抗静电剂、颜料或染料、成核剂、阻燃剂和发泡剂。
某些示例性实施例可以使用能防止随时间而变黄和模糊化的聚合物基质材料。例如，某些材料(例如芳族聚氨酯)在长期暴露于紫外光时会变得不稳定，并且随着时间推移会变色。如果长期保持同样的颜色很重要，则需要避免使用这类材料。可以在基质104中加入其他添加剂，以改变聚合物的折射率或增加材料的强度。此类添加剂可以包括(例如)有机添加剂，例如聚合物珠或粒子和聚合物纳米粒子。
在其他实施例中，可以在基质104中添加无机添加剂，以调整基质的折射率，或增加材料的强度和/或硬度。例如，该无机材料可以为玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷或金属氧化物。下文论述的有关无机纤维的任何合适类型的玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷均可使用。合适类型的金属氧化物包括(例如)：二氧化钛、氧化铝、氧化锡、氧化锑、氧化锆、二氧化硅、它们的混合物或它们的混合氧化物。这些无机材料可以作为纳米粒子(例如)以粉碎状、粉末状、小珠状、薄片状或粒子状的形式提供，并分布在基质104内。所述粒子的尺寸可以小于200nm，或小于100nm，或小于50nm，以便减少通过最终薄膜产品的光的散射。
可在这些无机添加剂的表面提供偶联剂，以便将无机添加剂粘结到聚合物上。例如，硅烷偶联剂可与无机添加剂一起使用，以使该无机添加剂粘结到聚合物上。虽然可以采用不具备可聚合表面改性的无机纳米粒子，但可将无机纳米粒子进行表面改性，以使得纳米粒子可以与基质的有机组分聚合。例如，可以将反应基团附接到偶联剂的另一端。该基团可以发生化学反应，例如，通过双键与反应聚合物基质发生化学聚合反应。
图2为示例性纤维网200的示意性俯视图。任何合适类型的有机或无机的材料均可用作形成纤维网200的增强纤维102。示例性的纤维形成材料包括玻璃纤维、碳和/或石墨纤维、聚合物纤维、硼纤维、陶瓷纤维、玻璃陶瓷纤维以及二氧化硅纤维。在许多实施例中，使纤维形成为如图2所示的纤维网200。
纤维102可以由对通过薄膜的光基本上透明的无机材料(例如玻璃)形成。合适的玻璃的例子包括通常用于玻璃纤维复合材料中的玻璃，例如E、C、A、S、R和D玻璃。可在这些纤维的表面提供偶联剂，以便将纤维粘结到聚合物上。例如，硅烷偶联剂可与纤维一起使用，以使该纤维在聚合反应时粘结到基质树脂上。也可以使用更优质的玻璃纤维，包括(例如)熔融二氧化硅和BK7玻璃。适合的更优质玻璃可从多个供应商处购买，例如Schott North America Inc.(Elmsford，N.Y)。使用由这些更优质的玻璃制成的纤维是有利的，这是因为它们更纯净，因而具有更一致的折射率和更少的掺杂物，从而可以减少散射并增加透射。同时，纤维的机械性能更趋于一致。更优质的玻璃纤维更不容易吸收水分，因此所得的薄膜在长期使用中变得更稳定。此外，可能期望使用低碱玻璃，这是因为玻璃中的碱含量会增加对水分的吸收。
可用于纤维102的另一类无机材料是玻璃陶瓷材料。玻璃陶瓷材料通常包含95体积％至98体积％的十分小的晶体，晶体的尺寸小于1微米。某些玻璃陶瓷材料具有50nm那么小的晶体尺寸，使得它们在可见波长下为有效透明的，这是因为晶体尺寸比可见光的波长小得多从而导致基本上不发生散射。这些玻璃陶瓷还可以在玻璃质区域和晶体区域的折射率之间几乎不具有有效差值或完全不具有有效差值，这使得它们在视觉上是透明的。除了透明性之外，玻璃陶瓷材料的断裂强度可超过玻璃的断裂强度，并且已知该材料的热膨胀系数为零甚至为负值。所关注的玻璃陶瓷粉具有一些组合物，这些组合物包括但不限于：Li2O--Al2O3--SiO2、CaO--Al2O3--SiO2、Li2O--MgO--ZnO--Al2O3--SiO2、Al2O3--SiO2和ZnO--Al2O3--ZrO2--SiO2、Li2O--Al2O3--SiO2以及MgO--Al2O3--SiO2。
一些陶瓷还具有足够小的晶体尺寸，从而如果将这些陶瓷嵌入在具有适当匹配的折射率的基质树脂中，则使得这些陶瓷可以看起来是透明的。这类材料的例子是可以商品名NEXTEL从3M公司(St.Paul，Minn.)商购获得的陶瓷纤维，并且这类材料已经有线、纱线和织造垫的产品形式。
