CN108367507A - 带 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带，包含至少一个层，所述层包含a.无端纤维，与所述层的总体积相比，所述无端纤维的总量为至少40体积％；和b.包含一种或多种聚酰胺的热塑性基质，所述聚酰胺含有一种或多种脂族单体单元；和c.可选地热稳定剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、脱模剂、UV稳定剂、冲击改性剂、光吸收添加剂以及它们的组合；其中所述一种或多种聚酰胺具有至少5.5且小于10的CH2‑比率，所述CH2‑比率通过如下计算：‑识别所述一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；‑确定对于这些不同的脂族单体单元中每种脂族单体单元来说的每个脂族单体单元中CH2基团的数目；‑计算如此确定的CH2基团数量的总和；将所述总和除以所述一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；仅考虑相对于所述一种或多种聚酰胺的总重量，以至少10重量％的量存在于所述一种或多种聚酰胺中的脂族单体单元。本发明涉及通过采用这些带制备的容器。

Description

带
本发明涉及包含无端纤维和热塑性基质的带(tape)及其应用(例如压力容器)和使用该带制备容器的方法。
带，也被称为带状物(band)和层压材料(laminate)，是已知的，并且例如在US2014/272227中进行了描述。本公开描述了一种生产层压材料的方法，其中无端纤维与一系列热塑性材料一起使用。这些层压材料的一个缺点是它可能会暴露在酸中，从而导致产品的失效。特别是在容纳气体和/或液体的压力容器中，这种性质是必不可少的。压力容器在产品的整个使用寿命期间都必须是安全的，并且不可以由于暴露于例如酸性介质(如电池酸、酸雨等)而失效。
因此，本发明的目的是提供与现有技术相比对酸具有更高耐受性的带。令人惊讶的是，根据本发明的带表现出较高的耐酸性(如通过如下所示的实验所证明的)，所述带包含至少一个含有下列的层：
a.无端纤维，与所述层的总体积相比，所述无端纤维的总量为至少40体积％；
b.包含一种或多种含有一种或多种脂族单体单元的聚酰胺的热塑性基质；和
c.可选地热稳定剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、脱模剂、UV稳定剂、冲击改性剂、光吸收添加剂以及它们的组合；
其中所述一种或多种聚酰胺具有至少5.5且小于10的CH2-比率，所述CH2-比率通过如下计算：
·识别一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；
·确定对于这些不同的脂族单体单元中每种脂族单体单元来说的每个脂族单体单元中CH2基团的数目；
·计算如此确定的CH2基团数量的总和；
·将所述总和除以一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；
仅考虑相对于所述一种或多种聚酰胺的总重量，以至少10重量％的量存在于一种或多种聚酰胺中的脂族单体单元。令人惊讶的是，与包含普通聚酰胺如PA-6和PA-66的带相比，根据本发明的带对酸具有更高的耐受性。该带可以有利地用于压力容器中，因为这产生了将高机械性能与较高耐酸性相结合的压力容器。当例如在容器中使用时，根据本发明的带表现出更高的爆破压力，并且允许再循环到主要应用中。
带
带在本文中被理解为具有纵向方向、宽度、厚度和横截面纵横比(即厚度与宽度的比率)的细长体。所述横截面被限定为基本垂直于带的纵向方向。带的纵向方向或机器方向基本上对应于无端纤维的取向。本发明的带的长度尺寸没有特别的限制。长度可以超过10km，主要取决于无端纤维和生产带的方法。尽管如此，根据预想应用的要求，为了方便起见，可以将所述带制造成更小的尺寸。
根据本发明的带可以具有在100微米至1000微米之间的厚度并且可以厚至1000微米。如果用于其中使用带缠绕的应用，由于较厚的带更难缠绕，厚度优选在100微米和500微米之间。
