CN110641040A - 由非卷曲织物形成复合制品的方法 - Google Patents

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Abstract

用于形成复合制品的方法包括提供非卷曲织物(NCF)，非卷曲织物包括通过缝线保持在接头处的多个纤维层，其中缝线表现出相对于纤维层较低的对热和/或UV光的结构耐受性，使用热或UV光在一个或多个区域中选择性地降解缝线，将NCF悬垂在成型制品上，将聚合物基质材料施加到悬垂的NCF，并且固化聚合物基质材料以形成成型复合制品。缝线可以在NCF的区域中降解，当悬垂在成型制品上时，NCF的区域对应于成型制品的拓扑特征。降解缝线可包括破坏缝线。纤维层可包括碳纤维、玻璃纤维和/或玄武岩纤维。成型制品可以是工具和/或汽车部件。NCF可以是双轴NCF。

Description

由非卷曲织物形成复合制品的方法
背景技术
人们越来越关注利用合适的增强材料来代替高性能轻质增强复合材料部件和包含聚合物基质的结构用于车辆中的金属部件。合适的聚合物通常是热固性材料，例如环氧树脂、乙烯基酯或聚酯，或者热塑性材料，例如聚丙烯或聚酰胺，并且合适的增强材料包括结构纤维，例如碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维。这类纤维可以随机取向并沿一个或多个优选方向排列或对齐。
对于织物应用，为了易于应用，对齐的纤维可以组成两种织物结构中的一种：织造布或非织造物，非织造物通常称为非卷曲织物或缝编织物。织造布采用第一取向的丝束，第一取向的丝束交替地位于第二取向的纤维丝束之上和之下，第二取向通常与第一取向成大约90°。编织物可以是紧密的，相邻的丝束相隔约1毫米或更小，或为松散的，相邻的丝束相隔达约10毫米。
非卷曲织物包括许多间隔开的纤维粗纱，这些纤维粗纱可以简单地彼此并排放置在层中，并且通过缝线、使用例如聚酯纱线固定和锁定到位。这种缝线通常在加强层的长度和宽度上延伸，并且通常通过缝线梁来实现，该缝线梁结合有多个针并且具有适当的运动以实现简单的链式缝线和其它更复杂的缝线，例如经编缝线。在许多情况下，多个共同延伸的层彼此叠置，并且所有层的粗纱在单个缝线操作中固定。通常，层在相邻层的纤维取向彼此旋转的情况下放置，以使得在多层增强材料中的面内性质比单独在每一层中具有更小的方向性或更各向同性。每层的重量由粗纱的体积和相邻粗纱束之间的间距确定。这些非织造增强材料称为缝编织物或非卷曲织物，通常缩写为NCF。
这种织物增强材料，织造的或非织造的，可以用合适的聚合物树脂浸渍，放置在模具中，成型，然后固化，典型地在适度升高的温度(例如150℃)下，以形成所需的聚合物复合材料。应了解，可针对不同模制工艺修改上文列出的操作序列。例如，可将织物放入具有已浸渍树脂的工具(即模具)中，或者可在织物进入模具之后通过树脂浸渍、树脂传递模塑或结构树脂注射模塑来加入树脂。也可以使用热塑性或热固性片材或具有热塑性和增强纤维的共混股线的材料。
发明内容
提供了用于形成复合制品的方法，并且包括提供非卷曲织物(NCF)。NCF包括通过缝线保持在接头处的多个纤维层，并且缝线表现出相对于纤维层较低的对热和/或UV光的结构耐受性。该方法接下来包括使用热或UV光选择性地降解一个或多个区域中的缝线，将NCF悬垂在成型制品上，将聚合物基质材料施加到悬垂的NCF，并且固化聚合物基质材料以形成成型复合制品。缝线可以在NCF的区域中降解，当悬垂在成型制品上时，NCF的区域对应于成型制品的拓扑特征。缝线可以在NCF的区域中降解，当在成型制品上悬垂时，NCF的区域对应于其在多于一个维度上呈现拓扑变化的特征。降解缝线可包括破坏缝线。纤维层可包括碳纤维、玻璃纤维和/或玄武岩纤维。成型制品可以是工具。成型制品可以是汽车部件。NCF可以是双轴NCF。
提供了用于形成复合制品的其它方法，并且包括提供非卷曲织物(NCF)。NCF可以包括通过缝线保持在接头处的多个纤维层，并且缝线可以表现出相对于纤维层更低的结构耐热性。该方法接下来包括使用热选择性地降解一个或多个区域中的缝线，将NCF悬垂在成型制品上，将聚合物基质材料施加到悬垂的NCF，并且固化聚合物基质材料以形成成型复合制品。纤维层可包括碳纤维、玻璃纤维和/或玄武岩纤维。缝线可包括一种或多种聚酰胺、一种或多种聚酯、聚氨酯、一种或多种人造丝材料、聚丙烯、一种或多种聚乙醇酸、一种或多种聚乙烯醇，及其组合。缝线可以通过使NCF与加热的成型辊或加热的成型印模接触而选择性地降解。成型辊或成型印模可包括成型部分，该成型部分被加热到至少缝线的熔点。缝线可以通过激光、光栅感应加热工具或常压等离子体选择性地降解。
