CN105308005A - 由基本材料浸入晶须纱线的方法得到的晶须增强的混杂纤维 - Google Patents

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Abstract

混杂纤维由连续相的基本材料和多个原纤维或纳米管组成，连续相的基本材料渗透混杂纤维的长度，多个原纤维或纳米管遍及混杂纤维内部以由多个原纤维或纳米管编织成的纱线的形式分布。制造混杂纤维的方法包括用连续相的基本材料涂覆纱线和使连续相的基本材料浸入形成纱线的多个原纤维或纳米管。

Description

由基本材料浸入晶须纱线的方法得到的晶须增强的混杂纤维
技术领域
本发明涉及由传统聚合物或玻璃纤维组成的混杂纤维，其由遍及该纤维分布的原纤维增强。更具体地，本发明涉及由聚合物或玻璃组成的混杂纤维，其由被编织为纱线的原纤维增强，该纱线延伸穿过混杂纤维内部并用聚合物或玻璃涂覆和浸渍。
背景技术
玻璃纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、和聚合物纤维等被广泛用于现代纤维复合材料中。这些复合材料已经被用于多种不同的产品中，例如，建筑材料诸如甲板铺板(deckplanking)和轨道(rail)，运动商品诸如高尔夫球杆，以及汽车和飞行器的结构零件诸如，例如，车体覆盖板和旋翼桨叶。
复合材料一般通过在液化的聚合物基本材料诸如热固性材料或热塑性材料中放置多个纤维形成。然后引起聚合物基本材料凝固。多个纤维增强凝固的聚合物基本材料。由纤维增强的其它可能的基本材料包括玻璃、陶瓷和金属。
多个纤维在液化的基本材料中的放置可以是纤维层的形式，其可以是每层中的纤维被以单轴方向或基本上平行地布置的纤维层，或每层中的纤维由纤维的编织几何结构形成的纤维层。
用纤维增强的热固性基本材料的实例包括聚酯、乙烯酯、环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、酚酯和氰酸酯。用纤维增强的热塑性基本材料的实例包括聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮酮、和聚醚酰亚胺。
一般而言，有证据表明将增强纤维并入玻璃基本材料中可提供拉伸强度和弹性模量二者的增加。这在Brennan等人的美国专利专号4,314,852中公开，其通过引用并入本文。
然而，由单一材料组成的纤维具有有限的性质。有时采用第二材料作为纤维材料外部的增强体。然而，该方法引起期望的纤维性质的有限提高。在纤维材料的内部放置增强体已经导致小百分比的纤维内部被增强体占据和以期望的方向——例如沿纤维轴——最小对齐的增强体。
发明内容
本发明提供具有增强体的单一基本材料纤维，其中该增强体遍及纤维的内部分布且主要与纤维的轴或长度(length)对齐。本发明还提供具有高百分比的被纤维内的增强体占据的纤维内部体积的纤维。
本发明通过提供用于增强复合材料基本材料的混杂纤维克服了与纤维增强的复合材料基本材料相关的缺陷，其中混杂纤维结构和制造该混杂纤维的方法是独特的。
混杂纤维基本上由渗透混杂纤维长度的纯基本材料组成。在优选实施方式中，基本材料是玻璃。可选的材料可以是聚合物。
多个原纤维或纳米管遍及基本材料分布。纳米管被交织成延伸混杂纤维长度的纱线。每个纳米管具有与混杂纤维的长度对齐的长度。每个纳米管的长度是混杂纤维的长度的部分。在优选实施方式中，纳米管是碳纳米管。另外，在优选实施方式中，多个纳米管在混杂纤维中的体积百分比在10％至90％，并且优选地30％至80％的范围内。
