CN107118514B - 热塑型预浸料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热塑型预浸料包含潜伏性树脂和纤维，其中所述潜伏性树脂至少包含树脂和潜伏性硬化剂或起始剂。所述潜伏性树脂包含原地聚合配方，且所述潜伏性树脂在25℃具有500,000cps～70,000,000cps的黏度。所述热塑型预浸料适合用于各种湿式积层工艺。

Description

热塑型预浸料
技术领域
本发明涉及一种用于制造复合产品的预浸料，尤其涉及一种用于湿式积层工艺的热塑型预浸料。
背景技术
预浸料是用于已经含浸有树脂系统的强化织物的普遍用语。预浸料的工艺可用于控制复合产品的树脂含量(resin content，RC)，使可达成低树脂含量的复合产品。例如美国专利号4,024,305描述了一种由环氧树脂制成的预浸料片。
近来，由于回收的需求逐渐受到重视，因此美国专利号4,445,951描述了一种与溶剂封闭在热塑型聚合物的基质的强化细丝。然而，在热塑型预浸料中存在关于含浸不完全的问题，且必须在高温执行后加工成型。
至于市售的热塑型预浸料，为了解决含浸不完全的问题，其需要在高温高压下加工成型。然而，这种热塑型预浸料无法制造具有复杂结构的复合产品。
发明内容
本发明提供一种热塑型预浸料，包含潜伏性树脂和纤维，其中所述潜伏性树脂至少包含树脂和潜伏性硬化剂/起始剂。所述潜伏性树脂包含原地聚合配方(in-situpolymerization formulation)，且所述潜伏性树脂在25℃具有500,000cps～70,000,000cps的黏度。
在本发明的一实施例中，上述原地聚合配方包含反应性聚合配方或自由基聚合配方。
在本发明的一实施例中，上述反应性聚合配方中的树脂包含热塑型环氧树脂、聚氨酯(polyurethane，PU)或聚脲。
在本发明的一实施例中，上述反应性聚合配方包含催化剂、胺类扩链剂(aminechain extender)和环氧化物当量(epoxide equivalent weight，EEW)为250g/mol～650g/mol的环氧树脂，且所述环氧树脂和所述胺类扩链剂以0.9：1至1：0.9的摩尔比制备。
在本发明的一实施例中，上述胺类扩链剂例如双活性氢胺类扩链剂。
在本发明的一实施例中，上述双活性氢胺类扩链剂是选自由以下式(1)至式(3)所表示的化合物中的至少一个，
其中，Ra为C1-C20烷基、C5-C12环烷基、C6-C18芳基或C6-C20芳烷基；Rb为C1-C20烷基或C5-C12芳基；且Rc为C1-C20烷基。
在本发明的一实施例中，上述胺类扩链剂包含硝基苯胺。
在本发明的一实施例中，上述催化剂包含具有苯酚的分子，且所述催化剂与所述热塑型预浸料的重量比介于0％和5％之间。
在本发明的一实施例中，上述反应性聚合配方包含催化剂、双酚型扩链剂和环氧化物当量(EEW)为250g/mol-650g/mol的环氧树脂，且所述环氧树脂和所述双酚型扩链剂以0.9：1至1：0.9的摩尔比制备。
在本发明的一实施例中，上述双酚型扩链剂包括双酚A(bisphenol A，BPA)、双酚F(bisphenol F，BPF)、双酚Z(bisphenol Z，BPZ)、茀-9-双酚(fluorene-9-biphenol)或四溴双酚A(tetrabromobisphenol A，TBBPA)。
在本发明的一实施例中，上述环氧树脂包含双官能基环氧树脂。
在本发明的一实施例中，上述催化剂可为路易斯碱，且所述催化剂与所述热塑型预浸料的重量比为0.1％～5％。
在本发明的一实施例中，上述潜伏性树脂在25℃具有8,000,000cps～70,000,000cps的黏度。
在本发明的一实施例中，上述自由基聚合配方中的所述树脂包括聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚甲基丙烯酸(poly(methacrylic acid)，PMAA)、聚醋酸乙烯酯(polyvinyl acetate，PVAc)或其共聚物。
在本发明的一实施例中，上述自由基聚合配方包括单体、聚合物和起始剂，所述单体包含沸点高于60℃的丙烯酸或乙烯基单体，所述聚合物包括PS、PMMA、PMAA、PVAc或其共聚物。所述起始剂为反应温度高于60℃的过氧化物。
