CN105563817B - 生产纤维增强树脂模塑构件的方法和连接构件的方法 - Google Patents

生产纤维增强树脂模塑构件的方法和连接构件的方法 Download PDF

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Abstract

生产纤维增强树脂模塑构件的方法包括：制备包含形成空腔(3)的上模(1)和下模(2)的模具(10)，上模或下模的空腔表面具有凸出部分(4)；将纤维增强材料(20)置于空腔中；关闭模具以产生其中凸出部分挤压一部分纤维增强材料的状态，和将空腔用熔融树脂(30)填充以将纤维增强材料用熔融树脂浸渍并将熔融树脂固化；和打开模具以得到具有暴露部分和嵌入部分的纤维增强树脂模塑构件。暴露部分包括至少在关闭模具时被凸出部分挤压的部分。

Description

生产纤维增强树脂模塑构件的方法和连接构件的方法
技术领域
本发明涉及生产待与不同的树脂模塑构件连接的纤维增强树脂模塑构件的方法，和使用通过所述生产方法生产的纤维增强树脂模塑构件连接构件的方法。
背景技术
由树脂和包含在树脂中的增强纤维材料(纤维增强材料)形成的纤维增强树脂构件(纤维增强塑料(FRP))由于其轻重量和高强度而用于各种工业领域，例如汽车工业、建筑工业和航空工业中。例如，在汽车工业中，为了获得车辆重量的降低，同时确保车辆强度以生产具有增强的燃料效率的环境友好车辆，将上述纤维增强树脂构件应用于需要设计性能的非结构构件。非结构构件包括车辆的框架结构构件，例如前纵梁、中横梁、车柱、车锁和车身地板以及门外板和引擎罩。
作为将纤维增强树脂构件相互连接的方法，通常使用通过粘合剂的连接方法或者使用连接组件的连接方法，例如螺栓连接、螺纹连接和自冲铆接，或者这些方法的组合。
存在多种将纤维增强树脂构件相互连接的方法，但上述常规方法具有各种问题。
具体而言，存在以下问题：使用粘合剂的方法要求一些时间将构件粘合；且通过螺栓连接、螺纹连接或自冲铆接的方法要求连接组件，因此生产时间提高，或者与连接组件有关的生产成本提高。
特别是在使用连接组件如螺栓将具有三维复杂形状的纤维增强树脂构件相互连接的情况下，不容易处理待连接纤维增强树脂构件之间的排列；因此，可能增加使用连接组件将构件相互连接的组装程序。在通过粘合剂或焊接连接中，难以将粘合剂或者将热尽可能均匀地施加于三维复杂的待连接整个部分(覆盖部分)上。
日本专利申请公开No.2002-11795公开了将配置的纤维增强塑料构件连接的方法，使得碳纤维材料在FRP构件的接合目标部分处从各FRP构件中凸出，FRP构件在接合目标部分处彼此相对地布置，纤维材料的凸出端置于彼此之上，并且将树脂材料供入碳纤维材料置于接合目标部分处的区域中，然后固化。日本专利申请公开No.2011-79289布置了将配置的纤维增强塑料构件连接的方法，使得待与纤维增强塑料基质的合成树脂粘合的一部分表面中的至少一部分基体通过物理或化学方法除去以使增强纤维暴露于该表面，和在除去基体的空间中形成塑化第二聚合物材料以用塑化第二聚合物材料渗透暴露增强纤维中的空隙和粗糙部分，然后将该塑化聚合物材料固化，由此通过机械粘合得到牢固的粘合。
这些文件提供了关于通过化学方法或物理方法除去形成的聚合物材料作为使碳纤维材料从各FRP构件中凸出的方法的描述。例如，如果基体树脂为热塑性树脂，则可考虑使用通过使用合适的溶剂将基体树脂溶解而使碳纤维材料凸出的方法，或者通过加热将FRP构件熔融以部分除去FRP构件以便使碳纤维材料凸出的方法。同时，如果基体树脂为热固性树脂，则可考虑使用激光束将FRP构件热分解以使碳纤维材料凸出的方法。
