CN104039536A - 可生物降解塑料膜在借助真空浸渍生产纤维增强塑料的方法中的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可生物降解塑料膜在借助真空浸渍生产纤维增强塑料或纤维增强塑料组件的方法中作为真空膜的用途。本发明还涉及一种借助真空浸渍使用可生物降解膜生产纤维增强塑料或纤维增强塑料组件，特别是纤维增强风轮机用动叶片的方法。

Description

可生物降解塑料膜在借助真空浸渍生产纤维增强塑料的方法中的用途
本发明涉及塑料膜在借助真空浸渍生产纤维增强塑料的方法中的用途，且也涉及使用该塑料膜的相应方法。
真空浸渍方法通常用于生产大的纤维复合组件中，例如用于生产风力系统的动叶片中。提供称为夹层式结构的真空浸渍方法现在已成为广泛用于生产动叶片的方法。最大且最新的叶片包含玻璃纤维和碳纤维的粘接垫(adhesive-bonded mat)，其中将环氧树脂在真空下注入这些垫。这种高科技构造方法提供了必要的优异稳定性和挠曲性，而且同时保持叶片薄和轻质。
叶片制造原理如下文描述。首先，用脱模剂处理由两个可加热半壳组成的模具。该壳随后任选利用模内胶衣涂覆，且一旦其硬化，就向该模具提供玻璃纤维垫和其他增强材料，例如轻木和PU泡沫。随后使用特殊软管，由环氧树脂、硬化剂和添加剂组成的混合物随后从其中流出。随后为如下的塑料膜，其在整个设置周围提供了气密密封。将其的两个层至于此处以确保气密性。在下一步骤中，抽取模具和膜之间的所有空气。形成的真空将液体树脂/硬化剂混合物通过软管吸入模具并使增强材料饱和。该方法优势在于纤维均匀饱和并因此生产的组件具有高质量，且生产的组件具有高重现性。然后，在大多数情况下，首先进行调节步骤来将半壳加热至约40-50℃，以使组分固化至可安全运输的程度。随后，在该步骤后，将真空膜、浸渍助剂等移除，且随后将动叶片的各半在约70摄氏度下固化。随后将叶片两半粘接。在多阶段涂覆工艺前，摩擦叶片表面以移除脱模剂。在第一步中施加在动叶片的胶衣保护其免受环境影响，例如湿度和光。表面上小的不平整区域利用表面填料(surface filler)整平。最后涂覆工艺为叶片提供耐磨边缘保护以及面漆。
在施加真空前使用的且在吸入辅助输入树脂/硬化剂混合物前用于提供气密密封的塑料膜，由于方法的性质只可使用一次，且随后需要处置。这些以两层形式使用的膜通常包含聚酰胺。
非常大的组件，例如上述用于风力系统的动叶片的生产有时需要几百平方米的塑料膜。膜的处置产生巨大的费用和大量的浪费，且需要降低这些，同时改善能量平衡。
本发明的目的尤其是要克服与迄今所用的膜的使用有关的上述缺点。
令人惊奇的是，符合强制性欧洲标准(EN13432)对可生物降解塑料的严格要求的可生物降解塑料膜已证明适合替代迄今所使用的聚酰胺基膜。这是特别令人惊奇的，因为这些膜通常在约50℃的提高的固化温度下具有热分解的趋势。来自德国路德维希港BASF SE的膜已证明具有特别好的适用性。
与耐温性一样的显著的主要性能在于膜的气密性和弹性，目的也是补偿真空成型中可能的应力。也可将该膜通过合适的表面处理，例如纳米级防粘性等离子体层来额外优化。
因此本发明提供可生物降解塑料膜在借助真空浸渍生产纤维增强塑料的方法中作为真空膜的用途。
该用途在下文称为本发明用途。
