CN110300822B - 包含纤维的连续纤维带及用于制造这种带的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续纤维带，其包括长度为Li的天然纤维的大致平面片。片具有纵向尺寸L和横向尺寸w。片包括位于n条纵向线中的平面单元。邻接纵向线的平面单元错位未对准距离Lv，其中Lv为至少3w/n。此外，如果第一纵向线的平面单元与第二纵向线的平面单元之间的未对准距离Lv小于3w/n，则存在至少两条布置在第一纵向线和第二纵向线之间的纵向线。本发明还涉及制造这种连续纤维带的方法以及这种连续纤维带制造复合制品的用途。

Description

包含纤维的连续纤维带及用于制造这种带的方法

技术领域

本发明涉及一种包含纤维的连续纤维带(continuous fibrous tape)，并且特别地关于天然纤维。本发明还涉及用于制造这种连续纤维带的方法。此外，本发明涉及连续纤维带用于制造复合制品的用途。

背景技术

复合材料通常被定义为两种或更多种不同材料的组合，材料各自保留其自身的独特性质，以产生具有由单独作用的任何组分不能实现的性质的新材料。复合材料由两个或更多个相的组合组成，例如增强相和基质相。增强相(例如，纤维)提供强度和刚度并嵌入基质相中。基质相用作用于增强材料的粘合剂，同时控制部件的物理形状和尺寸。不同材料的协同作用使得复合材料具有比钢或铝大几倍的强度与重量比和刚度与重量比。通过使用复合材料代替更传统的材料，需要低重量和高刚度的应用将大大受益。这些应用范围从商用飞机到运动设备。

传统上，合成纤维如玻璃纤维或碳纤维用作复合材料中的增强材料。然而，这些合成纤维的生产需要大量的能量，因此需要高的生产成本。天然纤维被证明是低成本材料和更环保的替代物。例如，竹纤维具有与玻璃纤维类似的特定性能，玻璃纤维是目前工业中使用的主要合成纤维。高增长率和良好的可用性使竹子成为非常可持续发展的自然资源。然而，由于竹纤维植物的结构形态，纤维长度有限，阻碍了无限竹纱的生产。

因此，需要一种包含纤维如天然纤维的带，例如具有有限长度的竹纤维，以及制造这种带的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种天然纤维的连续纤维带，其可以有效且符合成本效益的方式制造。

本发明的另一个目的是提供一种纤维、特别是天然纤维的连续纤维带，其具有高的纵向拉伸强度，一旦固结成复合材料，同时具有有限的厚度。

本发明的另一个目的是提供一种连续纤维带，其纵向拉伸强度至少是本领域已知的单向(UD)连续纤维复合材料的纵向拉伸强度的80％。

本发明的另一个目的是提供一种连续纤维带，其可用作复合材料工业中的预成型品(preform)或预浸料(prepreg)，例如作为高性能复合材料中的增强材料。

此外，本发明的一个目的是提供一种连续带和预浸料，其提供对玻璃和碳纤维带和预浸料的替代物，具有较低的环境影响。

通过根据本发明的独立权利要求的带布置、方法和用途满足了这些目的。从属权利要求涉及优选的实施方式。

在第一方面，本发明提供了一种连续纤维带，其包括长度为Li的纤维的大致平面片(substantially planar sheet)。大致平面片具有纵向尺寸L和横向尺寸w。大致平面片包括布置在n条纵向线中的大致平面单元(substantially planar unit)，其中n条纵向线彼此挨着地(next to each other，彼此相邻，在彼此旁边)布置，即横向彼此挨着地布置。每个平面单元包括具有大致相同长度Li的单独的纤维。每个平面单元具有四个外周边缘，即彼此相对的第一和第二横向外周边缘，以及彼此相对的第一和第二纵向外周边缘。第一和第二横向外周边缘具有尺寸w/n，并且第一和第二纵向外周边缘具有尺寸Li。每条纵向线包括多个平面单元，这些平面单元以这样的方式布置，使得第一平面单元的第一横向外周边缘邻接第二平面单元的第二横向外周边缘，第二平面单元邻接所述第一平面单元。出于本发明的目的，术语‘邻接’应理解为在小于2mm距离的制造公差内紧挨着或接触。纵向线的平面单元以特定方式与另一纵向线的平面单元错位。优选地，纵向线中的平面单元的横向外周边缘在纵向方向上与邻接纵向线(adjoining longitudinal line，靠近的纵向线)中的平面单元的横向外周边缘错位未对准距离Lv，其中未对准距离Lv为至少3w/n。更优选地，未对准距离为至少4w/n或至少5w/n。此外，如果第一纵向线中的平面单元的横向外周边缘与第二纵向线中的平面单元的横向外周边缘之间的未对准距离Lv小于3w/n，则存在至少两条布置在第一纵向线和第二纵向线之间的纵向线。如果第一纵向线中的平面单元的横向外周边缘与第二纵向线中的平面单元的横向外周边缘之间的未对准距离Lv小于3w/n，则存在例如，三条、四条、五条或甚至更多条布置在第一纵向线和第二纵向线之间的纵向线。

