CN105339145B - 制备不连续纤维模塑复合物的方法 - Google Patents

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Abstract

由碳纤维丝束(12)制备不连续纤维模塑复合物(28)的方法。方法包括使用来自废旧碳纤维筒管的碳纤维丝束的零料。将零料短切成小片，形成1cm至10cm长的短切碳纤维丝束(18)的集合。然后将短切碳纤维丝束(18)与粉末状树脂(24)混合，形成短切碳纤维丝束和粉末状树脂(24)的共混物(22)。将共混物(22)加热以将树脂颗粒(24)软化/熔融，然后冷却形成不连续纤维模塑复合物(28)。

Description

制备不连续纤维模塑复合物的方法
技术领域
本发明总地涉及由不连续碳纤维和热固性和/或热塑性基质树脂构成的模塑复合物。更特别地，本发明涉及使用碳纤维丝束的零料制备不连续纤维模塑复合物。
背景技术
复合材料包括纤维增强结构体和树脂基质作为两种主要组分。复合材料通常具有相当高的强度重量比。因此，复合材料用于下述航空航天行业，在该行业中具有高强度和相对较轻重量的复合材料结构体是特别重要的。
碳纤维是复合材料的常见纤维增强物。碳纤维通常以复丝形式提供，通常称为“丝束”。碳纤维丝束通常包含1,000至50,000根独立单丝。可商购的碳丝束包含，例如，约3000根单丝(3K)，6000根单丝(6K)，12000(12K)根单丝或24000(24K)根单丝。单根碳单丝的线重量(linear weight)通常为0.02至0.5毫克/米。碳纤维丝束中的单丝并非按与常规纱线相同的方式加捻。相反，碳纤维丝束中的单丝基本上彼此平行。
碳纤维在商业上以包含单个连续丝束的筒管或绕线筒形式提供。根据单丝的线重量、丝束中单丝的数目以及缠绕在筒管上的碳纤维丝束的总重量，碳纤维丝束的长度可以广泛变化。通常，可商购的碳纤维筒管包含1至20磅(454克至9080克)长度为4,000至15,000米的连续碳纤维丝束。
将来自多个筒管的碳纤维丝束编织在一起，形成碳纤维布，稍后将该碳纤维布与树脂基质合并形成复合材料。也将碳纤维丝束从多个筒管进料，以制备单向(UD)纤维增强物，例如UD带，也将其与树脂基质合并以形成复合材料。在编织或UD带生产工艺过程中的一些点，留在筒管中的碳纤维丝束的量变少，使得必须用新筒管代替废旧筒管。
废旧筒管上剩余的碳纤维丝束的零料不够进一步用于制备机织织物或UD带。实践中，根据织造过程、待制备的纤维增强物的类型、单丝的线重量以及丝束中单丝数目，留在废旧筒管上的碳纤维丝束零料的长度将有所不同。历经一段时间，产生的碳纤维丝束零料的量是显著的。
期望取出在机织织物或UD带生产过程中产生的碳纤维丝束的零料并利用该零料制备有用的产品。
发明内容
根据本发明发现，留在碳纤维废旧筒管上的碳纤维丝束的零料可以用于制备不连续纤维模塑复合物。模塑复合物可以用于模塑具有相对较好的机械性能的简单和复杂这两种形状。
本发明涉及由碳纤维丝束的零料制备不连续纤维模塑复合物的方法。方法包括以下步骤：提供包含碳纤维丝束的零料的废旧碳纤维筒管。碳纤维丝束的零料过短，而无法用于制备机织或单向纤维结构。作为本发明的特征，将碳纤维丝束的零料从筒管取下并短切成小片，形成1cm至10cm长的短切碳纤维丝束的集合。
作为本发明进一步的特征，将粉末状热固性或热塑性树脂与短切碳纤维丝束的集合混合，形成纤维和粉末的共混物。然后将共混物加热至足够的温度达足够的时间，所述温度和时间足以使树脂颗粒粘附于短切碳纤维丝束，从而使短切丝束中的单丝稳定并形成不连续纤维模塑复合物。该不连续纤维模塑复合物可以按与已知的复合材料模塑复合物相同的方式使用，以制备简单部件和复杂部件两者。
作为本发明的特征，已经发现，可以将由3K碳纤维丝束的零料制备的不连续纤维模塑复合物模塑成复合材料部件，与由使用6K或更大的碳纤维丝束零料制备的不连续纤维模塑复合物模塑的复合材料部件相比，所述复合材料部件更强且更抗损伤。可以将由3K碳纤维丝束零料制备的不连续纤维模塑复合物模塑成复合材料部件，所述复合材料部件的强度和抗损伤性与由现有可商购的高性能不连续纤维模塑复合物制备的复合材料部件那些性质接近，可商购的复合物例如为模塑复合物(Hexcel Corporation，DublinCA)。因此，本发明使用具有相对低数目单丝制备的不连续纤维模塑复合物可用作商购高性能模塑复合物的低成本替代品。
