CN111542423A - 制造包括芯和至少一个表皮区域的复合部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造复合部件的方法，所述复合部件包括芯(16)和至少一个由附接至其上的表皮聚合物形成的表皮区域(20，22)，该表皮聚合物是低摩擦热塑性聚合物，该方法包括以下步骤：a)提供具有可加热模具腔体的模具；b)将芯元件装载到模具腔体中，该芯元件的表面具有至少一个提供有多个锚固部位(10)的接触区域，以及事先或随后将呈粉末形式的表皮聚合物层以邻近所述接触区域并且嵌入锚固部位的方式装载到模具腔体中；c)施加热压步骤，由此使表皮聚合物粉末熔融形成熔融的表皮聚合物基体(20，22，32)；d)施加冷却步骤，由此表皮聚合物基体固化形成表皮区域，该表皮区域机械接合到形成芯的芯元件的锚固部位中。该方法允许生产具有表皮区域的优异表面性质的轻质复合部件。

Description

制造包括芯和至少一个表皮区域的复合部件的方法
技术领域
本发明涉及一种制造复合部件的新颖的方法，所述复合部件包括芯和至少一个由附接至其上的表皮热塑性聚合物形成的表皮区域。此外，本发明涉及一种复合部件，所述复合部件包括芯元件和至少一个由附接至其上的表皮热塑性聚合物形成的表皮区域。
背景技术
常规的聚乙烯聚合物(即低密度和高密度聚乙烯)是蜡状固体，其已知不具有优异的强度性质。由于它们相对柔软，尽管通常润滑，但容易磨损。另一方面，超高分子量聚乙烯(又称为“UHMWPE”)是一种异常坚固和耐用的聚合物，完全不同于其较差的同类物。
UHMWPE通过特殊的聚合方法制备，其中聚乙烯链获得异常高的分子量，典型地数均分子量为1.5x 106至1x 107道尔顿，其以树脂粉末供应。正是它们非常长的聚合物链使这些聚合物与众不同。然而，此相同特征也是造成主要加工问题的原因。尽管普通聚乙烯(甚至包括非常高分子量的聚乙烯)可熔融挤出，但是熔融挤出UHMWPE的尝试基本上都没有成功，尽管在这方面进行了许多研究。实际上，所有UHMWPE产品都是通过压缩模塑或柱塞挤出(ram extrusion)生产的。如美国专利5,286,576所示，适用于常规热塑性塑料的加工方法(例如连续挤出、压延和注射模塑)通常不适用于UHMWPE。
与UHMWPE的加工相关的问题部分地由于聚合物在高于其结晶熔融温度(大约135℃至150℃)时的凝胶状性质。在该温度下，普通聚乙烯是粘性的、糖蜜稠密的液体，而UHMWPE是一种溶胀的凝胶，其具有极高的粘度，并且对挤出机等的壁产生异常的摩擦应力。美国专利3,883,631、3,887,319相当清楚地描述了与UHMWPE相关的问题。出于其中讨论的原因，到目前为止，柱塞挤出和压缩模塑是被广泛使用的生产UHMWPE产品的唯一方法。
在压缩模塑中，将UHMWPE粉末引入到截面非常厚的棺材状模具中。然后将适合模具腔体内的厚盖放置在粉末的顶部上，并且将整个组装体加热至高于结晶熔融温度，同时将其压缩至非常高的压力。然后将模具缓慢且均匀地冷却，并且将通常呈厚板形式的产品脱模。可看出，压缩模塑是生产UHMWPE产品的成本密集型型和劳动密集型方法。然而，其基本上是唯一可用于制造大宽度的面板或片材的方法，因此仍然是一种非常常用的方法。
与由于其非常低的摩擦系数而产生的高耐磨性和优异的滑动性质相比，UHWMPE具有低刚度，其E模量典型地为500至1'000MPa。因此，UHMWPE不能整体用作结构部件，而是需要作为衬里施用。换句话说，从由例如钢、木材或其他聚合物制成的机械性能结构体开始构建结构部件，然后在二次操作中衬以UHMWPE。
应注意的是，UHMWPE不能简单地通过并入增强纤维来增强，因为UHMWPE对增强纤维的粘附非常差。
