CN105992844B - 非纬线的单向纤维增强的织物 - Google Patents

Abstract

提供一种非纬线的单向织物，其包括多根基本上平行的增强纤维的纤维束。所述增强纤维的纤维束具有第一表面和相对的第二表面。非纬线的单向织物进一步包括下述中的至少一种：粘结到至少一个表面上的非织造薄纱，和跨越多根基本上平行的增强纤维的第一表面和第二表面中至少一个的至少一部分宽度的一个或多个喷洒粘合剂的带。

Description

非纬线的单向纤维增强的织物

相关申请

本申请要求2014年1月10日提交的美国临时申请no.61/925,789的优先权，本文通过参考将其全文引入。

发明领域

本发明的概念涉及具有改进的强度和模量性能的轻质的非纬线单向织物。

背景技术

在各种产品中使用增强纤维。该纤维可在诸如塑料基体、增强纸张和胶带以及织造产品之类的产品中用作增强剂。在纤维形成和收集工艺过程中，许多纤维一起捆绑作为线股。若干线股可以一起聚集，形成增强聚合物基体所使用的纤维束，以给诸如模塑塑料产品之类的产品提供结构支持。也可编织线股，形成织物，或者可在图案中以织物形式收集线股。

常规地通过在重力下从用熔融玻璃填充的套管的多个孔隙机械拉伸熔融玻璃物流流动，形成长丝，从而制备增强玻璃线股，其中所述长丝被一起聚集成基础线股，和然后收集。在拉伸玻璃长丝过程中，和在它们一起聚集成线股之前，使用旋转辊，常常用施胶组合物(通常水性施胶组合物)涂布玻璃长丝。常规地在玻璃长丝的制造过程中，施加施胶组合物(也称为“施胶剂”)，以保护长丝避免在成形和随后加工过程中来自长丝在高速下摩擦导致的磨耗，进而充当润滑剂。同样可能的是除去或避免在这一摩擦过程中生成的静电荷。另外，在生产增强复合材料的过程中，通过待增强的材料，施胶剂改进玻璃的润湿和线股的浸渍。

在生产增强纤维之后，它们常常在织布机或其他编织器件上被加工，以生产织造织物。编织工艺常规地包括经纱(它们是纵向或纵的纱线)和纬纱(它横跨经纱且常规地在经线上方和下方插入，从而充当填料)二者。然而，当经纱和纬纱在彼此上方和下方交叉时纱线的卷曲会降低织造织物的拉伸强度和压缩强度。另外，纬纱增加重量，且没有提供物理性能显著的额外益处。

单向织物是在单一方向上，通常在经向上(也称为层压体的负载方向)占全部纤维的至少约80％的织物。因此，若单向织物包括纬向纤维，则它们通常占织物内全部纤维的小于20％，并提供支持结构，以允许织物的编织/针织，进而提供稳定的纺织品结构。

纬向纤维常规地是织物内的必要组分，它充当稳定剂，以机械粘结单向纤维束作为衬布(backing)并维持单向纤维之间的距离，进而在真空浸渍加工中生成树脂浸渍用通道。例如，诸如生产风力涡轮机叶片之类的应用常规地在针织在一起的各种取向上使用纤维束，形成预成形体。这种预成形体包括纬向纤维，所述纬向纤维充当承担负载的纤维用载体，从而将预成形体保持在一起。通过相对于叶片寿命的疲劳以及叶片的硬挺性二者，至少部分确定风力涡轮机叶片的品质。然而，在单向层压体内的纬向纤维显示在叶片的寿命内引起增加的疲劳以及硬挺性劣化。

发明概述

本发明的一般概念涉及非纬线的单向织物，其包括多根基本上平行的增强纤维。在一些例举的实施方案中，非纬线的单向织物包括下述至少之一：粘结到增强纤维的至少一个表面上的非织造薄纱(veil)，或者跨越多根基本上平行的增强纤维的至少一个表面的至少一部分宽度的一个或多个喷洒粘合剂的带。

在包括非织造薄纱的实施方案中，非织造薄纱可以是玻璃薄纱、聚合物薄纱、或其混合物。

在一些例举的实施方案中，增强纤维包括玻璃和碳纤维的纤维束中的一种或多种。

在一些例举的实施方案中，聚合物薄纱包括聚丙烯、聚酯、聚酰胺、和聚氨酯长丝中的至少一种。

在一些例举的实施方案中，通过局部加热非织造薄纱，将非织造薄纱选择性粘结到单一表面上。

在一些例举的实施方案中，通过局部施加粘合剂材料，将非织造薄纱选择性粘结到增强纤维的表面上。

在一些例举的实施方案中，通过熔喷工艺、纺粘工艺、干法成网工艺、湿喷工艺和静电纺纱中之一，形成非织造薄纱。

在一些例举的实施方案中，增强纤维的纤维束包括用含聚合物粘结剂的施胶组合物涂布的多根玻璃或碳纤维，其中一旦加热，则所述施胶组合物将粘结纤维的纤维束以及非织造薄纱到玻璃或碳纤维的纤维束上。

本发明一般的概念另外涉及非纬线的单向织物，其包括一根或多根基本上平行的增强纤维。所述增强纤维包括用含聚合物粘结剂的施胶组合物涂布的多根纤维，其中所述施胶组合物能粘结基本上平行的增强纤维到彼此上。