制造混杂纤维的方法包括使形成具有股长度的纳米管的连续股或纱线的多个纳米管对齐和重叠。在纳米管股中，多个纳米管中每一个纳米管具有与股长度对齐并且是股长度的一部分的长度。在优选实施方式中，多个纳米管被缠绕或编织为纱线的长度。
然后依次用可流动的基本材料涂覆股或纱线长度，该可流动的基本材料浸入多个纳米管的股或纱线。
用液态基本材料涂覆股或纱线长度可通过在具有喷嘴开口的容器中含有液态基本材料，和然后拉股或纱线穿过喷嘴开口并进入容器中的液态基本材料来实现。拉股或纱线穿过液态基本材料依次用液态基本材料涂覆股或纱线和使液态基本材料浸入形成股或纱线的多个纳米管中。
可选地，可在旋转的圆柱形表面上拉股或纱线，同时将液态基本材料倾倒至表面和股或纱线上。这依次用液态基本材料涂覆股或纱线长度和使液态基本材料浸入形成股或纱线的多个纳米管。
然后使用液态基本材料涂覆和浸渍的股或纱线凝固，由此完成制造本发明的混杂纤维的方法。
附图说明
在纤维和方法的下面的描述和附图中，陈述了本发明的混杂纤维和其构建方法的进一步的特征。
图1是用晶须增强的纤维的部分的纵向横截面的示意图，其中晶须仅占据混杂纤维的小体积部分。
图2是交织的纳米管的纱线长度的部分的示意图。
图3是混杂纤维的长度的部分的示意图。
图4是生产混杂纤维的方法的示意图。
图5是生产混杂纤维的方法的示意图。
具体实施方式
图1是混杂纤维的基本实施方式的表示。图1显示了玻璃基本材料的混杂纤维，其是由多个分离的原纤维增强的原纤维。
图1是混杂纤维长度的部分的截面表示。在实际的混杂纤维10中，纤维由大体圆柱形外表面14包围，该外表面具有沿纤维长度延伸的中心轴16。混杂纤维10基本上由形成整体纤维体的基本材料12组成。基本材料12是纯的材料，例如，纯的玻璃。在图1中所示的实例中，基本材料是玻璃。其它已知的纤维基本材料也可被用于混杂纤维10中。
多个单独的分离的原纤维20遍及基本材料12分布。原纤维20可以是小的单纤维、纳米管诸如碳纳米管、氮化硼纳米管，晶须诸如碳化硅或其它。原纤维20主要被分布穿过混杂纤维10的内部22，但是一些原纤维20也可沿着并围绕纤维外表面14分布。多个原纤维20各自具有基本上与混杂纤维10的长度或轴16对齐的长度。
原纤维20是具有比混杂纤维10的基本材料12更好的性质——诸如拉伸强度、压缩强度、弹性模量(机械刚度)、导电性和介电常数等——的材料。然而，原纤维20的材料不能以待用于纤维复合材料中的原纤维20的期望的长度或尺寸生长。这样的原纤维20的材料的实例是纳米管。在图1中所示的混杂纤维10的示例性实施方式中，原纤维20是单壁或多壁的碳纳米管。到目前为止已经制造的最长的碳纳米管在长度上是厘米级别，而用于大多数纤维复合材料中的纤维是连续的。其它原纤维材料包括碳化硅和氮化硼。原纤维20的材料必须是与混杂纤维10的基本材料12化学上相容的。原纤维20的材料必须在玻璃或其它基本材料12可以流动以形成混杂纤维10的最终形状的温度下不降解。
用于将短长度的单纤维纺成较长长度的纱线的基本技术在纺织工业中已经公知了一段时间。一般而言，一片纱线的长度可大于编织为并组成纱线的任何单独的单纤维的长度。在本发明中，采用该基本技术以由非常小的直径的原纤维诸如碳纳米管形成纱线。
图2是纱线26的长度的部分的表示。纱线26由两个或更多个单独的原纤维28形成。一般而言，当保持纱线笔直时，纱线26的长度具有中心轴30，并且原纤维28具有显著与纱线中心轴30对齐的长度。如图2中所表示的，原纤维28可围绕纱线26内的纱线中心轴30缠绕。应当理解，在图2中，仅显示了纱线长度26的一段。一些原纤维28已经从该段纱线26的相对端的表示中被移除，以更好地显示纱线的缠绕或交织结构。由原纤维28形成的纱线26具有与由纤维组成的传统纱线类似的结构，其中主要的区别是与传统纱线的传统纤维相比，原纤维28具有更小的直径和长度。例如，传统碳纤维可以具有3-50微米的直径，而碳纳米管原纤维28可以具有1-100纳米的直径。供参考点，原子的直径范围为大约0.1-0.5纳米。如果要制造大直径的混杂纤维，原纤维28的直径可以与5微米一样大。
