CN1048814A - 模塑复合材料 - Google Patents

Abstract

用以制造臂如通道门、家具部件、建筑装饰物或 结构部件的模塑复合材料，它可用下法制造：将衬底 和表面修饰膜放入模中，合拢模子，将活性聚合物母 料注入衬底和表面修饰膜之间。注射压力和活性聚 合物母料固化时的自生压力将表面修饰膜定形而紧 贴于模腔表面，同时此聚合物母料与表面修饰膜产生 化学键合。

Description

本发明主要涉及模塑复合材料，更具体说明是涉及那些能制成通道门、家具或建筑部件的模塑复合材料的制造方法。

使用适于制成譬如通道门或家具部件的聚合物和金属或非金属材料来制造模塑复合材料的方法在工艺上是熟知的。典型的方法是，这样的模塑复合材料可以用反应模塑法来制造，例如聚氨酯反应注射模塑法（RIM）。即将聚异氰酸酯、多元醇和扩链剂一次加入混合（如需要，多元醇和扩链剂可以予混），直接注射入放置有金属或非金属嵌衬物的模腔中，则固化的聚氨酯在嵌衬物上面形成修饰层，嵌衬物或衬底减少了应注射入的聚氨酯母料的用量，另外还对所形成的模塑复合材料提供结构支持的作用，制造模塑复合材料的其他方法包括胶衣法，在此法中，将欲作为制品外表层的聚合物材料喷涂至模腔中。另一个方法是片料成型法，在此法中将纤维状的浸渍过的料坯放入模腔中，用加热和加压使其成为所需要的形状。

前述工艺所公开的方法所得的外表面难于着色和上漆，并且不能准确地模仿天然木材和皮革的外观和手感等等。

在1981年6月30日公布的美国专利NO.4，676，041公开过一种方法，即用含液体催化树脂材料（用它浸渍玻璃纤维）的玻璃纤维包封一个芯体，并让玻璃纤维和树脂一同形成为门的外表皮或外壳，然而，为避免在门的表面上露出纤维，模子的壁上先要涂覆一层相同的液体催化树脂材料，这一般称之为“胶衣”法，并能确保模塑塑料制品的表面不露出玻璃纤维。

在1985年11月5日公布的美国专利NO4，550，540公开了用于制造压塑门的片状成型料（SMC）的使用。

最后，美国专利NO4，250，585公开了制造滑水板的方法，即将在模子内靠贴着铝板的液体可反应组分进行聚合。这样形成的滑水板塑料层被机械地粘结于铝板上，而整个滑水板都包含有增强单元。

附图简要说明：

图1是板式模塑复合材料的透视图，体现了本发明的细节;

图2是用于制造图1的模塑复合材料的模子的局部截面图。它描绘了在聚合物母体注射时模腔内板状衬底和表面修饰膜的位置;

图3是制造通道门的模塑复合材料板料的透视图;

图4是用于制造图3的模塑复合材料的模子的局部截面图，它描绘了在聚合物母体注射时模腔内所形成的衬底及表面修饰膜的位置;

图5是本发明的一个具体实例的图解，它显示了表面修饰膜实际上在整个模腔中使用。

本发明提供一个制造可用于制作譬如通道门、家俱及建筑部件等的模塑复合材料的方法，包括提供至少两个具有对置表面的相配合的模截面，该表面一起构成了制造模塑复合材料的模腔，其特征为：

A）放置衬底及表面修饰膜在这两模截面之间;

B）合拢这两模截面;和

C）将聚合物母料注射入衬底及表面修饰膜之间的模腔内，聚合物母料填充模腔，同时使表面修饰膜变形以适合于模中的一个对置表面的形状，聚合物母料在其中进行反应并形成聚合物层，同时与表面修饰膜进行化学键合。

本发明亦提出包括衬底和表面修饰膜在内的一种模塑复合材料;其特征在于反应模塑聚合物层排布于上述的衬底和上述的表面修饰膜之间;在上述的衬底和上述的表面修饰膜之间注射入的聚合物母料形成的层在腔内使上述的表面修饰膜适合于模腔的一部分形状，聚合物母料在其中反应形成上述的层，而同时将其与表面修饰膜进行化学键合。

现在参阅附图，特别是图1，它概括了本发明的要点于模塑复合材料10。图1中所描绘的模塑复合材料10是板状的，其后它可以成形为譬如通道门、家俱部件或建筑板材的形状。此板状的模塑复合材料10依次包括衬底12，键合于衬底12上的反应模塑聚合物材料层14和与反应模塑聚合物材料层14化学键合的表面修饰膜16。

