CN102015259A - 复合涂层基材和可模塑复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合涂层基材和可模塑复合材料。所述可模塑复合材料包含复合材料薄片，即，聚合物基体材料薄片具有嵌入其中的纤维。将包含复合材料薄片的涂层涂覆在基材上从而形成一种改良的基材。由于将涂层置于第一构件的附着区域上，并且将紧固件置于第一构件的涂层附着区域上，使第一种构件固定到第二构件上，即第一构件对于第二构件是安全的。

Description

复合涂层基材和可模塑复合材料
技术领域
本发明涉及采用复合材料涂覆基材或制备一种可模塑材料的杂化材料领域。
背景技术
建筑材料或者其他一些基材经常会被磨损或暴露在光照、各种气候以及昆虫存在的环境下，造成材料快速损坏。近年来，木材以及其他材料的价格又在显著上涨。建造绿色建筑又更加关注于可再生材料。此外，传统建筑材料在诸如大风或者爆炸震荡波这样的高载荷条件下，表现出机械性能上的不足。在这种情况下，使用传统建筑材料，很有可能出现重大的建筑物毁坏、以及造成人员的伤亡。
发明内容
一方面，本发明涉及一种包含复合材料碎片的可模塑的复合材料。
另一方面，本发明涉及制备一种改良基材的方法。这种方法是通过提供基材并在基材上涂覆包含复合材料碎片的涂层而得到的。
又一方面，本发明涉及一种方法，该方法通过在第一构件的附着区域上涂覆涂层并在第一构件的被涂覆的附着区域上涂覆紧固材料以将第一构件固定到第二构件上，从而将第一构件固定到第二构件。
另一方面，本发明还提供了一种改良的基材。这种改良基材包括基材和基材上的包括多元复合材料碎片的涂层。
附图说明
图1是一块具有单向定向连续纤维的复合材料薄片的项视示意图。
图2是一块包含任意定向的纤维的复合材料薄片的顶视示意图。
图3是一块复合材料层板的侧视示意图。
图4示意地示出了用基材片和复合材料薄片制成的复合材料。
图5示意地示出了复合材料薄片集中环绕于基材的周围。
图6示意地示出了复合材料薄片以行的形式集中在基材上。
具体实施方式
一方面，本发明涉及一种包含复合材料薄片的可模塑材料。复合材料包括嵌入在聚合物基体中的纤维。可选地，可以以片材形式、连续卷或其他形式制成复合材料，也可以是连续的状的或者是其他形态的。为了提供薄片，复合材料可以被切、削或者用其他方式制成各种长度和宽度的薄片，比如约1英寸至约6英寸(约2.5至约15.25厘米)长，约1/4至约3英寸宽(约0.6至约7.6厘米)。不过，本发明并不局限于此，实际应用时可以采用任何的薄片尺寸。
在一个实施例中，可模塑材料是包含填充物和复合材料薄片的混合物，填充物可以包含任意一种或多种基材材料，比如建筑材料或其他诸如木材、木片、木屑、塑料、金属、复合材料或者织物等等的材料。复合材料薄片可以与基材片或其他填充物混合，使得复合材料薄片均匀分布在混合物中。可以选择性地包括粘合剂，以将复合材料薄片和基材薄片粘接起来。可选地，复合材料薄片不与基材混合而形成一种可模塑材料。这种可模塑材料可以包含实质上可以自由流动的薄片或通过加热或者加压合并成例如球形的有用的前驱体形式的薄片。如果基体材料是热塑性的，通过对其中的聚合物基体材料加热或者加压，使得聚合物基体材料至少可以部分溶解，从而，会使基体材料作为粘合剂，两个或更多的彼此接触的薄片立刻粘接起来。
在另一种实施例中，本发明还提供了一种改良的基材，通过在诸如构件之类的基材上涂敷由本文所述的复合材料薄片制成的涂层获得这种改良的基材。这种改良基材可以包含如木材、塑料、金属、木质胶合板、锯材、压制板、刨花板、定向刨花板等、诸如蜂窝状的成型材料、或者上述材料的组合。基材这个词可以包括任何材料，并不限于上述材料。