在本发明中，由原纤维28或纳米管28组成的一个或多个纱线26被嵌入圆柱形式的传统纤维基本材料32以制造混杂纤维34。在随后的实例中，玻璃是传统纤维基本材料32。然而，应当理解，还可使用任意的传统纤维基本材料，诸如聚乙烯或其它聚合物，包括热固性基本材料和热塑性基本材料。
图3是混杂纤维34整体长度的部分的可能结构的表示。混杂纤维34基本上由连续相的纤维基本材料32组成，其中由原纤维或纳米管组成的一个或多个增强纱线26被嵌入。为了清楚显示混杂纤维34的内部，在图3中连续相的基本材料32表示为透明的。基本材料32不必要是透明的。
基本材料32覆盖多个原纤维或纳米管28并沿混杂纤维34的长度渗透或浸入原纤维或纳米管28。多个原纤维或纳米管28主要包含在组成混杂纤维34的基本材料32的内部。然而，至少一些原纤维或纳米管28将被置于混杂纤维34的大体圆柱形外表面38上是可能的。虽然一些原纤维的末端被显示在图3中的均匀的位置，但是事实上末端位置将是随机的。
应当理解，在纱线26中组成或交织多个原纤维或纳米管28能够实现比如果一批原纤维或纳米管28被单独地嵌入纱线26——例如在图1所表示的实施方式中——更大的原纤维或纳米管的密度。虽然在邻近的原纤维或纳米管28之间存在足够的间隔使连续相的基本材料32浸入纱线26并最终紧密地与所有原纤维或纳米管28接触，但是在纱线26内原纤维或纳米管28的缠绕保持原纤维或纳米管处于相对紧的几何结构。适当的表面能量学(即，润湿)将对此有帮助。多个纳米管在混杂纤维中的体积百分比在10％至90％，并且优选地30％至80％的范围内。
图4是制造本发明的混杂纤维34的方法的表示。在图4的方法中，混杂纤维34的原纤维或纳米管28增强体由单个纱线26组成，纱线26由多个纳米管形成。纱线26被拉穿过连续相的基本材料32的“熔融”浴。使用“熔融”，目的是虽然基本材料可具有高的粘性，但是基本材料32像液体一样是可流动的。因此，目的是参考图4描述的基本材料32涵盖任何类型的已知基本材料，包括玻璃、热固性基本材料和热塑性基本材料。
在图4中，纱线26从供应盘42穿过喷嘴44并进入包含连续相的基本材料32的熔融浴的容器46的内部。加热器48控制基本材料32的浴的温度。同时在基本材料的浴中，纱线26被连续相的基本材料32浸渍，其润湿组成纱线26的原纤维或纳米管28。在由浴的上表面离开基本材料32的浴之后，纱线26中的原纤维或纳米管28和浸渍的基本材料32穿过任选的环50。环50将任何过量的连续相的基本材料32刮掉。然后使原纤维或纳米管28和浸渍的基本材料32冷却到基本材料32的凝固温度以下并凝固。这形成了混杂纤维34。
然后将混杂纤维34缠绕在卷盘52上。为了形成准连续过程，进料斗54可以以熔融形式或者作为固体粒料添加额外的基本材料32，该固体粒料通过加热基本材料32的浴熔融。
容器46上的喷嘴44的内径必须足够大以使纱线26容易地穿过喷嘴44，但必须不大到使得基本材料32的熔融浴通过喷嘴44滴出。一般而言，如果喷嘴44的直径在1-2mm之间，那么基本材料32的熔融浴的表面张力将足以避免基本材料32通过喷嘴44的不希望的滴落。这将使纱线的容易通过的直径达到几乎1mm。感兴趣的大多数纱线直径将是5-20微米。
图4中所表示的方法还可以用于收集在一起成束的多个纱线。另外，方法可以与上面描述的方向相反的方向进行，即，从盘52到盘42。在这样的方法中，任选的环50将被移动到喷嘴44的下面。
