CN105473301A - 用于生产非金属可自加热模具的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多层复合模具结构(10)。所述多层复合模具结构(10)包含多层构件，所述多层构件包括(a)至少一个金属加热层(11)；(b)至少一个金属热分布层(13)；(c)至少一个层合复合层(12)；以及(d)表面层(14)。本发明还提供一种用于制备所述多层复合模具结构的方法。

Description

用于生产非金属可自加热模具的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制备非金属模具的方法；并且更具体而言，本发明涉及一种制备当所述模具被用于制造可热固化复合部件时提供高表面温度均匀性的非金属模具的方法。本发明可(例如)在用于生产制造风力转子叶片、机车部件、游艇船体、飞机机翼板等的工艺中使用。
背景技术
迄今为止，两种类型的模具(一种模具由金属制成而另一种模具由非金属材料制成)已经在用于生产纤维增强的复合部件如风力转子叶片或机车部件的灌注/注射模制工艺中使用。因为金属模具的较高热导率，由如钢、铝、铜等金属或金属合金制成的模具提供了优良的表面温度均匀性，然而金属模具重并且因此难以操作；并且大且复杂形状的金属模具对制造成本高。
另一方面，非金属模具如纤维增强的复合模具轻得多且可以较低成本更快制得，尤其对于较大且复杂的几何结构。然而，非金属模具通常在模具表面上具有大的温度偏差(例如±平均值的±10％)。模具温度越高，在整个模具表面上可出现的偏差越大，因为(例如)(1)利用具有不均匀且各向异性的层合结构的树脂类复合材料，以及(2)由在加热层中的加热丝产生的不均匀热。大温度偏差通常(1)导致在模具表面处的“热点(例如平均值的+10％)/冷点(例如平均值的-10％)”，(2)产生大的树脂黏度变化，以及(3)影响树脂流动，其可导致在成品部件中干点形成。此外，封闭在模具中的热固性材料的不均匀加热可导致成品部件的非正常固化以及导致成品部件的不当变形。可以在用于生产不含上述缺点的纤维增强复合部件的灌注/注射模制工艺中使用的模具在本领域中是有利的。
美国专利第5,260,014号公开一种制备适合用于在塑料制品的注射模制、结构泡沫模制、低压注射模制以及气体-辅助注射模制中的注射模具的方法。注射模具包含在模具外表面上的电沉积薄金属层，以及在金属层内表面上浇铸的用于支撑金属层的刚性热固性塑料材料。将热传递元件浇铸在塑料材料内并且与金属层相邻定位，以为金属层和塑料材料传递热量。美国专利第5,260,014号还公开薄金属层为镍，塑料材料为环氧树脂，并且热传递元件为金属片和热传递管。以下特征存在于在以上专利所描述的模具中：(1)金属层电沉积在模具板料上；(2)金属层沉积在完成模具的表面上；(3)金属层衬底材料通过浇铸形成；以及(4)加热元件为点区域型的。具有以上特征的模具不可适用于制备大面积曲面的模具如风力转子桨叶；并且电沉积工艺并不是具有成本效益的方案，因为所述工艺通常包括将部件浸没到保存涂层浴或溶液的容器或器皿中，以及施加直流电。
美国专利第4,120,930号公开用于成形待模制材料的模具，其中所述模具通过浇铸由松散材料(如波特兰水泥、炭、石墨)或可浇注陶瓷材料等构成的第一模具基底部分形成以限定模腔；并且随后用第一金属层涂覆模腔。随后，由如钨、钛、硼、硅和铝的碳化物、氮化物和氧化物的材料构成的第二硬质表面层沉积在金属第一层的表面上。现有技术的模具-成型方法包括通过浇铸形成模具衬底材料，并且金属层是经由利用现有技术中的喷涂、电解或无电沉积的涂覆来沉积的。类似于美国专利第5,260,014号的工艺，现有技术的涂覆技术可不适用于制备较大模具来以合理的成本实现所希望的厚度公差。
JP62257819A公开一种用于制备注射模具的方法。JP62257819A公开一种用于浇铸纤维增强材料(FRP)的浇铸装置，所述浇铸装置由阳模和阴模构成。阴模部件包括具有金属覆盖层和管道的塑胶件，加热介质流经管道，并且金属覆盖层和管道包括加热介质确保在模具表面处的均匀温度分布。在JP62257819A中所描述的模具-制备方法有以下缺点：(1)所用的金属层在模具表面铺设，这可导致由于化学侵蚀和过早地磨损不当的快速热损失以及金属层的提早退化；(2)加热介质仅列出包括设计、操作和维护复杂性的流体加热；以及(3)金属层并不适于带孔产品。