宽度在本文中被理解为在带的横截面的周长上的两点之间的最大尺寸，所述横截面垂直于带的长度。厚度在本文中被理解为在所述横截面的周长上的两点之间的距离，所述距离垂直于带的宽度。带的宽度和厚度可以根据本领域已知的方法测量，例如，分别在尺子和显微镜或千分尺的帮助下进行。
根据本发明的带包含至少一个层并且因此可以是单层或两层或甚至更多层，如果带具有不止一个层，则它也被称为多层的。如果带是多层的，则带可以包括另外的层，例如铝、聚合物组合物(例如聚酰胺和EVOH)。带还可以包含不含无端纤维的另一层。优选地，带由一层构成，因为这有利于带的制备。
令人惊奇的是，根据本发明的带展示出较高的耐酸性和较低的蠕变。这对于需要高结构完整性并易于暴露于酸的应用是有利的，例如用于汽车工业的容器。
令人惊讶的是，根据本发明的带显示出良好的挠曲强度。
带的厚度通常在10微米到1毫米之间。厚度较厚的带难以处理，并且由于无端纤维也具有一定的直径，所以难以生产较薄的带。优选地，带的厚度在50-500微米之间，更优选在100-300微米之间，甚至更优选在150-250微米之间。
带的宽度通常在5mm和10.0cm之间，优选在1cm和8cm之间，更优选在2cm和6cm之间。如果带的宽度较小，则需要更多次缠绕，因此耗费大量能量和时间。如果带的宽度非常大，则在一个缠绕步骤中可以覆盖更大的区域，但是在曲面上缠绕更加困难并且导致效率低下。
根据本发明的带可以通过以下方法制备：提供无端纤维并将其铺展并供料到热塑性基质的熔体中，随后冷却以形成带。
热塑性基质在本文中被理解为包含至少一种或多种聚酰胺，但也可以包含其他热塑性聚合物和可选地其他添加剂。基质也可以由一种或多种聚酰胺组成。
无端纤维在本文中被理解为指至少一根无端的(无限长的，endless)纤维，并且还可以指更多纤维。
聚酰胺
根据本发明的带包含至少一个含有热塑性基质的层，所述热塑性基质包含一种或多种聚酰胺，所述聚酰胺含有一种或多种脂族单体单元，其中所述一种或多种聚酰胺具有至少5.5且小于10的CH2比率，所述CH2-比率通过如下计算：
·识别所述一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；
·确定对于这些不同的脂族单体单元中每种脂族单体单元来说的每个脂族单体单元中CH2基团的数目；
·计算如此确定的CH2基团数量的总和；
·将所述总和除以所述一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；
仅考虑相对于所述一种或多种聚酰胺的总重量，以至少10重量％的量存在于所述一种或多种聚酰胺中的脂族单体单元。
对于CH2-比率，不考虑以小于10wt％的量存在于一种或多种聚酰胺中的脂族单体衍生的单体单元，因为认为这些单元对于带的结构完整性没有贡献。测定CH2-比率时也不考虑非脂族单体单元。
为方便起见，表1列出了常见的聚酰胺及其CH2比率。
表1：聚酰胺及其CH2-比率
聚酰胺的记载如Nylon Plastics Handbook，Melvin I.Kohan，HanserPublishers，1995，第5页中所述。PA-6是聚己内酰胺，其中单体单元衍生自己内酰胺。PA-66是聚(己二酰己二胺)，其中单体单元衍生自己二胺和己二酸。
PA-6/PA-66是指PA-6和PA-66的共混物，而PA-6/66是指共聚酰胺。PA-410是一种聚酰胺，其中单体单元衍生自1,4-丁二胺和癸二酸。
为了确定单体单元，单体单元的重量定义为衍生自作为-NH-X-NH-部分(其中X表示二胺基团之间的部分)的二胺的单体单元。衍生自二酸的单体单元的重量是-C(O)-X-C(O)-部分，其中X表示酸基之间的部分。对于衍生自氨基酸或内酰胺的单体单元，单体单元定义为-NH-X-C(O)-，其中X表示胺基和酸基之间的部分。因此单体单元之间的分裂总是酰胺基团的C-N键。
CH2-比率的上限小于10，因为与具有较高CH2-比率的聚酰胺相比，这提供了额外的刚度。优选地，CH2-比率在5.6和9.5之间，更优选在5.7和8.5之间，因为这些聚酰胺提供包括阻隔性能和结构完整性以及耐酸性的最佳性能。
