CN112172209B - 生产短切粗纱热塑性复合片材的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产短切粗纱热塑性复合片材的系统。所述系统包括：双带机构、纤维施加器、树脂施加器和烘炉，其中所述系统不包括缠结所述短切粗纱料片或网的短切粗纱的缠结装置，并且不包括将粘合剂施加至所述短切粗纱的粘合剂施加装置，使得所述短切粗纱料片或网不是机械结合的并且不包括除所述热塑性树脂以外的粘合剂；并且所述短切粗纱热塑性复合片材基本上不含未聚合的树脂材料。

Description

生产短切粗纱热塑性复合片材的系统

技术领域

本发明涉及轻质热塑性复合片材的领域。

背景技术

与热固性片材相比，热塑性复合片材由于其优异的性能如抗冲击性、热成型性和可回收性而在复合材料行业中引起关注。一类常规的热塑性复合片材是基于织物的有机片材，其通过将纤维束或粗纱编织在一起而形成。由于织物中纤维取向的方向性，常规的热塑性有机片材表现出与方向有关的各向异性机械性能，这在设计复合部件以替代现有的各向同性材料如钢和铝时提出了重大挑战。另外，基于织物的热塑性复合片材具有有限的适形性，这极大地增加了形成具有深拉和复杂几何形状的复合部件的难度。

另一类热塑性复合片材被称为玻璃毡热塑性塑料(GMT)。GMT是基于具有无规取向纤维的玻璃毡。为了生产GMT，首先形成玻璃毡如针刺毡，接着将热塑性树脂施加到玻璃毡的一个或多个表面上。由于熔融的热塑性树脂从玻璃毡的表面到内部行进的流动长度长，因此需要高压和长的浸渍时间来使熔融的热塑性树脂浸渍玻璃毡。

常规的热塑性复合片材以两步法工艺生产。在第一步骤中，生产纤维基材，如织物或毡。织物或毡中的纤维是以机械方式或化学方式结合的。在第二步骤中，将热塑性树脂施加到纤维基材上，接着进行树脂浸渍。所述两步法工艺增加了常规热塑性复合片材的生产成本和加工时间。

发明内容

本文所述的实施方案提供了短切粗纱热塑性复合片材，并且具体地提供了制造所述短切粗纱热塑性复合片材的系统和方法。根据一个方面，本文描述了一种制造短切粗纱热塑性复合片材的系统。所述系统包括双带机构，该双带机构包括上带和下带。所述上带位于所述下带的顶上以按压通过所述双带机构的短切粗纱料片(web)或网(mesh)，并且所述下带的纵向长度显著长于所述上带的纵向长度。纤维施加器位于下带上方。所述纤维施加器被配置为当下带在纤维施加器下方移动并通过纤维施加器时，在下带的顶上分散短切粗纱。在下带的顶上分散短切粗纱，以形成短切粗纱料片或网。树脂施加器也位于下带的顶上。所述树脂施加器被配置为将热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网。

所述系统还包括烘炉，该烘炉被配置为当短切粗纱料片或网和热塑性树脂移动通过烘炉时将热塑性树脂熔融。所述系统被设计成使得当短切粗纱料片或网通过烘炉时，双带机构按压短切粗纱料片或网和熔融的热塑性树脂。这有助于将熔融的热塑性树脂分散在短切粗纱料片或网内，以及有助于用热塑性树脂使短切粗纱料片或网饱和。所述系统不包括缠结短切粗纱料片或网的短切粗纱的缠结装置，所述系统也不包括将粘合剂施加至短切粗纱的粘合剂施加装置。因而，短切粗纱料片或网不是以机械方式结合的，并且不包括除热塑性树脂以外的粘合剂。短切粗纱热塑性复合片材也基本上不含未聚合的树脂材料。

根据另一方面，本文描述了一种形成短切粗纱热塑性复合片材的方法。所述方法包括在双带压制机构的下带的顶上经由纤维施加器分散短切粗纱，以在所述下带的顶上形成短切粗纱料片或网。所述方法还包括将热塑性树脂施加至短切粗纱料片或网，并使短切粗纱料片或网通过烘炉，该烘炉被配置为当短切粗纱料片或网移动通过烘炉时使热塑性树脂熔融。还使短切粗纱料片或网和熔融的热塑性树脂在双带压制机构的下带与上带之间通过，以按压熔融的热塑性树脂和短切粗纱，从而使熔融的热塑性树脂分散于短切粗纱料片或网中并用熔融的热塑性树脂使短切粗纱料片或网完全饱和。

所述方法不包括经由纤维缠结装置缠结短切粗纱，所述方法也不包括将粘合剂施加至短切粗纱。因而，短切粗纱料片或网不是以机械方式结合的，并且不包括除热塑性树脂以外的粘合剂。短切粗纱热塑性复合材料也基本上不含未聚合的树脂材料。

根据另一方面，本文描述了一种短切粗纱热塑性复合片材。所述短切粗纱热塑性复合片材包括短切粗纱料片或网和使所述短切粗纱料片或网完全饱和的热塑性树脂。短切粗纱的粗纱长度为1/4英寸至5英寸并且纤维直径为1μm至30μm。热塑性树脂是完全聚合的热塑性材料，因而，短切粗纱热塑性复合片材基本上不含未聚合的树脂材料。如本文所用的短语“基本上不含未聚合的树脂材料”是指短切粗纱热塑性复合片材不包括任何未聚合的树脂材料(即0％单体和/或低聚物)或包括可忽略量的此类材料。例如，树脂材料可以是聚烯烃，例如聚丙烯。聚丙烯的单体是丙烯，其在环境条件下为气体。在丙烯制造过程中，残留的丙烯与聚丙烯分离；因此所得的聚丙烯不包含残留的丙烯。因此，含有聚丙烯的短切粗纱热塑性复合片材不包含残留的丙烯。短切粗纱热塑性复合片材包含20重量％至80重量％的热塑性树脂。热塑性树脂的重量百分比按照ISO 1172(1996)经由焚化方法确定。

短切粗纱的料片或网不是以机械方式结合的，并且除了热塑性树脂之外，不包括将短切粗纱结合或粘着在一起的粘合剂。因而，当将短切粗纱热塑性复合片材加热到高于热塑性树脂的熔融温度时以及当短切粗纱热塑性复合片材被压入模具或型腔内时，热塑性树脂和短切粗纱料片或网能够流动并顺应模具或型腔。

附图说明

结合附图描述了本技术：

图1示出了可用于生产短切粗纱热塑性复合片材的系统。

图2示出了可用于生产短切粗纱热塑性复合片材的另一系统。

图3示出了可用于生产短切粗纱热塑性复合片材的另一系统。

图4示出了可用于生产轻质短切粗纱热塑性复合片材的系统。

图5示出了短切粗纱热塑性复合片材。

图6示出了另一种短切粗纱热塑性复合片材。

图7示出了轻质短切粗纱热塑性复合片材。

图8示出了另一种轻质短切粗纱热塑性复合片材。

图9示出了形成短切粗纱热塑性复合片材的方法。

在附图中，相似的组件和/或特征可以具有相同的数字参考标记。此外，可以通过在参考标记之后加上区分相似组件和/或特征的字母来区分相同类型的多个组件。如果在说明书中仅使用第一数字参考标记，则该描述适用于具有相同第一数字参考标记的类似组件和/或特征中的任何一者，而与字母后缀无关。

