CN104487234B - 缝合单向或多轴向增强材料及其制备方法 - Google Patents

缝合单向或多轴向增强材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及缝合单向或多轴向增强材料以及制备缝合单向或多轴向增强材料的方法。本发明的所述缝合单向增强材料(2，4)可用于需要高质量和强度的所有此类应用。本发明的所述缝合单向或多轴向增强材料包括横向布置的薄型分立流道形成装置(6)，以确保在横向于单向粗纱方向的方向上良好的树脂流动性。

Description

缝合单向或多轴向增强材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及缝合单向或多轴向增强材料以及制备缝合单向或多轴向增强材料的方法。本发明的缝合单向或多轴向增强材料可用于通常需要增强材料的所有此类应用，尤其是使用真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)技术以将树脂分布在模具中的此类应用。本发明的缝合单向或多轴向增强材料尤其适用于制造风力机叶片、轮船以及通常需要纵向形式的所有此类结构。
背景技术
当使用各种纤维例如玻璃、碳和芳纶纤维以及亚麻、大麻、黄麻、洋麻、玄武岩和其他天然纤维等制造复合材料产品和层合产品，以用于制造例如轮船、汽车和风力机部件时，例如，该制造过程从制备合适的纤维增强材料如织造结构或针织结构开始，这些纤维增强材料可具有单向或多轴向取向。然后，将所述结构放置在用于制造中间产品或最终产品的模具中。模具自然地具有最终产品的形状，这意味着形状有时可能非常复杂，并且当将增强材料放入模具中时需要对增强材料进行大量适形调整。通常，将若干层(最多至数十层)增强材料彼此层叠地置于模具中，并且将与硬化剂或不饱和聚酯树脂或乙烯基酯混合的热固性树脂(如环氧树脂)引入模具中以形成纤维增强复合材料制品。树脂也可以是热塑性的，如PA(聚酰胺)或CBT(环聚对苯二甲酸丁二醇酯)等。实践表明，当最终产品必须抵抗高机械负载时，可以通过缝合保持在一起的单向增强材料是其制造中优先选择。此类单向增强材料由通常称为增强纤维的粗纱或丝束制成。
单向增强材料通常由一层或多层增强粗纱形成。多轴向增强材料由两层或更多层增强粗纱形成，其中一个层中的粗纱为单向的，而相邻层的粗纱成一定角度，通常为45、60或90度。增强材料的构造取决于目标面积重量和粗纱的特克斯数量。例如，如果需要高单位面积重量，则在其制造 中使用厚粗纱(例如，具有无碱玻璃2400特克斯)，而如果需要具有低单位面积重量的增强材料，则使用薄粗纱(例如，采用无碱玻璃纤维，600特克斯)。
最终产品，即固化的层合结构可由多个此类单向或多轴向增强材料制成，制造方法为根据层合构造承受的负载将各增强材料层布置为使得在最终产品中每个层的粗纱是平行的或一些层以其他方向取向，或者首先制造若干层单向增强材料的织物，使得相邻层的粗纱形成一定角度，然后将如此形成的织物用于最终产品的制备。根据其中不同纤维取向的数量，此类织物被称为双轴向、三轴向、四轴向等的织物。
因为纱只沿一个方向延伸，所以单向增强材料在性质上固有地不稳定。为了能够处理单向增强材料，必须用合适的方式将其粗纱彼此锚定或结合。原则上，现有技术已知两种用于此目的的不同机械方法。
一种方法是通过缝合(例如经编)固定粗纱。缝合纱形成针织圈，即线迹，其将实际的增强粗纱保持在增强材料中的适当位置。根据已知的经编技术，线迹由刺穿一层或多层增强纤维的各种针织元件(例如针)形成。线迹可形成若干熟知的图案，例如链或经向斜纹等。缝合纱通常为但不一定为厚度为约34分特至约167分特并包含几十条长丝(通常例如24或48条长丝)的卷曲变形的或未卷曲变形的聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯)长丝纱。
另一种机械方法是使用编织技术以将纵向经纱和轻质纬纱锚定在其相应的位置中。就纬纱而言，已使用无涂层的纱和带热熔涂层的纱两者。加热和冷却之后，热熔粘合剂已赋予增强材料相当大的稳定性。然而，编织替代形式不再被视为是有利的，因为增强纱在与纬纱交叉时形成扭结，从而导致应力集中以及比针织形式更低的机械性能。已发现，热熔粘合剂纱会在基体固化中产生局部干扰，从而在业界不再受青睐。通常，纬纱为复丝纱，无论它们是不是热熔纱，在受压时都会变平。
通过各种热塑性粘合剂将单向粗纱粘合在一起的化学方法也已经被推向市场。然而，主要由于树脂渗透性、处理刚度和润湿距离方面的问题，没有在更大的范围考虑使用这些增强材料和方法。
缝合增强材料是熟知的，并且它们具有一些良好的特性。首先，它们的横向稳定性好，因为尽管缝合纱主要纵向延伸，但其形成为单向粗纱赋予增强材料所需的完整性的此类图案(例如经向斜纹)。其次，所述增强材料 易于定位在模具中(即，使增强材料沿循模具的轮廓)，因为如果适当选择缝合参数，如线迹长度、针间距和纱张力(仅举几个为例)，则缝合增强材料通常非常柔软。
然而，线迹的使用也会导致问题。当用树脂灌注缝合增强材料叠堆(即，所谓的预成型件)时可以看到该问题。树脂在纤维束中的分配慢得出奇，并且在两个方向上不均匀，即，与增强纤维平行的方向和横向于增强纤维的方向。上述发现是令人惊奇的，因为乍一看，缝合增强材料似乎包括三维流道。围绕一束粗纱收紧的线迹打开穿过增强材料的流道。另外，在缝合纱与增强材料表面平行的方向上，粗纱被压在一起，使得形成增强材料表面上的流道。并且还在粗纱方向上，线迹的绷紧形成增强材料表面上的纵向流道。原本预期的是，当将增强材料彼此重叠地置于模具中时，该增强材料叠堆将包括三维流道网络，其将确保快速树脂流动和渗透以及该增强材料叠堆的快速润湿。然而，如上所述，事实并非如此。主要原因是，在开始将树脂进料到模具中之前，模具中的增强材料叠堆受到压缩。压缩使增强材料受力而彼此压贴，使得当增强材料的线迹不是垂直地一个直接在另一个之上而是位置随机时，增强材料的线迹之间的“自由”粗纱(意指未受线迹压缩的粗纱)被压在相邻增强材料的线迹之上。因此，增强材料表面方向上的流道或多或少完全充满“自由”粗纱，从而有效地防止树脂在增强材料表面方向上的流动。对于缝合纱为Z方向的线迹部分而言，流道保留在叠堆中，也许稍小，但仍存在。然而，由于增强材料表面方向上的流道基本上关闭，所以Z方向上的流道保持充满空气，这是非常难以移除的。这容易导致最终产品中存在气泡，从而自然降低最终产品的质量和强度性能。
由于良好的树脂渗透性对于模塑工艺的实际执行是至关重要的，因此通常通过在将树脂进料到模具中时利用压差来加速。通常的做法是应用真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)技术，以遍及模具中的增强材料层来分布树脂。然而，有时尽管采用各种措施，如真空和/或提高的进料压力，但小气腔往往仍留在增强材料中，从而显著降低层合物的强度性能。形成气腔的主要原因是增强材料中的粗纱紧靠彼此紧固定位，使得其树脂渗透性在增强材料粗纱的横向方向和纵向方向上以及Z方向上都受到限制。考虑到上文所述，应当研究改善增强材料叠堆中气体的移除并提高增强材料的树脂渗透性的新方法。
提高增强材料渗透性的一种方法是为增强材料提供树脂流道，该流道允许树脂在增强材料中快速流动。在现有技术中，有可能会发现在增强材料中或增强材料叠堆中的增强材料之间布置树脂流道的许多方法。然而，据了解，此类流道的使用不是很有效，因为在灌注阶段施加的真空往往会使粗纱从邻近区域或增强材料偏移或拉出，并且甚至会偏移其位置而填充流道/腔体。