基质内的纤维的一些示例性构造包括纱、在聚合物基质内沿一个方向布置的纤维束或纱、纤维织物、非织造材料、短纤维、短纤维垫(具有随机或规则有序的形式)或这些形式的组合。短纤维垫或非织造材料可以被拉伸、施加应力或取向以使纤维在非织造材料或短纤维垫内具有一定程度的同轴性，而不是使纤维随机排布。此外，基质可以包含多层纤维：例如，基质可以包括成多个束、织物等的多层纤维。
有机纤维还可以单独或与无机纤维一起嵌入到基质104中。基质中可以包含的某些合适的有机纤维包括聚合物纤维，例如由一种或多种上述列出的聚合物材料形成的纤维。聚合物纤维既可以由与基质104相同的材料形成，也可以由不同的聚合材料形成。其他合适的有机纤维可以由天然材料形成，例如棉花、丝绸或大麻。某些有机材料(例如聚合物)既可以为光学各向同性的，也可以为光学双折射的。
在一些实施例中，有机纤维可以形成仅含聚合物纤维(例如，聚合物纤维织物)的纱线、纤维束、织物等的一部分。在其他实施例中，有机纤维可以形成同时包含有机和无机纤维的纱线、纤维束、织物等的一部分。例如，纱线或织物可以同时包含无机纤维和聚合物纤维。图2示意性地示出纤维织物200的实施例。该织物由经纱纤维202和纬纱纤维204形成。经纱纤维202可以为无机或有机纤维，并且纬纱纤维204也可以为有机或无机纤维。此外，经纱纤维202和纬纱纤维204均可同时包含有机纤维和无机纤维。织物200可以为单独纤维和纤维束的织物，或可以为纱线的织物，或为这些材料的任何组合的织物。
在许多实施例中，织造纤维网200由玻璃纤维形成。在许多实施例中，此玻璃纤维织物200的纱线支数的范围为沿x和y轴每英寸25至100根纱线，其织物重量的范围为10至100g/m2，并且织物厚度(z轴)的范围为15至100微米。在许多实施例中，形成玻璃纤维织物200中各纱线的玻璃纤维的直径范围为5至20微米。
纱线包括若干相互捆扎或捻在一起的纤维。该纤维可以贯穿该纱线的整个长度，或该纱线可以包括短纤维，其中各个纤维的长度比该纱线的整个长度更短。可以采用任何合适类型的纱线，包括由彼此缠扰的纤维形成的常规的加捻纱。纱线的另一个实施例的特征在于围绕中央纤维包裹的若干纤维。中央纤维可以为无机纤维或有机纤维。
在许多实施例中，用于形成纤维网200的纤维的直径小于约250微米，并且该直径可低至约5微米或更小。分别处理很细的聚合物纤维可能非常困难。但是，采用混合纱线中的聚合物纤维(同时包含聚合物纤维和无机纤维)使得聚合物纤维的处理更加容易，因为纱线在处理过程中不容易受损。
多数纤维网具有与纤丝间的间距相关的两种尺寸。例如，在玻璃纤维织物中，纱线间的间距的尺寸为分数毫米级，而纱线中纤维间的间距的尺寸为微米级，如上所述。通常，在外部强加的压力梯度或毛细力的作用下，可以将树脂注入纤维网。注入期间，必须从纱线间和纤丝间的空间中将空气(可能受所施加的低压影响而变得稀薄)或另外的气体置换出来。如果在浸渍期间夹带了若干气泡，则可通过产生流过纤维材料厚度的树脂流来消除一些气泡。如果将该浸渍树脂以液态保留足够时间，则较小的气泡可以随时间的推移而溶解。事实上，有时候希望的是，使树脂渗透进入织物，然后经过一段时间以使得气泡随后溶解到液体树脂中。在制造过程中，这可以被视为将液体引入玻璃纤维辊与该辊的加工(退绕)以及将液体送入固化过程之间的时间延迟。夹带的气泡可降低树脂浸渍的纤维网的机械和光学性质。用于使树脂接触纤维网的方法可以对浸润的织物中剩余气泡的尺寸和频度产生显著影响。
已经发现可以采用以下的设备和方法来减少或基本上消除夹带的气泡或空隙。在纤维网的厚度方向(z轴)上快速进行液态固化性树脂的毛细管芯吸，结果是与通过常规的浸泡或浸轧方法(尤其是无溶剂方法)进行的树脂浸润相比，夹带的气泡或空隙极少，其中当其通过液体时，树脂接触干燥(未浸润)的纤维网，使得纤维网穿过该液体的平移方向与织物的x或y方向对齐(例如图2所示)。因此，本公开中玻璃纤维织物的树脂浸润通过面外芯吸来实现。