因此，期望提供一种改进的制造复合部件的方法，所述复合部件包括机械性能芯和至少一个由附接至芯的表面区域的UHMWPE或其他低表面能热塑性聚合物制成的表皮区域。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种制造复合部件的方法，所述复合部件包括芯和至少一个由附接至其上的表皮聚合物形成的表皮区域，该表皮聚合物是低表面能热塑性聚合物，该方法包括以下步骤：
a)提供具有可加热模具腔体的模具；
b)将芯元件装载到模具腔体中，该芯元件的表面具有至少一个提供有多个锚固部位的接触区域，以及——事先或随后——将一个呈粉末形式的表皮聚合物层以邻近所述接触区域并且嵌入(embedding)锚固部位的方式装载到模具腔体中；
c)施加热压步骤，由此使表皮聚合物粉末熔融形成熔融的表皮聚合物基体；
d)施加冷却步骤，由此表皮聚合物基体固化形成表皮区域，该表皮区域机械接合到形成芯的芯元件的锚固部位中。
出人意料地发现，以粉末形式施加表皮聚合物从而通过聚合物粉末嵌入锚固部位允许在表皮区域和芯之间发展出大大改进的机械耦合。
根据另一方面，提供了一种复合部件，所述复合部件包括芯和至少一个由附接至其上的表皮聚合物形成的表皮区域，该表皮聚合物是低表面能热塑性聚合物，该芯元件的表面具有至少一个提供有多个锚固部位的接触区域，并且表皮区域机械接合到芯元件的锚固部位中，该表皮区域的厚度为0.5至10mm。
该方法允许生产具有表皮区域的优异表面性质的轻质复合部件。
在本上下文中，术语“低表面能热塑性聚合物”应理解为对增强纤维(例如，对玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维)具有非常差的粘附的聚合物，尤其是UHMWPE、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚氯三氟乙烯(PCFTE)，因此通过使用纤维增强的芯来提供纤维增强，所述纤维增强的芯具有对纤维具有足够粘附的不同聚合物，从而提供了高机械性能。已知低表面能聚合物例如UHMWPE以及具有高分子量的PTFE具有非常低的流动性。因此，重要的是，根据本发明，在热压步骤期间在熔融发生之前表皮聚合物粉末滴入或以其他方式进入并嵌入表面锚固部位。
术语“具有可加热模具腔体的模具”应在其最广义上理解为通常在热塑性加工领域中使用。特别地，模具可为具有两个相配合的、基本平坦的或稍微弯曲的模具表面的非结构化模具。出于以下解释的原因，优选水平闭合模具，但是原则上这不应排除使用垂直闭合模具。
还应理解，芯元件的尺寸和待装载到模具腔体中的表皮聚合物的量应合理地匹配模具腔体的尺寸，以允许进行热压步骤并提供所需的要求。
根据本发明，待提供有表皮区域的芯元件在其外表面上应具有至少一个提供有多个锚固部位的接触区域。锚固部位旨在为表皮聚合物提供机械锚固或抓握接合区域。表皮聚合物以粉末形式供应，并且为了良好的结果，有必要确保所有接触区域都与粉末充分接触。特别地，表皮聚合物粉末应尽可能均匀和充分地渗透到由锚固部位限定的任何空腔中。为此目的，向填充的模具施加振动或摇动运动是适当的。当在芯元件的顶部上铺展表皮聚合物粉末时，使用适当的粉末分配器装置将是有用的。简而言之，在进行热压步骤之前装载模具腔体可包括以下任何步骤：
-将适当量的表皮聚合物粉末铺展在下模具元件的上表面上，由此形成粉末床；
-将芯元件放置在粉末床上；
-任选地使芯元件经历振动或摆动运动，以将表皮聚合物粉末装载到芯元件的底侧处的任何接触区域上；
-将另外的适当量的表皮聚合物粉末铺展在芯元件的上表面上；
-任选地使芯元件经历振动或摆动运动，以使表皮聚合物粉末落入到芯元件的上侧处的接触区域的任何空腔中；
