CN110582386A - 用于制备单向纤维带的方法和系统 - Google Patents

Abstract

单向纤维带包含基质材料和分散在基质材料内的多个纤维，所述基质材料包含热塑性材料，其中带的厚度为0.07mm至0.30mm。所述带的平均相对纤维面积覆盖率为65至90，变异系数为3至20。在所述带中，纤维包含碳纤维，并且带的纤维体积分数大于50％。

Description

用于制备单向纤维带的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月13日递交的美国临时专利申请第62/470866号的优先权权益，其通过引用整体并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明一般涉及单向纤维带(“UD带”)，更具体地，涉及具有高纤维体积分数(例如，大于50％)和/或均匀密度(定义为平均相对纤维面积覆盖率(％)(“RFAC”)为65至90，和变异系数(％)(“COV”)为3至20)的薄(例如，具有约0.30毫米(mm)或小于0.30mm的厚度)的UD带，以及用于制备它们的方法和系统。

2.相关技术说明

与由常规材料形成的结构相比，UD带可用于制造具有有利结构特征，例如高刚度和高强度以及低重量的结构。因此，UD带广泛应用于各种行业，包括汽车、航空航天和消费电子行业。取决于UD带的应用，其可能需要满足许多标准，包括与强度、刚度、尺寸、重量和/或类似特征的相关标准，并且UD带可能需要始终满足那些标准。

与常规UD带制备技术相关的挑战可能使它们无法制备满足所需标准的UD带。例如，常规浸渍技术可能不能用基质材料充分浸渍纤维床，这会导致UD带具有不期望的低纤维体积分数、不均匀的密度、厚度大、重量高和/或类似特征。当纤维床具有低渗透性(例如，在碳纤维床中)和/或当基质材料具有低熔体强度和/或高黏度时(例如，在高温聚合物中)，该问题可能恶化。

另外，由于例如需要溶剂以及需要从浸渍的纤维床中蒸发溶剂和/或处理或回收溶剂，常规的基于溶剂的浸渍技术可能是不期望的昂贵和/或复杂的。同样地，由于例如需要制备基质材料的含水浆料，这通常需要制备基质材料的细粉末，常规的基于水的浸渍技术可能是不期望的昂贵和/或复杂的。

发明内容

已经发现了上述缺陷的解决方案。具体地，已经发现了允许具有特定性质的UD带的一致和可扩展制备的处理技术，特定性质例如小且均匀的密度和/或高的纤维体积分数。这种处理技术可包括使用第一铺展纤维层和第二铺展纤维层，其中：(1)第二铺展纤维层的纤维比第一铺展纤维层多至少10％，将基质材料引入第二铺展纤维层，并将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起；和/或(2)通过使在第一方向的第二铺展纤维层在挤出机模具的出口下并相对于挤出机模具的出口移动同时将基质材料通过沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向的出口挤出将基质材料引入第二铺展纤维层，并且将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起。不希望受理论束缚，认为这些列举的加工技术可以单独使用或组合使用，促进铺展纤维层的浸渍，使UD带具有与现有的UD带相比有利的性能。

本发明的UD带的一些实施方案包含基质材料，该基质材料包含热塑性材料和分散在基质材料中的多个纤维，其中带的厚度为0.07mm至0.30mm。一些这样的UD带的平均RFAC为65至90，COV为3至20。一些这样的UD带的纤维体积分数大于50％。因此，一些本发明的UD带可以是薄的，同时具有均匀的密度和/或高的纤维体积分数。尽管本发明的一些UD带包含纤维，但是其可以具有这些期望的特性，当铺展到铺展纤维层中时，其具有相对低的渗透性(例如，碳纤维)。

本发明方法的一些实施方案可用于使用基于熔体的浸渍技术制备具有均匀的密度和/或高的纤维体积分数的薄带，这可以避免基于溶剂的浸渍技术或基于水的浸渍技术的成本和/或复杂性。

例如，本发明的一些方法包括：(1)将第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层，并将第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层，第二铺展纤维层具有比第一铺展纤维层多至少10％的纤维；(2)使用挤出机将基质材料引入第二铺展纤维层中；和(3)将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起。在第一铺展纤维层中包含较少的纤维可以增加其渗透性，从而在将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起时促进第一铺展纤维层的浸渍。

再例如，本发明的一些方法包括：(1)将第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束分别铺展为第一铺展纤维层和第二铺展纤维层；(2)至少通过以下方式将基质材料引入第二铺展纤维层：(a)使第二铺展纤维层在挤出机模具的出口下并相对于挤出机模具的出口沿第一方向移动；和(b)沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向通过出口挤出基质材料；(3)将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起。在一些方法中，第二铺展纤维层与模具接触或接近(例如，在5mm内)。一些方法包括使第二铺展纤维层在具有下游部分和上游部分的刮刀(其可以是模具的一部分)下通过，其中第二铺展纤维层和上游部分之间的距离大于相应的(即在相同方向上测量)第二铺展纤维层和下游部分之间的距离，使得基质材料积聚在刮刀和第二铺展纤维层之间。在这些方式的至少一些中，来自模具的基质材料可以被推入第二铺展纤维层中，从而促进第二铺展纤维层的浸渍。

本文公开了实施方案1至实施方案53。实施方案1是一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：将第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层，将第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层，所述第二铺展纤维层具有比第一铺展纤维层多至少10％的纤维，至少通过使第二铺展纤维层在挤出机模具的出口下并相对于挤出机模具的出口移动并通过出口挤出基质材料，将基质材料引入第二铺展纤维层，和至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带。

实施方案2是实施方案1，其中第二组一个或多于一个纤维束包含比第一组一个或多于一个纤维束多至少一个纤维束。

实施方案3是实施方案1或2，其中将基质材料引入第二铺展纤维层，使得第二铺展纤维层在模具的出口下并相对于模具的出口沿第一方向移动，并且沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向通过出口挤出基质材料。

实施方案4是一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：将第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层，将第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层，至少通过使第二铺展纤维层在挤出机的模具的出口下并且相对于挤出机的模具的出口沿第一方向移动，沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向通过出口挤出基质材料将基质材料引入第二铺展纤维层，和至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带。

实施方案5是实施方案4，其中第二铺展纤维层具有比第一铺展纤维层多至少10％的纤维。

实施方案6是实施方案5，其中第二组一个或多于一个纤维束包含比第一组一个或多于一个纤维束多至少一个纤维束。

实施方案7是实施方案3至6中的任一项，其中第一方向和挤出方向之间的角度为约85度至90度。

实施方案8是实施方案3至7中的任一项，其中通过模具的出口挤出基质材料包括通过模具的内部通道将基质材料输送至出口，并且挤出方向平行于内部通道的纵轴和/或垂直于出口的平面。