根据本发明的带的纤维优选包含天然纤维。为了本发明的目的，天然纤维被定义为从通常是植物或树木的天然或农业来源提取的纤维，尽管也可以考虑动物来源的纤维。

天然纤维的优选实例包括竹纤维。然而，也可以考虑其他纤维，例如亚麻纤维、大麻纤维、椰壳纤维、黄麻纤维、洋麻纤维或任何天然或农业来源的纤维。技术竹纤维通常具有20至30cm的长度。

根据本发明的带的纤维还可包含合成纤维，代替天然纤维或除天然纤维之外。合成纤维可以例如与天然纤维混合。

合成纤维包括例如，聚合物纤维、陶瓷纤维、金属纤维、碳纤维、玻璃纤维和/或其组合。聚合物纤维的实例包括芳纶(aramid，芳族聚酰胺)纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维和/或其组合。

与合成纤维相比，天然纤维的明显区别在于它们在性质上总是不连续的，通常长度最大为几米，但通常小于0.5m。

与合成纤维相比，天然纤维的另一个明显区别是它们通常具有较大的纤维直径。技术竹纤维，例如通常具有大于100μm的直径，这意味着它们的所谓长径比，长度与直径之比，是有限的。高纤维直径还导致高纤维弯曲刚度，其与有限的长径比一起意味着天然纤维例如技术竹纤维不能容易地或实际地或根本不能通过传统的连续纱线生产方法如纤维纺丝加工。这表明从这些不连续纤维生产连续带的重要性。其他天然纤维，例如亚麻纤维，更薄(直径为50μm)和更长(长度级为70cm)并且可以纺成连续纱线。然而，一旦纤维浸渍了树脂并确定了固结复合材料的性能，纺丝就会在纤维上产生扭曲，这会降低天然纤维复合材料的性能。因此，根据本发明的带也可以与亚麻纤维相关。

合成纤维通常以无限长度生产，并且在这种情况下，根据本发明的带概念很少或没有益处。然而，当合成纤维被再生(recycle，再循环)时，如在碳纤维(通常具有5至10μm的直径)的情况下，纤维通常变得不连续，其长度通常为几厘米。在这种情况下，根据本发明的带概念也变得与再生合成纤维相关，特别是在目标是基于不连续纤维制造连续增强材料的情况下，具有接近原始连续纤维的性质。

因此，本发明涉及多种纤维，优选地直径范围为5μm至4mm。在天然纤维的情况下，直径通常在30μm至高达几毫米的范围内。对于技术竹纤维，典型范围为100至500μm，例如范围为100至300μm或150至250μm。出于本发明的目的，术语“直径”对应于在纤维不具有圆形截面的情况下的“当量直径”。平面单元的所有纤维可具有相同或大致相同的直径。可替代地，平面单元可包括具有不同直径的纤维。

诸如竹纤维的天然纤维优选具有至少5cm的长度Li。更优选地，天然纤维如竹纤维的长度Li范围为5cm至50cm，例如范围为10cm至30cm或者为10cm至20cm。

在优选的实施方式中，连续纤维带的所有纤维包含天然纤维，例如竹纤维。

在优选的实施方式中，布置在一条纵向线上的平面单元具有相同或大致相同的长度。

在特定的实施方式中，不同纵向线的平面单元具有相同或大致相同的长度。

在替代实施方式中，纵向线包括不同长度的平面单元。在带的宽度上在某一截面处横向、至少部分地挨着地布置的平面单元具有例如长度l1，而在带的宽度上的另一截面处的平面单元具有长度l2，长度l2与l1不同。

平面单元例如由成批纤维(batches of fibres，多批纤维)形成，其中一批纤维被定义为纤维，其在一个步骤中施加以形成至少部分地彼此挨着地布置的平面单元。优选地，由一批纤维形成的平面单元具有相同的长度。由另一批形成的平面单元可具有相同或大致相同的长度或者可以具有不同的长度。

根据本发明的连续纤维带的平面单元的横向尺寸w/n优选在一根单独的纤维(oneindividual fibre)的平均直径和20根单独的纤维的平均直径之和之间。更优选地，根据本发明的连续纤维带的平面单元的横向尺寸w/n在一根单独的纤维的平均直径和10根单独的纤维的平均直径之和之间的范围内。这意味着非常细的(fine)平面单元是优选的，以最小化在每个位置处的切割纤维的数量，从而一旦固结成复合材料就使带的强度最大化。

平面单元中的单独的纤维优选地以彼此平行或大致平行的位置对齐(align，排列)，由此单独的纤维优选彼此挨着地布置。优选地，平面单元中的纤维尖端对齐，这意味着纤维的尖端位于相同或大致相同的纵向位置。

优选地，根据本发明的连续纤维带具有有限的厚度。显然，减小带的厚度将对带的性质有影响，特别是对由连续纤维带制成的固结复合材料的拉伸强度。然而，通过纵向线和平面单元在根据本发明的纵向线中的特定布置，一旦固结成复合材料，即使在带的低厚度下也可以保证带的高拉伸强度。在本发明的优选实施方式中，连续纤维带的平均厚度在(天然)纤维的平均直径和(天然)纤维的平均直径的5倍之间的范围内，特别是在天然纤维的平均直径和天然纤维的平均直径的5倍之间。平均厚度例如等于(天然)纤维的直径，(天然)纤维直径的两倍或(天然)纤维直径的三倍。