作为本发明进一步的特征，已经发现，当将碳纤维丝束零料短切成相对较长(5至10cm)的短切纤维丝束时，可以将根据本发明制成的不连续纤维模塑复合物模塑成较强的复合材料部件。发现相对较低的单丝支数(3K)和相对较高的短切纤维丝束长度(5至10cm)的组合可得到特别有用的模塑复合物，该模塑复合物可用于形成拉伸强度远高于300MPa的复合材料部件。
通过结合附图参考具体实施方式，可更好地理解本发明的上述特征和很多其它特征以及随之而来的益处。
附图说明
图1是根据本发明的示例性方法的图示，用于取出碳纤维丝束的不可用零料，将其制成有用的不连续纤维模塑复合物。
图2是在形成根据本发明的模塑复合物所必需的加热步骤之前和之后，短切碳纤维丝束和树脂颗粒的很小的一部分的放大和简化图。图2证明通过静电吸引附接于少数短切碳纤维丝束的树脂颗粒在加热步骤过程中如何软化或熔融以形成单独短切碳纤维丝束的集合，所述丝束由已经热粘合于丝束的树脂颗粒稳定。
具体实施方式
本发明提供取出碳纤维丝束的零料并将它们转化为相对低成本不连续模塑复合物的方法。模塑复合物可以用于多种情况，在所述情况中需要多功能的复合材料模塑复合物。例如，本发明的模塑复合物可以按与可商购的高性能不连续模塑复合物相同的方式使用，所述复合物例如为模塑复合物(Hexcel Corporation，Dublin CA)，其由LID带短切片和树脂基质组成。由UD带短切片和树脂基质制成的模塑复合物描述于美国专利8366046和公开的美国专利公开2012-0040169和2013-0101406。其内容通过参考并入本申请。本发明的模塑复合物可以用作中高性能模塑复合物的低成本替代品。
根据本发明的示例性优选方法的图示示于图1。首先，方法包括提供包含碳纤维丝束的零料12的废旧碳纤维筒管10。这样的废旧碳纤维筒管在碳纤维布的织造或碳纤维UD带的生产过程中产生。装载进织造系统或UD带生产线的初始筒管装满碳纤维丝束，如11处的虚线所示。
装满的碳纤维筒管可按商业名称商购自，例如，Hexcel Corporation(Dublin，CA)。满筒管的一些实例是：1)包含1816克AS2C 3K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.200g/m，密度为1.80g/cm3；2)包含1816克AS4 3K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.210g/m，密度为1.79gm3；3)包含1816克AS4 6K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.427g/m，密度为1.79g/cm3；4)包含3632克AS4碳12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.858g/m，密度为1.79gm3；5)包含1816克AS4C 3K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.200g/m，密度为1.78g/cm3；6)包含1816克AS4C 6K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.400g/m，密度为1.78gm3；7)包含3632克AS4C 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.800g/m，密度为1.80g/cm3；8)包含3632克AS4D 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.765g/m，密度为1.79gm3；9)包含3632克AS7 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.800g/m，密度为1.80g/cm3；10)包含908克IM2A 6K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.223g/m，密度为1.78gm3；11)包含1816克IM2A 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.446g/m，密度为1.78g/cm3；12)包含1816克IM2C 