美国专利第3,827,667号公开一种用于制备在大模具中采用的热传递面板的方法。面板的建构包括使用与松散材料如陶瓷材料组合的相对薄的金属片或面板，所述松散材料形成模具结构的主要部分并为片或面板材料提供支撑。在构建面板中，热传递通道在片材料和支承材料内或在片材料以及支承材料之间，并且热传递流体可流经所述通道。现有技术还公开了用于形成热传递模具的简单的方法。在美国专利第3,827,667号中所描述的面板-构建方法有以下缺点：(1)金属片或面板在面板表面上铺设；(2)背面层松散材料为陶瓷(此类材料如波特兰水泥、可浇注的已知组合物的各种陶瓷材料、灰泥和蜂窝式塑胶、灰泥等)；以及(3)热传递通道限于流体。JP5192931A公开一种通过火焰喷涂在由混凝土制成的模具材料的全部表面或一部分表面上形成陶瓷或金属层的方法。火焰喷涂(在JP5192931A中所描述的模具-形成方法)有缺点：必须将金属层火焰-喷涂到模具表面上；并且火焰喷图包括熔化待沉积的原材料，其产生由极细颗粒所组成的大量灰尘和烟。火焰喷涂还需要采用喷涂设备和燃料气体。所有上述缺点产生安全隐患。公开于JP5192931A中的复杂方法仅包括将金属层插入到织物预成型件中的不安全操作。此外，此模具的基质材料为混凝土，与用于纤维增强层合/夹层结构的其它较轻材料相比混凝土为重的。公开于JP5192931A中的方法和模具不含加热系统；并且需要外部加热装置以注入和固化通过所述方法制得的复合材料。并且，通过上述方法制备的火焰-喷涂层可为多孔的；并且所述层的多孔性可在模具表面上产生不均匀温度分布。
WO2009007077A1公开一种用于制造聚合物复合材料的一体加热的陶瓷模具，和制造此类模具的方法。所述模具适于制造相对大的部件如风力涡轮机叶片，并且所述模具使在模具工作表面处热量输出的型面能够被精确控制以补充正在模制部件。然而，WO2009007077A1有以下缺点：(1)模具主体由陶瓷制得，陶瓷在拉伸以及剪切中脆并且弱；并且模具主体还可具有多孔的模具表面；(2)所述陶瓷模具的制造工艺复杂并且昂贵；以及(3)所述模具不并入金属层以提高模具表面温度均匀性。
上述现有技术参照案同样公开在最外模具表面(亦即上述最外模具表面层)上利用金属/陶瓷层，尽管介绍不同原料以及制造工艺。现有技术的方法无一者包括将金属层插入在最外模具表面层的下方。
发明内容
如在图1中示意性地所示，本发明使用嵌入在由半-各向同性层合材料制成的模具表面层和加热层之间嵌入的较高热导率的金属层的薄层，以实现在模具表面上的高温均匀性。金属层可由钢、铜、铝或金属合金以片或箔的形式制成；并且含或不含穿孔。加热层可包括流体加热、电加热或电磁波加热。由于金属层的热导率通常大于(＞)约200W/mK(铝的热导率)，其比固化树脂(例如固化环氧树脂为约0.2W/mK)的热导率高数百倍，较高热导率的金属层帮助更快实现热平衡并且改善模具表面的温度均匀性。
本发明的模具设计有以下优点：(1)更好的模具表面温度均匀性以及更快的热平衡，其帮助避免在模具表面上的局部热/冷点并且防止在固化复合材料中形成干点；(2)将金属层嵌入在环氧基体复合表面层的下方保护金属层免受化学侵蚀并且防止金属层过早地磨损；(3)所述复合表面层还充当缓冲区以减少来自模具的热损失并且具有与正处理的复合或塑料材料类似的热膨胀系数(CTE)；以及(4)所述模具还由在加热层以下的呈厚(对于改良的模具刚度/刚度)层合或“夹层”结构形式的背衬构件构成，以在所述模具的加热和冷却期间增加刚度和尺寸稳定性。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于制备非金属模具的方法，当所述模具被用于例如制造可热固化复合部件(如风力转子叶片、机车部件、游艇船体、飞机机翼板等)时其提供表面温度均匀性。举例来说，本发明可用于改善复合灌注模具的温度分布。本发明还可对在如替代能源、运输以及消费的工业中用作轻质高质量可自加热工具非常有效。