在图1所示的实施例中，整体上由10表示的聚合材料薄片包含聚合物基体12和多个分布于聚合物基体中的在纵向上相互对齐的纤维14。由薄片10中可以看出，薄片、板材、碎片、层压板或者复合材料板层都可以因其内部存在单向的纤维而被定义为“单向的”。此外，尽管10是矩形的，在不背离本发明广泛性的前提下，复合材料的薄片可以是任意形状的，本发明并不局限于此。另外，纤维可以纵向分布于聚合物基体中，也可以是切削过且随机分布在聚合物基体中，还可以是两种分布方式的结合。图2所示的薄片是任意形状的并包括剪断更长股的纤维所形成的纤维18，并且随意分布在聚合物基体20中的。此外，除了使用大量纤维外，还可以在复合材料中使用颗粒状材料。
在复合材料中可以采用各种类型的纤维和颗粒。示例性的纤维包括E玻璃和S玻璃纤维。E玻璃是一种低碱性硼硅酸盐玻璃，具有优良的电学和机械性能，并且有很好的耐化学腐蚀性。这种纤维广泛的应用于纤维以增强塑料。
S玻璃对于E玻璃纤维来说是高强度和高成本的。S玻璃是一种镁铝硅酸盐玻璃，拥有非常高的拉伸强度，常常应用于航空领域。最初，S代表高强度。
E玻璃纤维可以添加到具有很宽纤维质量范围和热塑性聚合物基体材料的复合材料中。E玻璃的含量可以从10到40盎司每平方码，例如，19到30盎司每平方码，在特定实施例中为21.4～28.4盎司每平方码。
其他的纤维也可以添加到复合材料中，可选择地与E-glass或/和S-glass一起添加。所述的其他纤维包括ECR，A和C玻璃纤维以及其他玻璃纤维；由石英、镁铝硅酸盐、非碱性硼硅酸盐、钠硼硅酸盐、硅酸钠、钠钙铝硅酸盐、铅硅酸盐、非碱性铅硼铝酸盐、非碱性钡硼铝酸盐、非碱性锌硼铝酸盐、非碱性铁铝硅酸盐、硼酸镉、铝纤维、石棉、硼、碳化硅、从聚乙烯碳化、聚乙烯醇、纱纶、芳纶、尼龙、聚苯并咪唑、聚噁二唑、聚亚苯基、聚丙烯、石油和煤渣沥青(各向同性)、中间相沥青、纤维素和聚丙烯腈得到的碳和石墨、陶瓷纤维、例如钢、铝金属合金之类的金属纤维、等等制成的纤维。
适合的有机塑料纤维可以是由凯夫拉纤维等芳族聚酰胺纤维，其他的高性能单向纤维束通常具有高于7克/丹尼尔拉伸强度。这些高性能纤维束是芳族聚酰胺纤维、扩展链段超高分子量尼龙(UHMWPE)、高分子PBO，高分子M5等纤维的一种或者多种的组合。这些高拉伸强度的材料对于制造防弹盔甲和类似的需要高防弹性能的制品特别有用。
在不脱离本发明广泛性的情况下，本发明所属领域技术人员已知的其他纤维可以替代上述纤维。如市场上销售的尤其是TWaron和Technora商标的芳族聚酰胺纤维；市场上销售的Toray，Fortafil和Zoltek商标的玄武纤维、碳纤维；市场上销售的包含并且不限于Vectran商标的液晶聚合物等都可以用于上述用途。基于前面提到的这些纤维，本发明着眼于独立或以组合形式使用各种有机的、无机的、金属的纤维。
S玻璃和E玻璃纤维或其他纤维的数量可以根据热塑性基体的质量百分比而变化，基于纤维和热塑性树脂结合后的质量，其中热塑性基体的质量百分比可以为40wt％～90wt％，如50wt％到85wt％的热塑性基体，在一个实施例中为60wt％到80wt％。
聚合物基体材料可以包含一种热塑性聚合物材料(提供热塑性薄片)、一种热固性聚合物材料(提供热固性薄片)、或两种材料的组合。热塑性聚合物材料包括可以是高分子量聚合物的聚合物，包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、尼龙、PEI(聚醚酰亚胺)和以及一些共聚物。热塑性树脂的重量比例可以根据产品板材的目的应用所要求的物理性能的变化而变化。
