CN105473331A - 连续纤维增强树脂复合材料及其成型品 - Google Patents

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Abstract

本发明提供连续纤维增强树脂复合材料，上述连续纤维增强树脂复合材料为连续纤维和树脂层交替层叠的层叠体，上述树脂层为包含热塑性树脂或热固性树脂而形成的层，上述连续纤维层包括由连续纤维并排而成的连续纤维的骨架，向上述连续纤维的骨架的内部浸渍上述树脂层的热塑性树脂或热固性树脂，来形成浸渍树脂的连续纤维，上述连续纤维的骨架中一部分为上述浸渍树脂的连续纤维，上述连续纤维的骨架的剩余一部分为未浸渍热塑性树脂或热固性树脂的树脂非浸渍连续纤维。

Description

连续纤维增强树脂复合材料及其成型品
技术领域
本发明涉及连续纤维增强树脂复合材料及其成型品。
背景技术
使连续纤维浸渍于基体树脂来制成的连续纤维增强复合材料可以根据纤维的排列来利用其纤维出色的机械物性，因而其在汽车、航空器、建筑材料、风力领域的需要正持续增加。
使连续纤维浸渍于基体树脂的方法有多种，其中，最普遍使用的方法为拉动纤维并以高温方式融化树脂，之后在模具内浸渍的拉挤成型方式。
并且，还使用对由成为基体的树脂形成的纤维和使用为加固材料的连续纤维进行混丝，并利用热和压力来使进行浸渍的围板胶方式。基于这种围板胶方式的复合材料虽然可以进行织造，但是也引起纤维断裂或向空气中飞散的问题。
发明内容
技术问题
本发明的一实例提供可被织造及卷绕的连续纤维增强树脂复合材料。
本发明的另一实例提供利用上述连续纤维增强树脂复合材料来进行织造或卷绕的成型品。
解决问题的手段
本发明的一实例提供连续纤维增强树脂复合材料，上述连续纤维增强树脂复合材料为连续纤维层和树脂层交替层叠的层叠体，上述树脂层为包含热塑性树脂或热固性树脂而形成的层，上述连续纤维层包括由连续纤维并排而成的连续纤维的骨架，向上述连续纤维的骨架的内部浸渍上述树脂层的热塑性树脂或热固性树脂，来形成浸渍树脂的连续纤维，上述连续纤维的骨架中一部分为上述浸渍树脂的连续纤维，上述连续纤维的骨架的剩余一部分为未浸渍热塑性树脂或热固性树脂的未浸渍树脂的连续纤维。
上述连续纤维增强树脂复合材料能够以至少2层的多层方式包括上述连续纤维层或上述树脂层。
上述连续纤维层的厚度可以为约20μm至约65μm。
上述连续纤维的平均直径可以为约5μm至约20μm。
若由一个上述连续纤维并排来形成一层，则上述连续纤维的骨架可以形成为2层至20层。
上述树脂层的厚度可以为约10μm至约200μm。
上述浸渍树脂的连续纤维与上述未浸渍树脂的连续纤维的总体积比(bulkvolumeratio)可以为约1:9至约7:3。
在上述连续纤维层中，随着向上述连续纤维的骨架的内部浸渍上述树脂层的树脂，上述树脂可从上述连续纤维层的表面向中心浸渍至总厚度的5％至35％的深度，来形成浸渍树脂的连续纤维。
堆积上述连续纤维来形成连续纤维骨架，当以上述连续纤维的圆形剖面为基准，从上述连续纤维层的剖面观察时，堆积上述连续纤维的填充物(packing)的形态可以为三角形填充物或正方形填充物。
上述连续纤维可以为选自由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的一种。
上述树脂可以包含选自由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene；PTFE)、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚苯醚(polyphenyleneoxide；PPO)、聚氯乙烯(polyvinylchloride；PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate；PET)、尼龙(Nylon)6.6、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate；PMMA)及它们的组合组成的组中的一种。
向上述连续纤维层浸渍的树脂来源于上述树脂层而形成，使得上述连续纤维层与上述树脂层实现一体化。
本发明的另一实例提供包含上述连续纤维增强树脂复合材料的成型品。
上述连续纤维增强树脂复合材料能够以卷绕方式形成上述成型品。
发明的效果