本发明的模具可使用多种材料(如纤维增强材料(FRP)、陶瓷或水泥)构造；并且所述模具具有嵌入的加热元件(包括(但不限于)电加热和液体加热元件)。
本发明的另一实施例涉及包含层状构件的复合模具结构，所述层状构件包括至少一个金属加热层。
本发明的另一个实施例涉及包含多层构件的多层复合模具，所述多层构件包括(a)至少一个金属加热层；(b)至少一个层合复合层；以及(c)表面层。
本发明的又一个实施例涉及一种用于制备上述复合模具结构的方法。
并且本发明的另一个实施例涉及通过使用上述复合模具结构和工艺制备的固化成形模制热固性制品。
与现有技术的模具设计相比，本发明的模具结构及其制造方法提供以下优点：(1)可获得在模制表面温度分布中改善的均匀性，其导致在本发明的模具结构中制得的所得成品复合材料改良的质量，(2)当将金属层嵌入在表面层(如环氧基质复合表面层)的下方时，所述表面层保护金属层免受化学侵蚀并且防止金属层过早地磨损；(3)复合表面层还可充当缓冲层以减少来自模具结构的热损失并且具有与正在本发明的模具结构中处理的复合或塑料材料类似的热膨胀系数(CTE)；(4)在模具制造中不存在或存在极少对复杂性的添加，(5)尤其当使用磁导加热层以及金属层时，可进行一次性完成，(6)可制造轻质模具，(7)所述模具制造工艺是友好的，(8)本发明在(一种或多种)金属层类型和厚度的选择方面提供灵活性，以及(9)本发明提供以较低成本快速生产模具结构，尤其对于较大并且复杂的模具。
附图说明
出于说明本发明的目的，附图示出本发明的当前优选形式。然而，应理解，本发明不限于附图中所示的实施例。
图1是示出本发明的多层结构的本发明的一个实施例的一部分的横截面侧视图。在图1中示出的实施例示出为扁平或平面多层几何结构如片，但不限于此。曲面的几何结构的模具(未图示)同样包含于本发明中。
图2是本发明的多层模具结构示意性俯视图，其示出出于测试目的在模具的各个点处附接到模具结构表面上的多个热电偶(T1-T12)的布局。在图2中示出的装置用于收集如具有以及不具有植入在模具中的金属层的温度响应的温度数据。
图3是示出不具有植入在模具中的金属层(如铝层)的模具的所记录的温度曲线的图解说明。在如图2中所描绘的模具的各个表面位置处记录模具的温度。
图4是示出具有植入在模具中的金属层的模具的所记录的温度曲线的图解说明。在如图2中所描绘的模具的不同表面位置处记录模具的温度。
具体实施方式
本文中“非金属模具”意指在模具主体的建构中采用非金属材料。
本文中“可自加热”意指加热元件为模具设计以及制造的组成部分。
本文中“表面温度均匀性”意指在模具表面上的温度分布，其中从在表面上的一个点到在表面上的另一个点的温度变化不大于特定数量的程度；并且其中温差不大于5％(或小于5％)。表面温度均匀性通过测量在模具表面上的最大温度变化来量化。
本文中“一次性完成”意指在一个步骤中同时灌注和固化整个模具主体。
本文中“可透过加热和金属层”意指带孔金属层，其被适配成加热以及被调适用于使树脂从所述层的一侧流动穿过所述层的穿孔到所述层的另一侧。所述可透过的加热和金属层优选地在本发明的模具建构方法的一次性完成步骤中使用。
本发明的广义实施例涉及提供包含层状构件的复合模具，在一个实施例中所述层状构件包括至少一个加热层以及一个金属热分布层；并且多层复合模具结构包含多层构件，在另一个实施例中所述多层构件包括(a)至少一个加热层；(b)至少一个金属热分布层；(c)至少一个层合复合层；以及(d)表面层。
参见图1，本发明的一个实施例示出包含以多片构件、多膜构件或多层构件形式的多层复合模具结构的模具结构。所述多层复合模具结构用普通数字10表示，并且包括嵌入在一个或多个层合复合热传递层12、金属热分布层13以及一个或多个层合表面层14中的加热层11连同插入一个或多个层合背衬层15的核心材料层16。所述层如图1所示粘合在一起以构成片构件或多层复合模具结构10。