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.446g/m，密度为1.78gm3；13)包含1816克IM6 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.446g/m，密度为1.78g/cm3；14)包含908克IM7 6K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.223g/m，密度为1.78gm3；15)包含1816克IM712K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.446g/m，密度为1.78g/cm3；16)包含1816克AS4D12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.446g/m，密度为1.79gm3；17)包含908克IM9 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.335g/m，密度为1.80g/cm3；16)包含1816克IM10 12K碳纤维丝束的筒管，该丝束重量为0.224g/m，密度为1.79gm3。
为了符合“废旧碳纤维筒管”，筒管或绕线筒必须包含碳纤维丝束的零料。碳纤维丝束的零料是远远较长的丝束的零料，典型地为存在于满筒管的碳纤维丝束的零料。碳纤维丝束的零料的长度对于丝束而言太短而无法用于制备机织或单向纤维结构。例如，为了在很多情况下考虑碳纤维丝束的零料，零料的长度应该小于500米，优选小于250米。在另一个实例中，也认为已经用于生产工艺且随后从运行中取出的任何碳纤维丝束的筒管是包含碳纤维丝束的零料的废旧筒管。
在一个实例中，可以称重碳纤维的管筒，以便于确定其是否符合废旧筒管。如果保留在筒管上的碳纤维丝束的重量对应于小于500米的长度，则认为筒管是废旧筒管。碳纤维丝束的线重量可以用于计算存在于满筒管的丝束的长度以及废旧筒管中剩余的零料的长度。例如，如果碳纤维丝束重0.200g/m且满筒管包含2000克碳纤维丝束，则初始筒管的长度为10,000米(5m/g x2000g)。当筒管上剩余少于100克碳纤维丝束时，认为筒管是废旧筒管。通过计算(5m/g x100g)，废旧筒管上剩余的零料小于500米长。
包含的丝束被认为是零料碳纤维丝束的废旧筒管的重量的具体实例如下；1)AS4C3碳纤维的满筒管中丝束(1816克)的长度是9080米(5m g x1816g)，当筒管中剩余的丝束重量小于100g(5m/g x 100g＝500米)时，认为筒管是废旧的；2)AS4C 6碳纤维的满筒管中丝束(1816克)的长度为4540米(2.5m g x1816g)，当筒管中剩余的丝束重量小于200g(2.5m/gx200g＝500米)时，认为筒管是废旧的；和3)AS4C 12K碳纤维的满筒管中丝束(3632克)的长度为4540米(1.25m/g x3632g)，当筒管中剩余的丝束重量小于400g(1.25m/g x400g＝500米)时，认为筒管是废旧的。
当多于500米初始碳纤维丝束留在筒管上时，可能必须从织造或预浸渍生产线移除筒管。例如，如果筒管比制备UD带或织物增强物所需的其它筒管短，则可能在早期阶段就将该筒管移除，因为其需要耗时胶接筒管以匹配其它筒管的纤维长度。也认为这些筒管是废旧筒管，因为它们不适于返回生产线。而且，也可能存在下述情况，碳纤维丝束的满筒管单独使用或用作用于形成模塑复合物的碳丝束的增补来源。使用碳纤维丝束的满筒管作为短切丝束的来源是便宜的可替换选择。因此，使用碳纤维丝束的满筒管优选限于下述那些情况，其中零料碳纤维丝束的供给不足以满足产品规格或生产要求。并非来自碳纤维丝束废旧筒管的模塑复合物中碳纤维丝束的量优选保持低于20wt％，基于存在于模塑复合物的丝束，优选低于10wt％。最优选的是下述模塑复合物，其中零料碳纤维丝束占存在于模塑复合物的总碳纤维丝束的98wt％或更多。
如箭头14所示，将碳纤维丝束零料12从废旧筒管10移出，并短切，形成1cm至10cm长的短切碳纤维丝束18的集合16。短切操作可以使用切割碳纤维丝束的任何已知方法进行。这样的方法包括机械切割和/或使用超声刀的切片。超声切割方法是优选的。如果需要，在切割之前，可以将丝束展开。展开丝束的方法是本领域公知的。