上述连续纤维增强树脂复合材料既具有适合适用于织造及卷绕工序的柔韧性，又具有优秀的机械物性。
附图说明
图1为本发明一实例的连续纤维增强树脂复合材料的剖视图。
图2为放大本发明另一实例的连续纤维增强树脂复合材料的一部分的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施例，使得本发明所属技术领域的普通技术人员可以容易地实施。本发明并不局限于在此所述的实施例，能够以多种不同的形态体现。
为了明确说明本发明，省略了与说明无关的部分，在说明书全文中，对相同或类似的结构要素赋予相同的附图标记。
在附图中，为了明确表示各层及区域，放大示出厚度。并且，在附图中，为了便于说明，以夸张的方式示出一部分层及区域的厚度。
以下，在基材的“上部(或下部)”或在基材的“上(或下)”形成有任意结构不仅意味着任意结构与上述基材的上部面(或下部面)相接触来形成，而且并不局限于在上述基材和形成于基材上(或下)的任意结构之间不包括其他结构。
在本发明的一实例中，提供连续纤维增强树脂复合材料，上述连续纤维增强树脂复合材料为连续纤维层和树脂层交替层叠的层叠体，上述树脂层为包含热塑性树脂或热固性树脂而形成的层，上述连续纤维层包括由连续纤维并排而成的连续纤维的骨架。向上述连续纤维的骨架的内部浸渍上述树脂层的热塑性树脂或热固性树脂，来形成浸渍树脂的连续纤维，上述连续纤维的骨架中一部分为上述浸渍树脂的连续纤维，上述连续纤维骨架的剩余一部分为未浸渍热塑性树脂或热固性树脂的未浸渍树脂的连续纤维维。
上述连续纤维增强树脂复合材料能够以至少2层的多层方式包括上述连续纤维层或上述树脂层，具体地，可包括2层至8层。
上述连续纤维增强树脂复合材料作为能够以简单的工序及低费用来调节连续纤维的浸渍性的结构，以适当的方式赋予浸渍性，从而不仅赋予优秀的柔韧性，而且具有优秀的机械物性，因此可有用地适用于多种用途。
上述连续纤维增强树脂复合材料体现优秀的柔韧性和机械强度，从而可适用于卷绕工序，并能以卷绕方式形成产品。
图1为上述连续纤维增强树脂复合材料100的剖视图。
上述连续纤维层10包括连续纤维骨架，上述连续纤维骨架由单个连续纤维1沿着纤维的长度方向并排堆积而成。可向上述连续纤维骨架浸渍热塑性树脂或热固性树脂来形成上述连续纤维层10。
向上述连续纤维骨架浸渍树脂或浸渍树脂意味着向上述连续纤维骨架内的连续纤维之间的空间及向连续纤维内的空间浸渍树脂被(图2作为简图，未表示向连续纤维内的空间浸渍树脂的情况)。
例如，在上述连续纤维增强树脂复合材料100中，若交替层叠由连续纤维骨架形成的薄片和树脂片后进行熔融挤压，则上述树脂片的热塑性树脂或热固性树脂可向上述连续纤维骨架浸渍并浸渍，来形成上述连续纤维层10，结果，可以形成由连续纤维层10和树脂层20交替层叠的连续纤维增强树脂复合材料100。
当制备上述连续纤维增强树脂复合材料100时，为了使连续纤维层的连续纤维浸渍于树脂而可以使用胶带或膜、如上所述的薄片形态的热塑性树脂，在另一例中，还可以使用经过熔池(bath)类的装有树脂的桶的方法。
上述熔融挤压可根据公知的工序来无限制地执行。具体地，作为用于向连续纤维浸渍树脂的热源，可使用双带，例如，可通过作为压延方式的热辊方式来执行熔融挤压。
并且，可根据熔融挤压时的温度及压力等工序条件来调节树脂的浸渍程度。
可调节加热部分的温度和区间，并根据连续纤维增强树脂复合材料的部分，来使浸渍性变得不同。
像这样，向上述连续纤维层10浸渍的树脂来源于用于形成上述树脂层的树脂片，使上述连续纤维层10与上述树脂层20实现一体化，来形成上述连续纤维增强树脂复合材料100。
若一个连续纤维1并排来形成一层，则上述连续纤维层10的连续纤维骨架可以形成为2层至20层。
当以连续纤维1圆形剖面为基准，从连续纤维层10的剖面观察时，为了形成连续纤维骨架而堆积连续纤维1的形态，即，填充物形态可以为三角形填充物、正方形填充物等多种，且并不局限于此，可以选择适合达到所需物性的填充物形态。
作为用于形成连续纤维骨架的具体方法为，例如，向宽幅展开连续纤维束，来以所需的厚度形成连续纤维骨架，但并不局限于此，可根据公知的方法来制成多种形态。
例如，上述连续纤维层10的厚度可以为约20μm至约65μm。具有上述范围的厚度的连续纤维层10适合使上述连续纤维增强树脂复合材料100拥有适当的柔韧性，并适合以具有机械强度的方式体现浸渍性。