EP-A1-1491323公开了一种包括单向增强材料线和横向加固线的增强材料结构。加固线以间隔方式分布在一层增强材料线上。加固线可以具有热塑性材料，使得通过熔合或软化将加固线紧固于增强材料线并赋予增强材料其所需的横向稳定性。为了确保足够的注入树脂的毛细作用引流，为纵向增强材料线的层提供纵向引流线，这些纵向引流线因此彼此平行并且平行于增强材料线。引流线以间隔方式布置在增强材料线的层中。引流线可由具有足够毛细作用的纤维覆盖的玻璃纤维形成，例如棉纤维或纤维素纤维，以便排出注入的树脂。引流线的另一种选择是在每条增强材料线上缠绕单丝。从而形成螺旋状树脂流道。因此，很显然，增强材料中的流道是在增强材料的纵向方向上形成的。
实际上，这意味着要制造的产品越长，用树脂浸渍最终产品就越复杂，并且至少耗时。实际上，考虑通过纵向浸渍来经济地浸渍长度为50米或更长的风力机叶片的翼梁帽是不可能的。自然地，存在以例如2米的间隔在叶片的整个长度上布置树脂注入物的可能性，但这是一种复杂且耗时的方法，因此非常昂贵。
EP-B1-1667838讨论了在由多个基本上平行的、共轴对齐的丝束组形成的复合材料织物中形成流道，所述丝束组中的每一者均具有一个或多个丝束，其中所述丝束组的一部分包含两个或更多个丝束。计划通过将丝束组中丝束之间的间距布置成小于相邻丝束组之间的间距来确保树脂在织物内的流动。因此，相邻丝束组之间的间距应形成所需的流道。此类流道应允许树脂流经织物，尤其在丝束方向上，即产品的纵向方向上。
然而，随着最终产品的长度的增加，必须理解的是，在某一点处，浸渍在纵向方向上达到其实际极限，即，所谓的润湿距离，之后必须认真考虑其他方法。另外，实际实验表明，流道在灌注阶段施加真空时将被来自 附近区域的粗纱填充，或者层合结构随着增强粗纱中的局部扭结而变成波纹状的，从而降低机械强度。
US-A-5,484,642讨论了可用于通过一般的注塑成型技术制备复合材料层合制品的纺织物增强材料。该增强的材料(即层合结构)通过以下方法制成：将具有纺织物增强材料的层叠堆布置在形状对应于要制造的制品形状的模具中，并且在模具闭合之后，将树脂注入到模具中。纺织物增强材料可以是包括单向薄片的织造或非织造来源。增强层的横向稳定性通过编织、针织或缝合或者通过使用横向粘合线或纱来实现。纺织物增强材料叠堆的至少一个层在其中具有可使树脂管道(即流道)在至少一个方向上延伸以便于树脂在注入期间流动的结构。管道可位于材料的纵向方向和/或横向方向上。上述美国专利的背后的主要理念是通过使增强纱的一部分变得更能承受由于模具闭合和真空导致的压缩来确保织物具有良好的树脂流动性。这通常通过向增强纱的一部分添加捻度或通过在碳纤维丝束周围缠绕聚酯复丝纱来实现。然而，这个概念的缺点是，在正常的增强纱中，放置了大量相对较大的纱，在层合负载条件下，其表现完全不同于增强材料中的其余纱。这主要是因为影响纱在负载下的弹性性能的通常非常高的捻度(260TPM)。另外，高捻度阻止或减慢了树脂在这些纱内部的渗透。这导致非均匀层合结构，其中纱的一部分以不同方式承载负载。这最终会增加静态尤其是动态负载条件下过早层合失效的风险。
值得指出的是，该美国专利文献的实例5教导了形成横向流道的方法，即在整个材料上布置由覆盖有260捻回数每米的聚酯线的3K(3000条长丝)碳线形成的纬纱，从而在覆盖的线周围形成螺旋推进的流道。这可以得到良好的树脂流动，但260TPM是极其高的捻度，并且根据现有知识水平，对层合特性具有非常负面的影响。改善树脂到增强材料叠堆中的浸渍的一种熟知的方法是在模具中，在叠堆的底部和顶部放置塑料稀松布或其他助流剂材料，通过该助流剂材料树脂快速铺展到增强材料的整个顶部和底部表面区域上。浸渍和固化之后，费力地从层合物中移除稀松布。使用稀松布的目的自然是将树脂快速引入模具的整个区域，使得树脂在增强材料叠堆中的Z方向浸渍能够尽可能快地开始。然而，叠堆越厚，用树脂浸透叠堆越慢。例如，在风力机叶片中，翼梁帽的横截面几乎为正方形，从而树脂难以到达叠堆的中心。
还已知的是，有时在使用单向增强材料(尤其是织造形式)时，可以在横向方向上添加一些辅助的或另外的纱，以提高横向稳定性或改善树脂流动特性。通常纱上涂有热熔材料或其他热塑性材料并且纱具有玻璃纤维或聚酯(例如，加捻的玻璃长丝束-每束通常具有60或更多条长丝，每条长丝具有10-15μm的直径)，并且在带涂层形式中，特克斯数通常为100-200特克斯。纱的热塑性涂层在编织之后是熔融的，由此其在结合纱和粗纱的空隙体积中流动，并因此将经粗纱和纬纱粘合在一起。热塑性涂层通常由PA(聚酰胺)或EVA(乙烯-醋酸乙烯)类型的材料形成，这些材料的熔化温度通过蜡状物质或通过一些其他合适的方法降低。因此，热塑性涂层通常与灌注树脂基体发生冲突，因为紧邻增强纱附近的粘合剂相对量局部非常高，导致层合物中具有局部弱化的区域。具有胶的玻璃或聚酯长丝横向于粗纱保持在粗纱上并在灌注或相似过程之前赋予增强材料横向处理稳定性。树脂不会到达实际纤维表面，因为纤维涂有热塑性材料。
在单向增强材料中使用此类辅助的或另外的纱会增加不必要的重量并可能导致局部纤维扭曲，这本身是不期望的效应。此外，横向增强纤维(即，例如以90、60或45度方向取向的纤维)在这些纤维(通常为玻璃纤维)在单向构造的轴向负载过程中断裂时也会形成微裂纹，由这些微裂纹可产生更严重的将破坏最终产品稳定性的疲劳裂纹。后一个问题的原因是玻璃纤维纱的断裂伸长率显著低于横向方向上基体的断裂伸长率这一事实。并且当复丝玻璃纤维纱或粗纱经受真空压缩压力时变形，失去其原来的圆形横截面，使得它们的横截面在压力下为椭圆形或甚至扁平(如图1b所示)。作为结果，复丝纱形式的各个长丝侧向移动，实际上导致形成椭圆形或扁平横截面。当涂层在加热加压阶段熔化时，涂有热塑性材料的纱的表现相似，导致交叉点处的扁平形式。
换句话讲，现有技术建议，一方面，使用复丝在横向于增强粗纱方向的方向上布置流道，另一方面，使用以横向方向布置的复丝纱用于一些其他目的，例如用胶水粘合粗纱或用作线迹。
首先，现有技术加捻线或纱，即用于形成横向流道的复丝具有约0.35-0.45mm的直径(施加压缩之前)。在进行的测试中，层合物通过如下方式形成：将两个1200g/m2增强材料层的叠堆(在增强材料之间具有上述尺寸的横向线)放置在模具中，使叠堆经受真空，用树脂进行灌注，并允许层 合物硬化。据了解，在灌注阶段，当增强材料层被施加的真空压缩时，复丝线的横截面变为椭圆形或扁平的。当将该增强材料的润湿距离与没有横向布置的纱的增强材料的润湿距离进行比较时，据了解，其根本没有改变或改善或者改变实际上不显著。原因将稍后更详细地讨论。
自然地，还可以认为，在横向于增强材料粗纱的纵向方向的方向上延伸的缝合纱或相应的线可形成横向树脂流道。然而，应当了解，除了上文已讨论的线迹的使用中所涉及的问题外，相同的扁平化趋势也适用于线迹和缝合纱。
具有热熔纬纱的增强材料约20年前就已投入市场，但它们没有成功通过强度测试(既未通过静态测试，亦未通过拉伸测试)。另外，此类增强材料的塑性成形性能较差。实际上，不可能将此类增强材料用于风力机叶片的翼梁帽层合物的制备，因为翼梁帽具有双凹造形，而这种类型的增强材料不能弯曲至双凹造形。
其次，已经考虑具有横向玻璃纤维纱的增强材料，其中玻璃纤维纱具有热塑性涂层。在此类增强材料中，带涂层的纱的直径为大约0.30-0.35mm，而在加压和涂层熔化或移除时芯纱的直径或事实上Z方向厚度为大约0.04-0.06mm。这些带热塑性涂层的纱与无涂层的纱(例如缝合纱)相比的差别在于，在将这些纱粘合到实际增强材料的粗纱上时，即涂层熔化时，纱在接触点改变其形状(压缩减小了纱的Z方向厚度)，从而形成局部流动限制。换句话讲，在带涂层的纱未被压缩的点，其直径保持在初始水平，但在压缩点，直径/厚度降至甚至低于芯纱的直径，即，纱的芯因压缩而变平。使用带涂层的纱涉及的另一个问题是纱是刚性的并且相对较厚，由此使粗纱的方向急剧地局部偏离其直线方向，即，迫使粗纱弯曲并形成扭结，从而产生之前已有所讨论并将在该段落稍后讨论的问题。使用带涂层的纱的另一个问题是涂层聚合物本身，因为其通常与树脂不相容，因此会污染层合物并在增强材料中形成弱化点。现在层合物由增强材料层形成，其中每个层由带涂层的横向玻璃纤维纱粘合，以赋予稳定性。据了解，增强材料叠堆的润湿距离大多是合格的。但是，当因而具有横向玻璃纤维纱(其直径或厚度在约0.35mm和约0.04mm之间变化)的层合物经受疲劳测试时，据了解，在开始拉伸-拉伸疲劳测试之后很快就观察到层合物的微裂纹。当仔细检查层合物，尤其是微裂纹时，据了解，在增强材料粗 纱与带涂层的横向纱的接合处发现微裂纹。明显怀疑形成微裂纹的原因是在粗纱中形成弯曲或扭结的线的局部直径较大。另外，热熔纱(即，也称芯纱)在受热时是可压缩的，由此形成局部变平区域，这减小了流道的横截面，因此在灌注阶段阻碍树脂流动。
