CN105637017A - 制造由聚合物材料制成的组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过注塑成型方法由聚合物材料制造组件的方法，包括以下步骤：(a)将聚合物浸透的包含纤维结构的半成品或纤维结构置于注塑模具中，(b)将熔化的热塑性聚合物注入注塑模具中，以获得包覆或涂布的包含纤维结构的半成品或纤维结构，(c)使所述聚合物凝固，并从注塑模具中移出所述组件；其中确定围绕纤维结构或包含纤维结构的半成品的用于熔化聚合物的流道的尺寸，以使成品组件的壁厚相当于未插入纤维结构的组件可获得的壁厚。

Description

制造由聚合物材料制成的组件的方法

本发明涉及一种通过注塑成型工艺制造由聚合物材料制成的组件的方法，包括以下步骤：

(a)将聚合物饱和的纤维结构或包含纤维结构的半成品插入注塑模具中，

(b)将熔化的热塑性聚合物注入注塑模具中，以包覆(sheath)或涂布(coat)所述纤维结构或包含所述纤维结构的半成品，

(c)使所述聚合物凝固，并从注塑模具中移出所述组件。

由纤维增强聚合物制成的组件被用于例如目的是使用具有高强度以及具有小于金属重量的材料的领域。特别地，由纤维增强聚合物制成的组件用在汽车制造中，用以减轻车辆的重量，并因此降低燃油消耗。

在制造由纤维增强聚合物制成的组件的已知方法中，首先将纤维插入模具中，然后通过注入聚合物将其包覆。在常用的注塑成型工艺——其中将纤维插入模具，然后进行包覆——的情况下，使用的流道具有的厚度基本上相当于无纤维增强材料的组件的壁厚。因此，通过纤维的包覆制造的组件总是产生大于无纤维增强材料的组件的最小壁厚。如果目的是制造薄的包覆层，则现有技术中已知的工艺需要相对大量的浇口(gate)，以实现相对短的流动路径长度。此外，用于包覆或涂布工艺的聚合物材料的注入使用高注入压力，其另一影响在于，特别是当使用纤维时，流动效应会导致用于纤维增强材料的织物的移位和变形。

除了纤维增强热固性材料外，近年来越来越多地使用的其他产品为所称的有机面板(organopanel)，即通过连续长丝纤维增强的完全一体的热塑性聚合物，其中增强材料为机织织物或稀松布织物(laidscrim)。聚合物在注塑成型工艺中可被注入通过这些有机面板，如果有机面板随后变薄或在熔点以上进行加热的话。

此外，特别是当注塑成型工艺用于制造组件时，需要高注射压力，以补偿在注入通过织物的过程中大的压力损失。最后，由流动效应导致的织物移位使织物偏离目标方向。当使用与有机面板不同、即不必呈完全一体的形式的钢帘线(steelcord)或编织钢丝网时，该机织织物可被压向模具壁，并因此压向组件表面，进而向外伸出，或可因流动效应而被排出。这样的缺点在于，特别是在编织钢丝网的情况下，向外伸出的钢丝会造成腐蚀问题。此外，编织钢丝网的涂布需要明显大于机织织物的厚度的最小壁厚，以使聚合物材料全部地包封机织织物。这会增大材料的总量，并由此导致该纤维增强聚合物不利于在轻质结构中使用。

本发明的目的是提供一种可制造纤维增强组件且还可制造具有低壁厚的组件的方法，该方法通过注入以包覆或涂布纤维结构、或包覆或涂布包含纤维结构的半成品来进行，其中所述壁厚小于现有技术已知工艺。

该目的通过一种通过注塑成型工艺制造由聚合物材料制成的组件的方法而实现，所述方法包括以下步骤：

(a)将聚合物饱和的纤维结构或包含纤维结构的半成品插入注塑模具中，

(b)将熔化的热塑性聚合物注入注塑模具中，以包覆或涂布所述纤维结构或包含所述纤维结构的半成品，

(c)使所述聚合物凝固，并从注塑模具中移出所述组件，

其中，为围绕纤维结构或围绕包含纤维结构的半成品的熔化聚合物流体通道所设立的尺寸，为使得成品组件的壁厚相当于未插入纤维结构的组件可获得的壁厚。

实现低壁厚并由此实现小尺寸的流道是可能的，这是因为出人意料地已发现，当将材料注入以涂布纤维结构或包含纤维结构的半成品时，可获得的流动路径长度大于缺少纤维结构或包含纤维结构的半成品时的流动路径长度。因此，可填充甚至相对更细的流道并减小壁厚。此外，还发现，由于可获得更大的流动路径长度，所需的注入压力也更小，因此在本文中也实现了减小纤维结构的移位。

