CN110892007A - 门模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及门模块、及其在车辆中或在建筑物中的用途,这些门模块包括至少一种单层的连续纤维增强的纤维基质半成品,该纤维基质半成品通过用至少一种热塑性塑料浸渍纤维半成品来获得。
Description
技术领域
本发明涉及门模块、及其用途,这些门模块包括至少一种单层的连续纤维增强的纤维基质半成品,该纤维基质半成品通过用至少一种热塑性塑料浸渍纤维半成品来获得。
背景技术
在现代车辆构造中,正在进行努力以由纤维增强塑料开发结构零件和装饰零件。纤维增强塑料(FRP)通常用于要求高强度和刚度的车辆构造中。原则上,FRP包含嵌入在塑料基质中的增强纤维。纤维赋予该部件其机械特性。在这里当纤维被取向成沿力流动的方向延伸时,实现了最高的机械特性。为了在足够高的机械特性的情况下进一步减轻部件重量,生产了具有特别薄的壁并且仅在预定位点进行增强的部件。然而,在这种基于FRP的部件的生产中,必须以高度的复杂性确保增强元件不会以不希望的方式离开或滑离其预定位置。
DE 602 11 521 T2描述了用于覆盖从车辆门的内壁的表面切出的凹口的门模块,其中该门模块包括由用长玻璃纤维增强的塑料构成的基本上刚性的结构区段、和由基本不含有长玻璃纤维的塑料制成并且已与该结构区段一体地成形的基本上弹性的功能性区段。
DE 10 2004 011 136 A1披露了门构造,该门构造具有窗框、可连接至窗框的功能载体以及布置在功能载体和任选的窗框的外侧上的外蒙皮,其中,在一个实施例中,功能载体具有热塑性基质,该热塑性基质优选至少部分地是纤维增强的。
EP 1 765 621 B1描述了用于车辆门或车辆侧壁以将湿侧与干侧分离的门模块或侧模块,该门模块或侧模块至少部分地由纤维增强塑料组成。
DE 20 2006 005 797 U1描述了门模块载体,该门模块载体被设计且旨在用于并入机动车辆门的功能部件并且用于并入到机动车辆门中,具有至少两个由不同材料组成的材料区域,这些材料区域由不同的塑料材料组成并在铸模中一起产生。
最后,DE 10 2013 213711 A1描述了用于通过以下方式生产用于机动车辆的结构部件(也可以是门模块)的方法:热成型呈片材形式(“有机片材”)的由热塑性塑料制成并且用掺入的连续纤维增强的半成品,其中提供有机片材的区域以便将有机片材容纳在热成型装置和/或由有机片材生产的结构部件的经受升高的应力的区段中,这些区段结构化程度更高和/或经受热成型过程中的特定热处理。
有机片材(在本发明的上下文中也称为复合材料或纤维基质半成品)的生产是本领域技术人员已知的。所有这些的共同因素是将纤维材料/纤维半成品嵌入到塑料基质中。常规的嵌入方法是根据DE 102008052000 A1的注射模制/浇铸、根据EP 0291629 A2的发泡、压制/压缩模制、对树脂浸渍的织造片材(预浸料)进行压缩、根据EP 2028231 A1的拉挤成形、根据DE 102009053502 A1的压延或层压(EP 1923420 A1)。EP 1923420 A1描述了有机片材的典型层状构造,其中第一组增强纤维经由第一纤维基质粘附性耦接到塑料基质,以及第二组增强纤维经由第二纤维基质粘附性耦接到塑料基质。第二纤维基质粘附性低于第一纤维基质粘附性。由于纤维基质粘附性的不同形成,在完全失效的情况下,据说实现了改善的断裂特征。然而,现有技术的纤维基质半成品的缺点在于,在这种复合材料内层的彼此粘附性并不总是令人满意的,并且更具体地说,外层对位于下面的层的粘附性并不总是令人满意的。这种粘附性可能会因温度的影响或因温度的频繁波动而受损。结果是随着时间的推移,复合材料的外层至少部分分层。例如,现代的门模块必须承受不断变化的外部温度,但是当门模块安装在极冷气候地区中使用的车辆中时,另外还必须具有低温稳定性。在本发明的上下文中的低温是温度本发明的目的是提供基于有机片材的门模块,这些有机片材满足对车辆轻质构造的高需求、承受频繁的温度波动并且同时特征在于高耐冲击性以及尽可能的低温稳定性,因为与现有技术的有机片材相比,它们具有较小的分层倾向。
发明内容
该目的是通过本发明的主题实现的:门模块,这些门模块包括至少一种单层纤维基质半成品,其中
-连续纤维的1至100个纤维半成品层片、优选连续纤维的2至40个纤维半成品层片、更优选连续纤维的2至10个纤维半成品层片,
-其中这些纤维半成品层片各自具有在从5g/m2至3000g/m2范围内、优选在从100g/m2至900g/m2范围内、更优选在从150g/m2至750g/m2范围内的基础重量,
-并且所有纤维半成品层片的整体已用至少一种根据ISO 1133具有在从1cm3/10min至100cm3/10min范围内的MVR的热塑性塑料浸渍,
-其中该热塑性塑料选自以下的组:聚烯烃、乙烯基聚合物、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚氨酯、聚脲、聚酰亚胺、聚酯、聚醚、聚苯乙烯、聚乙内酰脲、聚苯醚(PPO)、聚亚芳基硫醚、聚砜、聚碳酸酯(PC)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、TPO(基于烯烃的热塑性弹性体)、TPU(热塑性聚氨酯)和聚甲醛(POM),
-并且该纤维基质半成品具有根据DIN 1310定义的按体积计在从5%至90%范围内、优选按体积计在从30%至60%范围内、更优选按体积计在45%至55%范围内的纤维材料体积比例,以及
-具有按体积计小于15%、优选按体积计小于10%、更优选按体积计小于5%的空气或气体体积比例。
优选地,根据本发明,有待用于门模块中的单层纤维基质半成品具有在从0.05mm至6mm范围内、更优选在从0.1mm至2mm范围内、最优选在从0.3mm至1.0mm范围内的材料厚度。
本发明还涉及一种用于生产门模块的方法,其中使单层纤维基质半成品经受成形工艺,然后固化、并且从门模块的阴模中移除。
为清楚起见,应指出的是,本发明的范围涵盖在一般意义上或在优选的范围内以任何组合提及的所有定义和参数。
在本发明的上下文中,“单层”意指在有待根据本发明使用并且通常最初呈片材形式的纤维基质半成品内,即在上表面与下表面之间的区域中不存在具有上文提及或要求的范围外的空气或气体体积比例或纤维材料体积比例的区域或区段。像现有技术中那样,由于用热塑性塑料对所有纤维半成品层片的整体的高度浸渍和相关或随后的固结,基质树脂组合物与表面树脂组合物之间的区分不再可能。在本发明的上下文中,热塑性塑料另外意指前述热塑性塑料的任何混合物和前述热塑性塑料与至少一种填料和/或增强剂或添加剂的混合物(也被称为复合物)。除非另外指出,否则在本发明的上下文中描述的所有标准适用于其在提交日有效的版本。