具体实施方式

本文所述的实施方案涉及由短切粗纱形成并用热塑性树脂浸渍的热塑性复合片材(下文称为短切粗纱热塑性复合片材)。与常规的热塑性复合片材相比，所述短切粗纱热塑性复合片材表现出更高的各向同性机械性能和更高的适形性。各向同性性能的提高主要是由于使用了短切粗纱，所述短切粗纱在短切粗纱热塑性复合片材内无规取向。与常规的基于织物的热塑性复合片材相比，无规取向的短切粗纱使得短切粗纱热塑性复合片材的强度的方向依赖性小得多。当将复合片材加热到高于热塑性树脂的熔点或软化点的温度时，适形性增加在某种程度上是由于短切粗纱缺乏机械和化学键合或偶联。由于短切粗纱不是以机械方式或化学方式结合/偶联的，因此短切粗纱能够在热成型过程中相对于彼此移动。因而，短切粗纱能够流动、弯曲并顺应热成型模具中经常遇到的复杂且紧密的几何形状。换句话说，短切粗纱热塑性复合片材具有优异的适形性，并且能够容易地形成具有深拉和复杂形状或几何结构的复合部件。短切粗纱热塑性复合片材可以经由例如压缩成型和热成型的高通量方法形成这些复杂的形状。短切粗纱热塑性复合片材显示出高的强度、刚度和抗冲击性。

在热塑性树脂的施加和浸渍之前，未经机械结合或化学结合的短切粗纱的使用，也允许热塑性树脂能够快速渗透到短切粗纱的料片或网中，这大大提高了树脂浸渍的速度，因此，提高了复合片材的制造速度。树脂的浸渍速率符合达西定律(Darcy's Law)，其提供如下：

在上式中，浸渍纤维状基材所需的时间(t)取决于基材的孔隙率(υ_υ)、树脂粘度(η)、树脂的流动长度(L)、施加的压力(P_a)、大气压(P_o)和基材的渗透率(K_p)。浸渍时间(t)与流动长度(L)的平方成正比，流动长度(L)定义为熔融的热塑性树脂在浸渍过程中的行进长度。因此，减小流动长度可以显著提高热塑性树脂在短切粗纱料片或网内的浸渍速率。在本发明的实施方案中，开发了用于制造短切粗纱热塑性复合片材的新方法，其中树脂流动长度显著缩短以实现快速树脂浸渍。短切粗纱热塑性复合片材的制造方法包括：(1)将长的短切粗纱均匀地分布或分配到移动的带上，形成短切粗纱料片或网；(2)将热塑性树脂施加到所述短切粗纱料片或网上；(3)将热塑性树脂熔融并按压树脂化的短切粗纱料片或网以浸渍粗纱；(4)将经浸渍的短切粗纱料片或网冷却，形成短切粗纱热塑性复合片材；以及(5)将短切粗纱热塑性复合片材切割成期望的长度和宽度。

在另一个实施方案中，将短切粗纱和粉末热塑性树脂同时分散到移动带上。在这种情况下，形成短切粗纱料片或网的步骤和施加热塑性树脂的步骤被合并为一个步骤。同时分散短切粗纱和粉末热塑性树脂可确保粉末热塑性树脂在短切粗纱料片或网内的良好分布，从而使流动长度最小化并有利于树脂浸渍。

在一个实施方案中，通过将粉末热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上，而将热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上。可以使用粉末施加装置来递送粉末热塑性树脂。由于短切粗纱料片或网中的较大间隙空间，热塑性树脂颗粒能够落入短切粗纱之间的间隙中。因而，根据达西定律，粉末热塑性树脂颗粒容易深度渗透到短切粗纱料片或网的内部，这显著缩短热塑性树脂在短切粗纱料片或网中的流动长度，并大大缩短了浸渍时间。

为了改善树脂分布并进一步减少浸渍时间，可以将热塑性树脂膜置于短切粗纱料片或网下。树脂膜将熔融并从底表面浸渍短切粗纱料片或网。可以通过采用多个纤维分配装置(例如，纤维切碎器、纤维散布装置等)和多个粉末树脂施加装置来生产分层结构。例如，可以通过从第一纤维分配装置分配短切粗纱来形成第一短切粗纱层，并且可以经由第一粉末施加装置将粉末热塑性树脂施加到所述第一短切粗纱层上。随后，可以通过将来自第二纤维分配装置的短切粗纱分配在第一短切粗纱层的顶部，在树脂化的第一短切粗纱层的顶上形成第二短切粗纱层。可以经由第二粉末施加装置将粉末热塑性树脂施加到第二短切粗纱层上。同样可以形成额外的层。

热塑性树脂膜和粉末热塑性树脂可以组合在分层结构中。或者，可以用片材模头将热塑性树脂片材从挤出机原位挤出。熔融树脂的挤出片材可促进树脂在短切粗纱料片或网内的浸渍。在施加熔融热塑性树脂的挤出片材之前，可能需要对短切粗纱料片或网进行预热以加热短切粗纱料片或网，使得熔融的热塑性树脂在施加到短切粗纱料片或网上时不会冻结。由于流动长度减小，与常规的热塑性复合片材如GMT或采用织物的那些相比，可以实现短切粗纱料片或网的更快浸渍。与常规产品相比，更快的浸渍导致显著更高的生产效率。在其它实施方案中，热塑性聚合物纤维可以分散在短切粗纱料片或网内，以减小流动长度。下面提供了可用于本发明实施方案中的热塑性树脂的其它细节。

在一些实施方案中，将长的短切粗纱均匀地分布或分配到移动带上包括经由纤维短切装置(下文称为纤维切碎器)将连续粗纱在线切成长的短切粗纱。纤维切碎器可以位于移动带的上方，以便将长的短切粗纱在切割或短切时落在移动带上。替代地或另外，可以经由位于移动带上方的纤维散布或分配装置散布或分配预切粗纱。

术语短切粗纱是指从连续粗纱或丝束短切而成的纤维。短切粗纱的长度通常大于或等于1/2英寸或1英寸。在一些实施方案中，短切粗纱的长度可以为1/4英寸至5英寸，并且更优选为1/2英寸至2英寸。由于短切粗纱热塑性复合片材中的纤维长度长，因此可获得显著的强度和刚度。本文使用的粗纱可以选自但不限于以下类型的纤维：玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、金属纤维、陶瓷纤维、纤维素纤维、天然纤维、芳族聚酰胺纤维、无机纤维、聚合物纤维，或它们的组合。粗纱可以用偶联剂处理，这可以改善粗纱与热塑性树脂基质之间的界面结合。

热塑性树脂可以包括但不限于聚烯烃，聚丙烯(PP)，高密度聚乙烯(HDPE)，聚酰胺(包括PA6和PA6,6)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚碳酸酯(PC)，聚邻苯二甲酰胺(PPA)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，PC/ABS，热塑性聚氨酯(TPU)，聚苯硫醚(PPS)，缩醛(聚甲醛或POM)树脂，聚乙烯亚胺(PEI)，聚醚醚酮(PEEK)，聚丙烯腈，包括苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)的共聚丙烯腈，或它们的任何组合。在一些实施方案中，热塑性树脂可以经由双带压制机构压入短切粗纱料片或网中。

如上文所简述，在施加和浸渍热塑性树脂之前，短切粗纱料片或网未进行机械或化学结合，这意味着短切粗纱料片或网由未结合的短切粗纱段构成或组成。术语“未结合的”是指短切粗纱料片或网没有以机械或化学方式偶联或结合在一起，或者未经一些其它方式偶联在一起。机械结合或偶联纤维产品的常见实例是有意机械缠结的产品，其通常通过称为针刺的过程进行缠结。针刺涉及将杆、针或其它物体插入穿过纤维料片或网，以使纤维的一部分在料片或网内重新取向，从而促进或影响纤维的缠结。纤维的重新取向和缠结将纤维机械地偶联或结合在一起。针刺或其它形式的机械缠结极大地增加了纤维网的结构完整性，这使得纤维网能够作为纤维基材经受处理并暴露于外力下。织造织物经由将粗纱或丝束编织在一起而机械地偶联在一起。