即使应用任何以上方法，不容易使纤维增强材料从构件表面暴露。例如，在使用溶剂的方法中，难以仅处理构件的所需区域，因为使用液体，并且还需要考虑溶剂处理以及操作环境的问题。在通过加热使纤维增强材料暴露的方法中，存在部分加热困难的问题，并且难以优选仅分离熔融树脂，因为熔融树脂具有高粘度。在使用激光束将树脂热分解的方法中，存在设备成本提高的问题，并且生产场所的位置受限。
发明内容
本发明提供生产纤维增强树脂模塑构件的方法和连接通过使用纤维增强树脂模塑构件生产的构件的方法。
本发明第一方面为生产纤维增强树脂模塑构件的方法。该方法包括：制备包含上模和下模的模具，通过所述上模和下模形成空腔，其中上模的空腔表面或下模的空腔表面具有凸出部分，且空腔表面面对空腔；将纤维增强材料置于空腔中，关闭上模和下模以产生其中凸出部分挤压一部分纤维增强材料的状态，和将空腔用熔融树脂填充以将纤维增强材料用熔融树脂浸渍并将渗透纤维增强材料的熔融树脂固化；和打开上模和下模以得到纤维增强树脂模塑构件。纤维增强树脂模塑构件具有其中纤维增强材料暴露于固化熔融树脂外部的暴露部分和其中纤维增强材料嵌入固化熔融树脂中的部分。暴露部分至少包括在关闭上模和下模时被凸出部分挤压的部分。
根据本发明第一方面的生产纤维增强树脂模塑构件的方法，可通过便宜的方法以高准确度生产其中内部纤维增强材料暴露于外部的暴露部分在纤维增强树脂模塑构件的所需部分处形成的纤维增强树脂模塑构件。
“上模或下模的空腔表面具有凸出部分”意指上模和下模中的任一个或者两个具有至少一个凸出部分。它可取决于待模塑的纤维增强树脂模塑构件以及不同树脂模塑构件相互连接的连接部分的位置或连接部分的数目配置以设定凸出部分的位置、平面形状和平面尺寸，和/或凸出部分的数目。
凸出部分可以以一定方式与上模或下模的空腔表面成为整体以凸出到空腔空间中。
在本发明方面中，凸出部分可包括置于上模的空腔表面或下模的空腔表面上的核。
在以上构型中，可使用与上模或下模无关的核，并且该核可以以非粘合状态简单地置于空腔表面的所需位置上。作为选择，核可粘合地置于空腔表面上。
在本发明第一方面中，纤维增强材料可包括连续纤维增强材料、长纤维增强材料或短纤维增强材料。连续纤维增强材料为纤维长度大于50mm的纤维材料，如日本工业标准(JIS)所规定的，其集中成预定形状(例如近似于待模塑纤维增强树脂模制体的形状的三维形状)。长纤维增强材料为具有比连续纤维增强材料更短的纤维长度，具体而言，小于50mm至大于10mm范围内的纤维长度的纤维增强材料，其集中成预定形状。短纤维增强材料为具有10mm或更小的纤维长度的纤维增强材料。这些纤维增强材料的实例可包括碳纤维、金属纤维和陶瓷纤维中的一种或者它们中的两种或更多种的混合物。
在本发明第一方面中，将纤维增强材料置于模具的空腔中，然后将模具关闭。当模具进入该模具关闭情形时，产生其中纤维增强材料在预定位置被凸出部分挤压的状态。例如，如果上模的空腔表面具有2个凸出部分，则纤维增强材料在两个位置上被两个凸出部分挤压。如果凸出部分提供于上模和下模上，则纤维增强材料的上和下表面被相应的凸出部分挤压。尽管纤维增强材料以以上方式在预定位置上被凸出部分挤压，将空腔用熔融树脂填充使得熔融树脂渗透纤维增强材料以涂布在整个空腔上。
在本发明第一方面中，“将空腔用熔融树脂填充”可通过将熔融树脂注射模塑或挤压模塑进行。待用于本发明第一方面中的树脂可以为热塑性树脂和热固性树脂中的任一种；热塑性树脂可以为结晶塑料，例如聚酰胺(PA)和聚丙烯(PP)，或者非晶塑料，例如聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)；且热固性树脂可以为环氧树脂等。
在空腔中提供的熔融树脂渗透纤维增强材料，但很难渗透被凸出部分直接挤压的部分及其外围部分(不直接挤压，但由于来自直接挤压部分的影响而变形的部分)，因为这些部分压缩变形。