在存在纤维结构或包含纤维结构的半成品、以及聚合物因此流过纤维结构或包含纤维结构的半成品的区域中，模具内聚合物的流道的高度优选使得可达到0.5至2.5mm、优选1至2mm的壁厚。

包覆或涂布纤维结构或包含纤维结构的半成品可例如制造具有确定表面结构的组件。此外，还可设计具有功能元件(例如肋条)的包覆或涂布的产品，使得该包覆或涂布工艺将相应的功能元件模塑在纤维结构或包含纤维结构的半成品上，以获得适宜形状的组件。

就本发明而言，表述纤维结构意指机织织物、针织物、稀松布织物或由连续长丝纤维制成的单向或双向纤维结构，或指无序纤维，其中所述纤维结构已用聚合物饱和。这可通过使纤维结构饱和或使制造纤维结构的纤维饱和来实现。特别是，当纤维结构为稀松布织物时，可存在单独的纤维设置成多个层，各层由平行纤维制成，其中单层间互相呈一角度。在本文中，特别优选的是，单层的纤维间互相呈30°至90°的角。各单层彼此呈一角度的取向增大了模制品在多个方向上的拉伸强度。在单向取向的情况下，特别实现了在纤维取向方向上拉伸强度的增大。在垂直于纤维取向的方向上，也实现了由模制品制成的组件的抗压强度的增大。

当所述纤维结构包含机织织物或针织物时，还可提供多层或仅一层的纤维。在机织织物的情况下，表述多层意指多层机织织物以置于彼此顶部的方式设置。这也同样适用于针织物形式的纤维结构的设置。

可用于增大组件稳定性的合适的纤维具体为：碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、金属纤维、聚合物纤维、钛酸钾纤维、硼纤维、玄武岩纤维或其他矿物纤维。特别优选的是，至少部分所使用的纤维为金属纤维。特别地，合适的金属纤维为基于黑色金属、特别是基于钢的纤维。

在一个实施方案中，所述纤维结构包含钢帘线、钢绞线或钢纤维。此处，纤维结构可仅包含钢帘线、钢绞线或钢纤维，或钢帘线、钢绞线或钢纤维的混合物，以及非金属纤维的混合物，特别优选碳纤维或玻璃纤维。

特别地，使用钢帘线、钢绞线或钢纤维的优势在于，实现所得模制品的高拉伸强度。特别是，在汽车制造中使用钢帘线的实质性优势在于，当组件经受碰撞或冲击时确保其完整性，而在玻璃纤维或碳纤维增强的结构中，则会丧失其完整性。特别优选的是，增强材料使用金属纤维和碳纤维或玻璃纤维的混合物。在这种情况下，例如可将单个的钢帘线、钢绞线或钢纤维与碳纤维或玻璃纤维编织在一起。或者，还可以稀松布织物的形式将不同的纤维插入模具中。此处，纤维可交替地或以任何所需的随机顺序插入。还可例如将由一种材料制成的纤维以一个方向插入，由另一种材料制成的纤维以与所述方向呈一角度的方向插入。

特别地，当使用钢帘线、钢绞线或钢纤维时，优选将其与玻璃纤维或碳纤维编织在一起以获得机织织物。模制品的均匀增强可通过例如将单独的机织织物以互相呈一角度的多层方式——例如可使用互呈90°的两个层——设置而实现。或者，还可为任意所需的其他角度。还可使用多于两层。

金属纤维(优选钢帘线、钢绞线或钢纤维的形式)与另一材料制成的纤维例如碳纤维或玻璃纤维一起使用，可制造具有改善的失效性能的模制品。

半成品可例如通过用聚合物材料、特别是用热塑性聚合物使纤维结构饱和而制造。另一种可能性是，使用用于此目的的聚合物前体化合物，例如单体，用该单体使纤维饱和，然后通过完成聚合反应至少在一定程度上使饱和的纤维结构硬化。