化学结合是指将粘合剂施加到纤维毡上，使得在施加热塑性树脂之前可以以例如卷绕和退绕的方法处理结合的纤维毡。化学结合的纤维毡的一个实例是短切原丝毡，其中短切原丝通过粘合剂结合。短切原丝毡通常包括短切原丝，所述短切原丝随机地彼此叠置并与所施加的粘合剂或粘着剂结合在一起。粘着剂或粘合剂将单独的原丝结合或粘着在一起。通常，短切原丝毡上的粘合剂是热固型的，其形成交联结构，该交联结构一旦固化就不会流动。常见的热固性粘合剂包括不饱和聚酯粘合剂。

与机械结合和/或化学结合的纤维毡或片材不同，在施加热塑性树脂之前，短切粗纱料片或网中的短切粗纱仅以最小的物理缠结彼此叠置。因而，短切粗纱形成纤维料片或网，而无需彼此机械地或化学地结合或偶联。短切粗纱保持非机械和非化学的结合/偶联状态，直到热塑性树脂被施加到短切粗纱料片或网、受热和在短切粗纱料片或网内浸渍，并冷却以形成短切粗纱热塑性复合片材。因而，热塑性树脂基质本身充当将短切粗纱结合或偶联在一起的材料。由于热塑性树脂基质基本上是偶联或结合短切粗纱的唯一材料，因此当热塑性树脂在热成型过程中被加热和熔融时，短切粗纱会彼此分离、脱离、松开或以其它方式松动，这允许短切粗纱彼此相对移动，并与熔融的热塑性树脂一起流动。

另外，由于短切粗纱料片或网未经机械或化学结合/偶联，因此短切粗纱料片或网本身基本上不表现出任何结构完整性，这意味着，短切粗纱料片或网在以下情况下不会保持完整：如果对短切粗纱料片或网施加了明显的外力，或者如果对短切粗纱料片或网进行处理或干扰。例如，如果短切粗纱料片或网被张紧或扭曲，则短切粗纱料片或网将不会保持完整。而是，由于外力的作用，短切粗纱将脱离、移动并分离。类似地，如果短切粗纱料片或网由使用者处理，则缺乏机械或化学结合将导致短切粗纱脱离并分离。因而，短切粗纱料片或网不能像处理常规织物、非织造布或短切原丝毡那样被处理、移动、辊压或加工。在描述短切粗纱料片或网的无边界特性时，应当理解，由于短切粗纱在料片或网中的无规取向，将很可能发生最小程度的物理缠结或接合，但一般而言，短切粗纱保持彼此不偶联或不结合，使得纤维料片或网在施加和浸渍热塑性树脂之前具有最小的结构完整性。

由于纤维的机械和/或化学结合使得纤维片材可以被处理和加工，因此机械结合和/或化学结合的纤维毡非常适合制造目的。例如，机械和结合/或化学结合的纤维片材允许纤维片材作为中间纤维基材在制造工厂被制造。所述中间纤维基材可以被运输和存储以用于随后的加工，例如树脂的施加。机械结合和/或化学结合的纤维还允许在施加和浸渍树脂期间在加工线上对中间纤维基材进行辊压、推、拉和/或以其它方式处理。

相比之下，本文所述的短切粗纱料片或网不形成中间结合纤维基材，并且不能以类似的方式进行操作，因为这种操作将导致短切粗纱的分离和/或短切粗纱料片或网的变形。由于本文所述的短切粗纱料片或网不形成中间结合纤维基材，因此短切粗纱热塑性复合片材的形成发生在单一制造过程或步骤中，这确保了短切粗纱料片或网在施加热塑性树脂之前保持完整。

一旦形成短切粗纱热塑性复合片材，非机械和/或非化学结合的短切粗纱将大大增强模制产品的形成。例如，由于短切粗纱未经机械或化学结合，当在成型或热成型过程中使热塑性树脂熔融时，短切粗纱能够相对于彼此自由移动。短切粗纱能够与熔融的热塑性树脂一起流动。这种增加的纤维移动使短切粗纱易于在模具内流动、移动、弯曲和挠曲成紧密且复杂的形状或构造。相比之下，由于纤维彼此间机械地和/或化学地锁定，因此机械结合和/或化学结合的纤维毡或片材极大地抵抗了纤维移动、弯曲和/或挠曲成紧密且复杂的形状或构造。

GMT是热塑性复合片材的常见实例，其中包括针刺毡形式的机械结合纤维。为了形成针毡，通常使用梳理工艺来打开纤维束以实现更多的无规纤维分布。梳理是一个耗时的过程，这增加了制造成本。经由梳理或其它方法打开纤维束会增加纤维毡的厚度，因此会增加热塑性树脂的浸渍时间，因为热塑性树脂需要行进更长的流动长度才能浸渍蓬松的毡。梳理纤维产品还要经受如上所述的针刺工艺，该工艺将纤维机械地缠结并锁定在一起。

与常规的纤维基材不同，本文所述的短切粗纱料片或网由未打开的短切粗纱或未经由机械方式打开的短切粗纱形成。小束尺寸的粗纱或丝束可用于形成短切粗纱料片或网。例如，可以使用tex数<100的粗纱或丝束。粗纱的Tex定义为每1,000米粗纱长度的质量(克)；并根据ISO 1889(2009)确定。小束尺寸确保了短切粗纱在短切粗纱料片或网中的相对均匀分布。对于玻璃粗纱，优选组装粗纱。组装粗纱是通过将多根小tex原丝组装成较大的粗纱来制造的。组装粗纱中的个别原丝的tex数可以在20至100之间。通过将多个小tex原丝组装在一起，组装粗纱的tex数可以为2,000或更高。组装粗纱的短切导致小原丝彼此分离并形成单个短切小原丝。也可以使用其它纤维如玄武岩纤维的组装粗纱。对于未组装的纤维产品，可以使用具有小束尺寸的粗纱或丝束。可以使用小的丝束碳纤维，例如丝束尺寸小于10k的碳纤维丝束。如本领域中已知的，术语10k是指10,000根长丝的丝束尺寸。短切粗纱是通过将粗纱或丝束短切/切割成期望长度而形成的。经由将短切粗纱直接分配或散布到移动带上而形成短切粗纱的料片或网，而无需打开纤维束的任何附加过程。使用未打开的纤维束的优点包括：(1)在短切粗纱料片或网中形成较大的间隙空间，以促进热塑性树脂(例如粉末)渗透到短切粗纱之间的间隙中；(2)通过跳过形成中间纤维基材的过程等来降低制造成本。

另外，在将粗纱从纤维切碎器和/或纤维散布装置分散在移动带上之后，短切粗纱不经历后处理。例如，通常将短切纤维产品在纤维被切割之后进行梳理工艺或其它工艺，所述工艺的目的是打开纤维束，使得纤维基材主要由单根纤维而不是粗纱构成。也可以在将纤维置于带或其它表面上之前和/或之后立即对纤维进行吹塑操作或真空抽吸操作。与这些产品相比，在短切粗纱落在移动带上之后，短切粗纱不进行梳理或打开工艺或其它工艺。这导致短切粗纱料片或网具有较大的间隙空间，这减小了树脂浸渍期间热塑性树脂的流动长度。

与常规的纤维基材形成进一步的对比，短切粗纱料片或网的短切粗纱基本上布置在二维平面内，例如X-Y平面内。换句话说，短切粗纱料片或网基本上不含在垂直于X-Y平面的Z方向上取向的短切粗纱。短切粗纱在二维平面中取向，部分原因是短切粗纱料片或网未经受针刺工艺或任何其它机械缠结工艺，其中短切粗纱在料片或网内重新取向。而是，仅将粗纱短切或分散，并使其在移动带上无规取向并彼此叠置，以形成短切粗纱料片或网。