熔融树脂因此渗透不同于被凸出部分挤压的部分及其外围部分的纤维增强材料的其它部分，且熔融树脂以围绕纤维增强材料的方式涂布在整个空腔上，最后固化。
在本发明第一方面中，将模具打开，并将产生的纤维增强树脂模塑构件从模具上脱离。在由模具脱离的纤维增强树脂模塑构件中，形成熔融树脂不渗透的部分，因为该部分被凸出部分挤压并压缩变形。该熔融树脂不渗透的部分变成暴露部分，其中固化树脂中的纤维增强材料暴露于外部。在该暴露部分处，纤维增强树脂模塑构件与预定树脂模塑构件连接，由此以包含位于暴露部分的纤维增强材料的方式形成连接部分。因此，可以以高连接强度将两个构件连接。
本发明第二方面为连接构件的方法。该方法包括：将第一纤维增强树脂模塑构件的第一暴露部分与第二纤维增强树脂模塑构件的第二暴露部分相对放置，其中第一纤维增强树脂模塑构件和第二纤维增强树脂模塑构件通过根据本发明第一方面的方法生产；和通过将至少置于第一暴露部分与第二暴露部分之间的熔融树脂固化以至少将第一暴露部分和第二暴露部分相互连接而将第一纤维增强树脂模塑构件和第二纤维增强树脂模塑构件相互连接。
在本发明的第二方面中，当树脂块(实体)保持在第一暴露部分与第二暴露部分之间时，可将树脂块加热并熔融，使得树脂快的熔融树脂流入第一暴露部分与第二暴露部分之间。
在本发明的第二方面中，当第一暴露部分和第二暴露部分彼此相对地布置时，先前熔融的树脂可流入第一纤维增强树脂模塑构件与第二纤维增强树脂模塑构件，包括第一暴露部分和第二暴露部分之间的界面。
在本发明的第二方面中，可制备第三纤维增强树脂模塑构件。此外，第一纤维增强树脂模塑构件的上表面和下表面可具有各自的第一暴露部分。然后可将第二纤维增强树脂模塑构件的第二暴露部分和第三纤维增强树脂模塑构件的第三暴露部分分别置于上表面的第一暴露部分和下表面的第一暴露部分上，第一暴露部分和第二暴露部分可相互连接，且第一暴露部分和第三暴露部分也可通过将熔融树脂固化而相互连接，由此将第一纤维增强树脂模塑构件、第二纤维增强树脂模塑构件和第三纤维增强树脂模塑构件相互连接。
本发明第三方面为连接构件的方法。该方法包括：将纤维增强树脂模塑构件的暴露部分与预定树脂模塑构件相对放置，其中纤维增强树脂模塑构件通过根据本发明第一方面的方法生产；将与暴露部分相对的预定树脂模塑构件的相对部分的树脂加热并熔融；将暴露部分用相对部分的熔融树脂浸渍；和将相对部分的熔融树脂固化以将纤维增强树脂模塑构件和预定树脂模塑构件相互连接，所述熔融树脂渗透暴露部分。
在本发明第三方面的连接方法中，相互连接的两个构件中的一个可以为通过本发明第一方面的生产方法生产的具有暴露部分的纤维增强树脂模塑构件，且另一个构件可以为不具有暴露部分的树脂模塑构件。
“预定树脂模塑构件”可包括包含纤维增强材料(但不包含暴露部分)的纤维增强树脂模塑构件、不包含暴露部分或纤维增强材料的树脂模塑构件等。
根据本发明第三方面，将与暴露部分相对的预定树脂模塑构件的相对部分(或其外围)加热，相对部分的熔融树脂渗透暴露部分，且熔融树脂变得固化，由此将纤维增强树脂模塑构件和预定树脂模塑构件连接。
根据本发明第二方面和第三方面，未必使用连接组件如粘合剂和螺栓。因此，至少两个树脂模塑构件可有效地相互连接而不提高生产成本。这由通过本发明第一方面的生产方法生产具有为连接目标的暴露部分的纤维增强树脂模塑构件实现。