更准确地说，此模塑复合材料10是用反应模塑法制造的，在此法中，衬底和表面修饰膜是被放置于由合拢相配合的模截面而形成的模腔中，然后将液体的反应聚合物母料注射入这衬底及膜之间。由于注射压力和在固化时产生的自生压力的结果，聚合物母料形成一层与衬底牢固结合的聚合物层，它并使表面修饰膜变形以便紧密地和模腔表面一部分相接触，同时使表面修饰膜与固化的聚合物层化学键合。

如图2所示，制造如图1的板状模塑复合材料10的典型模子包括相配合的上、下模截面18和20，模截面18和20作适当的移动（相互靠近或离开），可合拢或打开此模（未画出）。模截面18和20分别具有对置的表面22和24，它们共同构成模腔26，为了图的清楚和便于描绘，模腔26画于图2的断截面部分。模截面22和24的部分合成了模腔的表面，靠贴着它将形成模塑复合材料10的修饰表面。如图2所示，模上截面22作为这样的模腔表面：靠着它表面修饰膜16在注射压力和聚合物母料固化时的自生压力下得以定形。

模腔26连通入口或浇口28和连接混合室30，此混合室接受从混合头注射喷嘴32注射来的聚合物母料。在模截面18和20之间相应地有一凹陷部分作为嵌接混合头注射喷嘴32的入口孔34，使得喷嘴和混合室30相连接，籍此给以在表面修饰膜16和板状衬底12（合模前已先放入模腔26之内）之间的注射聚合物母料提供一条通道。

当模截面18和20打开分别放置时（未画出）便将衬底12放入模腔26内，本发明的方法是很方便地操作的。

然后，表面修饰膜16放置于模截面18和20之间，其位置为紧靠着上模表面22，上模表面将定形此板状模塑复合材料10的修饰表面。作为本发明所使用的一个名词，模塑复合材料10的修饰表面意味着是在最终制得的模塑复合材料10上的表面修饰膜16的可见的暴露表面。

下一步，将模如图2所示合拢，将聚合物母料注入表面修饰膜16及板状衬底12之间的模腔26中。注射压力和模腔26内之聚合物母料固化时的自生压力一起使表面修饰膜16紧贴上模表面22。注射和固化的压力都有助于在固化聚合物层14和衬底12之间建立起牢固的机械结合，亦有利于在固化聚合物层14和表面修饰膜16之间建立优良的化学键合。

在聚合物母料固化完成后，板状模塑复合材料10可以脱模，多余的表面修饰膜可以用任何适当的切割技术从复合材料10的四周去掉。

用适当的方法，如模冲或模压，可以将板状模塑复合材料10成形为用于制作通道门、家俱部件、建筑部件等所用的板材，而不会发生在衬底12和聚合物层14之间或在聚合物层14和表面修饰膜16之间的剥层现象。这是可能的，因为用本发明的反应模塑法所产生的自生压力和注射压力的结果使在每层间都产生卓越的结合力。

在另一个实施例中，本发明的方法可以用于制造一个定形的模塑复合材料36，如图3所示，它是适于制作通道门的。其他定形的模塑复合材料可用于制作例如家俱部件、建筑物装饰或结构部件。定形模塑复合材料36依次包括衬底38，键合于衬底38的反应模塑聚合物层40，与反应模塑聚合物40化学键合的表面修饰膜42。再者，定形模塑复合材料36可以制成模仿天然木纹花样，如44所示那样子。

图4描绘一个制作如图3的定形模塑复合材料36的模子的结构，它包括相配合的上下模截面46和48，移动模截面46和48（相互靠近或离开）可以合拢或打开这个模（未画出）。模截面46和48分别具有对置的表面50和52，它们一起构成模腔。模截面表面50和52的一部分构成了模腔的表面，靠贴着它模塑复合材料36的修饰表面将被定形。如图4所示，模截面的下表面52为这个模腔表面，依靠着它表面修饰膜42被注射压力和聚合物母料固化时的自生压力所定形。

模腔连通入口或浇口54，连接混合室56，它是接受从混合头注射喷嘴58耒的聚合物母料用的。在模截面46和48内相应地有一凹陷部分作为嵌接此混合头注射喷嘴58的入口孔60，使得喷嘴和混合室56相连接，籍此给予在表面修饰膜42和定形的衬底38之间注入的聚合物母料提供一条通道。