短切粗纱料片或网包括未打开的纤维束，并且与常规短切纤维基材相比具更多孔。如本文所用，术语“短切粗纱”是指从连续的粗纱直接切割而形成料片或网而无需机械地打开纤维束的粗纱。由于粗纱不是机械地打开的，因此短切粗纱通常包括至少90％的未打开纤维束，并且更通常至少95％的未打开纤维束。非机械和/或非化学结合使得短切粗纱料片或网保持非常开放和多孔，这大大提高了热塑性树脂渗透到短切粗纱料片或网内部的能力。例如，短切粗纱料片或网的增加的开放度允许热塑性粉末材料容易地落入短切粗纱之间的间隙空间中。

如前简述，可以以多种方式将热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上，所述方式包括作为粉末，作为膜，作为熔融热塑性树脂片材，作为聚合物纤维或它们的任何组合。在一个具体的实施方案中，将粉末热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上。树脂颗粒能够穿透短切粗纱之间的间隙空间，并进入短切粗纱料片或网的内部。当热塑性树脂暴露于足够的热量下时，粉末热塑性树脂渗透到短切粗纱料片或网中极大地增加了热塑性树脂在短切粗纱料片或网中的分散并减小了流动长度。粉末热塑性树脂渗透到短切粗纱料片或网中也有助于使短切粗纱料片或网内不含热塑性树脂的空隙或区域最小化。

短切粗纱热塑性复合片材由完全聚合的热塑性树脂构成。换句话说，短切粗纱热塑性复合片材不包括未聚合或部分聚合的材料，例如部分聚合的b阶树脂或通常用于热固性预浸料中的材料。部分聚合的b阶预浸料可以增加树脂在预浸料中的流动性，但是这些材料通常需要特殊处理(例如冷藏)，并且通常具有b阶材料将开始降解的有效期。部分聚合的b阶预浸料通常是粘的，并且通常需要使用两个位于预浸料相对侧的剥离衬里。相比之下，完全聚合的短切粗纱热塑性复合片材可以基本上无限期地在环境温度下存储，并且在处理时需要注意的事项很少。

完全聚合的热塑性树脂可以包括但不限于聚烯烃，聚丙烯(PP)，高密度聚乙烯(HDPE)，聚酰胺(包括PA6和PA6,6)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚碳酸酯(PC)，聚邻苯二甲酰胺(PPA)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，PC/ABS，热塑性聚氨酯(TPU)，聚苯硫醚(PPS)，缩醛(聚甲醛或POM)树脂，聚乙烯亚胺(PEI)，聚醚醚酮(PEEK)，聚丙烯腈，包括苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)的共聚丙烯腈，或它们的任何组合。在优选的实施方案中，聚丙烯由于其低成本、低密度和低熔点而被用作热塑性树脂。

总体上已经描述了实施方案的几个方面，参考下面提供的几个附图的描述，其它方面将显而易见。

系统

现在参考图1，示出了可用于生产短切粗纱热塑性复合片材的系统。图1的系统能够以连续过程生产短切粗纱热塑性复合片材，其中短切粗纱料片或网连续地或持续地移动通过所述系统。如本文所述，所述系统以连续工艺生产短切粗纱热塑性复合片材的能力很重要，因为由于短切粗纱没有机械结合或化学结合，短切粗纱料片或网不能形成中间纤维基材。

如图1所示，所述系统包括双带机构，该双带机构包括上带32和下带31。在双带机构中使用的典型的带包括但不限于纤维增强特氟龙带和不锈钢带。上带32位于下带31的顶上，并且两个带被配置为按压或挤压穿过双带机构的短切粗纱料片或网。所述双带机构的至少一部分位于烘炉30内。在一些实施方案中，上带32完全封闭在烘炉30内。下带31的纵向长度显著长于上带32的纵向长度，使得下带31的至少一部分自上带32向外延伸。如所示，下带31可以从上带32向外延伸2至15英尺，并且更通常3至10英尺。

下带31通常自上带32向外延伸，使得系统的一个或多个组件位于下带31的顶上。例如，纤维施加器27位于下带31的上方。纤维施加器27被配置为当下带在纤维施加器27下方移动并经过纤维施加器27时，在下带31的顶上分散短切粗纱C。在下带31的顶上分散短切粗纱C，以形成短切粗纱料片或网。如本文所述，在短切粗纱C经由纤维施加器27分散之后，短切粗纱C不经受实质性改变短切粗纱C的后处理(例如，梳理、针刺、粘合剂施加等)。因而，短切粗纱C保持基本上相同的状态或状况，直到施加热塑性树脂并将其在短切粗纱料片或网中浸渍。

所述系统还包括树脂施加器10，该树脂施加器10位于下带31的顶上并且在短切粗纱料片或网上方或附近。树脂施加器10通常位于纤维施加器27的远侧，并且被配置为当短切粗纱料片或网移动通过树脂施加器10并通常在树脂施加器10下方时，将热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上。在一个具体的实施方案中，树脂施加器10是粉末施加装置，该粉末施加装置被配置为当短切粗纱料片或网移动通过粉末施加装置时，将热塑性树脂颗粒分散到短切粗纱料片或网上。如上所述，在这样的实施方案中，粉末热塑性树脂落入短切粗纱料片或网的短切粗纱之间的间隙中。

在另一个具体的实施方案中，树脂施加器10是位于纤维施加器27下方的粉末施加装置。在这样的实施方案中，来自纤维施加器27的短切粗纱C和来自树脂施加器10的热塑性树脂粉末一起或同时落在下带31的顶上，从而形成树脂化的短切粗纱料片或网，其中热塑性树脂粉末分散在短切粗纱料片或网内。

在另一个实施方案中，树脂施加器10是卷绕热塑性膜的辊。在这样的实施方案中，通过从辊上展开热塑性膜，将热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上。在图2和图3中示出了辊12和热塑性膜14，它们可以代替图1中的组件10和/或除了组件10之外可另外使用。当使用热塑性膜14时，辊12通常位于纤维施加器27的近侧，以便将热塑性膜14展开并位于纤维施加器27的近侧的下带31的顶上。短切粗纱C可以分散在热塑性膜14的顶上，使得热塑性膜14形成短切粗纱料片或网的底层。在其它实施方案中，热塑性膜14可以在短切粗纱料片或网的顶上展开(参见图3)，使得热塑性膜形成短切粗纱料片或网的顶层。在其它实施方案中，热塑性膜14可以形成短切粗纱料片或网的底层和顶层。

在另一个实施方案中，树脂施加器10是挤出机装置，其被配置为在短切粗纱料片或网的顶上挤出熔融的热塑性树脂片材。热塑性树脂片材可以从位于短切粗纱料片或网的顶上的挤出机原位挤出。所挤出的熔融树脂片材可以在挤出后立即渗透到短切粗纱料片或网中。在又一个实施方案中，树脂施加器10是纤维切碎器或纤维散布装置，其被配置为将热塑性树脂纤维分散在短切粗纱料片或网的顶上或内部。下文更详细地描述该实施方案。

所述系统可以包括前面段落中描述的一个或多个树脂施加器。例如，所述系统可以包括使热塑性膜14展开的辊12并且可以包括粉末施加器10。热塑性纤维也可以分散在短切粗纱料片或网内部或顶上，和/或可以将熔融树脂挤出到短切粗纱料片或网上。以这种方式，短切粗纱料片或网可以接收来自1、2、3或甚至4个不同来源的热塑性树脂，这可以改善热塑性树脂在短切粗纱料片或网中的渗透和浸渍。

