CN111032326B

CN111032326B - 条形复合材料

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Publication number: CN111032326B
Application number: CN201880037283.3A
Authority: CN
Inventors: V·赛亚克; C·维埃特; A·弗拉什耐克尔; S·沃尔塔
Original assignee: PHP Fibers GmbH
Current assignee: PHP Fibers GmbH
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: CN111032326A; WO2018229136A1; ES2941086T3; PL3638492T3; EP3638492B1; EP3638492A1

Abstract

本发明涉及一种制备条形复合材料(3)的方法，其中增强纤维(1a)的至少一个层(1)直接排布在热塑性纤维(2a)的两个层(2)之间，其中向所有三层(1,2)施加压力和加热，以使热塑性纤维(2a)熔融形成热塑性材料(2b)并包围增强纤维(1a)。由被包围的增强纤维制成的层(1)在压力下冷却直到热塑性材料(2b)不再能流动。本发明还涉及根据本发明方法制备的条形复合材料。

Description

条形复合材料

描述：

本发明涉及制备条形复合材料的方法以及由此获得的复合材料。

由增强纤维和基体材料制成的复合材料是常规已知的。在这种复合材料的制备中，通常将基体材料施加到增强纤维上，例如作为粉末，或者将增强纤维铺置在两层基体材料之间。在粉末的帮助下施加基体材料的过程中不利的是，经常在最终产品中在纤维上有不规则分布的基体材料。当使用基体材料的层(例如膜)时，通常的情况是将基体材料加热以包裹增强纤维，其中液体基体材料流到增强纤维之外。以此方式形成边缘区域，其仅仅由基体材料组成且不含增强纤维，需要在随后的工艺步骤中切除这种边缘区域。

因此，本发明的任务是提供一种方法，其能在不形成仅仅由基体材料组成的边缘区域的情况下制备条形复合材料，所以不需要切除这种边缘区域。

此任务通过一种制备条形复合材料的方法解决，其中增强纤维的至少一个层直接排布在热塑性纤维的两个层之间，其中向所有三层施加至少2巴的压力和加热，以使热塑性纤维熔融并包围增强纤维。被包围的增强纤维的层在压力下冷却直到热塑性材料不再能流动。

增强纤维的至少一个层直接排布在热塑性纤维的两个层之间，这意味着增强纤维直接与热塑性纤维接触。结果，在增强纤维和热塑性纤维层之间不再有由另一种材料制成的其它层。当这些层(热塑性纤维层，增强纤维层，热塑性纤维层)被加热时，加热水平取决于所用的热塑性材料。显然，选择温度范围以使热塑性纤维能流动，从而能包围增强纤维。当至少70％、优选超过80％和最优选约100％的增强纤维表面被热塑性基体材料覆盖时，增强纤维被预先熔融的热塑性纤维包围。

术语“热塑性纤维”表示例如由热塑性材料制成的纤维、纤丝、常产纤维、复丝纤维、纱线、单丝或条子纱(strip yarn)。

任何材料适合作为用于热塑性纤维的热塑性材料，其熔程或熔点不高于500℃，更优选不高于350℃。

加热和冷却是在压力下进行。在这里，显然压力也取决于所用的材料。选择压力以使液体热塑性材料均匀地覆盖增强纤维。如果希望基体材料也应当穿透到由增强纤维制成的层内，则相应地提高压力。应当设定在基体材料的冷却期间的压力以使基体材料在冷却阶段期间不再能流动。所以，可以优选的是，选择在冷却期间的压力低于在要用基体材料包围增强纤维的阶段期间的压力。

通过所建议的方法，热塑性材料可以仅仅包围增强纤维的表面和穿透到增强纤维层内，且不会侧向溢出。在现有技术使用的方法中，总是出现基体材料的溢出，导致在复合材料的制备中总是存在至少一个仅仅由基体材料组成的边缘区域。这种边缘区域必须在进一步的工艺步骤中被除去，这导致现有技术的方法更复杂。另外，当形成这种无用的边缘区域时，在现有技术的方法中使用不必要的大量基体材料。

在一个优选实施方案中，在整个制备过程中连续地保持施加压力直到冷却。这意味着在加热、熔融和冷却期间，总是有压力作用到要制备的复合材料上，此压力大于常规的大气压。当然，压力可以在制备期间根据不同的工艺步骤(熔融，包围，冷却)而降低或升高。优选，在热塑性纤维的熔融期间，设定压力为至少2巴至约20巴，更优选2-8巴，尤其最优选2-5巴。