复合模具结构的加热层11可为例如流体加热层、电加热层或本领域中已知的其它常规加热层。举例来说，流体加热层的流体可包括在管道(如嵌入在模具加热层中的管道)中流动的水、油或其混合物。电加热层可包括(例如)加热丝、加热垫、加热织物或本领域中已知其它常规加热结构。复合模具结构的加热层11用于将热提供到模具中。在一个优选实施例中，可将复合模具结构的温度加热至约20℃至约300℃，在另一个实施例中至约30℃至约200℃，并且在另一个实施例中至约40℃至约150℃。
通常，复合模具结构的加热层的厚度在一个实施例中可为约10微米(μm)至约30毫米(mm)，在另一个实施例中可为100μm至约25mm，并且在另一个实施例中可为约1mm至约20mm。
复合模具结构的层合复合热传递层12存在于模具结构中，以为模具结构提供支撑、强度、热传递以及电绝缘。在一个实施例中，复合模具结构的层合复合热传递层12可为例如热固性材料类复合层，此类热固性复合材料包含在固化树脂基质中的增强材料。举例来说，层合复合热传递层薄层由纤维制成，作为在固化树脂系统中的增强材料。所述纤维可包括例如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、硼纤维、热塑性纤维或其组合。所述树脂系统可包括例如可热固材料(如环氧树脂、乙烯基酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯或其组合)。
通常，所述复合模具结构的层合复合热传递层的厚度在一个实施例中可为约500μm至约20mm，在另一个实施例中可为约500μm至约10mm，并且在另一个实施例中可为约1mm至约5mm。
在一个优选实施例中，适用于生产本发明的复合模具结构的树脂系统可为例如可固化配制品或组合物，其包含作为组分(I)的至少一种环氧化合物以及作为组分(II)的固化剂从而形成可被固化以形成热固性材料的可固化配制品。举例来说，适用于本发明的环氧化合物可包括任何常规环氧化合物。一般而言，所述固化剂(还被称作硬化剂或交联剂)组分(II)与环氧树脂化合物组分(I)共混以制备待固化到成形制品(如复合模具结构或复合模具结构的任一层)中的可固化配制品或组合物。
适用于本发明的可固化组合物的环氧化合物的一个实施例可为例如单独使用的单个环氧化合物；或两种或更多种环氧化合物的组合，如在Lee，H以及Neville，K，《环氧树脂手册》(HandbookofEpoxyResins)，纽约的麦格劳-希尔图书公司，1967，第2章，第2-1页至2-27页中所描述的环氧化合物中的任一种，以引用的方式并入本文中。在优选实施例中，环氧化合物可以包括例如基于多官能醇、酚、环脂族羧酸、芳族胺或氨基酚与表氯醇的反应产物的环氧树脂。一些非限制性实施例包括例如双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、间苯二酚二缩水甘油醚以及对氨基苯酚的三缩水甘油醚。本领域中已知的其它适合环氧树脂包括例如表氯醇与邻甲酚酚醛清漆、烃酚醛清漆和苯酚酚醛清漆的反应产物。环氧化合物也可选自市售环氧树脂产品，如例如购自陶氏化学公司(TheDowChemicalCompany)的D.E.R.331D.E.R.332、D.E.R.354、D.E.R.580、D.E.N.425、D.E.N.431、D.E.N.438、D.E.R.736或D.E.R.732环氧树脂。
一般来说，与环氧树脂化合物组分(I)共混以制备可固化组合物的固化剂组分(II)可以包含例如本领域中已知的适用于包括于可固化组合物中的任何常规固化剂。适用于可固化组合物的固化剂可选自例如(但不限于)酸酐、羧酸、胺化合物、酚化合物或其混合物。
适用于本发明中的固化剂的实例可以包括已知适用于固化环氧树脂类组合物的共反应性或催化固化材料中的任一者。此类共反应性固化剂包括例如聚胺、聚酰胺、聚氨基酰胺、二氰二胺、聚合硫醇、聚羧酸和酸酐和其任何组合等。适合的催化固化剂包括叔胺、卤化季铵、路易斯酸(如三氟化硼)和其任何组合等。共反应性固化剂的其它实施例包括二氨基二苯砜、苯乙烯-马来酸酐(SMA)共聚物；和其任何组合。在常规共反应性环氧固化剂中，优选含有胺和氨基或酰胺基的树脂和酚醛树脂。
