CN110023096A

CN110023096A - 轮子

Info

Publication number: CN110023096A
Application number: CN201780044798.1A
Authority: CN
Inventors: 马克·路多尔福·斯特凡·休斯曼; 贾科莫·皮尔费蒂
Original assignee: DSM IP Assets BV
Current assignee: DSM IP Assets BV
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2019-07-16
Also published as: US20190283493A1; EP3487714A1; KR20190032422A; WO2018015085A1; JP2019527162A

Abstract

本发明涉及一种轮子，其包含金属盘和轮辋，所述轮辋包含金属部件和存在于所述轮辋的金属部件的外表面上的连续纤维增强复合材料部件，其中所述连续纤维增强复合材料部件包含熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺。本发明还涉及制备轮子的方法以及用于制造所述轮子的带材。

Description

轮子

本发明涉及轮子，所述轮子包含金属盘和轮辋，所述轮辋包含金属部件。本发明还涉及制备这些轮子的方法。

用于自动车行业(用于汽车和卡车)的轮子必须满足许多要求，例如耐久性试验-如转弯疲劳、轮辋滚动疲劳、双轴疲劳、13°冲击和轮子刚度、耐腐蚀性需求(例如针对燃料和风化)以及车辆动力学、完整性和规章。用于自动车行业的轮子通常具有至少200kg的轮子负载能力，以便将它们与例如自行车的轮子区分开。

为了减少二氧化碳排放，重要的是轮子尽可能轻，而不必牺牲轮子的功能性、安全性和耐久性。如今，轮子由金属组成，以确保这些性质。然而，金属的缺点是相当重。

因此，本发明的一个目标是提供可以更轻的轮子，且对耐久性和功能性的损害最小。

出乎意料地，该目标通过这样的轮子得以实现，所述轮子包含金属盘和轮辋，所述轮辋包含金属部件和存在于所述轮辋的金属部件的外表面上的连续纤维增强复合材料部件，其中所述连续纤维增强复合材料部件包含熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺。

根据本发明的轮子比常规的金属轮子轻，同时提供的耐久性足以满足当前汽车和卡车要求。根据本发明的轮子允许更好的燃料效率，因此更低的二氧化碳排放。所述轮子还可以允许改进的驾驶行为例如精确操纵、改进的转向特征、更灵敏的加速和制动。所述轮子可以允许更好的道路接触，从而增强一般安全性。

出乎意料地，根据本发明的轮子的寿命与全金属轮子的寿命相当，而不需要牺牲功能要求，例如最大速度或最大距离。根据本发明的轮子可被用作已知金属轮子的完全替代品，从而在车辆寿命期间充分有益于重量减轻。

轮子

根据本发明的轮子包含金属盘和轮辋，所述轮辋包含金属部件和连续纤维增强复合材料部件。

金属盘是本领域技术人员已知的部件，可以由例如钢或铝制成。

金属盘和包含金属部件的轮辋可以由一个部件制成，对于其中金属是铝的轮子而言可能通常是这种情况。然而，金属盘和包含金属部件的轮辋也可以由两个部件组装而成，对于其中金属为钢的轮子通常是这种情况。

轮辋的金属部件的外表面被定义为朝向轮胎的表面，与盘存在的一侧相对。

轮子的轮辋包含金属部件和连续纤维增强复合材料部件，所述复合材料包含熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺。与全塑料轮子相比，具有金属和复合材料的轮辋的优点在于：轮辋的金属部件允许散热，以防止复合材料中的半结晶聚酰胺在制动时熔化。

图1示出了轮辋的横截面部分，也称为现有技术中已知的轮辋轮廓。

1 轮缘(Flange)

2 胎圈座(Bead seat)

3 胎圈峰(Bead hump)

4 半径(Radius)

5 下落中心(Drop center)

6 下落槽(Drop well)