连续纤维带优选包括粘合材料，以将单独的纤维和/或平面单元保持在连续纤维带中的适当位置。粘合材料也可以由基质材料构成，该基质材料将用于最终的复合材料粘合剂中。作为粘合材料，可以考虑将单独的纤维和/或平面单元保持在适当位置的任何材料。实例包括纸，例如离型纸、纤维网、聚合物材料等。典型的粘合材料将以最大5重量％的典型量添加。所得的带将被称为预成型带或纤维带。在仅使用诸如离型纸的载体膜的情况下，所得的带也将被称为预成型带。在粘合材料构成将用于最终复合产品并且以大约复合产品所需的量加入的基质材料的情况下，所得的带将被称为预浸带。

在优选的实施方式中，粘合材料包括聚合物材料，例如热固性聚合物、热塑性聚合物或弹性体化合物。在特别优选的实施方式中，带的纤维部分或完全用聚合物材料浸渍。

聚合物材料可以是可生物降解的或不可生物降解的。

聚合物材料可以具有一种或多种添加剂。添加剂的实例包括选自由抗老化化合物、阻燃化合物、抗紫外线化合物及其组合组成的组的添加剂。

热固性或热塑性聚合物材料的实例包括选自由环氧树脂、与硬化剂混合的环氧树脂、乙烯基酯、聚氨酯、聚酯树脂、呋喃树脂、硅酮、聚烯烃、聚(氯乙烯)(PVC)、包含聚苯乙烯的苯乙烯聚合物、苯乙烯丙烯腈和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯及其组合组成的组的材料。

热固性、热塑性或弹性体材料可以其单体或低聚物形式或直接以其聚合物形式施加。

特别优选的聚合物材料包括环氧树脂或与硬化剂混合的环氧树脂。

根据本发明的连续纤维带优选具有3mm至500cm，更优选为5mm至50cm或5mm至30cm的范围内的横向尺寸w。

根据本发明的连续纤维带优选具有20cm至10km，更优选为5m至2km或20m至1km的范围内的长度L。

在特别优选的实施方式中，连续纤维带作为卷提供，例如连续纤维带的卷，由此纤维被聚合物材料部分或完全浸渍。

在第二方面，本发明提供了一种制造如上所述的连续纤维带的方法。连续纤维带包括具有长度Li的天然纤维的大致平面片。连续纤维带具有纵向尺寸L和横向尺寸w。该方法包括以下步骤：

-提供n条纵向线，其中n是至少为4的整数，每条纵向线包括多个大致平面单元，每个平面单元包括具有大致相同长度Li的单独的纤维，每个平面单元具有纵向尺寸Li和横向尺寸w/n，每个平面单元具有彼此相对的第一和第二横向外周边缘以及彼此相对的第一和第二纵向外周边缘。第一和第二横向外周边缘具有尺寸w/n，并且第一和第二纵向外周边缘具有尺寸Li。平面单元以这样的方式布置在纵向线中，使得第一平面单元的第一横向外周边缘邻接第二平面单元的第二横向外周边缘，第二平面单元邻接所述第一平面单元，其中术语‘邻接’被理解为在小于2mm距离的制造公差内紧挨着或接触，

-横向彼此挨着地布置平面单元的所述n条纵向线，所述布置以这样的方式进行，使得在纵向线中的平面单元的横向外周边缘在纵向方向上与邻接纵向线中的平面单元的横向外周边缘错位未对准距离Lv，其中未对准距离Lv为至少3w/n并且以这样的方式，即如果第一纵向线中的平面单元的横向外周边缘与第二纵向线中的平面单元的横向外周边缘之间的未对准距离Lv小于3w/n，则至少有两条纵向线布置在第一纵向线和第二纵向线之间。

优选地，平面单元中的纤维良好对齐。良好对齐意味着纤维彼此平行或大致平行取向，优选彼此挨着，并且平面单元的纤维的纤维尖端对应或大致对应，即位于相同或大致相同的纵向位置。平面单元的纤维的纤维尖端之间的偏差优选小于2mm，更优选小于1mm，或小于0.5mm。

在纵向线中的邻接平面单元的纤维之间存在间隙，即在第一平面单元的第一横向外周边缘和在纵向线中邻接第一平面单元的第二平面单元的第二横向外周边缘之间存在间隙的情况下，该间隙优选小于2mm，例如小于1mm或小于0.5mm。

在优选的实施方式中，平面单元的纵向线通过在对准装置(alignment means)的通道中引入天然纤维束而获得。优选地，通道的宽度决定平面单元的横向宽度w/n。优选地，不同纵向线的平面单元的纤维被引入到对准装置的不同通道中。这通过将一批长度为Li和宽度为w的纤维引入对准装置中来完成。一批纤维被认为是在一步中引入的纤维，优选地同时或大致同时在对准装置的一个或多个通道中。一批纤维形成平面单元，所述平面单元横向地(至少部分地)彼此挨着地布置。对准装置对每批的平面单元施加固定的重叠图案。