-将另外的表皮聚合物粉末装载到芯元件周围的周边区域中，以旨在完全嵌入表皮聚合物。
表皮聚合物粉末的“适当量”是允许形成具有预定厚度的熔融的表皮层的量。
在适当地装载模具腔体之后，并且特别是在表皮聚合物粉末尽可能紧密且充分地渗透形成接触区域的锚固部位的任何芯表面空腔之后，施加热压步骤，其使表皮聚合物粉末熔融并形成熔融的表皮聚合物基体。通常，这将需要加热至适当的加工温度，并且还需要相当大的压力以有效地压实整个表皮区域。
在随后的冷却步骤中，使熔融的表皮聚合物基体固化。然后，已经渗透到芯元件的空腔和凹部中的基体的任何部分都将被机械地接合，从而提供表皮区域和芯的期望的锚固。
在本上下文中，术语“芯元件”将用于放置到模具腔体中的初始结构体。取决于芯元件的类型，热压步骤会导致或不会导致芯元件的性质和形状的改变。特别地，如果芯元件包括某种类型的热塑性聚合物(此后称为“芯热塑性聚合物”)，则热压将不仅导致表皮聚合物的熔融和重排，而且还导致芯元件的熔融和重排。因此，通常将术语“芯”用于在热压处理之前原本是芯元件的区域。应理解的是，芯可与芯元件基本相同，或者可为原始芯元件的某种的重新成形(re-shaped)的形式。还应理解，芯元件应具有这样的材料和构造，其中聚合物链不会因热压步骤期间普遍存在的条件而降解。
单数形式的“芯元件”还包括共面或以堆叠方式排列的多个芯元件的可能性。在后一种情况下，所谓的表皮区域可延伸到堆叠的芯元件之间的区域。
有利的实施方案在从属权利要求中定义并且在以下的实施例中进行描述。
本发明的原理适用于许多可以粉末形式获得的低表面能聚合物。根据特别有利的实施方案(权利要求2和13)，表皮聚合物是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。在本上下文中，UHWMPE定义为具有1.5x 106至1x 107道尔顿的数均分子量。UHMWPE还包括在ASTM D4020-05；D6712-01；和ISO11542-2中定义的那些聚合物。尽管UHMWPE在性质上通常是均聚物，但也包括具有有限量的其他可共聚共聚单体的共聚物。在共聚物UHMWPE的情况下，应满足上述ASTM和ISO要求。
术语“表皮”应以其最广泛的术语理解为是指附接至内部或芯结构体的表面层。根据一个实施方案，将表皮聚合物层施加至芯元件的一个面上，即在芯元件的上方或下方。对于这种单面构造，可优选的是首先将芯元件插入到模具腔体中，然后从上方将表皮聚合物粉末分配到芯元件上。对于这种构造，水平闭合模具是有利的。
根据另一个实施方案(权利要求3)，将表皮聚合物粉末层施加在芯元件的上方和下方，以形成夹心型复合部件。如此形成的上表皮和下表皮区域可具有或不具有相同的厚度。
根据又一个实施方案，芯可被表皮区域完全包围。
根据另一个实施方案(权利要求4)，将表皮聚合物粉末层逐块(patchwise)施加。这包括向芯的一侧仅施加一个斑块(patch)区域，例如矩形或正方形斑块，以及施加多个斑块区域。对于这样的实施方案，可仅以适当定位的接触区域构造芯元件。替代地，芯元件的整个面或甚至整个表面可被构造为接触区域，在这种情况下，将通过适当局部地施加表皮聚合物来确定逐块表皮构造。
根据一个特别有利的实施方案(权利要求5)，芯元件由具有增强纤维的热塑性绒毛形成，其中热塑性绒毛由芯热塑性聚合物组成。纤维增强的热塑性绒毛材料被广泛用于多种技术领域，特别是用于生产具有有利结构性质的轻型部件。在本发明的上下文中，热塑性绒毛以及——根据类型——并入在其中的增强纤维，提供了不规则的表面区域，其具有突出的热塑性和/或增强纤维部分以及其间的开放或海绵状区域。突出部分可为热塑性或增强纤维的端部分，但是它们也可为长纤维元件的环状的突出部分。在任何情况下，热压步骤都将引起表皮聚合物和芯热塑性聚合物两者的熔融，由此将芯元件成型为芯。最初填充有表皮聚合物粉末的任何表面空腔都将被熔融的表皮聚合物填充，该表皮聚合物会被限制在增强纤维部分上并且嵌入熔融的芯热塑性聚合物的指状区域中。随后的冷却将形成固化的表皮聚合物和芯热塑性聚合物的复杂连接的边界区域。