通常，本发明的可固化组合物中所用的以制备复合材料的固化剂的量可根据环氧化合物的量与固化剂的量的比率来测量。举例来说，以可固化组合物的总重量计，环氧化合物与固化剂的比率在一个实施例中可为约100/1至约100/1,000，在另一个实施例中可为约100/1至约100/500；并且在再一实施例中可为约100/10至约100/200。
任选地可添加至可固化组合物的其它化合物可包括通常用于本领域的技术人员已知用于制备可固化组合物以及热固性材料的树脂配制品中的化合物。可以添加到本发明的可固化组合物中的任选化合物可以包括例如用以促进环氧树脂化合物与固化剂的反应的固化催化剂；脱模剂；其它促进剂，用以降低配制品粘度的溶剂；此外，其它树脂，例如可以与配制品的环氧树脂共混的酚醛树脂；与本发明的环氧化合物不同的其它环氧树脂(例如，芳香族和脂肪族缩水甘油醚；环脂族环氧树脂；和二乙烯基芳烃二氧化物，如二乙烯基苯二氧化物)；其它固化剂；填充剂；颜料；增韧剂；流动改性剂；助粘剂；稀释剂；稳定剂；增塑剂；催化剂减活化剂；阻燃剂；消泡剂；润湿剂和其混合物。
一般来说，当用于本发明中时其它任选组分的量例如在一个实施例中可为0wt％至约1,000wt％，在另一个实施例中可为约0.01wt％至约1,000wt％，在另一个实施例中可为约0.1wt％到约100wt％。
用于制备可固化组成物的方法包括混合(I)至少一种环氧化合物；(II)至少一种固化剂组合物，以及(III)任选地，根据需要的其它成分。举例来说，通过在已知混合设备中共混环氧化合物、固化剂组合物和任选的任何其它所需添加剂实现制备本发明的可固化树脂配制品。
可固化配制品的所有化合物典型地都在使得能够制备具有用于特定应用的所要性质平衡的有效可固化环氧树脂组合物的温度下混合并且分散。举例来说，在一个实施例中，在混合所有组分期间温度一般可为约-20℃至约200℃；在另一个实施例中，可为约0℃至约100℃；且在再一实施例中，可为约20℃至约80℃。较低混合温度有助于最小化在组合物中的环氧化物和硬化剂的反应以最大化组合物的适用期，但是也增大环氧化物和硬化剂混合物黏度，以及减小填料填充量。
可固化配制品的制备和/或其步骤中的任一可为分批或持续的方法。在该方法中所用的混合设备可为本领域的技术人员熟知的任何容器和辅助设备。
固化可固化组合物的方法可通过本领域的技术人员熟知的常规方法进行。举例来说，在一个实施例中固化可在通常约10℃至约300℃的预定温度下进行；在另一个实施例中在约10℃至约200℃的温度下进行；并且在再一实施例中在约25℃到约150℃的温度下进行。在一个实施例中，固化可进行的预定时间周期例如通常为约1分钟至约1周，在另一个实施例中为约10分钟至约2天，并且在再一实施例中为约1小时至约24小时。对于少于约1分钟的时间段，时间可能过短而无法确保常规加工条件下的充分反应；并且多于约1周，时间可能过长而不实用或经济。
复合摸具结构的金属热分布层13存在于模具结构中以为模具结构提供均匀的表面温度。有利的是，模具结构的关于温度波动的特性在模具结构的表面上被最小化。在一个优选实施例中例如，复合摸具结构呈现的温度波动在一个实施例中根据设定的摸具温度为约0℃至约±20℃，在另一个实施例中为约0℃至约±10℃，并且在另一个实施例中为约0℃至约±5℃。
复合模具结构的金属热分布层13可为例如钢、铝、铜、金属合金，或在制造模具结构中使用的如本领域中已知的其它常规金属。
金属热分布层13可为包括网型的带孔的，或不带孔的。当金属热分布层包含穿孔时，一个或多个穿孔可按需要为任何尺寸和形状。举例来说，穿孔的形状可为圆形、矩形、钻石形，或本领域中已知的任何其它常规形状。当穿孔为一个或多个圆形孔或矩形孔时，圆形孔的直径或矩形孔的边缘宽度可为例如200μm至5mm，并且孔隙可以在约2mm至约50mm的范围内。
通常，金属热分布层13的厚度在一个实施例中可为约10μm至约2mm，在另一个实施例中可为约50μm至约1mm，在再一实施例中可为约100μm至约500μm。
复合模具结构的模具表面层14存在于模具结构中以为模具结构提供机械特性、耐化学性和表面光泽度。复合模具结构的模具表面层14可为例如热固性材料类层合层。
