CN106414563A - 连续纤维增强复合材料及其的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供包含热塑性树脂、纤维及金属丝的连续纤维增强复合材料。本发明提供如下连续纤维增强复合材料的制备方法，其中，包括：将由一个以上的纤维筒子架供给的纤维或由一种以上的金属丝筒子架供给的金属丝浸渍于热塑性树脂中来形成熔融物的步骤；第一成形步骤，利用成形框使所述熔融物的形态成形，在加热管中进行加热，并经过固化形成第一固化物；第二成形步骤，再次利用成形框，使所述第一固化物再次成形，在加热管中进行加热，并通过固化形成第二固化物；以及冷却所述第二固化物之后，进行拉拔及切割来收尾的步骤。

Description

连续纤维增强复合材料及其的制备方法
技术领域
本发明涉及连续纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
在汽车、建筑材料等的很多露出于外界环境的产业领域的情况下，需要很多具有高水平的韧性的复合材料。尤其，很多露出于外部冲击的后梁、座椅靠背、底盖等的汽车外装部件更为如此。
因此，当施加冲击时，对所施加的力进行支撑、抵抗的程度为复合材料的最重要的因素，也是可用于部件的必要基准因素，影响复合材料的韧性的最重要的两个因素为强度和延伸率(延伸的程度)。上述两个变数为相对的概念，若强度高而坚硬，则易断裂，因此延伸率低，相对柔软的复合材料虽然延伸率高，但其强度不高。因此，正进行着用于制备强度和延伸率均优秀的复合材料的各种研究。
并且，不仅物性好的复合材料，具有导电性、热导性、透明度等的功能性的复合材料的必要性也逐渐增大。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明的一实例提供高韧性的连续纤维增强复合材料，上述连续纤维增强复合材料因包含金属丝，从而强度及延伸率高。
本发明的另一实例提供上述连续纤维增强复合材料的制备方法。
技术方案
在本发明一实例中，提供包含热塑性树脂、纤维及金属丝的连续纤维增强复合材料。
相对于100重量份的上述热塑性树脂，可包含20重量份以上的上述纤维、及小于20重量份的上述金属丝。
上述热塑性树脂可以为选自由芳香族乙烯基类树脂、橡胶改性芳香族乙烯基类树脂、聚苯醚类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚酯类树脂、甲基丙烯酸酯类树脂、聚亚芳基硫醚类树脂、聚酰胺类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚烯烃类树脂及它们的组合组成的组中的一种以上。
上述聚烯烃类树脂可以为聚丙烯树脂，上述聚丙烯树脂可以为丙烯均聚物或乙烯-丙烯共聚物。
上述纤维可以为选自由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的一种以上。
上述玻璃纤维的平均直径可以为约5μm至约25μm。
上述金属丝可包含不锈钢丝(Sus wire)、碳纳米管(CNT)或轮胎钢丝(Tirecord)。
上述金属丝的平均直径可以为约50μm至约700μm。
上述连续纤维增强复合材料还可包含添加剂。
上述添加剂可以为选自由抗氧化剂、热稳定剂、分散剂、增容剂、颜料及它们的组合组成的组中的一种以上。
在本发明的另一实例中，提供连续纤维增强复合材料的制备方法，上述连续纤维增强复合材料的制备方法包括：将由一个以上的纤维筒子架(creel)供给的纤维或由一个以上的金属丝筒子架供给的金属丝浸渍于热塑性树脂中来形成熔融物的步骤；第一成形(molding)步骤，利用成形框使上述熔融物的形态成形，在加热管中进行加热，经过固化形成第一固化物；第二成形步骤，再次利用成形框，使上述第一固化物再次成形，在加热管中进行加热，并通过固化形成第二固化物；以及冷却上述第二固化物之后，进行拉拔及切割来收尾的步骤。
根据上述纤维筒子架或上述金属丝筒子架的位置可调节由上述纤维筒子架供给的纤维或由上述金属丝筒子架供给的金属丝的排列或位置。
在上述第二成形步骤中的加热温度可高于在上述第一成形步骤中的加热温度。
有益效果
上述连续纤维增强复合材料的强度高、韧性好，并且可实现优秀的冲击特性。
上述连续纤维增强复合材料具有热导性及导电性，还可应用于需要导电性的产品，并且热导率高，因此当制备时可提高生产率。
附图说明
图1为以图示化的方式示出连续纤维增强复合材料的制备方法。
图2的(a)部分为以图示化的方式示出仅包含纤维的连续纤维增强复合材料，图2的(b)部分及图2的(c)部分为以图示化的方式示出包含纤维及金属丝的连续纤维增强复合材料的截面。