作为进一步开发最佳单向增强材料的起点是其中与处理稳定性相关的问题已得到解决的缝合增强材料。本发明的缝合增强材料的处理稳定性是极佳的，因为将横向拉伸的缝合纱/纤维布置在增强材料上以便赋予材料沿横向方向的稳定性，从而确保了增强材料的柔韧性。因此，本发明的缝合单向或多轴向增强材料(例如)不需要横向双组分线或粗纱来确保产品的横向稳定性，从而还消除了因粗纤维在粗纱中形成弯曲而导致在最终产品中形成弱化点以及在应力条件下产品出现微裂纹的风险。
然而，实践表明，现在缝合增强材料具有若干问题区域，例如：
-缝合单向或多轴向增强材料至少在产品为长件物体时具有有限的树脂渗透性，以及
-在单向粗纱的长丝之间的气泡或干燥区域易于保持在缝合增强材料的叠堆中且无法移除，甚至在真空灌注中亦是如此，由此其可甚至进一步大大降低最终产品的强度。
定义
提供以下示例性解释是为了便于理解讨论本发明的说明书和权利要求书中频繁使用的某些术语。提供这些解释是为了方便并不旨在限制本发明。
面积重量-每单位面积的单层干燥增强材料织物的重量(质量)。
粘合剂-各种形式的聚合物材料，如粉末、膜或液体。粘合剂可由一种或若干种具有不同化学特征或物理特性(如刚度、熔点、聚合结构、玻璃化转变温度等)的单独的粘合剂制成。粘合剂用于将纤维结构固定在一起，以形成纤维网并最终形成增强材料。合适的粘合剂为热塑性环氧树脂、共聚酯、双酚不饱和聚酯或它们的混合物，仅举几个例子。
织物-由通常称为线或纱的天然或人造纤维网构成的柔性织造材料。织物例如通过编织、针织、钩编、打结、针刺或将纤维按压在一起(毡)而形成。
层合物-可通过使用合适的树脂和硬化剂混合物浸渍一层或多层增强材料并通过化学反应或温度下降使其硬化而构造的材料。层合物为纤维增强结构，由通过细纤维(例如玻璃、碳、芳纶等)增强的基体制成。该基体可以是环氧树脂、热固性塑料(最常见的为环氧树脂、聚酯或乙烯基酯)或热塑性材料。玻璃纤维增强材料的常见最终用途包括轮船、汽车部件、风力机叶片等。
基体-将增强材料粘合在一起以形成复合材料的材料。复合材料使用特别配制的聚合物，如热固性环氧树脂、乙烯基酯或不饱和聚酯树脂以及酚醛树脂或热塑性树脂(参见“聚合物”)，仅举几个例子。
单丝-由单条连续长丝构成的纱，其中长丝通常由合成材料制成，如聚酰胺(尼龙)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等。
复丝-由多条连续长丝构成的纱或线，其中长丝通常由合成材料制成，如聚酰胺(尼龙)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二酯醇等。特别地，与本发明有关的是，复丝是指一束长丝，它们可以为加捻的或未加捻的并且没有彼此粘合，但除非大量加捻，否则在经受压缩时可侧向移动。
聚合物-通常包括(例如)均聚物、共聚物，例如嵌段、接枝、无规和交替共聚物、三元共聚物等以及它们的共混物和改性形式。另外，除非另有特别限制，否则术语“聚合物”包括材料的所有可能的几何构型。这些构型包括例如全同立构、间同立构和无规对称。
增强材料-由增强纤维构成的纤维网，其中通过合适的方式将纤维彼此锚定。通常被制造为连续纤维网。存在若干种制造单向或多轴向或无规取向的增强材料的方法，例如通过机织、针织、编织和缝合等纺织物加工技术或通过用合适的粘合剂粘合。
增强纤维-在复合材料的制造中与基体一起使用的纤维。该纤维通常为人造纤维，如玻璃(包括所有其变型形式)、碳(以及所有其变型形式)或芳纶，其可以用作连续长丝和非连续纤维。还已经使用了多种天然纤维，如剑麻、亚麻、黄麻、可可、洋麻、大麻或玄武岩，仅举几个例子。
树脂传递模塑(RTM)-具有两个模具表面的工艺，通常通过该工艺在低粘度和低或高压力下将树脂泵送到通常包含干燥增强材料预成型件的闭合模具模组中，即，将树脂灌注到预成型件中并制备纤维增强的复合材料部件。
粗纱-长而窄的无捻连续纤维束或长丝束，尤其是玻璃纤维束。在本申请中与丝束同义，由此纤维的选择不仅包括玻璃纤维，还包括碳、玄武岩和芳纶纤维，更通常为人造连续纤维。
粗纱组或丝束组-紧密间隔的一个或多个丝束或粗纱。
缝合纱-由24或48条单独的长丝形成的纱，其中长丝由卷曲变形的聚酯(texturise polyester)制成。通常用于制造单向增强材料的缝合纱通常具有76或110分特的线性质量密度。单独的长丝的直径通常为5-10μm。
特克斯数-纱的线性质量密度的SI计量单位，并被定义为每1000米的质量(克)。特克斯更可能在加拿大和欧洲大陆使用，但在美国和英国，旦尼尔更常用。单位代码为“tex”。与人造合成纤维有关的最常用的单位实际上为分特，缩写为dtex，其为每10,000米的质量(克)。
纺织物-具有一层或多层(这些层由单向或多向的线形成)的各种类型的制品(包括片材、网、织物和垫)的一般定义。
热塑性-暴露于热时可熔合、软化，而冷却至室温时通常恢复至其未软化状态的聚合物。热塑性材料包括例如聚氯乙烯、一些聚酯、聚酰胺、多氟烃、聚烯烃、一些聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、己内酰胺、乙烯与至少一种乙烯基单体的共聚物(如，聚(乙烯-醋酸乙烯酯)、纤维素酯和丙烯酸类树脂。
热固性-不可逆固化的聚合物材料。可以通过加热(通常高于200摄氏度)、通过化学反应(例如，双组分环氧树脂)或辐照(例如电子束处理)进行固化。
线-一体长丝、纱的加捻束。
丝束-在复合材料行业中，丝束为连续长丝的无捻束，并且它是指人造纤维，尤其是碳纤维(也称为石墨)。丝束用它们包含的纤维数量来命名，如12K丝束包含约12000条纤维。在本文中与粗纱同义。
横向处理稳定性-防止单向增强材料变形或被撕成碎片的力。当将增强材料定位在模具中的另一增强材料顶部并沿横向于其纵向方向的方向移动增强材料时需要这种横向处理稳定性。
单向(UD)增强材料-其中所有粗纱或丝束均在相同的方向上(在这种具体情况下为纵向方向)延伸的增强材料，但UD-增强材料也可为横向的，即以90°方向取向。这些粗纱在现有技术UD增强材料中通常通过缝合并且通常使用一些另外的轻质短切原丝层或连续复丝纱层将粗纱保持在一起，以防止它们被撕裂形成束；或者通过编织结合，其中纬纱赋予稳定性。纬纱也可以是带热熔涂层的。将粗纱或丝束结合在一起的另一种方法是使用粘合剂，例如热塑性或热固性粘合剂。另外，在该情况下，可以使用上述另外的稳定层。
真空灌注-使用单面模具使最终产品成形的工艺。下侧为刚性模具，上侧为柔性膜或真空袋。当向模具腔体施加真空/抽吸时，空气从腔体中逸出，然后允许树脂通过抽吸(或者通过在进料侧用小超压提供额外的帮助-轻型RTM所特有的特征)进行灌注，以完全润湿增强材料并消除层合物结构中的所有气隙。
润湿距离-流动前沿的位置或者实际上测量的从树脂进入增强材料叠堆的位置到当前位置的距离。
纱-长的连续长度、通常加捻的复丝，适用于纺织物的制备、缝纫、钩编、针织、机织、缝合、刺绣和编绳。纱可由连续或非连续的天然纤维或合成纤维制成。
Z方向-垂直于层或层叠堆平面的方向，即厚度方向。
发明内容