本发明使用的薄片，可以独立包括一种复合材料制成的薄片，也可以包括由相对于纤维和/或其中的聚合物基体不同的复合材料制成的薄片。例如，热塑性聚合物或其组合均是彼此不同的基体材料。而且，一种热塑性或者热固性树脂基体可以和另一种热塑性或热固性基体完全不同。从而，热塑性聚乙烯与热塑性聚丙烯基体不同。
在一个实施例中，复合材料层压板至少含有一个复合材料层或板层，复合材料层在其中都包括聚合物基体和纤维。在多层复合材料层压板中，每一层所包含的复合材料可以具有完全不一样的聚合物基体和/或纤维。例如，图三所示的薄片22由两层复合材料24和26的层压板组成，在图示的实施例中，复合材料24和26都包括单向连续纤维28。纤维28在两层材料的中的排列方向大致垂直。不过，由于每个层中的纤维28可以相对于另一个层中的纤维以任意角度排列，本发明不局限于此。此外，每个层中的纤维可以由不同的材料制成，同样可以是经过切削的、连续的、对齐的或者任意方向的，也可以是上述的任意组合。本实施例中薄片22具有两层，在不脱离本发明的实质的情况下，任意实际数量的复合材料的层可以包含薄片。
薄片10、16和/或22可以堆叠在可模塑复合材料中，用标准模压工艺对可模塑复合材料进行成型处理来生成如图4所述的模压产品30，标准模压工艺包括注射成型法、吹塑法、模压成型法、薄膜内嵌模压法、离心成型法和热压成型法等等。模压工艺可以选择性地包括加热/加压，使相邻的薄片10、16、22的至少部分的融化或固化，从而相互粘接。可模塑复合材料可选择性地包括包含填充物和工艺添加剂等。在图4所示的实施例中，薄片10、16和22与作为填充物的基材片32结合来提供可模塑材料。基材片可以是诸如木片、木屑，金属和其他基材或者这些物质的组合。碎片10、16和/或22和基材片32混合而均匀分布在混合物里面，这样就可以被模压成任意想要的形状，比如图四中的半圆形截面的结构。在一个实施例中，可以向可模塑复合材料加入粘合剂以增强基材材料32与碎片10、16、22的粘合牢固程度。
在另一个实施例中，可模塑复合材料实际上可以不加入基材片或者颗粒而由一种或多种碎片10、16和/或22以及纤维制备而成。在另一个实施例中，可模塑复合材料实际上可以不加入附加的纤维或基材片或颗粒或其他填充物而由一种或多种薄片10、16和/或22制备而成。
本发明的一个可替代的实施例中，薄片10、16和/或22可以集中的或/和额外的涂覆于模压产品30的特定区域。例如，复合材料薄片可以沿着产品30的边缘部分或其他区域集中分布，以提高产品30的结合特性或者其他特性。本发明还有一个替代的实施例是，薄片10、16和/或22可以额外的涂覆于模压产品30的特定区域。
在上述的某些实施例中，薄片10、16和/或22可以是用更大的复合材料片切割而成。如果复合材料中的纤维是沿某个特定方向的，这些薄片也可以置于基材或者可模塑材料上，这样就可以用纤维的方向性增强涂层基材和可模塑材料的机械性能。
根据本发明的另一方面，复合材料薄片可以作为涂层涂覆于基材上，正如上文所述，基材可以是木头(包括木材)、金属或者其他材质。在一个实施例中，基材可以是一种诸如胶合板、木骨架、镶板等结构性基建材料。如图5和图6所示，改良基材34是在基材38上涂覆涂层36而获得的。而涂层36是由薄片10、16和/或22制备而成的，涂层36涂覆于基材38的被选区域上特别是沿着基材38的周边从而形成了改良基材34。涂层36可以通过将碎片10，16和/或22熬制成可流动的形态，从而作为可模塑复合材料涂覆于基材38的特定区域上。或者像涂料悬浮于可挥发的载体之类的液体内，涂刷于基材38需要的区域上，便于涂层的凝结和/或凝固。涂层36增强基材38的性能来保持紧固件(没有在图中示出)。其中的紧固件可以是但不限于螺钉或者钉子。图6所示的替换形式是，改良基材40被涂覆了包含薄片10，16和/或22的涂层42和44，涂层42和44沿着基材38中通常布置紧固件的区域成行的涂覆。