上述连续纤维层10的厚度因堆积几层连续纤维而受到影响，但也可因连续纤维1的大小而受到影响。
例如，上述连续纤维1的平均直径可以为约5μm至约20μm。由具有上述范围的大小的连续纤维1形成的连续纤维层10适合使上述连续纤维增强树脂复合材料100拥有适当的柔韧性，并适合以具有机械强度的方式体现浸渍性。
上述连续纤维1可包括选自由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的一种。
上述树脂可无限制地使用在连续纤维增强树脂复合材料中使用的公知的树脂，并可根据所需的用途来选择热塑性树脂或热固性树脂，具体地，可包含选自由聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯醚、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6.6、聚甲基丙烯酸甲酯及它们的组合组成的组中的一种，且并不局限于此。
上述树脂层的厚度可以为约10μm至约200μm。具有上述范围的厚度的树脂层20适合使上述连续纤维增强树脂复合材料100拥有适当的柔韧性，并适合以具有机械强度的方式体现浸渍性。
上述树脂层20的树脂可向上述连续纤维的骨架的内部浸渍，并从上述连续纤维层10的表面向中心浸渍规定深度，而可以调节这种浸渍程度来调节浸渍性。
图2为以放大方式示出图1所示的正方形A的图，上述树脂浸渍至用Y显示的厚度，来形成为浸渍树脂的连续纤维，上述树脂未浸渍至用X显示的中心部而以未浸渍树脂的连续纤维形式存在(在图1及图2中不区分浸渍连续纤维和未浸渍的连续纤维，均显示为1)。
例如，上述树脂从上述连续纤维层10的表面向中心浸渍至总厚度的约5％至约35％的深度。
以上述数据范围浸渍的连续纤维增强树脂复合材料100既可以具有适当的机械强度，又可以适用于卷绕工序。
可根据连续纤维的种类及位置来浸渍于相同体积内的树脂的量可发生变化。
其他例为，在上述连续纤维层10中，上述浸渍树脂的连续纤维与上述未浸渍树脂的连续纤维的总体积比(bulkvolumeratio)可以为约1:9至约7:3，具体地，可以为约4:6至约7:3。以上述数据范围浸渍的连续纤维增强树脂复合材料100既可以具有适当的机械强度，又可以适用于卷绕工序。上述总体积比(bulkvolumeratio)是指包括连续纤维间空间在内来计算出的体积比。
如上所述，上述连续纤维增强树脂复合材料100既可以维持连续纤维1的连续性，又可以根据卷绕工序来进行卷绕。
例如，上述连续纤维增强树脂复合材料100既可以维持连续纤维1的连续性，又可以卷绕于特定的中心材料。
上述连续纤维增强树脂复合材料100可以被制成薄片形状来使用，并可呈具有宽度、厚度及长度来沿着长度方向延伸的形状。在后者的情况下，由于具有沿着长度方向延伸的形状，因此可重新以纬丝或经丝来织造这种形状的连续纤维增强树脂复合材料100。为了进行织造，纬丝与经丝应具有柔韧性。尤其，当供给纬丝时，在剑杆抓住纬丝来移动的过程中，若是没有柔韧性的材料，则以具有大半径的方式移动，因而与经丝发生碰撞。上述连续纤维增强树脂复合材料100具有作为这种纬丝和经丝所需的适当的柔韧性，因此可进行织造。
并且，上述连续纤维增强树脂复合材料100可进行织造。为了进行织造，纬丝与经丝应具有柔韧性。尤其，当供给纬丝时，在剑杆抓住纬丝进行移动的过程中，若是没有柔韧性的材料，则以具有大半径的方式移动，因而与经丝发生碰撞。上述连续纤维增强树脂复合材料100具有作为这种纬丝和经丝所需的适当的柔韧性，因此可进行织造。
在本发明的另一实例中，提供包含上述连续纤维增强树脂复合材料的成型品。
如上所述，上述连续纤维增强树脂复合材料可进行卷绕工序，因而适合适用于需要卷绕工序的产品。
因此，上述成型品可包含被卷绕的连续纤维增强树脂的复合材料。
例如，上述产品可以为利用长丝卷绕工序来制成的产品，上述长丝卷绕工序为利用卷绕的工序。
其他例为，如上所述，在上述产品中，上述连续纤维增强树脂复合材料可以为由纬丝或经丝织造而成的产品。
以下，记载本发明的实施例及比较例。下述的实施例仅为本发明的一实施例，本发明并不局限于下述的实施例。
实施例
实施例1