本发明的一个目的是为上文所讨论问题中的至少一个提供解决方案。
本发明的另一目的是开发在横向于增强长丝取向的方向上具有极佳树脂渗透性的新型单向或多轴向缝合增强材料。
本发明的另一目的是开发具有出色能力的新型单向或多轴向缝合增强材料，以允许空气在真空处理/脱气过程中从增强材料叠堆逸出并随后在横向于增强长丝取向的方向上用树脂润湿叠堆。
本发明的另一目的是加快单向或多轴向增强材料的制备。
根据本发明的优选实施例，通过使用横向取向的薄型分立装置形成与缝合单向或多轴向增强粗纱相连的流道，以便在横向于单向或多轴向粗纱方向的方向上布置自由流动区域，该区域既可供空气从增强材料逸出，也可供树脂有效浸渍或润湿产品，从而确保本发明的增强材料所需的树脂渗透性以及所需的从该增强材料中移除空气。
通过下述缝合单向或多轴向增强材料解决现有技术问题中的至少一个并且实现所述目的中的至少一个：该缝合单向或多轴向增强材料用于通过树脂传递模塑工艺和真空灌注模塑工艺之一制造纤维增强复合材料，该缝合单向或多轴向增强材料包含至少一层布置在增强材料中的连续单向粗纱和在用树脂润湿增强材料叠堆时促进树脂在横向于单向粗纱方向的方向上流动的装置，其中树脂流动促进装置为用于形成直径为70–300μm的树脂流道的薄型分立装置，该薄型分立流道形成装置横向于单向或多轴向粗纱布置，并且薄型分立流道形成装置至其侧面形成从缝合单向或多轴向增强材料的一个边缘延伸至其相对边缘的流道，所述至少一个层和薄型分立流道形成装置通过缝合彼此结合。
使用制备用于纤维增强复合材料的缝合单向或多轴向增强材料的方法以类似的方式解决现有技术问题中的至少一个并实现所述目的中的至少一个，该方法包括以下步骤：
a)单向并排铺设连续粗纱，以形成至少一个层，
b)至少在至少一层连续粗纱上在横向于单向粗纱方向的方向上铺设直径为70–300μm的薄型分立流道形成装置，
c)将薄型分立流道形成装置和连续单向粗纱彼此缝合，以形成增强材料，以相同的顺序相继执行步骤a)–c)。
本发明的缝合单向或多轴向增强材料的其他特性特征及其制造方法公开于所附的专利权利要求书中。
使用本发明，可以实现以下优点中的至少一些
-将缝合单向或多轴向增强材料的渗透性提高至促进良好的树脂流动的水平；
-润湿产品的同时，剩余的空气从产品逸出，使得实际上，浸渍之后产品的UD-长丝之间未留下气泡或干燥区域；
-树脂沿横向方向推进的距离大大增加，在进行的实验中增加到至少2.5倍；
-浸渍所需的时间大大缩短，在进行的实验中，缩短到使用现有技术增强材料所需时间的至少六分之一，
-针对缝合结构的现有技术厚流生成结构(thick flow generating structure)的缺点被最小化；
-与化学干扰相关的缺点被最小化；以及
-最终产品具有极佳的强度和疲劳性能。
附图说明
在下文中，结合附图更详细地讨论了本发明的缝合单向或多轴向增强材料及其制备方法，其中：
图1a和1b示意性地示出了薄型分立流道形成装置(在这种情况下为单丝)与复丝纱在压缩下在两个增强材料或两层粗纱之间的行为的比较；
图2示意性地示出了根据本发明的优选实施例的缝合单向或多轴向增强材料的制备工艺；
图3a-3d示出了用结合在一起的一束单丝替代分立的单丝的各种选择；以及
图4考虑到树脂在横向方向上的流动距离对现有技术缝合增强材料与本发明的两种缝合增强材料进行比较。
具体实施方式
在上文中，讨论了有关结合增强材料的树脂的横向流道布置方式的四个不同事实。首先，由于热塑性材料与基体材料不相容，所以不希望使用带热塑性涂层的纱。其次，如果线在模具中经受真空所致压缩后具有0.35-0.4mm的Z方向厚度，则其太厚，由此最终产品在动态负载下产生微裂纹的风险高。第三，没有涂层的复丝线在压缩下变平或变为椭圆形，从而破坏树脂流动性。第四，实际上，长件增强物体(例如风力机叶片的翼梁帽)的制造在没有有效方法将树脂布置成在直角方向上(即横向于单向增强材料粗纱的方向上)在增强材料叠堆(即所谓的预成型件)中流动和浸渍的情况下是不可能进行的。由于上述事实，测试使用横向薄型分立装置 来形成直径小得多的树脂的流道，并将最终的层合物与使用横向复丝形成的现有技术层合物进行比较，横向复丝的主要任务是赋予增强材料横向稳定性。这里必须了解的是，短语“用于形成流道的薄型分立装置”或“薄型分立流道形成装置”包括但不限于单丝，如图3a-3d中所更详细地讨论。还可以考虑复丝以在缝合增强材料层之间形成树脂流道。经过包括润湿距离和疲劳测试两者的比较在内的广泛测试后，了解到横向布置的薄型分立流道形成装置的直径的最佳范围在100μm和200μm之间，优选地在130μm和170μm之间。然而，在使用轻的增强材料的情况下，可以使用稍小的直径，即低至70μm，而在使用特别重的增强材料的类似方式中，可以使用最大至300μm的直径。就与直径有关的上述讨论以及本说明书中稍后进行的有关直径的各种讨论而言，必须了解的是，如果单丝或薄型流道形成装置一定程度地可压缩，那么直径应被视为是指单丝或薄型流道形成装置的Z方向尺寸。测试显示，树脂非常快速地流入腔体内并将所有残留的空气从其在真空处理阶段和开始灌注之前被截留的地方挤走。当将具有薄型分立流道形成装置(具有170μm的Z方向厚度)的增强材料层叠堆的润湿距离与没有横向流道的现有技术层合物的润湿距离进行比较时，观察到本发明叠堆的润湿距离为至少6倍。另外，当允许如此形成的层合物硬化时，测试其疲劳性能并与没有横向流道的现有技术层合物的疲劳性能进行比较，观察到本发明的层合物的疲劳性能实际上与现有技术层合物相当。在一些层合物中，甚至比现有技术层合物的疲劳性能更佳。可能提高疲劳性能的唯一原因是在真空灌注阶段更好地从增强材料叠堆(即所谓预成型件)中移除了空气。因此，润湿距离增加到至少6倍，而根本不必牺牲层合物的强度性能。
下一个实验是测试线(即复丝)是否可用于形成流道。由于在早期的实验中了解到，布置Z方向厚度或直径为170μm的薄型分立流道形成装置(即，单丝)不会降低最终层合物的疲劳性能，所以实验首先旨在找到需要哪种类型的复丝纱来确保在压缩下其Z方向尺寸与早期实验中的薄型分立流道形成装置的Z方向尺寸大致相同。换句话讲，在增强材料层之间放置此类复丝不会在压缩时迫使粗纱相隔太远，不会远于早期实验的薄型分立流道形成装置。因此，明显的是，层合物的强度和疲劳性能不会由于线的厚度而降低。
紧接着，据了解，增强材料叠堆(即所谓的预成型件)的润湿距离基本上保持在现有技术层合物的低水平，即包含除了线迹根本没有横向线或纱的增强材料叠堆的层合物。
图1a和图1b示意性地示出了本发明的薄型分立流道形成装置(在这种情况下为单丝)与复丝纱在真空灌注工艺压缩下在两个增强材料或两层粗纱之间的行为的横截面比较。图1a示出了两个重叠的增强材料2和4的横截面，它们各自由通过横向缝合方式(不可见的)缝合在一起形成层的粗纱束制成，两者间具有与单向粗纱成直角布置的单丝6。图1b示出了相同的增强材料2和4，它们由通过横向缝合方式缝合在一起形成层的粗纱束制成，两者间具有与粗纱成直角布置的复丝纱8。图1a显示，单丝仍推动或保持增强材料2和4的粗纱隔开，使得在增强材料2和4之间至单丝6侧面形成打开的流道10。图1b显示，增强材料2和4的粗纱以与图1a相同的方式被推开，即，具有横向单丝或复丝的两种增强材料的厚度是相同的。然而，可以看到，推动或保持粗纱隔开所需的复丝纱8具有完全不同的尺寸和横截面积。复丝纱8在压缩下已变为椭圆形或变平，使得实际上在复丝纱8侧面不存在真实的流道12。