图2示出了根据本发明的轮子的轮辋的横截面部分，其中在胎圈座、下落中心和下落槽处存在复合材料。

连续纤维增强复合材料部件存在于轮辋的金属部件的外表面上。

优选地，连续纤维增强复合材料部件存在于胎圈座(2)、下落槽(6)或下落中心(5)中的至少一个处或其组合处。更优选地，连续纤维增强复合材料部件存在于至少下落槽(6)处，甚至更优选地下落槽(6)和至少一个胎圈座(2)处，最优选地下落槽(6)、胎圈座(2)和下落中心(5)处。连续纤维增强复合材料也可仅存在于下落中心处。连续纤维增强复合材料也可存在于半径和胎圈峰处。

本发明涉及一种轮子，其优选地具有至少200kg的轮子负载能力。轮子负载能力被定义为待由多个轮子承载的车辆的总重量除以承载车辆的轮子的总数。与具有较低轮子负载能力的轮子相比，具有较高轮子负载能力的轮子对于较重的车辆来说是必需的，因为这些车辆需要更高的安全性并且从重量减轻获益更多。

该轮子具有存在于轮辋的金属部件的外表面上的连续纤维增强复合材料部件，优选地，其中连续纤维沿径向定向。

包含半结晶聚酰胺的连续纤维增强复合材料

包含半结晶聚酰胺的连续纤维增强复合材料部件在本文中被理解为连续纤维存在于至少半结晶聚酰胺中的复合材料，在本文中也被称为复合材料。

连续纤维增强复合材料部件包含熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺，例如PA-6、PA-66、PA-66/6、PA-6/66、PA-6/6T、PA-66/6T、PA-610、PA-410、PA-12、PA-46、PA-510、PA-612以及它们的共混物和共聚酰胺。

“半结晶聚酰胺”在本文中被理解为，在加热速率为10℃/分钟的第二加热运行中根据ASTM D3418-08使用差示扫描量热法(DSC)时，具有至少20焦耳/克的熔化焓的聚酰胺。

聚酰胺的熔融温度可以通过ISO 11357-1/-3在第二加热运行中以10℃/min的加热速率测定。

优选地，熔融温度为至少190℃，更优选至少200℃，甚至更优选至少210℃，最优选至少230℃。较高的聚酰胺熔融温度允许较高的残余机械性能和因此在制动期间的控制温度下的安全性。如果存在多于一种半结晶聚酰胺，则熔融温度被定义为存在的半结晶的最高熔融温度。

连续纤维增强复合材料部件通常包含相对于连续纤维增强复合材料的总体积为25-90体积％的半结晶聚酰胺，优选体积百分比为35-90体积％，更优选为45-80体积％，甚至更优选为45-70体积％。

聚酰胺如Nylon Plastics Handbook,Melvin I.Kohan,Hanser Publishers,1995,第5页中所述。PA-66是指聚(己二酰己二胺)，其中单体单元衍生自六亚甲基二胺和己二酸。PA-410是半结晶聚酰胺，其中单体单元衍生自1,4-二氨基丁烷和癸二酸。

聚酰胺可以指均聚酰胺和共聚酰胺，以及共混物。

“均聚酰胺”在本文中被理解为由衍生自以下物质的单体单元组成的聚酰胺：

·氨基酸A，或

·二胺B和二酸C。

均聚酰胺可含有少量其它单元，所述其它单元不属于氨基酸类、二胺类或二元酸类，如一元酸或一元胺。均聚酰胺也可被称为PA-A或PA-BC。

共聚酰胺可被称为例如PA-A/MN或PA-BC/MN或PA-A/Q或PA-BC/Q，其中各种字母表示衍生自不同类型的氨基酸类(A和Q)、二胺类(B或M)或二酸类(C或N)的单体单元。如果存在两种以上不同类型的单体单元，则共聚酰胺的命名法可以是例如PA-A/MN/XY。

聚酰胺的共混物被表示为PA-A/PA-BC，其中“/”被放置在共混的两种类型的聚酰胺之间。

术语“它们的共聚酰胺”应被理解为共聚酰胺的主要组分由列表中列出的聚酰胺组成，共聚酰胺的少数组分由与所述聚酰胺不同的单体单元组成。

优选地，使用PA-66、PA-410及它们的共聚酰胺，因为它们展示出耐热性和耐环境性(例如耐路盐性)的组合。更优选地，使用PA-410，因为PA-410出乎意料地显示出对路盐以及来自橡胶轮胎的残余物(例如硫酸)的耐受性。由于复合材料位于轮子内侧，因此其可能会遭受到从橡胶轮胎中迁移出的残留物。