如图4所描绘的本发明的方法可以如此实现：在模截面46和48之间先放好表面修饰膜42，靠贴在模下表面52，它将定形此定形模塑复合材料36的修饰表面。

下面，采用使表面修饰膜42基本上定形于模下表面52的形状的方法。图4描绘出真空方法的使用，因此，模截面48装配有选择地联接真空源（未画出）的导管62。导管62依次连接一系列隔开的通道而通向模下表面52。这些连至模下表面的通道开口是足够小的，以至它们对模塑复合材料36的修饰表面的影响将是肉眼基本上觉察不到的。随铺贴于模下表面52的表面修饰膜42，通过导管62及连接通道64的抽真空，将使表面修饰膜42靠贴于模下表面52并基本上按它的形状定形。塑料薄膜在模腔真空成型的方法，真空源偶接分枝导管和通道的使用，在工艺上是已熟知的。

而后，定形衬底38被放入模腔内，合拢模子。如图4所示，聚合物母料注入表面修饰膜42和定形衬底38之间模腔内。注射压力及模腔内聚合物母料固化时的自生压力一起使得表面修饰膜42紧贴着模下表面52。同样地，这注射及固化压力亦有助于在固化聚合物层40和衬底38之间产生牢固的机械结合，有助于在固化聚合物层40和表面修饰膜42之间产生良好的化学键合。

在聚合物母料固化完成后，定形的模塑复合材料36可以脱模。多余的表面修饰膜可以用任何适当的切割技术从复合材料36的四周除去。

图5描绘了本发明的方法的另一个实施例。其中的表面修饰膜66和68铺在一个两截面模内的两个面上。这里画出了供料滚筒70和72，表面修饰膜66和68分别从其中牵引出来分别铺至上模截面74和下模截面76。当然，表面修饰膜66和68也可以单膜片形式铺放在模截面74和76中的一个或两个面上。同时描绘出可垂直移动的正向受控的带有喷嘴80并接连于控制臂82的混合头78，控制臂82通过普通的机械方法（未画出）使其作垂直移动，从分隔开的模截面74和76之间的第一个位置（图5中实线画出的）到用虚线所示的第二个位置，此时喷嘴80被嵌入由上模截面74和下模截面76凹陷而成的入口孔中，当用适当的机械办法合模时（未画出）。

操作时，表面修饰膜66和68被牵引过模截面74和76，如图5中虚线所示。其后，重调供料滚筒70和72以及表面修饰膜66和68的位置，使得表面修饰膜分别贴着上模截面74和下模截面76，如图5中实线所示，这样，表面修饰膜66和68基本上分别符合于由上模表面84和下模表面86所形成的模腔表面的形状。调整表面修饰膜66和68分别符合于模表面84和86的形状这一步可以使用真空，如图4所示那样。然后，将衬底88放入模腔中，如图5所示。其后，将上模截面74和下模截面76合拢，同时将正向受控混合头78移至图5虚线所示的位置，这样，当模截面74和76上的凹陷处合拢时，喷嘴80被它们所形成入口孔所封闭。

合拢的模包括了表面修饰膜66和68，它们分别为基本上贴着于模表面84和86之上，此两模表面形成了模腔。衬底88被封装于表面修饰膜66和68之内。正向受控混合头喷嘴80这样排布：使得聚合母体能够注射在表面修饰膜66和68之间的模内。若聚合物母料注入模腔并包围住衬底88，在注入的聚合物母料固化时，表面修饰膜66和68将更进一步分别紧贴着模表面84和86。与此同时，固化的聚合物母料形成的聚合物层与表面修饰膜66和68以化学键合，聚合物层与衬底88粘结，注射压力与聚合物母料聚合而产生的自生压力有助于上述的结合。

能用于本发明的实例中的衬底包括（但不局限于此）：非金属材料如木材、纤维素复合物、塑料等等;金属材料包括低碳钢、不锈钢、铝、铜、黄铜、青铜、锌以及它们的合金。较好的衬底是低碳钢、不锈钢、铝和它们的合金。这些材料容易用普通的方法造形，通常在通道门、家俱部件、建筑部件等中作为结构部件来使用。用于本发明的衬底厚度可以大幅度地变化，但通常在工艺上已知的厚度为要考虑复合材料结构具有结构的完整性。

制造本发明的模塑复合材料所用的合适聚合物母料包括典型地用于反应注射成型（RIM）的聚氨酯母料。这些母料包括异氰酸酯，例如亚甲基-二-对苯基异氰酸酯和甲苯二异氰酸酯;包括多元醇，最好是聚醚多元醇或聚酯多元醇。一般，聚氨酯母料亦包括各种扩链剂和例如单独的或各种混合的二胺化合物固化剂。典型地，聚氨酯母料由两种组分组成，它们仅在注射入模腔前或在注射时混合，因而全部或基本上全部的反应都在注射后在模腔中进行。一种组分包含异氰酸酯，另一组分包括多元醇、扩链剂、固化剂和任选的添加剂。用于本发明的聚氨酯母料制备的特定方法比较完全地叙述于美国专利NO4，218，543和NO4，269，945，在此将它们整个地作为参考资料。