优选地，与共聚酰胺或共混物相比，聚酰胺是均聚酰胺。均聚酰胺在本文中定义为由衍生自氨基酸的单体单元组成的聚酰胺，或者由衍生自一种类型的二胺和一种类型的二酸的单体单元组成的聚酰胺。均聚酰胺被称为PA-X(其中X是衍生自一种类型的氨基酸的单体单元)或PA-XY(其中X是衍生自一种类型的二胺的单体单元，并且Y是衍生自一种类型的氨基酸的单体单元)。使用均聚酰胺的优点在于，由于均聚酰胺的制备可能比共聚酰胺或共混物更容易，因此可以更容易地制备带。与用共聚酰胺或共混物制成的带相比，带的再循环更容易。共混物和共聚酰胺的缺点是可能没有明显的熔融温度，这使得加工更加困难。对于共混物和共聚酰胺也可以观察到更多的降解，这是不希望的。
甚至更优选的是，聚酰胺是CH2-比率为5.7-8.5的均聚酰胺，例如PA-410、PA-510、PA-412、PA512、PA-610、PA-612，因为这组合了易于制备聚酰胺和足够的热变形温度(HDT)以及低吸湿性和足够的耐化学性以及带的回收。
具有至少5.5且小于10的CH2比率的合适聚酰胺包括PA-410、PA-510、PA-412、PA512、PA-610、PA-612、PA-1010，包括它们的共混物和共聚酰胺，以及包含少数非脂族单体单元。
优选地，具有至少5.5的CH2比率的一种或多种聚酰胺包含PA-410，因为包含PA-410的带显示出更高的模量和更高的强度，因此允许壁更薄，重量减轻或相同重量下更坚固的罐。这在罐中使用时会带来更高的安全标准。优选地，该带包含至少一个含有下列的层：
a.无端纤维，与所述层的总体积相比，所述无端纤维的总量为至少40体积％；
b.热塑性基质，相对于所述热塑性聚酯的总重量，该热塑性基质包含至少40wt％的PA-410；和
c.可选地热稳定剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、脱模剂、UV稳定剂、冲击改性剂、光吸收添加剂以及它们的组合；
更优选地，相对于热塑性基质的总量，所述热塑性基质包含至少50重wt％的PA-410，更优选至少60wt％且甚至更优选至少70wt％的PA-410。
单体单元的量和类型可以通过NMR光谱确定。
无端纤维
根据本发明的带包含无端纤维。这样的无端纤维在本领域中是已知的并且也被称为连续纤维，并且在本文中被理解为具有至少500的纵横比。例如，带中的无端纤维可以具有几百米的长度。
存在于根据本发明的带中的无端纤维可以选自由玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其组合组成的组。优选地，无端纤维具有施胶以提高纤维和聚酰胺之间的粘合力。
与层的总体积相比，带层中的无端纤维的体积百分比通常在10和65体积％之间，优选体积百分比在20和55体积％之间，更优选体积百分比在30和55体积％之间。通常希望无端纤维的体积百分比尽可能高，因为这有助于带的强度。
其他成分
所述带的至少一层的热塑性基质可选包含任何以下成分，例如热稳定剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、脱模剂、UV稳定剂、冲击改性剂、成核剂、苯胺黑、激光吸收添加剂及其组合。这些成分是本领域技术人员已知的并且通常以少量存在，例如相对于热塑性基质的总重量在0.001wt％和10wt％之间。
优选地，热塑性基质包含热稳定剂，该热稳定剂选自无机稳定剂、包含主抗氧化剂基团的有机稳定剂、包含受阻胺基团的有机稳定剂及其组合。优选地，相对于层中热塑性基质的总重量，热稳定剂的存在量在0.01wt％和8wt％之间。无机稳定剂是已知的并且是例如铜化合物和含卤化物酸基团的盐，例如碘化物或溴化物盐。合适的铜化合物的好例子包括铜(I)卤化物，优选碘化亚铜(CuI)和其它铜盐，例如乙酸铜、硫酸铜和硬脂酸铜。作为含有卤化物酸基团的盐优选使用碘化钾(KI)或溴化钾(KBr)。最优选使用碘化亚铜和溴化钾的组合(CuI/KBr)。包含主抗氧化剂基团的有机稳定剂是自由基清除剂，例如酚类抗氧化剂以及芳族胺，并且本身是已知的。在根据本发明的带中包含受阻胺的合适的有机稳定剂(也称为受阻胺稳定剂；HAS)是例如衍生自取代的哌啶化合物的HAS化合物(特别是衍生自烷基取代的哌啶基或哌嗪酮化合物的任意化合物)，以及取代的烷氧基哌啶基(peridinyl)化合物。更优选地，热塑性基质包含热稳定剂的组合，其中将无机稳定剂与包含受阻胺基团的有机稳定剂和包含主抗氧化剂的有机稳定剂组合使用。这3种稳定剂的组合提供了改进的UV稳定性。