在一个具体的实施方案中，纤维施加器27是纤维切碎器，其被配置为将粗纱26切割成短切粗纱C，所述短切粗纱C形成短切粗纱料片或网。典型的纤维切碎器可以包括安装有多个刀片的切割辊和支撑辊。切割辊的旋转将切割抵靠支撑辊的粗纱，并分散短切粗纱以形成短切粗纱料片或网。纤维切碎器位于下带31上方，以便当将粗纱26切成单独的短切粗纱C时，短切粗纱C落在下带31的顶上并形成短切粗纱料片或网。粗纱26可以经由一个或多个可放置在纱架上的线轴23a-c提供。由每个线轴23a-c提供的粗纱可以在类型或尺寸上相似，或者可以不同于由另一个线轴提供的粗纱。因此，短切粗纱料片或网可以由相同类型和/或尺寸的粗纱26形成，或者可以由多种不同的粗纱类型和/或尺寸形成。例如，短切粗纱料片或网可以包括不同尺寸的粗纱的组合和/或不同纤维类型的粗纱的组合。在一些情况下，纤维切碎器可以同时切割两种以上不同类型的粗纱，包括但不限于玻璃纤维、碳纤维和芳族聚酰胺纤维，从而形成混合短切粗纱料片或网。当多种粗纱类型或粗纱尺寸经由纤维施加器27分散在下带31的顶上时，多种粗纱类型和/或尺寸均匀地分散或混合以形成混合的短切粗纱料片或网。

在一个实施方案中，多种粗纱类型或粗纱尺寸包括增强粗纱，并且还包括被配置为在烘炉30内熔融的聚合物树脂纤维。在这样的实施方案中，聚合物纤维用作热塑性树脂的来源之一或热塑性树脂的主要来源。在这样的实施方案中，纤维施加器27(例如，纤维切碎器或纤维散布装置)可以兼作纤维施加器27和树脂施加器10。当纤维施加器27充当树脂施加器10时，可以从系统中排除分开的组件(即树脂施加器10)。

在一个实施方案中，将增强粗纱和聚合物纤维均匀地分散在下带31的顶上，以便产生单一均质的短切粗纱料片或网。例如，纤维切碎器可以切割聚合物纤维和增强粗纱两者，使得聚合物纤维和增强粗纱均匀地落在下带31的顶上并形成短切粗纱料片或网。在另一个实施方案中，增强粗纱和聚合物纤维可以被分散，使得不同的纤维在下带31的顶上形成分开的层。在这样的实施方案中，短切粗纱料片或网包括多层不同的纤维。在一个具体的实施方案中，增强纤维是玻璃纤维并且聚合物纤维是聚丙烯纤维。

在一些实施方案中，纤维施加器27可以是纤维散布装置(参见图2的纤维施加器27)。典型的纤维散布装置可以包括料斗、纤维进料装置、散布辊和刷除辊。在这样的实施方案中，所述系统将不包括粗纱26或线轴23a-c。而是，纤维散布装置将位于下带31的上方，并且将被配置为将预切割的短切粗纱段C散布或分散在下带31的顶上，以形成短切粗纱料片或网。预切割的短切粗纱段C可以被装载或布置在纤维散布装置可接近的料斗内。短切粗纱段C可以均匀地散布在下带31的顶上，以形成短切粗纱料片或网。短切粗纱段C可以包括一种粗纱类型或尺寸，或者可以包括不同的粗纱类型或尺寸。

纤维散布装置可以分散多种粗纱类型和/或尺寸，以形成如前所述的均匀或分层的短切粗纱料片或网。例如，纤维散布装置可以被配置为散布增强粗纱和聚合物纤维，所述聚合物纤维被配置为在烘炉30内熔融。纤维散布装置可以分散聚合物纤维和增强粗纱，使得纤维和粗纱落在下带31的顶上，形成均匀或分层的短切粗纱料片或网。在这样的情况下，纤维散布装置可以兼作纤维施加器和树脂施加器，使得所述系统不包括组件10。在其它实施方案中，纤维散布装置可以与树脂施加器10组合使用，使得热塑性塑料从多种来源被施加到短切粗纱料片或网上。

在一些实施方案中，热塑性树脂可以是一种或多种粉末。纤维散布装置可以被配置为使得短切粗纱C和热塑性树脂粉末同时落在下带31的顶上，以形成树脂化的短切粗纱料片或网，其中热塑性树脂粉末分散在短切粗纱料片或网内。纤维散布装置可以具有分开的料斗，该料斗包括分别用于短切粗纱和用于热塑性树脂粉末的分开的隔室。替代地，短切粗纱和热塑性树脂粉末可以使用分开的料斗。短切粗纱和热塑性树脂粉末可以经由散布装置同时散布或分配，以形成树脂化的短切粗纱料片或网。

在一些实施方案中，树脂施加器10是位于纤维散布装置27下方的粉末施加装置。在这样的实施方案中，从纤维散布装置27分散的短切粗纱C和从树脂施加器10施加的热塑性树脂粉末一起落在下带31的顶上，从而形成树脂化的短切粗纱料片或网，其中热塑性树脂粉末分散在短切粗纱料片或网内。

在一些实施方案中，短切粗纱C可以包括施胶组合物(sizing composition)，该施胶组合物具有促进短切粗纱C与热塑性树脂之间的结合的偶联剂。在这样的情况下，热塑性树脂与短切粗纱C之间的结合可以显著加强或增强。在具体的实施方案中，纤维施胶组合物含有硅烷偶联剂、聚合物成膜剂和其它添加剂的混合物，所述混合物被设计用于增强短切粗纱与热塑性树脂基质之间的界面结合。具体地，包含偶联剂(即马来酸化聚丙烯)的施胶组合物可用于生产短切粗纱聚丙烯复合片材，以增强纤维与PP树脂之间的结合。

当纤维施加器27是纤维切碎器时，所述系统可以包括干燥机构24，该干燥机构24被配置为当从相应的线轴23a-c上退绕粗纱26时并且在经由纤维切碎器切割粗纱26之前干燥粗纱26。干燥机构24可以是粗纱26被牵拉通过的管状加热器。所述系统可以包括单一管状加热器，所有粗纱26都被牵拉通过该管状加热器，或者可以包括管状加热器，当粗纱从各自的线轴23a-c退绕时，每个粗纱都被单独地牵拉通过该管状加热器。

纤维施加器27分散短切粗纱C，使得粗纱落在下带31的顶上并形成短切粗纱料片或网。短切粗纱C随机地取向或布置在下带31的顶上，并形成短切粗纱料片或网，其厚度和/或密度取决于下带31的速度、纤维施加器27的分散速度、短切粗纱C的数量和/或尺寸等。所述系统还可以包括一个或多个加热器(未示出)，其位于下带31的顶上，并且被配置为加热短切粗纱料片或网。一个或多个加热器可以位于树脂施加器10之前，并且可以用于加热短切粗纱料片或网，使得当将树脂材料施加到短切粗纱料片或网上时，短切粗纱未冷却。

短切粗纱料片或网通常不经受化学或机械结合，因此，如前所述，短切粗纱料片或网通常是未结合或未粘着的。具体地，在施加热塑性树脂之前，短切粗纱料片或网通常不经受将短切粗纱结合或粘着在一起的粘合剂施加过程(例如，幕涂机、喷涂机构等)，并且短切粗纱料片或网通常不经受机械缠结过程，例如机械针刺。更特别是，所述系统不包括缠结或机械地偶联短切粗纱料片或网的短切粗纱的缠结装置。所述系统也不包括将粘合剂施加到短切粗纱上的粘合剂施加装置。由于短切粗纱未经机械结合或化学结合，因此短切粗纱可以在热塑性树脂熔融时彼此相对移动、流动和移位。当将热固性粘合剂施加到短切粗纱上时，不会发生该移动，因为固化的热固性粘合剂将短切粗纱粘着或结合在一起。

