CN102448708A - 用于制造复合材料人工制品的膜，该膜的制造方法和利用该膜制造复合材料人工制品的方法 - Google Patents

用于制造复合材料人工制品的膜，该膜的制造方法和利用该膜制造复合材料人工制品的方法 Download PDF

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Abstract

本发明披露了一种在复合材料人工制品(2)的生产中使用的树脂约束膜(1)；该约束膜(1)由用双轴取向聚丙烯制成的支持膜(6)、释放化学产品的中间层(7)、和通过真空蒸发沉积施加于中间层(7)上的金属涂层材料的表面层(8)形成，所述中间层涂覆用来与半成品(2′)进行接触的支持膜(6)的正面(6a)，其中所述半成品(2’)将制得复合材料人工制品(2)。

Description

用于制造复合材料人工制品的膜,该膜的制造方法和利用该膜制造复合材料人工制品的方法
技术领域
本发明涉及用于制造复合材料人工制品的膜、所述膜的制造方法、以及利用所述膜制造复合材料人工制品的方法。
更具体地，本发明涉及在管状复合材料人工制品的生产中使用的树脂约束膜(限制膜，constraint film)；以下描述仅仅是用于通过实施例的方式进行说明，没有这些实施例一般也不会意味着任何损失。
背景技术
众所周知，管状和非管状的复合材料人工制品基本上是通过将玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳香族聚酰胺纤维和/或棉、亚麻(linen)、大麻(hemp)或其他有机材料纤维的一层或多层重叠层适当地编织和/或重叠至另一层，并包埋在环氧树脂、酚醛树脂或聚酯热固性树脂中而形成的。
在某些制造方法中，该复合材料人工制品可由用仍处于半固态的树脂预浸渍的纤维的半成品坯(semi-finished mat)(也称为“半固化片(prepreg)”)获得，将所述半成品坯成形以使其符合想要获得的人工制品的形状，然后经历热固化周期，在此期间树脂发生聚合，随后其发生不可逆的固化。
在复合材料人工制品为管状的情况下，该半成品绕着金属卡盘缠绕，然后被置于烘箱内，其中树脂在该烘箱中发生聚合，其事先已与塑料材料带(通常为聚丙烯)缠绕在一起，该塑性材料带用于将树脂保持在半成品内直至树脂被完全固化。
在大多数情况下，在树脂聚合过程结束时将树脂约束带从复合材料制品中除去。
需要使用树脂约束带的原因在于，在聚合过程的初始阶段期间，热固性树脂体积增大，并经历其流动性的增加，因此，如果不将其固定在适当位置，其就会趋向于在固化之前由于重力而使半成品倾出，从而危及该人工制品的结构完整性。
最后，对某些用途而言，需要对该复合材料人工制品的表面进行着色。
在这种情况下，生产工艺提供了在热固性树脂已完成聚合过程之后，通过喷涂或刷涂直接在该复合材料人工制品的表面上施加彩色颜料层；或者提供了在树脂聚合过程发生之前通过喷涂或刷涂直接在半成品的表面上施加彩色颜料层。
在这该第二种情形中，在聚合过程期间，热固性树脂能够稳定地结合其中的彩色颜料颗粒从而改善人工制品的表面精整(finishing)。
事实上，如人们已知的，彩色颜料由液体和精细混合在一起的树脂与稀释剂/溶剂的基本上透明的混合物，以及悬浮在该透明液体混合物中的可变量的基础颜料颗粒(即，所需着色物质的精细研磨颗粒)组成。稀释剂/溶剂的作用是使树脂保持在液态，虽然树脂是这样一种化学物质，当其仍为液态时吸附于(grip)人工制品的表面，而当稀释剂/溶剂通过蒸发自然分散时其稳固地粘附于(stick)保留了颜料颗粒的人工制品表面。如果在彩色颜料中使用的树脂与复合材料人工制品的热固性树脂化学相容，则在聚合过程的初始阶段期间，位于复合材料人工制品表面处的热固性树脂能够结合于其中形成彩色颜料的树脂和颜料颗粒中，由此在复合材料人工制品的表面上进行着色。
