CN107234744B - 纤维模塑预制件合成物及用于预制件形成的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一用于热固性树脂合成物模塑的预制件，其通过加工形成一系列的模塑的和纤维增强的产品用于很多方面的应用如车辆配件包括床线，车身组件，修边，内部组件，和车底组件；建筑学组件如修边和门，船舶组件包括船体，修边和驾驶舱零件；以及相似的结构在航天航空设置中。一新颖的悬浮液合成物，一新颖的离心机过程，或者其结合提供了质量上等的预制件相比于常规技术下有更大的吞吐量。抑制纤维在纤维接触模具或纤维已经在模具上就位的时间，以及所述的纤维在设置的位置时的时间之间的运动提供了一个相对于现有的悬浮技术更优越的纤维均匀性和随机取向并且有助于低废料产生且工件形状和纤维材料方法灵活。

Description

纤维模塑预制件合成物及用于预制件形成的方法
本申请为申请日是2014.01.29、申请号是201480018702.0、发明创造名称是“纤维模塑预制件合成物及用于预制件形成的方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张序列号为61/757,913、申请日为2013年1月29日的美国临时申请的优先权，据此，其内容通过引用的方式并入。
技术领域
本发明通常涉及纤维增强性热固性预制件而且，更具体地说，涉及一种用于在纤维预制件中控制纤维沉淀的方法和设备。
背景技术
纤维填充器是很有代表性地添加至一热固性树脂如那些用于片状模塑料(SMC)或团状模塑料(BMC)中以提供一系列的用于合成产品的可调节特征。填充器常规地添加以减少产品成本，更改提前加工好的负载树脂粘度，控制产品收缩，控制表面光洁度、密度、可燃性、导电性、耐化学性、产生的热固性配方的强度。微粒填充料代表性的数量占从0–80％总重量百分比及典型的粒子填充料尺寸从0.1到50微米。除了颗粒填料，纤维填充物通常出现在热固性树脂配方中以提供相对于颗粒填充料的合成产品的增强的强度。纤维填料传统上包括玻璃、碳、聚酰亚胺、聚酯、聚酰胺和天然纤维如棉、丝、麻。当加强限位在固化聚合物基质中随机定向时有最佳的三维强度。
由于纤维增强热固性树脂具有吸引人的特性在于高强度重量比和形成压力的表面构造的能力，片状模塑料长期以来被认为是在汽车和航空航天应用替代金属体组件。虽然曾多次尝试开发模型来创建预先形成，这些通常依赖于从以需要的预制件形状为轮廓的屏上的悬浮液中捕捉纤维的过程，紧随其后的是为了形成预制件形状的二次干燥。热塑性粘结剂已被用于和加热一起设定纤维为预制件形状。然后预加工进行可选的修剪和浸渍活性树脂通过反应注射成型过程形成一个复合的产品。一模塑技术详述如美国专利4,849,147。一上升屏幕预加工过程和设备提供例如美国专利6,086,720。
为了获得质量可靠的用于汽车和其他高严格度的应用的产品，所述的纤维预成型有片对片成分和在预制件的不同区域的统一的纤维密度是很重要的。典型地，预制件倾向于在靠近边缘处积累过多的纤维，而中心地区往往是纤维不足。纤维密度的不均匀性以及一定程度的不良纤维优先定位是由于在预制件成型屏和纤维位置的预制件设置接触之间的纤维运动。玻璃纤维在观察到有一个纤维聚合度在悬浮液中的公称角度导致形成一个定向的纤维丛在预制件中，这些朝向聚合的趋势对于其他类型的纤维例如碳纤维和纤维素类纤维更为明显。随着不同技术被开发，悬浮液预制件与有限的形成粗加工、不均匀性的纤维密度问题仍存在。
因此，存在一需要用于纤维浆合成物和装置来实现更大程度的在悬浮液派生预制件的纤维密度一致性。也存在需要形成具有比通过水槽浸入屏幕模具获得的更大的吞吐量的预制件的方法。