模具表面层可包括例如在热固性树脂中的硬化或固化非织造纤维垫。在一个实施例中，纤维垫通常可为约50克每平方米(g/m2)至约2,000g/m2，在另一个实施例中可为约100g/m2至约1,000g/m2，在再一实施例中可为200g/m2至约500g/m2。
通常，模具表面层14的厚度在一个实施例中可为约50μm至约5mm，在另一个实施例中可为约200μm至约2mm，并且在再一实施例中可为约500μm至约1mm。
复合模具结构的层合复合背衬层15存在于模具结构中以为模具结构提供支撑、强度和热量保留。复合模具结构的层合复合背衬层15可为例如热固性材料类复合层。
举例来说，层合复合背衬层15可包括在固化树脂系统中由纤维制成的薄层。所述纤维可包括例如碳纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维、芳纶纤维、硼纤维、热塑性纤维或其组合。所述树脂系统可包含例如可热固材料(如环氧树脂、乙烯基酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯或其组合)。
通常，包括夹层型结构的层合复合层15的厚度在一个实施例中可为约3mm至约100mm，在另一个实施例中可为约5mm至约50mm，并且在再一实施例中可为约10mm至约20mm。
本发明的复合模具结构可包括核心材料层16，其可为任选层。然而，核心材料层通常优选地在复合模具结构的一个优选实施例中使用。例如核心材料可用于制备夹层型结构，其中所述夹层包括例如安置在加热层和背衬层之间的核心材料。
核心材料层16可用于增加模具面板刚度，用于增强模具结构的隔热，和/或用于减轻模具结构的重量。通常，通过利用用于复合模具结构的夹层型结构，复合模具结构的模具面板刚度在一个实施例中可增加约2倍至约100倍，在另一个实施例中，可增加约2倍至约30倍，在再一实施例中，可增加约2倍至约10倍，而不显著地将额外的重量增加到模具中。在优选实施例中，复合模具结构的模具面板刚度可增加约5倍至约30倍。
此外，复合模具结构的隔热通常在一个实施例中提高约2倍至约100倍，在另一个实施例中约2倍至约30倍，并且在再一实施例中约2倍至约10倍。在优选实施例中，复合模具结构的隔热可提高约5倍至约30倍。
核心材料的组合物可选自例如聚合物类泡沫芯、轻质植物原木材料，或本领域中已知的其它常规原料。
通常，核心层16的厚度在一个实施例中可为约2mm至约100mm，在另一个实施例中可为约5mm至约50mm，并且在再一实施例中可为约5mm至约20mm。
本发明的复合模具结构可包括作为任选层的凝胶涂层，其可用于例如提高复合模具结构的模具表面质量。例如凝胶涂层可为热固性材料或热塑性层或本领域中已知的其它常规材料。
通常，凝胶涂层的厚度在一个实施例中可为约100μm至约2mm，在另一个实施例中可为约200μm至约1mm，并且在再一实施例中可为约500μm至约1mm。
本发明的复合模具结构可包括作为任选层的隔热层用以提高复合模具结构的绝缘值。大部分常规隔热材料可以在本发明的隔热层中使用。举例来说，绝缘层可为聚合物类泡沫、石棉或本领域中已知的其它常规材料。
通常，在一个实施例中，当隔热层用于模具结构中时，复合模具结构的绝缘值可增加约100％至约1,000％。
当核心材料用于模具结构的模具夹层面板中并且核心材料的厚度例如大于50mm时，可以不需要绝缘层。然而，当使用绝缘层时，通常绝缘层的厚度在一个实施例中可为约3mm至约50mm，在另一个实施例中可为约5mm至约20mm，并且在另一个实施例中可为约10mm至约20mm。
除最常使用的逐层浇铸或层合模具制造方法之外，适用于本发明的模具制造方法还可包括逐步法、一次性真空灌注法或轻树脂传递模塑(RTM)法。
制造本发明的复合模具结构的方法的一个实施例可包括例如一次性灌注制造方法，其可包括以下步骤中的一个或多个：
(1)使用凝胶涂层或层合体经由注射模制将薄表面层施用到母模中；
(2)手动或经由自动机器将非织造纤维垫层与步骤1的一或多层相邻叠置；
(3)手动或经由自动机器将带孔金属层与步骤2的一或多层相邻叠置；
(4)手动或经由自动机器将织物层与步骤3的一或多层相邻叠置；