本发明还提供借助真空浸渍生产纤维增强塑料或纤维增强塑料组件的方法，该方法包括如下步骤：(a)任选利用脱模剂处理可加热模具，(b)将纤维材料和任选其他增强材料引入模具，(c)放置一个或多个用于随后输入包含至少一种树脂和至少一种对该树脂呈反应性的硬化剂的液体混合物的软管，(d)施加允许模具气密密封的塑料膜，和(e)抽取，例如通过泵送抽取模具和塑料膜之间的空气，此时所得真空将液体混合物通过软管吸入模具并使纤维材料和任选存在的其他增强材料饱和，然后(f)固化液体混合物而得到纤维增强塑料，其特征在于在步骤(d)中使用的塑料膜为可生物降解塑料膜。
该方法在下文称为指本发明方法。
在本发明用途或本发明方法中使用的可生物降解塑料膜优选包括基于脂族-芳族共聚酯的塑料膜。
合适的共聚酯为可使用具有2-8个碳原子，特别是4个碳原子的短链脂族二醇，例如1,4-丁二醇，或具有3-8个碳原子的脂族二羧酸或其酸酐、酯或卤化物，例如己二酸，以及芳族二羧酸或其酸酐、酯或卤化物，例如对苯二甲酸、对苯二甲酸酐或对苯二甲酸酯而获得的那些。生产这些共聚酯不仅可使用上述脂族二醇、脂族二羧酸和芳族二羧酸，也可使用更高官能度的单体，例如特别是三醇、四醇以及三羧酸或四羧酸，其中这些得到支化的聚合物结构。合适的多元醇的实例为三羟甲基丙烷(TMP)和季戊四醇。
特别合适的共聚酯为例如Witt等在期刊Chemosphere44(2001)289-299中描述的脂族-芳族共聚酯。这类共聚酯可通过例如使用来自BASFSE(路德维希港，DE)的商标得到。
一个特别的额外挑战是找到该类型的可生物降解膜材料，其不仅显示在大型工件，例如用于风力系统的动叶片(其可具有80m或更大的长度)生产中保持真空，而且显示与所用树脂体系和硬化剂体系(通常为环氧树脂-胺硬化剂体系)具有优异的相容性。特别是上述脂族-芳族共聚酯已证明对于这些目的而言具有非常好的适用性。
可生物降解膜可直接使用。然而，对于例如相对高的浸渍温度或在第一固化步骤中相对高的温度而言，以物理方式，例如通过使用低压等离子体技术预处理膜也可能是有利的，以促进其在固化后从工件中脱离。
在本方法步骤(e)中抽吸输入且包含树脂和硬化剂的液体混合物在抽吸输入之前优选控制温度。在环氧树脂-胺硬化剂混合物的情况下，该温度(浸渍温度)优选为35-45℃。
固化步骤(f)优选在多个阶段中，特别优选在两个阶段中进行。在第一阶段，预固化优选在浸渍温度以上5-15℃的温度下进行。在环氧树脂-胺硬化剂混合物的情况下，该温度通常在40-60℃，优选45-55℃的范围内。在持续时间通常为几小时，例如2-8小时，优选4-6小时的这种预固化之后，移除在步骤(d)中施加的塑料膜。其优选通过剥离塑料膜而进行。在第二阶段，预固化的纤维增强塑料随后完全固化。完全固化通常在浸渍温度以上20-40℃，优选25-35℃的温度下进行。在环氧树脂-胺硬化剂混合物的情况下，该温度通常在60-80℃，优选65-75℃范围内。在此第二固化阶段(也称为加热阶段)的温度高于第一阶段。优选实施第二阶段的温度比实施第一阶段的温度高至少5℃，特别优选至少10℃，非常特别优选至少15℃。在此步骤中的固化时间优选为5-15小时，特别优选7-12小时。
本发明方法中使用的模具通常包含玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料或钢。如果需要，本发明方法步骤(a)中使用的脱模剂通常包括含聚硅氧烷、可水稀释或含溶剂的脱模剂，例如Frekote NC55(含溶剂；HenkelKGaA，Dusseldorf，德国)和Mono Coat1001W(可水稀释；ChemTrend，Maisach，德国)。