在本发明的一实施例中，上述丙烯酸或乙烯基单体是选自由苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和醋酸乙烯酯所组成的群组中的一个。
在本发明的一实施例中，上述起始剂包括叔丁基过氧化氢(tertbutylhydroperoxide)、氢过氧化异丙苯(cumene hydroperoxide，CHP)或过氧化苯甲酰(benzoylperoxide，BPO)。
在本发明的一实施例中，上述起始剂与单体的重量比为0.1％～2％，且所述单体与所述聚合物的重量比介于10：1和10：50之间的范围。
在本发明的一实施例中，上述潜伏性树脂在25℃具有500,000cps～1,000,000cps的黏度。
在本发明的一实施例中，上述热塑型预浸料还包含填料，用于改善阻燃性(flame-retardance)、耐UV性和耐黄变性(yellowing resistance)中的至少一个。
基于上述，本发明的热塑型预浸料由于潜伏性树脂在25℃具有500,000cps-70,000,000cps的黏度，所以这样的热塑型预浸料能够经由各种湿式积层工艺制造复合产品。因此，本发明的热塑型预浸料适合用于制造具有复杂结构的复合产品且能回收。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是使用依照本发明的一实施例的一种热塑型预浸料制作复合产品的步骤图；
图2是说明实例1在不同温度下的黏度变化的曲线图；
图3是说明实例2在不同温度下的黏度变化的曲线图；
附图标记：
100、102、104、106、108：步骤
具体实施方式
在本发明的一示范性实施例中，热塑型预浸料包含潜伏性树脂和纤维，其中所述潜伏性树脂至少包含(原料)树脂以及潜伏性硬化剂或起始剂。潜伏性树脂包含原地聚合配方，例如反应性聚合配方或自由基聚合配方。所谓的“潜伏性树脂”是指在低温(即：60℃或小于60℃)稳定且可在高温(取决于树脂配方例如：80℃～200℃)聚合的树脂。此外，在示范性实施例中的潜伏性树脂不具有溶剂，且不透过原地聚合产生小分子副产物。上述潜伏性树脂在25℃具有500,000cps～70,000,000cps的黏度；较佳地，潜伏性树脂在25℃具有500,000cps～65,000,000cps的黏度；更佳地，潜伏性树脂在25℃具有750,000cps～59,000,000cps的黏度。若黏度小于500,000cps，则不利于膜的形成；若黏度超过70,000,000cps，则难以堆叠多层预浸料。热塑型预浸料若包含填料，可用于改善例如阻燃性、耐UV性和耐黄变性中的至少一种特性。
在所述反应性聚合配方中，用于潜伏性树脂的树脂可为热塑型环氧树脂、聚氨酯(PU)或聚脲，但本发明并不限于此。在所述自由基聚合配方中，用于潜伏性树脂的树脂可为聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)或其共聚物，但本发明并不限于此。
举例来说，若原地聚合配方为反应性聚合配方，则可包含催化剂、胺类扩链剂和环氧化物当量(EEW)为250g/mol～650g/mol的环氧树脂，且所述环氧树脂和所述胺类扩链剂例如是以0.9：1至1：0.9的摩尔比制备。胺类扩链剂例如是双活性氢胺类扩链剂。
上述双活性氢胺类扩链剂例如是选自由以下式(1)至式(3)所表示的化合物中的至少一个：
其中，Ra为C1-C20烷基、C5-C12环烷基、C6-C18芳基或C6-C20芳烷基；Rb为C1-C20烷基或C5-C12芳基；且Rc为C1-C20烷基。
在一实施例中，上述胺类扩链剂包含硝基苯胺或其他适合的扩链剂。上述环氧树脂例如包含双官能基环氧树脂的混合物，但本发明不限于此。再者，EEW为250g/mol～650g/mol的环氧树脂也可为单一双官能基环氧树脂。此外，在这样的实施例中，上述催化剂例如具有苯酚的分子。而催化剂与热塑型预浸料的重量比例如介于0和5％之间；较佳是大于0且小于5％。根据此反应性聚合配方，潜伏性树脂例如在25℃具有8,000,000cps～70,000,000cps的黏度；较佳是具有8,000,000cps～59,000,000cps的黏度。