另外，合适的聚合物母料亦包括那些用于制备聚酰胺的聚合物母料。它们包括单氨基单羧酸或它们的内酰胺，以及基本上是等摩尔的二胺和二羧酸的混合物。适当的单氨基单羧酸和内酰亚胺的例子是ε-氨基己酸和己内酰胺。合适的二胺包括六亚甲基二胺和四亚甲基二胺。合用的二羧酸包括己二酸和戊二酸。用这些母料以及用其他母料制备聚酰胺的方法在“聚氨酯化学与工艺学”（Robert  E.Krieger出版社，Malabar，Florlda，1983）一书中有详尽的描述。

其他适用的聚合物母料包括（但不局限于此）：可交联聚酯和环氧树脂，它们典型地用于反应模塑法中。一般地，聚酯树脂包括溶于可聚合的含烯键的不饱和单体（例如苯乙烯）中的不饱和聚酯和交联引发剂。适用的环氧树脂一般包括含有环氧基和脂肪多元醇的醚类，它们在胺催化剂存在下很容易一起固化。制备交联聚酯和环氧树脂的方法较全面地叙述于E.E.SchildKneeht所编的“聚合物方法”第十卷（Interscience出版社，1956年）中。

聚合物母料还可以外加适当的辅助剂，如起泡剂、填充剂、热稳定剂、染料、阻燃剂、着色剂、增塑剂、抗静电剂、紫外线吸收剂、润滑剂等等。

较好的聚合物母料是那些用于制备聚氨酯的母料。

令人满意地作为在本发明前面已叙述过的表面修饰膜的合适的材料包括（但不局限于此）丙烯酸聚合物，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯睛等等，以及聚氯乙烯、聚乙烯、聚酯、聚氨酯、聚偏氯乙烯、聚醋酸乙烯、聚丙烯等等，以及它们的共聚物。亦期望用的在可操作性及可使用性上等当的表面修饰膜是由前面所述的聚合物制成的层合薄膜和共挤出的多层膜。表面修饰膜的厚度一般在约0.5至约15密耳（mll）。在聚合物膜工艺中，这些膜材料是已熟知的，并在市场上可以买得到的。较好的表面修饰膜是由丙烯酸聚合物和聚氯乙烯制成的，厚度范围为约3至4密耳。

在某些情况下，在用于本发明的方法中之前将表面修饰膜先处理一下是有利的，以便增加它和固化聚合物母料的结合力。尤其是与固化聚合物母料相键接的膜表面，可以进行譬如电晕放电、等离子体放电、火焰处理等或使用例如γ-甲基丙烯酰丙基三甲氧基硅烷底胶处理。

同样地，将衬底进行表面处理也是有利的，可以增加它和固化聚合物母料的结合力。适合的处理方法包括打磨表面或使用例如γ-甲基丙烯酰丙基三甲氧基硅烷作底胶处理。

依靠聚合物母料的注入，大多数表面修饰膜都很容易按模腔定形。在要求聚合物母料导入前将表面修饰膜定形的情况下，其他方法可以用来将这些膜基本上按模腔表面的形状定形。例如，热空气的喷流可以直接对着已被铺放在两个模截面之间的，表面修饰膜吹喷冲压这些膜使它们紧密贴靠着具有一定形状的内模表面。亦可以将模截面本身加热，使得膜在贴靠到此热的模截面时，在它本身的重量作用下塌垂至具有一定形状的模截面的表面。再者，在反应模塑法中使用具有非常大的长宽比（aspcet  ratio）的定形衬底之处，它可以简单地卧放在表面修饰膜上，使得这膜塌垂下到这个模腔中。最后，结合各种“辅助方法”，包括前面所述的任何一个或全部方法，都可用于使表面修饰膜基本上按模子表面形状来定形。

制得性能优良的本发明的模塑复合材料的关键之一是此模塑法中的化学反应性。此反应模塑法使用两个分开的聚合物母料液体，或单一的含有催化剂的聚合物母料液体。这些物质在保证良好混合的条件下被注射入模腔。通过共价键和非共价键，表面修饰膜和固化聚合物层的化学活性点相键合。另外，反应模塑法可得到在聚合层和衬底之间特别牢固的结合。这些结合的特性为模塑复合材料各层间提供了非常高水平的粘结，使得其后的金工操作，如模冲压和模压，都不会发生剥层现象，而这在其他的不用本发明的方法制备聚合物/金属复合材料时常有发生的。