图3为用于形成树脂浸渍的纤维网322的示例性设备300的示意性侧视图。设备300包括一定量的的液态固化性树脂310(如上所述，具有液体表面312)和纤维网辊320(如上所述，至少部分地浸没于一定量的的树脂310中)。设备300被构造用于退绕纤维网辊320，使得该纤维网在液体表面312之下从纤维网辊320上(在分离点324处)分离，并且形成树脂浸渍的纤维网322。在许多实施例中，纤维网辊320包括在液体表面312之上的上部，以及当使辊320退绕或旋转时在纤维网辊320的上部上的液态固化性树脂310的层314。通过辊旋转的自然作用，和/或通过某些诸如涂布装置的机构有意识地添加树脂，可以将液态固化性树脂层314施加到辊320的外部。此涂布装置可以包括，但不限于：模具涂布、辊涂等装置。就图3而言，液态固化性树脂和纤维网的温度在它们结合之前可以独立地调控(例如，加热或冷却)。在许多实施例中，液态固化性树脂不含溶剂或为100％的固体。
液态固化性树脂透过纤维网的厚度方向(z轴)快速浸润纤维网的至少外层，从而与通过行业常用的浸渍方法用液态固化性树脂(尤其是在溶剂较少的固化性树脂体系中)所进行的玻璃纤维的树脂浸渍相比，产生极少的夹带气泡或气隙。在行业中，由于不采用溶剂稀释的反应组分具有很高的粘度和共反应性，因此常用的浸轧方法通常涉及溶剂型固化性树脂。此外，相比通过使用惰轮(例如此前由Faustel，Inc.，(Germantown，WI)制造的惰轮)的常规浸渍方法进行的浸润，液体表面312之下的树脂浸渍的纤维网322的间距进一步减少或显著消除了夹带的气泡或气隙。
将纤维网辊320设置在一定量的的液态固化性树脂310中。在许多实施例中，纤维网辊320仅部分地设置在一定量的液态固化性树脂310中。在这些实施例的一些中，纤维网辊320在树脂表面312之上具有旋转轴321。在一些实施例中，纤维网辊320在树脂表面312之下具有旋转轴321。在其他实施例中，纤维网辊320完全浸没于一定量的液态固化性树脂310中。
在一些实施例中，纤维网辊320还包括渗透轴323内的一定量的液态固化性树脂，并且纤维网辊320围绕该渗透轴323设置。在这些实施例中，渗透轴323内的一定量的液态固化性树脂渗入纤维网辊320中，并且从内到外浸润纤维网。在一些实施例中，用液态固化性树脂浸润纤维网辊320，然后将纤维网辊设置在一定量的液态固化性树脂310中。在一些实施例中，渗透轴323内的一定量的液态固化性树脂从内到外渗透辊，并且同时还通过此前描述的方法或其他方法(从外到内)用液态固化性树脂浸润该辊。
在一些实施例中，对纤维网辊320和/或液态固化性树脂进行加热。可以将纤维网辊320和/或液态固化性树脂加热至任何可用的温度，例如加热到25至85摄氏度的温度范围。
设备300还包括设置用于固化树脂浸渍的纤维网322并且形成固化树脂浸渍的纤维网345的固化工位340(参见图4和图5)。图4为用于处理树脂浸渍的纤维网的示例性设备的示意性侧视图，图5为用于处理树脂浸渍的纤维网的另一种示例性设备的示意性侧视图。
图4示出设置在第一背衬层337和第二背衬层339之间的树脂浸渍的纤维网322。背衬层337、339分别由背衬供给辊336、338提供。辊304辅助将第一背衬层337和第二背衬层339层合至树脂浸渍的纤维网322，从而形成复合树脂浸渍的纤维网夹层335以及背衬层。
本文所述的背衬层337、339可由任何可用的材料形成。在许多实施例中，背衬层337、339由至少部分地透可见光性聚合物或树脂材料形成。在一个实施例中，背衬层337、339由聚酯材料形成。在一些实施例中，背衬层可具有光调控功能，例如光反射、光偏振、光改向、结构化表面和/或这些功能的组合。
在一些实施例中，涂层分配器360将液态涂层361涂布在树脂浸渍网322上。该液态涂层361可由任何可用的材料形成，例如粘合剂材料、本文所述的树脂材料和/或液态固化性树脂组合物310。该树脂材料可以与形成树脂浸渍网322的树脂材料310相同或不同。
在图5的一些实施例中，纤维网辊320可能插入树脂浸渍网322的位置，并且液态涂层361可能由液态涂布源360施加。在那种情况下，固化工位340可能用于将树脂固化至第一固化状态，同时在复合膜上产生表面结构。液态涂层361可以与图3的液态固化性树脂310相同(或不同)。