在一些例举的实施方案中，施胶组合物进一步包含成膜剂、偶联剂、表面活性剂、分散剂和增塑剂中的至少一种。

在一些例举的实施方案中，聚合物粘结剂包括聚酰胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯亚胺、聚酰胺亚胺、聚醚醚酮、聚甲醛、聚乙烯、它们的共聚物、和聚合物和/或共聚物的混合物中的一种或多种。

在一些例举的实施方案中，非纬线的单向织物进一步包括粘结到基本上平行的增强纤维的至少一个表面上的非织造薄纱，或者跨越多根基本上平行的增强纤维的至少一个表面的至少一部分宽度的一个或多个喷洒粘合剂的带。

非织造薄纱可以是玻璃薄纱、热塑性薄纱、或其混合物。

本发明的一般概念进一步涉及纤维增强的复合材料，其包括至少一种含多根基本上平行的增强纤维的非纬线的单向织物，粘结到增强纤维的至少一个表面上的非织造薄纱，或者跨越多根基本上平行的增强纤维的至少一个表面的至少一部分宽度的一个或多个喷洒粘合剂的带；和聚合物基体材料。

在一些例举的实施方案中，通过局部加热非织造薄纱，将非织造薄纱选择性粘结到增强纤维的表面上。

在一些例举的实施方案中，通过局部施加粘合剂材料，将非织造薄纱选择性粘结到增强纤维的表面上。

在一些例举的实施方案中，增强纤维包括用含聚合物粘结剂的施胶组合物涂布的多根玻璃或碳纤维，其中一旦加热所述施胶组合物将粘结纤维的纤维束和非织造薄纱到玻璃或碳纤维的纤维束上。

在一些例举的实施方案中，复合材料进一步包括粘结到基本上平行的增强纤维的至少一个表面上的非织造薄纱。

在随后的说明书中部分地列出了额外的特征和优点，和根据该说明部分可以是显而易见的，或者可通过实践本文公开的例举实施方案而学到。可通过尤其在所附权利要求书中指出的要素和组合，实现并获得本文公开的例举实施方案的目的和优点。要理解，前述发明概述和下述详细说明仅仅是例举和说明性的，且不是对本文公开或者要求保护的本发明一般概念的限制。

附图简述

图1阐述了在通过热塑性非织造薄纱涂布的单向纤维的纤维束之间生成的通道。

图2阐述了一种非纬线的单向织物，其包括通过局部加热选择性粘结到玻璃纤维的纤维束上的非织造薄纱。

图3A阐述了通过施加粘合剂到单向纤维的纤维束上形成的单向织物。

图3B阐述了控制粘合剂施加图案的能力。

图3C阐述了例举的窦状隙(sinusoidal)喷嘴(左)和例举的构图喷嘴(右)。

图3D阐述了在经历处理试验的两个侧面上具有粘合剂的间歇喷洒带的例举的非纬线的单向织物样品。

图4阐述了具有在其内形成的通道以供浸渍基体材料的层叠的非纬线、单向织物。

图5A阐述了在用树脂真空浸渍之前的4层非纬线单向织物样品。

图5B阐述了在经历用树脂真空浸渍之后的4层非纬线单向织物样品。

图6图示了对于各种不同的单向织物来说，在归一化为50％纤维体积分数的主纤维方向上的静态拉伸杨氏模量(GPa)。

图7图示了对于各种不同的单向织物来说，在归一化成50％纤维体积分数的拉伸强度vs负载循环的负载比R＝0.1下显示的疲劳。

图8是在疲劳测试(动态负载)之后，通过玻璃增强的复合材料维持的损坏的宏观图示，其中所述玻璃增强的复合材料包括用玻璃非织造载体形成的纬向织物。

图9是在疲劳测试(动态负载)之后，通过玻璃-增强的复合材料维持的损坏的宏观图示，其中所述玻璃-增强的复合材料包括具有玻璃非织造载体的非纬线的单向织物。

详细说明

现更加充分地，且偶尔参考附图，描述各种例举的实施方案。然而，这些例举的实施方案在不同的形式中体现，且不应当解释为限制到本文列出的说明上。相反，提供这些例举的实施方案，以便这一公开内容将是彻底且全面的，并且覆盖对于本领域技术人员来说的本发明的一般概念。

除非另有说明，本文中所使用的所有技术和科学术语具有与这些例举的实施方案所属的技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。在本文的说明书中所使用的术语用于描述仅仅特定的例举实施方案，且不打算限制例举的实施方案。

在说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式“一个”，“一种”和“该/所述”拟同样包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。本文中提到的或者其他地方引述的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过参考全文引入。

除非另有说明，表达在说明书和权利要求书中所使用的成分、反应条件等的用量的所有值要理解为在所有情况下用术语“约”来修饰。因此，除非相反地指明，在说明书和所附权利要求书中列出的数值参数是近似值，它可随本发明例举实施方案寻求获得的所需性能而变化。最起码和并不尝试限制应用等价方案的原则到权利要求书的范围上，每一数值参数应当鉴于有效数字的数值和普通的近似方法来解释。

尽管列出例举实施方案的宽范围的数值范围和参数是近似值，但在具体实施例中列出的数值则尽可能精确地报道。然而，任何数值固有地包含必然来自于在它们各自的测试测量中发现的标准偏差的一定误差。在整个说明书和权利要求书中给出的每一数值范围将包括落在这一较宽数值范围内的每一较窄的数值范围，如同这一较窄的数值范围在本文中全部特意写明一样。