用聚合物前体化合物饱和纤维结构能够实现完全的润湿，不考虑随后的成型工艺。于是，在随后制造半成品的步骤中，如此饱和的纤维结构可用另一聚合物前体化合物包覆。在包覆工艺中用聚合物前体化合物饱和纤维结构，能够实现用来包覆纤维结构的聚合物前体化合物的更好的粘着。如果随后不用聚合物前体化合物进行包覆，则另一结果还包括改善了对在步骤(b)中用于包覆半成品的热塑性聚合物的粘着。

当半成品的制造由用聚合物前体化合物使纤维结构饱和来开始，然后将由此饱和的纤维结构用另一聚合物前体化合物包覆时，则可能的是，用于饱和工艺和包覆工艺的聚合物前体化合物是不同的。在这种情况下，通常需要首先将用于饱和纤维结构的聚合物前体化合物硬化，然后在下一步中，将已经饱和并硬化的纤维结构插入模具中，以由下一个聚合物前体化合物进行包覆。另一可能的选择为，将具有冻结的或部分聚合的聚合物前体化合物的半成品用另一聚合物前体化合物包覆，以制造模制品。

当使用包含纤维结构的半成品时，还有利的是，用于制造半成品的聚合物与用于包覆或涂布工艺的聚合物相同。然而，在一种可能的选择中，用于制造半成品的聚合物可与用于包覆或涂布工艺的聚合物不同。特别是当包覆或涂布工艺的目的在于获得特定的性能，例如涉及表面质量或强度时，使用不同的聚合物是有利的。

本领域技术人员已知的任何所需的热塑性聚合物均可用于制造包含纤维结构的半成品，以及用于制造包覆或涂布的产品。优选的热塑性聚合物的实例有：聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯和至少两种这些聚合物的混合物。

当将包含纤维结构的半成品用于制造组件时，可使用其中纤维结构已用聚合物饱和的半成品，其中该聚合物已聚合完成。在一种可能的选择中，使用已用聚合物前体化合物饱和的半成品，且该聚合物前体化合物已凝固但还未聚合完成。在这种情况下，该前体化合物例如在模具中聚合。

当使用包含纤维结构的半成品时，包含纤维结构的半成品特别为其中机织织物结构已用聚合物或聚合物前体化合物饱和的板。这类板的实例为有机面板或热塑性层压板。

在本发明的一个实施方案中，步骤(b)用来通过包覆或涂布工艺在组件上制造功能元件。这类功能元件的实例为通常模塑在由聚合物材料制成的组件上以增强所述组件的那类肋条。功能元件不仅可为肋条，还可为例如：夹子，承受固定元件的结构，力引入元件，或承受螺纹的结构，或可由聚合物材料通过注塑成型工艺制造的任何所需的其他功能元件。

为获得增大的强度，还优选的是，使注入的聚合物在纤维结构上或包含纤维结构的半成品上在功能元件之间形成一体壳(coherentskin)。特别是当并排模塑多个功能元件时，在功能元件之间的一体壳实现了功能元件额外的稳定性。在本文中，功能元件之间存在的细流道和聚合物材料注入流道导致形成了一体壳。纤维结构或包含纤维结构的半成品上的壳的存在还获得了用于功能元件的聚合物材料对纤维结构或包含纤维结构的半成品的改善的粘合。

对于步骤(b)中注入的聚合物在纤维结构上或包含纤维结构的半成品上的改善的粘着性，另一可能性是，在包覆工艺之前用底漆预处理该纤维结构或该半成品。在本文中，底漆还可例如用作纤维结构和聚合物之间的粘合促进剂。合适的底漆材料的实例有可溶性聚酰胺。可溶性聚酰胺以溶液形式施用，然后除去该溶剂。当本发明方法的目的是制造由纤维增强的聚酰胺制成的组件时，可溶性聚酰胺是特别适合的。

特别当将包含纤维结构的半成品用于制造组件时，优选的是，将包含纤维结构的半成品进行预加热。预加热使半成品的聚合物材料变软，并且注入的热塑性聚合物可与半成品的聚合物材料熔合，并因此形成在尺寸上稳定的结合。此外，半成品的预加热允许在半成品放入注塑模具之前或放入的过程中在半成品上进行成型过程。例如，在半成品上进行该成型过程是必需的，以便将半成品改造成板的形式以适合于待制造的组件的形状。