图5是制造本发明的混杂纤维34的进一步方法的表示。在图5的方法中，混杂纤维34的原纤维或纳米管28增强体由单个的纱线26组成，纱线26由多个纳米管形成。纱线26被拉到加热的辊的表面之上，并且“熔融”的连续相的基本材料32被倾倒至辊上并浸入纱线。同样，使用“熔融”，目的是虽然基本材料可具有高的粘性，但是基本材料32像液体一样是可流动的。因此，目的是参考图5描述的基本材料32涵盖任何类型的已知基本材料，包括玻璃、热固性基本材料和热塑性基本材料。
在图5中，纱线26离开供应盘58并在以顺时针方向旋转的结合轮(combiningwheel)62的圆柱形外表面60的部分上行进，如图5中所见。容纳熔融的基本材料32的容器64被放置在结合轮外表面60的上面。容器64具有喷出口66，其从容器向下延伸至喷出口的远端处的喷嘴68。喷嘴被定位在结合轮外表面60和表面上的纱线的部分72的正上方。熔融的基本材料32穿过喷出口66和喷嘴68并滴至在结合轮外表面60上的纱线的部分72上。滴至纱线的部分72上的基本材料32涂覆纱线的部分并被浸入至形成纱线的多个原纤维或纳米管28中。
然后，已经被涂覆和浸入基本材料32的纱线的部分72离开结合轮外表面60并穿过任选的环74。环74刮掉纱线的部分72上额外的基本材料32并赋予混杂纤维34圆柱形外表面形状。然后得到的混杂纤维34传至卷盘78。
可以加热结合轮62以避免滴至纱线的部分72上的基本材料开始凝固，直到被涂覆和浸入基本材料的纱线的部分72离开结合轮外表面60。
在准连续过程中，供应盘58和卷盘78同步旋转，以致纱线在整个过程中以恒定的速度行进。
图5中所表示的方法还可用于收集在一起成束的多个纱线。
根据本公开内容的方面，提供混杂纤维，其包括渗透混杂纤维的长度的基本材料；和遍及基本材料分布并交织成延伸混杂纤维长度的纱线的多个纳米管，多个纳米管中的每个纳米管具有与混杂纤维的长度对齐并且是混杂纤维的长度的一部分的长度。有利地，多个纳米管是碳纳米管。有利地，混杂纤维包括在百分之30至百分之80的范围内的多个纳米管在混杂纤维中的体积百分比。
根据本公开内容的方面，提供混杂纤维，其包括渗透混杂纤维的内部和混杂纤维的长度的基本材料(12)；和遍及基本材料(12)分布的多个原纤维(20)，多个原纤维(20)中的每个原纤维具有是混杂纤维长度的部分并且与混杂纤维的长度对齐的长度；并且多个原纤维(20)与基本材料(12)一起形成为纱线(26)，基本材料(12)浸入该纱线(26)。有利地，混杂纤维是嵌入复合材料的多个混杂纤维中的一个。
根据本公开内容的方面，提供制造混杂纤维的方法，其包括使形成具有股长度的连续股的多个原纤维对齐并重叠，其中多个原纤维中的每个原纤维具有与股长度对齐且为股长度的一部分的原纤维长度，依次用液态基本材料涂覆股和使液态基本材料浸入形成股的多个原纤维；以及，使涂覆股和浸入形成股的多个原纤维的液态基本材料凝固，得到混杂纤维。
有利地，方法进一步包括在表面上拉股；将液态基本材料倾倒至表面和股上，和由此依次用液态基本材料涂覆股和使液态基本材料浸入形成股的多个原纤维；从表面拉股；并使涂覆股和浸入形成股的多个原纤维的液态基本材料凝固，得到混杂纤维。有利地，方法进一步包括使用旋转的圆柱形表面作为表面。
还可采用以基本材料浸入纱线的其它方法，诸如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。