在优选的实施方式中，天然纤维在被引入一个或多个通道中时处于潮湿状态。优选地，每束纤维含有按重量计10至200％的水，基于纤维的重量。

通过减小横向宽度w/n，即通过减少束/平面单元中的单独的纤维的数量，可以增加基于根据本发明的带的复合材料的纵向拉伸强度。

在优选的实施方式中，制造连续纤维带的方法还包括在连续纤维带的纤维上施加粘合材料的步骤。在特别优选的实施方式中，制造连续纤维带的方法还包括在连续纤维带的纤维上施加聚合物材料的步骤。聚合物材料可包括热固性聚合物、热塑性聚合物或弹性体聚合物。聚合物材料优选在足够长的时间内与纤维接触，以允许聚合物材料吸收和/或吸附到纤维上和纤维周围，从而获得由粘合材料，即由聚合物材料稳定的预浸料或预成型品。

可以优选的是，该方法还包括干燥步骤，优选在施加粘合材料之前，特别是在施加聚合物材料之前。

在第三方面，提供了如上所述的用于制造复合制品的连续纤维带的用途。

连续纤维带，特别是当用聚合物材料部分或完全浸渍时，适合用于复合材料工业。根据本发明的连续纤维带，特别是包含竹纤维的连续纤维带适合作为高性能复合材料中的增强材料。

根据本发明的浸渍或未浸渍的连续纤维带可以提供玻璃和碳纤维带和预浸料的替代物，其优点是具有相当低的环境影响。

作为实例，复合风车叶片可以通过将预浸带缠绕在心轴上来生产，之后将产品固结。可替代地，可以将预成型带缠绕在心轴上，之后使用树脂灌注来浸渍纤维，随后将最终部件固结。复合滑板车可以由自动纤维铺放机生产，其通常使用窄的预浸带，其通过纤维铺放机器人放置在模具上，之后可以固结复合部件。

在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征和适当的其他从属权利要求的特征组合，而不仅仅在权利要求中明确阐述。

附图说明

通过实施例和附图，本发明的其他特征将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了竹子的节点结构。

图2(a)和图2(b)分别以纵向视图和截面图示意性地示出了当加工天然纤维时可能发生的一些问题。

图3(a)和图3(b)分别示意性地示出了根据本发明的包含天然纤维的带的纵向视图和截面图。

图4示意性地示出了根据本发明实施方式的方法的步骤，从原料到连续天然纤维预浸料。

图5(a)示出了在模具中提供的纤维，例如当使用手工铺叠方法获得包含通过本发明实施方式获得的带的复合材料时，且图5(b)说明了使用真空的光RTM方法。

图6示出了本领域已知的竹纤维/环氧树脂复合材料的典型应力应变曲线。

图7示出了基于通过使用本发明的方法获得的带的复合材料的拉伸强度。

图8(a)和图8(b)示意性地示出了根据本发明的实施方式的带，其中两个邻近纵向线的平面单元的未对准距离大于3w/n。

图9(a)和图9(b)示出了根据本发明的实施方式的带，表明如果两条纵向线的平面单元之间的未对准距离Lv小于3w/n，则布置至少两条纵向线在这些纵向线之间。

具体实施方式

将参照特定实施方式并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。当在本说明书和权利要求中使用术语“包括”时，不排除其他元件或步骤。当提及单数名词时使用不定冠词或定冠词，例如“一个”或“一种”、“该”，这包括该名词的复数形式，除非另外的一些东西另有特别说明。权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置；它不排除其他元素或步骤。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由组件A和B组成的设备。这意味着对于本发明，设备的唯一相关组件是A和B。此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分相似元件，而不一定用于描述顺序或时间顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施方式能够以不同于本文描述或说明的其他顺序操作。此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施方式能够以不同于本文描述或说明的其他取向操作。在附图中，相同的附图标记表示相同的特征；并且，在多于一个图中出现的附图标记是指相同的元件。附图和以下详细描述显示了基于不连续纤维制造连续带的装置和方法的具体实施方式。

其中，在本文所述的实施方式中，可对“连续的”进行参考，将参照物制成具有一米或更多米至一千米或更多千米的长度的物体。换句话说，在本发明的上下文中，例如长度为25cm的诸如纤维、带或预浸料的物体不被认为是“连续的”而是“不连续的”。

其中在本文所述的实施方式中，可对“图案”进行参考，将参照物制成以重复方式重复的元件，优选以可预测的方式或可预测的图案。例如，在实施方式中，第一和第二纤维批料可能具有不同的长度，但连续的带包含相同的图案，其施加在每批上。

本发明的实施方式优选包括从竹秆中提取的竹纤维。这些竹秆可以从典型的竹林中提取，例如在哥伦比亚或欧洲。图1中示意性地示出了竹秆。竹秆1包括节点2和节间3。在节间3中，纤维很好地对齐，但是在节点2中，由于很大程度的缠结，纤维存在不连续性。该节点结构限制了可以提取的最大纤维长度。纤维的长度通常在15至50cm的范围内。有不同的方法来实现天然纤维的提取，且特别是竹纤维的提取，如例如：

·通过蒸汽爆破提取，其中使用高压和高温；

·化学提取，其例如使用高浓度的NaOH；

·机械提取。

机械提取过程可以采取各种形式，也随着对纤维的机械冲击的严重程度而变化。实例包括脱壳机或捣打机和栉梳机。脱壳机例如用于大麻纤维，产生相对短的纤维，具有相当大的纤维损伤。例如，打麻机和栉梳机用于亚麻纤维，产生更长的纤维，其具有有限的纤维损伤。然而，由于竹秆的高刚度和强度以及相对短的节间长度，这些方法不适用于竹纤维。