本文中所使用的术语“纤维”定义为一根或多根单丝的束。

本文中所使用的术语“聚合物”包括术语“均聚物”和“共聚物”。

本文中所使用的措辞“纤维的纤维束”是指约400至约8,000根单独的长丝的组。

本文中所使用的措辞“单向织物”是指在层压体的单一方向上(例如在负载方向上或者经向上)含全部纤维的至少约80％的任何织物。

本文中所使用的"非纬线"织物是指在一层内不包括任何增强纤维的织物，它平行地延伸织物宽度且与以上所述单向纤维的取向相比取向变化大于或等于15°。

本文中所使用的术语“层(ply)”是指取向纤维的单层。

本文中所使用的术语“通道”是指在相邻的平行纤维的纤维束之间的空间。

本发明的一般概念涉及非纬线的单向织物。本发明的一般概念的其他方面涉及由非纬线的单向织物形成的增强的复合产品，例如层压体。

在一些例举的实施方案中，非纬线的单向织物包括可含天然或合成纤维、纱线和线股的一个或多个增强纤维的纤维束。可以连续或不连续形式使用增强纤维的纤维束。在一些例举的实施方案中，增强纤维的纤维束包括未断裂长丝、线股、纱线或粗纱形式的连续纤维。

在一些例举的实施方案中，由玻璃、碳、芳族聚酰胺和聚合物纤维中的至少一种形成增强纤维的纤维束。玻璃可以是任何常规的玻璃组合物，例如氧化硅-基玻璃，硼硅酸盐玻璃，例如E-玻璃，高强度玻璃，例如S-玻璃；H-玻璃,R-玻璃,具有较低硼含量的E-型玻璃或者不含硼的玻璃，和E-CR玻璃(例如，获自Owens Corning的玻璃)。尽管下述说明涉及玻璃增强纤维的纤维束的使用，但要理解，可另外或者在备选的实施方案中使用任何以上提及的增强纤维的纤维束。

在一些例举的实施方案中，通过从套管(bushing)中拉伸熔融玻璃长丝，并在聚集玻璃长丝成纤维束之前用施胶组合物涂布玻璃长丝，形成纤维的纤维束，从而形成连续玻璃纤维。在一些例举的实施方案中，长丝的直径为约5μm至约40μm，或约9μm至约33μm，或约17μm至24μm。

施胶组合物可包括本领域已知的任何常规的施胶组合物，例如Owens Corning SE1500。在一些例举的实施方案中，施胶组合物包括成膜剂、偶联剂、表面活性剂、分散剂、增塑剂和任选的添加剂中的一种或多种。

成膜剂在施胶组合物中起到若干作用：一方面，使得可保护玻璃长丝避免拉伸过程中的磨耗，和另一方面，可保护线股避免来自化学品与环境的侵蚀；它还赋予线股完整性。另外，所形成的膜可改进施胶组合物与待增强的基体的相容性。成膜剂的选择主要取决于待增强的材料的化学性质。

在一些例举的实施方案中，成膜剂选自聚乙酸乙烯酯(均聚物或共聚物，例如乙酸乙烯酯和乙烯的共聚物)，聚酯，聚醚，环氧化合物，聚丙烯酸类(即，丙烯酸的衍生物的均聚物或共聚物)，聚氨酯，及其混合物。成膜剂可选自聚乙酸乙烯酯，环氧化合物，聚氨酯，及其混合物。在一些例举的实施方案中，基于施胶组合物内的总固体含量，成膜剂的含量为25wt％至85wt％，或50wt％至75wt％。通常将成膜剂以乳液或悬浮液形式引入到施胶组合物内。

施胶组合物也可包括表面活性剂、增塑剂和/或分散剂。表面活性剂起到改性表面张力并改进玻璃和施胶剂组合物之间以及干燥的施胶剂膜和基体材料之间的润湿性能的作用。通过一般地降低干燥的施胶剂膜的硬挺性、温度行为和待增强的基体内的溶解度，增塑剂起到影响成膜剂的行为的作用。分散剂起到在储存中和在施胶剂施加到玻璃长丝上的过程中改进施胶剂稳定性的作用。在施加施胶组合物的过程中，生成高的剪切应力，所述剪切应力可能使聚合物乳液破乳，如果没有恰当地用分散剂稳定的话。某些组分可兼有若干效果，例如表面活性剂和分散剂。

表面活性剂、增塑剂和分散剂可包括任选卤化的脂族或芳族多烷氧基化化合物，例如乙氧基化/丙氧基化烷基酚类或乙氧基化/丙氧基化脂肪醇。这些多烷氧基化化合物可以是嵌段或无规共聚物；含胺的化合物，例如任选地烷氧基化的胺，胺氧化物，烷基酰胺，琥珀酸盐和牛磺酸盐，糖衍生物，尤其是脱水山梨醇，任选地烷氧基化的烷基硫酸盐，任选地烷基化或烷氧基化的烷基磷酸盐和醚磷酸盐。施胶组合物也可包括抗静电剂，例如特定的有机阳离子或非离子试剂，例如脂肪季胺或咪唑啉衍生物，以避免因在导引装置(例如陶瓷导纱眼)上摩擦导致的静电累积。

在施胶组合物内表面活性剂、增塑剂、分散剂或其组合的总量(干燥固体含量)范围可以是约2wt％至约30wt％，或约4wt％至约20wt％的干燥固体含量。在一些例举的实施方案中，表面活性剂以固体含量的约0.25％至15wt％存在。在一些例举的实施方案中，增塑剂以固体含量的0至约10wt％存在。在一些例举的实施方案中，分散剂以固体含量的约0.1wt％至15wt％存在。在一些例举的实施方案中，抗静电剂以固体含量的0至8wt％存在。