如上所述，根据本发明第一方面的生产纤维增强树脂模塑构件的方法，在生产待连接纤维增强树脂模塑构件的方法中，可通过简单的方法以高准确度形成其中纤维增强材料暴露于外部的暴露部分。根据本发明第二和第三方面的连接构件的方法，可以以便宜的生产成本有效地将至少两个树脂模塑构件连接(两个纤维增强树脂模塑构件之间的连接，纤维增强树脂模塑构件与预定树脂模塑构件之间的连接等)。在连接纤维增强树脂模塑构件和不同的树脂模塑构件时，这些构件在纤维增强树脂模塑构件中包含的暴露部分处连接，或者纤维增强树脂模塑构件与预定树脂模塑构件在纤维增强树脂模塑构件中包含的暴露部分处连接，由此形成连接部分以包含暴露部分的纤维增强材料。因此，可以以高连接强度将两个树脂模塑构件连接。
附图说明
下面参考附图描述本发明示例实施方案的特征、优点以及技术和工业重要性，其中类似的数字表示类似的元件，且其中：
图1为显示本发明第一实施方案的生产纤维增强树脂模塑构件的方法的第一步骤和第二步骤的一部分的图；
图2为沿着图1的线II-II取得的视图；
图3为显示从图1开始继续的第二步骤的一部分的图；
图4为显示第三步骤的一部分和生产的纤维增强树脂模塑构件的图；
图5A和图5B为显示本发明第二实施方案的连接构件的方法的图；且本发明第二实施方案的连接构件的方法以图5A和图5B的顺序进行；和
图6A和图6B为显示本发明第三实施方案的连接构件的方法的图；且本发明第三实施方案的连接构件的方法以图6A和图6B的顺序进行。
具体实施方式
下文参考附图描述本发明第一实施方案的生产纤维增强树脂模塑构件的方法和连接构件的方法。图中例示的纤维增强树脂模塑构件或树脂模塑构件，即不同的构件具有平面形状，因此其连接部分也具有平面形状，但这些构件和连接部分可具有三维形状，例如曲面形状和波纹形状。在所述实例中，形成凸出部分，其具有置于上模的空腔表面上的核，但凸出部分可与上模或下模的空腔表面成为整体。凸出部分的数目以及凸出部分的位置和平面形状不限于所述实例。
图1为显示本发明第一实施方案的生产纤维增强树脂模塑构件的方法的第一步骤和第二步骤的图。图3为显示从图1开始继续的第二步骤的图。图4为显示第三步骤以及生产的纤维增强树脂模塑构件的图。
如图1所示，制备包含上模1和下模2的模具10，通过所述上模和下模形成空腔3(第一步骤)。
将模具10打开，将纤维增强材料20置于空腔3中，将由核形成的块形状的凸出部分4置于纤维增强材料20的所需部分上，然后将模具10关闭。
凸出部分4可结合在上模1的空腔表面的预定位置上。所述实例显示其中使用单一凸出部分4的情况，但可使用在多个预定位置上的多个凸出部分4。所述凸出部分4具有矩形平面形状，但可选择任何形状，例如正方形和圆形，且凸出部分4的平面面积可取决于凸出部分4的数目和两个构件之间的连接部分所需的连接强度设置。
待置于空腔3中的纤维增强材料20可以为连续纤维增强材料、长纤维增强材料和短纤维增强材料中的任一种，并且可优选使用具有50mm或更大的纤维长度的连续纤维增强材料或者具有小于50mm，例如大于10mm至约30mm或更小的纤维长度的长纤维增强材料以生产高强度构件。
如图2所示，纤维增强材料20通过将连续增强纤维和其它纤维集中成近似于空腔3的形状和尺寸的形状和尺寸而形成，纤维增强材料20的原料的实例可包括以下任一种或者两种或更多种的混合物：由硼、氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆等构成的陶瓷纤维；无机纤维如玻璃纤维和碳纤维；由铜、钢、铝、不锈钢等构成的金属纤维；和由聚酰胺、聚酯等构成的有机纤维。
将纤维增强材料20置于模具10的空腔3中，并将上模1和下模2关闭，由此产生其中凸出部分4挤压纤维增强材料20的预定部分的状态，如图1和图2所示。
如图2所示，当纤维增强材料20的预定部分被凸出部分4以挤压力P向下挤压时，不仅直接被凸出部分4挤压的部分，而且其外围区域向下变形。
当纤维增强材料20的预定部分保持被空腔3中的凸出部分4挤压时，将空腔3用熔融树脂30填充，如图3所示。