当使用机械提取方法(例如由申请人开发的方法)时，回收具有最佳性质的纤维。单独的天然纤维，更特别是竹纤维的拉伸强度可达到800MPa(±15％)，且平均模量为43GPa(±2.5％)。机械方法的其他优点是不使用化学品并且不需要制备原料。此外，机械提取方法包括可在室温下使用的连续方法。使用该机械提取方法提取在本发明的实施方式中使用的纤维，然而本发明不限于后者。

在提取过程之后，可以清洁天然纤维。例如，竹纤维在纤维表面上具有大量的薄壁组织。在将纤维用作复合材料中的增强材料之前，优选去除该薄壁组织。未去除的薄壁组织可在纤维和浸渍的聚合物之间产生弱界面。为了除去纤维表面上的这些杂质，提取后的清洁过程是优选的。在去除杂质后，纤维将准备好进行处理。

根据实施方式，纤维的清洁可以自动完成或手动完成。纤维的自动(即，机械化)清洁由机器完成。该机器可以例如，使用刷子来清洁纤维。由于纤维长度有限，该方法优选不连续。优选地，纤维的第一侧被夹紧且另一侧被刷子清洁，反之亦然。最终结果优选是扁平的、半对齐的和清洁的纤维束。在手动清洁中，清洁通过类似于机械化工业清洁机的操作的操作手动完成。可以通过不同种类的刷子完成手动清洁纤维以及自动清洁。例如，首先使用粗刷子来对齐纤维并去除最大的杂质。然而，由于在该操作之后仍然可以将大量颗粒附着到纤维上，因此优选使用具有较软毛发的较小刷子以进一步清洁。在优选的实施方式中，在清洁操作中从纤维上除去附着在纤维上或附着到纤维的所有或大致所有污垢，因为纤维上或纤维存在的污垢可能导致纤维之间的较高摩擦，这使得它们难以操作。

如前所述，提取的天然纤维的长度是变化的。例如，对于竹纤维，长度变化例如为15至50cm。提取的竹纤维的厚度变化例如为90至250μm。竹纤维以相对较薄的束离开清洁过程。这些束具有半对齐的纤维，在随机位置具有移位的纤维尖端。束的厚度也可以不均匀，而是在宽度上变化。当加工天然纤维时，特别是竹纤维时可能出现的一些问题如图2(a)和图2(b)所示。图2(a)以纵向视图示出了加工的纤维6的束5，且图2(b)示出了加工的纤维6的束5的截面。参考标记A表示未对准的纤维6，而参考标记B表示移位的纤维末端。图2(b)示出了加工的纤维6的束5的厚度在束5的整个宽度w上可以不是恒定的。纤维6可以处于饱和湿度条件(水)。在清洁过程中，水可用于润滑。

简言之，与天然材料一起使用时的主要限制如下：(1)纤维并不具有相同的长度，(2)纤维末端或尖端移位，(3)纤维未对准，(4)所得纤维束并不具有均匀的厚度，(5)纤维之间的摩擦力高且(6)纤维处于饱和湿度条件中。

本发明的实施方式提供了制造包含处于优化配置的天然纤维的连续纤维带的方法。图3(a)和图3(b)分别示意性地示出了根据本发明的包含天然纤维的带的纵向视图和截面图。为了获得包含这种带的复合材料的最佳强度，如权利要求1所述，纤维优选分布在带上。为了避免弱点，两个连接的纤维或纤维束末端优选地可以不放置在两个其他连接的纤维或纤维束末端的旁边或附近。如果带的横截面中的纤维连接点位于几乎相同的纵向坐标处，则有至少两个纤维或纤维束布置在其之间，其跨越弱点，如图3(a)中的术语C所示。理想地，纤维尖端之间应存在有限的间隙或无间隙(由图3(a)中的术语D表示)(优选地间隙小于2mm)并且纤维没有未对准(由图3(a)中的术语E表示)。带的理想厚度应该是均匀的。薄带是目标的，优选具有一些(天然)纤维的厚度。如图3(b)所示，带的厚度优选地在带的宽度上是恒定的。

图4示出了根据本发明的方法的步骤。将生竹401引入纤维提取机402中，例如在机械纤维提取机中。如图2(a)和图2(b)所示，所获得的提取的竹纤维403至少部分未对准。然后，例如在清洁机器404中清洁纤维403以获得清洁的半对齐竹纤维405。随后，例如在切割机406中切割清洁的半对齐竹纤维405，以获得具有固定长度的竹纤维407，例如长度为10至20cm。在切割过程之后，如408所示将纤维引入通道中以获得由409表示的通道中的竹纤维。在优选的实施方式中，通道具有矩形截面或V形截面。当所有纤维都设置在通道中时，它们优选地通过装置410移位并以优化的图案411分布。每批或束移位的纤维与先前的批次匹配以制造连续带412。所有先前的步骤优选在潮湿条件下进行，这需要干燥操作以进行进一步的预浸渍或预成型固结过程。为此，将纤维在例如将它们保持在适当位置的穿孔传送带413上干燥，并且例如也在随后的过程期间通过装置414(预浸渍或粘合剂施加)附接聚合物或粘合剂以提供连续的竹纤维预成型品或预浸料415。