然后将短切碳纤维丝束18的集合16与粉末状热固性树脂混合，如箭头20所示，形成短切碳纤维丝束18和粉末状热固性树脂颗粒24的共混物22。树脂可以是任何粉末状热固性或热塑性树脂，其在室温为固体，且通常用于制备复合材料。可以使用热固性树脂和热塑性树脂的混合物，包括用热塑性材料增韧的环氧树脂。粉末状热固性树脂优选为完全配制的树脂，其包括固化剂，加速剂，催化剂和任何所需添加剂。示例性树脂包括环氧树脂，聚酯树脂，双马来酰亚胺树脂和二烯丙基异氰脲酸酯树脂。
在室温为固体的环氧树脂优选用作粉末状热固性树脂。例如，适宜的是甲酚清漆环氧树脂和在室温为固体的基于表氯醇和双酚A的环氧树脂(双酚A环氧树脂)。特别优选的是甲酚清漆环氧树脂和双酚A环氧树脂的共混物，其用双氰胺或等同固化剂固化。甲酚清漆环氧树脂应该占粉末状树脂的至少50wt％。优选的甲酚清漆环氧树脂是由邻甲酚甲醛清漆制备的那些，所述清漆与表氯醇反应形成清漆环氧树脂。清漆环氧树脂的分子量优选为1000至1500。双酚A环氧树脂的分子量也优选为1000至1500。
粉末状热固性树脂应该由尺寸为从几微米到至多150微米的颗粒构成。粉末优选包含颗粒分布，使得至少50％的颗粒的粒度小于50微米，且至少90％的颗粒的粒度小于100微米。树脂粉末应该在环境温度自由流动，由此其可以与短切丝束均匀混合。树脂颗粒应该不会彼此粘着，以便于避免在短切纤维与粉末状树脂的混合过程中形成不期望的聚集体。
在优选的实施方式中，固化的环氧树脂的玻璃化转变温度(Tg)通过向树脂中添加少量(10wt％或更少)多官能环氧树脂提高。多官能环氧树脂会增加在固化过程中树脂的交联，这会导致固化的树脂的Tg升高。这样的多官能环氧树脂在室温通常是液体。因此，优选将多官能环氧树脂与固体环氧树脂预混合，然后磨细，形成与短切丝束混合的粉末。可以使用任何多官能环氧树脂，条件是其增加固化过程中树脂的交联由此提高Tg，并且条件也在于其可以与固体树脂混合以形成粉末状最终树脂。四官能环氧树脂例如四缩水甘油基亚甲基二苯胺(TGMDA)是优选的。
任何数目的不同环氧树脂可以用于制备粉末状热固性树脂，该粉末状热固性树脂应用于短切零料丝束。但是，优选的粉末状热固性树脂是固体双酚A环氧树脂和甲酚清漆环氧树脂与液体四官能环氧树脂的共混物。双氰胺是优选的固化剂，其中urone或diurone作为催化剂添加。双氰胺的形式应该是粒度等于或小于环氧树脂粒度的粉末。优选粒度为1微米至10微米的双氰胺粉末。二官能urone(diurone)是优选的urone催化剂。diurone的形式应该是粒度等于或小于环氧树脂粒度的粉末。优选粒度为1微米至10微米的diurone粉末。
优选的粉末状热固性树脂将包含：10至40wt％的固体双酚A环氧树脂；50至80wt％的甲酚清漆环氧树脂；2-10wt％的液体四官能环氧树脂例如TGMDA；0.5至4wt％的双氰胺固化剂；和1至6wt％的diurone催化剂。如上所述，将液体TGMDA与其它两种固体环氧树脂预混合，形成树脂共混物，将其磨细至所需粒度。然后将该粉末状环氧树脂共混物与颗粒状固化剂和催化剂混合，形成最终的热固性粉末，然后将该粉末与短切碳纤维丝束混合。
使用任何类型的共混设备将粉末状树脂24和短切碳纤维丝束18混合在一起，所述设备可将短切碳纤维丝束和粉末状树脂充分混合，而不会使丝束混乱。滚筒类型共混机是优选的，其中当滚筒旋转时，将短切丝束和纤维温和搅拌。优选的是，将短切碳纤维丝束和粉末状树脂作为批料进料到滚筒式共混机中并混合，形成共混的短切碳纤维丝束和粉末状热固性树脂的批料。也可以使用连续流动混合系统，条件是短切纤维和粉末状树脂充分混合在一起，而不会使丝束结构混乱。在混合或共混工艺过程中，粉末状树脂颗粒通过静电力逐渐粘附于短切碳纤维丝束的单丝。因此，在混合步骤过程中，树脂颗粒均匀分布并粘附于碳纤维丝束片。颗粒和丝束之间的静电吸引确保树脂颗粒保持粘附于短切丝束而非彼此粘附。因此，当混合完成时，粉末颗粒保持均匀地分散在整个共混物22中。