应用
本发明还涉及使用带来制备应用的应用，例如容器、管道、片材、局部增强材料。
本发明还涉及制备容器的方法，包括以下步骤：
a.提供支撑物；
b.提供如上所述的带；
c.将所述带缠绕在所述支撑物上，同时通过加热将带固定，从而形成中空体；
d.将所述中空体冷却成固体。
当使用根据本发明的带时，可以获得表现出高爆破压力的容器。这些容器可能表现出至少25巴的爆破压力，这通常对于含有液化石油气(LPG)或空气或水或氮气或氧气的容器是必需的。令人惊讶的是，容器可能表现出至少300巴的爆破压力，这例如对于包含压缩天然气(CNG)的容器是必需的。对于氢气容器，根据本发明的容器可以达到至少1500巴的爆破压力。根据ECE R110中所述的静水压爆破试验测量爆破压力。令人惊讶的是，这些容器可以通过Bonfire测试。
该带可以在如US2013105501中公开的方法中使用，因此通过将带缠绕在心轴周围并施加热量以固结带并随后冷却。US2013105501在此通过引用并入。该带也可以通过所谓的激光方法来使用，例如在WO14040871A1中公开的。如果使用激光方法，则带可能需要存在激光吸收添加剂以从激光产生热量。激光吸收添加剂是本领域技术人员已知的并且包括例如炭黑。激光吸收剂的其它例子包括金属(例如铜、涂布的铋、锡、铝、锌、银、钛、锑、锰、铁、镍和铬)的磷酸盐、氢氧化物、硫化物、硫酸盐和氧化物，吸收激光的无机/有机染料或金属氧化物涂布的薄片。优选地，激光吸收剂选自三氧化锑、二氧化锡、钛酸钡、二氧化钛、氧化铝、羟基磷酸铜(copper-hydroxy-phosphate)、正磷酸铜(copper-ortho-phosphate)、氢氧化铜、锑锡氧化物、蒽醌或偶氮染料。
如US2013105501的方法所公开的，支撑物可以是心轴(mandrel)，或者例如通过如上公开的方法制备的衬里、可充气气球、惰性填充物例如沙子或滑石。因此支撑物可以成为中空体的一部分或者可以在生产中空体之后取出。如果支撑物是心轴，则可以在步骤d之后移除心轴。
可选地，在步骤c)之前，可以将另一种材料缠绕在支撑物周围，例如以增加阻隔性来形成衬里，如上所述。该材料可以包含例如EVOH、PA-6、PA-66、PA-410、PA-610、PA-612、PA-6T/6I、金属或其组合。如果支撑物不会成为容器的一部分，这特别有利。然后可以使用其他材料来增加阻隔性。优选地，步骤c)之前的其他材料选自PA-6、PA-410，因为这些材料具有良好的阻隔性能和可回收性。
优选通过加热进行固结，例如由激光器(例如红外激光器)或加热元件(诸如烤箱)提供。
实施例
测量是在各种热塑性基质上进行的，以显示它们用于带的适用性。测试了具有各种CH2-比率的各种均聚酰胺。结果在表2中给出。
耐酸性测试：将具有如表2所述的聚酰胺的15个Izod棒暴露于培养皿中的30％H2SO4溶液。液体的液位为2毫米，以便4毫米厚的棒仅一侧浸没。在每个取出时间(25、50和100小时)使用单独的培养皿。浸泡后，用过量的水洗涤棒，注意上半部分不与强酸接触。洗涤后，将这些棒用纸干燥。根据ISO178进行弯曲测试：在弯曲测试过程中，酸处理过的表面朝下(非暴露侧面向上)。
表2清楚地表明，CH2-比率在5.5和小于10之间的聚酰胺表现出高耐酸性和良好结构完整性的组合。当挠曲模量足够高并结合较高的HDT时，观察到良好的结构完整性。实施例1至4均显示出足够高的挠曲模量以及高HDT的组合，这使得它们成为本发明容器中使用的良好候选者。
最优选的聚酰胺PA-410(作为实施例1)清楚地将高挠曲模量与高HDT结合在一起，令人惊讶的是，当用于带时，显示出非常稳定的长期结构完整性。