提取和清洁后纤维的长度可变化。例如，对于竹纤维，长度可以在15至50cm之间变化。因此，当这种纤维进一步加工成保持其原始长度的带时，这可能很容易导致间隙，从而导致弱点。将纤维切割成一定长度的优点在于它可以控制移位图案。可以对纤维施加优化的移位图案以排除弱点并因此增加强度。切割的缺点是产生的材料废物，但这种废物可以进一步用于短纤维垫或注塑成型化合物。上述考虑可能导致使用纤维束制造预浸料的选择，对于竹纤维，这些可具有10cm的长度。如果考虑从提取和清洁过程产生的最短纤维(对于竹子，例如这是15cm)，则在每侧采用适合纤维长度(例如竹子为2.5cm)的切割区域，在竹纤维的实例中留下10cm长的束。

由于天然纤维之间的高摩擦，例如竹纤维，在不移动整个纤维包的情况下移动一根纤维几乎是不可能的。这是一个缺点，但通过将纤维带入通道中可以将其转化为优势。如果将纤维放入通道中，则很容易在通道内移动小的竹纤维束而不移动邻接通道中的纤维。通道宽度优选地为0.2至5mm，并且更优选地为1mm至2mm。

本发明的实施方式提供了其中分布天然纤维的预浸料或带，优选地长不连续的竹纤维，如图8(a)、图8(b)、图9(a)和图9(b)所示。为了复合材料的最佳强度，纤维的末端或平面单元的横向外围边缘优选分布在带或预浸料上。此外，为了避免弱点，两个连接的纤维末端或平面单元的边缘优选地可以不放置在两个其他连接的纤维末端或平面单元的边缘旁边或附近。如果带的截面中的不同纵向线的平面单元位于几乎相同的纵坐标处，则有至少两个纵向线布置在其之间，其跨越弱点，如图9(a)和图9(b)中示意性所示。更具体地，如果第一纵向线10中的平面单元的横向外周边缘与第二纵向线13中的平面单元的横向外周边缘之间的未对准距离Lv小于3w/n，则存在至少两条纵向线即，纵向线11和纵向线12位于第一纵向线10和第二纵向线13之间。

理想地，纤维尖端或纤维末端之间应该没有间隙，并且没有平面单元中的纤维的未对准。作为标准，纵向线中的邻接平面单元之间的纤维之间的间隙应小于2mm，以及平面单元之间在横向方向上的可能间隙。这些间隙将在复合材料中形成树脂袋，这对复合材料强度是有害的。带的理想厚度应该是均匀的。最大厚度为纤维直径的五倍的带是优选的。具有纤维的一个纤维直径的厚度的带，特别是竹纤维的一个纤维直径是最优选的。

根据本发明的实施方式的预浸料或带中使用的天然纤维的长度可以变化，例如，对于竹纤维，长度可以在15至50cm之间变化，因此，当纤维进一步加工成保持其原始长度的带时，这可能很容易导致间隙，从而导致弱点。结果，根据本发明的带或预浸料中使用的天然纤维优选以明确的长度切割，例如，10至30cm。以明确的长度切割纤维的优点在于它可以控制移位图案。可以对纤维施加优化的移位图案以排除弱点并因此增加强度。切割的缺点是产生的材料废物，但这种废物可以进一步用于短纤维垫。这可能导致使用纤维束制造预浸料的选择，对于竹纤维，这些可具有10cm的长度。如果考虑从提取和清洁过程产生的最短纤维(对于竹子，例如这是15cm)，则在每侧采用适合纤维长度(例如竹子为2.5cm)的切割区域，留下10cm长的束。在优选的实施方式中，所有束的纤维具有相同的长度，但是本发明不限于此。连续束，其中每束的纤维具有相同的长度，可以具有不同的长度，只要施加到每束的图案是相同的，使得它们优选地彼此精确地按顺序配合。

当获得包含根据本发明实施方式的图案的带或预浸料时，后者用作复合材料中的增强元件。复合材料是两个或更多个相的组合的结果。增强相，在这种情况下是天然纤维，例如竹纤维，提供强度和刚度，并嵌入基质相中，在这种情况下使用环氧树脂。然后用两种方法将环氧树脂加入到根据本发明的预制竹带中。可替代地，也可以使用预浸料路线。

为了让环氧树脂固化催化剂，例如，使用1,2-二氨基环己烷。在这种情况下，质量比例催化剂/环氧树脂为15,2/100。混合环氧树脂混合物以达到均匀分布。然后将环氧树脂混合物放入真空室中以消除气泡。按照该概念的程序形成的干燥图案化单向竹纤维被放入模腔中以产生样品。样品的尺寸为25x210mm。可以使用本领域已知的不同方法制造复合材料，我们将提供可用于制造复合材料的两种不同方法(手工铺叠(HLU)和轻树脂传递成型(轻-RTM))。

在第一种方法中，将环氧树脂混合物手动浇注在模具中的竹纤维上。然后将模具关闭并放入热压机中，该热压机可施加所需的热量和压力。压力保持恒定在10巴，这是可用机器上的最低压力，较低的压力是优选的。固化过程所需的温度由环氧树脂的制造商给出，在这种情况下，在75℃下1小时，然后在150℃下1小时。在此过程之后，可以将复合样品从模具中取出。这是制作复合样品的相对快速的方法，但由于环氧树脂混合物的手动浇注，复合材料中可能存在一些孔隙。