提供了用于形成复合制品的其它方法，并且包括提供非卷曲织物(NCF)。NCF包括通过缝线保持在接头处的多个纤维层，并且缝线相对于纤维层表现出更低的对UV光的结构耐受性。该方法接下来包括使用UV光选择性地降解一个或多个区域中的缝线，将NCF悬垂在成型制品上，将聚合物基质材料施加到悬垂的NCF，并且固化聚合物基质材料以形成成型复合制品。通过向NCF施加掩模并且将掩模暴露于UV光，可以使用UV光选择性地降解缝线，其中掩模包括一个或多个孔，一个或多个孔对应于期望缝线降解的NCF的区域。缝线可以通过遮蔽的UV光源选择性地降解。纤维层可包括碳纤维、玻璃纤维和/或玄武岩纤维。缝线可包括一种或多种聚酰胺、一种或多种聚酯、聚氨酯、一种或多种人造丝材料、聚丙烯、一种或多种聚乙醇酸、一种或多种聚乙烯醇，及其组合。
附图说明
图1A示出了根据一个或多个实施例的织造物的俯视图；
图1B示出了根据一个或多个实施例的非卷曲织物的透视图；
图2A示出了根据一个或多个实施例的具有以链状或柱状图案施加的缝线的非卷曲织物的俯视图；
图2B示出了根据一个或多个实施例的具有以经编图案施加的缝线的非卷曲织物的俯视图；
图2C示出了根据一个或多个实施例的具有以混合链/经编图案施加的缝线的非卷曲织物的俯视图；
图3示出根据一个或多个实施例的用于形成复合制品的方法的框图；
图4A示出了根据一个或多个实施例的可以用作成型制品的工具的透视图；以及
图4B示出可悬垂在工具之上的NCF坯料的俯视图。
具体实施方式
纤维增强聚合物复合制品在需要低质量和高强度的情况下得到越来越多的应用。通常，复合增强材料本身是若干不同的、通常共同延伸的增强纤维层的复合材料，增强纤维层堆叠或层叠在彼此之上。增强材料可以是对齐的织造或非织造纤维，或者可以是连续的或短切的随机排列和定位的纤维。这种增强材料的说明性实例示于图1A-B中，并且可以包括但不限于碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维，其中如下所述。
图1A示出了包括布置成丝束14的经向纤维12的织造增强材料10的一部分，所述丝束14交替地位于布置成丝束18的纬向纤维16之上和之下。图1B示出了四层或“四轴”非卷曲织物(NCF)20，其中粗纱层或“层”25、27、29、31分别包含取向间隔开的粗纱24、26、28、30，每个NCF 20包含以分层方式铺设并通过缝线32固定的纤维22(为清楚起见仅示出一次)。所示的缝线32是混合链/经编图案，但是可以采用许多不同的缝线图案。作为非限制性示例，图2A示出了具有以链状或柱状图案施加的缝线32的NCF 20的俯视图，图2B示出了具有以经编图案施加的缝线32的NCF 20的俯视图，并且图2C示出了具有以混合链/经编图案施加的缝线32的NCF 20的俯视图。
NCF通常用于形成复合制品，其通常包括嵌入固化的聚合物基质中的NCF。为了形成复合制品，首先将NCF悬垂在成型制品上以建立复合制品的所需端部几何形状，然后将聚合物基质材料施加到NCF上并固化。本文提供了用于形成包含NCF的复合制品的方法，该方法改善了NCF在形成期间的悬垂性并且因此减少了复合制品中不期望的起皱和缺陷。
图3示出了用于形成复合制品的方法300的框图。将结合图2B的NCF 20描述方法300，但是本领域技术人员将理解方法300不限于此。方法300包括：提供310NCF 20，选择性地使一个或多个区域中的缝线32降解320，将NCF 20悬垂330在成型制品上，将聚合物基质材料施加340到悬垂的NCF 20，并且固化350聚合物基质材料以形成成型复合制品。该方法还可任选地包括将成型制品与成型复合制品分离360。