通过诱导与成膜剂形成共价键，偶联剂促进施胶剂粘合到玻璃表面上。在非反应性聚合物基体的情况下，偶联剂可与聚合物基体进一步生成共价键或至少互穿网络。偶联剂的另一功能是在玻璃纤维上形成聚硅氧烷层，这将改进在侵蚀性老化条件(例如在潮湿、酸性或高温环境)下的耐久性。偶联剂可以是可水解的化合物，例如可在酸，如乙酸，乳酸或柠檬酸存在下水解的化合物。在一个例举的实施方案中，偶联剂选自硅烷类，例如γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷，γ-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，聚(氧亚乙基/氧亚丙基)三甲氧基硅烷，γ-氨丙基三乙氧基硅烷，乙烯基三甲氧基硅烷，苯基氨丙基三甲氧基硅烷，苯乙烯基氨基乙基氨基丙基三甲氧基硅烷和叔丁基氨基甲酰基丙基三甲氧基硅烷；硅氧烷类，例如1,3-二乙烯基四乙氧基二硅氧烷；钛酸盐；锆酸盐，尤其是锆酸铝；及其混合物。偶联剂可以是硅烷或硅烷的混合物。在施胶组合物内的偶联剂用量(干燥提取固体含量)范围可以是施胶剂干物质含量的约2wt％至约25wt％，或约5wt％至20％。

施胶组合物可任选地包括一种或多种添加剂。在一些例举的实施方案中，添加剂包括阻燃剂，纳米颗粒，润滑剂，例如脂肪酸酯、脂肪醇、脂肪胺盐，矿物油，或其混合物；络合剂，例如EDTA衍生物，没食子酸衍生物或膦酸衍生物；消泡剂，例如硅氧烷或植物油；多元醇；在偶联剂的水解过程中控制pH所使用的酸，例如乙酸、乳酸或柠檬酸；阳离子聚合物；乳化剂；粘度改性剂；稳定剂；酸；和其他碱。

在一些实施方案中，在施胶组合物内添加剂的总含量范围为约0.1wt％至约15wt％，在一些实施方案中，为1wt％至5wt％(干燥提取固体含量)。

根据本发明的一个方面，施胶组合物包括粘结剂组分，它可辅助非纬线的单向织物的下游生产。在一些例举的实施方案中，施胶组合物掺入聚合物材料和变形剂(texturizing agent)，正如2012年7月31日提交的标题为：Sizing Compositions andMethods of Their Use的PCT/US2012/048937中所描述的，其公开内容在本文中通过参考全文引入。

粘结剂组分可包括一种或多种聚合物粘结剂材料，例如聚乙烯醇，聚合物颗粒，和甲基纤维素。在一些例举的实施方案中，聚合物颗粒选自聚酰胺，聚四氟乙烯，聚氯乙烯，聚酯，聚丙烯，聚苯硫醚，聚乙烯亚胺，聚酰胺亚胺，聚醚醚酮，聚甲醛，聚乙烯，其共聚物，苯乙烯和/或乙烯和/或丙烯马来酸或邻苯二甲酸酐共聚物，和这些聚合物和/或共聚物的混合物。在一些实施方案中，聚合物包括聚酰胺或聚酰胺的混合物。

在一些例举的实施方案中，粘结剂颗粒包括变形剂。可使用变形剂稳定施胶剂配制剂。该变形剂能在施胶剂储存过程中产生具有高静态粘度的施胶剂触变行为和在施胶剂施加到纤维上的过程中在剪切应力下产生非常快速的粘度下降。

在含有聚合物颗粒的施胶剂情况下，不同粘合剂组分族的分布完全不同于常规的施胶剂，这是具有潜在的高颗粒含量导致的。在一些例举的实施方案中，施胶剂组分包括以干燥提取固体含量的重量计约10％至约90wt％的聚合物颗粒，约0.1wt％至约6wt％的变形剂，约5wt％至约60wt％的成膜剂，约0.1wt％至约6wt％选自表面活性剂、增塑剂、分散剂及其混合物的至少一种化合物，约0.1wt％至约10wt％的偶联剂，和0至约15wt％的至少一种添加剂。

在一些例举的实施方案中，一起牵拉一根或多根玻璃纤维，形成玻璃丝束或纤维束以供在形成非纬线的单向织物中使用。玻璃纤维的纤维束可以具有针对特定应用所需的任何各种形状。例如，纤维束可以具有扁平形状，圆形和椭圆形，或者分裂成多种形状。在一些例举的实施方案中，使纤维束成型，使得当纤维束形成为织物时可在平行的纤维束之间容易地形成间隙和/或通道，以允许基体材料在纤维束之间和在纤维束周围浸渍。在一些例举的实施方案中，纤维束具有扁平或矩形形状。

在一些例举的实施方案中，非纬线的单向织物包括以基本上平行排列的多根玻璃纤维的纤维束，且纤维束的纵轴位于成形方向上。基本上平行的纤维束可以彼此相邻或者间隔开，使得在单独的纤维束之间形成流动通道。在一些例举的实施方案中，纤维束不具有任何捻度。

通过在两个垂直方向(即，经向和纬向)上编织纤维束，形成常规织物。编织纤维束产生将织物粘结在一起的网状结构。然而，编织使纤维弯曲并降低可以实现的最大强度和硬挺性。另外，仅仅在负载方向(经向)上的纤维束对复合材料的总强度作出贡献。但是对织物结构作出贡献的纬纤维或交叉纤维不承担负载。因此，增加纬向纤维的存在会增加织物的重量且没有对所形成的织物的强度作出贡献。另外，纬向纤维降低玻璃织物和最终用该玻璃织物形成的复合材料的强度和模量这二者。