用于生产纤维增强塑料的纤维材料优选包括玻璃纤维或碳纤维，例如以单个纤维形式，以及特别是以玻璃纤维垫或玻璃纤维束以及碳纤维垫或碳纤维束形式。其他合适的增强材料为轻木和聚氨酯泡沫以及金属织造织物。
可使用的真空软管例如耐压且耐真空的聚乙烯软管。
纤维增强塑料的塑料组分通常包含环氧树脂或聚酯树脂，以及适合于树脂且与树脂化学反应的硬化剂(交联剂)。
环氧树脂优选借助胺硬化剂固化。可在真空浸渍技术中使用的环氧树脂-胺硬化剂体系的实例尤其在WO 2010/010048A1中描述。特别优选环氧树脂的环氧当量为150-200g/当量，优选160-190g/当量。对于上述环氧树脂，特别合适的胺硬化剂为具有350-750mg KOH/g胺值，非常特别优选具有400-700mg KOH/g胺值，特别是具有450-650mg KOH/g胺值的那些。在上述例子中环氧树脂与胺硬化剂的比例优选为100:25-100:35(m/m)。这种树脂-硬化剂体系也可包含其他添加剂，例如流动助剂、消泡剂和脱气剂，以及表面添加剂。在本发明方法的步骤(f)中环氧树脂-胺硬化剂体系的固化通常在50-90℃，优选60-80℃，特别优选65-75℃的温度下进行。特别适合在本发明方法中使用的环氧树脂体系可以(BASF SE，路德维希港，DE)得到。
聚酯树脂通常借助过氧化聚合引发剂固化。可在真空浸渍技术中使用的聚酯树脂体系的实例尤其在来自(德国Rastede)的合适技术数据表页中公开。这种树脂体系也可包含其他添加剂，例如流动助剂、抗氧化剂，以及消泡添加剂和表面添加剂。在本发明方法的步骤(f)中聚酯树脂体系的固化通常在50-90℃，优选60-80℃，特别优选65-75℃的温度下进行。
本发明方法之后通常是涂覆固化且任选调节的工件。在涂覆工艺前，将任何使用的脱模剂例如通过摩擦而移除。
在生产用于风力系统的动叶片的情况下，本发明方法首先在由两个可加热半壳组成的模具中或在两个模具中生产两个工件，然后将它们在涂覆工艺前彼此粘接。在此粘接通常通过连接圆角(connecting fillet)的方式进行。
本发明方法原则上可以有效且环境相容的方式生产由任何所需形状和尺寸的纤维增强塑料制成的工件。本发明方法尤其可生产大和/或具有复杂形状的工件，实例为动叶片，特别是用于风力系统、飞行器部件(aircraftpart)或直升飞机部件(helicopter part)、或汽车附加部件和大批量生产的组件，例如发动机罩和轮外围物(wheel surround)的那些。
实施例将在下文中用于进一步解释本发明。
实施例
实施例1：
通过真空浸渍方法生产玻璃纤维增强塑料片材(GRP片材)，以及使用膜生产真空包
材料：
-浸渍树脂：RIM135(Momentive)(100重量份)
-浸渍硬化剂：RIM137i-134(Momentive)(30重量份)
-玻璃稀松无纺织物(glass scrim)：双轴层(biaxial layer)，OFC，821g/m2，635mm
-玻璃稀松无纺织物数：8
-脱模剂：Mono Coat1001W(可水稀释；ChemTrend，Maisach，德国)
将膜置于玻璃稀松无纺织物的最后一层上，生产和连接供应管和抽取管，并开始浸渍方法。
生产条件：
-浸渍温度：约40℃
-固化步骤1：约50℃(5h)
-固化步骤2：约70℃(7-10h)
直接在固化步骤1后允许空气进入，并将真空膜通过从表面剥离而移除，其温度为50℃。随后在第二固化步骤(也称为调节步骤)中进行GRP片材的完全硬化。
实施例2：
通过真空浸渍方法生产GRP片材，以及使用膜生产真空包。材料：