已经使用了第二种方法，其称为轻树脂传递成型，因为它使用真空来施加压力而不是压力机。用塑料薄膜和密封带气密密封模具。首先将模具抽真空，看是否没有气隙。然后通过管和多孔材料(通气器)将环氧树脂混合物引入模具中。通过观察确定每个模腔充满树脂时，因此可以开始固化过程。该固化过程在这种情况下，在75℃下1小时，然后在150℃下1小时。在此过程之后，可以将复合样品从模具中取出。使用该技术产生了平均体积分数为28％的7个样品。图8(a)示出了其中放置图案化纤维的模具，且图8(b)示出了如何完成使用真空的光RTM方法。

使用根据本发明的方法测试获得的样品

根据ASTM D3039制造拉伸测试样品。使用具有30kN的测力传感器的Instron 4467拉伸测试仪进行测量。十字头速度为2mm/min。将样品机械夹紧。在夹具和样品之间插入砂纸以防止滑动。标距长度设定为150mm。使用标距长度为50mm的引伸计来精确测量位移数据。以10点/秒的采样率收集数据。总共测试了11个样品：通过手工铺设方法生产的4个样品，通道宽度为2mm，通过光RTM方法生成5个样品，通道宽度为2mm，且通过光RTM方法生成2个样品，通道宽度为1mm。测试结果列于表1中。测试前四个样品，给出平均拉伸模量为18(±3)GPa，这与没有任何切割的单向复合样品的刚度相似。由于技术问题，不可能获得第二束或批复合材料LRTM_DUD2和LRTM_DUD1的样品位移，因此无法计算它们的刚度。尽管如此，可以预计值接近18GPa。

表1：样品的机械性能

其中

(*)确定纵向线的平面单元的最终宽度的通道宽度

(**)在纤维体积分数为40％时归一化的断裂点处的最大拉伸强度，

(***)由于测试前样品的损坏(裂缝)，LRTM_DUD1_1的σ最大(σmax)将被忽略。

如图7所示的结果表明，通道的宽度对复合材料的最终强度有很大影响。具有2mm和1mm通道宽度的光RTM分别提供116MPa和约178MPa的平均拉伸强度。这是合乎逻辑的，因为两倍宽的束将在相同的纵向坐标位置具有大约两倍量的弱连接点(切口)。与HLU样品相比，具有2mm通道的轻RTM的较低强度值的可能解释可以在与手工铺设工艺相比的相对厚度中找到，导致具有脆性环氧树脂的富含树脂的样品。为了比较，竹纤维/环氧树脂复合材料的典型应力应变曲线如图6所示。

本发明的实施方式提供了一种方法，更具体地一种机械操作，以分配长的不连续天然纤维，其长度可以固定，例如，竹纤维，成为对齐纤维的无限带配置。该‘带’可有利地用作复合材料工业中的预成型品或预浸料，使得能够在大规模和工业规模的复合材料中使用天然纤维。为了优化所得复合材料的强度，纤维或纤维束的末端优选分布在预成型品上。用于实验的纤维优选是清洁的竹纤维，其被切成例如10cm的长度。为了减轻纤维的移动，将一包或一批竹纤维引入通道中。随后，在优化的移位图案之后，该批纤维在通道中移位。移位图案的优化试图使裂缝长度最大化并考虑邻接纤维或纤维束之间的弱点。使用拉伸强度试验研究通道宽度的影响。使用2mm宽的通道和1mm宽的通道产生样品。由1mm宽的通道产生的样品具有178MPa的拉伸强度，在纤维体积分数为40％时归一化。这比连续竹纤维/环氧树脂复合材料的拉伸强度仅低20％。本发明的实施方式有利地显示了竹纤维作为高性能复合材料中的增强材料的潜力。

应理解，本发明不限于装置和/或所述方法的工艺步骤的特定特征，因为这些装置和方法可以变化。还应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不意图是限制性的。必须注意，如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括单数和/或复数指示物，除非上下文另有明确规定。还应理解，除非上下文另有明确规定，否则复数形式包括单数和/或复数指示物。此外，应理解，在给出由数值界定的参数范围的情况下，范围被认为包括这些限制值。

图8(a)、图8(b)、图9(a)和图9(b)的参考标记

[1000]带

[10,11,12,13]纵向线

[200,201,300,301]由一根或多根纤维(纤维束)组成的大致平面单元

[w]带的宽度

[L]带的长度

[w/n]平面单元或束的宽度

[Li]单元和纤维的长度

[L_v]邻接单元之间的纵向坐标的差异或重叠或未对准，每个单元包含在不同的纵向线中；更具体地，L_v是两个不同纵向线中的单元之间的重叠长度。

Claims (20)

1.一种连续纤维带(1000)，包括长度为Li的天然纤维的大致平面片，所述片具有纵向尺寸L，横向尺寸w；所述片包括布置在n条纵向线(10,11,12,13)中的大致平面单元(200,300,201,301)，其中n为至少4的整数，所述纵向线(10,11,12,13)彼此挨着地布置，每个平面单元(200,300,201,301)包括具有大致相同长度Li的单独的天然纤维；每个平面单元(200,300,201,301)具有纵向尺寸L_i和横向尺寸w/n，每个平面单元(200,300,201,301)具有彼此相对的第一横向外周边缘和第二横向外周边缘以及彼此相对的第一纵向外周边缘和第二纵向外周边缘；所述第一横向外周边缘和所述第二横向外周边缘具有尺寸w/n，并且所述第一纵向外周边缘和所述第二纵向外周边缘具有尺寸Li，