发明内容
悬浮液预制件合成物包括数个有平均纤维长度和纤维直径的纤维；一分散剂分子或单体有通式(R1)2-C＝N-R2或R3-吡咯烷，(R1)2-C＝N-R2或R3-吡咯烷，其中R1在每个实例是独立H，C1-C6烷基，C1-C6烯基，并且C1-C6烷基具有取代基，取代基为H，OH，COOH，NH2，NHC1-C6烷基或R1在两个实施例中都满足形成一5或6成员的环形结构；R2为C1-C6烷基，OH，并且C1-C6烷基有取代基，所述的取代基为H，OH，COOH，NH2，NH(C1-C6烷基)；或R1和R2结合形成一5或6成员的环形结构且R3是H、C1-C6烷基、C1-C6羧基、C1-C6羟基，或C1-C6氨基。以及一溶剂形成所述的数个纤维和所述的分散剂的悬浮液。
附图说明
本发明进一步结合以下附图详述，目的是表示本发明的某些方面，但不应被解释为限制本发明。
图1为本发明的产生纤维预制件的一创造性系统设备的示意的部分纵向剖面图；并且
图2为图1中描述的创造性系统的离心机的横向剖视图。
具体实施方式
本发明实用性地提供一用于热固性树脂合成物模塑的预制件以加工形成一系列的模塑的和纤维增强的产品。这样的产品有很多方面的应用如车辆配件如床线、车身组件、修边、内部组件、和车底组件；建筑学组件如修边和门，船舶组件如船体，修边和驾驶舱零件；以及相似的结构在航天航空设置中。已被证实通过依赖一新颖的悬浮液合成物，一新颖的离心过程，或者其结合创造出质量上等的预制件相比于常规技术下有更大的吞吐量。更惊人的发现是抑制在纤维接触模具或纤维已经在模具上就位的时间，以及所述的纤维在设置的位置的时间之间的纤维运动提供了一个相对于现有的悬浮技术更优越的纤维均匀性和随机取向。本发明有助于低废料产生，工件形状和纤维材料的方法灵活性。
要理解在提供了值的范围的实例中，范围不仅旨在涵盖范围的终点值，还有范围的中间值也显式地包含在范围和因范围的最后有效数字而变化。举例来说，一范围1至4意思是包括1-2，1-3，2-4，3-4，和1-4。
在本发明的一个实施例中，悬浮液的形成包括具有给定直径已经削减到预定长度的纤维来源；所述的纤维和添加剂在溶剂中。所述的添加剂包括一分散剂，微粒填充料以促进干燥，粘结剂，或其组合物。一创造性的悬浮液通过常规预加工系统应用或与一创造性的离心预加工系统一起使用。
一创造性的悬浮液的溶剂主要只取决于使用性能和与模塑材料，纤维，悬浮液添加剂的兼容性。这里使用的溶剂解释性地有水，C1-C12醇类、甲苯、(C1-C6烷基)-C1-C6酯、(C1-C6)2C＝O酮、以及其易混合的组合物。为了满足挥发性有机化合物(VOC)和废物处理的限制，在确定的创造性实施例中，所述的悬浮液为水溶性的。如下述的详细说明，也提供了一种拥有溶剂循环的独立的悬浮液以避免溶剂VOC内容和处理的担忧。
创造性的一悬浮液合成物中使用的纤维包括玻璃；碳棒；聚酰亚胺；多元酯；聚酰胺和天然纤维如麻，藤，竹，黄麻，稻草，丝绸，稻草屑，坚果壳，谷物外皮，草，棕榈树叶，椰壳；以及其组合物。预制件形成使用的纤维标准常规长度范围是0.05至5厘米(cm)。纤维直径优选地基于商业来源在大范围变化，其中玻璃纤维的常规直径为0.03至0.5毫米(mm)；碳纤维的常规直径为0.005至0.1mm；以及天然纤维的常规直径为0.01至0.3mm。更优选地超出上述常规范围的纤维直径存在且被确定为在本发明的范围内。