因此，本发明的一些例举实施方案提供通过在一个或多个单向玻璃纤维的纤维束的至少一侧(即上表面或下表面)上层叠薄纱形成的非纬线的单向织物。非织造薄纱起到在所需的特定位置(例如与在其间布置的流动通道基本上平行的位置)内保持纤维束的作用。

参考图1，薄纱可包括非织造薄纱20，例如非织造的玻璃或聚合物薄纱。在一些例举的实施方案中，聚合物薄纱20包括热塑性长丝，例如聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、及其组合。非织造薄纱20可包括在单向纤维的纤维束上无规排列的一根或多根连续或短切纤维。在一些例举的实施方案中，非织造薄纱20作为在单向纤维的纤维束14的至少一个表面上的层叠层形式放置，如图1所示。在一些例举的实施方案中，非织造薄纱作为在单向纤维的纤维束的顶表面上以及在纤维束的底表面上的层叠层形式放置。在其他例举的实施方案中，非织造薄纱20仅仅放置在单向纤维的纤维束14的单一表面上。将非织造薄纱20仅仅放置在单一表面上会改进织物剪切的能力，当操纵织物时，例如在缠绕和解缠绕工艺过程中。另外，仅仅在单一表面上使用非织造薄纱20会降低织物的总的生产成本，同时维持或改进所需的性能。

可通过任何常规的非织造成形方法，例如熔喷法、纺粘法、干法成网法、湿法成网法或静电纺纱，形成非织造薄纱20。在纺粘法期间，将连续的长丝直接挤出到基本上平行纤维的纤维束的至少一个表面上。可使用来自气动枪的高压空气来移动并分离纤维束中的长丝。然后，通过采用加热的辊或者其他加热装置使纤维融合在一起，可将非织造薄纱中的纤维粘结到纤维束上。在热塑性长丝的非织造薄纱情况下，加热热塑性长丝使长丝部分熔融，从而引起非织造薄纱中的长丝粘结到其他长丝和位于该长丝下方的单向纤维的纤维束二者上。

已发现，在单向纤维的纤维束14的全部表面上粘结非织造薄纱20可降低所生产的织物的挠性，因为该薄纱20可限制纤维束14相对于彼此的剪切移动。在纤维束14当中的这一剪切移动对于形成舒适/可悬垂的材料来说是重要的，所述材料可适应于模具(例如具有曲面的模具)的表面形状。因此，如图2所示，非织造薄纱20中的长丝12可选择性粘结到纤维束14上。例如，可通过局部加热来加热长丝12，产生选择性粘结点18。局部加热仅仅施加热量到非织造薄纱20的某些区域上。因此，仅仅暴露于热下的特定长丝12会熔融，使得非织造薄纱20的长丝12的仅仅这些局部区域会粘结到单向纤维的纤维束14上。通过选择性粘结非织造薄纱20的长丝到纤维束14上，该纤维束将保持剪切的能力，所述剪切能力是许多应用要求的，例如在生产风机叶片中。通过支持单向结构并维持纤维束14之间通道16的存在，这一剪切能力得到平衡，如图1和2所示。

在一些例举的实施方案中，选择性粘结点18的直径小于或等于约1mm。在一些例举的实施方案中，面积为10cm x 10cm的非纬线单向织物22包括约5至2000个选择性粘结点18，或约50至500个选择性粘结点。在一些例举的实施方案中，选择性粘结点18以定义的方式分布，以允许单向纤维的纤维束14的弹性足够剪切。

备选地或另外，可通过局部施加粘合剂材料到单向纤维的纤维束14和/或非织造薄纱20上，将非织造薄纱20的长丝12粘结到单向纤维的纤维束14上。局部施加粘合剂材料允许非织造薄纱20的长丝12选择性粘结到单向纤维的纤维束14上，产生如上所述与通过局部加热来选择性粘结热塑性长丝类似的选择性粘结点18。可施加粘合剂材料到纤维束14上作为一部分施胶剂组合物，或者可后施胶施加。

在一些例举的实施方案中，非织造薄纱20由预粘结的可热成形的网格(grid)组成。该网格可由玻璃或聚合物纤维形成，在形成网格中预粘结。当网格是玻璃纤维网格时，在预粘结之前，玻璃纤维首先用热塑性聚合物材料涂布。可单独使用热，预粘结聚合物纤维。然后可将预粘结的可热成形的网格粘结到单向纤维的纤维束14的至少一个表面上，从而提供织物用载体。在一些例举的实施方案中，如上所述，选择性粘结网格到纤维束14上。

通过选择性粘结非织造薄纱20到单向纤维的纤维束14上，要求降低量的聚合物长丝和/或粘合剂材料。这会降低所生产的单向织物的制造成本和重量这二者。非织造薄纱提供用于单向纤维的纤维束薄且重量轻的载体。常规的载体垫包括大于或等于约20g的聚合物材料/m²，而本发明的非织造薄纱20包括小于约15g聚合物材料或小于约5g聚合物材料，这通过ISO 3374测定。在一些例举的实施方案中，1000g非织造的单向薄纱包括不大于12g的聚合物材料。

非织造薄纱20提供用于单向纤维的纤维束14的载体，从而省去对纬向纤维的结构支持的需求。在一些例举的实施方案中，织物22内至少80％的纤维是单向纤维14。在其他例举的实施方案中，至少90％或至少95％在织物22内的纤维是单向纤维14。在再一其他例举的实施方案中，在织物20内约100％的玻璃纤维是单向纤维14。