优选，在被包围的增强纤维的冷却期间，设定压力为约2巴至约10巴，更优选2-5巴，尤其最优选2-3巴。

术语“约”应当理解为包括容许±3％的误差。

根据本发明，(热塑性)条子纱作为热塑性纤维用于所述两层中的至少一个层。最优选，热塑性纤维的两层都具有这种条子纱作为纤维。条子纱特别表示在国际申请WO2013/117728中所述的纱线。

这种条子纱(也称为带子纱)例如使用包括以下步骤的方法制备：

a)提供基于聚酰胺和/或聚酯的复丝的纱线，

b)铺展所述纱线以使不多于五根丝互相叠加，

c)通过形成一种或多种(合适的)固定剂的基体而固定所述纱线，

d)卷绕所述已固定的纱线，其特征在于固定剂选自共聚酰胺、共聚酯和硅氧烷以及它们的混合物或共混物。

在本发明的另一个优选实施方案中，所述两个热塑性纤维层中的至少一层具有复丝纱作为热塑性纤维。最优选，这两层都具有复丝纱作为热塑性纤维。尤其最优选，这两层都基本上完全由热塑性复丝纱组成。“基本上完全”意味着所述层由约95％至100％的热塑性复丝纱组成。

GB 2 237 583公开了制备条形复合材料的方法，其中至少一个增强纤维层直接排布在两个热塑性纤维层之间，其中所有层经受压力和加热以使热塑性纤维熔融形成热塑性材料，其包围增强纤维。

D1尤其没有公开热塑性纤维或纤丝的至少一个层是以条子纱的形式存在。

通过选择这种形式，在制备复合材料的过程中，加工稳定性得到显著改进。

原因尤其是热塑性条子纱到增强纤维的距离短且疏松减少，以及由此得到短的流动路径并增加了传热。

特别是，通过热塑性纤维的固定的优先方向和通过其聚合物分子沿着纤维方向的取向(这通过熔融纺丝工艺设定)，热塑性纤维在垂直于增强纤维方向上的流动行为受到限制，并优选沿着增强方向流动。

因此，热塑性纤维的条形导致流动行为的改进，即使在不存在触变添加剂的情况下也是如此。

优选，脂族和部分芳族的聚酰胺、聚甲醛(POM)、聚酯、PEEK、PEN、聚酮(POK)、PP、PE或PVC或它们的混合物用作热塑性纤维。

优选，热塑性纤维具有触变添加剂。优选，热解法硅酸、Luvotix HAT、Luvotix AB、Luvotix EAB、Luvotix P 100-15、BYK-405、BYK-420或BYK-425用作触变添加剂。

通过使用触变添加剂，根据所用的热塑性材料，可以更有效地防止热塑性材料溢出增强纤维层的区域。应当清楚的是，即使不存在触变添加剂，也能通过权利要求1所述的方法防止基体材料溢出和形成不含增强纤维的边缘部分。但是，触变添加剂可以使得此方法对于温度波动或压力波动更不敏感，这种波动对基体材料和其流动性有影响。

在所述方法的一个优选实施方案中，玻璃纤维(粗纱)、碳纤维(丝束)、玄武岩纤维、陶瓷纤维、粘胶纤维、金属纤维或天然纤维或上述纤维的混合物在所述层中用作增强纤维。优选，至少一个增强纤维层是由约60-100％、更优选80-95％的一种所述纤维或所述纤维的混合物制成。

最优选，玻璃纤维用作增强纤维，其中玻璃纤维优选具有1200至2400tex的细度。

优选，热塑性纤维层是由至少一层、优选两层的单向排布的热塑性复丝纱组成。在多于一层热塑性复丝纱情况下，所述层优选是在层内互相单向排布的。

优选，至少一个增强纤维层是由单向排布的增强纤维的层组成。增强纤维优选在被热塑性材料包围之间铺展。也优选的是，至少一个增强纤维层是由多于一层的单向排布的增强纤维组成。不同的层可以在至少一个增强纤维层内互相以单向方式排布或以多轴方式排布。

优选，在所述方法中，热塑性纱线的熔融是在约160℃至约350℃的温度范围内进行。

优选，制备条形复合材料的整个方法是在双带压机中进行(参见图2)。

本发明的另一个主题涉及根据上述方法制备的复合材料(采用或不采用优选实施方案)。使用所述方法制得的复合材料的特征在于其具有条形的形状，其中具有在条形复合材料的横向和纵向上的热塑性材料和增强纤维之间的恒定比率。因此，复合材料具有在条形复合材料的宽度和长度上的大约均匀的纤维体积含量。

在热塑性材料和增强纤维之间的恒定比率意味着此条形复合材料基本上不具有仅仅存在基体材料或仅仅存在增强纤维的区域，而是在大约所有复合材料区域中，增强纤维与基体材料之间的比率总是大约相同的。应当注意的是，所述恒定比率是通过条形复合材料的制备实现的，而不是通过额外的操作步骤实现，例如去除仅仅由基体材料组成的边缘区域。