实施方案9是实施方案1至8中的任一项，其中在将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起的过程中，第一铺展纤维层具有第一宽度，第二铺展纤维层具有基本上等于第一宽度的第二宽度。

实施方案10是实施方案1至9中的任一项，其包括使第二铺展纤维层在具有下游部分和上游部分的刮刀下通过，其中第二铺展纤维层和上游部分之间的距离大于相应的第二铺展纤维层和下游部分之间的距离，使得基质材料积聚在刮刀和第二铺展纤维层之间。

实施方案11是实施方案10，其中刮刀与模具联接。

实施方案12是实施方案1至11中的任一项，其中挤出机内的压力为约5巴表压至约25巴表压。

实施方案13是实施方案1至12中的任一项，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含未施胶的纤维。

实施方案14是实施方案1至13中的任一项，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩纤维、钢纤维或其组合。

实施方案15是实施方案14，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维或玻璃纤维。

实施方案16是实施方案1至15中的任一项，其中基质材料包含热塑性材料，其包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸环己酯(PCTG)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲酯)(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、磺化聚砜(PSS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、其共聚物、或其共混物。

实施方案17是实施方案16，其中热塑性材料包含聚碳酸酯、聚酰胺、其共聚物或其共混物。

实施方案18是实施方案1至15中的任一项，其中基质材料包含热固性材料，其包括不饱和聚酯树脂、聚氨酯、酚醛塑料、硬塑料、脲-甲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧树脂、环氧乙烯基酯、聚酰亚胺、多氰尿酸酯的氰酸酯、二环戊二烯、酚醛、苯并嗪、其共聚物、或其共混物。

实施方案19是实施方案1至18中的任一项，其中带的纤维体积分数大于或等于35％。

实施方案20是实施方案19，其中纤维体积分数大于50％。

实施方案21是实施方案20，其中纤维体积分数小于或等于70％，任选地，纤维体积分数为65％至70％。

实施方案22是实施方案1至21中的任一项，其中带的厚度为0.07mm至0.30mm。

实施方案23是实施方案22，其中厚度为0.10mm至0.25mm，任选地，厚度为约0.15mm。

实施方案24是实施方案1至23中的任一项，其中带的平均RFAC为65至90，COV为3至20。

实施方案25是实施方案24，其中平均RFAC为70至90，COV为3至15。

实施方案26是实施方案25，其中平均RFAC为75至90，COV为3至10。

实施方案27是一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：将第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层，将第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层，使用挤出机将基质材料引入第二铺展纤维层，基质材料包含热塑性材料，并至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带，其中带的平均RFAC为65至90，COV为3至20，厚度为0.07mm至0.30mm。

实施方案28是实施方案27，其中平均RFAC为70至90，COV为3至15。

实施方案29是实施方案28，其中平均RFAC为75至90，COV为3至10。

实施方案30是实施方案27至29中的任一项，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或其组合。

实施方案31是实施方案30，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维或玻璃纤维。

实施方案32是一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：将分别包含碳纤维的第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层，将分别包含碳纤维的第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层，使用挤出机将基质材料引入第二铺展纤维层，基质材料包含热塑性材料，和至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带，其中带的纤维体积分数大于50％，厚度为0.07mm至0.30mm。

实施方案33是实施方案32，其中纤维体积分数小于或等于70％，任选地，纤维体积分数为65％至70％。

实施方案34是实施方案27，其中热塑性材料包含聚碳酸酯，第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束各自包含碳纤维，并且：(1)平均RFAC为约71.6，COV为约9.4；或(2)平均RFAC为约74.4，COV为约6.8。

实施方案35是实施方案27至33中的任一项，其中热塑性材料包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲酯)(PCT)、聚酰胺(PA)、磺化聚砜(PSS)、聚芳醚酮(PAEK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、其共聚物、或其共混物。

实施方案36是实施方案35，其中热塑性材料包含聚碳酸酯、聚酰胺、其共聚物或其共混物。

实施方案37是实施方案27至36中的任一项，其中带的厚度为0.10mm至0.25mm，任选地，带的厚度为约0.15mm。

实施方案38是一种用于制备单向纤维带的系统，所述系统包括：具有限定出口的模具的挤出机，设置在出口上游的第一导向件和设置在出口下游的第二导向件，导向件配置为接触铺展纤维层以在出口下沿第一方向引导铺展纤维层，其中挤出机配置为沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向通过模具的出口挤出基质材料。

实施方案39是实施方案38，其中第一方向和挤出方向之间的角度为约85度至90度。

实施方案40是实施方案38或39，其包括位于出口下游的刮刀，刮刀具有下游部分和上游部分，其中任选地，第二导向件包括刮刀，并且其中当铺展纤维层被导向件引导时，铺展纤维层和上游部分之间的距离大于铺展纤维层和下游部分之间的相应距离。

实施方案41是实施方案40，其中刮刀与模具联接。

实施方案42是实施方案38至41中的任一项，其中至少一个导向件包括杆或板。

实施方案43是一种单向纤维带，其包括：包含热塑性材料的基质材料和分散在基质材料中的多个纤维，其中带的平均RFAC为65至90，COV为3至20，厚度为0.07mm至0.30mm。

实施方案44是实施方案43，其中平均RFAC为70至90，COV为3至15。

实施方案45是实施方案44，其中平均RFAC为75至90，COV为3至10。

实施方案46是实施方案43至45中的任一项，其中纤维包含碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或其组合。

实施方案47是实施方案46，其中纤维包含碳纤维或玻璃纤维。

实施方案48是一种单向纤维带，其包括：包含热塑性材料的基质材料和分散在基质材料中的多个纤维，其中带的纤维体积分数大于50％，厚度为0.07mm至0.30mm。

实施方案49是实施方案48，其中纤维体积分数为50％至70％，任选地，纤维体积分数为65％至70％。

实施方案50是实施方案43，其中热塑性材料包含聚碳酸酯，纤维包含碳纤维，并且：(1)平均RFAC为约71.6，COV为约9.4；或(2)平均RFAC为约74.4，COV为约6.8。

实施方案51是实施方案43至49中的任一项，其中热塑性材料包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲酯)(PCT)、聚酰胺(PA)、磺化聚砜(PSS)、聚芳醚酮(PAEK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、其共聚物、或其共混物。