水基悬浮液中疏水纤维的使用在本发明中被大力推广，包括一分散剂有助于分拆否则会产生随机的和独立的分散纤维包括小分子或有分子量小于500原子质量单位并且有通式为(R1)2-C＝N-R2或R3-吡咯烷的单体，其中R1在每个实例是独立H，C1-C6烷基，C1-C6烯基，并且C1-C6烷基具有取代基，取代基为H，OH，COOH，NH2，NH C1-C6烷基；或R1在两个例子中都包括形成一5或6成员的环形结构；R2是C1-C6烷基，OH，并且C1-C6烷基具有取代基，取代基为H，OH，COOH，NH2，NH C1-C6烷基；或R1和R2结合形成一5或6成员的环形结构并且R3是H，C1-C6烷基，C1-C6羧基，C1-C6羟基，或C1-C6氨基。堪称典范的分子分散剂包括咪唑啉、胍类、肟类和脯氨酸。典范的聚合分散剂包括聚合咪唑啉例如美国专利3,288,707中详述的含有基于2-乙烯基咪唑啉。一现有常规的分散剂在总悬浮液合成物占重量百分比的0.01至1％。
用于天然纤维素纤维的分散剂包括一常规离子表面活性剂，或者一配套离子电荷的胶质填充料。这样的填充料解释性地包括硅胶，碳酸钙，云母，黏土，以及其组合物。胶质填充料常规直径在存在于悬浮液的天然纤维直径的0.001和3倍之间。
为了促进一快速粘度构型随着所述的溶剂从一创造性的悬浮液中移除，在确定的实施例中提供了一聚合粘合剂。所述的粘合剂限制了纤维在模具表面悬浮液除去水或其他溶剂以干燥的力作用下迁移的能力。这里使用的结合剂在水基悬浮液中解释性地包括木质素磺酸盐；蛋白质例如白蛋白；聚乙二醇和特别是分子量为600至1000之间的那些；聚乙烯醇，果胶和烷基化的纤维素，以及其组合物。用于疏水悬浮液的结合剂解释性地包括聚乙烯吡咯烷酮，聚苯乙烯，以及其组合物。一结合剂典型地占悬浮液总重量的大于1％。
一创造性的悬浮液在部分实施例中也包括在热辐浴照下的预制件速干的填充料。常规SMC的导热系数大约为0.3至0.7W/m-K；玻璃和天然纤维也有低导热系数。这里使用的高导热系数填充料解释性地包括数值为8-70W/m-K(pan)和20-1000W/m-K(pitch)的碳纤维，氮化铝260W/m-K，氮化硼300W/m-K，石墨600W/m-K，或炭黑，氧化铝，或者其组合物。优选地是碳纤维基悬浮液已经有高导热系数值并且不需要添加主要纤维至悬浮液中。这也是显然的所述的二元填充物的包含物倾向于增加合成SMC的密度如此以至在应用中全部产品密度最小化，这样的填充物在有限的数量下使用。顺磁性特征的合成填充剂在纤维基质层中允许所述的预制件通过改良的纤维浸透性和快速固化周期的感应加热来快速加热。所述的顺磁性特征避免了预制件超过顺磁性颗粒的居里温度的过热现象。钆和CrO2的顺磁性填充料的居里温度为292和386开尔文，分别各自或结合用于促进自我限制感应加热。一创造性的悬浮液中高导热系数填充物或顺磁性填充物占悬浮液总重量百分比的0.0001至1％。
在部分实施例中一创造性的悬浮液还包括额外的添加剂以促进悬浮液的操作和储存。这样的额外添加剂包括螯合剂，抗菌剂，消泡剂，抗静电剂，以及其组合物。这样的额外添加剂，如果存在，一常规的单独存在悬浮液中占总悬浮液配方总重量的0.00001至0.01。
创造性的一悬浮液用于传统的预成型装置效果好，还提供了一个系统减少了液槽和装置的封装同时实现更高的吞吐量和预成型过程的控制。一创造性的系统如图1和2所示并以标记10表示。提供一包括常规纤维悬浮液，或此处详述的一创造性的悬浮液的液槽12。提供一气泡14，机械搅拌器16或其组合保证所述的悬浮液在液槽12中均匀并且包括如果存在则良好分散的纤维和填充料。在液槽12中的悬浮液形成一有一至多个排放阀组18和18’的流体通道。所述的排放阀组18和18’有多个开口20和20’开口于阀门22和22’，分别地释放悬浮液至篮式离心机的内部，以标记24表示。优选地所述的开口20可以沿着排放阀组18或18’的长度变化尺寸。