在其他实施例中，若原地聚合配方为另一反应性聚合配方，则例如包含催化剂、双酚型扩链剂和EEW为250g/mol～650g/mol的环氧树脂，且所述环氧树脂和所述双酚型扩链剂例如是以0.9：1至1：0.9的摩尔比制备。双酚型扩链剂例如包含BPA、BPF、BPZ、茀-9-双酚或TBBPA。EEW为250g/mol～650g/mol的环氧树脂可为单一树脂或双官能基环氧树脂的混合物。在这种实施例中，催化剂例如路易斯碱。所述催化剂与所述热塑型预浸料的重量比例如0.1％～5％。根据此反应性聚合配方，潜伏性树脂例如在25℃具有8,000,000cps～70,000,000cps的黏度；较佳是具有8,000,000cps～59,000,000cps的黏度。
在另一实施例中，若原地聚合配方为自由基聚合配方，则例如包含单体、聚合物和起始剂。所述单体例如沸点高于60℃的丙烯酸或乙烯基单体。所述丙烯酸或乙烯基单体例如是选自由苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和醋酸乙烯酯所组成的群组中的一个。所述聚合物例如聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)或其共聚物。所述起始剂例如反应温度高于60℃的过氧化物，且所述起始剂例如叔丁基过氧化氢、氢过氧化异丙苯(CHP)或过氧化苯甲酰(BPO)。起始剂与单体的重量比例如为0.1％～2％，且单体与聚合物的重量比例如介于10：1和10：50之间的范围。根据此自由基聚合配方，潜伏性树脂例如在25℃具有500,000cps～1,000,000cps的黏度。含有自由基聚合配方的热塑型预浸料例如在低于0℃的环境下保存，如在-18℃保存。
图1是使用依照本发明的一实施例的一种热塑型预浸料制作复合产品的步骤图。
请参照图1，在步骤100中，制备热塑型预浸料。所述热塑型预浸料是在40℃～100℃下，藉由将纤维含浸于潜伏性树脂而制造。潜伏性树脂与上述实施例相同，因此不再赘述其细节。此外，在步骤100中，可将填料添加至热塑型预浸料中，用以改善阻燃性、耐UV性和耐黄变性中的至少一种特性。
接着，在步骤102中，湿式积层工艺。举例来说，前述湿式积层工艺可为高压(Autoclave)成型、吹出成型(blow molding)、真空袋成型(vacuum bag molding)、绕曲成型(flexible molding)、热压成型(hot press molding)等。
接着，在步骤104中，固化步骤102所形成的热塑型预浸料，且可藉此制作出所述复合产品。这道固化的步骤例如在高温(例如：60℃～180℃)执行30分钟至24小时。
在步骤104之后，可选择执行步骤106或步骤108。在步骤106中，可视需要修整复合产品。在步骤108中，由于热塑型预浸料的特性，复合产品可被回收。
以下将进行各种实验来证实本发明可达成的效果，而所保护的范围并不限于下文中的描述。
实例1
原材料：
胺类扩链剂：3-硝基苯胺；
环氧树脂：BE-188(环氧化物当量＝186g/mol),BE-501(环氧化物当量＝475g/mol)(长春人造树脂厂股份有限公司)；
催化剂：双酚A
将含有2.07克的3-硝基苯胺、7.5克的BE-501、2.5克的BE-188和0.2克的双酚A的混合物在120℃下搅拌30分钟，以获得深橘色澄清树脂(即：潜伏性树脂)。然后，在不同温度下量测所获得的树脂的黏度，且结果示于图2。在室温下，所获得的树脂的黏度约8,000,000cps至70,000,000cps。将所获得的潜伏性树脂放置7天后，其黏度没有明显的改变。
在图2中显示树脂的黏度在31.416℃约为59062.8Pa.s(单位转换为59,082,800cps)。在70℃～80℃，黏度约为1,000cps-30,000cps，因此，潜伏性树脂适合形成膜。在120℃，黏度低于1,000cps，所以潜伏性树脂容易含浸至碳纤维中。
此外，将实例1的潜伏性树脂在180℃固化2小时之后，可形成热塑型预浸料(Mw＝20,000～25,000)。
实例2
原材料：
单体：苯乙烯单体(纯度＞99％，Sigma-Aldrich)；
聚合物：聚苯乙烯粉末(Mw＝35,000，购自Sigma-Aldrich)；