实施方案52是实施方案51，其中热塑性材料包含聚碳酸酯、聚酰胺、其共聚物或其共混物。

实施方案53是实施方案43至53中的任一项，其中带的厚度为0.10mm至0.25mm，任选地，带的厚度为约0.15mm。

术语“联接”定义为连接，尽管不必须直接连接也不必须机械连接；“联接”的两个物体可为彼此一体的。除非本公开明确要求，要素前不使用数量词定义为“一个或多于一个”。如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”被定义为大部分但不一定完全是指定的(并且包括所指定的内容；例如，基本上90度包括90度并且基本上平行包括平行)。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”和“约”可以用指定的“[百分比]内”代替，其中百分比包括0.1％、1％、5％和10％。

短语“和/或”表示和或者或。为了说明，A、B和/或C包括：单独的A、单独的B、单独的C、A和B的组合、A和C的组合、B和C的组合、或A、B和C的组合。换句话说，“和/或”作为包容性的或。

此外，以特定方式配置的装置或系统以至少这种方式配置，但是也可以除了那些具体描述的方式之外的其他方式配置。

术语“包括”、“具有”和“包含”是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”或“包含”一个或多于一个元件的装置具有那些一个或多于一个元件，但不限于仅具有那些一个或多于一个元件。同样，“包括”、“具有”或“包含”一个或多于一个步骤的方法具有那些一个或多于一个步骤，但不限于仅具有那些一个或多于一个步骤。

任何装置、系统和方法的任何实施方案可以由或基本上由-而不是包括/具有/包含-任何所描述的步骤、元件和/或特征组成。因此，在任何权利要求中，术语“由……组成”或“基本上由……组成”可以替代上述任何开放式连接动词，以改变另外使用开放式连接动词的给定权利要求的范围。

除非本公开或实施方案的性质明确禁止，否则即使没有描述或示出，一个实施方案的特征可以应用于其他实施方案。

以上描述了与实施方案相关的一些细节，下面描述了其他细节。

附图说明

以下附图以举例和非限制性的方式进行说明。出于简洁与清楚的目的，给定结构的每一个特征并非总是在该结构出现的每一个图中都被标记。相同的附图标记不一定表示相同的结构。相反，相同的附图标记可以用于表示相似的特征或具有相似功能的特征，与不同的附图标记一样。除非被确认为示意图，否则每幅图都是按比例绘制的，意味着图中所示元件的尺寸对于至少图中所示的实施方案而言相对于彼此是准确的。

图1是现有技术UD带的横截面图像。

图2是示出用于确定UD带的平均RFAC和COV的过程的示意图。

图3是本发明UD带的一个实施方案的示意性透视图。

图4是用于制备UD带的本发明方法的一些实施方案的流程图，包括将基质材料引入两个铺展纤维层之一并将铺展纤维层压在一起。

图5是本发明的铺展系统的实施方案的示意性侧视图，该铺展系统用于将第一组纤维束和第二组纤维束铺展到相应的第一铺展纤维层和第二铺展纤维层中。

图6是图5的铺展系统的透视图。

图7是图5的铺展系统的铺展元件的示意性透视图。

图8是本发明浸渍系统的实施方案的示意性侧视图，浸渍系统包括具有用于将基质材料引入铺展纤维层的模具的挤出机。

图9和图10是图8的浸渍系统的模具的示意性横截面侧视图。

图11是图8的浸渍系统的透视图。

图12是本发明的浸渍系统的实施方案的透视图。

图13是用于将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起的各种部件的示意性侧视图。

图14是图13的一些部件的透视图。

图15和图16分别是本发明的UD带的实施方案的横截面图像，注释了用于确定该带的平均RFAC和COV的框和纤维数。

具体实施方式

现有的UD带可能具有不期望的不均匀密度、低纤维体积分数和/或高厚度。例如，图1是现有技术的UD带100的横截面图像，其包括分散在基质材料104内的玻璃纤维102。对于UD带100，纤维102在基质材料104内的分布是不均匀的，因此带的密度是不均匀的；例如，纤维被分组成簇106，并且基质材料集中在围绕簇设置的通常无纤维的袋108中。这种不均匀的密度可以量化为平均RFAC为65.7和COV为32.4(参见实施例2)。这种不均匀的密度会使UD带100的性能不一致且不可预测。另外，基质材料104的袋108，特别是位于纤维102的簇106上方和下方的那些，可以使UD带100具有不期望的低纤维体积分数(例如，用于高强度和/或刚度很重要的应用中)，以及不期望的高厚度(例如，用于空间受限的应用和/或用于重量轻很重要的应用中)。

A.本公开的UD带

如下面更详细描述的，本发明的UD带可以是薄的(例如，具有大约0.30mm或小于0.30mm的厚度)以及具有高纤维体积分数(例如，大于50％)和/或均匀的密度(例如，定义为平均RFAC为65至90，COV为3至20)。

1、确定RFAC和COV

另外参照图2，使用以下过程确定UD带(例如，200)的平均RFAC和COV：

1、垂直于UD带的长度拍摄UD带的横截面图像202，使得图像的宽度204与UD带的宽度(在方向206上测量)对齐，并且图像的高度208与UD带的厚度210对齐。图像202的宽度204足够大，使框216a至框216k的每一个(下面描述)位于图像内，并且图像的高度208足够大，使UD带的整个厚度210被图像捕捉。为了产生实施例部分中讨论的图像，使用具有50x透镜的KEYENCE VK-X22相机；但是，可以使用其他相机或成像装置。

2、在图像202上绘制十字准线212和214，使得十字准线沿着UD带的宽度和厚度将由图像捕捉的UD带的部分二等分。

3、具有等于UD带的厚度210的大约80％的边的第一方框216a被绘制在十字准线212和214相交的中心。

4、在图像202上绘制两组5个相邻的方框216b至216f和216g至216k，每个框具有与第一方框216a相同的尺寸，使得：(a)每个组在厚度方向的十字准线214的相应侧上绘制；(b)每个组与第一方框相邻；(c)对于每个组，每个框以横向十字准线212为中心。将在图像202上绘制总共11个框216a至216k。

5、对于框216a至216k中的每一个，测量框内纤维218占据的面积，并表示为框总面积的百分比，称为面积覆盖率(AC)(％)。由框(例如，216a至216k中的任一个)内的纤维(例如，218)占据的面积可以通过计数大部分的纤维横截面位于框内的纤维并且将该数乘以纤维的平均横截面积(可由纤维制造商提供)来近似。