下面参考两个附图更详细地描述本发明，这些附图仅仅表示本发明的可能的实施方案。

图1(图1A和图1B)示意性地显示在制备之前的条形复合材料的结构以及最终的条形复合材料的结构。

图2示意性地显示用于制备条形复合材料的双带压机。

图1A示意性地显示要制备的条形复合材料的结构放大图。增强纤维1a的至少一个层1直接位于热塑性纤维2a的两个层2之间。增强纤维1a和热塑性纤维2a是单向排布的。

图1B示意性地显示根据本发明方法的条形复合材料3。增强纤维1a的层1基本上完全地被热塑性基体材料2b(或也称为热塑性材料2b)覆盖，热塑性基体材料2b是从热塑性纤维2a熔融得到的。横截面显示条形复合材料3的两个表面都被热塑性基体材料2b覆盖，且没有热塑性基体材料2b流动超出增强纤维1a的层1的边缘。所以，条形复合材料3具有在横向(箭头Q)和纵向(箭头L)上的热塑性基体材料2b与增强纤维1a之间的大约恒定的比率。

图2示意性地显示双带压机4。双带压机4具有两个传送带5和6，它们经由引导辊7引导。几个或所有的引导辊7可以配备压力系统8(例如弹簧)，以使压力可以经由传送带5和6传递到材料9上。双带压机4具有热元件10，可以用热元件10加热或冷却所述材料9。在此实例中，条形复合材料3的加热(在引导所述材料9通过双带压机4时)是通过热元件10A进行，直到热塑性纤维2熔融和已经在增强纤维1a上形成热塑性基体层2b。然后，用热元件10B冷却条形复合材料3，直到热塑性基体层2b不再能流动。从所示双带压机4的结构显然可见可以调节在材料9上的压力。例如，可以选择在热元件10A的区域中的压力高于在热元件10B的区域中的压力。

优选，选择在热塑性纤维熔融期间的压力以使增强纤维不会由于加热而收缩。这意味着在熔融期间的压力是根据热塑性纤维的热塑性材料的熔程以及所得温度和增强纤维的材料选择的，从而防止增强纤维收缩(由于温度)。本领域技术人员显然能理解的是，此压力取决于热塑性材料和增强纤维的材料。

Claims

1.一种制备条形复合材料(3)的方法，其中增强纤维(1a)的至少一个层(1)直接排布在热塑性纤维(2a)的两个层(2)之间，其中所述热塑性纤维(2a)的两个层(2)中的至少一层是条子纱，并且其中向所有三层(1,2)施加至少2巴的压力和加热，以使热塑性纤维(2a)熔融形成热塑性材料(2b)并包围增强纤维(1a)，且其中由被包围的增强纤维(1a)制成的层(1)随后在压力下冷却直到热塑性材料(2b)不再能流动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在整个制备过程中连续地保持施加压力直到冷却。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于至少一个层(2)中的热塑性纤维(2a)形成复丝纱。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于至少一个层(2)中的热塑性纤维(2a)形成复丝纱。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于脂族和部分芳族的聚酰胺、聚甲醛(POM)、聚酯、PEEK、PEN、聚酮(POK)、PP、PE或PVC或它们的混合物用作热塑性纤维(2a)。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于热塑性纤维(2a)具有触变添加剂。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于热解法硅酸、Luvotix HAT 400、LuvotixAB、Luvotix EAB、Luvotix P 100-15、BYK-405、BYK-420或BYK-425用作触变添加剂。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维、粘胶纤维、金属纤维或天然纤维或它们的混合物用作增强纤维(1a)。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于在热塑性纤维(2a)熔融以形成热塑性材料(2b)的工艺中，使用160℃至300℃的温度范围。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于在热塑性纤维(2a)的熔融期间，压力设定为2-20巴。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于在热塑性纤维(2a)的熔融期间，压力设定为2-8巴。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于在热塑性纤维(2a)的熔融期间，压力设定为2-5巴。

13.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于在被包围的增强纤维(1a)的冷却期间，压力设定为2-10巴。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于在被包围的增强纤维(1a)的冷却期间，压力设定为2-5巴。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于在被包围的增强纤维(1a)的冷却期间，压力设定为2-3巴。

16.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于熔融和冷却是在双带压机(4)中进行。

17.一种根据权利要求1-16中任一项所述的方法制备的复合材料(3)，其中复合材料(3)具有条形，其中增强纤维(1a)被热塑性材料(2b)包围，其特征在于条形的复合材料(3)具有在横向(Q)和纵向(L)上的热塑性材料(2b)与增强纤维(1a)之间的恒定比率。