最优选地，连续纤维增强复合材料部件包含相对于连续纤维增强复合材料的总体积为40-80体积％的半结晶聚酰胺，其中所述半结晶聚酰胺选自PA-66和PA-410及它们的共聚酰胺，所述连续纤维选自玻璃纤维和碳纤维，并且其中相对于连续纤维增强复合材料的总体积，连续纤维以20-55体积％的体积百分比存在。

连续纤维

连续纤维增强复合材料部件包含连续纤维。连续纤维本身在本领域中是已知的，也称为无端纤维，在本文中被理解为在加工之前具有至少500的纵横比。术语“连续纤维”在本文中被定义为一种或多种单独的连续纤维，因此明确地包括多于一种连续纤维。例如，带材中的连续纤维可以具有几百米的长度，随后可以加工成复合材料。

存在于根据本发明的轮子中的复合材料中的连续纤维可选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维及其组合。优选地，连续纤维是玻璃纤维，因为玻璃纤维普遍可得。优选地，连续纤维具有胶料以改善纤维和半结晶聚酰胺之间的粘附。

与复合材料的总体积相比，复合材料中连续纤维的体积％通常为10-65体积％，优选所述体积百分比为20-55体积％，更优选所述体积百分比为30-55体积％。通常期望连续纤维的体积百分比尽可能高，因为这有助于复合材料的强度。

连续纤维增强纤维复合材料部件在径向具有连续纤维(也称为单向(UD))或相对于复合材料每层0-90度具有连续纤维(也称为交叉铺层)或UD和交叉铺层之间的任何取向上具有连续纤维。UD和交叉铺层之间的任何取向被称为双轴，相对于复合材料方向上的层，可以例如+/-30或+/-45。优选地，连续纤维在复合材料中沿着径向。

其他成分

连续纤维增强复合材料任选地包含任何以下成分，例如热稳定剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、UV稳定剂、冲击改性剂、成核剂、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，通常以少量存在，例如相对于连续纤维增强复合材料的总重量(不包括连续纤维的重量)在0.001重量％至10重量％之间。

优选地，连续纤维增强复合材料包含热稳定剂，所述热稳定剂选自无机稳定剂、包含一级(primary)抗氧化基团的有机稳定剂、包含受阻胺基团的有机稳定剂及其组合。优选地，相对于连续纤维增强复合材料的总重量(不包括连续纤维的重量)，热稳定剂的存在量为0.01重量％至8重量％。无机稳定剂是已知的，例如铜化合物和含有卤化酸基团的盐，例如碘化物或溴化物盐。合适的铜化合物的良好实例包括卤化铜(I)，优选碘化铜(CuI)和其他铜盐，例如乙酸铜、硫酸铜和硬脂酸铜。作为含有卤化酸基团的盐，优选使用碘化钾(KI)或溴化钾(KBr)。最优选使用碘化铜和溴化钾的组合(CuI/KBr)。包含一级抗氧化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，其本身是已知的。在根据本发明的带材中，包含受阻胺(也称为受阻胺稳定剂；HAS)的合适的有机稳定剂有例如衍生自经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何化合物，和经取代的烷氧基哌啶基化合物。更优选地，连续纤维增强复合材料包含热稳定剂的组合，其中无机稳定剂与包含受阻胺基团的有机稳定剂和包含一级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善的UV稳定性。