参考图3A,在一些例举的实施方案中，替代或除了非织造薄纱20以外，通过在单向纤维的纤维束的至少一个表面上间歇喷洒粘合剂图案24，形成单向织物22。粘合剂喷雾可包括在形成过程中施加到玻璃纤维上的与环氧或聚酯-相容的施胶化学相容的热塑性材料。在一些例举的实施方案中，在约250°F至约450°F的施加温度下，粘合剂的剪切粘度为约2,000至约6,000cps，其中所述施加温度在粘合剂被喷洒成在单向织物的至少一个表面上的纤维网时，将其长丝化成小于50微米。为了施加粘合剂，在张力下保持单向纤维的纤维束且在每一纤维束之间具有预定宽度的间隙。当施加粘合剂时，它硬化并将纤维束保持在原位，进而维持纤维束之间的间隙。可间歇地隔开喷雾，以使单向织物能成卷，并允许织物在没有扭曲的情况下纬斜。可通过控制各种参数，其中包括但不限于施加粘合剂所使用的喷头的尺寸与设计，喷头的喷雾孔32的数量、尺寸、间隔和/或取向，施加到喷头上的空气的空气压力，施加到喷头上的粘合剂的液压，和/或通过控制粘合剂是喷雾剂时的所需递增量，预先确定间歇间隔或者粘合剂喷雾的图案。例如，可使用具有不同孔32尺寸和/或每一喷嘴中孔32的不同数量的各种喷嘴，来调节喷洒粘合剂的输出。例如，可使用构图的喷嘴，所述构图的喷嘴导引以高度可变的聚合物纤维和聚合物点的无规组合的离散图案形式的粘合剂到织物22上。在额外的实施方案中，可使用窦状隙图案喷嘴，所述喷嘴导引连续挤出聚合物纤维-外观的粘合剂图案的粘合剂到织物22上，且通常没有喷洒的聚合物点。参考图3C，示出了例举的窦状隙图案喷嘴28和构图的喷嘴30，它们各自具有多个喷洒孔32。图3A阐述了通过使用窦状隙喷嘴(左)和构图喷嘴(右)，施加粘合剂带24的粘合剂到织物22上形成的单向织物22。图3B进一步阐述了控制窦状隙粘合剂施加图案的能力，其中在该图的上半部分上显示了较粘稠/粗糙的粘合剂施加图案，和在该图的下半部分显示了较精细的施加。图3D阐述了通过间歇喷洒粘合剂带24到单向玻璃纤维束14的两面(即顶表面和底表面)上形成的单向织物22。

在一些例举的实施方案中，粘合剂包括聚烯烃、无定形聚-α-烯烃("APAO")、聚丙烯、马来酸化聚丙烯、聚酯、共聚酯、聚酰胺、共聚酰胺、聚氨酯、环氧或酚类基聚合物中的一种或多种。在下表1中列出了例举的粘合剂化合物。

表1

化学	软化点(°F)	350°F下的粘度(cps)
			APAO	163	1200
APAO	303	4000
			APAO	267	3700
APAO	305	2000

无定形聚-α-烯烃可用马来酸酐接枝或改性，以改进对极性物质(例如复合材料基体中的施胶剂组分或环氧树脂)的粘合性。通过在APAO聚合物上接枝马来酸酐，可降低该粘合剂化合物的软化点。例如，基于在基础聚合物内7％的马来酸酐，熔点范围为160-320°F，和粘度范围为100-2000mPas，这将降低APAO的软化点。

在一些例举的实施方案中，非纬线的单向织物22包括具有选择性粘结到非织造薄纱20上的至少一个表面的单向纤维的纤维束14。在其他例举的实施方案中，非纬线的单向织物22包括使用涂布玻璃纤维所使用的施胶剂组合物中的聚合物粘结剂而粘结在一起的单向纤维的纤维束14。在再一其他例举的实施方案中，非纬线的单向织物22包括使用涂布玻璃纤维所使用的施胶剂组合物中的聚合物粘结剂而粘结在一起且具有选择性粘结到非织造薄纱20上的至少一个表面的单向纤维的纤维束14。在再一其他例举的实施方案中，非纬线的单向织物22包括在有或无进一步添加非织造薄纱20的情况下，用喷洒的粘合剂24间歇涂布的平行(collimated)单向纤维的纤维束14。通过除去对织物的机械性能不作出贡献的纬向纤维，这种非纬线的单向织物22改进常规单向织物的强度与模量二者。因此，减少织物内的纬线的量会成比例地增加织物的机械性能。例如，通过减少纬线量5％，纤维的强度与模量各自改进至少5％。

可使用非纬线的单向织物22，形成预成形体，所述预成形体包括在定义的取向上层叠若干层非纬线的单向织物。然后可再加热干燥层叠的非纬线的单向织物22，以至少部分粘结该单向织物。正如以上描述的，可通过局部再加热或者通过施加粘合剂，选择性粘结非纬线的单向织物。然后可将预成形体置于模具内并用基体树脂浸渍，从而形成复合材料。