原因是复丝纱由几十或几百条单独的长丝制成，每条长丝具有5-10μm的直径。当复丝纱在模具中经受压缩压力时，即，在真空灌注阶段，复丝纱的长丝被迫侧向移动，使得复丝纱的Z方向尺寸为复丝的表面初始直径的一部分，即使其在加捻时亦是如此。捻度通常非常低，大约20-40捻回数每米，因为重要的是，树脂也能够在加捻纱的长丝之间渗透，以避免干斑。根据所进行的测试，了解到复丝(即，在0.5巴的加压(与0.95巴的灌注加压相比较小)下厚度为130μm的聚酯纱)具有1120分特的分特数，而具有130μm类似直径的单丝在压缩和无压缩的情况下具有低得多的分特数167。与单丝的分特数相比，玻璃纤维纱在相同的条件下可以具有约18倍的分特数。这意味着，考虑到树脂流动，侧向移动的每条单丝使复丝侧面处腔体的横截面减小，使得通道横截面最终实际上微不足道。这阻止树脂流经这些空隙或通道。
具有大约150TPM(TPM＝捻回数每米)或更大的高捻度的纱可以有效地抵抗真空压缩效应。然而，它们在复合材料最终用途中是不受青睐的，因为其缓慢和不完全的树脂渗透性并且由于其纤维为线圈形式，所以与相邻的 无捻粗纱相比，在拉伸负载下具有不利的弹性响应。此外，加捻纱的性质为刚性的，从而在增强单向粗纱中形成扭结。当使用加捻纱时，它们的捻度通常相对较低，即大约20-40TPM，因为重要的是，树脂能够在加捻纱的长丝之间渗透。
同样的现象也适用于在粗纱束周围收紧的线迹，由此纱原来的圆形横截面形状变为椭圆形或甚至扁平的“带状”，使得带的厚度为大约5-40μm。
图2示意性地示出了根据本发明的优选实施例的缝合单向或多轴向增强材料的制备工艺。缝合单向或多轴向增强材料的制造如下进行。首先将单向粗纱从包装22中拉出然后根据目标面积重量将其并排布置或以彼此受控的距离布置而形成单向粗纱(优选地为但不一定为玻璃纤维或碳纤维丝束或芳纶纤维以及亚麻、大麻、黄麻、剑麻、可可、洋麻、玄武岩或其他天然纤维)的均匀层20。从现在开始，单词“粗纱”用于指单向增强材料的制造中使用的所有此类丝束、粗纱、纤维等。因此粗纱并排布置成一层或多层粗纱。
然后将层20引导至设备24，横向于层的行进方向在层上引入或铺设薄型分立流道形成装置。本发明的薄型分立流道形成装置具有70-300μm，优选地100-200μm，更优选地130-170μm之间的直径。在这一阶段，必须了解的是，流道形成装置必须被选择为使得即使流道形成装置一定程度地可压缩，流道形成装置在灌注阶段中被压缩时的Z方向尺寸为大约70-300μm，优选地100-200μm，更优选地在130-170μm之间。如果灌注树脂-固化剂混合物的粘度在室温下为200-350mPas的水平，那么该直径或Z方向厚度是理想的。如果粘度与该粘度明显不同，则可能有必要调整流道形成装置之间的距离或其直径/Z方向厚度。此处必须广义地理解单词“横向的”，因为薄型分立流道形成装置的方向与相对于单向纤维网的粗纱成直角的方向之间的角度可在±45度之间，即-45度至+45度，即薄型分立流道形成装置的方向偏离层的单向粗纱方向至少±45度。可以在‘24’处使用熟知的多轴向制造机器的纱走车系统将薄型分立流道形成装置布置在层20上，即，使用在层上横向来回行进的工具依次将一定数量的薄型分立流道形成装置铺设到层上。例如，可以用具有薄型分立流道形成装置进料布置方式的伺服线性移动机械手为铺设提供便利。
铺设薄型分立流道形成装置的另一种可能的方法是在‘24’处在与层大致成直角的平面中将转轮布置在层周围，由此转轮将薄型分立流道形成装置缠绕在层周围。通过使用转轮，将薄型分立流道形成装置同时布置在层的顶部表面和底部表面上。当使用将薄型分立流道形成装置缠绕在层周围的此类应用时，必须确保薄型分立流道形成装置不会使粗纱在层的侧面弯曲从而使其变窄。因此，必须适当地调整薄型分立流道形成装置的紧密度，并且优选地必须在薄型分立流道形成装置应用和缝合之间布置用于防止弯曲的装置。该装置可以是(例如)导轨，该导轨沿着层20的边缘从将薄型分立流道形成装置缠绕在层周围并位于导轨外的设备延伸直至下一个工艺步骤(即缝合26)。
本发明的有利特征是将薄型分立流道形成装置以笔直平行形式铺设在层上，即薄型分立流道形成装置直线地和均匀地从层的一个边缘延伸至其相对边缘，换句话讲，例如，薄型分立流道形成装置不会形成通常存在于针织图案中的圈。薄型分立流道形成装置在整个单向增强粗纱上基本上笔直的(即直线和平的)形式确保树脂在增强材料边缘之间的流动时间最短，因为两点之间直线最短。不论薄型分立流道形成装置的实际位置如何，它们都以规则间隔布置，即在增强材料两侧彼此之间的横向距离或间距约2-50mm，优选地5-25mm，更优选地约10-20mm。必须根据树脂粘度和层的克重优化精确距离。由于后面的缝合操作，薄型分立流道形成装置可以局部侧向偏移，导致两个薄型分立流道形成装置可并排平放的局部区域。
然而，必须了解的是，上述讨论是指最简单的增强材料制造方法。基本上，可将该相同的方法应用于自身具有若干单向层的增强材料的制造。如果要制造具有若干层的多轴向增强材料，则将与所述另外的层的数量一样多的用于形成新层的另外的装置和用于将薄型分立流道形成装置铺设在新层上的装置接连布置，所述新层的至少一层具有新的粗纱取向。
在这种情况下，可将薄型分立流道形成装置放置在增强材料的顶部表面和/或底部表面上或者其层之间。还可以制造多轴向增强材料，包括具有横向于实际增强材料纤维延伸的薄型分立流道形成装置的单向、双轴向、三轴向和四轴向增强材料。形成所需数量的层之后，将该组层送至下一个加工阶段，即通过缝合结合。
在结合步骤26中，将该组层(即多轴向纤维网)与薄型分立流道形成装置彼此缝合，以形成具有彼此附连的单向或多轴向增强材料粗纱和横向薄型分立流道形成装置的一体的增强材料28。然后在30处将增强材料28卷起，以便交付至顾客。根据本发明的另一个优选实施例，将薄型分立流道形成装置布置在缝合单向或多轴向增强材料中的任何两个粗纱层之间，即不仅在增强材料的至少顶部表面和/或底部表面上，也在粗纱层之间。换句话讲，如果增强材料包括四层粗纱，那么可将薄型分立流道形成装置定位在每层粗纱之间或第二层与第三层之间，即增强材料的中央。实际上，这意味着铺设单向粗纱以形成纤维网和铺设薄型分立流道形成装置必须按以下顺序进行：首先铺设一层或多层单向粗纱，然后铺设一组薄型分立流道形成装置，然后铺设下一层或多层单向粗纱等。只有在对增强材料和薄型分立流道形成装置进行所需分层之后，才能通过缝合将各层和薄型分立流道形成装置结合在一起。
根据可适用于上述两个实施例的本发明的优选的另外的实施例，薄型分立流道形成装置的缝合和定位，更具体地讲，相邻或邻近的薄型分立流道形成装置之间的线迹的长度和距离或间距应被布置为使得至多一个薄型分立流道形成装置留在线迹内。理论上，这意味着线迹的长度小于邻近薄型分立流道形成装置之间的间隙。然而，因为铺设薄型分立流道形成装置不一定形成精确直线延伸的薄型分立流道形成装置，所以线迹长度应明显小于邻近薄型分立流道形成装置之间的间隙。这种预防措施的原因是，如果两个或更多个薄型分立流道形成装置位于线迹内，那么缝合纱会将薄型分立流道形成装置拉到一起(即，并排)，由此与下一个相邻的薄型分立流道形成装置的真实间隙对于树脂的适当灌注而言过长。
如图1a示意性所示，在增强材料层2和4之间使用的用于提高增强材料叠堆在横向方向的树脂渗透性并移除增强材料层叠堆之间的空气的薄型分立流道形成装置6在其两侧以及增强单向粗纱之间形成小流道10。
本发明的增强材料叠堆在灌注阶段起作用，使得灌注的树脂将流经横向于增强粗纱的流道10，然后渗透在各增强材料粗纱或长丝之间，并确保快速树脂流动和良好的浸渍。在灌注过程中，推进树脂可将剩余的气泡沿着增强材料结构内部的室或腔体推至流道并最终推到产品外面。树脂的推进和空气的移除均可另外通过以下方式来促进：在使用刚性上部模具的情 况下如在RTM或轻型RTM(但很少使用)中在流道的第一端部对树脂的进料加压，和/或对流道的相对端部布置真空。