NCF 20可以包括多轴向NCF(例如，双轴、三轴、四轴NCF)，其包括多个层。双轴NCF的一个常用实例是布置在﹢45°和﹣45°的2层纤维组。其它双轴NCF包括以0°和90°布置的纤维组，以﹢30°和﹣30°布置的纤维组，以﹢60°和﹣60°布置的纤维组，以及以非对称角度例如0°和﹢45°布置的纤维组。三轴NCF的常用实例是以0°、﹢60°和﹣60°排列的3层纤维组。四轴NCF的常用实例是以0°、﹢45°、﹣45°和90°排列的4层纤维组。应当理解，本说明书中使用的术语非卷曲织物、缝编织物、NCF、NCF织物或对齐的纤维层包括层数、取向数，任何层内纤维的角度排列和每个取向中纤维密度的变化。
NCF 20的纤维22可以包括碳纤维、玻璃纤维(例如，纤维玻璃、石英)、玄武岩纤维、芳族聚酰胺纤维、聚亚苯基苯并二恶唑(PBO)纤维、聚乙烯纤维(例如，超高分子量聚乙烯(UHMWPE))、聚丙烯纤维(例如高强度聚丙烯)、天然纤维(例如，棉、亚麻、纤维素、蜘蛛丝)，及其组合。
聚合物基质可包括任何合适的热塑性树脂或热固性树脂。热塑性树脂可以包括：氯乙烯树脂、偏二氯乙烯树脂、乙酸乙烯树脂、聚乙烯醇树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈苯乙烯树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸酯树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺树脂(PA6、PA11、PA12、PA46、PA66、PA610)、完全或部分芳族聚酰胺树脂、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚萘二甲酸乙二醇酯树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚丙交酯树脂，或这些树脂的任何组合或共聚物。热固性树脂可包括：苯并恶嗪、双马来酰亚胺(BMI)、氰酸酯、环氧树脂、酚醛树脂(PF)、聚丙烯酸酯(丙烯酸)、聚酰亚胺(PI)、不饱和聚酯、聚氨酯(PUR)、乙烯基酯、硅氧烷，或这些树脂的任何组合或共聚物。
方法300包括提供310NCF 20，NCF 20包括通过缝线32保持在接头处的多个纤维层。在一些实施例中，NCF 20包括双轴NCF，例如如上所述的那些。缝线32表现出比NCF 20的每一层的纤维22更高的特定易损性。特定易损性可包括例如对热、UV光、化学品或张力的结构耐受性。在一个实施例中，缝线32表现出相对于NCF 20的纤维层较低的对热和/或UV光的结构耐受性。在一个实施例中，缝线32表现出相对于NCF 20的纤维层较低的对热的结构耐受性。在一个实施例中，缝线32表现出相对于NCF 20的纤维层较低的对UV光的结构耐受性。
方法300随后包括使用利用缝线32的特定易损性的方法来选择性地降解320一个或多个区域中的缝线32。因此，例如，在缝线32表现出相对于NCF 20的纤维层较低的对热和/或UV光的结构耐受性的实施例中，可以使用热或UV光来实现缝线32的选择性降解320。降解320可包括熔融、断裂或以其它方式在结构上损害缝线32至获得紧邻NCF纤维的所需流动性的程度。例如，在一些实施例中，降解可包括降低缝线的弹性。在一些实施例中，缝线可以表现出比通常使用的纺线更低的强度，使得纺线在张力下适当地断裂。例如，用于NFC 20的普通聚酯缝线可以具有约33的分特(以克/10,000米长丝计的质量)。因此，在一些实施例中，NFC 20可以包括缝线32，缝线32包括例如约10-15的分特。
在缝线32表现出相对于NCF 20的纤维层较低的对热的结构耐受性的实施例中，缝线32可以使用热来选择性地降解320。合适的缝线材料包括聚酰胺、聚酯、棉、丝、聚四氟乙烯、粘胶人造丝、聚丙烯、聚丙烯酸酯、亚麻、羊毛、芳族聚酰胺纤维、硅酸铝、聚乙醇酸、聚乙烯醇和聚碳酸酯聚合物等。特别适合于该实施例的缝线材料可包括一种或多种聚酰胺、一种或多种聚酯、聚氨酯、一种或多种人造丝材料、聚丙烯、一种或多种聚乙醇酸、一种或多种聚乙烯醇，及其组合。