6、对于框216a至216k中的每一个，通过将框的AC除以框的最大理论上可能的AC来确定框的RFAC；如果假设纤维具有圆形横截面，将这些纤维装在方框内，则可以看出理论上可能的最大AC为78.5。

7、UD带的平均RFAC通过框216a至216k的平均RFAC来确定。

8、通过将框216a至216k的AC的标准偏差(σ)除以框的AC的平均值并乘以100来确定UD带的COV。

2、性质

在该部分中，公开了本发明的UD带的示例性组成、尺寸和性质。以举例说明的方式提供，图3是本发明的UD带的一个实施方案300的示意性透视图，其包含分散在基质材料308内的纤维304。

在UD带300中，纤维304可包含碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或其组合(例如，碳纤维或玻璃纤维)。UD带300的基质材料308可包含热塑性材料，其包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲酯)(PCT)、聚酰胺(PA)、磺化聚砜(PSS)、聚芳醚酮(PAEK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、其共聚物、或其共混物(例如，聚碳酸酯、聚酰胺(例如聚酰胺6、聚酰胺66和/或类似物)、其共聚物、或其共混物)。

在一些UD带(例如，300)中，UD带的基质材料(例如，308)可包含阻燃剂，例如磷酸盐/酯结构(例如，间苯二酚双(二苯基磷酸酯))、磺化的盐、卤素、磷、滑石、二氧化硅、水合氧化物、溴化聚合物、氯化聚合物、磷化聚合物、纳米黏土、有机黏土、聚膦酸盐、聚[膦酸盐-co-碳酸盐]、聚四氟乙烯和苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯和甲基丙烯酸甲酯共聚物、聚硅氧烷共聚物和/或类似物。

在一些UD带(例如，300)中，UD带的基质材料(例如，308)可包含一种或多于一种添加剂，例如促进UD带的基质材料和纤维(例如，304)之间黏合的偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂、流动改性剂、稳定剂、UV稳定剂、UV吸收剂、抗冲改性剂、交联剂、着色剂或其组合。偶联剂的非限制性实例包括可从DUPONT商购获得的POLYBOND 3150马来酸酐接枝聚丙烯、可从DUPONT商购获得的FUSABOND P613马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐乙烯或其组合。流动改性剂的非限制性实例是可从POLYVEL INC商购获得的CR20P过氧化物母料。热稳定剂的非限制性实例是可从BASF商购获得的IRGANOX B 225。UV稳定剂的非限制性实例包括受阻胺光稳定剂、羟基二苯甲酮、羟基苯基苯并三唑、氰基丙烯酸酯、草酰苯胺、羟基苯基三嗪及其组合。UV吸收剂的非限制性实例包括4-取代-2-羟基二苯甲酮及其衍生物、水杨酸芳基酯、二酚的单酯，如间苯二酚单苯甲酸酯、2-(2-羟基芳基)-苯并三唑及其衍生物、2-(2-羟基芳基)-1,3,5-三嗪及其衍生物，或其组合。抗冲改性剂的非限制性实例包括溶解在一种或多于一种形成基质的单体中的弹性体/软嵌段(例如，本体HIPS、本体ABS、反应器改性的PP、LOMOD、LEXAN EXL和/或类似物)，通过配混分散在基质材料中的热塑性弹性体(例如，二嵌段、三嵌段和多嵌段共聚物，(官能化的)烯烃(共)聚合物和/或类似物)，通过配混分布在基质材料中的预定义的核-壳(基材-接枝)颗粒(例如，MBS、ABS-HRG、AA、ASA-XTW、SWIM和/或类似物)，或其组合。交联剂的非限制性实例包括二乙烯基苯、过氧化苯甲酰、亚烷基二醇二(甲基)丙烯酸酯(例如，二醇二丙烯酸酯和/或类似物)、亚烷基三醇三(甲基)丙烯酸酯、聚酯二(甲基)丙烯酸酯、双丙烯酰胺、氰尿酸三烯丙酯、异氰脲酸三烯丙酯、(甲基)丙烯酸烯丙酯、马来酸二烯丙酯、富马酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯、柠檬酸的三烯丙酯、磷酸的三烯丙酯、或其组合。在一些UD带(例如300)中，这种添加剂可包含纯聚丙烯。

UD带300可具有任何合适的长度(例如，在方向316上测量)和任何合适的宽度320。例如，UD带300的长度可以大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、12m、14m、16m、18m、20m、25m、30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m、70m、80m、90m或100m(米)。例如，UD带300的宽度320可以大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm、55cm、60cm、70cm、80cm、90cm或100cm(厘米)。UD带300是薄的；例如，UD带的厚度324，其可以是UD带的平均厚度，小于或基本等于以下任何一个或在以下任意两者之间：0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.10mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm、0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.20mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm或0.30mm(例如，0.07mm至0.30mm、0.10mm至0.25mm、或约0.15mm)。

UD带300可具有高纤维体积分数和/或均匀密度。例如，UD带300的纤维体积分数可以大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：50％、52％、54％、56％、58％、60％、62％、64％、66％、68％或70％(例如，大于50％、大于50％且小于或等于70％、或65％至70％)。具有较高纤维体积分数的UD带(例如300)可具有比具有较低纤维体积分数的UD带(例如100)更高的强度和/或刚度。再例如，UD带300的平均RFAC为65至90，COV为3至20，更优选平均RFAC为70至90，COV为3至15，甚至更优选平均RFAC为75至90，COV为3至10。具有更均匀密度的UD带(例如，300)可以比具有更不均匀密度的UD带(例如，100)表现出更一致和更可预测。

至少由于薄且具有高纤维体积分数和/或均匀密度，UD带300可以在结构上比现有UD带更有效；为了说明，UD带300可以具有比具有类似强度和/或刚度的现有UD带更小的尺寸和/或重量、比现有类似尺寸和/或重量的UD带更高的强度和/或刚度、和/或类似特征。在UD带制造期间，UD带(例如，300)的这种期望特性可以至少部分地通过纤维(例如，304)的有效铺展和用基质材料(例如，308)有效浸渍那些纤维来获得。用于实现这种有效铺展和浸渍的方法和系统的非限制性实例公开如下。

B.制备UD带的方法和系统

图4描绘了用于制备UD带的本发明方法的实施方案。如下所述，UD带可以通过将第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束铺展为相应的第一铺展纤维层和第二铺展纤维层(步骤404和408)，将基质材料引入第二铺展纤维层(步骤412)，和将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起(步骤416)来制备。下面参考本发明的铺展系统(例如，500，图5至图7)和浸渍系统(例如，800，图8至图11)的实施方案来说明图4的方法；然而，这些系统不限制那些可以使用任何合适的系统执行的方法。