制备轮子的方法

本发明还涉及制备轮子的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供包含金属盘和轮辋的轮子，所述轮辋包含金属部件；

b.提供包含连续纤维的带材，所述连续纤维至少存在于熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺中；

c.处理待放置复合材料的轮辋的金属部件的表面并/或处理所述带材以增强粘附；

d.将所述带材施加在所述轮辋的金属部件的外表面的至少部分上；

e.加固所述带材并施加压力，进行至少一个循环，从而形成所述轮辋的复合部件。

优选地，在步骤a)中，提供这样的轮子，其中金属轮辋被预处理，以便减小将缠绕带材的位置处的金属厚度。

步骤c)中的处理是本身已知的工艺步骤，包括例如在金属轮辋上施加胶、等离子体处理、火焰处理或机械纹理化并/或对带材施加胶、等离子体处理或火焰处理。

步骤d)可以通过如下来进行：例如围绕金属轮辋的外表面缠绕带材至少一个循环。优选地，缠绕进行多于一个循环，从而在金属轮辋的外表面周围形成至少两层带材。这具有以下优点：可以获得轮子的旋转重量平衡以及匹配耐久性和功能要求并且能够进一步加固。

步骤e)中的加固可以通过加热进行，例如应用热气、激光或在烘箱中或其组合。

在步骤d)和/或e)中，轮辋或带材或两者可围绕轮轴旋转，以确保将带材小心地放置在表面上。

带材

在制备轮子的方法中使用的带材包含在半结晶聚酰胺中的连续纤维，所述半结晶聚酰胺的熔融温度为至少180℃。

优选地，所述带材包含至少一个层，所述层包含：

a.连续纤维，与嵌入基质中的层的总体积相比，所述连续纤维的总量为至少40体积％，所述基质包含熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺，和

b.任选的热稳定剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂、UV稳定剂、冲击改性剂、激光吸收添加剂以及它们的组合。

存在于带材中的合适的连续纤维如上所述。上文描述了熔融温度为至少180℃的合适的半结晶聚酰胺。

带材在本文中被理解为具有纵向、宽度、厚度和横截面纵横比(即厚度与宽度的比值)的细长体。所述横截面被定义为基本垂直于带材的纵向。

带材的每层的纵向或机器方向可对应于连续纤维的任何取向。带材的每层可包含沿任何方向取向的连续纤维的多重堆叠。

当所有连续纤维均在带材的纵向上时，该带材被称为单向连续纤维增强带材-也被称为UD带材。

如果取向相对于带材方向为每层0-90度，则该带材也被称为交叉铺层。UD和交叉铺层之间的任何取向被称为双轴带材，相对于带材方向可以例如+/-30或+/-45。

带材的长度尺寸没有特别的限制。长度可超过10km，主要取决于用于生产带材的方法和连续纤维。然而，根据所设想的应用的要求，为了方便起见，可将所述带材制造成较小的尺寸。

带材可具有100微米之间的厚度，并且可以达到1000微米的厚度。带的厚度优选地在100微米和500微米之间，因为当利用缠绕将带材施加在金属轮辋的至少部分表面上时，较厚的带更加困难。

带材的宽度在本文中被理解为，带材的横截面的周界上的两个点之间的最大尺寸，所述横截面与带材的长度正交。厚度在本文中被理解为所述横截面的周界上的两个点之间的距离，所述距离垂直于带材的宽度。带材的宽度和厚度可以根据本领域已知的方法测量，例如，分别借助于尺子和显微镜或千分尺。

带材包含至少一层，因此可以是单层或两层或甚至更多层。如果带材具有多于一个层，则它也被称为多层。如果带材是多层，则它可包含相同材料的若干层，这些层彼此堆叠。可以通过层压来进行堆叠，层压本身是已知的过程。优选地，带材由一层组成，因为这有利于带材的生产。

带材可以通过本领域已知的方法生产，通常包括以下步骤：提供连续纤维(也称为粗纱)，和提供如上所述的聚酰胺，施加热量至高于聚酰胺的熔融温度，从而使聚酰胺嵌入纤维，并随后冷却以获得带材。

与带材的总体积相比，带材中连续纤维的体积％通常为10-65体积％，优选体积百分比为20-55体积％，更优选体积百分比为30-55体积％。通常期望连续纤维的体积百分比尽可能高，因为这有助于待形成的复合材料的强度。