(5)手动或经由自动机器将带孔加热层与步骤4的一或多层相邻叠置；
(6)手动或经由自动机器将织物层与步骤5的一或多层相邻叠置；
(7)手动或经由自动机器将核心材料层与步骤6的一或多层相邻叠置；
(8)手动或经由自动机器将织物层与步骤7的一或多层相邻叠置；
(9)手动或经由自动机器将释放层与步骤8的一或多层相邻叠置；
(10)手动或经由自动机器将树脂流动汇接层与步骤9的一或多层相邻叠置；
(11)安装树脂流动入口和气流出口；
(12)用真空箔密封整个套件；
(13)用环氧树脂系统通过灌注或注射方法浸渍模具面板预成型件；
(14)在室温(例如约25℃)下或在高温(例如约40℃至约200℃)下固化步骤13的面板；
(15)在固化模具面板之后，去除步骤9的释放层、步骤10的树脂流动辅助层和步骤11的树脂流动入口和气流出口；
(16)从母模上将模具面板脱模；
(17)将模具面板安装至模具支撑框架；和/或
(18)用模具加热系统后固化模具面板。
在上述一次性灌注方法中，步骤(2)、步骤(4)、步骤(7)和步骤(18)为任选步骤，并且其它剩余步骤为用于获得本发明的其它益处的有用步骤。本发明的模具还可用单独制成的一层或几层制造，并且随后使用不同连接技术(包括但不限于机械技术如铆接和螺栓连接；以及化学粘结技术)装配在一起。
参见图1，示出本发明模具结构的一个实施例，其包含例如一个或多个加热层11；一个或多个层合复合热传递层12；一个或多个金属热分布层13；一个或多个层合表面层14；一个或多个层合背衬层15；以及一个或多个核心层16。将上述层粘结在一起以形成本发明的多层模具结构。
复合模具结构示出优于用于模具产品的常规复合模具结构的几个改良特性。举例来说，本发明的复合模具结构通过使用夹层结构在加热和冷却期间有利地具有更好的模具表面温度均匀性和更快的热平衡，充分防止金属层免受化学侵蚀和磨损，改良的模具面板刚度和尺寸稳定性。
如上文所描述装配和制备的本发明的复合模具结构可以用于制造曲面或扁平的模制制品。在一个优选实施例中，本发明的装配的复合模具结构用于制造例如在替代能源、运输以及消费的工业中的轻质高质量可自加热工具。
本发明的模具结构可使用嵌入在由半-各向同性层合材料制成的模具表面层和加热层之间的较高热导率的金属层，以实现在模具表面上的高温均匀性。
如上所述制得的本发明的复合模具结构显示优于常规模具结构的几个改良特性。举例来说，本发明的模具结构有利地具有更好的温度均匀性和更快的热平衡。此外，模具结构的层可防止金属层受化学侵蚀和磨损，或最小化金属层的化学侵蚀和磨损。并且，在加热和冷却期间，尤其当使用夹层型结构时，多层模具结构显示提高的模具面板刚度和尺寸稳定性。
实例
以下实例和比较实例进一步详细说明本发明，但不解释为限制其范围。
实例1和比较实例A
第一多层模具结构通过以下普通方法制备：
(1)将2mm厚的一个或多个复合表面层经由注射模制施加到母模中；
(2)用刮刀将一个或多个导热粘合剂层与步骤(1)的一或多层相邻施加；
(3)手动将一个或多个1mm厚铝片层与步骤(2)的一或多层相邻叠置；
(4)手动将一个或多个织物层与步骤(3)的一或多层相邻叠置；
(5)手动将一个或多个非织造纤维垫层与步骤(4)的一或多层相邻叠置；
(6)手动将一个或多个带孔加热层与步骤(5)的一或多层相邻叠置；
(7)手动将一个或多个织物层与步骤(6)的一或多层相邻叠置；
(8)手动将一个或多个带孔泡沫核心材料层与步骤(7)的一或多层相邻叠置；
(9)手动将一个或多个织物层与步骤(8)的一或多层相邻叠置；
(10)手动将一个或多个释放层与步骤(9)的一或多层相邻叠置；
(11)手动将一个或多个树脂流动汇接层与步骤(10)的一或多层相邻叠置；
(12)在步骤(11)的一或多层的上方安装树脂流动入口，并且远离步骤(11)的一或多层但靠近步骤(10)的一或多层安置气流出口；
(13)用真空箔密封所得整个套件；
(14)用环氧树脂系统通过灌注或注射方法浸渍所得模具面板预成型件；
(15)在室温(例如约25℃)下或在高温(例如约40℃至约80℃)下固化步骤(14)的面板；