具体实施方式
以下，对本发明的实例进行详细说明。然而，这仅作为例示而提出，本发明并不局限于此，并且本发明仅由以下的发明要求保护范围的范畴而定义。
连续纤维增强复合材料
本发明一实例涉及包含热塑性树脂、纤维及金属丝的连续纤维增强复合材料。
通常的连续纤维增强复合材料使用热塑性树脂及纤维，并通过拉拔工序制备，通常使用玻璃纤维或碳纤维来作为热塑性树脂的加固材料。然而，上述连续纤维增强复合材料因在纤维中包含强度更高、且延伸率好的金属丝，因此局部性地使上述复合材料增强，从而可制备相比于现有的复合材料，韧性好，对冲击特性强的复合材料。进而，增强的金属丝具有导电性，因此还可在需要导电的产品中应用，与仅包含热塑性树脂及纤维的复合材料相比，热导率也高，因此在施加热量及压力来制备厚的复合材料的情况下，热传递也优秀，因此在工序上还可呈现高的生产性。
并且，与包含其他金属板或其他金属加固材料的复合材料相比，本发明的复合材料可具有缘于金属丝固有的弹性的冲击特性及可在金属丝之间形成的网状物，因此剪切强度、延伸率等的机械物性更优秀。
相对于100重量份的上述热塑性树脂，可包含约20重量份以上的上述纤维、及小于20重量份的上述金属丝。例如，相对于100重量份的上述热塑性树脂，可包含约30重量份至约80重量份的上述纤维、约5重量份至约15重量份的上述金属丝。
相对于100重量份的上述热塑性树脂，在包含小于约20重量份的上述纤维的情况下，存在无法实现作为连续纤维增强复合材料的物性的忧虑，在包含大于约80重量份的上述纤维的情况下，纤维的含量变高，从而有可能难以进行在单层的连续纤维增强复合材料制备及后工序，因此维持上述范围，在可确保连续纤维增强复合材料的物性，且提高制备工序的效率的问题上是有利的。
并且，相对于100重量份的上述热塑性树脂，在包含大于约20重量份的上述金属丝的情况下，因比重高的金属丝而导致复合材料的重量增加，因此相对于重量的物性增加比率有可能相对地降低，从而使上述金属丝包含于上述范围内，可使相对于重量的物性增大效果最大化。
上述热塑性树脂可以为选自由芳香族乙烯基类树脂、橡胶改性芳香族乙烯基类树脂、聚苯醚类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚酯类树脂、甲基丙烯酸酯类树脂、聚亚芳基硫醚类树脂、聚酰胺类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚烯烃类树脂及它们的组合组成的组中的一种以上。具体地，上述聚烯烃类树脂可以为聚丙烯树脂，上述聚丙烯树脂可以为丙烯均聚物或乙烯-丙烯共聚物。
上述纤维可以为选自由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的一种以上。在热塑性树脂中包含上述纤维，可增强复合材料的强度，例如，可使用经由聚烯烃用表面处理的玻璃纤维。
上述玻璃纤维的平均直径可以为约5μm至约25μm，例如，可以为约10μm至约20μm。使上述玻璃纤维的平均直径维持上述范围，从而有利于确保使纤维进行平面化的特性、及浸渍于热塑性树脂的特性。
上述金属丝可包含不锈钢丝、碳纳米管或轮胎钢丝。在热塑性树脂中包含除了纤维之外的金属丝，从而可更增强复合材料的强度，并且可因金属丝本身的性质而具有导电性及热导性。
例如，轮胎钢丝是为了提高耐久性、行驶性及稳定性而加入橡胶内部的纤维材质的加固材料，使上述轮胎钢丝包含于上述复合材料，可确保高的弯曲强度及延伸率。
上述金属丝的平均直径可以为约50μm至约700μm，例如，可以为约300μm至约500μm。上述金属丝的平均直径维持上述范围，可更好地浸渍于热塑性树脂，并且有利于确保金属丝本身的物性。
并且，上述玻璃纤维及上述金属丝的长度不受限制，可将由筒子架连续供给的纤维及金属丝浸渍于热塑性树脂中，并切割成所需要的长度来使用。
上述连续纤维增强复合材料除了上述热塑性树脂、纤维及金属丝之外还可包含添加剂。上述添加剂可以为选自由抗氧化剂、热稳定剂、分散剂、增容剂、颜料及它们的组合组成的组中的一种以上。例如，相对于100重量份的上述热塑性树脂，还可包含约0.5重量份至约3.0重量份的上述添加剂。
连续纤维增强复合材料的制备方法
在本发明一实例中，提供连续纤维增强复合材料的制备方法，上述连续纤维增强复合材料的制备方法包括：将由一个以上的纤维筒子架供给的纤维或由一个以上的金属丝筒子架供给的金属丝浸渍于热塑性树脂中来形成熔融物的步骤；第一成形步骤，利用成形框使上述熔融物的形态成形，在加热管中进行加热，并通过固化形成第一固化物；第二成形，再次利用成形框，使上述第一固化物再次成形，在加热管中进行加热，并经过固化形成第二固化物；以及冷却上述第二固化物之后，进行拉拔及切割来收尾的步骤。