由于在本文描述和图解的混杂纤维的结构和制造混杂纤维的方法中可进行各种改变而不背离本发明的范围，所以目的是包含在上述描述中或显示在附图中的所有物质应当被解释为说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的宽度和范围将不受任何以上描述的示例性实施方式的限制，而应仅根据所附的权利要求书和其等效形式限定。

Claims (14)

1.混杂纤维，其包括：
渗透所述混杂纤维内部和所述混杂纤维长度的基本材料(12)；和
遍及所述基本材料(12)分布的多个原纤维(20)，所述多个原纤维(20)中的每个原纤维具有是所述混杂纤维长度的部分并且与所述混杂纤维长度对齐的长度；和
所述多个原纤维(20)与所述基本材料(12)形成为纱线(26)，所述基本材料浸入所述纱线(26)。
2.权利要求1所述的混杂纤维，进一步包括：
所述多个原纤维中的每个原纤维(20)是纳米管。
3.权利要求1和2所述的混杂纤维，进一步包括：
所述多个原纤维中的每个原纤维(20)是碳纳米管。
4.权利要求1-3中任一项所述的混杂纤维，进一步包括：
所述多个原纤维中的每个原纤维(20)是碳化硅。
5.权利要求1-4中任一项所述的混杂纤维，进一步包括：
基本材料(12)，所述基本材料(12)是聚合物。
6.权利要求1-5中任一项所述的混杂纤维，进一步包括：
基本材料(12)，所述基本材料(12)是玻璃。
7.权利要求1-6中任一项所述的混杂纤维，进一步包括：
在百分之10至百分之90的范围内的多个原纤维(20)在所述混杂纤维中的体积百分比。
8.权利要求1-7中任一项所述的混杂纤维，进一步包括：
在百分之30至百分之80的范围内的多个原纤维(20)在所述混杂纤维中的体积百分比。
9.制造混杂纤维的方法，其包括：
使形成具有纱线长度的连续纱线(26)的多个原纤维(20)对齐和重叠，其中所述多个原纤维(20)中的每个原纤维具有与所述纱线长度对齐并且是所述纱线长度的部分的长度；
依次用液态基本材料(12)涂覆所述纱线(26)和使所述液态基本材料(12)浸入形成所述纱线(26)的所述多个原纤维(20)；和，
使涂覆所述纱线(26)和浸入形成所述纱线(26)的所述多个原纤维(20)的所述液态基本材料(12)凝固，得到所述混杂纤维。
10.权利要求9所述的方法，进一步包括：
将所述多个原纤维(20)缠绕在一起并且形成所述纱线(26)。
11.权利要求9和10所述的方法，进一步包括：
使用多个纳米管作为所述多个原纤维(20)。
12.权利要求9-11中任一项所述的方法，进一步包括：
使用玻璃作为所述基本材料(12)。
13.权利要求9-12中任一项所述的方法，进一步包括：
将所述液态基本材料(12)包含在具有喷嘴(68)的容器中；
拉所述纱线(26)穿过所述喷嘴(68)并进入所述容器中的所述液态基本材料(12)，和由此依次用所述液态基本材料(12)涂覆所述纱线(26)和使所述液态基本材料(12)浸入形成所述纱线的所述多个原纤维(20)；
从所述液态基本材料(12)拉所述纱线；和
使涂覆所述纱线(26)和浸入形成所述股的所述多个原纤维(20)的所述液态基本材料(12)凝固，得到所述混杂纤维。
14.权利要求9-13中任一项所述的方法，进一步包括：
在表面上拉所述纱线(26)；
将所述液态基本材料(12)倾倒至所述表面和所述纱线(26)上，和由此依次用所述液态基本材料(12)涂覆所述纱线(26)和使所述液态基本材料(12)浸入形成所述纱线(26)的所述多个原纤维(20)；
从所述表面拉所述纱线(26)；和
使涂覆所述纱线(26)和浸入形成所述纱线(26)的所述多个原纤维(20)的所述液态基本材料(12)凝固，得到所述混杂纤维。
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