每条纵向线(10,11,12,13)包括多个平面单元(200,300,201,301)，其布置方式使得第一平面单元(200,201)的第一横向外周边缘邻接第二平面单元(300,301)的第二横向外周边缘，所述第二平面单元(300,301)邻接所述第一平面单元(200,201)，

其中，纵向线(10)中的平面单元(200,300)的横向外周边缘在纵向方向上与邻接纵向线(11)中的平面单元(201,301)的横向外周边缘错位未对准距离Lv，其中所述未对准距离Lv为至少3w/n；

并且其中，如果第一纵向线中的平面单元的横向外周边缘与第二纵向线中的平面单元的横向外周边缘之间的未对准距离Lv小于3w/n，则存在至少两条布置在所述第一纵向线和所述第二纵向线之间的纵向线。

2.根据权利要求1所述的连续纤维带(1000)，其中，所述纤维包括天然纤维。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，所述纤维包括竹纤维。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，不同纵向线的所述平面单元(200,300,201,301)具有大致相同的长度。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，所述平面单元(200,300,201,301)由成批的纤维形成，其中一批纤维定义为在一个步骤中施加以形成至少部分地彼此挨着地布置的平面单元的纤维，并且其中，来自不同批次的纤维具有不同的长度。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，所述横向尺寸w/n在一根单独的纤维的平均直径和20根单独的天然纤维的平均直径之和之间的范围内。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，平面单元(200,300,201,301)包括一束长度为Li的最大20根单独的纤维。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，平面单元(200,300,201,301)中的单独的纤维以彼此平行或大致平行的位置对齐，由此所述单独的纤维彼此挨着地布置。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，所述纤维具有在5μm至4mm范围内的直径。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，平面单元中的单独的纤维的纤维长度Li为至少50mm。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，其中，所述连续纤维带(1000)具有在所述纤维的平均直径和所述纤维的平均直径的5倍之间的范围内的平均厚度。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，还包括另外的纤维，所述另外的纤维选自由芳纶、陶瓷、金属、玻璃、聚乙烯、聚酯、碳和/或它们的组合组成的组。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的连续纤维带(1000)，还包括粘合材料。

14.根据权利要求13所述的连续纤维带(1000)，其中，所述粘合材料包括聚合物材料，所述聚合物材料包括热固性材料、热塑性聚合物或弹性体化合物，其中，所述纤维至少部分地被所述聚合物材料浸渍，产生预成型品或预浸料。

15.一种用于制造权利要求1至14中任一项所述的连续纤维带(1000)的方法，所述连续纤维带(1000)包括长度为Li的天然纤维的大致平面片，所述连续纤维带具有纵向尺寸L和横向尺寸w，所述方法包括以下步骤：

-提供n条纵向线(10,11,12,13)，其中n是至少4的整数，每条纵向线(10,11,12,13)包括多个大致平面单元(200,300,201,301)，每个平面单元包括具有大致相同长度Li的单独的纤维；每个平面单元(200,300,201,301)具有纵向尺寸L_i和横向尺寸w/n，每个平面单元(200,300,201,301)具有彼此相对的第一横向外周边缘和第二横向外周边缘以及彼此相对的第一纵向外周边缘和第二纵向外周边缘；所述第一横向外周边缘和所述第二横向外周边缘具有尺寸w/n并且所述第一纵向外周边缘和所述第二纵向外周边缘具有尺寸Li，所述平面单元(200,300,201,301)布置在纵向线(10,11,12,13)中，其布置方式使得第一平面单元(200,201)的第一横向外周边缘邻接第二平面单元(300,301)的第二横向外周边缘，所述第二平面单元(300,301)邻接所述第一平面单元(200,201)，

-将平面单元(200,300,201,301)的所述n条纵向线(10,11,12,13)横向彼此挨着地布置，其布置方式使得在纵向线(10)中的平面单元(200,300)的横向外周边缘在纵向方向上与邻接纵向线(11)中的平面单元(201,301)的横向外周边缘错位未对准距离Lv，其中所述未对准距离Lv为至少3w/n，并且其布置方式使得如果第一纵向线中的平面单元的横向外周边缘与第二纵向线中的平面单元的横向外周边缘之间的未对准距离Lv小于3w/n，则存在至少两条布置在所述第一纵向线和所述第二纵向线之间的纵向线。

16.根据权利要求15所述的用于制造连续纤维带(1000)的方法，其中，在纵向线中的邻接平面单元的纤维之间的间隙小于2mm。

17.根据权利要求15所述的用于制造连续纤维带(1000)的方法，其中，通过将一束天然纤维引入对准装置的通道中来获得平面单元的纵向线。

18.根据权利要求15所述的用于制造连续纤维带(1000)的方法，还包括施加粘合材料的步骤。

19.根据权利要求18所述的用于制造连续纤维带的方法，还包括在施加所述粘合材料之前的干燥步骤。

20.权利要求1至14中任一项所述的连续纤维带(1000)用于制造复合材料的用途。

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