在一些实施例中，NCF理想地包括降解温度显著高于缝线材料的降解温度的纤维。这种纤维材料可包括碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维中的一种或多种，以及上述的其它纤维。在一个实施例中，NCF包含碳纤维和聚酰胺缝线。在一个实施例中，NCF包括玻璃纤维和聚酰胺缝线。在一个实施例中，NCF包括玄武岩纤维和聚酰胺缝线。在一个实施例中，NCF包含碳纤维和聚酯缝线。在一个实施例中，NCF包括玻璃纤维和聚酯缝线。在一个实施例中，NCF包括玄武岩纤维和聚酯缝线。在一个实施例中，NCF包含碳纤维和粘胶人造丝缝线。在一个实施例中，NCF包括玻璃纤维和粘胶人造丝缝线。在一个实施例中，NCF包含碳纤维和聚丙烯缝线。在一个实施例中，NCF包括玻璃纤维和聚丙烯缝线。在一个实施例中，NCF包含碳纤维和聚氨酯缝线。在一个实施例中，NCF包含玻璃纤维和聚氨酯缝线。在一个实施例中，NCF包括碳纤维和聚乙醇酸缝线。在一个实施例中，NCF包括玻璃纤维和聚乙醇酸缝线。
在一些实施例中，NCF可以与加热的成型辊或加热的成型印模接触，每个成型辊或加热的成型印模包括至少一个成型部分。辊或印模成型可从辊的管状表面或印模的正交面突出，使得它们将在需要缝线降解的区域中接触NCF 20。成型辊或印模被加热到选定的温度以实现缝线32的所需降解。印模或辊可以被完全加热，或者成型部可以被选择性地加热。辊或印模在接触NCF 20之前被加热到的温度可以至少包括例如缝线的熔点。在其它实施例中，缝线32可通过激光、光栅感应加热工具、常压等离子体以及能够实现所需缝线32降解的其它热源来选择性降解。
特别易受激光加热影响的缝线材料可包括聚合物材料，例如聚酰胺、聚酯和粘胶人造丝等。特别易受感应加热影响的缝线可包括包含小金属颗粒(例如，平均直径为约10nm至约20μm的颗粒)的聚合物缝线。金属颗粒可以包括例如铁和/或镍。特别易受等离子体加热影响的缝线材料包括能够因暴露于活性氧而降解的聚合物材料。一些这样的材料可以包括聚酰胺、聚酯、粘胶人造丝、聚氨酯、聚乙醇酸和聚乙烯醇。
类似地，在缝线32表现出相对于NCF 20的纤维层较低的对UV光的结构耐受性的实施例中，可以使用UV光来实现缝线32的选择性降解320。UV光源可包括经配置以提供足够高能量UV光的任何装置，例如短波紫外灯、气体放电灯和紫外发光LED等。在一些实施例中，UV光放电范围将理想地在UVC范围内(例如，约100nm至约280nm)，使得存在足够的能量来降解吸收性聚合物材料。在一些实施例中，具有缝线降解孔的罩被施加到NCF 20，并且罩随后暴露于UV光，使得UV光仅在罩孔正下方的区域中接触NCF 20。附加地或可选地，UV光源本身可以被遮蔽以将UV光的发射集中在期望的方向上，以实现缝线32的特定降解。
特别易受UV光影响的缝线材料可包括例如聚酰胺、聚酯和聚丙烯酸酯。在一些实施例中，特别易受UV光影响的缝线材料可包含能够吸收UV光并降解以产生小有机自由基的聚合物材料和UV光添加剂。不限于特定的降解机理，在一些实施例中，这种自由基可以从聚合物缝线材料中夺取氢原子并降低其结构完整性。这种UV添加剂的实例尤其包括2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、苯基缩酮(例如苯偶酰二甲基缩酮)、羟基苯乙酮、α-羟烷基苯酮、酰基氧化膦(2,4,6-三羟甲基苯甲酰基二苯基氧化膦)、α-氨基烷基苯酮，以及偶氮二异丁腈。
类似地，在缝线材料相对于NCF 20的纤维层特别易受特定化学品(例如酸或碱)影响的实施例中，可以使用特定化学品实现缝线32的选择性降解320。例如，包含聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚乙醇酸和/或聚乙烯醇的缝线特别容易被强酸(例如，盐酸、硫酸和硝酸)和强碱(例如，氢氧化钾和氢氧化钠)降解，所述强酸和强碱将使缝线材料解聚。
在选择性地降解320缝线32之后，方法300包括将NCF 20悬垂330在成型制品上。成型制品可以是工具和/或复合制品的另一方面。例如，NCF可以铺在汽车部件上，该汽车部件在固化350之后将与成型复合制品成为一体。在这样的实施例中，部件被加强。在这样的实施例中，汽车部件将提供用于形成复合部件的工具的至少一部分。NCF 20的缝线32在NCF20的区域中选择性地降解，当在成型制品上悬垂时，NCF 20的区域对应于其拓扑特征。特别地，NCF 20的缝线32在NCF 20的区域中选择性地降解，当在成型制品上悬垂时，NCF 20的区域对应于其在多于一个维度上呈现拓扑变化的特征。例如，由两个平面形成的拐角相对于其中一个平面仅在一个维度上表现出拓扑变化，并且当NCF 20悬垂在其上时引起NCF 20的最小起皱。相反地，由三个平面形成的拐角相对于其中一个平面在2维中表现出拓扑变化，并且当NCF 20悬垂在其上时引起NCF 20的更高程度的起皱。