对直径为17μm的连续玻璃纤维4000条的玻璃纤维束实施宽幅化，来形成4张厚度为50μm的连续纤维的骨架后，与厚度为50μm的聚丙烯树脂层交替层叠，并在220℃的温度中以10MPa的压力按压1分钟，来制成连续纤维增强树脂复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)来观察所制成的连续纤维增强树脂复合材料，结果，在一个连续纤维层的厚度50μm中，以中间为中心来形成厚度为40μm的树脂未浸渍连续纤维区域，并向这种树脂未浸渍连续纤维的上下部分别以5μm来形成共计10μm(与图2中的Y+Y相对应)的浸渍连续纤维区域。
实施例2
对直径为7μm的连续碳纤维24000条的碳纤维束实施宽幅化，来形成4张厚度为50μm的连续纤维的骨架后，与厚度为50μm聚酰胺树脂层交替层叠，并在270℃的温度中以10MPa的压力按压3分钟，来制成连续纤维增强树脂复合材料。利用扫描电子显微镜来观察所制成的连续纤维增强树脂复合材料，结果，在一个连续纤维层的厚度50μm中，以中间为中心来形成厚度为15μm的树脂未浸渍连续纤维区域，并向这种树脂未浸渍连续纤维的上下部分别以17.5μm来形成共计35μm(与图2中的Y+Y相对应)的浸渍连续纤维区域。
实施例3
对直径为7μm的连续碳纤维24000条的碳纤维束实施宽幅化，来形成4张厚度为50μm的连续纤维的骨架后，与厚度为50μm聚酰胺树脂层交替层叠，并在270℃的温度中以10MPa的压力按压2分钟，来制成连续纤维增强树脂复合材料。利用扫描电子显微镜来观察所制成的连续纤维增强树脂复合材料，结果，在一个连续纤维层的厚度50μm中，以中间为中心来形成厚度为30μm的树脂未浸渍连续纤维区域，并向这种树脂未浸渍连续纤维的上下部分别以10μm来形成共计20μm(与图2中的Y+Y相对应)的浸渍连续纤维区域。
实施例4
对直径为17μm的连续玻璃纤维4000条的玻璃纤维束实施宽幅化，来形成4张厚度为50μm的连续纤维的骨架后，与厚度为50μm的聚丙烯树脂层交替层叠，并在220℃的温度中以10MPa的压力按压10分钟，来制成连续纤维增强树脂复合材料。利用扫描电子显微镜来观察所制成的连续纤维增强树脂复合材料，结果，在一个连续纤维层的厚度50μm中，以中间为中心来形成厚度为2μm的树脂未浸渍连续纤维区域，并向这种树脂未浸渍连续纤维的上下部分别以24μm来形成共计48μm(与图2中的Y+Y相对应)的浸渍连续纤维区域。
比较例1
对直径为17μm的连续玻璃纤维4000条的玻璃纤维束实施宽幅化，来形成4张厚度为50μm的连续纤维的骨架后，与厚度为50μm的聚丙烯树脂层交替层叠，并在220℃的温度中以10MPa的压力按压15分钟，来制成连续纤维增强树脂复合材料。利用扫描电子显微镜来观察所制成的连续纤维增强树脂复合材料，结果，在整个一个连续纤维层形成浸渍树脂的连续纤维。
评价
实验例1
当以5mm(宽度)*100mm(长度)的大小切割实施例1～实施例4及比较例1的连续纤维增强树脂复合材料，后并以1kgf的力来弯曲180度时，以上下表面的高度差来评价柔韧性。
实施例1～实施例3的连续纤维增强树脂复合材料的高度差呈现为5mm以内，可进行织造，当与实施例1～实施例3相比，当弯曲180度时，实施例4的连续纤维增强树脂复合材料发生15mm的高度差，并发生裂痕。因此，在柔韧性方面可确认实施例1～实施例3比实施例4具有更有利的浸渍率。
比较例1的连续纤维增强树脂复合材料发生最严重的裂痕，产生18mm的高度差，因而并不适合进行织造。
从上述评价结果中可以确认，浸渍率越高，适合织造的柔韧性降低。
实验例2
使实施例1～实施例4及比较例1的连续纤维增强树脂复合材料分别层叠8张，并使实施例1、实施例4、比较例1在220℃的温度中以10MPa的条件，使实施例2、实施例3在270℃的温度中以10MPa的条件进行10分钟的压缩成形，来进行了弯曲强度实验。
以ASTMD790为基准，对由上述实施例1～实施例4及比较例1的连续纤维增强树脂复合材料制成的成型品测定弯曲强度物性，并将其结果记载于以下表1。
表1
区分 弯曲强度(MPa)
实施例1 450MPa
实施例2 1000MPa
实施例3 950MPa
实施例4 450MPa
比较例1 450MPa
从上述表1的结果中可以确认，在实施例2～实施例3中制成的成型品的弯曲强度非常优秀，在实施例1及实施例4中制成的成型品与在比较例1中制成的成型品具有同等的强度。
从实验例1及实验例2的结果可知，尤其处于实施例2～实施例3的浸渍率时，既确保可进行织造的柔韧性，又体现出非常优秀的强度。