在增强材料层2和4之间使用的用于提高增强材料叠堆在横向方向的树脂渗透性并移除增强材料层叠堆之间的空气的薄型分立流道形成装置6在其两侧以及增强单向粗纱之间形成小流道10，如图1a示意性所示。薄型分立流道形成装置优选地由可具有例如圆形、正方形或椭圆形横截面或X-横截面或中空横截面的聚酰胺(PA)、共聚酰胺或共聚酯(co-PET)单丝形成。薄型分立流道形成装置也可以是双组分或多组分装置。换句话讲，由于薄型分立流道形成装置由合适的聚合物材料通过例如挤出制成，因此薄型分立流道形成装置的横截面可实际上被自由选择以便优化树脂流动性。考虑到本发明，有利的是使用形成最大几何形状横截面的此类薄型分立流道形成装置横截面或使具有给定体积的两个重叠层中的增强粗纱之间的距离最大，同时保持非增强材料(单丝聚合物)的量最小。
用于形成树脂流道的装置通常为直径或Z方向厚度为大约70-300μm，优选地100-200μm，更优选地在130-170μm之间的单条长丝。然而，本发明的流道形成装置具有若干其他选择。流道形成装置可由一束单丝形成，即，例如3条长丝，也可以是5条或更多条长丝(参见图3a-3d)，它们被布置为彼此相连，使得在将它们叠放时，增强材料之间留有具有Z方向尺寸的所需间隙。
一种选择是使用一束几条单丝，它们可松散地加捻在一起，使得该束在压缩下变平。在这种情况下，压缩后最后该束的厚度对应于每条单丝的直径，由此每条单丝的直径优选地为大约70-300μm，优选地100-200μm，更优选地在130-170μm之间。
另一种选择是布置多条彼此相连的单丝，使得该束的横截面在压缩下保持基本上相同。实际上，根据本发明的另一个优选实施例，这意味着单丝必须彼此紧固，如图3a-3d所示，由此形成更紧凑的流道形成装置并且单丝束的纵横比(宽高比)容易低于2.0。该束单丝可以在其施加阶段进行热处理或喷涂液体粘合剂，使得单丝彼此附连，如图3a所示，并因此不会在压缩下移动。也可以将单丝束嵌入合适的涂层材料中，如图3b所示，或者束中的单丝可以是涂有特定粘合剂的双组分单丝，如图3c所示。在所有上述情况下，如果用于粘合单丝的粘合剂与未来层合物的树脂基体相容， 则是有利的。粘合剂材料的另一个必要条件是所得的粘合的流道形成装置尽可能柔性，以防止在层合物中形成扭结。另外，可使单丝彼此熔合，如图3d所示。当使用此类粘合的薄型分立流道形成装置时，形成装置的直径或实际上Z方向尺寸为大约70-300μm，优选地100-200μm，更优选地在130-170μm之间。该形成装置的实际Z方向尺寸取决于实际增强纤维的渗透性和纤维的直径。
因此，为了确保由各个薄型分立流道形成装置形成的流道相对于薄型分立流道形成装置带到增强材料上的异物量尽可能高效，单丝束应尽可能紧凑，这意味着当薄型分立流道形成装置经受润湿或浸渍阶段中的真空，即压缩时，其纵横比(宽/高比)应等于或小于2.0，优选地小于1.5，最优选地尽可能接近1.0。纵横比2意味着例如两条单丝并排布置。
不论横向薄型分立流道形成装置的直径或具体横截面或其他结构如何，明显的是，根据本发明，薄型分立流道形成装置不会赋予增强材料任何特定的横向稳定性，只有通过使用经编技术的线迹或常规的复丝纱或纤维网形式的无规取向的纱才能确保稳定性。
对于薄型分立流道形成装置的形状和尺寸及其在增强材料层上的定位，即其彼此之间的横向距离，考虑到用树脂对增强材料叠堆进行适当浸渍和润湿，所有这些特征(除了别的以外)都必须加以仔细考虑。至薄型分立流道形成装置侧面形成的树脂流道不应过于开放，使得树脂有时间浸渍到粗纱中而不会从增强材料叠堆的引入树脂的一侧直接流向增强材料叠堆的相对侧。自然地，相邻薄型分立流道形成装置之间的距离越短，薄型分立流道形成装置侧面的横向流道可以越开放，即，横截面越大，反之亦然。要考虑的另一件事是增强材料层的厚度或克重。增强材料层越厚，则用树脂适当润湿该层所花费的时间越长。通过本发明，可以调整增强材料的渗透性，以确保各增强纤维被充分浸渍而不会在纤维之间留下干燥区域或空隙。然而，不论薄型分立横向流道形成装置的直径或具体横截面或其他结构如何，薄型分立流道形成装置都不会赋予增强材料任何实质性的横向稳定性，但就单向或多轴向增强材料而言，只能通过使用线迹来确保稳定性。
根据本发明的另一个优选实施例，用于薄型分立流道形成装置的聚合物材料的理想特性是材料不会阻滞形成基体的树脂的固化，或者说对形成 基体的树脂的化学特性、热特性或机械性能没有负面影响。在进行的实验中，使用了聚酰胺(PA)、共聚酰胺或co-PET的薄型分立流道形成装置。然而，也可以使用以所需方式起作用的其他材料。
用于薄型分立流道形成装置的聚合物材料的另一个优选的可选特性是该材料至少部分地可溶于树脂。然而，该溶解性应该很弱或很慢，使得增强材料有时间在薄型分立流道形成装置“消失”或“塌陷”之前被树脂浸渍。然而，至少部分地可溶的薄型分立流道形成装置的优点是由薄型分立流道形成装置形成的通道会不见/消失，并且产品变得甚至比使用不可溶的极薄分立流道形成装置时更均匀。作为上述变型形式的一个例子，可以提及包括单丝或一束单丝的双组分薄型分立流道形成装置结构，其具有特性不同的聚合物材料外层，所述外层可溶于基体材料。外层的溶解性优选地被选择为使得其在树脂已浸渍增强材料叠堆之后溶于树脂。该薄型分立流道形成装置结构的优点是薄型分立流道形成装置芯部分自身可具有70μm的直径，而外层厚度为50μm。因此，双组分薄型分立流道形成装置的直径在浸渍时为170μm，在外层溶解后只有70μm，从而使最终产品中的粗纱变得彼此更靠近。这甚至进一步最大限度地将层合物在薄型分立流道形成装置与粗纱之间的接合处过早失效的风险降至几乎为零。
现有技术已经提出，当带有热熔涂层的横向玻璃纤维纱(例如)用于将单向增强材料粗纱彼此粘合时，玻璃纤维纱的横向长丝在层合物的横向负载下可能断裂并因此形成小的微裂纹。微裂纹可对层合物的静态和动态特性具有不利影响，因为它们可充当更大裂纹的引发因素，从而导致层合物结构中的可见损坏，并最终升级至整个部件损坏。自然地，同样的风险也适用于薄型分立流道形成装置。
因此，薄型分立流道形成装置的断裂伸长率应至少与基体的断裂伸长率相同。例如，环氧树脂基体的断裂伸长率为约6％，由此薄型分立流道形成装置的断裂伸长率应大于6％，优选地为约10％，更优选地为约20％。精确值主要取决于使用的树脂类型。定义和比较基体和薄型分立流道形成装置的材料性能的另一种方法是评估其弹性模量。换句话讲，为了在所有应用中均正常且可靠地发挥作用，薄型分立流道形成装置的弹性模量应较低，优选地明显低于基体材料的弹性模量。由于基体材料(如环氧树脂、 聚酯或乙烯基酯)的弹性模量为约3GPa，所以薄型分立流道形成装置的弹性模量应优选地为大约2GPa或更小。
必须要了解的另一件事情是上文所述的使用横向薄型分立流道形成装置形成用于浸渍模具中的增强材料叠堆的均匀横向树脂流道不仅可以适用于缝合单向或多轴向增强材料，而且适用于所有类型的增强材料，包括但不限于多轴向或织造增强材料等。例如，在织造增强材料中，薄型分立流道形成装置可用作纬纱，由此当它们在增强材料的顶部表面与底部表面之间行进时，不仅用作横向于单向增强材料粗纱的方向上的流道，而且用作Z方向上的流道。在这种情况下，薄型分立流道形成装置优选地但不一定被布置为最多至约5条长丝的束，因为纬纱应赋予增强材料其处理稳定性。编织中的多轴向机器或纬纱插入系统中使用的常规的或修改的走车也可用来施用薄型分立流道形成装置。
缝合单向或多轴向增强材料在风力机叶片的翼梁帽层合物制造中的上述应用只是此类增强材料所应用于的无数应用中的一个。本发明的增强材料最适用于需要具有高机械性能，尤其是疲劳性能以及静态特性的缝合单向或多轴向取向的增强材料的情况。然而，应当理解，本发明的缝合单向或多轴向增强材料可用于使用纤维增强基体的任何应用。