在本发明的上下文中,通过使用交叉拉伸样品的翅片拉脱(finpull-off)测试证明了单层纤维基质半成品的技术优越性,如本领域技术人员由W.Siebenpfeiffer,Leichtbau-Technologien im Automobilbau[Lightweight Construction Technologiesin Automobile Construction[汽车构造中的轻质构造技术]],Springer-Wieweg[施普林格-菲韦格出版社],2014,第118-120页所熟悉的并且如在实例中描述的。
术语的定义
熔体体积流动速率(MVR)用于表征热塑性塑料在特定压力和温度条件下的流动特征。它是一种塑料熔体的粘度的量度。它可以用来推断出聚合度,该聚合度是一个分子中单体单元的平均数目。根据ISO 1133的MVR借助于毛细管流变仪通过以下方式进行测定:将优选呈球粒或粉末的形式的材料在可加热的圆筒中进行熔融并且在产生自所施加负载的压力下强制其通过限定的喷嘴、优选毛细管。作为时间的函数测定聚合物熔体(称为挤出物)的出现的体积/质量。熔体体积流动速率的关键优势是测量已知活塞直径的活塞行程以确定已经出现的熔体的体积的简易性。MVR的单位是cm3/10min。
混配(compounding/compound)是来自塑料工业的术语,与塑料加工同义,描述了通过在混合物(尤其是填料、添加剂等)中混合用于特定优化特性特征曲线的塑料升级过程。混配优选在挤出机中实现并且包括输送、熔融、分散、混合、除气和压力累积的过程操作。优选地借助于在至少一种混合工具中的熔融混合过程实现分散。混合工具优选地是单螺杆或双螺杆挤出机或班伯里密炼机。将热塑性组合物的单独组分在至少一种混合工具中、优选在热塑性组合物中的该至少一种热塑性塑料的熔点范围内的温度下混合,并以股形式排出。典型地,将股冷却直到可粒化并且然后粒化。热塑性塑料或热塑性组合物通常最终呈粒料、薄片或其他宏观部分的形式。
在本说明书中使用的术语“高于”、“处于”或“约”旨在意指以下量或值可以是具体值或大致相等的值。该表述旨在传达相似的值导致根据本发明是等同的并且被本发明涵盖的结果或作用。
在本发明的上下文中,“纤维”是具有长度与其截面面积的高比率的宏观均匀体。纤维截面可以是任何希望的形状但通常是圆的或椭圆的。
根据“http://de.wikipedia.org/wiki/Faser-Kunststoff-Verbund”在以下之间进行区分
-具有在从0.1至1mm范围内的长度的短切纤维(也称为短纤维),
-具有在从1至50mm范围内的长度的长纤维,以及
-具有长度L>50mm的连续纤维。
纤维长度可以例如通过微焦点x射线计算机断层扫描(μ-CT)测定;J.Kastner等人,Quantitative Messung von und-verteilung in Kunststoffteilen mittelsμ--Computertomographie[QuantitativeMeasurement of Fiber Lengths and Distribution in Fiber-Reinforced PlasticsComponents by means ofμ-X-Ray Computed Tomography[借助于μ-X射线计算机断层扫描进行的对纤维增强的塑料部件中的纤维长度和分布的定量测量]],DGZfP[German Societyfor Non-Destructive Testing[德国无损测试协会]]2007年会-演讲47,第1-8页。有待根据本发明使用的纤维基质半成品含有连续纤维。在一个实施例中,它们可以含有除连续纤维之外的长纤维。
在本申请的上下文中使用的术语“纤维半成品层片”意指优选地选自以下的组或者呈单向纤维股的形式的材料:编织物、包括多轴无纬稀松布(laid scrim)的无纬稀松布、针织物、编带、非织造物、毛毡以及垫。可替代地,根据本发明的纤维半成品层片还意指本节中提及的材料中的两种或更多种的混合物或组合。
为了生产纤维半成品层片,以这样的方式将有待使用的纤维彼此结合,使得至少一种纤维或纤维股与至少一种其他纤维或其他纤维股接触以便形成连续材料。可替代地,使用于生产纤维半成品层片的纤维彼此接触以便形成连续的垫、编织物、纺织品或类似结构。
术语“基础重量”描述了作为其面积的函数的材料的质量,并且在本发明的上下文中涉及干纤维层。基础重量是根据DIN EN ISO 12127测定的。
在本发明的上下文中,“浸渍的”意指该至少一种热塑性塑料或适当时该热塑性组合物渗透到所有纤维半成品层片的整体的凹陷和腔体中并且润湿纤维材料。在本发明的上下文中,“固结的”意指在复合结构中存在按体积计小于15%的空气含量。浸渍(纤维材料被聚合物组合物润湿)和固结(最小化封闭气体的比例)可以同时和/或相继实现和/或进行。
在本发明的上下文中,以下符号具有以下意义:≥意指不小于,≤意指不超过,>意指大于,<意指小于。
为清楚起见,应指出的是,单层是通过关于纤维半成品层片的特征的整体定义的:其基础重量、有待使用的热塑性塑料、纤维体积比例以及关于整个纤维基质半成品(即,在上表面和下表面的区域中)的空气或气体体积比例。根据本发明使用的纤维基质半成品优选地值得注意之处在于:作为浸渍过程和固结的结果,这些特征均匀地呈现于其中。因此“均匀地”更具体地描述了以下事实:在本发明的纤维基质半成品内、优选在上表面与下表面之间的区域中不存在具有上文提及或要求的范围外的空气或气体体积比例或纤维材料体积比例的区域或区段。
具体实施方式
本发明还涉及一种用于通过以下方式生产门模块的方法:使如上所述的至少一种单层纤维基质半成品经受成形工艺、然后将其固化并且将其从门模块的阴模中移除。
优选地,纤维基质半成品提供为呈片材形式的连续材料以用于生产门模块。此类呈片材形式的纤维基质半成品可以以简单形式切割成所希望的最终形状,使得在切割操作中损失较少的材料。
纤维基质半成品是广泛研究的主题并且例如描述于Composites Technologien,Die Verarbeitung von FV-Thermoplasten[Composites Technologies,The Processingof FR Thermoplastics[复合材料技术,FR热塑性塑料的加工]],ETH Zürich IMES-ST[ETH苏黎世IMES-ST],第9章,第3.0版,2004年10月中。虽然纤维基质半成品中的纤维在确定这种复合材料的机械特性(如强度和刚度)中至关重要,但是聚合物基质在纤维之间传递力、支持纤维抗屈曲并保护其免受外部侵蚀。纤维可以首先在仅仅一个方向上取向(单向的,例如作为条带),可在彼此成直角(正交的或平衡的)的两个方向上延伸或者可以以准各向同性的方式以彼此成任何所希望的角度定位。连续纤维具有这样的优势:它们可以以高取向度并且因此以相对大的量引入到处于高度延伸状态的聚合物基质中。此外,它们能够仅经由纤维在纤维基质半成品内的施力点之间传递力,因此增加了基于此类连续纤维增强的纤维基质半成品的部件的机械性能。
根据本发明使用的纤维基质半成品通过浸渍根据本发明使用的由连续纤维制成的纤维半成品来产生。因此,本发明还涉及一种用于生产门模块的方法,其中使至少一种单层纤维基质半成品经受成形工艺,然后固化、并且从模具中移除。