芯热塑性聚合物可选自多种已知的聚合物，例如聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚醚酮(PEEK)。芯热塑性聚合物的熔融温度应足够低，以使得在适合于表皮聚合物的温度下进行的压制加热(press heating，热压)导致芯热塑性聚合物的熔融。例如，如果使用PTFE作为表皮聚合物，则合适的芯聚合物似乎是例如PPS、PEI和PEEK。如果使用UHMWPE作为表皮聚合物，则合适的芯聚合物尤其包括PP。
根据一个实施方案(权利要求6和15)，芯热塑性聚合物是聚丙烯，优选熔体流动指数MFI(230℃，2.16kg)为5至500、优选为10-至200g/10min的聚丙烯。
根据又一个实施方案(权利要求7)，表皮聚合物是UHMWPE，并且热压步骤在190至230℃的温度下以20至60bar的压力进行。
同样在纤维增强的热塑性塑料领域中是已知的，增强纤维可选自多种，包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维和玄武岩纤维。替代地，增强纤维可由高熔点热塑性塑料制成，即由在热压步骤的加工温度下不熔融的材料制成。根据一个有利的实施方案(权利要求8)，增强纤维是玻璃纤维。
同样从纤维增强的热塑性塑料领域是已知的，由具有增强纤维的热塑性绒毛形成的芯元件可包括结构增强元件。因此，根据一个实施方案(权利要求9)，芯元件还包括至少一个增强层。在某些实施方案(权利要求10)中，增强层选自织物、多轴编织物(stitch)或单向增强物。
根据再一个实施方案(权利要求11)，将芯元件成型为实心或空心主体，其中锚固部位构造为表面不连续结构(discontinuities)，例如凹部、边缘或底切。这种不连续结构的尺寸应足够大，以允许分散在其上的表皮聚合物粉末易于渗透。适合作为本发明的芯元件的主体的实例是简单的板或杆，以及空心型材，例如管。可通过适当的表面处理形成锚固部位，该表面处理可包括喷砂或喷玻璃珠。另外，可通过在芯元件的表面上施加合适的偶联剂(例如基于烯烃的胶粘剂的薄层)来提供额外的锚固。
根据复合部件的一个有利的实施方案(权利要求14)，其中芯包括芯热塑性塑料的实心(solid，固体)基体和增强纤维，它们一起形成被表皮聚合物嵌入的锚固部位。
附图说明
通过参考以下结合附图对本发明的各种实施方案进行的描述，本发明的上述和其他特征和目的以及实现它们的方式将变得更加显而易见，并且将更好地理解本发明本身，其中：
图1至4：以穿过复合部件的示意性垂直截面图的形式示出了本发明的各种实施方案，其中在每个图中，a)示出了将表皮聚合物施加至芯元件之前的情况，b)示出了施加表皮聚合物并且使其分布在芯元件的表面结构内之后的情况，以及c)示出了热压步骤之后的情况，包括在复合部分的左上角的部分的放大部分；
图5至7：示出了复合部件的其他实施方案的垂直截面图；
图8：示出了复合部件的一个实施方案的照片复制品；以及
图9：示出了图8的复合部件的边缘区域的放大部分(显微照片)。
具体实施方式
应理解的是，附图不一定按比例绘制。在某些情况下，相对尺寸会明显变形，以便于可视化。各个附图中的相同或相应的特征通常用相同的附图标记表示。
在以下实施例中，使用UHMWPE作为表皮聚合物，使用聚丙烯作为芯热塑性聚合物，以及使用玻璃纤维作为增强纤维。从上面应理解，可选择其他合适的材料。取决于材料的选择，在热压步骤中施加的温度以及可能的压力可能必须适应。为此目的，可适当进行少量的系统地改变温度和压力的测试运行。