图4为示图，比较了现有技术增强材料的树脂流动性与本发明的单向或多轴向增强材料的树脂流动性，本发明的单向或多轴向增强材料具有两种不同设置的薄型分立流道形成装置。进行实验以制备三种不同的增强材料。在所有增强材料的制备中，使用相同的单向粗纱、相同的缝合纱和相同种类和类型的线迹。唯一的差别是用通常用于多轴向机器的纬纱走车布置横向纤维，然后缝合。在参照的现有技术增强材料的制备中，复丝纱(68特克斯，400条长丝，每条具有16μm的直径)以10mm的间距布置并与单向粗纱的方向成+45和-45度角。在根据本发明的第一增强材料中，将直径为170μm的(CoPET-聚对苯二甲酸乙二醇酯共聚物)单丝形式的薄型分立流道形成装置布置为与单向粗纱成直角，薄型分立流道形成装置，即单丝以10mm间距放置。在根据本发明的第二增强材料中，将与本发明的第一增强材料相同的单丝布置为与单向粗纱成直角，单丝以3mm间距放置。
为了进行实验，从每种增强材料上切下两个尺寸相等的增强材料片。在每个实验中，将两个类似的片放入下面包括玻璃片的测试模具中，使得塑料膜覆盖增强材料。通过常用的密封块(sealing mass)对包装进行气密密封。然后使模具经受10分钟的-0.95巴的真空，以移除空气，然后在23℃的室温下将具有300mPas粘度的环氧树脂横向于增强粗纱引入模具中。通过记录为时间的函数的树脂推进的润湿距离来绘制图表。
图4示出了为时间的函数的树脂流经的润湿距离。最下面的曲线示出了现有技术增强材料中的树脂流动速度。树脂推进8cm花费25分钟。流动前沿位置通常遵循熟知的达西定律，其中位置与时间的平方根成反比。因此存在可能无限接近但永远不会达到的某个最大值。如果其他参数(如粘度和温度)保持恒定，则渗透性差异决定流动前沿的实际距离，即润湿距离。因为最下面的(现有技术)曲线在25分钟处几乎是水平的，所以预期，即使大量增加浸渍时间也不会使浸渍距离增加很多。中间的曲线示出了其中横向薄型分立流道形成装置彼此间隔10mm的增强材料中的树脂流动速度。要推进8cm，树脂需要4分钟5秒。换句话讲，树脂流动速度与参照增强材料相比为大约6倍，并且在25分钟内达到20cm的浸渍/润湿距离。通过增加润湿时间，润湿距离仍然会增加几厘米。最上面的曲线示出了其中横向薄型分立流道形成装置彼此间隔3mm的增强材料中的树脂流动速度。这里，树脂流动8cm花费了1分钟50秒，即树脂流动速度与参照增强材料相比为13.6倍，在25分钟内达到约38cm的浸渍距离。通过增加润湿时间，该距离仍可以增加约10cm。换句话讲，所进行的实验表明，如果需要短浸渍距离，则使用根据本发明的薄型分立流道形成装置使浸渍时间缩短至现有技术增强材料所需时间的约十分之一，或者如果需要长浸渍距离，则使用根据本发明的薄型分立流道形成装置使该距离与现有技术增强材料相比增加至约6倍。
以上实验清楚地表明了通过使用薄型分立流道形成装置形成的横向流道的新型设计所带来的巨大优势。并且如上所讨论，它不仅是显著提高制备速度的“高速”灌注的问题，而且是非常有效地移除增强材料叠堆中的气体以确保没有干燥或半浸渍区域的无空隙层合物的问题，以及比用于相同目的的现有技术层合物具有更佳强度和疲劳性能的层合物的问题。
本发明的增强材料可以与所有类型的灌注方法一起使用，包括但不限于真空灌注、轻型RTM或RTM方法。可以通过本发明的增强材料改善其他层合情况，在这些情况中，树脂浸渍很关键或者受到紧密布置的纤维或层合物结构中存在的其他材料，如夹层材料、阻燃材料、填料、颜料等的阻滞，其中树脂粘度可以极其高。
本发明的增强材料可用于预成型件或最终产品(即层合物，例如风力机叶片)的制造。预成型件可通过如下方式由至少两个增强材料制成：将增强材料彼此层叠地铺设，使得第一增强材料的薄型分立流道形成装置面向位于第一增强材料之下或之上的第二增强材料，并且如果需要，使用合适的粘合剂(有时，仅仅加热增强材料和早前施加以粘合粗纱的粘合剂即已足够)，以形成预成型件。可将单向增强材料彼此层叠地定位，使得所有增强材料的粗纱是平行的，或者使得第一增强材料的粗纱被布置为与第二增强材料的粗纱成一定角度，从而形成多轴向预成型件。
层合物可以用类似的方式由本发明的增强材料或上述预成型件制造而成。在制造层合物的方法中，将至少两个增强材料或预成型件彼此层叠地铺设在模具中，使得第一增强材料的薄型分立流道形成装置面向位于第一增强材料之上的第二增强材料，将覆盖件定位在增强材料上，将模具闭合，并提供压差，以从模具中排出空气，并用树脂浸渍增强材料。
另一种选择是在模具中仅使用一种单向增强材料，使得薄型分立流道形成装置面向模具的底部和覆盖件。
很显然，本发明并不限于上文提到的实例，而是可以在本发明理念范围内的许多其他不同的实施例中实施。还很显然的是，只要可行，上述每个实施例中的特征可以结合其他实施例使用。

Claims (24)

1.一种用于通过树脂传递模塑工艺和真空灌注模塑工艺之一制造纤维增强复合材料的缝合单向或多轴向增强材料，所述缝合单向或多轴向增强材料(28)包括至少一层布置在所述缝合单向或多轴向增强材料中的连续单向粗纱、顶部表面、底部表面和在用树脂润湿缝合单向或多轴向增强材料(28)叠堆时促进树脂在横向于所述单向粗纱方向的方向上流动的装置，其特征在于：所述树脂流动促进装置为用于形成直径为70–300µm的树脂流道的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，所述单丝(6)或一束单丝(6)横向于所述单向粗纱布置，并且所述单丝(6)或一束单丝(6)至其侧面形成从所述缝合单向或多轴向增强材料(28)的一个边缘延伸至其相对的边缘的流道(10)，所述至少一个层和所述单丝(6)或一束单丝(6)通过使用线迹，即通过缝合彼此结合。
2.根据权利要求1所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)被布置为与所述单向粗纱的方向成直角，或其方向与所述单向粗纱的方向偏离至多45度。
3.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述增强材料(2, 4, 28)由两层或更多层粗纱形成并且所述单丝(6)或一束单丝(6)被布置在至少两层粗纱之间或仅布置在所述单向或多轴向增强材料(2, 4, 28)的顶部表面和/或底部表面上。
4.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)被布置在所述单向或多轴向增强材料(2, 4, 28)的所述顶部表面和所述底部表面的至少一者上。
5.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)以2–50mm的间距被布置在所述单向或多轴向增强材料(28)上。
6.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)具有100–200µm的直径。
7.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：每个线迹具有长度，并且相邻或邻近单丝(6)或一束单丝(6)之间的距离或间距比所述线迹的长度更长。
8.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)的断裂伸长率高于最终产品中的周围基体的断裂伸长率。
9.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述粗纱为人造纤维或天然纤维。
10.根据权利要求 9所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述粗纱为玻璃、碳、芳纶、玄武岩、亚麻、大麻或黄麻纤维。
11.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)在压缩下具有小于或等于2的纵横比。
12.根据权利要求11所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)在压缩下具有小于1.5的纵横比。