在一些实施例中，可能将不同形式的能量施加于树脂浸渍的纤维网322(包括但不限于热量和压力、紫外线辐射、电子束等)，以便固化树脂浸渍的纤维网322内的液态固化性材料。在一些实施例中，固化的树脂浸渍的纤维网345足够柔软，以便于收集和储存在收卷辊上。在其他实施例中，固化的树脂浸渍的纤维网345可能刚性太高而不能卷起，在这种情况下可以将其用一些其他方式储存，例如将固化的树脂浸渍的纤维网345切割成薄片以便储存。
如图5所示，可以将树脂浸渍的纤维322在固化之前或固化过程中进行模制或成形。例如，可以将树脂浸渍的纤维网322和/或液态涂层或树脂层361模制，从而得到结构化表面。将树脂浸渍的纤维网322与上述背衬层337结合以形成树脂浸渍的纤维网335，然后通过引导辊352将其引导至模制辊350，并且可以通过任选的压力辊354压贴在模制辊350上。模制辊350具有压入树脂浸渍的纤维网322和/或液态涂层或树脂层361的成形表面356。可以将模制辊350与压力辊354之间的间距调至设定距离，该距离控制成形表面356进入树脂浸渍的纤维网322和/或液态涂层或树脂层361的渗透深度。通过紫外线辐射或能源340所提供的热量使树脂浸渍的纤维网322固化，同时使纤维网仍然接触模制辊350，以形成固化的树脂浸渍的纤维网345。如结合图4所述，可将树脂浸渍的纤维网345储存在另一个辊上，或切割成薄片来储存。可任选地是，固化的树脂浸渍的纤维网345可以进一步加工，例如通过添加一个或多个层。
在许多实施例中，固化性树脂的可控粘度的范围为10至1000cps或100至500cps，并且其表面张力可以允许良好地接触并且润湿纤维网。
图6为用于形成树脂浸渍的预浸润纤维网的示例性设备的示意性侧视图。该设备包括一定量的的液态固化性树脂310(如上所述，具有液体表面312)和纤维网辊320(如上所述，至少部分地浸没于一定量的的树脂310中)。该设备被构造用于使纤维网辊320旋转，从而使液态固化性树脂310浸润辊320的厚度，并且形成预浸润的树脂浸渍的纤维辊。在许多实施例中，纤维网辊320包括在液体表面之上的上部，以及当使辊320退绕或旋转时在纤维网辊320的上部上的液态固化性树脂310的层314。在一些实施例中，辊320完全浸入液态固化性树脂310中。通过辊旋转的自然作用和/或通过某些诸如涂布装置的机构有意识地添加树脂，可以将液态固化性树脂层314施加到辊320的外部。此涂布装置可以包括，但不限于：模具涂布、辊涂等装置。就图6而言，液态固化性树脂和纤维网的温度在它们结合之前可以独立地调控(例如，加热或冷却)。在许多实施例中，液态固化性树脂不含溶剂或为100％的固体。
在一些实施例中，纤维网辊320可以用渗透轴323内的一定量的液态固化性树脂来预浸润(单独或与液态固化性树脂310浴一起)，并且纤维网辊320围绕该渗透轴323设置。在这些实施例中，渗透轴323内的一定量的液态固化性树脂渗入纤维网辊320中，并且从内到外预浸润纤维网。在一些实施例中，渗透轴323内的一定量的液态固化性树脂从内到外渗透辊，并且同时还通过此前描述的方法或其他方法(从外到内)用液态固化性树脂浸润该辊。
液态固化性树脂透过纤维网的厚度方向(z轴)快速浸润纤维网辊，从而与通过行业常用的浸渍方法用液态固化性树脂(尤其是在溶剂较少的固化性树脂体系中)所进行的玻璃纤维的树脂浸渍相比，产生极少的夹带气泡或气隙。在行业中，由于未稀释的反应组分不具有那样的高粘度和共反应，因此常用的浸轧方法通常涉及溶剂型固化性树脂。然后可将预浸润的纤维网辊用作上述以及图3中所示的纤维网供给辊320。在一些实施例中，可将该预浸润的纤维网辊直接用作上述以及图4和图5中所示的浸润的纤维网322。
在其他实施例中，如图7中所示，预浸润的纤维网辊325可用于常规的退绕和浸渍方法，其中所用设备包括上述一定量的的液态固化性树脂310和上述预浸润的纤维网辊325，并且向一定量的的树脂310提供一层树脂浸润的纤维网322，从而形成树脂浸渍的纤维网或复合膜321。树脂浸渍的纤维网或复合膜321通过轧辊303，然后暴露于能源或固化工位340，从而使该复合膜固化。
在许多实施例中，当复合膜322通过轧辊303并随后暴露于能源或固化工位340以固化复合膜时，一个或多个薄膜331、333被层合(如上所述)到复合膜的一个或两个主要表面上。薄膜331、333可以为任何有用的薄膜，例如聚合物背衬膜或光学膜。薄膜331、333可由薄膜辊330、332提供。在一些实施例中，薄膜331、333为上述炫光和反射控制的光控制薄膜。