如在日本专利JP11309797和JP2000062032以及在欧洲专利EP1621322中详述的那样，近年来，管状复合材料人工制品的一些制造者为了简化和加快生产过程，开始将彩色颜料直接施加在聚丙烯带的面上，该聚丙烯带的面将会与复合材料人工制品的表面直接接触，然后将结合于其中的任务交给该人工制品的热固性树脂，在聚合过程中，颜料颗粒存在于该带的表面上。
在这种情况下，必须要用刷子或通过丝网印刷的方式将彩色颜料直接施加在聚丙烯约束带的“非处理”面上，即，在定义为具有低于38达因/厘米的表面张力值的面上，以使得在彩色颜料和聚丙烯约束带之间产生中等至弱的分子键。
事实上，公知的是，如果复合材料人工制品表面上的热固性树脂与表面张力大于38达因/厘米的聚丙烯表面直接接触，则其将永久结合于该约束带，以致于只能用砂纸等通过机械表面磨蚀将该带除去。该过程将不可恢复地损伤复合材料人工制品的表面。
显然，在非常薄的彩色颜料层已在带的表面上干燥之后，约束带被用在复合材料人工制品的生产和着色中。
尽管已经大大缩减了复合材料人工制品的生产和着色成本，但使用具有用丝网印刷着色的面的聚丙烯约束带使得无法实现可与在热固性树脂聚合过程结束时通过直接喷涂或刷涂复合材料人工制品可获得的那些具有色饱和度(intensity)、亮度和光泽度的颜色相比的面。
最后，通过以上描述的生产方法不可能赋予复合材料人工制品的表面金属外观。由于这一事实，为了获得这种表面精整，复合材料人工制品的制造一般使用半成品坯，所述半成品坯中的纤维在用热固性树脂浸渍之前经历表面金属化处理。
遗憾的是，最终的美学效果并不能补偿在生产成本方面的显著增加：半成品纤维的表面金属化确实会导致时间特别长和昂贵的表面处理，并且该复合材料人工制品在树脂聚合的末期不具有均一金属外观的表面涂层。
发明内容
因此，本发明的目的是制造用于复合材料人工制品的生产的带或片形式的约束膜，其允许在复合材料人工制品上实现可与在热固性树脂聚合过程的末期通过直接喷涂或刷涂着色复合材料人工制品可获得的那些具有色饱和度、亮度、光泽度的颜色和/或金属外观相比的着色表面。
按照以上目的，根据本发明，提供了如在权利要求1中具体限定的用于生产复合材料人工制品的约束膜，优选地，但不是必须，在任一从属权利要求中具体限定。
根据本发明，还提供了如在权利要求9中具体限定的用于生产复合材料人工制品的约束膜的生产方法，优选地，但不是必须，在任一从属权利要求中具体限定。
最后，根据本发明，提供了如在权利要求17中具体限定的复合材料人工制品的生产方法，优选地，但不是必须，在任一从属权利要求中具体限定。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明，附图示出了其非限制性实施方式，其中：
-图1图解示出了实现根据本发明的教导获得的用于生产复合材料人工制品的膜；其中
-图2、图3和图4图解示出了实施根据本发明教导的用于生产复合材料人工制品的方法的各个步骤。
具体实施方式
参照图1和图4，标号1是指为了在复合材料人工制品2的生产中使用而专门设计的整个热固性树脂约束膜，该复合材料人工制品2优选，但不是必须，具有平面或管状的形状，并且其基本上由玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳香族聚酰胺纤维和/或棉纤维和/或亚麻纤维和/或大麻纤维和/或由其他有机或无机材料制成的纤维的一层或多层重叠的层(在下文中用标号3表示)与另一层适当地重叠或编织并包埋在环氧树脂、酚醛树脂、聚酯热固性树脂等中而形成。