作为熔融树脂30的原料，可使用热塑性树脂和热固性树脂中的任一种；并且作为热塑性树脂，可使用以下任一种或者包含其两种或更多种的混合物的材料：结晶塑料，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA：尼龙6、尼龙66等)、聚乙缩醛(POM)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；和非晶塑料，例如聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、ABS树脂和热塑性环氧树脂。热固性树脂的实例可包括环氧树脂、苯酚树脂和不饱和聚酯基树脂等。
供入空腔3中的熔融树脂30渗透纤维增强材料20以涂布在整个空腔3上，但几乎不渗透直接被凸出部分4挤压的纤维增强材料20的部分及其外围部分(不直接挤压，但由于来自直接挤压部分的影响而变形的部分)。
将供入空腔3中的熔融树脂30固化(以上为第二步骤)，随后如图4所示打开模具10将模具脱离以产生纤维增强树脂模塑构件40(第三步骤)。如图4所示，在产生的纤维增强树脂模塑构件40中，纤维增强材料20基本嵌入固化树脂中，但被凸出部分4挤压的部分压缩变形；因此形成熔融树脂不渗透的暴露部分40a，并且内部纤维增强材料20在暴露部分40a中暴露于外部。
如上所述，在所述生产纤维增强树脂模塑构件的方法中，应用一种方法，所述方法包括：将纤维增强材料20用熔融树脂30浸渍，同时将纤维增强材料20的所需部分与由核等形成的凸出部分4挤压以产生纤维增强树脂模塑构件40。因此，可以通过简单的方法以高准确度生产纤维增强树脂模塑构件40，同时形成其中内部纤维增强材料20在纤维增强树脂模塑构件40的所需部分处暴露于外部的暴露部分40a。
接着，参考图5A和图5B描述根据本发明第二实施方案的连接构件的方法。第二实施方案为使用如图4所示纤维增强树脂模塑构件40将两个构件连接的方法。图5A和图5B中所示步骤以该顺序进行。
如图5A所示，将纤维增强树脂模塑构件40的各暴露部分40a彼此相对地布置，并且将树脂块50置于两个暴露部分40a之间。作为树脂块50的形成材料，优选使用与纤维增强树脂模塑构件40的基体树脂的优选组的材料相同的材料。
将树脂块50及其外围如此加热以熔融，熔融树脂渗透暴露部分40a，并且还流过彼此相对的纤维增强树脂模塑构件40之间的界面。流过纤维增强树脂模塑构件40之间的界面的熔融树脂固化，因此将两个纤维增强树脂模塑构件40在通过熔融树脂固化而形成的界面连接层60上连接，由此产生连接结构体100，如图5B所示。
根据所述连接构件的方法，由于没有使用连接组件如粘合剂和螺栓，两个纤维增强树脂模塑构件40可以以便宜的生产成本有效地连接。当连接两个纤维增强树脂模塑构件40时，纤维增强树脂模塑构件40在纤维增强树脂模塑构件40中包含的各暴露部分40a处连接，由此形成连接部分以包含位于暴露部分40a上的纤维增强材料20；因此，可以以高连接强度将两个纤维增强树脂模塑构件40连接。
图6A和图6B为显示以图6A和图6B的顺序进行的本发明连接构件的方法的第三实施方案的图。
第三实施方案的连接方法为制备纤维增强树脂模塑构件40和不包含暴露部分的不同树脂模塑构件70并将构件40和构件70相互连接的方法。如图6A所示，不同树脂模塑构件70的一部分如此布置以与纤维增强树脂模塑构件40的暴露部分40a相对，随后将相对部分70a及其外围加热。