本发明不限于将涂层集中涂覆于基材的周边或者在基材上排列成行。在不脱离本发明实质的前提下，薄片10、16和/或22组成的涂层可以覆于基材的任何特定区域甚至是整个基材。
涂层36、42和/或44可以是一层，但是本发明不限定涂层的层数，在其他的实施例中，任意数量的涂层可以涂覆(着)于整个基材上或者基材的某一部分上。可选地，可以合并薄片10、16和/或22的离散涂层，使得一种类型的薄片作为基材上的第一涂层，而将另外一种薄片作为第二层涂层。
在另一实施例中，可以用一层复合材料涂满整个基材38，而附加的涂层涂覆于基材需要强化的区域。此外，涂覆涂层36时，可以让其中的纤维相互间排列在特定的方向上。例如，长方形单向的薄片10具有长度方向排列的纤维，因此可以将涂层覆于基材38上时，可以让薄片10相互平行。为了不被某些特定理论约束，我们可以认为通过将纤维14沿特定方向放置，可以使基材的强度在这个方向上增强。
可以选择性向可模塑复合材料或者涂层36、42和/或44中的薄片10、16和/或22加入粘合剂，以增强薄片(可选择地，包括基材薄片32)之间和/或薄片10、16和/或22和它们涂覆的基材38之间的粘合性。此外，如果两种或两种以上的薄片10、16和/或22相互接触，本发明包括使用加热和加压使材料至少部分溶解或硬化，进而使得复合材料薄片相互结合形成基材上面的涂层。
在本发明的某些实施例中，碎片10、16和/或22形成一层复合材料涂层用以涂覆整个基材以提高基材整体的机械性能和耐久性。假设薄片10中的纤维是平行的纵向的排列，则根据改良基材期望的机械性能，将薄片排列在基材上，使纤维充分地定向排列在基材的特定方向上。
本发明的一项优势在于，基材上的涂层或者可模塑材料可以利用废弃的、可循环的复合材料制成的碎片10、16和/或22。
本发明的另一项优势在于，通过使用本发明中的碎片10、16和/或22来增强本发明中制备的复合材料涂层和可模塑材料。这种增强可以是整体提高机械性能或/和局部增强或/和在某个方向上增强。
本发明中制备的复合材料涂层和可模塑材料还有一项优势在于，碎片10、16和/或22或者涂层36，可以集中涂覆于特定的区域以增强紧固件的固位力使可模塑材料和覆膜的基材在恶劣气候和压力下不太会脱离主结构。这些紧固件包含又不限于螺钉和钉子。
本文中采用的术语“一个”和“一种”并不表示对数量的限制，只表示至少一个所述项的存在。
虽然参照特定的实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应该理解的是，在阅读和理解本发明的上述公开之后，对公开的实施例所进行的各种变型和改进均落入本发明和后附权利要求的精神和范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种可模塑复合材料，其包括复合材料薄片。
2.如权利要求1所述的材料，其包含第一种复合材料的第一种薄片和第二种复合材料的第二种薄片，第一种复合材料和第二种复合材料不同。
3.如权利要求2所述的材料，其中，第一种薄片包括复合在第一种聚合物基体中的纤维，第二种薄片包括复合在第二种聚合物基体的纤维，其中第一种聚合物基体和第二种聚合物基体不同。
4.如权利要求3所述的材料，其中，第一种聚合物基体包含第一种热塑性材料，第二种聚合物基体包含第二种热塑性材料。
5.如权利要求3所述的材料，其中第一种聚合物基体是一种热塑性材料，第二种聚合物基体是一种热固性材料。