更具体地，参照图1和图2，通过使半成品2’经历热固化周期来制造复合材料人工制品，该半成品2’符合想要得到的复合材料人工制品2的形状并且由用仍为高粘度液态的热固性树脂4浸渍的纤维3的一层或多层形成，所述热固化周期引起热固性树脂4的聚合并随后发生其不可逆的固化；并且所述带或片形式的约束膜1被设计为缠绕在半成品2’周围从而在聚合过程中将热固性树脂4保持在半成品2’内。
除以上之外，约束膜1还被设计为由此沉积在半成品2’的外表面2a上，在热固性树脂4的聚合过程末期，非常薄的外涂层膜5永久粘合于所得到的复合材料人工制品2的表面。
参照图1，约束膜1基本上由支持膜6、释放化学品的中间层7、和涂层材料的表面层8形成，其中所述支持膜6优选，但不是必须，用双轴取向的聚丙烯或类似的塑料聚合物制成；所述中间层7完全涂覆用来与半成品2’进行接触的支持膜6的正面6a；所述涂层材料的表面层8是均匀的并优选，但不是必须，是金属类型，并且其完全涂覆中间层7并通过真空蒸发沉积工艺实现。
更具体地，与目前所使用的溶液相反，膜6被构造为使得用来与半成品2’进行接触的正面6a表面上的塑料聚合物局部具有表面张力值TS，TS的值优选，但不是必须，在45达因/厘米和70达因/厘米之间的范围内，并且在任何情况下都大于38达因/厘米；并且因此释放化学品的中间层7通过柔性版印刷工艺(flexo printing process)等(例如丝网印刷、轮转凹版印刷、胶版印刷和旋转胶版印刷)被铺展在膜6的正面6a上，因此释放的化学品粘合于下方膜6表面并且能够接受随后通过真空蒸发的沉积。
换句话说，释放化学品的中间层7被施加在由聚丙烯等制成的膜6的“处理”面上，即，施加在局部具有大于38达因/厘米的表面张力值TS的面上。
除以上之外，形成中间层7的释放化学品的厚度，应当优选，但不是必须，比聚丙烯膜6的厚度d低至少一个数量级。
表面层8作为替代通过真空蒸发沉积工艺被直接沉积在中间层7上，以使得金属涂层材料完美地粘附于中间层7，永久结合至形成中间层的释放化学品，并使得涂层金属材料的厚度优选，但不是必须，小于0.5微米(即，10-6米)，该厚度小于中间层7的厚度。
在所示出的实施例中，特别地，约束膜1由厚度为约35微米的双轴取向聚丙烯膜6形成，其经历表面电化学处理，在该处理中，用来与半成品2’进行接触的正面6a的表面置于高强度电场(电晕处理)中或被高能离子化颗粒轰击，或被冷的等离子体射流撞击，或被火焰卷烧(lick)，以使得聚丙烯的表面张力TS局部具有约50达因/厘米的值；而中间层7通过经由柔性版印刷施加的透明颜料层(例如，可商购自FlintGroup Italia S.p.a.，商品名为PLURICEL RCARL的透明颜料)形成。
在这种情况下，应当注意到，与彩色颜料相反，透明颜料仅由精细混合在一起的树脂和稀释剂/溶剂的液体混合物组成，并且总是基本上透明的，因为形成其的化学品基本上是无色的。
至于所关注的涂层材料的表面层8，约束膜1的生产方法提出，将涂层材料经由真空蒸发工艺直接沉积在中间层7上，以使得表面层8的最终厚度优选，但不是必须，小于0.5微米(即，10-6米)。在所示出的实施例中，特别地，形成表面层8的涂层材料由经由真空蒸发工艺直接沉积在中间层7上的铝组成，以使得表面层8的最终厚度范围在0.005至0.01微米之间。