图4A示出了可用作成型制品的工具400的透视图。图4B示出了NCF坯料401的俯视图，NCF坯料401可悬垂330在工具400之上。NCF坯料401可以悬垂330在工具400上，使得NCF坯料周边410与工具400的位置411对准。区域405标识出工具400中具有不利地影响NCF坯料401悬垂330的拓扑特征的区域。因此，NCF坯料401的缝线32可在区域415、416、417和418中选择性地降解320以适应工具400的这种拓扑特征。例如，区域419的缝线32可以保持基本完整。本领域技术人员将理解，工具400和NCF坯料401仅出于说明的目的而提供，并且本文所述的方法和制品不旨在限于其几何形状。
在将NCF 20悬垂330在成型制品上之后，将聚合物基质(例如上述聚合物基质之一)施加340到悬垂的NCF 20，并且固化350以形成成型复合制品。例如，将聚合物基质施加340到NCF 20可以包括用足量的聚合物基质浸渍NCF 20以润湿其所有纤维22。如果成型制品是工具，则方法300可进一步包括将工具与成型复合制品分离360。
已经通过参考某些优选实施例说明了本发明的实践，这些优选实施例旨在是示例性的而非限制性的。本发明的全部范围仅由所附权利要求限定和限定。

Claims (10)

1.一种用于形成复合制品的方法，所述方法包括：
提供非卷曲织物(NCF)，所述非卷曲织物包括通过缝线保持在接头处的多个纤维层，其中所述缝线表现出相对于所述纤维层更低的对热和/或UV光的结构耐受性；
使用热或UV光选择性地降解一个或多个区域中的所述缝线；
将所述NCF悬垂在成型制品上；
将聚合物基质材料施加到所述悬垂的NCF；并且
固化所述聚合物基质材料以形成成型复合制品。
2.一种用于形成复合制品的方法，所述方法包括：
提供非卷曲织物(NCF)，所述非卷曲织物包括通过缝线保持在接头处的多个纤维层，其中所述缝线表现出相对于所述纤维层较低的结构耐热性；
使用热选择性地降解一个或多个区域中的所述缝线；
将所述NCF悬垂在成型制品上；
将聚合物基质材料施加到所述悬垂的NCF；并且
固化所述聚合物基质材料以形成成型复合制品。
3.一种用于形成复合制品的方法，所述方法包括：
提供非卷曲织物(NCF)，所述非卷曲织物包括通过缝线保持在接头处的多个纤维层，其中所述缝线表现出相对于所述纤维层更低的对UV光的结构耐受性；
使用UV光选择性地降解一个或多个区域中的所述缝线；
将所述NCF悬垂在成型制品上；
将聚合物基质材料施加到所述悬垂的NCF；并且
固化所述聚合物基质材料以形成成型复合制品。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述缝线在所述NCF的区域中降解，当悬垂在所述成型制品上时，所述NCF的区域对应于所述成型制品的拓扑特征。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中降解所述缝线包括破坏所述缝线。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述纤维层包括碳纤维、玻璃纤维，和/或玄武岩纤维。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述成型制品包括汽车部件。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述NCF包括双轴NCF。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述缝线包括一种或多种聚酰胺、一种或多种聚酯、聚氨酯、一种或多种人造丝材料、聚丙烯、一种或多种聚乙醇酸、一种或多种聚乙烯醇，及其组合。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述缝线通过使所述NCF与加热的成型辊或加热的成型印模接触而选择性地降解，或通过激光器、光栅感应加热工具或常压等离子体而选择性地降解。
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