在热塑性树脂涂布短切粗纱料片或网之后，然后经过涂布的短切粗纱料片或网经受压制机构，该压制机构有助于热塑性树脂对短切粗纱进行浸湿。按压功能通常由形成双带压缩机构的上带32和下带31执行。当短切粗纱料片或网通过烘炉30时，上带32和下带31按压涂有热塑性树脂的短切粗纱料片或网。经过涂布的短切粗纱料片或网的按压有助于短切粗纱料片或网的熔融和浸渍或饱和。

使短切粗纱料片或网完全饱和是指从短切粗纱料片或网的一个表面到该短切粗纱料片或网的相对表面用热塑性树脂浸渍短切粗纱料片或网。换句话说，使短切粗纱料片或网完全饱和是指热塑性树脂位于短切粗纱料片或网的整个厚度上。短切粗纱料片或网的完全饱和确保短切粗纱热塑性复合片材的短切粗纱保持在位，并且不会从短切粗纱热塑性复合片材中脱落。换句话说，由于短切粗纱未经过机械结合或化学结合，因此热塑性树脂起到将短切粗纱固定在适当位置的基质的作用。因而，如果热塑性树脂没有在整个厚度范围内浸渍短切粗纱料片或网，则至少一部分短切粗纱将不会与热塑性树脂接触，因此，这些粗纱会从短切粗纱热塑性复合片材中脱落。在一些实施方案中，可以通过一个或多个压延机或辊来实现按压功能，所述压延机或辊按压或挤压热塑性树脂穿过短切粗纱料片或网。

下带31和上带32使树脂化的短切粗纱料片或网通过烘炉30。烘炉30的温度保持在确保热塑性树脂完全熔融的温度。换句话说，烘炉30保持在高于热塑性树脂熔融温度的温度。对于聚丙烯树脂，可将烘炉保持在高于聚丙烯熔点的温度，即200℃或更高。可以将树脂化的短切粗纱料片或网暴露于烘炉30中持续一段时间，该时间足以确保短切粗纱料片或网的浸湿或浸渍。例如，对于包括聚丙烯在内的热塑性树脂组合物，树脂化的短切粗纱料片或网在烘炉30中的停留时间可以是约2分钟或更长时间，以确保短切粗纱料片或网被熔融聚丙烯浸湿或浸渍。

所得的短切粗纱热塑性复合片材基本上不含未聚合的聚合物材料。换句话说，短切粗纱热塑性复合片材由完全聚合的热塑性树脂构成或组成，并且不包括未聚合或部分聚合的材料，例如部分聚合的b阶树脂或材料。因此，不同于一些其它复合片材，例如片状模制化合物(SMC)，短切粗纱热塑性复合片材不包括残留的单体或低聚物含量。

在一些实施方案中，烘炉或外壳30的远端包括冷却机构25，其被配置为冷却短切粗纱热塑性复合片材18。冷却机构25可以冷却短切粗纱热塑性复合片材18，出于减少或防止短切粗纱热塑性复合片材18翘曲，或出于任何其它原因，以允许短切粗纱热塑性复合片材18被切割成一定形状，由个体操作。冷却机构25通常将短切粗纱热塑性复合片材18冷却至低于50℃，并且更通常冷却至环境温度或接近环境温度，这允许短切粗纱热塑性复合片材18由个体操作而不烧伤或伤害所述个体。冷却机构25可以包括冷水冷却或任何其它形式的冷却。

所述系统还可以包括切割机构16，该切割机构被配置为将短切粗纱热塑性复合片材18切割成期望的长度和宽度，其可以彼此堆叠在一起。在其它实施方案中，所述系统可以包括卷绕机构，该卷绕机构被配置为将短切粗纱热塑性复合片材卷绕成卷状产品。图1的系统被设计成使得该过程在20分钟或更少、并且更通常在10分钟或更少的时间内执行。在一些实施方案中，该过程可以在5分钟或更少的时间内执行。

尽管下带31被示为从烘炉30的入口延伸，但是在一些实施方案中，下带31可以被完全封闭在烘炉30内，或者在烘炉的罩或盖内。在这样的实施方案中，下带31延伸超过上带32的远端或前缘，使得系统的其它组件(即，纤维施加器27、树脂施加器10等)能够保持位于下带31上方。

图2示出了其中纤维施加器27是纤维散布装置的系统。如前所述，纤维散布装置被配置为散布或分散被装载或位于料斗内的预切割短切粗纱段C。在一些实施方案中，纤维散布单元可以由纤维切碎器代替，或除纤维切碎器之外使用。在这样的实施方案中，图2的系统可以包括纤维切碎器和/或纤维散布装置。

辊12位于下带31附近，并且被配置为将热塑性树脂膜14引导到下带31上面并在其顶上。短切粗纱段C均匀地散布在热塑性树脂膜14的顶上，以在热塑性树脂膜14的顶上形成短切粗纱料片或网。在一些实施方案中，辊12可以位于纤维施加器12之后，使得热塑性树脂膜14在短切粗纱料片或网的顶上退绕或展开。图2的系统可以包括本文所述的各种其它组件，例如树脂施加器10、切割机构16、冷却机构25等。将热塑性树脂膜、短切粗纱料片或网以及任何其它材料如粉末热塑性树脂移入烘炉30中并加热，使得热塑性树脂熔融并浸渍短切粗纱料片或网。

在一些实施方案中，可以使织物或非织造毡围绕辊12而不是热塑性树脂膜14卷绕。所述系统可以被配置为从辊12上退绕织物或非织造毡，并且将织物或非织造毡移动到下带31的顶上，使得短切粗纱C位于织物或非织造毡上方，并在织物或非织造毡上方形成短切粗纱料片或网层。在这样的实施方案中，可以由短切粗纱料片或网以及织物或非织造毡形成分层或混合的短切粗纱热塑性复合片材。在这样的实施方案中，也可以采用热塑性树脂膜14，并且可以使其位于织物或非织造毡附近或短切粗纱料片或网附近。可以使分层或混合的短切粗纱料片或网经受树脂施加器10、双带机构和烘炉30的作用，使得热塑性树脂分散在分层或混合的短切粗纱料片或网内并使其完全饱和。

图3示出与图1和图2相似的系统，不同之处在于所述系统包括多个纤维施加器，它们可以是图1中所示的纤维切碎器，图2中所示的纤维散布装置，或者纤维切碎器和纤维散布装置的组合。尽管图3示出了使用两个纤维切碎器，但是应认识到，可用纤维散布装置代替一个纤维切碎器或两个纤维切碎器，或者在所述系统内可以使用另外的纤维切碎器或纤维散布装置。

图3的系统包括第一纤维施加器27a和第二纤维施加器27b，其各自位于下带31的顶上，并且其各自被配置为将短切粗纱C₂和C₁分散在下带的顶上，以形成短切粗纱料片或网。当第一纤维施加器27a是纤维切碎器时，第一纤维施加器27a切割从一个或多个线轴23a-c退绕的第一粗纱26a。第一粗纱26a可以通过第一粗纱加热器24a，其将第一粗纱26a干燥。第一粗纱26a被切割并形成第一短切粗纱C₂。当第一纤维施加器27a是纤维散布装置时，第一纤维施加器27a将来自料斗或其它保持装置的预切割的第一短切粗纱C₂分散。第一短切粗纱C₂落在下带31的顶上并形成短切粗纱料片或网的第一层。第一层的厚度和/或密度可基于第一纤维施加器27a的速度、下带31的速度和/或单个粗纱23a-c或预切割的短切粗纱的数量和尺寸来控制。

当第二纤维施加器27b是纤维切碎器时，第二纤维施加器27b切割从一个或多个线轴23d-f退绕的第二粗纱26b。第二粗纱26b可以通过第二粗纱加热器24b，其将第二粗纱26b干燥。第二粗纱26b被切割以形成第二短切粗纱C₁。当第二纤维施加器27b是纤维散布装置时，第二纤维施加器27b从料斗或其它保持装置分散预切割的第二短切粗纱C₁。第二短切粗纱C₁落在热塑性树脂膜14和/或短切粗纱料片或网的第一层的顶上，以形成短切粗纱料片或网的第二层。第二层的厚度和/或密度可以基于第二纤维施加器27b的速度、下带31的速度和/或单个粗纱23d-f或预切割短切粗纱的数量和尺寸来控制。