6.如权利要求2所述的材料，其中第一种薄片包含复合在第一种聚合物基体中的第一种纤维，第二种薄片包含复合在第二种聚合物基体中的第二种纤维，其中第一种纤维和第二种纤维不同。
7.如权利要求1所述的材料，其包含基材的薄片。
8.如权利要求1所述的材料，其包含粘结剂。
9.如权利要求1所述的材料，其中，复合材料薄片中包含复合在热塑性树脂基体中的纤维，以及其中，所述可模塑复合材料是通过加热、加压、应用粘合剂、或者这几种方法的两两组合或更多组合的方式结合在一起的。
10.一种制备改良的基材的方法，包括：
提供基材；以及
在基材上涂覆涂层，所述涂层包含复合材料薄片。
11.如权利要求10所述的方法，涂覆包括热固性树脂薄片和热塑性树脂薄片的组合的涂层。
12.如权利要求10所述的方法，其包括在基材上涂覆多层涂层。
13.如权利要求10所述的方法，其包括在基材上涂覆涂层，涂层包括第一层和第二层，第一层主要包含热塑性薄片，第二层主要包含热固性薄片。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述涂层包含在所述涂层中相互对齐的单向薄片。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述基材具有附着区域，而且，所述方法包括将涂层主要涂覆于所述基材的附着区域。
16.一种将第一构件固定到第二构件的方法，所述方法包括在第一构件的附着区域上涂覆涂层，而且在第一构件的涂层附着区域上应用紧固件，以将第一构件固定到第二构件。
17.一种改良的基材，其包括：
基材；以及
位于所述基材上的涂层，所述涂层包含多种复合材料碎片。
18.如权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料薄片包括复合在热塑聚合物基体中的纤维，所述纤维包括有机纤维、无机纤维和金属纤维中的一种或多种。
19.如权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料薄片包括复合在热塑聚合物基体中的纤维，所述纤维包括ECR、A和C玻璃纤维、由石英、镁铝硅酸盐、非碱性硼铝硅酸盐、钠硼硅酸盐、硅酸钠、钠钙铝硅酸盐、铅硅酸盐、非碱性铅硼铝酸盐、非碱性钡硼铝酸盐、非碱性锌硼铝酸盐、非碱性铁铝硅酸盐、硼酸镉、铝纤维、石棉、硼、碳化硅、从聚乙烯碳化、聚乙烯醇、纱纶、芳纶、尼龙、聚苯并咪唑、聚噁二唑、聚亚苯基、聚丙烯、石油和煤渣沥青(各向同性)、中间相沥青、纤维素和聚丙烯腈得到的碳和石墨、陶瓷纤维或金属纤维中的一种或多种。
20.如权利要求18所述的材料，其中，所述复合材料薄片包括复合在热塑聚合物基体中的纤维，所述纤维包括芳族聚酰胺纤维、扩展链段超高分子量尼龙(UHMWPE)、高分子PBO纤维或高分子M5纤维中的一种或多种。
21.如权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料薄片包括复合在热塑聚合物基体中的纤维，所述纤维包括芳族聚酰胺纤维、玄武纤维、碳纤维和液晶聚合物纤维中的一种或多种。
22.如权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料薄片包括复合在热塑聚合物基体中的纤维，所述纤维包括玻璃纤维。
23.如权利要求19所述的材料，其中，其中，所述玻璃纤维包括E玻璃纤维和S玻璃纤维或其组合。
24.如权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料薄片包括两种或多种复合层的层压板，每个层均包括复合在热塑聚合物基体中的纤维。