通过缠绕包含PA-6的带来制备中空体。随后，将基于围绕心轴的带的总重量包含65wt％的无端玻璃纤维和35wt％的PA-410的根据本发明的带缠绕，同时使用热量来固结这些缠绕。如现有技术中已知的，容器是通过将套筒(boss，凸起部)附接到中空体而形成的。该容器充满天然气，并且该容器经受了Bonfire测试。这个测试在ECE R110中有描述。简而言之，在Bonfire测试期间，含有气体的容器在容器外部经受850℃的温度。如果容器没有爆炸但容器通过压力释放装置排出容纳的气体，则容器通过测试。令人惊讶的是，即使PA-410的熔化温度为248℃(因此该温度远远低于容器受热的温度)，由本发明的带材生产的容器也通过了Bonfire测试。这是一个主要的成就，因为该容器允许热塑性复合材料压力容器，其可以包含大量的气体或液体，同时保持高安全标准，并且在使用寿命之后，容器可以再循环到主要应用中，这对于热固性罐是不可能的。
令人惊讶的是，使用均聚酰胺提供了结合高耐酸性和足够挠曲模量以及更高HDT的带。

Claims (15)

1.带，包含至少一个含有下列的层：
a.无端纤维，与所述层的总体积相比，所述无端纤维的总量为至少40体积％；
b.包含一种或多种聚酰胺的热塑性基质，所述聚酰胺含有一种或多种脂族单体单元；和
c.可选地热稳定剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、脱模剂、UV稳定剂、冲击改性剂、光吸收添加剂以及它们的组合；
其中所述一种或多种聚酰胺具有至少5.5且小于10的CH2-比率，所述CH2-比率通过如下计算：
·识别所述一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；
·确定对于这些不同的脂族单体单元中每种脂族单体单元来说的每个脂族单体单元中CH2基团的数目；
·计算如此确定的CH2基团数量的总和；
·将所述总和除以所述一种或多种聚酰胺中不同脂族单体单元的数量；
仅考虑相对于所述一种或多种聚酰胺的总重量，以至少10重量％的量存在于所述一种或多种聚酰胺中的脂族单体单元。
2.根据权利要求1所述的带，其中所述无端纤维选自由玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维及其组合组成的组。
3.根据权利要求1所述的带，其中所述一种或多种聚酰胺选自由PA-410、PA-510、PA-412、PA-512、PA-610、PA-612、PA-1010及其共混物和共聚酰胺组成的组。
4.根据前述权利要求中任一项所述的带，其中与所述层的总体积相比，无端纤维的量在10到60体积％之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的带，其中所述带由一个层组成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的带，其中所述带包含不含无端纤维的另一层，选自EVOH，PA-
7.6、PA-66、PA-410、PA-6T/6I及其组合和其共聚酰胺。
8.根据前述权利要求中任一项所述的带，其中所述带的厚度在50至500微米之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的带，其中所述带的宽度在5mm和10.0cm之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的带，其中所述聚酰胺是选自由PA-410、PA-510、PA-412、PA512、PA-610、PA-612组成的组中的均聚酰胺。
11.根据前述权利要求中任一项所述的带，其中所述CH2比率在5.7和8.5之间。
12.一种制备容器的方法，包括以下步骤：
a.提供支撑物；
b.提供根据前述权利要求中任一项所述的带；
c.将所述带缠绕在所述支撑物上，同时通过加热将带固定，从而形成中空体；
d.将所述中空体冷却成固体。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述支撑物是心轴并且在步骤d之后移除心轴。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其中在步骤c之前，将另一种材料缠绕在所述支撑物上，所述材料包括EVOH、PA-6、PA-66、PA410、PA610、PA612、金属或其组合。
15.通过使用根据权利要求1至10中任一项所述的带而制备的管材、片材或局部增强材料。
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