带材通常包含相对于带材的总体积为25-90体积％的半结晶聚酰胺，优选体积百分比为35-90体积％，更优选为45-80体积％，甚至更优选为45-70体积％。

本发明还涉及包含连续纤维的带材，所述连续纤维至少存在于熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺中，其中所述半结晶聚酰胺是PA-410，所述连续纤维选自玻璃纤维和碳纤维，并且相对于带材的总体积，连续纤维的量为20-55体积％。优选地，连续纤维的取向是纵向。优选地，相对于带材的总体积，带材中PA-410的量为45-80体积％。

实施例

所进行的试验是轮辋滚动或径向疲劳试验，代表了行业中的资格试验(qualifier)。径向疲劳试验用于通过在特定径向载荷条件下在滚筒上滚动轮子来对轮子进行疲劳和持久性试验。该径向疲劳试验是全世界大多数国家对轮子进行的必要的法律试验之一，例如标准SAE J328中规定的。

采用连续玻璃纤维40体积％在PA-410中来制备带材。纤维沿纵向排列。使用16英寸的轮子。带材的厚度为0.25毫米，宽度为12毫米。

轮子重量在本文中被定义为轮辋和圆盘的重量。

在干燥状态和周围环境中使用复合材料在轮子上进行试验。

对比性的全金属轮子为11.00kg，其在径向疲劳试验中在13.02kN下的寿命为至少1.000.000。

通过施加8层如上所述制备的带材，在下落槽处采用复合材料制备轮子，下落槽处的宽度为24毫米。结果如表1所示。

还通过施加8层如上所述制备的带材，在两个胎圈座处采用复合材料来制备轮子，每个胎圈座处的宽度均为12毫米。结果如表2所示。

表1：试验结果包括对比数据

表2：试验结果包括对比数据

从表1和表2可以清楚地看出：与不包含所述复合材料的轮子相比，根据本发明的轮子展示出更高的循环数(参见实施例1与对比例B相比；和实施例2与对比例C相比)。根据本发明的轮子展示出与全金属轮子相当的循环数，全金属轮子的重量显著高于根据本发明的轮子的重量(参见实施例1和2，与对比例A相比)。根据本发明的轮子显示出7％的重量减轻，这对于自动车行业而言是重要的重量减轻。

Claims

1.一种轮子，其包含金属盘和轮辋，所述轮辋包含金属部件和存在于所述轮辋的金属部件的外表面上的连续纤维增强复合材料部件，其中所述连续纤维增强复合材料部件包含熔融温度为至少180℃的半结晶聚酰胺。

2.根据权利要求1所述的轮子，其中所述轮子的负载能力为至少200kg。

3.根据权利要求1或2所述的轮子，其中所述连续纤维增强复合材料部件在径向上具有连续纤维。

4.根据前述权利要求中任一项所述的轮子，其中所述连续纤维增强复合材料部件位于胎圈座(2)、下落槽(6)或下落中心(5)中的至少一个处或其组合处。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轮，其中所述半结晶聚酰胺选自由PA-6、PA-66、PA-66/6、PA-6/66、PA-6/6T、PA-66/6T、PA-610、PA-410、PA-12、PA-46、PA-510、PA-612以及它们的共混物和共聚酰胺组成的组。

6.根据前述权利要求中任一项所述的轮子，其中所述连续纤维选自由玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维及其组合组成的组。

7.根据前述权利要求中任一项所述的轮子，其中所述连续纤维选自由玻璃纤维和碳纤维组成的组，并且所述半结晶聚酰胺选自由PA-66和PA-410组成的组。

8.一种用于制备根据前述权利要求中任一项所述的轮子的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供包含金属盘和轮辋的轮子，所述轮辋包含金属部件；

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过围绕所述轮辋的金属部件的外表面缠绕来施加所述带材。

10.根据权利要求9所述的方法，其中通过围绕所述轮辋的金属部件的外表面缠绕多于一次来施加所述带材。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中将所述带材施加在胎圈座(2)、下落槽(6)或下落中心(5)中的至少一个处或其组合处。