作为铝的替代，表面层8也可以由铜、铬、银、金、铂、钢、黄铜、镍及它们的合金，或其他可蒸发的金属材料，或非金属材料例如硅(可以甚至是非晶的)、石墨、(聚)四氟乙烯(也被称为特氟隆(Teflon))或可经由真空蒸发工艺沉积的其他塑料材料制成，以使得表面层8的最终厚度优选，但不是必须，小于0.05微米。
真空蒸发工艺也被称为真空蒸发沉积工艺，是一种已被广泛公知并在其他领域中应用的技术，因此将不再对其进行进一步公开。
参照图2、图3和图4，通过以下生产方法制造复合材料人工制品2：首先提供以获得半成品2’，所述半成品2’复制了要形成的复合材料人工制品2的形状，并且其由一层或多层可编织在一起并且用仍为高粘度液态的热固性树脂4浸渍的纤维3形成。
得到半成品2’之后，复合材料人工制品的生产方法提供用约束膜1完全覆盖半成品2’的外表面2a(参见图2)，注意使约束膜1取向，以便该膜的表面层8被布置为直接接触半成品2’，并由此与存在于半成品2’外表面2a上的热固性树脂4直接接触。
在半成品2’已被约束膜1覆盖以使仍为高粘度液态的热固性树脂4限制在半成品2’中之后，复合材料人工制品的生产方法提供使由约束膜1完全覆盖的半成品2’(参见图3)经历热固化周期，由此导致热固性树脂4完成聚合，并且随后热固性树脂发生不可逆的固化。
显然，热固化周期的特点取决于在半成品2’中所使用的热固性树脂4的类型。
一旦半成品2’的热固性树脂4的聚合完成，复合材料人工制品的生产方法提供从烘箱中取出的半成品2’，并且优选，但不是必须，然后从半成品2’中除去约束膜1，由此获得具有用非常薄的外部膜5涂覆的表面的复合材料人工制品2，该外部膜5由约束膜1的中间层7和表面层8形成。
在聚合过程期间，半成品2’的热固性树脂4优选结合于约束膜1的表面层8，稳定和永久地将表面层8粘合至半成品2’的外表面2a。
层7和8完全转移到半成品2’上的发生是因为由于真空蒸发沉积工艺在约束膜1的表面层8和中间层7之间形成的分子键比中间层7和约束膜1的其余层(即膜6)之间形成的分子键更牢固，因此在除去约束膜1的过程中，中间层7能够与约束膜1的其余部分(即与膜6)分离而没有破裂。
优选的，但不是必须，在半成品2’的热固性树脂4聚合完成并将约束膜1从半成品2’上除去之后，复合材料人工制品的生产方法最后提供待涂覆的所得人工制品2的外部膜5，可选地和可替代地，施加一层透明颜料，优选的，但不是必须，通过喷涂；施加一层透明热固性树脂，并因此进行新的热固化周期以使得该第二种树脂也发生聚合；或施加透明的膜，可以是自动粘附的，并且由聚氨酯或其他塑料聚合物树脂制成。
在已稳定地结合于人工制品2的外部膜5后，颜料层、树脂层或塑料聚合物膜形成增补的透明表面层，其用于保护人工制品2的外部膜5免受任何类型的刮擦和磨蚀。
使用上文所述的约束膜1可获得很多优点。
首先，能够在复合材料人工制品2的表面上直接沉积表面层8，将所述层转移到该人工制品的外部膜5中，约束膜1能够用形成表面层8的材料的典型彩色着色人工制品2的表面。
由于其通过彩色材料均匀层的方式获得，而不是通过分散在热固性树脂基质中的颜料的大量细微颗粒的方式获得，因此该人工制品2具有可与在热固性树脂聚合过程的末期通过喷涂或刷涂复合材料人工制品获得的那些表面相比的色饱和度、亮度和光泽度。
此外，通过使用约束膜1，可将形成表面层8的金属材料转移到人工制品2的表面上，由此获得具有预选材料人工制品2的外部膜5。所获得的外部膜5是均匀和紧密的，并且具有可以直接在终产品上通过表面涂覆、电解或真空沉积获得的那些相比的金属型的表面精整。通过使用约束膜1，还可以用非常有限的成本，用金、银和铂使复合材料人工制品2的表面彰显高贵。形成外部膜5每表面单位所需要的贵重材料量实际上非常少。