如果将纤维基质半成品的生产方法与成形工艺相组合,则成形步骤是在用至少一种热塑性塑料或用热塑性组合物浸渍所有纤维半成品层片的整体并且将其固结和任选地凝固的方法步骤之后。整个方法优选地包括以下方法步骤
a)提供至少一种热塑性塑料或提供热塑性组合物,
b)提供由连续纤维制成的纤维半成品层片,
c)将该至少一种热塑性塑料或热塑性组合物施加到所有纤维半成品层片的整体上,
d)用至少一种热塑性塑料或用该热塑性组合物浸渍所有纤维半成品层片的整体,
e)从用至少一种热塑性塑料或热塑性组合物浸渍的所有纤维半成品层片的整体去除空气并且去除过量的热塑性树脂(固结),
f)进行成形以得到该门模块,
g)将由至少一种热塑性塑料或热塑性组合物浸渍的且固结的所有纤维半成品层片的整体构成的该门模块固化(凝固)并且将其从模具中移除。
在一个实施例中,步骤g)之后可以是方法步骤h)热处理。
在一个实施例中,方法步骤g)或方法步骤h)之后可以是方法步骤i)该门模块的后处理。
优选的是在浸渍中采用层压方法。在一个实施例中,除连续纤维之外,根据本发明使用的单层纤维基质半成品中还可以存在长纤维和/或短纤维。
本发明的方法对于半连续或连续压制过程,优选地在双带压机、间隔热压机或连续压缩模具中具有特别良好的适合性。本发明的方法因快速浸渍和高生产率而值得注意并且允许在单一过程中以高速率并且以低比例的孔或空气夹杂生产纤维基质半成品以及因此生产门模块。
方法步骤a)
根据本发明,所选择的、或用作热塑性组合物的基础组分的热塑性塑料是来自以下的组的热塑性塑料:聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚苯硫醚(PPS)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚砜(PES)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚甲醛(POM)和聚苯乙烯(PS)。
优选的乙烯基聚合物应选自聚卤乙烯、聚乙烯酯和聚乙烯醚的组。
优选的聚烯烃是聚乙烯[CAS号9002-88-4]或聚丙烯[CAS号9003-07-0]。
优选的聚酯是聚对苯二甲酸乙二酯PET[CAS号25038-59-9]或聚对苯二甲酸丁二酯PBT[CAS号24968-12-5]。
优选的聚碳酸酯是基于2,2-双(4-羟基苯基)丙烷(双酚A)、双(4-羟基苯基)砜(双酚S)、二羟基二苯基硫化物、四甲基双酚A、1,1-双(4-羟基苯基)-3,3,5-三甲基环己烷(BPTMC)或1,1,1-三(4-羟基苯基)乙烷(THPE)的那些。特别优选的是使用基于双酚A的PC。
PPA是部分芳族聚酰胺或半结晶芳族聚酰胺,其中酰胺基团交替地键合至脂族基团和苯二羧酸基团。酰胺基团优选键合至对苯二甲酸基团。根据本发明特别优选的PAA是PA6T、PA 10T或PA 12T。
特别合适的聚酰胺是具有在从2.0至4.0范围内、优选在从2.2至3.5范围内、非常特别在从2.4至3.1范围内的在间甲苯酚中的相对溶液粘度的那些。相对溶液粘度ηrel根据EN ISO 307测量。通过公式ηrel=t/t(0),在25℃下,溶解在间甲苯酚中的聚酰胺的流出时间t与间甲苯酚溶剂的流出时间t(0)的比率得到相对溶液粘度。
特别优选的聚酰胺应选自PA 66、PA 6和PA 12的组。在本申请的上下文中使用的聚酰胺的命名法对应于现由ISO 16396-1:2015部分取代的EN ISO 1874-1:2010,开头一个或多个数字给出起始二胺中碳原子的数目并且最后一个或多个数字给出二羧酸中碳原子的数目。如果仅陈述了一个数字,如在PA6的情况下,这意味着起始材料是α,ω-氨基羧酸或由其衍生的内酰胺,即,在PA6的情况下ε-己内酰胺。
更优选地,至少一种热塑性塑料选自以下的组:用于纤维基质半成品的塑料基质的PA 66[CAS号32131-17-2]、PA 6[CAS号25038-54-4]、PA 12、PPA、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、TPU和PC。
最优选地,至少一种热塑性塑料选自TPU、PA 6和PC的组,尤其优选PA 6。
有待在用于门模块的单层纤维基质半成品中使用的热塑性塑料还可以以彼此的各种组合使用,优选的是使用PC/ABS(ABS[CAS号9003-56-9])的组合。
尤其优选地,将呈阻燃形式的至少一种热塑性塑料用于聚合物基质或用作纤维基质半成品的基质聚合物。根据本发明对于基于聚酰胺的纤维基质半成品优选的阻燃剂描述于EP 1762592 A1、EP 2060596 A1、EP 2028231 A1、JP 2010 222486 A或EP 2410021 A1中,这些专利的内容完全由本申请涵盖。根据本发明对于基于聚碳酸酯的纤维基质半成品优选的阻燃剂描述于EP 3020752 A1中。根据本发明对于基于TPU的纤维基质半成品优选的阻燃剂描述于WO 2013/087733 A2中。优选的是,每100重量份的热塑性塑料、尤其是聚酰胺使用0.001至20重量份的阻燃添加剂。
除了阻燃添加剂,热塑性塑料可以可替代地或另外地包含另外的添加剂、优选至少一种热稳定剂。优选的热稳定剂是基于金属、优选基于铜或铁的稳定剂,或有机热稳定剂、尤其是多元醇。优选的铜稳定剂是卤化铜(I)、尤其是溴化铜或碘化铜,它们优选地与至少一种碱金属卤化物、优选溴化钾或碘化钾组合使用。优选的基于铁的热稳定剂是铁粉,氧化铁或有机酸的铁盐、尤其是柠檬酸铁或草酸铁。优选使用的多元醇是二季戊四醇。在一个实施例中,也可以在热塑性塑料或热塑性组合物中使用所提及的热稳定剂的混合物。优选的是,在聚酰胺中使用所提及的热稳定剂。特别优选的是,每100重量份的热塑性塑料、尤其是聚酰胺使用0.001至20重量份的热稳定剂。
根据本发明用于生产用于有待根据本发明使用的单层纤维基质半成品的热塑性组合物的热塑性塑料中的另外添加剂还包括上文已经描述的短玻璃纤维和优选选自以下的组的其他填料或增强剂:碳纤维、玻璃珠、无定形二氧化硅、硅酸钙、偏硅酸钙、碳酸镁、高岭土、白垩、粉状石英、云母、硅酸钡、硅灰石、蒙脱石、勃姆石、膨润土、蛭石、锂蒙脱石、锂皂石(laponite)、炭黑和长石。此外,可以使用位阻酚、抗氧化剂、染料、氧化阻滞剂、脱模剂、成核剂、增塑剂或抗冲改性剂作为添加剂。优选的抗冲改性剂是弹性体聚合物。
优选地,出于生产根据本发明使用的单层纤维基质半成品的目的,在施加到所有纤维半成品层片的整体上之前,将短玻璃纤维或任何其他填料和增强剂或添加剂分散或混配在热塑性塑料中。该分散优选借助于熔体混合方法实现。有待用于这种熔体混合方法的混合设备优选是单螺杆或双螺杆挤出机或班伯里密炼机。将添加剂在单一阶段中一次全部、或者逐步并且然后在熔体中进行混合。在将添加剂逐步添加到该至少一种热塑性塑料中的情况下,首先将一部分添加剂添加到该热塑性塑料中并且在熔体中混合。然后添加另外添加剂并混合混合物直到获得均匀的组合物。