通过加热相对部分70a及其外围，位于该位置上的树脂熔融，并且熔融树脂渗透暴露部分40a，然后流过彼此相对的纤维增强树脂模塑构件40与不同树脂模塑构件70之间的界面。流过纤维增强树脂模塑构件40与不同树脂模塑构件70之间的界面的熔融树脂固化，因此将纤维增强树脂模塑构件40和不同树脂模塑构件70在通过熔融树脂固化而形成的界面连接层80上连接，由此产生连接结构体100A。
通过所述连接构件的方法，由于没有使用连接组件如粘合剂和螺栓，可以以便宜的生产成本有效地将纤维增强树脂模塑构件40和不同树脂模塑构件70相互连接。在将纤维增强树脂模塑构件40和不同树脂模塑构件70相互连接时，由于纤维增强树脂模塑构件40具有纤维增强材料20暴露的暴露部分40a，形成连接部分以包含暴露部分40a处的纤维增强材料20；因此，可以以高连接强度将纤维增强树脂模塑构件40和不同树脂模塑构件70相互连接。
下面描述本发明实施例。使用包含空腔的模具以形成具有2mm板厚度的平板，并且核在模具的空腔表面的预定位置处连接。将400g/m2的平织碳纤维织物置于该模具中，然后将模具关闭。将模具的温度设置为160℃。作为供入空腔中的热塑性树脂，使用通过将催化剂和活化剂加入为聚酰胺原料的ε-己内酰胺中而形成的混合物。将热塑性树脂在100℃下熔融，并将模具用熔融热塑性树脂填充。在保持10分钟以使热塑性树脂聚合以后，将模具打开以使模塑构件从中脱离。观察产生的模塑构件，发现其中内部碳纤维暴露的暴露部分在平织碳纤维织物被核挤压的部分上形成。准备两个以以上方式生产的模塑构件，并将其各自的暴露部分通过将由相同材料构成的热塑性树脂熔融并固化而相互接合，由此将两个模塑构件彼此牢固地连接。
如上所述，参考附图详细地描述了本发明的实施方案，但本发明的具体构型不限于以上实施方案。本发明实施方案可不偏离本发明范围而适当地变化。

Claims (4)

1.生产纤维增强树脂模塑构件的方法，所述方法特征在于包括：
制备包含上模和下模的模具，通过所述上模和下模形成空腔，其中上模的空腔表面或下模的空腔表面具有凸出部分，且空腔表面面对空腔；
将纤维增强材料置于空腔中，关闭上模和下模以产生其中凸出部分挤压一部分纤维增强材料的状态，和将空腔用熔融树脂填充以将纤维增强材料用熔融树脂浸渍并将渗透纤维增强材料的熔融树脂固化；和
打开上模和下模以得到纤维增强树脂模塑构件，所述纤维增强树脂模塑构件具有其中纤维增强材料暴露于固化熔融树脂外部的暴露部分和其中纤维增强材料嵌入固化熔融树脂中的部分，且暴露部分至少包括在关闭上模和下模时被凸出部分挤压的部分；
其中熔融树脂渗透不同于被凸出部分挤压的部分及其外围部分的纤维增强材料的其它部分，且熔融树脂以围绕纤维增强材料的方式涂布在整个空腔上，最后固化。
2.根据权利要求1的生产纤维增强树脂模塑构件的方法，其中凸出部分包括置于上模的空腔表面或下模的空腔表面上的核。
3.连接构件的方法，所述方法特征在于包括：
将第一纤维增强树脂模塑构件的第一暴露部分与第二纤维增强树脂模塑构件的第二暴露部分相对放置，其中所述第一纤维增强树脂模塑构件和第二纤维增强树脂模塑构件通过根据权利要求1或2的方法生产；和
通过将至少置于第一暴露部分与第二暴露部分之间的熔融树脂固化以至少将第一暴露部分和第二暴露部分相互连接而将第一纤维增强树脂模塑构件和第二纤维增强树脂模塑构件相互连接。
4.连接构件的方法，所述方法特征在于包括：
将纤维增强树脂模塑构件的暴露部分与预定树脂模塑构件相对放置，其中所述纤维增强树脂模塑构件通过根据权利要求1或2的方法生产；和
将与暴露部分相对的预定树脂模塑构件的相对部分的树脂加热并熔融；
将暴露部分用相对部分的熔融树脂浸渍；和
将相对部分的熔融树脂固化以将纤维增强树脂模塑构件和预定树脂模塑构件相互连接，其中所述熔融树脂渗透暴露部分。
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