以上，对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明的发明要求保护范围并不局限于此，利用发明要求保护范围所定义的利用本发明的基本概念的本发明所属技术领域的普通技术人员所进行的各种变形及改良形态同样属于本发明的保护范围。
附图标记的说明
1：连续纤维
10：连续纤维层
20：树脂层
100：连续纤维增强树脂复合材料

Claims (15)

1.一种连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述连续纤维增强树脂复合材料为连续纤维层和树脂层交替层叠的层叠体，
所述树脂层为包含热塑性树脂或热固性树脂而形成的层，
所述连续纤维层包括由连续纤维并排而成的连续纤维的骨架，
向所述连续纤维的骨架的内部浸渍所述树脂层的热塑性树脂或热固性树脂，来形成浸渍树脂的连续纤维，所述连续纤维的骨架中一部分为所述浸渍树脂的连续纤维，所述连续纤维骨架的剩余一部分为未浸渍热塑性树脂或热固性树脂的未浸渍树脂的连续纤维。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述连续纤维增强树脂复合材料以至少2层的多层方式包括所述连续纤维层或所述树脂层。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述连续纤维层的厚度为20μm至65μm。
4.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述连续纤维的平均直径为5μm至20μm。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
若由一个所述连续纤维并排来形成一层，则所述连续纤维的骨架形成为2层至20层。
6.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述树脂层的厚度为10μm至200μm。
7.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述浸渍树脂的连续纤维与所述未浸渍树脂的连续纤维的总体积比(bulkvolumeratio)为1:9至7:3。
8.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
在所述连续纤维层中，随着向所述连续纤维的骨架的内部浸渍所述树脂层的树脂，所述树脂从所述连续纤维层的表面向中心浸渍至总厚度的5％至35％的深度，来形成浸渍树脂的连续纤维。
9.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
堆积所述连续纤维来形成连续纤维骨架，当以所述连续纤维的圆形剖面为基准，从所述连续纤维层的剖面观察时，堆积所述连续纤维的填充物的形态为三角形填充物或正方形填充物。
10.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述连续纤维为选自由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的一种。
11.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
所述树脂包含选自由聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯醚、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙6.6、聚甲基丙烯酸甲酯及它们的组合组成的组中的一种。
12.根据权利要求1所述的连续纤维增强树脂复合材料，其特征在于，
向所述连续纤维层浸渍的树脂来源于所述树脂层，使得所述连续纤维层与所述树脂层实现一体化。
13.一种成型品，其特征在于，
包含权利要求1至12中任一项所述的连续纤维增强树脂复合材料。
14.根据权利要求12所述的成型品，其特征在于，
所述连续纤维增强树脂复合材料是卷绕而成的。
15.根据权利要求13所述的成型品，其特征在于，
所述连续纤维增强树脂复合材料由纬丝或经丝织造而成。
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