在图1的实施例中，粉末形式的大约2mm的UHMWPE的第一层2均匀地分布在可加热的模具腔体(未示出)的下模具板4上。随后，将由蓬松垫形成的芯元件6放置在表皮聚合物粉末的第一层2上，所述蓬松垫包括含有增强纤维10的热塑性绒毛8，所述增强纤维10例如具有20至80重量％的无规取向的聚丙烯(PP)纤维和80至20重量％的玻璃纤维。此后，将粉末形式的大约2mm的UHMWPE的第二层12均匀地分布在芯元件6的顶部上。从图1b看出，此时，一部分的表皮聚合物粉末已经渗透到芯元件的表面附近的区域中的各种PP和玻璃纤维之间的间隙区域中。
然后，通过在适当的加热下将上模具板14驱动朝向下模具板4，使如此制备的堆叠排列经历热压步骤。在此过程期间，UHMWPE粉末被进一步驱动到芯元件中并使其熔融；同时，使芯元件的PP纤维也熔融，并且膨松的纤维排列被压缩到一定程度。冷却之后，所得的复合部件包括由玻璃纤维10制成的中心芯16和实心PP芯基体18，其堆叠在由UWHMPE的实心基体形成的下表皮20和上表皮22之间。从图1c中的放大部分看出，表皮区域和芯区域之间的边界区域包括固化的PP、固化的UHMWPE和玻璃纤维部分的几何形状缠绕的排列，从而提供了各层的牢固的机械偶联。
在图1和图2的实施例中应用相同的原理，因此仅讨论各自的区别。
在图2的实施例中，仅施加上表皮层12。此外，芯元件6除了PP纤维8和玻璃纤维10之外，还含有两个内部增强层24a和24b。这些增强层可例如由增强织物或多轴或单向增强层形成。这种增强层在纤维增强的热塑性塑料领域中是众所周知的。替代地，也可使用板状的实心(固体)元件进行增强。
类似于第一实施例，热压步骤导致形成复合部件，其中芯16现在含有增强层24a和24b。取决于增强元件的类型，熔融的PP被驱动到增强元件的凹部和空腔中，并且提供与芯基体的机械连接。
图3的实施例与图3的实施例的不同之处仅在于，上表皮22没有覆盖芯16的整个上表面。因此，UHMWPE粉末的上层仅作为覆盖芯元件的一部分的斑块12a施加，并且相应地，上表皮作为表皮斑块22a形成。
在图4中示出了基本上不同的实施方案。在这种情况下，芯元件6由板元件26构成，该板元件26提供有多个竖直通道28和设置在侧板表面中的多个水平凹部30。在施加大约10mm的UHMWPE粉末的第一层2之后，将芯元件6放置在其上，然后施加另外的UHMWPE粉末，小心地填充竖直通道28和水平凹部30，并且还形成上部UHMWPE层12。在热压和冷却之后，形成如图5c所示的复合部件。UHMWPE表皮32完全包围实心芯16，其与最初插入的芯元件6基本相同。UHWMPE表皮32对芯16的锚固由竖直通道28和水平凹部30形成的几何结构体提供。
如已经提到的，方法和复合部件的各种实施方案都是可能的。图5仅示出了具有斑块状的UHMWPE表皮的复合部件的一个实施例，其可被成形为例如在复合部件的选定的暴露区域22a处提供低摩擦。如图6所示，具有适当的水平凹部30和垂直底切34的基本上实心的芯16可任选地含有额外的功能元件36。如图7所示，芯16可由基本上沿着复合部件的主平面排列的多个管状元件38形成。表皮基体和芯之间的机械锚固在一定程度上是通过管状元件38的几何排列提供的。然而，通过在管状元件的表面上施加合适的胶粘剂来提供进一步的锚固可能是适当的。
图8和图9中所示的复合部件包括上UHMWPE表皮层和底UHMWPE表皮层，其各自固结至约2mm的表皮厚度。芯层包括具有大约50％GF含量且各自约1mm厚的上和下PP-GF绒毛，以及一叠夹在其间的增强PP-GF织物层。热压在20bar压力下从25℃开始升至最高达200℃，在达到200℃之后，将压力和温度保持10min，随后仍然在20bar压力下从200℃冷却至70℃。从图8且特别是图9中看出，UHMWPE表皮(图9的底部部分)紧密地嵌入PP-GF绒毛的各种突出结构体，其又被锚固到PP-GF织物层中，起到增强作用。