制备碳纤维模塑复合物的方法的下一步骤是在足够的温度加热共混物22达足够的时间，从而使粉末状树脂颗粒软化或部分熔融。该加热/软化步骤如下使丝束中的碳单丝稳定：将树脂颗粒较牢固地粘合于单丝，防止丝束的任何进一步混乱。具体温度和加热时间将根据待使用的颗粒状碳纤维丝束和树脂以及树脂颗粒的尺寸变化。选择加热温度和时间的组合，使得树脂颗粒软化或熔融至仅足以粘合于丝束以及使单丝稳定。没有必要使颗粒完全熔融并流进碳纤维丝束。唯一必需的是，树脂颗粒充分熔融以粘合于丝束并使丝束稳定对抗在处理、储存和模塑过程中可能进一步发生的单丝混乱。根据待使用的树脂的类型，足以使树脂颗粒部分熔融并使丝束单丝稳定的温度通常为50至200℃。一旦达到目标温度，典型的加热时间为几秒至2分钟。将共混物22从室温加热至目标温度所需的时间应该保持最少。
在树脂颗粒已经充分软化或熔融之后，将树脂涂覆的短切碳纤维丝束冷却至室温或低于室温，以形成最终的模塑复合物28。加热/熔融和冷却步骤由图1的箭头26表示。不连续碳纤维模塑复合物28已可用于模塑成多种复合材料部件30。在室温，即使有，树脂也应该有极少的粘性。这使得较易将模塑复合物进行处理和成型，与如果树脂短切的丝束元件具有粘性并粘在一起的话相比。树脂短切的纤维丝束元件应该可通过温和操作模塑复合物分离成单独元件。
图2描述了短切碳丝束18和树脂颗粒24的共混物22的很小的一部分的放大和简化图。该图证明树脂颗粒24仅通过静电吸引附接于丝束18的表面。在加热步骤过程中，如箭头所示，颗粒充分软化或熔融，使得它们形成热粘合于丝束34的树脂区域32。该热粘合步骤使丝束中的单丝稳定并防止它们在处理过程中混乱。而且，树脂颗粒热粘合于丝束可防止它们彼此粘结以及防止形成不期望的树脂-碳纤维丝束元件的聚集体。为了形成有用的模塑复合物，单独的树脂-碳纤维丝束元件的形式应该是单独元件的集合，如图2的36处所示。
可以使模塑材料28形成任何所需的形状，并根据针对所用树脂和碳纤维的特定类型的已知模塑过程进行模塑。可使用本发明模塑复合物模塑的示例性部件包括壁架，连接件，夹子以及任何具有复杂形状的结构部件。
可用于根据本发明制备模塑复合物的碳纤维的类型仅受可用的碳纤维的零料来源限制。通常，可用于制备高性能复合材料的任何可商购的碳纤维类型都是适宜的。实例包括AS2C、AS4、AS4C、AS4D、AS7、IΜ2Α、IM2C、IM6、IM7、IMS、IM9和IM10碳纤维丝束，它们购自Hexcel Corporation(Dublin，CA)。
多于一种类型的碳纤维丝束零料可以用于制备特定的模塑复合物。这在下述情形下是特别有用的，大量不同类型的碳纤维丝束零料的废旧筒管是可回收的。已经发现，示例性的包含不同类型碳纤维丝束的混合物的模塑复合物制得模塑的复合材料部件，其具有不同纤维丝束的性质组合。而且，可以制备模塑复合物，其包括具有不同数目单丝和不同丝束长度的丝束的混合物。
例如，如图2所示，制备模塑复合物，其中使用至少四种不同类型的碳纤维丝束零料(由短切碳纤维丝束18，18a，18b，18c表示)和树脂短切的纤维丝束元件34，34a，34b和34c。使用不同的碳纤维丝束零料使得可以改变和控制模塑部件的物理性质。模塑部件的性质可以根据短切丝束中单丝的数目、丝束长度、以及短切丝束中碳纤维的类型变化。因此，可以选择零料碳纤维丝束的各种组合，从而制备具有广泛物理性质的模塑产品。
与短切碳纤维丝束混合的热固性树脂粉末的量可以变化以满足不同的产品需求。对于高性能不连续碳纤维模塑复合物，热固性树脂粉末的量应该为30至50wt％，基于总模塑复合物。优选的高性能不连续碳纤维模塑复合物应该为33至43wt％，基于总模塑复合物。
本发明的不连续碳纤维模塑复合物的模塑可以根据用于其它高性能模塑复合物例如模塑复合物的已知模塑过程进行。将未固化的不连续碳纤维模塑复合物放进模具中，该模具通常由两个模具半模(mold halves)组成，并将所述模塑复合物形成所需形状。一旦在模具中成型，将未固化的复合材料组件加热至树脂的固化温度，并将其在压力下模塑，形成所需的复合材料部件或结构。粉末状环氧树脂的典型固化温度为140℃至225℃。优选的固化温度为140℃至19℃。模具内的内压可以在从稍高于大气压至2000psi的范围内变化。对于制备高性能复合材料部件，高压模塑是优选的。这种高压模塑在高于500psi且低于2000psi的压力在固化温度进行。一旦未固化的不连续碳纤维模塑复合物已经完全固化(在固化温度通常为5分钟至1小时)，将部件从模具中取出并冷却，形成最终复合材料部件。
实施例
实践的实施例如下：
实施例1