另外参照图5至图7，一些方法包括将第一组一个或多于一个纤维束(例如，504a)铺展为第一铺展纤维层(例如，508a)的步骤404和将第二组一个或多于一个纤维束(例如，504b)铺展为第二铺展纤维层(例如，508b)的步骤408。纤维束的特征可以在于纤维的线材、粗纱和/或丝束，可以包含任何合适的纤维，例如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩纤维、钢纤维或其组合。在一些方法中，纤维束(例如，504a和504b)可包含未施胶的纤维。这种未施胶的纤维可以是未涂覆的和/或可以不包含胶料，例如环氧树脂、聚酯、尼龙、聚氨酯、氨基甲酸酯、偶联剂(例如烷氧基硅烷)、润滑剂、抗静电剂、表面活性剂和/或类似物。具有未施胶的纤维的纤维束(例如，504a和504b)可以比具有施胶的纤维的纤维束更容易地铺展为铺展纤维层(例如，508a和508b)(例如，胶料可以增加纤维彼此黏附的趋势)。

每个纤维束可包含任何合适数量的纤维；例如，每个纤维束可包含250个至610000个纤维，纤维束可以是1K、3K、6K、12K、24K、30K、50K或大于50K的纤维束，和/或类似物。纤维束可以设置在卷轴上，纤维束可以从卷轴上展开并提供至铺展系统(例如500)，以将纤维束铺展为第一铺展纤维层和第二铺展纤维层。

以举例说明方式提供，铺展系统500可包括用于将第一组纤维束504a铺展为第一铺展纤维层508a的第一组铺展元件512a至512f，和用于将第二组纤维束504b铺展为第二铺展纤维层508b的第二组一个或多于一个铺展元件512g至512l。为了说明，第一组一个或多于一个纤维束可包含任何合适数量的纤维束(例如，1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或多于9个纤维束)，其可以一起在第一组铺展元件的铺展元件下方和上方通过，以将纤维束铺展为第一铺展纤维层。类似地，第二组一个或多于一个纤维束可包含任何合适数量的纤维束(例如，1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或多于9个纤维束)，其可以一起在第二组铺展元件的铺展元件下方和上方通过，以将纤维束铺展为第二铺展纤维层。

铺展元件512a至512l的每一个可以基本上垂直于由铺展元件铺展的纤维束(第一组纤维束504a或第二组纤维束504b)定向。例如，铺展元件可各自包含与纤维束接触并具有基本垂直于纤维束的纵向轴线(例如，图7中的702)的细长体(例如，杆或板)。铺展系统500可以包括框架516，一个或多于一个铺展元件联接至框架516。

铺展元件512a至512l可各自限定弯曲表面704，其接触纤维束以铺展纤维束。在铺展系统500中，每个铺展元件的弯曲表面704可以是圆柱形的。例如，每个铺展元件可以包括杆，其中杆部分与纤维束接触，杆是直的并且具有直径基本恒定的圆形横截面。在铺展纤维束期间，至少通过在垂直于纤维束的方向上具有很小或没有斜面，这样的圆柱形弯曲表面(例如，704)可以减小施加在纤维上的力，并且因此减轻纤维的破损。然而，在其他实施方案中，一个或多于一个铺展元件中的每一个的弯曲表面可以是球形、椭圆形、双曲面形、圆锥形和/或类似形状。在一些实施方案中，一个或多于一个铺展元件可各自包含弯曲板-其与限定其弯曲表面的杆相对。

这样的弯曲表面(例如，704)可以具有任何合适的半径(例如，708)，例如，半径大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、7.5mm、8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm、11.0mm、12.0mm、13.0mm、14.0mm、15.0mm、16.0mm、17.0mm、18.0mm、19.0mm、20.0mm、21.0mm、22.0mm、23.0mm、24.0mm、25.0mm、26.0mm、27.0mm、28.0mm、29.0mm、或30.0mm。为了说明，铺展元件512a至512c和512g至512i的每一个的弯曲表面704可以具有约6.30mm的半径708，并且每个铺展元件512d至512f和512j至512l的弯曲表面704可以具有约25.4mm的半径708。

对于每个铺展元件512a至512l，弯曲表面704可以是低摩擦表面；例如，铺展元件可包含低摩擦材料(例如，热处理或化学处理的金属，例如钢)，铺展元件可包含低摩擦涂层和/或镀层，和/或类似物。低摩擦镀层的非限制性实例是硬铬镀层，例如可从TOPOCROM获得的镀层。在铺展纤维束期间，这种低摩擦弯曲表面(例如，704)可以减小施加在纤维上的力，从而减轻纤维的破损。

在用铺展元件铺展纤维束期间，铺展元件512a至512l中的至少一个可相对于纤维束(第一组纤维束504a或第二组纤维束504b)移动。例如，至少一个铺展元件可以在与它的纵向轴线702对齐的方向712上相对于纤维束和/或框架516摆动。这种摆动可以使用联接到铺展元件的驱动器(例如，520)例如电动机来实现。更具体地，在铺展系统500中，铺展元件512b、512e、512h和512k可以如此摆动。这样的摆动可以具有任何合适的振幅，例如，振幅大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm、4.0mm、4.5mm、5.0mm、6.0mm、7.0mm、8.0mm、9.0mm、10.0mm、11.0mm、12.0mm、13.0mm、14.0mm、15.0mm、16.0mm、17.0mm、18.0mm、19.0mm、或20.0mm(例如，0.1mm至20.0mm、0.1mm至10mm、0.5mm至8.0mm、或1.0mm至5.0mm)，以及任何合适的频率，例如，频率大于或基本等于以下任何一个或在以下任意两者之间：0.1Hz、0.2Hz、0.3Hz、0.4Hz、0.5Hz、1.0Hz、1.5Hz、2.0Hz、2.5Hz、3.0Hz、3.5Hz、4.0Hz、4.5Hz、或5.0Hz(赫兹)(例如，0.1Hz至5.0Hz或0.5Hz至2.0Hz)。铺展元件(例如，512a至512l中的任一个)的这种摆动可以促进用铺展元件铺展纤维束，通过例如促进纤维的并置。