除以上之外，通过使用具有由金属材料制成的表面层8的约束膜1，复合材料人工制品2的表面可被完全金属化，由此使其具有导电性。此特征不可能通过传统着色方法获得，在传统着色方法中，颜料的细微颗粒即使当由导电金属材料制成时，在任何情况中也会都保持分散在热固性树脂中，而热固性树脂公知是良好的电绝缘体。
通过使用具有由特氟隆制成的表面层8的约束膜1，最终可赋予人工制品2的表面此类材料典型的抗粘附性质。
显然，可对约束膜1、其生产方法、以及使用这种膜的复合材料人工制品2的生产方法进行改变和变化，而不脱离本发明的范围。
例如，代替由透明颜料形成，约束膜1的释放化学品的中间层7可由通过柔性版印刷等方式施加的一层彩色颜料形成，例如可商购自意大利FlintGroup Italia S.p.a.，商品名为DAILOX ARL的油墨。
与彩色颜料类似，事实上油墨也是由液体和被精细混合在一起的树脂与稀释剂/溶剂的基本透明的混合物，以及由悬浮在基本透明的液体混合物中的不同量的基础颜料颗粒(即，所需着色物质的精细研磨颗粒)形成。稀释剂/溶剂用于使树脂保持液态，而树脂是这样一种化学物质，当其仍为液态时附着于膜6的表面、而当稀释剂/溶剂通过蒸发自然分散时稳固地粘合于保留了颜料颗粒的膜6的表面。
复合材料人工制品的生产方法也可用于制造具有多层表面结构的复合材料人工制品。
在这种情形中，在半成品2’的热固性树脂4完成聚合之后，在约束膜1已从半成品2’中除去以形成人工制品2的外部膜5之后，以及可在具有保护功能的增补表面层已实现之后，复合材料人工制品的生产方法还可以提供在人工制品2的外部膜5上，或者甚至是在具有保护功能的增补表面层上施加第二约束膜1的步骤，在下层树脂的聚合过程末期，该第二约束膜1将结合于人工制品2中以提供具有多层结构的表面覆盖层。
显然，重叠的不同种类的两层、三层、四层或多层约束膜1也是可能的，因此，在人工制品2上获得的表面覆盖层的每一单层都具有形成在生产工艺中使用的约束膜1的表面层8的材料的物理特性(例如导电性)。

Claims (19)

1.在复合材料人工制品(2)的生产中使用的约束膜(1)，其特征在于，包括：塑料聚合物支持膜(6)、释放化学品的中间层(7)、和通过真空蒸发沉积施加于所述中间层(7)上的涂层材料的表面层(8)，其中所述中间层涂覆用来与所述半成品(2′)进行接触的所述支持膜(6)的正面(6a)，所述半成品(2’)将制得所述复合材料人工制品(2)。
2.根据权利要求1所述的约束膜，其特征在于，所述支持膜(6)被构造为以使得位于用来与所述半成品(2’)进行接触的所述支持膜(6)的所述正面(6a)的所述表面上的所述塑料聚合物局部具有大于38达因/厘米的表面张力(Ts)值。
3.根据权利要求2所述的约束膜，其特征在于，位于所述支持膜(6)的所述正面(6a)的所述表面上的所述塑料聚合物局部具有范围为45达因/厘米至70达因/厘米的表面张力(Ts)值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的约束膜，其特征在于，所述支持膜(6)由聚丙烯制成。
5.根据权利要求4所述的约束膜，其特征在于，所述支持膜(6)由双轴取向的聚丙烯制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的约束膜，其特征在于，所述表面层(8)由金属材料制成。