使用超声刀将具有3K、6K和12K单丝的AS4C碳纤维丝束组短切成小片。将碳纤维丝束短切成约2.5cm或约5cm长的小片。碳纤维丝束为AS4纤维等级CP3000或AS4纤维等级CP4000(Hexcel Corporation-Dublin，CA)。3K丝束的线重量为0.200g/m，6K丝束和12K丝束的线重量分别为0.400g/m和0.800g/m。说明书中使用的术语"约"等于所述值±5％。
将每组短切丝束与粉末状环氧树脂在旋转滚筒中混合，得到短切碳纤维丝束和粉末状热固性树脂的共混物，该共混物包含约38wt％的环氧树脂，基于模塑复合物的总重量。粉末状环氧树脂包含以下组分的组合：17wt％固体双酚A环氧树脂；71wt％甲酚清漆环氧树脂；5wt％液体四官能环氧树脂(TGMDA)；2wt％双氰胺固化剂；和3.5wt％urone促进剂。将液体四官能环氧树脂与固体甲酚清漆环氧树脂预混合，并形成粉末，然后将其与其它粉末状成分共混。该类型的粉末状环氧树脂共混物的软化点为60℃至80℃。
将粉末和短切丝束的每种共混物迅速加热至约110℃的温度并在此保持30秒，从而使粉末颗粒部分熔融，并使它们粘附于丝束。在110℃保持30秒之后，将共混物冷却至室温，成型为30cm x30cm不连续碳纤维模塑材料的片材。
将模塑材料的片材在1000psi压力在160℃固化10分钟。所得固化的片材为4mm厚。然后测试固化片材的拉伸强度(MPa)，拉伸模量(GPa)，层间剪切强度(ILSS)和玻璃化转变温度(Tg)。ILSS通过试验方法EN 2563测定，Tg通过动态力学分析(DMA)测定。测试结果陈列于表1。
表1
从表1可见，使用3K碳丝束片制备的层合件具有显著优于6K和12K层合件的拉伸强度。而且，5cm碳丝束片具有显著较好的拉伸强度，与2.5cm碳丝束片相比。此外，用3K丝束和5cm丝束长度的组合制备的层合件具有特别高的拉伸强度。
实施例2
十个层合件按照与实施例1相同的方式制备，所不同的是将短切的3K、6K和12K碳纤维丝束按不同的重量比例组合，以形成包含不同量的每种类型的丝束(0至100wt％)的不连续碳纤维模塑复合物。所有碳纤维丝束的短切片均为约5cm长，且它们均使用AS4等级CP3000碳纤维丝束制备。十个层合件以重量百分比计的组成列于表2。
表2
十个层合件按照与实施例1相同的方式固化，测试其拉伸强度和拉伸模量。结果列于表3。
表3
从表3可以看出，包含100wt％3K短切碳纤维丝束或50wt％3K短切碳纤维丝束和50wt％6K短切碳纤维丝束的组合的层合件具有显著高于其它层合件的拉伸强度(分别为348MPa和319MPa)。约50wt％3K碳纤维丝束与约50wt％6K碳纤维丝束的组合可提供特别良好的高拉伸强度(319MPa)和高拉伸模量(45GPa)的组合，这样的结果不可通过使用单独的3K、6K或12K丝束或通过使用短切碳纤维丝束的其它组合实现，结果列于表2。
实施例3
按照与实施例1相同的方式制备和测试三个层合件。第一个层合件包含100wt％AS4C GP 12K G3000短切碳纤维丝束片，其为5cm长。第二个层合件包含100wt％IMA GS 12K(Hexcel Corporation-Dublin，CA)短切碳纤维丝束片，其为5cm长。第三个层合件包含各50wt％的用于制备前两个层合件的两种碳丝束片。按照与实施例1相同的方式将层合件固化和测试。结果列于表4。
表4
从表3可见，用于制备不连续模塑复合物的碳纤维丝束零料的类型确实对模塑复合材料的机械性质有影响。
实施例3
按照与实施例1相同的方式制备和测试三个层合件。第一个层合件包含100wt％IMΑ GS I2K短切碳纤维丝束片，其为5cm长。第二个层合件包含100wt％IM9GP 12K(HexcelCorporation-Dublin，CA)短切碳纤维丝束片，其为5cm长。第三个层合件包含各50wt％的用于制备前两个层合件的两种碳丝束片。按照与实施例1相同的方式将层合件固化和测试。结果列于表5。
表5
从表5可以看出，12K IMA和IΜ9碳纤维丝束可用于制备不连续碳纤维模塑复合物，这样的复合物制得的复合材料部件的机械性质与可使用包含100％3K AS4碳纤维丝束的不连续碳纤维模塑复合物制备的复合材料部件的机械性质类似。应该注意，预期使用3KIMA和/或IM9碳纤维丝束片制备的不连续模塑复合物制备的复合材料部件所具有的机械性质优于使用12ΚIMA和/或IM9碳纤维丝束获得的那些。
通过上述本发明示例性实施方式，本领域技术人员应该明白公开内容仅是示例性的，可以在本发明范围内进行各种其它可替代方式、改编和修改。因此，本发明不受上述实施方式的限制，而是仅由所附权利要求限制。