25.如权利要求24所述的材料，其中，所述层压板中的两个层中的每一个层中的纤维基本上是单向的，一个层中的纤维与另一个层中的纤维交叉布置。
26.如权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料薄片包括其中的单向纤维。
27.如权利要求1所述的材料，其中，所述复合材料薄片布置在其中的纤维彼此对齐的层中。
28.如权利要求1所述的材料，其中，所述填充物包括木材、木片、木屑、塑料、金属、复合材料或者织物中的一种或多种。
29.如权利要求10所述的方法，所述涂层包括根据权利要求1到9或权利要求18-28中的任一项权利要求所述的薄片。
30.如权利要求16所述的方法，其中，所述涂层包括根据权利要求1到9或权利要求18-28中的任一项权利要求所述的薄片。
31.如权利要求17所述的改良基材，所述涂层是由根据权利要求1到9或权利要求18-28中的任一项权利要求所述的薄片制成的。
32.根据权利要求31所述的改良基材，其中，所述基材包括木材、塑料、金属、木质胶合板、锯材、压制板、刨花板、定向刨花板或制成的材料中的一种或多种。
33.根据权利要求31所述的改良基材，其中，所述涂层以行布置在所述基材上。

Claims (17)

1.一种可模塑复合材料，其包括复合材料薄片。
2.如权利要求1所述的材料，其包含第一种复合材料的第一种薄片和第二种复合材料的第二种薄片，第一种复合材料和第二种复合材料不同。
3.如权利要求2所述的材料，其中，第一种薄片包括复合在第一种聚合物基体中的纤维，第二种薄片包括复合在第二种聚合物基体的纤维，其中第一种聚合物基体和第二种聚合物基体不同。
4.如权利要求3所述的材料，其中，第一种聚合物基体包含第一种热塑性材料，第二种聚合物基体包含第二种热塑性材料。
5.如权利要求3所述的材料，其中第一种聚合物基体是一种热塑性材料，第二种聚合物基体是一种热固性材料。
6.如权利要求2所述的材料，其中第一种薄片包含复合在第一种聚合物基体中的第一种纤维，第二种薄片包含复合在第二种聚合物基体中的纤维，其中第一种纤维和第二种纤维不同。
7.如权利要求1所述的材料，其包含基材的薄片。
8.如权利要求1所述的材料，其包含粘结剂。
9.如权利要求1所述的材料，其中，复合材料薄片中包含复合在热塑性树脂基体中的纤维，以及其中，所述可模塑复合材料是通过加热、加压、应用粘合剂、或者这几种方法的两两组合或更多组合的方式结合在一起的。
10.一种制备改良基材的方法，包括：
提供基材；以及
在基材上涂覆涂层，所述涂层包含复合材料薄片。
11.如权利要求10所述的方法，涂覆包括热固性树脂薄片和热塑性树脂薄片的组合的涂层。
12.如权利要求10所述的方法，其包括在基材上涂覆多层涂层。
13.如权利要求10所述的方法，其包括在基材上涂覆涂层，涂层包括第一层和第二层，第一层主要包含热塑性薄片，第二层主要包含热固性薄片。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述涂层包含在所述涂层中相互对齐的单向薄片。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述基材具有附着区域，而且，所述方法包括将涂层主要涂覆于所述基材的附着区域。
16.一种将第一构件固定到第二构件的方法，所述方法包括在第一构件的附着区域上涂覆涂层，而且在第一构件的涂层附着区域上应用紧固件，以将第一构件固定到第二构件。
17.一种改良的基材，其包括：
基材；以及
位于所述基材上的涂层，所述涂层包含多种复合材料碎片。
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