在确定的实施例中，如从阀组18所示，所述的开口20随着至阀门22的末梢距离增大而尺寸增大以承担最接近的开口的压力下降和由此产生沿着阀组18的长度的悬浮液更均匀的分布。开口20’在阀组18’的有限长度内示出以应用需要的附加悬浮液来增厚产生预制件的特殊部分。优选地一单独开口，特别是一延长的开口或一歧管也在这里使用于垂直移动至传送悬浮液。离心机24有一提篮26安装至固定腔28内。一马达30同心地安装于所述的提篮26经过一主轴32以减少所述提篮26的旋转运动。所述的提篮26有多个插槽34隔开以适应多重旋转平衡的预加工模具36。所述的模具36可渗透的使得所述的悬浮液溶剂通过于此且保留纤维，填充料，如果存在，以及覆盖模具表面39的纤维和填充料的添加剂。所述的模具表面39与需要的预制件有互补的尺寸。一液体通道形成于通过一提篮26外部的模具36的开口20或20’至溶液排水管38。当所述的提篮26在相邻安装槽对之间的区域如图2所示为固体时，优选地在一些实施例中在模具36之间的提篮区域与排水管38也液体流通。举例说明当所述的在模具36之间的提篮区域是固体的，提供一从提篮26的内部的纤维排出管40以促进不停留在模具36上的纤维再循环。
在部分实施例中的系统10，提供一蓄水池42与输送管44液体流通以允许一添加材料至一模具36中的应用。优选地所述的添加材料易于在所述的悬浮液程序之前，之中或之后应用。应用的材料解释性地包括脱模剂，单独的粘结剂，脱水剂，填充料，以及其组合物。优选地通过阀门22，22’，和46的控制，其中添加剂和悬浮液的脉冲序列应用于一模具36以产生具有深冲压模具用于高柔软产品特别需要的控制干燥和强度性能的预制件。也需要注意所述的蓄水池42中的材料也可应用于一仅在模具表面39或模具表面39上预制件的控制方式，在此应用过程中不需要旋转所述马达30。这有益于限制浪费和促进纤维通过排水管40的循环。
蓄水池42的材料解释性地包括一种在悬浮液中除去后和暴露在SMC之前预处理天然纤维素填充料以减少天然纤维素填充料的亲水作用从而擦拭所述的填充料以提供与在热固形式SMC或BMC产品上热固性配方中应用的普通的疏水单体和寡聚物更兼容的填充料。通过减少所述的天然纤维素填充料的亲水特性，生产这种产品是减少环境负担的同时相对于相同的未进行天然纤维素填充料预处理而成形加工的产品，所述的生成产品的特性得到改善。降低密度通过包括创造性的填充料都大于0.1密度单位和一些实施例中基于替换更高密度无机填料在0.1和0.4单位之间。结果是，产品在密度1.1至1.5之间易于成形，其中密度单位为克每立方厘米。根据本发明，所述的天然纤维素填充料的亲水性通过倍半硅氧烷(SQ)，异氰酸盐的预处理，通过有机酸或有机酸基处理，或其结合被降低。
还提供当所述的材料包括外径在10至40微米之间的中空玻璃微球体时的低密度SMC。选择性的，其他填充料例如穿插着纤维的塑料微粒沉积在模具表面39以提供一大开口容量网状物以促进SMC在此渗透。
另一个材料十分特别适合增强产品的强度包括表面羟基例如天然纤维素，玻璃纤维，并且玻璃微球是结合亲水羟基表面的表面活化剂。所述的表面活化剂在确定的实施例中为烷氧基硅烷其中硅烷与羟基反应的功能表面的纤维或微球。所述的用于二氧化硅和玻璃纤维的表面活性剂解释性地包括：