通常的连续纤维增强复合材料的制备方法为拉拔成形。具体地，由数十个的筒子架供给纤维，借助张力(tension)及速度单元(speed unit)来供给的纤维宽广展开，并介于卷绕机而受到拉伸力。之后，纤维一边通过因由挤压机供给的热塑性树脂而浸渍的模，一边浸渍于热塑性树脂中，根据模形状，提取出相同于模形状的形状。之后，经由冷却腔室进行冷却，并按上述形状变硬，并且可经由卷绕机制备作辊形态的连续纤维增强复合材料。
上述连续纤维增强复合材料的制备方法与通常的连续纤维增强复合材料的制备方法相似，然而上述连续纤维增强复合材料的制备方法的目的在于，在一部分筒子架中挂上金属丝来替代现有的纤维，因此将由一部分金属丝来替代仅有纤维的部分。图1为以图示化的方式示出连续纤维增强复合材料的制备方法。
利用金属丝筒子架来替代数个纤维筒子架，从而连续纤维增强复合材料除了热性树脂及纤维之外，可包含金属丝，因上述金属丝可实现高的弯曲强度及延伸率。进而，在需要导电性及热导性的产品中还可使用上述复合材料。
根据上述纤维筒子架或上述金属丝筒子架的位置可调节由上述纤维筒子架供给的纤维或由上述金属丝筒子架供给的金属丝的排列或位置。
具体地，在上述纤维筒子架或金属丝筒子架集中配置于施加冲击的面的相反面的情况下，复合材料的冲击吸收能量变得更大，从而可实现优秀的耐冲击性的复合材料。
并且，可根据纤维筒子架或金属丝筒子架的配置及筒子架的数量等，改变在复合材料中金属丝的含量及与纤维之间的排列形态等。
例如，优选地，当插入相同重量的金属丝时，与插入少量的大金属丝的情况相比，在使复合材料的延伸率及冲击吸收量提高的方面上，插入大量的小金属丝的情况更为优选。
图2的(a)部分为以图示化的方式示出仅包含纤维的连续纤维增强复合材料，图2的(b)部分及图2的(c)部分为以图示化的方式示出包含纤维及金属丝的连续纤维增强复合材料的截面。
参照图2的(a)部分，当进行拉拔成形时，仅包含纤维的连续纤维增强复合材料可根据纤维筒子架的位置调节纤维的位置。相反地，图2的(b)部分及图2的(c)部分为同时包含纤维和金属丝的上述连续纤维增强复合材料的截面，根据由金属丝筒子架来替代纤维筒子架的形态，金属丝的排列及位置可变为多种。例如，可根据金属丝的含有比率及位置来配置金属丝筒子架，从而可制备具有所需形态及物性的连续纤维增强复合材料。
在上述第二成形步骤中的加热温度可高于上述第一成形步骤中的加热温度。具体地，在上述第二成形步骤中的加热温度可以为约200℃至约230℃，在上述第一成形步骤中的加热温度可以为约180℃至约200℃，为了调节纤维及金属丝的含量及所制备的连续纤维增强复合材料的厚度，将在上述第二成形步骤中的加热温度维持为高于在第一成形步骤中的加热温度。并且，上述固化物可在约20℃至约80℃的温度下进行冷却。
以下，公开本发明的具体实施例。然而以下记载的实施例仅用于具体地例示或说明本发明，本发明并不由此受到限制。
实施例及比较例
实施例1
使一根以上的由纤维筒子架供给的直径为16μm的玻璃纤维和一根以上的由金属丝筒子架供给的直径为500μm的不锈钢丝浸渍于聚丙烯树脂来形成熔融物，使上述熔融物在190℃温度下进行第一固化，并且在220℃的温度下，进行第二固化，在40℃温度下，对上述熔融物进行冷却、切割之后，制备了相对于100重量份的聚丙烯树脂，包含60重量份的玻璃纤维及5重量份的不锈钢丝的连续纤维增强复合材料。
实施例2
使一根以上的由纤维筒子架供给的直径为20μm的碳纤维和一根以上的由金属丝筒子架供给的直径为300μm的碳纳米管浸渍于聚丙烯树脂来形成熔融物，使上述熔融物在180℃温度下，进行第一固化，在220℃的温度下，进行第二固化，在50℃温度下，对上述熔融物进行冷却、切割之后，制备了相对于100重量份的聚丙烯树脂，包含30重量份的碳纤维及20重量份的碳纳米管的连续纤维增强复合材料。
比较例1
不经由金属丝筒子架来提供不锈钢丝，因此不包含不锈钢丝，除此之外，与上述实施例1相同地制备了连续纤维增强复合材料。
比较例2
不经由金属丝筒子架来提供碳纳米管，因此不包含碳纳米管，除此之外，与上述实施例2相同地制备了连续纤维增强复合材料。
实验例-连续纤维增强复合材料的物理特性
1)弯曲强度及断裂延伸率：将上述实施例及比较例的复合材料放置于弯曲试验仪中，并利用3轴夹具将复合材料固定于下侧2轴，与负荷传感器(load cell)5kN相连接的中心部的1轴借助载荷下降，并实施弯曲试验。此时，取得了横轴表示张力(strain)(％)值、且竖轴表示压力(stress)(MPa)的曲线(curve)，将此测定为断裂延伸率，将断裂(在最大应力中减少70％)时的最大力量测定为弯曲强度。