在一些例举的实施方案中，如图4所示，层叠一层或多层非纬线的单向织物22，并用基体材料浸渍，形成单向织物增强的复合材料26。可通过任何常规的浸入/浸渍方法，例如真空辅助的转移模塑方法(其中在真空下将液体树脂引入到空腔内)，或者树脂转移模塑(其中利用压力，强制液体树脂进入到在密封模具内层铺的干燥增强剂中)，发生通过基体材料的浸渍。为了实现通过真空基体浸渍，该树脂必须能渗透织物层，如图4所阐述的。如图4所示，通过保持单向纤维的纤维束隔开固定的宽度，非织造薄纱20辅助在非纬线的单向织物内生成并维持通道16。在其他例举的实施方案中，当热塑性薄纱20加热到高于其塑性/弹性点并在层压过程中被挤压到单向纤维的纤维束14内时，薄纱20可在单独的纤维的纤维束之间生成通道16，如图1所示。

在真空下的树脂浸渍是一个动态过程，其中真空引起各层凝结，从而使得难以实现合适的树脂浸渍通过多个织物层的厚度。因此，使用喷洒粘合剂形成单向织物对于进一步改进树脂浸渍起作用，因为粘合剂的喷洒没有完全覆盖单向织物，而是跨越多个单向纤维的纤维束形成具有控制宽度的间隔开的带。另外，已固化的粘合剂充当结构粘合剂，其除了在纤维束和环氧树脂之间提供粘合以外还提供三维硬挺性，所述三维硬挺性能维持相邻玻璃的纤维束14之间的间隙，以允许增加树脂渗透通过多个层的厚度。图5A阐述了0°浸渍4层的单向织物22。图5B阐述了0°浸渍已经在真空下使用真空模塑装置34用树脂浸渍的4层的单向织物，从而形成非纬线的单向织物增强的复合材料26。

在一些例举的实施方案中，通过排列增强纤维，预确立渗透率，以增加或者降低织物的渗透性。可通过调节纤维束14的间距在一个单层的层内，进而形成通道16，来增加或降低渗透率。在一些例举的实施方案中，通道16具有小于1mm的截面直径。在一些例举的实施方案中，预先确立渗透率，以提供被在纤维束14之间和围绕纤维束14的树脂完全浸渍，使得每一纤维粘结在一起。

基体材料可包括适合于特定应用的任何热固性或热塑性基体材料。在上述模塑工艺中可用于本发明的合适的热塑性树脂包括聚酯(其中包括共聚酯)，例如聚对苯二甲酸乙二酯，聚酰胺，聚烯烃，和聚丙烯，PEEK等。有用的热固性树脂包括酚类树脂，环氧树脂，乙烯酯树脂，聚氨酯和不饱和聚酯树脂。

可使用非纬线的单向织物增强的复合材料26，形成许多工业中的产品。例如，可在风能中使用该复合材料以供在风力涡轮机叶片中使用，或者在机动车中使用该复合材料。

以上既一般地又针对各种例举的实施方案描述了本发明的一般概念。尽管列出了认为是例举的示意性实施方案的本发明的一般概念，但可在本发明的公开内容以内选择本领域技术人员已知的宽泛的各种备选方案，且它们被本发明的公开内容所涵盖。没有限制本发明的一般概念，除非引述以下列出的权利要求书。本领域技术人员要理解，根据本文列出的原理，通过改性基本组合物和方法，可在本文没有明确地公开的各种实施方案和方法中实践施胶剂组合物，施胶的纤维，和掺入本发明的这种纤维的复合材料。特别地，以下提供的各种实施例的浓度和成分可在一般的组成参数以内结合并改变，以提供本发明的宽泛的各种施胶剂组合物。因此，下述实施例意味着更好地阐述本发明，但绝不打算限制本发明的一般的创造性概念。

实施例

下述实施例描述了本发明的非纬线的单向织物的各种例举实施方案的性能。

实施例1

通过在单向纤维的纤维束的一侧上层铺玻璃薄纱衬布，制备非纬线的单向织物。在该非纬线的单向织物内没有使用粘结剂。一种单向织物包括直径17微米的纤维和一种单向织物包括直径24微米的纤维。然后使用商业等级的环氧基体树脂，层压织物。还使用纬向纤维而不是玻璃薄纱，制备对比结构体。额外的变量包括加捻的纤维束vs不具有捻度的纤维束，和Owens Corning玻璃vs Owens Corning H-玻璃。

图6阐述了归一化为50％纤维体积分数的在主纤维方向上的静态拉伸杨氏模量。如图6所阐述的，与用纬向纤维形成的对比织物相比，用于每一玻璃类型和H-玻璃的非纬线的单向织物能实现较高的杨氏模量。发现在使用未-加捻的H-玻璃纤维的纤维束和玻璃薄纱衬布形成的非纬线的单向层压体内最高的杨氏模量，约45GPa。

图7阐述了以上所述纬线和非纬线的单向层压体二者的疲劳度，其中负载比R＝0.1和其中拉伸强度归一化为50％的纤维体积分数。在该图表上的每一标记代表在特定次数的负载循环之后的断裂。根据在Journal of Composite Materials中公布的DTU专用测试方法，进行疲劳测试(Bronsted等人，Fatigue damage propagation in unidirectionalglass fiber reinforced composites made of a non-crimp fabric.Journal ofComposite Materials,September 13,2009)。图7中的实例的区别在于使用玻璃薄纱vs.纬向纤维作为衬布材料。另外，包括标准的单向针织织物(纤维)且用实心黑线表示。