在其他实施例中，除了不采用常规浸渍方法外，预浸润的纤维网辊325可按图7中所示的方式来使用。在这些实施例中，不存在一定量的的液态固化性树脂310，并且树脂浸润纤维网322直接用于以上图4和图5中所示的进一步加工方法中。
现在描述气泡面积测量。将树脂浸渍的纤维网的样品安装在配备有1.6倍透镜的Olympus SZX12显微镜上。用安装了Image-Pro v.5软件的Olympus DP70来捕捉图像。并且用该软件来分析图像。测量气泡的工序与Anant Mahale的博士论文(Characterization of voids formed duringliquid impregnation of non-woven multifilament glass networks asrelated to composite manufacture，Princeton University，1994(与复合材料制造有关的非织造多纤维丝玻璃网的液体浸渍过程中形成的空隙的特征，Princeton University，1994年)，得自UniversityMicrofilms International，300North Zeeb Rd.，Ann Arbor，MI48106，USA)中所描述的工序类似，但是有一个重要的不同之处：在我们的测量中，最小可测量的圆形气阱的面积与上述论文中的0.0001cm2相比为7.810-7cm2。我们的工序如下。由于最低变焦放大处具有1.6倍透镜，并且调节环形灯以在宽度为5.2mm的视域上方提供均匀光照，因此图像以全分辨率被捕捉进入Image-Pro v.5。然后将捕捉到的图像转变为灰度级并且调节柱状图，以使得直径为5微米小的圆形气泡和最小尺寸低至5微米的细长气泡的颜色均一。然后用Image-Pro计算这些气泡的总面积，并且除以视域的总面积。将Image Pro软件记录的总面积比率转变为面积百分比，并且记录在实例中。
利用本文所述的方法和设备，可以得到1％或更小，或0.05％或更小的气泡面积测量值。
将以上和以下例子中所述并且含有浸润的玻璃纤维的薄膜构造暴露于发出紫外光的LED阵列下(以便固化树脂)。紫外线LED购自Nichia(Tokyo，Japan)，并且安装成4行乘40列的LED阵列。这些LED的光谱输出的峰值在385nm附近，并且窄光谱分布为大约365nm至410nm。对该LED阵列提供39伏特的电能，从而使7.34安培的电流通过LED。紫外光透过PET膜并且固化玻璃纤维织物中及其周围的可聚合树脂。可聚合树脂固化后，穿过涂层机的浸润玻璃纤维网的通道使浸润网(和PET衬里)从紫外线弧光灯系统下通过，该紫外线弧光灯系统购自Fusion Aetek(Partnumber 19031D，Romeoville，IL)。该紫外线弧光灯系统与对网进行照明的弧光灯一起使用，并且设定到低功率设置。
使用最近校准的Power Puck(EIT Inc.，Sterling，VA)在弧光灯上以6.096米/分钟的线速度进行辐射测量，并且随后计算5米/分钟的处理速度下的剂量(并记录在表1中)。用配备有SED005探测器和“W”扩散片，并且校准系数为380nm的IL 1700研究辐射计(International Light，Peabody，MA)进行紫外线LED的辐射测量。就实例而言，紫外线LED(以7.34安培供电)释放出34.9mJ/cm2的等效UVA光剂量。
表1.Fusion Aetek弧光灯的紫外线剂量测量值(一盏灯，低功率设置)，计算剂量的线速度为5米/分钟
Figure G2008800229422D00171
实例