7.根据权利要求1-5中任一所述的约束膜，其特征在于，所述表面层(8)由硅、石墨、特氟隆或可经由真空蒸发沉积的其他材料制成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的约束膜，其特征在于，所述中间层(7)由通过柔性版印刷工艺等铺展在所述支持膜(6)的所述正面(6a)上的一层透明的或彩色的颜料形成；所述中间层(7)的厚度比所述支持膜(6)的厚度(d)低至少一个数量级。
9.在复合材料人工制品(2)的生产中使用的树脂约束膜(1)的生产方法；所述方法的特征在于，包括以下步骤：
-通过柔性版印刷工艺等在塑料聚合物支持膜(6)的表面上形成释放化学品的第一层(7)，涂覆用来与所述半成品(2’)进行接触的所述膜的所述正面(6a)，所述半成品(2’)将制得所述复合材料人工制品(2)；和
-通过真空蒸发沉积，在释放化学品的所述第一层(7)上方形成涂层材料的第二层(8)。
10.根据权利要求9所述的约束膜的生产方法，其特征在于，还包括，在形成所述第一层的步骤之前，使所述支持膜(6)的所述正面(6a)经历表面处理的步骤以使得位于所述正面(6a)的表面上的所述塑料聚合物局部具有大于38达因/厘米的表面张力(Ts)值的步骤。
11.根据权利要求10所述的约束膜的生产方法，其特征在于，在所述表面处理结束时，位于所述支持膜(6)的所述正面(6a)的表面上的所述塑料聚合物局部具有范围为45至70达因/厘米的表面张力(Ts)值。
12.根据权利要求9、10或11所述的约束膜的生产方法，其特征在于，所述支持膜(6)由聚丙烯制成。
13.根据权利要求12所述的约束膜的生产方法，其特征在于，所述支持膜(6)由双轴取向的聚丙烯制成。
14.根据权利要求9至13中任一所述的约束膜的生产方法，其特征在于，所述第二层(8)由金属材料制成。
15.根据权利要求9至13中任一所述的约束膜的生产方法，其特征在于，所述第二层(8)由硅、石墨、特氟隆或可通过真空蒸发沉积的其他材料制成。
16.根据权利要求9至15中任一所述的约束膜的生产方法，其特征在于，所述第一层(7)由厚度小于所述支持膜(6)的厚度(d)的一层透明或彩色颜料形成。
17.复合材料人工制品(2)的生产方法，所述复合材料人工制品由包埋在热固性树脂(4)中的一层或多层重叠层的有机或无机材料纤维(3)形成；所述方法的特征在于，顺序包括以下步骤：
-获得半成品(2’)的步骤，所述半成品(2’)符合待制造的复合材料人工制品(2)的形状，并且其由用仍为高粘度液态的热固性树脂(4)浸渍的一层或多层所述纤维(3)形成；
-用根据权利要求1至9中任一项制造的约束膜(1)覆盖所述半成品(2’)的至少一个表面(2a)的步骤，以使仍为高粘度液态的热固性树脂(4)限制在所述半成品(2’)中，此外注意所述约束膜(1)的取向以使得将其表面层(8)被布置为与所述半成品(2’)直接接触；和最后
-使被所述约束膜(1)覆盖的所述半成品(2’)经历热固化周期的步骤，以引起热固性树脂(4)的聚合并发生随后其不可逆的固化。
18.根据权利要求17所述的复合材料人工制品的生产方法，其特征在于，还包括，一旦热固性树脂(4)的聚合完成，从所述半成品(2’)中除去所述约束膜(1)的步骤，以使得所述约束膜(1)离开其稳定粘附于所述半成品(2’)的所述表面(2a)上的表面层(8)，从而在其上形成外涂层膜(5)。
19.根据权利要求18所述的复合材料人工制品的生产方法，其特征在于，还包括，一旦从半成品(2’)中除去所述约束膜(1)，在得到的人工制品(2)的所述外涂层膜(5)上施加一层透明颜料、或一层热固性透明树脂、或透明塑料聚合物膜的步骤。
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