方法步骤b)
优选地,有待根据本发明使用的单层纤维基质半成品中所有纤维半成品层片的整体是基于玻璃纤维和/或碳纤维、更优选玻璃纤维的。对于玻璃纤维,优选的是使用硅化或非硅化玻璃。除了玻璃纤维之外,所有纤维半成品层片的整体中另外还可以存在更优选来自以下的组的其他纤维:碳、硼、芳族聚酰胺、碳化硅、金属合金、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、金属和硅酸盐、以及有机材料,尤其是天然或合成聚合物,优选聚酯、聚酰胺或天然纤维(尤其是棉花或纤维素)及其组合。
根据本发明优选的是,使用连续纤维与长度至少10mm的长纤维的组合。连续纤维优选地以粗纱、股、纱线、合股线或绳的形式,更优选作为粗纱存在于纤维半成品层片中。
应理解,连续纤维(也被称为连续增强纤维)意指如上所述的通常具有超过50mm的长度的那些,但特别是具有的长度大致对应于有待生产的特定门模块的长度尺寸的那些。
优选地,连续纤维具有在从0.5μm至25μm范围内的长丝直径。在本发明的上下文中,由玻璃、芳族聚酰胺或碳制成的长丝纱线的长丝直径和截面面积根据DIN 65571-1:1992-11确定。平均长丝直径在去除任何尺寸后测量。长丝纱线的长丝直径和截面面积根据DIN 65571借助于光学方法,通过光显微镜和接目测微计(圆柱体直径的距离测量)或通过光显微镜和数字相机以及随后的测面法(截面的测量)或通过激光干涉测量法或通过投射来测定。可替代地,玻璃纤维的平均长丝直径可以根据ISO 1888测定。
在一个实施例中,除连续纤维之外,存在于纤维基质半成品中的任何长玻璃纤维均有着具有非圆形截面面积的扁平形状,其中彼此成直角的截面轴的比率不小于2、尤其是不小于3,并且较小的截面轴具有≥3μm的长度。更特别地,优选的是具有非常显著的矩形截面的长玻璃纤维,其中截面轴的比率大于3、尤其是不小于3.5。
同样优选用作粗纱的长玻璃纤维具有在从3至20μm范围内、更优选在从3至10μm范围内的直径。
特别优选的是使用截面轴的比率在从3.5至5.0范围内的扁平长玻璃纤维。
尤其优选地,将E玻璃纤维用于连续纤维和长玻璃纤维两者。在一个实施例中,除了E玻璃纤维之外,另外还使用S玻璃纤维,因为这些玻璃纤维具有比E玻璃纤维高30%的拉伸强度。可替代地,可以使用所有其他玻璃纤维,如A、C、D、M或R玻璃纤维,或其任何混合物,或与E和/或S玻璃纤维的混合物。E玻璃具有以下特性:20℃下的密度2.6g/cm3、拉伸强度3400MPa、拉伸弹性模量73GPa、断裂伸长率3.5%-4%。
有待根据本发明使用的由连续纤维制成的纤维半成品层片赋予门模块所希望的机械特性。它们可以在其结构方面、而且还在其数量方面与门模块中的预期应力相匹配,使得门模块对于实际负载具有最佳的强度和/或刚度。
在有待根据本发明使用的单层纤维基质半成品中的纤维半成品层片并不像现有技术中那样形成与聚合物基质分开的层,而是在其附近渗透,使得纤维和聚合物形成一体式构成部分。
更特别地,当纤维半成品层片以织造或非织造结构的形式使用时是有利的。优选的是使用基于以下的纤维半成品层片:编织物、包括多轴稀松布的稀松布、针织物、编带、非织造物、毛毡、垫、这些材料中的两种或更多种的混合物、及其组合。
可以选择具有随机纤维对齐或具有对齐的纤维结构的非织造物。随机纤维取向优选地在垫、针刺垫中或以毛毡的形式存在。对齐的纤维结构优选地在单向纤维股、双向纤维股、多向纤维股、多轴纺织品中存在。优选地,有待根据本发明使用的纤维半成品层片是单向稀松布或编织物、尤其是编织物。
特别优选的是将玻璃纤维与碳纤维(也被称为碳纤维或石墨纤维)组合。将一部分玻璃纤维换成碳纤维会产生杂混纤维增强的纤维基质半成品,该纤维基质半成品与基于纯玻璃纤维的纤维基质半成品相比具有增加的刚度。
用于根据本发明的门模块的单层纤维基质半成品中的碳纤维的量基于总纤维含量优选地在从按体积计0.1%至按体积计30%的范围内、更优选在从按体积计10%至按体积计30%的范围内,其中有待根据本发明使用的纤维基质半成品中的总纤维含量按体积计在从5%至90%的范围内、优选按体积计在从30%至60%的范围内、更优选按体积计在从45%至55%的范围内。
纤维半成品层片中的纤维材料或纤维编带可以在仅一个方向上取向或在相对于彼此成任何角度、优选彼此成直角的两个方向上取向。
为了获得连续纤维与该至少一种热塑性塑料或与该热塑性组合物的较佳相容性,这些连续纤维优选地用硅烷化合物在其表面上进行预处理。特别优选的是具有通式(I)的硅烷化合物
(X-(CH2)q)k-Si-(O-CrH2r+1)4-k (I)
其中
q是从2至10、优选从3至4的整数,
r是从1至5、优选从1至2的整数,并且
k是从1至3、优选1的整数。
尤其优选的是来自以下的组的硅烷化合物:氨基丙基三甲氧基硅烷、氨基丁基三甲氧基硅烷、氨基丙基三乙氧基硅烷、氨基丁基三乙氧基硅烷、以及含有缩水甘油基或羧基基团(特别地,非常特别优选的是羧基基团)作为式(I)中的X取代基的相应硅烷。
用至少一种具有式(I)的硅烷化合物改性玻璃纤维优选地以每100重量份的玻璃纤维0.05至2重量份的硅烷化合物的量实现。
优选地,纤维半成品层片不含有尺寸已减小的任何纤维或颗粒,并且尤其是不含有长度在从0.1至1mm范围内的任何短纤维。
优选的是使用玻璃纤维和/或碳纤维,更优选地由玻璃纤维构成。
在一个实施例中,对于方法步骤b),的纤维半成品层片作为卷料提供。
方法步骤c)
为了施加到所有纤维半成品层片的整体上,将呈粒料、粉末、薄片、膜的形式或呈其他宏观部分的形式的该至少一种热塑性塑料或热塑性配制品最初以其熔体形式或以在溶剂中的分散体的形式加入。特别优选的是粉末或膜。根据本发明优选的是施加粉末或以膜的形式施加,尤其是施加粉末。
在方法步骤c)中通过常规方法,优选通过散射、滴流、印刷、喷涂、喷灌、浸渍、在熔浴中润湿、热喷涂或火焰喷涂,或通过流化床涂覆方法将热塑性塑料或热塑性组合物施加到所有纤维半成品层片的整体上。在一个实施例中,可以将多个热塑性塑料层或单一热塑性组合物或不同热塑性组合物的层施加到所有纤维半成品层片的整体上。在一个实施例中,将热塑性塑料或热塑性组合物以膜的形式施加到由连续纤维制成的所有纤维半成品层片的整体上。
优选地,将热塑性塑料或热塑性组合物以下述量施加到所有纤维复合材料半成品层片的整体上,该量使得纤维基质半成品中根据DIN 1310定义的纤维材料体积比例按体积计在从5%至90%范围的内、优选按体积计在从30%至60%的范围内、更优选按体积计在从45%至55%的范围内。
在一个实施例中,施加之后可以是烧结步骤,其中烧结在所有纤维半成品层片的整体上的热塑性塑料或热塑性组合物。任选地在压力下的烧结加热热塑性塑料或热塑性组合物,但是温度保持低于在每种情况下有待使用的热塑性塑料的熔融温度。这里通常存在收缩,这是因为起始材料的热塑性颗粒变得更致密并且所有纤维半成品层片的整体中的孔空间被填充。
方法步骤d)
随后,使已接触的所有纤维半成品层片的整体在方法步骤d)中经受压力和温度的影响。此举优选是在预热在压力区之外已与聚合物或聚合物组合物接触的所有纤维半成品层片的整体(也被称为纤维材料)的情况下实现的。