所得的短切粗纱料片或网可以具有分层或混合的构造，其中第一层的至少一个性质不同于第二层的性质。混合层可以包括来自第一纤维施加器27a和第二纤维施加器27b的短切粗纱的混合物。所述性质可以在纤维类型、纤维长度、纤维直径、粗纱或层密度、层厚度等方面不同。例如，第一层和/或第二层可以包括聚合物纤维或由聚合物纤维组成，所述聚合物纤维被配置为在烘炉30内熔融并使所述分层或混合的短切粗纱料片或网完全饱和。第一纤维施加器27a和/或第二纤维施加器27b可以被配置为将聚合物纤维分散在分层或混合的短切粗纱料片或网的第一层和/或第二层内。在其它实施方案中，第一短切粗纱C₂和第二短切粗纱C₁可以是不同的粗纱类型、不同的粗纱尺寸和/或具有不同的粗纱特性。

所述系统还可以包括辊12，围绕该辊12布置热塑性树脂膜14或者在一些实施方案中布置织物或毡。当所述系统包括辊12时，热塑性树脂膜14从辊12退绕并在下带31的顶上移动。在一些实施方案中，热塑性树脂膜14可以形成混合的短切粗纱料片或网的底层。在其它实施方案中，热塑性树脂膜14在由第一短切粗纱C₂形成的短切粗纱料片或网的顶上退绕。辊15可以位于下带31上方，以将热塑性树脂膜14适当地引导到短切粗纱料片或网上面并在其顶上。辊12可位于第一纤维施加器27a与第二纤维施加器27b之间，使得热塑性树脂膜14被夹在短切粗纱料片或网的两个层之间。在其它情况下，辊12可以位于第二纤维施加器27b的远侧，使得热塑性树脂膜14可位于短切粗纱料片或网的两个层的顶上。然后可以使热塑性树脂膜14和短切粗纱料片或网移动通过所述系统以施加热塑性树脂(例如粉末热塑性树脂、热塑性树脂熔体和/或聚合物纤维)，以熔融热塑性树脂，和/或将所得短切粗纱热塑性复合材料切成片材。应当注意，在一些实施方案中，所述系统可以不包括树脂施加器10。在这样的实施方案中，热塑性树脂可以由热塑性树脂膜14和/或聚合物纤维提供。

在一些实施方案中，可以将填充材料添加到短切粗纱热塑性复合片材中。可以添加一种或多种填充材料以改善短切粗纱热塑性复合片材的特定性能和/或降低短切粗纱热塑性复合片材的成本。例如，一种或多种填充材料可以影响短切粗纱热塑性复合片材的强度、韧度、耐热性、阻燃性、颜色等。可以添加到短切粗纱热塑性复合片材中的填充材料包括但不限于碳酸钙、高岭土、滑石、二氧化硅、二氧化钛、三水合氧化铝、炭黑和纳米填料如碳纳米管和石墨烯。

在一个具体的实施方案中，可能希望降低短切粗纱热塑性复合片材的密度。这样的复合片材通常可以被称为轻质短切粗纱热塑性复合片材(下文称为轻质复合片材)，因为它们的密度比常规的短切粗纱热塑性复合片材轻。轻质复合片材在重量成问题或受关注的应用中可能特别有用。短切粗纱热塑性复合片材的密度可以通过向短切粗纱热塑性复合片材添加轻质填充材料来降低。术语“轻质填充材料”是指密度在0.1g/cm³至1.0g/cm³之间的材料。轻质填充材料的密度根据ISO12154:2014测试方法确定。短切粗纱热塑性复合片材的密度根据ISO1183(2019)确定。在一个具体的实施方案中，轻质填充材料可以是空心玻璃微球，其通常也称为玻璃泡。在其它实施方案中，轻质填充材料可以是珍珠岩或其它轻质材料。

关于空心玻璃微球，这些材料通常具有0.10g/cm³至0.60g/cm³范围内的密度，因此相比于常规短切粗纱热塑性复合片材的粗纱和热塑性树脂显著更轻。在一些优选的实施方案中，所使用的空心玻璃微球的密度可以低于0.40g/cm³。

由于轻质填充材料的重量明显轻于粗纱和热塑性树脂，因此向短切粗纱热塑性复合片材添加相当量的轻质填充材料大大降低了短切粗纱热塑性复合片材的总密度。轻质填充材料通过占据复合片材内的体积或空间来降低短切粗纱热塑性复合片材的总密度，否则所述体积或空间将被较重的粗纱和/或热塑性树脂填充或占据。在一个具体的实施方案中，基于复合片材的总重量，短切粗纱热塑性复合片材中的空心玻璃微球的重量百分比可以为1％至30％，优选为2％至20％，并且更优选为3％至10％。

与常规的短切粗纱热塑性复合片材相比，使用轻质填充材料导致短切粗纱热塑性复合片材具有降低的密度。尽管密度降低，但轻质复合片材仍显示出高强度和抗冲击性。

在一些实施方案中，可以将轻质填充材料添加到本文所述的热塑性树脂(例如，粉末热塑性树脂等)中，但更通常将轻质填充材料与热塑性树脂分开地施加。在一些实施方案中，可以将填料施加机构位于下带的上方，以便将空心玻璃微球施加在短切粗纱料片或网的顶上或内部。填料施加机构可以紧邻纤维切碎器或纤维散布装置布置，以便将轻质填充材料相对均质地添加到短切粗纱料片或网。在其它实施方案中，轻质填充材料可以与短切粗纱在料斗中混合。轻质填充材料和短切粗纱可以经由纤维散布装置散布或分散。然后可以将热塑性树脂施加到掺有空心玻璃微球的短切粗纱料片或网。

在一些实施方案中，轻质填充材料可以包括促进填充材料与热塑性树脂之间的结合的涂层。例如，可将硅烷涂层添加到空心玻璃微球的表面，以增加微球与树脂基质之间的界面结合强度。除了轻质之外，玻璃微球还显示出优异的强度性能，因此，在轻质复合片材中使用空心玻璃微球不会对复合片材的强度性能产生显著的负面影响。

轻质填充材料可以均质地分散在整个短切粗纱料片或网上；可以在短切粗纱料片或网顶部形成一层；或者可以夹在短切粗纱料片或网的相对层之间。轻质填充材料向短切粗纱料片或网中的渗透可能取决于粗纱相对于彼此布置的松散程度。例如，当短切粗纱相对于彼此相对宽松地布置时，空心玻璃微球可能能够容易地渗透到短切粗纱料片或网中。在其它实施方案中，轻质填充材料可以在短切粗纱料片或网的顶上形成一层。例如，当粗纱相对紧密地布置在一起时，空心玻璃微球可以被粗纱过滤并在短切粗纱料片或网的顶上形成一层。在这样的实施方案中，可以将短切粗纱料片或网的第二层布置在空心玻璃微球的顶上，使得微球被夹在短切粗纱料片或网的相对层之间。

如本文中所简述，轻质复合片材可以具有比常规的短切粗纱热塑性复合片材更低的密度。例如，轻质复合片材可以具有1.0g/cm³至1.7g/cm³的密度。轻质复合片材可以包含：a)30重量％至80重量％的粗纱材料；b)20重量％至70重量％的热塑性树脂；和c)1重量％至30重量％的轻质填充材料。在优选的实施方案中，轻质复合片材可以包含：a)40重量％至70重量％的粗纱材料；b)30重量％至60重量％的热塑性树脂；和c)2重量％至15重量％的轻质填充材料。