又例如，在用铺展元件铺展纤维束期间，铺展元件512a至512l中的至少一个可以在围绕它的纵向轴线702的方向716上相对于纤维束和/或框架516旋转。这种旋转可以通过联接到铺展元件的驱动器(例如，520)，例如电动机实现。这种旋转可以以任何合适的振幅的摆动方式进行，例如，振幅大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：0.5度、1.0度、1.5度、2.0度、2.5度、3.0度、3.5度、4.0度、4.5度、5.0度、6.0度、7.0度、8.0度、9.0度、10.0度、12.0度、14.0度、16.0度、18.0度、或20度，以任何合适的频率，例如，上述任何频率。不能如此旋转的铺展元件的一些可相对于框架316可旋转地固定。

在将第一组纤维束和第二组纤维束504a和504b铺展为第一铺展纤维层和第二铺展纤维层508a和508b期间，可以加热铺展元件512a至512l中的至少一个。例如，铺展元件的温度可以大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃(例如，在约100℃至约180℃)。可以以任何合适的方式完成铺展元件(例如，512a至512l中的任一个)的加热，例如，通过联接到铺展元件的加热元件(例如，524)。在铺展系统500中，可以定位热源528，例如红外线加热器，以在纤维束铺展为铺展纤维层时加热纤维束。热源528的温度可以是任何合适的温度，例如，上述用于加热的铺展元件的任何温度。纤维束的加热可以促进纤维束铺展为铺展纤维层和/或增强铺展纤维层与基质材料的浸渍。

另外参照图8至图12，一些方法包括将基质材料引入第二铺展纤维层(例如，508b)的步骤412。基质材料可包含热塑性材料或热固性材料。这样的热塑性材料可以包含例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸环己酯(PCTG)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲酯)(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、磺化聚砜(PSS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、其共聚物、或其共混物。这样的热固性材料可以包含例如不饱和聚酯树脂、聚氨酯、酚醛塑料、硬塑料、脲-甲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧树脂、环氧乙烯基酯、聚酰亚胺、多氰尿酸酯的氰酸酯、二环戊二烯、酚醛、苯并嗪、其共聚物、或其共混物。基质材料可包含一种或多于一种上述阻燃剂和/或添加剂。

为了说明，可以使用挤出机804将基质材料引入第二铺展纤维层(例如，基于熔体的浸渍技术的实例)。更具体地，在通过出口挤出基质材料的同时，第二铺展纤维层可以在挤出机的模具808的出口812下方并且相对于挤出机的模具808的出口812移动。挤出机804内(例如，在模具808内)的压力可以是任何合适的压力，例如，压力大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：5巴表压、6巴表压、7巴表压、8巴表压、9巴表压、10巴表压、12巴表压、14巴表压、16巴表压、18巴表压、20巴表压、或25巴表压(例如，在约5巴表压至约25巴表压)。可以基于基质材料的组成来选择挤出机804内(例如，在模具808内)的温度。

来自模具808的基质材料可以作为片材或膜提供；例如，出口812可以是细长的狭缝。为了说明，出口812可以具有小于或基本等于以下任何一个或在以下任意两者之间的宽度814(图10)：0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm或0.6mm(例如，约0.2mm至约0.6mm)。出口812的长度(垂直于宽度814测量)可以基本上等于位于出口下方的第二铺展纤维层的部分的宽度。模具808可包括内部通道820，内部通道820延伸到出口812并且基质材料可通过该内部通道820提供至出口。内部通道820可以与模具808的歧管或导管816流体连通，使得基质材料可以通过内部通道从歧管或导管提供至出口812。在将基质材料引入第二铺展纤维层期间，第二铺展纤维层可以与模具808接触或紧密接近(例如，在模具的1mm、2mm、3mm、4mm、或5mm内)，并且更具体地，与限定出口812的模具的部分接触或紧密接近。第二铺展纤维层相对于模具808的这种放置可以促进挤出机804将基质材料推入第二铺展纤维层，从而增强第二铺展纤维层的浸渍。

在将基质材料引入第二铺展纤维层期间，可以将第二铺展纤维层在出口812下方并相对于出口812沿第一方向824移动，并且沿挤出方向828通过出口挤出基质材料，挤出方向828垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量832。挤压方向828可以平行于内部通道820的纵向轴线836和/或垂直于出口812的平面840(例如，出口的至少大部分周长所在的平面)。为了说明，第一方向824和挤出方向828之间的角度834可以小于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：70度、71度、72度、73度、74度、75度、76度、77度、78度、79度、80度、81度、82度、83度、84度、85度、86度、87度、88度、89度或90度(例如，约85度至90度)。至少以这种方式，第二铺展纤维层相对于模具808的移动可用于促使(或至少不阻止)将离开模具的基质材料推入第二铺展纤维层。

浸渍系统800可包括设置在模具出口812下游的刮刀844，第二铺展纤维层可在刮刀844的下方通过(图10)。刮刀844可包括上游部分856a和下游部分856b，其中第二铺展纤维层和上游部分之间的距离860a大于第二铺展纤维层和下游部分之间的对应(即，在相同方向上测量)距离860b。第二铺展纤维层可以与刮刀844接触或紧密接近(例如，在刮刀的1mm、2mm、3mm、4mm、或5mm内)。以这些方式，基质材料可以在刮刀844和第二铺展纤维层之间累积，并且通过刮刀相对于第二铺展纤维层的倾斜取向，被推入第二铺展纤维层。如图所示，刮刀844联接到模具808(例如，形成模具808的一部分)；然而，在其他实施方案中，刮刀和模具可以是单独的部件。在浸渍系统800中，刮刀844面向第二铺展纤维层的表面是平面的；然而，在其他实施方案中，刮刀的这种表面可以是弯曲的(例如，凹形或凸形)。

浸渍系统800可包括一个或多于一个导向件864a至864d，用于相对于模具808引导第一铺展纤维层和第二铺展纤维层；例如：导向件864c和864d可引导模具出口812下方的第二铺展纤维层；导向件864a至864c可以引导在模具上方的第一铺展纤维层。这些导向件可包括杆、板、辊和/或类似物。导向件864a和864d可以是铺展元件，并且可以包括上面关于铺展元件512a至512l描述的任何特征。另外，可以认为导向件864a和864d是铺展系统(例如，500)的部件。导向件864c可以是压制元件，并且可以包括下面关于压制元件1304a至1304f描述的任何特征。在刮刀844影响模具808下方的第二铺展纤维层的路径的意义上，刮刀844的特征可以在于导向件。

导向件864a至864d中的至少一个可以被加热(例如，以与上面关于铺展元件512a至512l描述的相同或相似的方式)。例如，导向件的温度可以大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃(例如，约100℃至约180℃)。在浸渍系统800中，可以定位热源876，例如红外线加热器，以加热铺展纤维层，这样可以增强铺展纤维层的浸渍。热源876的温度可以是任何合适的温度，例如，上述用于加热的导向件的温度。