如图7所示，与纬线和薄纱衬布二者相比，针织织物的针织结构降低疲劳性能。另外，与纬线衬布相比，薄纱衬布进一步改进疲劳性能。

图8和9提供宏观照片，它阐述了在疲劳测试之后对层压体的损坏。图8示出了对具有纬线载体衬布36的单向层压体的损坏。该损坏作为白色区域可视，它不均匀地分散在整个层压体36上。这些损坏区域引起过早断裂。相反，图9阐述了对具有在单向纤维的纤维束的一面上层铺玻璃非织造织物的非纬线单向层压体38的损坏。如图9所示，该损坏均匀地分散在层压体38的整个面积上，这减少了过早断裂的几率。

实施例2

在另一实例中，用APAO粘合剂组合物在两面上涂布在每一相邻纤维束之间具有间隙的平行单向玻璃纤维束，所述APAO粘合剂组合物具有高的拉伸强度和低的残留粘性。然后层叠4层所形成的单向织物，并用环氧树脂真空浸渍。然后在0°和90°这两个方向上测试该单向层压体的机械性能，其中包括拉伸模量，拉伸强度，应变，层间剪切强度，挠曲强度和挠曲模量。还进行动态机械分析，并测量点火损失。下表2阐述了对于通过施加约l-2mm粘合剂珠粒制备的在粘合剂的带/珠粒之间具有变化的分离距离的样品的机械测试结果。

表2

粘合剂珠粒	树脂％LOI	0°强度(MPa)	0°模量(MPa)	应变(％)
					1英寸分离	29.45±0.94	834±50	40411±3507	2.4±0.48
2英寸分离	25.43±0.58	974±37	46822±5226	2.3±0.26
					3英寸分离	25.15±1.35	1058±88	50911±5881	2.3±0.21

如表2所阐述的，当粘合剂量增加时，所使用的环氧树脂量下降，这表明存在粘合剂会影响树脂的浸渍，因为需要较少的树脂。另外，当粘合剂量下降和玻璃含量增加时，层压体的拉伸强度和模量增加。因此，必须在粘合剂量之间实现平衡以供处理vs在层压体内获得最大强度和模量。

要理解，尽管采用优选的实施方案和实施例具体地公开了本发明，但对关于施胶剂和形状的设计的改性对于本领域技术人员来说是显而易见的，和这种改性与变化被视为相当于所公开的发明和所附权利要求书的范围且在所公开的发明和所附权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种非纬线的单向织物，其包括：

多根基本上平行的增强玻璃纤维的纤维束，所述增强玻璃纤维的纤维束由多根用包含聚合物粘结剂的施胶组合物涂布的、具有5-40μm直径的玻璃长丝形成，其中所述聚合物粘结剂能将所述玻璃长丝粘结到彼此上，所述增强玻璃纤维的纤维束具有第一表面和相对的第二表面，第一表面和相对的第二表面各自具有一定宽度，所述增强玻璃纤维的纤维束间隔开，从而形成在所述纤维束之间的流动通道；和

选择性粘结到所述第一表面和第二表面中至少一个上的非织造薄纱，其中所述选择性粘结通过局部加热所述非织造薄纱和局部施加粘合剂材料中的至少一种进行。

2.权利要求1的非纬线的单向织物，其中非织造薄纱是玻璃薄纱、聚合物薄纱、或其混合物。

3.权利要求2的非纬线的单向织物，其中所述聚合物薄纱包括聚丙烯、聚酯、聚酰胺和聚氨酯长丝中的至少一种。

4.权利要求1的非纬线的单向织物，其中通过熔喷工艺、纺粘工艺、干法成网工艺、湿喷工艺和静电纺丝中的一种，形成所述非织造薄纱。

5.权利要求1的非纬线的单向织物，其中80％的所述增强玻璃纤维的纤维束是彼此平行的。

6.权利要求1的非纬线的单向织物，其中所述纤维束包括用含聚合物粘结剂的施胶组合物涂布的多根纤维，其中所述聚合物粘结剂能粘结所述基本上平行的增强玻璃纤维的纤维束到彼此上和粘结到所述非织造薄纱上。

7.权利要求6的非纬线的单向织物，其中所述聚合物粘结剂包括聚酰胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯亚胺、聚酰胺亚胺、聚醚醚酮、聚甲醛、聚乙烯、它们的共聚物、和所述聚合物和/或共聚物的混合物中的一种或多种。

8.一种纤维增强的复合材料，其包括：

至少一种非纬线的单向织物，所述非纬线的单向织物包括：

多根基本上平行的增强玻璃纤维的纤维束，所述增强玻璃纤维的纤维束由多根用包含聚合物粘结剂的施胶组合物涂布的、具有5-40μm直径的玻璃长丝形成，其中所述聚合物粘结剂能将所述玻璃长丝粘结到彼此上，和所述增强玻璃纤维的纤维束具有第一表面和相对的第二表面，第一表面和相对的第二表面各自具有一定宽度；

选择性粘结到所述第一表面和第二表面中至少一个上的非织造薄纱，其中所述选择性粘结通过局部加热所述非织造薄纱和局部施加粘合剂材料中的至少一种进行；和

聚合物基体材料。

9.权利要求8的纤维增强的复合材料，其中所述聚合物基体材料包括聚酯、聚酰胺、聚烯烃、酚类树脂、环氧树脂和乙烯酯中的至少一种。

10.权利要求9的纤维增强的复合材料，其中所述聚合物基体材料包括聚对苯二甲酸乙二酯和聚丙烯中的至少一种。

11.权利要求8的纤维增强的复合材料，其中非织造薄纱是玻璃薄纱、聚合物薄纱、或其混合物。

12.权利要求8的纤维增强的复合材料，所述复合材料包括风力涡轮机叶片和机动车部件中的至少一种。