在方法步骤d)中,将已与热塑性塑料或热塑性组合物接触的所有纤维半成品层片的整体加热,以引发纤维材料的浸渍和固结。压力和热量的影响导致该至少一种热塑性塑料或热塑性组合物熔融并且渗透因此浸渍所有纤维半成品层片的整体。在此优选的是采用在从2至100巴范围内、更优选在从10至40巴范围内的压力。
有待在方法步骤d)中采用的温度是≥有待使用的该至少一种热塑性塑料或热塑性组合物的熔融温度。在一个实施例中,有待采用的温度是高于有待使用的该至少一种热塑性塑料的熔融温度至少10℃。在另一个实施例中,有待采用的温度是高于有待使用的该至少一种热塑性塑料的熔融温度至少20℃。加热可以借助于许多手段实现,优选接触加热、辐射气体加热、红外加热、对流或强制对流、感应加热、微波加热或其组合。此后立即实现固结。
浸渍特别地取决于温度和压力的参数。在一个实施例中,方法步骤d)附加地取决于时间。
为了在方法步骤d)中实现最佳的机械特性,用该至少一种热塑性塑料或用该热塑性组合物最大量浸渍纤维材料的长丝是令人希望的。已经发现,在由玻璃纤维构成的纤维材料的存在下,存在由碳纤维构成的纤维材料的快速浸渍速率,这导致对于含有玻璃纤维和碳纤维两者的单层纤维基质半成品整体更快的总体生产周期。
浸渍的原理是用聚合物或聚合物组合物构成的基质饱和化干纤维结构。通过纤维半成品的流动是与通过多孔基础介质的不可压流体的流动相当的。该流动使用纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程进行描述:
其中ρ是密度,ν是速度矢量,是压力梯度并且η是所使用的流体的速度。如果假定在增强结构中聚合物或聚合物组合物-也被称为基质-的流速可以被归类为低的,则可以忽略以上方程中的惯性力(其左侧)。因而该方程被简化为被称作斯托克斯方程的形式:
方法步骤e)
在与浸渍同时或在浸渍之后,发生固结,这被理解为意指封闭的空气和其他气体的表述。固结还特别地取决于参数温度和压力并且可以取决于时间。
这些气体含有来自环境的气体(例如空气或氮气)和/或水/蒸汽和/或有待使用的该至少一种热塑性塑料的热分解产物。
固结也取决于温度和压力的参数。在一个实施例中,方法步骤e)附加地取决于时间。
优选地,采用指定的参数,直到纤维基质半成品具有小于5%的空隙含量。更优选的目的是:在小于10分钟的时段内在高于100℃的温度下、更优选在从100℃至350℃范围内的温度下,实现小于5%的空隙含量。优选采用高于20巴的压力。
压力可以经由静态过程或经由连续过程(也称为动态过程)来施加,出于速度的原因优选连续过程。优选的浸渍技术包括但不限于压延、平板式层压和双带压机层压。优选以层压方法形式进行浸渍步骤。当以层压形式进行浸渍时,优选使用冷却双带压机(还参见EP0 485 895 B1)或间隔热压机。
可以通过机械指数的测定、特别是通过复合结构试样中的拉伸强度的测量来测量/检查两种特性,即方法步骤d)中的浸渍程度和方法步骤e)中的固结程度。在塑料的情况下根据ISO 527-4或-5使用所进行的拉伸测试(一种准静态、破坏性测试方法)测定拉伸强度。
因为浸渍操作和固结操作两者均取决于温度和压力的参数,本领域技术人员将使这些参数适配于在每种情况下有待使用的热塑性塑料或热塑性组合物中的热塑性塑料。本领域技术人员还将根据基质聚合物适配施加压力的持续时间。
方法步骤f)
在方法步骤e)之后,在有待根据本发明使用的单层纤维基质半成品内,纤维已被热塑性塑料或被热塑性组合物完全浸渍并固结,即,纤维已被塑料完全润湿;材料中几乎没有空气。
为了凝固,可以将纤维复合结构或纤维基质半成品冷却至低于热塑性塑料或热塑性组合物的熔融温度的温度。术语“凝固”描述了通过冷却或通过化学交联将所有纤维半成品层片的整体和熔融基质的混合物硬化以提供固体。
在一个实施例中,在方法步骤e)之后,将方法步骤f)成形和g)凝固同时或至少快速连续地进行。
在一个实施例中,当使用双带压机时,优选实现单层纤维基质半成品的凝固和成形以得到片材料。在这种情况下,在冷却至低于热塑性塑料或热塑性组合物的熔融温度的温度、优选冷却至室温(23℃+/-2℃)之后,将单层纤维基质半成品以片材料形式从压制模具取出。然后,通过以上述方式再加热或塑化且通过随后成形来实现成形以得到门模块。在此优选采用短的循环时间。至关重要的是,单层纤维基质半成品在成型过程中不会经受任何化学转化。
在生产此类热塑性纤维塑料复合片材半成品中,根据有待实现的材料通过量,在膜堆叠、预浸料与直接过程之间进行区分。对于在直接过程的情况下的高材料通过量,将基质组分和纺织品组分一起直接置于到压制过程中的材料进料的区域中。这通常与高装置复杂性相关。除预浸料过程之外,经常对于少量至中等量使用膜堆叠过程。在此,由交替布置的膜和纺织品层片组成的构造穿过该压制过程。压制过程的性质由所要求的材料输出和材料多样性决定。在此为了增加材料通过量,在静态过程、半连续过程与连续过程之间进行区分。装置复杂性和装置成本伴随增加的材料通过量而增加(AKV-IndustrievereinigungKunststoffe[Industry Association for Reinforced Plastics[增强塑料工业协会]]e.V.,Handbuch Faserverbund-Kunststoffe[Handbook of Fiber CompositePlastics[纤维复合塑料手册]],第3版.2010,Vieweg-Teubner[菲韦格-托伊布纳],236)。
但如果在方法步骤e)中同时实现成形,则将温度冷却至低于热塑性塑料或热塑性组合物的熔融温度的温度、优选冷却至室温(23℃+/-2℃)之后进行冷却并且将门模块从呈门模块的阴模形式的压缩模具中移除。
相比之下,如果单层纤维基质半成品以片材料半成品的形式使用,则使其在生产后进行随后的成形步骤。塑料成形的制造方法在德国根据DIN8580分类。优选的成形方法是压缩模制方法(参见,例如EP 1 980 383A2)和模成型、优选模成形方法(参见:Hopmann,R.M.Hildebrandt,Inline-mit Thermoplasten,FlexibleSerienfertigung von thermoplastischen FVK-Bauteilen[Inline ImpregnationMethodology with Thermoplastics,Flexible Mass Production of Thermoplastic FRPComponents[热塑性塑料的线上浸渍方法,热塑性FRP组分的灵活大量生产]],IKV at RWTHAachen[亚琛工业大学处的IKV],Plastverarbeiter[塑料加工]2014年10月15日)。
在压缩模制中,所有需要的方法步骤以成型→加热→浸渍/固结→在封闭模具中冷却的顺序实现。将纺织品半成品插入到金属模具中、冷成型并且通过在低压下与模具接触经由热传导进行加热。在达到基质聚合物的熔融温度时,施加更高的压力以进行浸渍和固结,之后冷却。