一些方法包括至少通过将第一铺展纤维层(例如508a)和第二铺展纤维层(例如508b)压在一起来制备UD带(例如，1302)的步骤416。例如，第一铺展纤维层508a和第二铺展纤维层508b可以被引导在导向件864c(其可以是压制元件)之下并与之接触，使得第一铺展纤维层设置在第二铺展纤维层和导向件之间。以这种方式，已经引入基质材料的第二铺展纤维层可以在将铺展纤维层压在一起时用基质材料浸渍第一铺展纤维层。

第二铺展纤维层可具有比第一铺展纤维层多至少10％(例如，至少20％)的纤维。例如，第二组纤维束504b可包含比第一组纤维束504a多至少一个纤维束，和/或第二组纤维束的纤维束的每一个可以包含比第一组纤维束的纤维束更多的纤维。在第二铺展纤维层中提供更多纤维可以减少基质材料在其浸渍期间的损失(例如，滴落)，并且在第一铺展纤维层中提供较少的纤维可以增加其渗透性，当第一铺展纤维层与第二铺展纤维层压在一起制时这可以促进第一铺展纤维层的浸渍。在这些实施方案中，尽管第二铺展纤维层具有比第一铺展纤维层更多的纤维，但是第一和第二铺展纤维层可以具有基本相同的宽度(例如，图12，分别为1204a和1204b)。

另外参照图13和图14，将第一和第二铺展纤维层压在一起可以通过使铺展纤维层在一个或多于一个压制元件(例如，1304a至1304f)的上方和/或下方通过进行。每个压制元件可包括例如杆、板、辊等。为了说明，压制元件1304a至1304e可各自包括杆或辊，并且压制元件1304f可包括板。这种压制元件可以被认为是浸渍系统的部件(例如，800)；例如，压制元件1304a可以是导向件864c。

当铺展纤维层在压制元件上方和/或下方通过时，可以加热铺展纤维层，以便例如促进它们的固结。首先，可以加热至少一个压制元件，这可以以与上述用于扩散元件512a至512l相同或相似的方式实现。为了说明，压制元件的至少一个的温度可以大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃(例如，在约100℃至约180℃)。其次，诸如红外加热器的热源1316可以定位在至少一些压制元件的上方(或下方或旁边)。再次，至少一些压制元件可以设置在加热板1308之间，加热板1308可以通过隔热层1312隔热。

铺展纤维层可以通过一组或多于一组的压延辊，例如第一组压延辊1320a和第二组压延辊1320b(按此顺序)。第一组压延辊1320a可以处于相对高的温度，例如，大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃或300℃(例如，约250℃)。这种相对高的温度可以促进铺展纤维层的固结。并且，第二组压延辊1320b可以处于相对低的温度，例如，小于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃或120℃(例如，80至90℃)。这种相对低的温度可以促进扩散纤维层的冷却。在一些实施方案中，仅使用一组压延辊，并且该组压延辊可以处于任何合适的温度，包括上述第一组压延辊1320a中所述的任何温度。

本发明方法可以使用任何合适的线速度来进行，例如，线速度大于或基本上等于以下任何一个或在以下任意两者之间：2.0m/min、2.5m/min、3.0m/min、3.5m/min、4.0m/min、4.5m/min、5.0m/min、5.5m/min、6.0m/min、6.5m/min、7.0m/min、7.5m/min、8.0m/min、8.5m/min、9.0m/min、9.5m/min、10.0m/min、11m/min、12m/min、13m/min、14m/min或15m/min(米/分钟)(例如，在2m/min至15m/min或在2m/min至6m/min)。线速度可以指通过铺展系统500的第一和第二组纤维束504a和504b的速度，穿过浸渍系统800的第一和第二铺展纤维层508a和508b的速度，和/或类似速度。

使用本发明方法制造的UD带(例如，1302)可具有上述UD带300的厚度、纤维体积分数和平均RFAC和COV。

实施例

将通过具体实施例更详细地描述本发明。提供以下实施例仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明。本领域技术人员将容易地识别各种可变的或可修正的非关键参数以得到基本相同的结果。

实施例1

本公开的样品UD带

使用上述铺展和浸渍系统的实施方案制备两个样品UD带(S1和S2)。对于S1和S2：(1)纤维是具有1％的热塑性胶料的高强度、正常模量的碳纤维；(2)基质材料包含聚碳酸酯，其熔体体积流速为52.6cm³/10分钟(根据总测试方法ASTM D 1238，在300℃和1.2kg下测试)。为了制造S1和S2中的每一个，模具的温度为290℃。用于制备S1的线速度为4m/min，用于制备S2的线速度为4.5m/min。

图15是S1的横截面图像，图16是S2的横截面图像。S1和S2的性能包括在表1中。

表1：S1和S2的性能

分别在表2和表3中提供了用于确定S1和S2的平均RFAC和COV的数据。

表2：用于确定S1的平均RFAC和COV的数据

表3：用于确定S2的平均RFAC和COV的数据

实施例2

对比UD带

分析了可商购获得的玻璃纤维UD带(C1)。图1中示出了C1的横截面图像。C1的平均RFAC为65.7，COV为32.4。在表4中提供了用于确定该平均RFAC和COV的数据。

表4：用于确定C1的平均RFAC和COV的数据

以上说明书和实施例提供了说明性实施方案的结构和用途的完整描述。尽管上文已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多于一个单独的实施方案描述了一些实施方案，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对所公开的实施方案进行多种改变。因此，方法和系统的各种说明性实施方案不旨在限于所公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替代方案，并且除了所示实施方案之外的实施方案可以包括所描绘实施方案的一些或全部特征。例如，可以省略元件或将元件组合为一体结构，和/或可以替换连接。此外，在适当的情况下，上述任何实施例的方面可以与所描述的任何其他实施例的方面组合以形成具有可比较或不同的性能和/或功能的其他实施例，并且解决相同或不同的问题。类似地，应该理解，上述优势和优点可以涉及一个实施方案，或者可以涉及若干实施方案。

除非在给定权利要求中使用短语“装置”或“步骤”的短语明确地列举这种限制，否则权利要求不旨在包括，并且不应被解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制。

Claims (42)

1.一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：

将第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层；

将第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层，第二铺展纤维层具有比第一铺展纤维层多至少10％的纤维；