13.根据权利要求1或2所述的缝合单向或多轴向增强材料，其特征在于：所述单丝(6)或一束单丝(6)由聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、共聚酰胺或共聚酯制成。
14.一种包含至少两个根据权利要求1–13所述的缝合增强材料的预成型件。
15.一种包含一个或多个根据权利要求1–13所述的缝合增强材料的层合物。
16.一种制备用于纤维增强复合材料的权利要求1的缝合单向或多轴向增强材料的方法，所述方法包括以下步骤：
a)单向并排铺设连续粗纱，以形成至少一个层(20)，
b)至少在所述至少一层的所述连续粗纱上在横向于所述单向粗纱方向的方向上铺设直径为70–300µm的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，
c)将所述单丝(6)或一束单丝(6)和所述连续单向粗纱彼此缝合，形成增强材料(28)，
以相同的顺序相继执行所述步骤a)–c)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：通过以下步骤顺序制备缝合单向或多轴向增强材料：
a)铺设一层或多层单向粗纱，
b)将所述单丝(6)或一束单丝铺设在所述一层或多层上，
c)将一层或多层单向粗纱铺设在所述单丝(6)或一束单丝上，然后
d)将所述层与所述单丝(6)或一束单丝缝合在一起。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于：在步骤a)中，自行铺设若干单向层，其中至少一个具有新的粗纱取向，以形成多轴向增强材料。
19.根据权利要求16或17或18所述的方法，其特征在于：在步骤b)中，以一定的角度铺设所述单丝(6)或一束单丝(6)，其中所述角度与和所述单向粗纱方向成直角的方向偏离至多±45度。
20.一种使用缝合单向或多轴向增强材料制造预成型件的方法，所述缝合单向或多轴向增强材料为用于通过树脂传递模塑工艺和真空灌注模塑工艺之一制造纤维增强复合材料的缝合单向或多轴向增强材料，所述缝合单向或多轴向增强材料(28)包括至少一层布置在所述缝合单向或多轴向增强材料中的连续单向粗纱、顶部表面、底部表面和在用树脂润湿缝合单向或多轴向增强材料(28)叠堆时促进树脂在横向于所述单向粗纱方向的方向上流动的装置，所述树脂流动促进装置为用于形成直径为70–300µm的树脂流道的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，所述单丝(6)或一束单丝(6)横向于所述单向粗纱布置，并且所述单丝(6)或一束单丝(6)至其侧面形成从所述缝合单向或多轴向增强材料(28)的一个边缘延伸至其相对的边缘的流道(10)，所述至少一个层和所述单丝(6)或一束单丝(6)通过使用线迹，即通过缝合彼此结合，
所述方法包括以下步骤：
a)单向并排铺设连续粗纱，以形成至少一个层(20)，
b)至少在所述至少一层的所述连续粗纱上在横向于所述单向粗纱方向的方向上铺设直径为70–300µm的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，
c)将所述单丝(6)或一束单丝(6)和所述连续单向粗纱彼此缝合，形成增强材料(28)，
由此以相同的顺序相继执行所述步骤a)–c)，
d)彼此层叠地铺设所述增强材料，使得第一增强材料的所述单丝(6)或一束单丝(6)面向位于所述第一增强材料之下或之上的第二增强材料，
e)将所述增强材料结合在一起，形成所述预成型件。
21.根据权利要求20所述的制造方法，其特征在于：在步骤e)中，使用合适的粘合剂。
22.根据权利要求20或21所述的制造方法，其特征在于：将所述增强材料定位在所述预成型件中，使得所述第一增强材料的所述粗纱被布置为与所述第二增强材料的粗纱成一定角度。
23.一种使用缝合单向或多轴向增强材料制造层合物的方法，所述缝合单向或多轴向增强材料为用于通过树脂传递模塑工艺和真空灌注模塑工艺之一制造纤维增强复合材料的缝合单向或多轴向增强材料，所述缝合单向或多轴向增强材料(28)包括至少一层布置在所述缝合单向或多轴向增强材料中的连续单向粗纱、顶部表面、底部表面和在用树脂润湿缝合单向或多轴向增强材料(28)叠堆时促进树脂在横向于所述单向粗纱方向的方向上流动的装置，所述树脂流动促进装置为用于形成直径为70–300µm的树脂流道的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，所述单丝(6)或一束单丝(6)横向于所述单向粗纱布置，并且所述单丝(6)或一束单丝(6)至其侧面形成从所述缝合单向或多轴向增强材料(28)的一个边缘延伸至其相对的边缘的流道(10)，所述至少一个层和所述单丝(6)或一束单丝(6)通过使用线迹，即通过缝合彼此结合，
所述方法包括以下步骤：
a)单向并排铺设连续粗纱，以形成至少一个层(20)，
b)至少在所述至少一层的所述连续粗纱上在横向于所述单向粗纱方向的方向上铺设直径为70–300µm的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，
c)将所述单丝(6)或一束单丝(6)和所述连续单向粗纱彼此缝合，形成增强材料(28)，
由此以相同的顺序相继执行所述步骤a)–c)，
d)在模具中彼此层叠地铺设至少两个缝合增强材料，使得第一增强材料的所述单丝(6)或一束单丝(6)面向位于所述第一增强材料之下或之上的第二增强材料，或者在所述模具中铺设一个缝合增强材料，
e)将覆盖件定位在所述一个或多个增强材料上，
f)将所述模具闭合，以及
g)提供压差，以从所述模具中排出空气并用树脂浸渍所述增强材料。
24.一种使用缝合单向或多轴向增强材料制造层合物的方法，所述缝合单向或多轴向增强材料为用于通过树脂传递模塑工艺和真空灌注模塑工艺之一制造纤维增强复合材料的缝合单向或多轴向增强材料，所述缝合单向或多轴向增强材料(28)包括至少一层布置在所述缝合单向或多轴向增强材料中的连续单向粗纱、顶部表面、底部表面和在用树脂润湿缝合单向或多轴向增强材料(28)叠堆时促进树脂在横向于所述单向粗纱方向的方向上流动的装置，所述树脂流动促进装置为用于形成直径为70–300µm的树脂流道的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，所述单丝(6)或一束单丝(6)横向于所述单向粗纱布置，并且所述单丝(6)或一束单丝(6)至其侧面形成从所述缝合单向或多轴向增强材料(28)的一个边缘延伸至其相对的边缘的流道(10)，所述至少一个层和所述单丝(6)或一束单丝(6)通过使用线迹，即通过缝合彼此结合，
所述方法包括以下步骤：
a)单向并排铺设连续粗纱，以形成至少一个层(20)，
b)至少在所述至少一层的所述连续粗纱上在横向于所述单向粗纱方向的方向上铺设直径为70–300µm的单丝(6)或彼此结合的一束单丝(6)，
c)将所述单丝(6)或一束单丝(6)和所述连续单向粗纱彼此缝合，形成增强材料(28)，
由此以相同的顺序相继执行所述步骤a)–c)，
d)彼此层叠地铺设所述增强材料，使得第一增强材料的所述单丝(6)或一束单丝(6)面向位于所述第一增强材料之下或之上的第二增强材料，
e)将所述增强材料结合在一起，形成所述预成型件，
f)将至少两个预成型件彼此层叠地铺设在模具中，使得第一预成型件的所述单丝(6)或一束单丝(6)面向位于所述第一预成型件之下或之上的第二预成型件，
g)将覆盖件定位在所述预成型件上，
h)将所述模具闭合，以及
i)提供压差，以从所述模具中排出空气并用树脂浸渍所述预成型件。
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