Claims (15)

1.制造复合部件的方法，所述复合部件包括芯(16)和至少一个由附接至其上的表皮聚合物形成的表皮区域(20，22)，该表皮聚合物是低摩擦热塑性聚合物，该方法包括以下步骤：
a)提供具有可加热模具腔体(4，14)的模具；
b)将芯元件(6)装载到模具腔体中，该芯元件(6)的表面具有至少一个提供有多个锚固部位(10，28，30，34，36)的接触区域，以及预先或随后将呈粉末形式的表皮聚合物层(2，12)以邻近所述接触区域并且嵌入锚固部位的方式装载到模具腔体中；
c)施加热压步骤，由此使表皮聚合物粉末熔融形成熔融的表皮聚合物基体(20，22，32)；
d)施加冷却步骤，由此表皮聚合物基体固化形成表皮区域，该表皮区域机械接合到形成芯的芯元件的锚固部位中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中表皮聚合物是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中将表皮聚合物粉末层施加在芯元件的上方和下方。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其中将表皮聚合物粉末层逐块施加。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其中芯元件由具有增强纤维(10)的热塑性绒毛(8)形成，其中热塑性绒毛由芯热塑性聚合物组成，并且其中热塑性绒毛的海绵状表面结构体和/或增强纤维的表面部分用作所述锚固部位，热压步骤使芯热塑性聚合物熔融，由此将芯元件成形为芯。
6.根据权利要求5所述的方法，其中芯热塑性聚合物是聚丙烯。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中表皮聚合物是UHMWPE，并且热压步骤在190至230℃的温度下以20至60bar的压力进行。
8.根据权利要求5至7中的一项所述的方法，其中增强纤维(10)是玻璃纤维。
9.根据权利要求5至8中的一项所述的方法，其中芯元件(6)还包括至少一个增强层(24a，24b)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中增强层选自织物、多轴编织物或单向增强物。
11.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其中将芯元件(6)成型为实心或空心主体(36)，并且其中锚固部位构造为表面不连续结构，例如凹部(30)、边缘或底切(34)。
12.复合部件，其包括芯(16)和至少一个由附接至其上的表皮聚合物形成的表皮区域(20，22，32)，该表皮聚合物是低摩擦热塑性聚合物，该芯元件的表面具有至少一个提供有多个锚固部位(10，28，30，34，36)的接触区域，并且表皮区域机械接合到芯元件的锚固部位中，该表皮区域的厚度为0.5至10mm。
13.根据权利要求11所述的复合部件，其中表皮聚合物是UHMWPE。
14.根据权利要求12或13所述的复合部件，其中芯包括芯热塑性塑料的实心基体(18)和增强纤维(10)，它们一起形成被表皮聚合物(22)嵌入的锚固部位。
15.根据权利要求14所述的复合部件，其中芯热塑性塑料是聚丙烯。
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