Claims (20)

1.制备不连续纤维模塑复合物的方法，所述方法包括以下步骤：
提供1cm至10cm长的短切碳纤维丝束的集合；
将包含热固性树脂颗粒的粉末状热固性树脂与所述短切碳纤维丝束的集合混合，形成短切碳纤维丝束和粉末状热固性树脂的共混物，其中所述颗粒通过静电吸引附接于所述短切碳纤维丝束；和
将短切碳纤维和热固性树脂颗粒的所述共混物加热至足够的温度达足够的时间，所述温度和时间足以使所述热固性树脂颗粒部分熔融且足以使所述颗粒粘附于所述短切碳纤维丝束；和
将所述短切碳纤维的加热的共混物冷却，形成所述不连续纤维模塑复合物，该模塑复合物包含不连续树脂短切的纤维丝束元件，该元件包含与所述颗粒粘附的所述碳纤维丝束。
2.根据权利要求1的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述短切碳纤维丝束为5-10cm长。
3.根据权利要求1的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述碳纤维丝束包含约3,000根单丝。
4.根据权利要求2的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述碳纤维丝束包含约3,000根单丝。
5.根据权利要求1的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中将多个碳纤维丝束短切，形成短切碳纤维丝束的集合，并且其中每个碳纤维丝束均包含单丝，并且其中在至少两个所述碳纤维丝束中存在的单丝数目不相同。
6.根据权利要求5的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述多个碳纤维丝束包含约3000根单丝或约6000根单丝。
7.根据权利要求1的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述粉末状热固性树脂是环氧树脂。
8.根据权利要求7的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述粉末状热固性树脂共计占所述模塑复合物总重量的30wt％至50wt％。
9.根据权利要求1的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中至少一部分所述短切碳纤维丝束是通过将碳纤维丝束的零料短切成所述短切碳纤维丝束来制备。
10.根据权利要求8的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述碳纤维丝束的零料由约3000根单丝组成。
11.根据权利要求7的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其中所述粉末状热固性树脂的软化点为60℃至80℃。
12.根据权利要求1的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
13.根据权利要求2的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
14.根据权利要求3的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
15.根据权利要求5的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
16.根据权利要求6的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
17.根据权利要求7的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
18.根据权利要求9的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
19.根据权利要求10的制备不连续纤维模塑复合物的方法，其包括另外的步骤：将所述不连续纤维模塑复合物模塑，形成复合材料部件。
20.根据权利要求1的方法制备的不连续纤维模塑复合物。
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