至少通过以下方式将基质材料引入第二铺展纤维层：

使第二铺展纤维层在挤出机模具的出口下并相对于挤出机模具的出口移动；和

通过出口挤出基质材料；和

至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第二组一个或多于一个纤维束包含比第一组一个或多于一个纤维束多至少一个纤维束。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将基质材料引入第二铺展纤维层，使得：

第二铺展纤维层在模具的出口下并相对于模具的出口沿第一方向移动；和

沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向通过出口挤出基质材料。

4.一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：

将第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层；

将第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层；

至少通过以下方式将基质材料引入第二铺展纤维层：

使第二铺展纤维层在挤出机模具的出口下并相对于挤出机模具的出口沿第一方向移动；和

沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向通过出口挤出基质材料；和

至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带。

5.根据权利要求4所述的方法，其中第二铺展纤维层具有比第一铺展纤维层多至少10％的纤维。

6.根据权利要求5所述的方法，其中第二组一个或多于一个纤维束包含比第一组一个或多于一个纤维束多至少一个纤维束。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中：

通过模具的出口挤出基质材料包括将基质材料通过模具的内部通道输送至出口；和

挤出方向平行于内部通道的纵轴和/或垂直于出口的平面。

8.根据权利要求7所述的方法，其中第一方向和挤出方向之间的角度为约85度至90度。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起期间：

第一铺展纤维层具有第一宽度；和

第二铺展纤维层具有基本上等于第一宽度的第二宽度。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其包括：

使第二铺展纤维层在具有下游部分和上游部分的刮刀下通过；

其中第二铺展纤维层和上游部分之间的距离大于第二铺展纤维层和下游部分之间的相应距离，使得基质材料积聚在刮刀和第二铺展纤维层之间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中刮刀与模具联接。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中挤出机内的压力为约5巴表压至约25巴表压。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含未施胶的纤维。

14.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩纤维、钢纤维或其组合。

15.根据权利要求14所述的方法，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维或玻璃纤维。

16.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中基质材料包含热塑性材料，其包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、乙二醇改性的聚对苯二甲酸环己酯(PCTG)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲酯)(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、磺化聚砜(PSS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、其共聚物、或其共混物。

17.根据权利要求16所述的方法，其中热塑性材料包含聚碳酸酯、聚酰胺、其共聚物、或其共混物。

18.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中基质材料包含热固性材料，其包含不饱和聚酯树脂、聚氨酯、酚醛塑料、硬塑料、脲-甲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧树脂、环氧乙烯基酯、聚酰亚胺、多氰尿酸酯的氰酸酯、二环戊二烯、酚醛、苯并嗪、其共聚物、或其共混物。

19.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中带的纤维体积分数大于或等于35％。

20.根据权利要求19所述的方法，其中纤维体积分数大于50％。

21.根据权利要求20所述的方法，其中纤维体积分数小于或等于70％，任选地，纤维体积分数为65％至70％。

22.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中带的厚度为0.07毫米(mm)至0.30mm。

23.根据权利要求22所述的方法，其中厚度为0.10mm至0.25mm，任选地，厚度为约0.15mm。

24.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述带的平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65至90，变异系数(COV)(％)为3至20。

25.根据权利要求24所述的方法，其中平均RFAC为70至90，COV为3至15。

26.根据权利要求25所述的方法，其中平均RFAC为75至90，COV为3至10。

27.一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：

将第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层；

将第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层；

使用挤出机将基质材料引入第二铺展纤维层，所述基质材料包含热塑性材料；和

至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带；

其中带的：

平均RFAC为65至90，COV为3至20；和

厚度为0.07mm至0.30mm。

28.根据权利要求27所述的方法，其中平均RFAC为70至90，COV为3至15。

29.根据权利要求28所述的方法，其中平均RFAC为75至90，COV为3至10。

30.根据权利要求27所述的方法，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维，或其组合。

31.根据权利要求30所述的方法，其中第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束包含碳纤维或玻璃纤维。

32.一种制备单向纤维带的方法，所述方法包括：

将各自包含碳纤维的第一组一个或多于一个纤维束铺展为第一铺展纤维层；

将各自包含碳纤维的第二组一个或多于一个纤维束铺展为第二铺展纤维层；

使用挤出机将基质材料引入第二铺展纤维层，所述基质材料包含热塑性材料；和

至少通过将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起来制备带；

其中带的：

纤维体积分数大于50％；和

厚度为0.07mm至0.30mm。

33.根据权利要求32所述的方法，其中纤维体积分数小于或等于70％，任选地，纤维体积分数为65％至70％。

34.根据权利要求27所述的方法，其中：

所述热塑性材料包含聚碳酸酯；

第一组一个或多于一个纤维束和第二组一个或多于一个纤维束各自包含碳纤维；和

平均RFAC为约71.6，COV为约9.4；或

平均RFAC为约74.4，COV为约6.8。

35.根据权利要求27至33中任一项所述的方法，其中热塑性材料包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯醚(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲酯)(PCT)、聚酰胺(PA)、磺化聚砜(PSS)、聚芳醚酮(PAEK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、其共聚物、或其共混物。

36.根据权利要求35所述的方法，其中热塑性材料包含聚碳酸酯、聚酰胺、其共聚物、或其共混物。

37.根据权利要求31所述的方法，其中所述带的厚度为0.10mm至0.25mm，任选地，所述带的厚度为约0.15mm。

38.一种用于制备单向纤维带的系统，所述系统包括：

具有限定出口的模具的挤出机；

第一组导向件，其配置为接触第一铺展纤维层以在模具上方引导第一铺展纤维层；

第二组导向件，其包括：

设置在出口上游的第一导向件；和

设置在出口下游的第二导向件；

其中第一导向件和第二导向件配置为接触第二铺展纤维层以在出口下沿第一方向引导第二铺展纤维层；和

一个或多于一个压制元件，其位于模具下游，并配置为将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起；

其中挤出机配置为沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向通过模具的出口挤出基质材料。

39.根据权利要求38所述的系统，其中第一方向和挤出方向之间的角度为约85度至90度。

40.根据权利要求38或39所述的系统，其包括：

位于出口下游的刮刀，刮刀具有下游部分和上游部分；

其中，任选地，第二导向件包含刮刀；和

其中，当第二铺展纤维层被第二组导向件引导时，第二铺展纤维层和上游部分之间的距离大于第二铺展纤维层和下游部分之间的相应距离。

41.根据权利要求40所述的系统，其中刮刀与模具联接。

42.根据权利要求38或39所述的系统，其中至少一个导向件包含杆或板。