在模成型中,将已从片材料中切成一定尺寸、有待使用的单层纤维基质半成品通过成形模具外部的加热系统进行加热,直到使其塑化。然后传递系统确保将切出的塑化纤维基质半成品从加热系统传送至压缩模具,将该压缩模具保持在恒定的低于热塑性塑料或热塑性组合物的凝固温度的温度下。然后将切出的纤维基质半成品在成形模具中成形以得到部件并且被动地冷却。
在优选的实施例中,在步骤f)中,将有待制造的纤维基质半成品-即仍在其生产过程中-通过有待同时采用的成形工艺成形为门模块的所希望几何形状或构型,即同时进行方法步骤f)和g)。在步骤f)中有待制造的纤维基质半成品的几何构型的与其生产同时的优选成形工艺是模具压缩、模切、压制和使用热和/或压力的任何方法。特别优选的是压制和模切。在成形方法中,优选通过使用水力压缩模具施加压力。在压制或模切操作中,将纤维基质半成品预热至高于该至少一种热塑性塑料或热塑性组合物的熔融温度的温度,并用模制装置或模具(尤其是至少一个压缩模具)转化为所希望的形状或几何形状。
有待根据本发明利用的成形方法描述于以下文献中:第10章,Pressverfahren für kontinuierliche FV-Thermoplasten[Compression Methods for Continuous FRThermoplastics[用于连续FR热塑性塑料的压缩方法]],Urs Thomann;CompositesTechnologie[复合材料技术],Paolo Ermanni博士教授,Script for ETH lecture 151-0307-00L,Zürich[ETH课程151-0307-00L的讲稿,苏黎世]2007年8月,第4.0版。
方法步骤h)
在一个实施例中,可以在方法步骤h)中接着进行至少一种后处理。
在优选的实施例中,后处理是热处理步骤。热处理是用于增加结晶度以改善强度和化学稳定性、用于降低由挤出或材料去除导致的内部应力、以及用于增加在广泛温度范围内的尺寸稳定性的热处理。通过加热处理,在聚酰胺的情况下,通过优选在140℃至170℃下的热处理流体中持续半天至一天的热后处理,可以很大程度上消除单层纤维基质半成品内以及因此门模块内的内部应力。热处理还导致不完全结晶产品的后结晶,其中首先发生密度、耐磨性、刚度和硬度的提升,并且其次发生低的后收缩,在一些情况下还发生零件的稍微翘曲。热处理的性质、温度和持续时间取决于在每种情况下有待使用的热塑性塑料或热塑性组合物并且取决于使用的单层纤维基质半成品的壁厚度。本领域技术人员将通过合适的初步测试来确定用于方法步骤h)的关键参数。可用的热处理流体包括热稳定的矿物油、石蜡油和硅油。经热处理的零件必须逐渐冷却。还参见:
https://de.wikipedia.org/wiki/Kristallisation_(Polymer)
在进一步优选的实施例中,后处理是模上模制(molding-on)功能元件或嵌入模制门模块的边缘。通过浇铸或注射模制、优选注射模制来模上模制另外的功能元件可以在整个区域上或以部分或周边方式实现。注射模制可以是模下模制和/或模上模制和/或嵌件模制。优选采用模内成型(IMF),一种用于由不同材料生产杂混结构部件的综合专用注射模制过程;IMF使得能够在纤维基质半成品的边缘区域中包括暴露的增强纤维。这得到了具有特别光滑的边缘的结构部件。然而,IMF还允许模制用于模上模制的功能元件并且同时接合到纤维基质半成品部件上,特别是无需使用另外的粘合剂。IMF的原理还是DE 4101106 A1、US6036908 B、US 6475423 B1或WO 2005/070647 A1的主题。
热塑性塑料优选地用于在IMF中采用、根据本发明使用的注射模制组合物,优选聚酰胺,尤其是PA 6、PA 66或芳族聚酰胺(如聚邻苯二甲酰胺、聚砜PSU、聚苯硫醚PPS、聚邻苯二甲酰胺(PPA))、聚(亚芳基醚砜)(如PES、PPSU或PEI)、聚酯(优选聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET))、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚酰亚胺(PI)。DE 102006 013 684 A1中有另外的实施变型。
在门模块的非常特别优选的实施例中,有待优选通过IMF采用的纤维基质半成品组分和注射模制组分两者已由相同的热塑性聚合物制造。更优选地,单层纤维基质半成品和注射模制组分的基质是基于聚酰胺。在这种情况下,尤其是对于门模块,来自科隆的朗盛德国有限责任公司(Lanxess Deutschland GmbH,Cologne)的BKV 235XCP、240XCP或BKV 55 TPX是合适的。
由注射模制组分制成的优选功能元件是固定件或夹持器或由于可能的几何复杂性而必须不通过纤维基质半成品组分而是通过注射模制组分形成的其他应用。
可以在方法步骤f)中的成形过程中或随后在方法步骤h)的过程中附接功能元件。为了随后附接功能元件、尤其是为了IMF的进行,将在方法步骤e)之后可获得的门模块插入到具有适当成形的模具腔体的成型模具、优选注射模具中。优选在附接功能元件的区域中事先进行塑化。然后,注入注射模制组分。在此目的是产生在纤维基质半成品部件的热塑性塑料与注射模制组分的热塑性塑料之间的粘合结合。当两种塑料具有相同的聚合物基础时,最佳地实现这种粘合接合。根据本发明优选的是两种组分均是基于聚酰胺、尤其是尼龙-6。此外,过程参数如熔融温度和压力也起着作用。
优选的是,方法步骤h)中的注射模制在下述温度下实现,所述温度在从200℃至320℃的范围内、优选在从240℃至290℃的范围内、进一步优选在从240℃至270℃的范围内。
还有利的是,方法步骤h)中的注射模制在下述压力下实现,所述压力在从10巴至2000巴的范围内、优选在从200巴至1500巴的范围内、进一步优选在从500巴至1300巴的范围内。
用途
本发明最后涉及至少一种单层的连续纤维增强的纤维基质半成品作为优选建筑物或车辆中的门模块的用途。优选的车辆是机动车辆。优选的机动车辆是基于内燃机、电动机动车辆或混合机动车辆的那些。
本发明优选地涉及单层纤维基质半成品用于生产门模块的用途,这些单层纤维基质半成品包含
-连续纤维的1至100个纤维半成品层片、优选连续纤维的2至40个纤维半成品层片、更优选连续纤维的2至10个纤维半成品层片,
-其中这些纤维半成品层片各自具有在从5g/m2至3000g/m2范围内、优选在从100g/m2至900g/m2范围内、更优选在从150g/m2至750g/m2范围内的基础重量,
-并且所有纤维半成品层片的整体已用至少一种根据ISO 1133具有在从1cm3/10min至100cm3/10min范围内的MVR的热塑性塑料浸渍,