起始剂：CHP(购自Sigma-Aldrich)
将50克的聚苯乙烯粉末溶于添加1wt％CHP的25克苯乙烯单体中，以获得混合物。将混合物在40℃下以行星式搅拌器搅拌10分钟，以形成高黏度树脂(即：潜伏性树脂)。然后，在不同温度下量测所形成的树脂的黏度，且结果示于图3。潜伏性树脂在室温下可放置7天或在低于0℃可放置1个月。
在图3中显示树脂的黏度在室温约为750,000cps。在90℃，黏度约为99,000cps，因此，潜伏性树脂适合形成膜且容易含浸至纤维中。
此外，将实例2的潜伏性树脂在80℃固化24小时之后，可形成热塑型预浸料。
制备1
在80℃以手积层(hand layup)方式，以实例1的潜伏性树脂含浸3K编织碳纤维布。详细而言，将50克的实例1的潜伏性树脂在80℃预热，将离型片放置在加热板上，接着再将碳纤维布放置在离型片的离型面上。待碳纤维布的温度提升至80℃后，将潜伏性树脂施加至碳纤维布，再以滚轮进行手积层。待完全含浸碳纤维后，在其上放置另一离型片，且离型面面向含浸的碳纤维。冷却之后，可获得热塑型预浸料。
制备2
在90℃以手积层(hand layup)方式，以实例2的潜伏性树脂含浸3K编织碳纤维布。详细而言，将50克的实例2的潜伏性树脂在90℃预热，将离型片放置在加热板上，接着再将碳纤维布放置在离型片的离型面上。待碳纤维布的温度提升至90℃后，将潜伏性树脂施加至碳纤维布，再以滚轮进行手积层。待完全含浸碳纤维后，在其上放置另一离型片，且离型面面向含浸的碳纤维。然后，将离型片和夹于离型片之间的含浸的碳纤维以热滚轮压过，以确保潜伏性树脂均匀分散。在冷却之后，可获得热塑型预浸料。
基于上述，根据本发明，可将热塑型预浸料中的潜伏性树脂的黏度控制在特定范围，所以可应用于现有的湿式积层工艺而不需工艺调整。由于热塑型预浸料可使用于湿式积层工艺，所以可实现例如连续中空管件、多向的堆叠或运动用品(例如：曲棍球竿、网球拍、羽球拍等)具有复杂结构的产品的制作。此外，可修整由本发明中的热塑型预浸料所制成的复合产品，所以也容易修复其表面。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。

Claims (8)

1.一种热塑型预浸料，其特征在于所述热塑型预浸料包括：
潜伏性树脂和纤维，其中所述潜伏性树脂包括树脂以及潜伏性硬化剂或起始剂，
所述潜伏性树脂包括原地聚合配方，其中所述原地聚合配方包括自由基聚合配方；以及
所述潜伏性树脂在25℃具有500,000cps～70,000,000cps的黏度。
2.根据权利要求1所述的热塑型预浸料，其特征在于所述自由基聚合配方中的所述树脂包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸、聚醋酸乙烯酯或其共聚物。
3.根据权利要求1所述的热塑型预浸料，其特征在于所述自由基聚合配方包括单体、聚合物和所述起始剂，所述单体包括沸点高于60℃的丙烯酸或乙烯基单体，所述聚合物包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸、聚醋酸乙烯酯或其共聚物，且所述起始剂为反应温度高于60℃的过氧化物。
4.根据权利要求3所述的热塑型预浸料，其特征在于所述丙烯酸或乙烯基单体是选自由苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸和醋酸乙烯酯所组成的群组中的一个。
5.根据权利要求3所述的热塑型预浸料，其特征在于所述起始剂包括叔丁基过氧化氢、氢过氧化异丙苯或过氧化苯甲酰。
6.根据权利要求3所述的热塑型预浸料，其特征在于所述起始剂与所述单体的重量比为0.1％～2％，且所述单体与所述聚合物的重量比介于10：1和10：50之间的范围。
7.根据权利要求3所述的热塑型预浸料，其特征在于所述潜伏性树脂在25℃具有500,000cps～1,000,000cps的黏度。
8.根据权利要求1所述的热塑型预浸料，其特征在于所述热塑型预浸料更包括填料，用于改善阻燃性、耐UV性和耐黄变性中的至少一个。
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