2)冲击吸收能量：通过计算根据ASTM D790取得的应力变形度曲线(Stress-Strain Curve)的总面积，测定了冲击吸收能量。
实施例1 实施例2 比较例1 比较例2
弯曲强度(kgf/mm2) 528 1220 503 1180
断裂延伸率(％) 3.72 2.65 2.20 1.70
冲击吸收能量(J) 1.85 2.98 0.95 1.72
参照上述表1，测定出的实施例1及实施例2的弯曲强度、断裂延伸率及冲击吸收能量高于不包含金属丝来形成的比较例1及比较例2。
具体地，可确认如下内容：包含不锈钢丝的实施例1与不包含不锈钢丝的比较例1相比，强度及冲击性能提高，包含碳纳米管的实施例2与不包含碳纳米管的比较例2相比，强度及冲击性能提高。

Claims (13)

1.一种连续纤维增强复合材料，其特征在于，包含热塑性树脂、纤维及金属丝。
2.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，相对于100重量份的所述热塑性树脂，包含20重量份以上的所述纤维、及小于20重量份的所述金属丝。
3.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，所述热塑性树脂为选自由芳香族乙烯基类树脂、橡胶改性芳香族乙烯基类树脂、聚苯醚类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚酯类树脂、甲基丙烯酸酯类树脂、聚亚芳基硫醚类树脂、聚酰胺类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚烯烃类树脂及它们的组合组成的组中的一种以上。
4.根据权利要求3所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，所述聚烯烃类树脂为聚丙烯树脂，所述聚丙烯树脂为丙烯均聚物或乙烯-丙烯共聚物。
5.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，所述纤维为选自由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的一种以上。
6.根据权利要求5所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维的平均直径为5μm至25μm。
7.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，所述金属丝包含不锈钢丝、碳纳米管或轮胎钢丝。
8.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，所述金属丝的平均直径为50μm至700μm。
9.根据权利要求1所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，还包含添加剂。
10.根据权利要求9所述的连续纤维增强复合材料，其特征在于，所述添加剂为选自由抗氧化剂、热稳定剂、分散剂、增容剂、颜料及它们的组合组成的组中的一种以上。
11.一种连续纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将由一个以上的纤维筒子架供给的纤维或由一个以上的金属丝筒子架供给的金属丝浸渍于热塑性树脂中来形成熔融物的步骤；
第一成形步骤，利用成形框使所述熔融物的形态成形，在加热管中进行加热，经过固化形成第一固化物；
第二成形步骤，再次利用成形框，使所述第一固化物再次成形，在加热管中进行加热，经过固化形成第二固化物；以及
冷却所述第二固化物之后，进行拉拔及切割来收尾的步骤。
12.根据权利要求11所述的连续纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，根据所述纤维筒子架或所述金属丝筒子架的位置能够调节由所述纤维筒子架供给的纤维或由所述金属丝筒子架供给的金属丝的排列或位置。
13.根据权利要求11所述的连续纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述第二成形步骤中的加热温度高于所述第一成形步骤中的加热温度。
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