根据本发明的优选的实施例聚氨酯母料的非常低的粘度和表面张力特性，可增加结合的整体性。低粘度的聚氨酯活性母料容易流过模腔，并可较有效地润湿表面修饰膜和衬底。然而，较高粘度的聚合物母料则比较有效于产生卓越的复合材料各层间的结合。

本发明的方法特别适于制作具有仿天然木纹表面的模塑复合材料，这可把模腔表面制成木纹纹理的方法来达到。木纹的花样很方便地刻蚀在模腔表面上，藉此便可把此花样复印在模塑复合材料的修饰表面上。再者，本发明的表面修饰膜特别易于接受通用的木材着色剂或油漆。本发明的模塑复合材料具有纹饰和保暧的性能，并有隔音和消音的特性，类似于天然木材。再者，其他的纹理，例如皮革的纹理亦可以用本发明的方法仿制。

参考此处所包含的在本发明在有代表性的一些特例，本发明是比较容易理解的。然而必须知道，这些特例只是为了描述和理解而提供的，本发明可以用这些特别描述以外的方法去实施只要不背离其精神和范围。

Claims (20)

1、一种制造模塑复合材料的方法，该方法包括提供至少两个具有对置表面的相配合的模截面，对置表面一起构成了形成模塑复合材料的模腔，此方法的特征为：

A)在这两个模截面之间排布衬底和表面修饰膜；

B)合拢模截面；

C)将聚合物母料注射入衬底和表面修饰膜之间的模腔中，聚合物母料填充模腔并同时使表面修饰膜按膜子中的一个对置表面定形，聚合物母料就在其中反应并形成聚合物层，同时使聚合物层与表面修饰膜键合。

2、权利要求1所述的方法，其特征为所述的聚合物层是化学键合到表面修饰膜上的。

3、权利要求2所述的方法，其特征为其衬底选自包括低碳钢、不锈钢、铝以及它们的合金一类材料。

4、权利要求2或3所述的方法，其特征为聚合物母料为那些适用于制备聚氨酯的母料。

5、权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征为其表面修饰膜选自包括丙烯酸聚合物和聚氯乙烯、它们的共聚物和层合物一类材料。

6、权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征为其表面修饰膜的厚度约为3至4密耳。

7、权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征为其表面修饰膜进行过处理以增加它对聚合物层的键合能力。

8、权利要求2至7中任一项所述的方法，其特征为其衬底进行过处理以增加它对聚合物层的结合能力。

9、权利要求2至8中任一项所述的方法，其特征为模最少有一个对置表面具有木纹纹理，以便使模塑复合材料的修饰表面能仿制木纹表面。

10、权利要求2至9中任一项所述的方法，其特征为表面修饰膜基本上按由全部模截面表面形成的内模腔表面定形。

11、权利要求10所述的方法，其特征为所述的定形步骤包括在模腔表面使用真空。

12、权利要求2至11中任一项所述的方法，其特征为：

D）打开模截面;

E）从模腔中脱出模塑复合材料。

13、一种模塑复合材料，该复合材料包括衬底和表面修饰膜，其特征为反应模塑聚合物材料层是在所述的衬底和表面修饰膜之间，在模腔内在衬底和表面修饰膜之间注入的聚合物母料所形成所述的层使得这表面修饰膜按模腔的部分来定形，聚合物母料在其中反应并形成所述的聚合物层，同时使该层与表面修饰膜产生化学键合。

14、权利要求13所述的模塑复合材料，其特征为其衬底是选自包括低碳钢、不锈钢、铝，以及它们合金的一类材料。

15、权利要求13或14所述的模塑复合材料，其特征为其聚合物母料是那此适用于制备聚氨酯的母料。

16、权利要求13至15中任一项所述的模塑复合材料，其特征为其表面修饰膜是选自包括丙烯酸聚合物和聚氯乙烯，以及它们的共聚物和层合物的一类材料。

17、权利要求13至16中任一项所述的模塑复合材料，其特征为其表面修饰膜的厚度约为3至4密耳。

18、权利要求13至17中任一项所述的模塑复合材料，其特征为此模塑复合材料具有仿制的木纹修饰表面。

19、一种实质上如本说明书所述的模塑复合材料的制造方法。

20、一种实质上如附图作参考所述的模塑复合材料。

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