(16)在固化模具面板之后，去除步骤(10)的一或多个释放层、步骤(11)的一或多个树脂流动辅助层和步骤(12)的树脂流动入口和气流出口；
(17)从母模上将模具面板脱模；
(18)将模具面板安装至模具支撑框架；以及
(19)用模具加热系统后固化模具面板。
另一个第二多层模具结构以与实例1的第一模具相同的方式制得，不同的是第二模具在不将1mm厚的铝板在模具表面层和加热层之间嵌入的情况下制得(比较实例A)。
如表I中所示，在相同边界条件(例如模具暴露的室温以及不具有额外隔热层)下，实例1的所得具有铝板的模具与没有植入铝板的相同模具结构(比较实例A)相比，对于所有测试的模具设置温度为30℃至80℃，模具表面温度均匀性产生大于60％的改进。此外，对于在实例1中的模具表面达到稳态温度分布的时间与在使用比较实例A的模具结构时的两小时相比为一小时。本文中的“稳态”意指模具表面温度不随时间的推移而变化。这种从两小时至一小时的时间减少是本发明中的出乎意料的结果。
对于模具结构的温度曲线可以通过系统(大体由在图2中示出的数字20表示)获得，其中为了测量在结构21的表面上各个部位处的温度，模具结构21嵌入有一系列热电偶22(T1-T12)。多个热电偶22在结构21上均匀地隔开。在图2中示出的温度数据采集点的布局可以根据在水平方向上(宽度)具有分别用箭头23、箭头25和箭头27示出的距离的方块或矩形网格隔开；以及在垂直方向上分别用箭头24、箭头26和箭头28示出的距离的方块或矩形网格隔开。
所记录的对于不具有铝层的模具和具有铝层的模具的温度数据分别在图3和图4中给出。在此实例1中的实验性设定中，使用K型热电偶采集温度数据。
表I-实例1和对比实例A所得的稳态模具温度

Claims (15)

1.一种复合模具结构，其包含层状构件，所述层状构件包括至少一个安置于所述复合模具结构的表面层之下的金属热分布层。
2.根据权利要求1所述的复合模具结构，其包含多层构件，所述多层构件包括(a)至少一个加热层；(b)至少一个金属热分布层；(c)至少一个层合复合层；以及(d)至少一个表面层。
3.根据权利要求2所述的复合模具结构，其中所述至少一个加热层嵌入在至少两个层合复合层之间。
4.根据权利要求1、2或3所述的复合模具结构，其中所述至少一个加热层包含用固化层合复合材料包封的加热丝、加热管或加热垫。
5.根据权利要求2所述的复合模具结构，其中所述至少一个金属热分布层包含带孔金属板、片、箔或其组合；或不带孔金属板、片、箔或其组合。
6.根据权利要求5所述的复合模具结构，其中金属板、片、箔或其组合包含钢、铜、铝或金属合金。
7.根据权利要求5所述的复合模具结构，其中所述带孔金属层为网型金属层。
8.根据权利要求2所述的复合模具结构，其中所述至少一个层合复合层包含用热固性材料或热塑性材料浸渍并固化的纤维或织物材料。
9.根据权利要求2所述的复合模具结构，其中所述表面层包含用热固性材料或热塑性材料浸渍并固化的织物材料。
10.一种用于制备复合模具结构的方法，其包含将至少一个金属热分布层结合到层状构件中，所述金属热分布层安置于所述模具的表面层之下且适于在整个所述模具的所述表面上均匀地分布热量。
11.一种用于制备复合模具结构的方法，其包含将(a)至少一个加热层；(b)至少一个安置于所述模具的表面层之下且适于在整个所述模具的所述表面上均匀地分布热量的金属热分布层；(c)至少一个层合复合层；以及(d)表面层粘附在一起从而形成多层构件。
12.一种用于制备成形模制热固性制品的方法，其包含(i)使可固化树脂组合物流动到根据权利要求1所述的模具结构中；以及(ii)固化步骤(i)的所述可固化组合物。
13.根据权利要求11所述的方法，其中在所述固化步骤(ii)期间，模具表面温度分布在整个成形模制热固性制品的表面中为均匀的。
14.根据权利要求11所述的方法，其中在所述固化步骤(ii)期间，在整个成形模制热固性制品的所述表面中的所述模具表面温度分布在不大于约+/-6％平均值的温度之间变化。
15.一种通过根据权利要求11所述的方法制备的固化成形模制热固性制品。
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