3-氨丙基三甲氧基硅烷，3-氨基丙基三乙氧基硅烷，3-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷，3-环氧丙氧丙基三乙氧基硅烷，(3-环氧丙氧丙基)双(三甲基硅氧基)甲基硅烷，(3-环氧丙氧丙基)甲基二乙氧基硅烷，(3-环氧丙氧丙基)二乙氧基硅烷，(3-环氧丙氧丙基)甲基二甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧甲基三乙氧基硅烷，甲基丙烯酰氧甲基丙基三甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧丙基二乙氧基硅烷，甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧丙基甲基二甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧基硅烷，甲氧基甲基三甲基硅烷，3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷，3-甲基丙烯酰二甲基氯硅烷，甲基丙烯酰氧丙基甲基二氯硅烷，甲基丙烯酰三氯硅烷，3-异氰酸根合二甲基氯硅烷，3-异氰酸根合三乙氧基硅烷，双(3-三乙氧基丙基)四硫化物，以及其组合物。在其他实施例中，所述的硅烷表面活化剂包括一个不饱和活性自由基交联条件下以共价结合在中空玻璃微球周围的SMC或BMC基质。
在本发明的其他一些实施例中所述的悬浮液包括一蛋白粘合剂，所述的材料包括戊二醛以增强蛋白交联以通过形成蛋白基质来建立在二次品材料中预制件的强度。
本发明中的部分实施例中，在所述的提篮26的外部区域和所述的腔28内引入一真空吸尘器以促进溶剂穿过所述的模具36。在其他实施例中，提供一烘干机48。所述的烘干机48解释性地包括一红外线灯，一热风排气总管，一电阻加热元件，或其组合物。
在使用中，所述的提篮以相对于悬浮液从阀组18或18’释放的速度旋转以限制纤维在接触所述的模具表面39后的运动。优选的吸尘器抽取外部至所述的提篮26是旋转速度和悬浮液测量的考虑因素。悬浮液从阀组18和阀组18’处测量，如果存在，以建立一预选的纤维和其他悬浮液添加剂的厚度。其他材料也应用于按期望贯穿输送管44直至一组合需要的预制件被生产。烘干机48随后激活以减少所述的预制件在所述的磨具表面39的溶剂水平至一预选的强度水平。
在本发明的部分实施例中，一模具36随后从所述的提篮26移除并受到额外的处理例如设置在一从离心机24的远端的加热室或清洁。一新模具随后置于插槽34并生产一批新的预制件。
在本说明书中提及的任何专利或出版物中在此合并参考至所述的相同程度正如每个独立出版物是特别地和单独地提及合并参考。
上述描述是说明特定发明的实施例的，但并不意味着在实践上限制。

Claims (3)

1.一悬浮液预制件合成物， 包括：
数个有一平均纤维长度和纤维直径的纤维，所述的数个纤维仅为玻璃纤维；
一分散剂分子或单体其通式为(R1)2-C＝N-R2或R3-吡咯烷， 其中R1在每个实例是独立H、C1-C6烷基、C1-C6烯基，并且C1-C6烷基具有取代基，所述的取代基为H，OH，COOH，NH2，NHC1-C6烷基或R1在两个例子中都包括形成一5或6成员的环形结构；R2是C1-C6烷基，OH，并且C1-C6烷基具有取代基，所述的取代基为H、OH、COOH、NH2、NH C1-C6烷基；或R1和R2结合形成一5或6成员的环形结构并且R3是H、C1-C6烷基、C1-C6羧基、C1-C6羟基，或C1-C6氨基；以及一溶剂形成所述的数个纤维和所述的分散剂的一悬浮液；
还包括一顺磁性填充料；
还包括至少有氮化铝、氧化铝、氮化硼、炭黑或石墨的填充料；
还包括一粘合剂。
2.根据权利要求1所述的合成物，其特征在于，所述的粘合剂至少为木质素磺酸盐、蛋白质、聚乙二醇、聚乙烯醇、果胶或烷基化的纤维素中的一种。
3.根据权利要求1所述的合成物，其特征在于，所述的溶剂为水。
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