包含纤维结构的半成品的预加热可例如在用于制造包覆或涂布产品的注塑模具中进行。为此，将包含纤维结构的半成品插入注塑模具中，然后加热注塑模具，这样也加热了包含纤维结构的半成品。在本文中，加热可以本领域技术人员已知的任何所需的方式实现：例如可电加热或使用热流体来加热注塑模具。

在一种可能的选择中，将包含纤维结构的半成品在插入注塑模具之前加热。在这种情况下，可使用本领域技术人员已知的可加热包含纤维结构的半成品的任何所需的装置：例如可通过电、辐射热或微波辐射来加热包含纤维结构的模具，或将其置于加热板上以实现加热。

在本文中加热包含纤维结构的半成品的温度优选地选择为使半成品的聚合物软化。此外，在本文中的温度优选地选择为使所述聚合物还未完全熔化，从而防止聚合物从半成品中泄露，导致损害半成品。

为调节聚合物的性质——不仅仅是使用的任何半成品的聚合物，还包括用于包覆或涂布工艺的聚合物——，可加入添加剂。常用的添加剂的实例有：硬化剂、交联剂、增塑剂、催化剂、增韧剂、粘合促进剂、填料、脱模助剂、与其他聚合物的共混物、稳定剂和这些成分两种或更多种的混合物。本领域技术人员知晓可用于调节聚合物性质的添加剂以及任选的共聚单体。

通过本发明方法制造的组件特别有利地为机动车中的结构组件、隔板、地板组合件、电池座、侧面撞击元件、保险杆系统、结构插件或柱形加固体系。此外，该组件还可例如为侧壁、结构轮围绕物(structuralwheelsurround)、纵向构件或汽车车身的任何所需的其他组件。

除用作机动车的组件外，另一可能性是，本发明的组件为碎石机的外壳，为防护架，或为车床或压床的外壳，或为承重结构。本发明的方法可制造比至今为止现有技术中可制造的组件具有更坚韧结构的组件。

由于可制造特别薄的结构，本发明的方法还特别适合为组件提供模内涂布。为此，组件的表面涂层直接在注塑模具中制造。与常规的涂布工艺对比，这实现了涂料在模制品上良好的粘着性，从而获得了符合特别高质量要求的涂层。

在本发明中，步骤(b)中热塑性聚合物的注入在注塑成型的常规条件下完成。特别是当本发明方法的目的是制造具有薄壁的组件时，使用聚合物饱和的纤维结构对流道中聚合物的流动路径长度具有有利的影响。通过使用比预期数量少的浇口可涂布比预期大的面积。此外，特别是当目的是制造具有相对大壁厚的组件时，可在比基于本领域已知方法所预期的更低的压力下注入聚合物。在本发明中，当已插入聚合物饱和的纤维结构或包含纤维结构的半成品时，甚至相对低的注入压力也可实现模具完全、无缺陷的填充。

Claims (10)

1.一种通过注塑成型工艺制造由聚合物材料制成的组件的方法，包括以下步骤：

(a)将聚合物饱和的纤维结构或包含纤维结构的半成品插入注塑模具中，

(b)将熔化的热塑性聚合物注入注塑模具中，以包覆或涂布所述纤维结构或包含所述纤维结构的半成品，

(c)使所述聚合物凝固，并从注塑模具中移出所述组件，

所述方法包括为围绕纤维结构或包含纤维结构的半成品且旨在用于熔化聚合物的流道选择尺寸，至多使成品组件的壁厚相当于未插入纤维结构的组件可获得的壁厚。

2.根据权利要求1所述的方法，其中包含纤维结构的半成品为其中纤维结构已用聚合物前体化合物饱和的板。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤(b)中，所述包覆或涂布工艺在组件上制造功能元件。

4.根据权利要求3所述的方法，其中功能元件为肋条、夹子、承受固定元件的结构、力引入元件或承受螺纹的结构。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中注入的聚合物在纤维结构上或包含纤维结构的半成品上、在功能元件之间形成一体壳。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中将包含纤维结构的半成品进行预加热。

7.根据权利要求6所述的方法，其中包含纤维结构的半成品的预加热在用于制造包覆或涂布产品的注塑模具中进行。

8.根据权利要求6所述的方法，其中将包含纤维结构的半成品在插入注塑模具之前进行预加热。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中将包含纤维结构的半成品预加热至半成品的聚合物软化的温度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在插入注塑模具之前或插入的过程中，所述半成品进行成型工序。