实例1(未浸没的退绕、未预浸润、对比物)在改装的Hirano 200L涂层机上进行实验。玻璃纤维材料的辊安装在槽外部，该槽含有下列组成的紫外线固化性丙烯酸盐混合物：74.81重量％的SR601(得自SartomerCompany(Exton，PA))、0.25重量％的TPO(得自BASF Corporation(Charlotte，NC))、12.47重量％的SR247(得自Sartomer Company)、以及12.47重量％的TO-1463(得自Toagosei America(West Jefferson，OH))。该槽安装在可以使其上下移动的线性镜台上。用外槽加热器将槽内的固化性丙烯酸盐混合物的温度保持在33摄氏度。将12英寸宽的玻璃纤维材料(型号为106，具有627涂饰剂，得自BGF Industries，Greensboro，NC)安装于涂层机的退绕机槽的外部，并且缠绕在惰辊周围，当槽处于“下”位时该惰辊在丙烯酸盐水平面的上方，然后玻璃纤维通道继续进入涂层机的其他段。当该槽处于“上”位时，浸没惰轮，同时还浸没玻璃纤维织物。将玻璃纤维在槽中浸润，然后将树脂浸润的玻璃纤维置于两个PET薄膜层之间，使未涂底漆的一侧与钢辊和包胶辊之间的压控辊隙中充满树脂的玻璃纤维织物(Dupont618 PET膜，Dupont Teijin Films US Limited Partnership，Hopewell，VA)接触。然后将三层构造的PET-玻璃纤维-PET穿过紫外光源(由Fusion Aetek，Romeoville，IL制造，部件号19031D)，并且使其进入涂层机的卷绕段。浸没在槽内的玻璃纤维的总长度为大约2英尺。生产线的运行速度为5米/分钟，辊隙气缸内的压力为2kgf/cm2，上述低功率设置的紫外线固化设备中具有单个灯泡，并且采用紫外线LED固化(以上所述的系统，电流为7.34安培)。当树脂基质已成为固体时，收集暴露于两种紫外光源后的样品。移除两个PET层，并且在显微镜下分析剩下的复合膜的气泡含量。用测径规测量所得的复合材料样品的厚度为1.3密耳。通过此前描述的显微镜工序测量的所得样品中气泡面积百分比为2.20％。
实例2(浸没的退绕、未预浸润)在改装的Hirano 200L涂层机上进行实验。玻璃纤维材料的辊安装在槽的侧面，该槽含有与实例1中所述的相同组成的紫外线固化性丙烯酸盐。安装时，玻璃纤维材料的辊的底部浸没在丙烯酸盐中。该槽安装在可以使其上下移动的线性镜台上。将12英寸宽的玻璃纤维材料(型号为106，具有627涂饰剂，得自BGF Industries，Greensboro，NC)卷绕在惰辊周围，并且当槽处于下位时该惰辊在丙烯酸盐水平面的上方。当该槽处于“上”位时，浸没惰轮，同时还浸没玻璃纤维织物。用外槽加热器将槽内的固化性丙烯酸盐混合物的温度保持在31摄氏度。将玻璃纤维在槽中浸润，然后将树脂浸润的玻璃纤维置于两个PET薄膜层之间，使未涂底漆的一侧与钢辊和包胶辊之间的压控辊隙中充满树脂的玻璃纤维织物(Dupont618 PET膜，Dupont Teijin FilmsUS Limited Partnership，Hopewell，VA)接触。然后将三层构造的PET玻璃纤维-PET穿过紫外光源(由Fusion Aetek，Romeoville，IL制造，部件号19031D)，并且使其进入涂层机的卷绕段。实验开始时将含丙烯酸盐的槽升至上位。在该位置使惰轮浸没。位于槽内的玻璃纤维的总长度为大约2英尺。生产线的运行速度为5米/分钟，辊隙气缸内的压力为2kgf/cm2，上述低功率设置的紫外线弧光灯固化设备中具有单个灯泡，并且还采用紫外线LED固化(上文所述的系统，电流为7.34安培)。将所得的聚合材料卷绕在芯上，标记出样品的位置，然后每隔2.5米在标记处取出样品。卷绕好的卷筒材料的总长度为20米。从样品上移除两个PET层，并且在显微镜下分析剩下的复合膜的气泡含量。通过测径规测量样品厚度。下表记录了样品的厚度以及测得的气泡面积百分比。按照与辊外端的距离指示样品的位置。例如，当将浸润辊退绕并且使其经过紫外线固化操作时，“0”位样品为所取的第一个样品。距离辊端最远的样品初始所在的位置与实验中所用玻璃纤维的辊芯最近。
  距辊端的距离(米)   厚度(密耳)   测得的气泡面积(％)
  0   1.4   0.037
  2.5   0.043
  5   1.4   0.050
  7.5   0.025
  10   1.3   0.018
  12.5   1.3   0.007
  15   1.3   0.084
  17.5   1.3   0.016
  20   1.3   0.021