-其中该热塑性塑料选自以下的组:聚烯烃、乙烯基聚合物、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚氨酯、聚脲、聚酰亚胺、聚酯、聚醚、聚苯乙烯、聚乙内酰脲、聚苯醚(PPO)、聚亚芳基硫醚、聚砜、聚碳酸酯(PC)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、苯乙烯-丙烯腈(SAN)、TPO(基于烯烃的热塑性弹性体)、TPU(热塑性聚氨酯)和聚甲醛(POM),
-并且对于门模块的生产,该纤维基质半成品具有根据DIN 1310定义的按体积计在从5%至90%范围内、优选按体积计在从30%至60%范围内、更优选按体积计在45%至55%范围内的纤维材料体积比例,
-具有按体积计小于15%、优选按体积计小于10%、更优选按体积计小于5%的空气体积比例。
本发明的门模块尤其适用于车辆、优选机动车辆。本发明的门模块因以下特性而值得注意:
-在每种情况下给定相同的重量,相比于纯塑料解决方案、纯金属变体以及相比于杂混塑料金属变体,能量吸收显著更高,这在发生碰撞时相当重要;
-与热固性长玻璃纤维增强的材料相比,部件不需要再加工;
-与纯金属片变体和塑料金属杂混物相比,不需要对金属片成型模具的投入;
-能够将部件焊接到塑料部件上,并且因此将另外的功能紧密结合到门模块上或与其功能相关联,例如用于传感器的夹持器。
与现有技术的门模块相比,本发明的门模块提供了相当多的优势:
-较低的重量(相比于塑料金属混杂物、金属片、铸铝)
-较佳的机械特征、较高的能量吸收
-在发生碰撞时较佳的稳定性,甚至在特别低的温度≤-30℃下
-耐介质性
-不分层。
实例
为了证明有待根据本发明加工以得到门模块的单层纤维基质半成品或所提及的至少部分地并入本申请中的单层纤维基质半成品具有比根据现有技术的多层复合材料小的分层倾向,使试样经受机械测试并且这用于使用根据EN ISO 527用于测定限定温度下的极限拉伸应力、断裂伸长率和弹性模量的拉伸测试来测定复合强度。EN ISO 527-1(1996年4月最新版,当前ISO版本2012年2月)是用于测定拉伸特性的塑料的欧洲标准,这些拉伸特性通过拉伸测试用拉伸测试仪来测定。为此目的,使用专门设计的试样夹持器,该样品夹持器使能够简单地推入并且固定在拉伸应力下用作试样的十字拉伸样品。
测试在来自乌尔姆的茨维克公司(Zwick GmbH&Co.KG,Ulm)的Zwick UTS 50拉伸测试仪上进行,其中借助于机械夹头引入力。在下文中被称为十字拉伸样品的每个试样由纤维基质半成品条(55x40x2mm3)组成,在该半成品条上已经注射模制尼龙-6的翅片(40x40x4mm3)。
原料
热塑性基质1:尼龙-6(PA6)
尼龙-6:注射模制类型,自由流动,精细结晶的且非常快速可加工的(BASFB3s),具有1.13g/cm3的密度以及160cm3/10min的熔体流动指数MVR[测试条件:ISO1133,5kg,275℃]或145cm3/g的相对粘度值(在96%H2SO4中0.5%,ISO 307、1157、1628)。
热塑性基质2:尼龙-6(PA6)
尼龙-6:膜类型,未增强的,中等自由流动的(BASFB33L),具有1.14g/cm3的密度以及187-203cm3/g的相对粘度值(在96%H2SO4中0.5%,ISO 307、1157、1628)。
纤维半成品
由1200特克斯经线和纬线长丝以2/2斜纹组织组成的、具有2.5根线/cm的线密度的平衡粗纱玻璃编织物(YPC ROF RE600)。总基础重量600g/m2,50%在经线方向上并且50%在纬线方向上。编织物宽度1265mm,卷长150lfm。具有特定尺寸的纬线的修改适配于聚合物体系(实例部分中的PA)。
纤维基质半成品(1)
纤维基质半成品(1)在静态热板压机中生产。具有420mm x 420mm的边缘长度的纤维基质半成品(1)由4个纤维半成品的层片和一定量的唯一地由热塑性基质1构成的聚合物组成,将该聚合物施加并且均匀地分布在纤维层片上并且产生47%的纤维体积含量或2.0mm的厚度。为了固结和浸渍,施加24巴的表面压力和300℃的温度持续240s。随后在恒压下经300s实现冷却至室温。纤维半成品层片由此均匀地嵌入在所得的呈片材形式的纤维基质半成品(1)中;由于均匀的单层基质体系,在基质内没有形成材料/相界;在嵌入组合物与表面之间没有物理区别是可能的。
纤维基质半成品(2)
作为根据现有技术的多层构造的实例的纤维基质半成品(2)同样在静态热板压机中生产。具有420mm x 420mm的边缘长度的旨在用于多层构造的半成品由4个纤维半成品的层片和一定量的唯一地由热塑性基质1构成的聚合物组成,将该聚合物施加并且均匀地分布在纤维层片上并且产生49%的纤维体积含量或1.9mm的厚度。为了固结和浸渍,施加24巴的表面压力和300℃的温度持续240s。随后在恒压下经300s实现冷却至室温。
为了生产层状构造,在随后的加工步骤中,将热塑性基质2的50μm厚的膜施加到该中间产品的每一侧上。这再次在静态热板压机中在260℃的温度和9巴的表面压力(维持120秒)下实现。在60s内冷却至室温是在7.5巴的表面压力下实现的。因为热塑性基质1和2的不同的粘度,纤维基质半成品的结构是不均匀的。在以这种方式生产的呈片材形式的纤维基质半成品(2)内,将纤维半成品层片均匀地嵌入在基质1中,而唯一地基质2存在于两个表面处,类似于根据WO 2012/132 399 A1和WO 2010/132 335 A1的半成品。
测试
用于在纤维基质半成品(1)和(2)与热塑性塑料(已经通过注射模制而模上模制的)之间的复合粘附性的机械测试的试样是所谓的十字拉伸样品。这些十字拉伸样品试样中的每一个由纤维基质半成品条(55x40x2mm3)组成,在该半成品条上已经注射模制尼龙-6的翅片(40x40x4mm3)。关于十字拉伸样品,还参见W.Siebenpfeiffer,Leichtbau-Technologien im Automobilbau[Lightweight Construction Technologies inAutomaking[汽车制造中的轻质构造技术]],Springer-Vieweg[施普林格-菲韦格出版社],2014,第118-120页。在十字拉伸测试中,然后将十字拉伸样品夹紧在夹持器并经受来自一侧的拉力。拉伸测试在应力-应变图(弹性模量)中说明。
对于在本发明的上下文中有待进行的每个十字拉伸测试,本发明的加热的未成型的纤维基质半成品(1)以及根据现有技术的多层构造的纤维基质半成品(2)各自用总共22个相同翅片来进行背面模制。相应的纤维基质半成品(1)或纤维基质半成品(2)先前在浇口痕处设置有8mm的孔,以便对于有待模上模制聚酰胺熔体的翅片形成不存在附加阻力。在加工之后,使用来自大赛芬股份有限公司(GmbH,Groβseifen)的“系统Flott”类型的带锯沿着流动路径在选择的位置处切出适合于测试的单独的片材区段。
对于复合强度的机械测试,由十字拉伸样品上的拉伸测试来确定指数。在这种情况下,使用专门设计的试样夹持器,该样品夹持器使能够简单地推入并且固定在拉伸应力下的十字拉伸样品。测试在来自乌尔姆的茨维克公司的Zwick UTS 50拉伸测试仪上进行,其中借助于机械夹头引入力。机械测试中采用的参数可见于表1中。