-浸渍树脂：RIM135(Momentive)(100重量份)
-浸渍硬化剂：RIM137i-134(Momentive)(30重量份)
-玻璃稀松无纺织物：双轴层，OFC，821g/m2，635mm
-玻璃稀松无纺织物数：8
-脱模剂：Mono Coat1001W(可水稀释；ChemTrend，Maisach，德国)
将膜置于玻璃稀松无纺织物的最后一层上，生产和连接供应管和抽取管，并开始浸渍方法。
生产条件：
-浸渍温度：约40℃
-固化步骤1：约50℃(5h)
-固化步骤2：约70℃(7-10h)
直接在固化步骤1后允许空气进入，并将真空膜通过从表面剥离而移除，其温度为50℃。然而，该膜的弹性非常大以致于难于移除，且有时留下残余物。随后在第二硬化步骤中进行GRP片材的完全硬化。
当在实施例1中借助膜生产GRP片材时，真空浸渍膜可从片材中移除而不留下任何残余物。膜耐受真空浸渍工艺但不能从GRP表面移除而不留下残余物。这在不使用表面处理，经由例如脱模剂，例如纳米级等离子体层Frekote NC55的下是不可能的。

Claims (13)

1.可生物降解塑料膜在借助真空浸渍生产纤维增强塑料或纤维增强塑料组件的方法中作为真空膜的用途。
2.根据权利要求1的用途，其中可生物降解塑料膜包含使用脂族和芳族单体合成的共聚酯。
3.根据权利要求2的用途，其中脂族和芳族单体选自具有2至8个碳原子的脂族二醇、具有3至8个碳原子的脂族二羧酸及其酸酐、酯或卤化物和芳族二羧酸及其酸酐、酯或卤化物。
4.根据权利要求3的用途，其中共聚酯的合成使用选自三醇、四醇、三羧酸和四羧酸的其他单体。
5.一种借助真空浸渍生产纤维增强塑料或纤维增强塑料组件的方法，包括如下步骤
(a)任选利用脱模剂处理可加热模具，
(b)将纤维材料和任选其他增强材料引入模具中，
(c)将一个或多个用于随后输入包含至少一种树脂和至少一种对该树脂呈反应性的硬化剂的液体混合物的软管置于模具中，
(d)施加允许模具气密密封的塑料膜，和
(e)抽取模具和塑料膜之间的空气，此时得到的真空将液体混合物通过软管吸入模具并且使纤维材料和任选存在的其他增强材料饱和，且然后
(f)固化液体混合物而得到纤维增强塑料或塑料组件，
其特征在于在步骤(d)中使用的塑料膜为可生物降解塑料膜。
6.根据权利要求5的方法，其中可生物降解塑料膜包含使用脂族和芳族单体合成的共聚酯。
7.根据权利要求6的方法，其中脂族和芳族单体选自具有2至8个碳原子的脂族二醇、具有3至8个碳原子的脂族二羧酸及其酸酐、酯或卤化物和芳族二羧酸及其酸酐、酯或卤化物。
8.根据权利要求7的方法，其中共聚酯的合成使用选自三醇、四醇、三羧酸和四羧酸的其他单体。
9.根据权利要求5-8中任一项的方法，其中树脂和硬化剂的液体混合物包含环氧树脂和胺硬化剂。
10.根据权利要求9的方法，其中环氧树脂的环氧当量为150-200g/当量且胺硬化剂的胺值为350-750mg KOH/g。
11.根据权利要求5-10中任一项的方法，其中塑料组件包括风力系统的动叶片或飞行器部件或直升飞机部件。
12.根据权利要求5-11中任一项的方法，其中固化在工艺步骤(f)中在两个阶段中进行，且将塑料膜在固化的第一阶段后移除。
13.根据权利要求12的方法，其中来自权利要求9的混合物作为液体混合物使用，并且固化的第一阶段在45-55℃温度下进行，且第二阶段在60-80℃温度下进行。
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