因此，本发明公开了浸渍纤维网的设备和方法的实施例。本领域的技术人员将会知道，除了所公开的那些实施例之外，本发明还可以采用其他实施例。所描述的公开实施例旨在用于举例说明而非限制，并且本发明仅受以下权利要求的限制。

Claims (16)

1.一种设备，包括：
具有液体表面的一定量的液态固化性树脂；以及
液态固化性树脂浸润的纤维网辊，所述纤维网辊至少部分地浸没于所述一定量的树脂中，所述设备被构造用于使所述纤维网辊退绕，从而使所述纤维网在所述液体表面之下与所述纤维网辊分离，并且形成树脂浸渍的纤维网。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊包括所述液体表面之上的上部，并且液态固化性树脂层在所述辊退绕时位于所述纤维网辊的上部之上。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述纤维网为织造玻璃纤维网。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊在所述树脂表面之上具有旋转轴。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述液态固化性树脂层浸润所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊上的纤维网的外层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊还包括渗透轴内的一定量的液态固化性树脂，并且所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊围绕所述渗透轴设置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，还包括设置用于固化所述树脂浸渍的纤维网并且形成固化的树脂浸渍的纤维网的固化工位。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述固化的树脂浸渍的纤维网对至少一种偏振态的可见光至少部分透明。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述树脂不含溶剂。
10.一种浸渍纤维网的方法，包括：
将液态固化性树脂浸润的纤维网辊至少部分地设置在具有液体表面的一定量的液态固化性树脂中；
使所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊退绕，以使得所述纤维网在所述液体表面之下与所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊分离，并且形成树脂浸渍的纤维网；以及
固化所述树脂浸渍的纤维网以形成固化的树脂浸渍的纤维网。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述树脂浸渍的纤维网层合到至少部分地透可见光性聚合物膜，并且固化所述树脂浸渍的纤维网以形成固化的浸渍纤维复合材料。
12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，还包括固化所述树脂浸渍的纤维网，同时使所述树脂浸渍的纤维网与结构化表面接触，以形成固化的浸渍纤维复合材料。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述固化的树脂浸渍的纤维网的空隙体积为1％或更小。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，还包括加热所述纤维网辊。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中所述液态固化性树脂浸润的纤维网辊在所述液体表面之上具有旋转轴。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中所述液态固化性树脂不含溶剂。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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