根据DIN 1310测试纤维基质半成品(1)和纤维基质半成品(2)的纤维体积含量。出于统计学原因,在每种情况下分析5个试样。对于两种纤维基质半成品,确定上文描述的平均纤维体积含量。
还使两种纤维基质半成品经受针对其孔含量,即空气或气体夹杂的实验分析。为此,使用通用电气公司(General Electric)Micro CT nanotom S计算机断层扫描仪器来分析纤维基质半成品(1)和纤维基质半成品(2)的截面的断层图(tomograph)。出于统计学原因,在每种情况下分析三个试样,对于这些试样中的每一个进行5次重复测量。对于两种纤维基质半成品使用光学评价软件确定了4%-5%的孔含量。出于统计学原因,在每种情况下分析三个试样,对于这些试样中的每一个进行5次重复测量。
以实验的方式检查纤维基质半成品(1)的局部的纤维体积比例。为此,使用通用电气公司Micro CT nanotom S计算机断层扫描仪器来分析纤维基质半成品(1)和纤维基质半成品(2)的截面的断层图。将样品内的玻璃纤维含量评价直到50μm的深度。出于统计学原因,在每种情况下分析每种纤维基质半成品的三个试样,对于这些样品中的每一个进行5次重复测量。对于纤维基质半成品(2),直到50μm的深度没有检测到玻璃纤维,因为所述纤维全部与表面分开并且被未填充的表面层覆盖。此区域中的纤维体积比例因此是0%。在纤维基质半成品(1)中,没有发现分开的覆盖层,而是玻璃纤维束均匀地封闭并且直到表面不间断,并且使得在表面直到50μm深度之间的区域内还发现所要求的纤维体积比例。
实验结果
表1:拉伸测试中的测试参数
对于复合强度所定义的标准是在拉伸测试中确定的所测量的最大力。第一可测量的力下降是由在达到最大力之前材料中的第一裂纹、分离过程、变形或类似效果引起的,并且似乎不适合作为复合强度的标准。测量的最大力是在十字拉伸样品失效时获得的;因此在下文中将其称为断裂力。原则上,应指出的是,最大力不仅可以取决于复合材料结合和几何形状,而且总是还取决于测试方法和测试条件。
对于每个纤维基质半成品,进行了10次翅片拉脱测试,以便实现统计上可靠的结论。
在纤维基质半成品(1)(本发明)的情况下,在所有情况下,存在热塑性基质1直接在纤维半成品的最上面的纤维半成品层片处的纯内聚失效。
相比之下,在纤维基质半成品(2)(非本发明)的情况下,在热塑性基质1与热塑性基质2之间的界面层中总是存在由内聚失效和粘附失效组成的混合断裂。在最上面的纤维半成品层片上方没有发现热塑性基质1的内聚失效。
在非本发明的纤维基质半成品(2)的情况下,热塑性基质2的近表面层(表层)因此从由纤维半成品和热塑性基质1组成的基底上撕下,而在本发明的纤维基质半成品(1)的情况下,在热塑性基质1中的表面平行层内没有观察到这样的分割。
表2:10次翅片拉脱测试的统计汇总
根据拉脱力的大小评估结果。“+”指示在每种情况下对于彼此相比较的这两种纤维基质半成品的较高的拉脱力,而“-”指示较低的力,并且“+”象征高至少15%的拉脱力。
测试结果显示,对于本发明的单层纤维基质半成品(1),这两种纤维基质半成品的比较中的最大力总是高于在具有层状构造的纤维基质半成品(2)的情况下。来自用于本发明的单层纤维基质半成品(1)的测试系列的单独测试结果的平均值也远高于纤维基质半成品(2)的平均值。
总之:对于本发明的单层纤维基质半成品(1)的翅片拉脱强度比对于纤维基质半成品(2)的高得多,并且因此用作门模块的本发明的单层纤维基质半成品相比于根据现有技术的纤维基质半成品具有明显的优势。
Claims (16)
1.一种门模块,该门模块包括至少一种单层纤维基质半成品,其中,
由连续纤维制成的1至100个纤维半成品层片,其中这些纤维半成品层片各自具有在从5g/m2至3000g/m2范围内的基础重量,
并且所有纤维半成品层片的整体已用至少一种根据ISO 1133具有在从1cm3/10min至100cm3/10min范围内的MVR的热塑性塑料浸渍,
其中该热塑性塑料选自以下的组:聚烯烃、乙烯基聚合物、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚氨酯、聚脲、聚酰亚胺、聚酯、聚醚、聚苯乙烯、聚乙内酰脲、聚苯醚、聚亚芳基硫醚、聚砜、聚碳酸酯、聚邻苯二甲酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯-丙烯腈、基于烯烃的热塑性弹性体、热塑性聚氨酯和聚甲醛,
并且该纤维基质半成品具有根据DIN 1310定义的按体积计在从5%至90%范围内的纤维材料体积比例和按体积计小于15%的空气或气体体积比例。
2.如权利要求1所述的门模块,其特征在于,该纤维基质半成品具有在从0.05mm至6mm范围内的材料厚度。
3.如权利要求1和2中任一项所述的门模块,其特征在于,使用来自聚卤乙烯、聚乙烯酯和聚乙烯醚的组的乙烯基聚合物。
4.如权利要求1和2中任一项所述的门模块,其特征在于,所使用的聚烯烃是聚乙烯或聚丙烯。
5.如权利要求1和2中任一项所述的门模块,其特征在于,所使用的聚酯是聚对苯二甲酸乙二酯或聚对苯二甲酸丁二酯。
6.如权利要求1和2中任一项所述的门模块,其特征在于,使用基于2,2-双(4-羟基苯基)丙烷、双(4-羟基苯基)砜、二羟基二苯基硫化物、四甲基双酚A、1,1-双(4-羟基苯基)-3,3,5-三甲基环己烷或1,1,1-三(4-羟基苯基)乙烷的聚碳酸酯。
7.如权利要求1和2中任一项所述的门模块,其特征在于,所使用的聚邻苯二甲酰胺是PA 6T、PA 10T或PA 12T。
8.如权利要求1和2中任一项所述的门模块,其特征在于,选择具有在从2.0至4.0范围内的在间甲苯酚中的相对溶液粘度的聚酰胺,其中该相对溶液粘度ηrel是在25℃下根据ENISO 307在间甲苯酚中测量的。
9.如权利要求8所述的门模块,其特征在于,使用来自PA 66、PA 6和PA 12的组的聚酰胺。
10.如权利要求1至9中任一项所述的门模块,其特征在于,该热塑性塑料包含至少一种热稳定剂。
11.如权利要求10所述的门模块,其特征在于,使用基于金属的热稳定剂或有机热稳定剂。
12.如权利要求11所述的门模块,其特征在于,使用多元醇。
13.如权利要求11所述的门模块,其特征在于,使用铜稳定剂、优选卤化铜(I)。
14.一种用于生产门模块的方法,其特征在于,使如权利要求1至13中任一项所述的至少一种单层纤维基质半成品经受成形工艺,然后固化、并且从门模块的阴模中移除。
15.如权利要求14所述的方法,其特征在于,在将该单层纤维基质半成品的生产方法与该成形工艺组合的情况下,成形是在用至少一种热塑性塑料或用热塑性组合物浸渍所有纤维半成品层片的整体并且将其固结和任选地凝固的方法步骤之后。
16.如权利要求1至13中任一项所述的门模块在建筑物中或在车辆中的用途。
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