图4示出了一种系统，所述系统包括填料施加机构40，其位于下带31的顶上，并且其被配置为将轻质填充材料施加在下带31上，短切粗纱料片或网上和/或热塑性树脂膜14上。图4示出了所述系统包括纤维施加器27，该纤维施加器27可以是纤维切碎器、纤维散布装置或这两个装置的任何组合。如前所述，所述系统还包括树脂施加器10、烘炉30、上带32、冷却机构25和切割机构16。在图4中，填料施加机构40被示为位于纤维施加器27的近侧，但是应当认识到，可以切换纤维施加器27和填料施加机构40的位置，使得纤维施加器27位于填料施加机构40的近侧。还应该认识到，可以根据需要从系统中除去热塑性树脂膜14和辊12。树脂施加器10也可以被替换，并且如本文所述可以采用其它热塑性树脂施加装置。

轻质填充材料可以被施加到下带31，并且短切粗纱C可以被施加在轻质填充材料的顶上。在其它实施方案中，可以将短切粗纱C施加在下带31的顶上以形成短切粗纱料片或网，并且轻质填充材料可以被施加到短切粗纱料片或网上。将轻质填充材料施加到所形成的短切粗纱料片或网上是施加轻质填充材料的较常见方法。在又一个实施方案中，轻质填充材料可以与热塑性树脂粉末组合，并且可以经由树脂施加器10被施加到短切粗纱料片或网上。在又一个实施方案中，轻质填充材料可以与短切粗纱组合，并且可以经由纤维散布装置分散在下带31的顶上。

在任何实施方案中，轻质填充材料可以渗透到短切粗纱料片或网中，使得轻质填充材料至少部分地布置在短切粗纱料片或网内。可以通过控制短切粗纱料片或网的孔隙率、填充材料的尺寸等来控制轻质填充材料渗透到短切粗纱料片或网中的程度。轻质填充材料更通常形成位于短切粗纱料片或网的一侧上并且更通常在短切粗纱料片或网的顶上的一层。可以采用第二纤维施加器(未示出)在轻质材料的顶上施加第二短切粗纱(未示出)，从而在轻质填充材料的顶上形成第二短切粗纱料片或网。在其它实施方案中，可将非织造纤维毡或织造织物施加在轻质填充材料的顶上。如果需要，可以经由额外的填料施加机构(未示出)提供额外的轻质填充材料，以形成具有高填充材料含量的短切粗纱热塑性复合片材。

可以经由树脂施加器10或经由本文所述的任何其它热塑性树脂施加装置将热塑性树脂施加到轻质填充材料和短切粗纱料片或网上。然后可以使所述材料经受所述系统的其它过程，例如双带压缩机构、烘炉30、冷却机构25、切割机构16等。

尽管本文中的描述通常是指使用未结合的短切粗纱料片或网，但是应理解，在一些情况下，可能希望经由化学方式、机械方式或一些其它方式将短切粗纱偶联在一起。然后可以将热塑性树脂添加到偶联或粘着的短切粗纱料片或网上。

示例性的短切粗纱热塑性复合片材

上述系统可用于制造如上所述的短切粗纱热塑性复合片材。短切粗纱热塑性复合片材可以包括短切粗纱料片或网，或由短切粗纱料片或网组成，其中短切粗纱的平均粗纱长度为1/4英寸至5英寸，并且平均纤维直径为1至30μm。短切粗纱热塑性复合片材还包括浸渍短切粗纱料片或网的热塑性树脂。短切粗纱热塑性复合片材由完全聚合的热塑性树脂构成或组成，如上所述，这意味着短切粗纱热塑性复合片材不包含未聚合的预聚物材料或树脂(例如，单体或低聚物)、B阶材料等。相比之下，热塑性树脂在短切粗纱热塑性复合片材内完全聚合。

短切粗纱热塑性复合片材包含20重量％至80重量％的热塑性树脂，短切粗纱料片或网未经机械结合，并且短切粗纱料片或网不包括将短切粗纱结合或粘着在一起的粘合剂。相比之下，热塑性树脂基质基本上是将短切粗纱在短切粗纱热塑性复合片材内偶联在一起的唯一材料。由于热塑性树脂基质用作短切粗纱的粘合剂，因此当将热塑性树脂加热到高于其熔融温度时，热塑性树脂和短切粗纱能够移动、流动并顺应模具或型腔。换句话说，当对短切粗纱热塑性复合片材进行加热和/或加压处理时，热塑性树脂软化或熔融，这允许将短切粗纱热塑性复合片材成型或形成为复合部件。

参考图5，示出了短切粗纱热塑性复合片材，其可以通过本文所述的系统和/或方法之一形成。短切粗纱热塑性复合片材包括短切粗纱料片或网50，其包括多个短切粗纱51，所述短切粗纱51具有如本文所述的粗纱长度和纤维直径。短切粗纱料片或网包括未经机械或化学结合或偶联的未结合的短切粗纱。而是，短切粗纱料片或网50经由短切粗纱热塑性复合片材内的热塑性树脂基质结合在一起。短切粗纱料片或网50可以包括如本文所述的多种粗纱类型和/或粗纱尺寸，它们均质地或均匀地分散在短切粗纱料片或网50内。短切粗纱51可以包括施胶组合物，该施胶组合物具有促进短切粗纱51与热塑性树脂之间的结合的偶联剂。短切粗纱可以包括以下或由以下组成：玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、金属纤维、陶瓷纤维、纤维素纤维、天然纤维、芳族聚酰胺纤维、无机纤维、聚合物纤维，或它们的组合。在一些情况下，使用化学或机械结合的短切粗纱料片或网50可能是有利的，因此，除非权利要求书中特别说明，否则短切粗纱料片或网50不限于特定构造(即，结合或未结合)。

热塑性树脂浸渍短切粗纱料片或网50。热塑性树脂可以包括以下或由以下组成：聚烯烃，聚丙烯(PP)，高密度聚乙烯(HDPE)，聚酰胺(包括PA6和PA6,6)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，聚碳酸酯(PC)，聚邻苯二甲酰胺(PPA)，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，PC/ABS，热塑性聚氨酯(TPU)，聚苯硫醚(PPS)，缩醛(聚甲醛或POM)树脂，聚乙烯亚胺(PEI)，聚醚醚酮(PEEK)，聚丙烯腈，包括苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)的共聚丙烯腈，或它们的任何组合。短切粗纱热塑性复合片材可以具有基本上任何长度L、宽度W和/或厚度T。短切粗纱热塑性复合片材通常具有0.2mm至10mm的厚度，并且更通常具有0.5mm至3mm的厚度。厚度测量通常使用已知的厚度测量设备(例如卡尺或厚度计)目测确定。

图6示出了另一种短切粗纱热塑性复合片材52，其中短切粗纱料片或网包括第一短切粗纱51a的第一层50a和第二短切粗纱51b的第二层50b。第一短切粗纱51a和第二短切粗纱51b通常是不同的粗纱类型和/或粗纱尺寸。每个粗纱层的组成、每个粗纱层的密度和/或每个粗纱层的厚度可以基于短切粗纱热塑性复合片材的给定应用和/或基于期望的复合性质来选择。第一短切粗纱51a和第二短切粗纱51b除了在第一层50a与第二层50b之间的界面处之外通常不缠结或相互混合。在一些实施方案中，热塑性树脂浸渍第一层50a和第二层50b。

在其它实施方案中，第二层50b可以代表如本文所述被配置为在烘炉内熔融的聚合物纤维层。第一层50a可以代表增强粗纱，其可以包括玻璃纤维、碳纤维等，并且其在烘炉中不熔融或软化。第二层50b的聚合物纤维可以软化或熔融并在第一层50a的增强粗纱内流动。在这样的实施方案中，聚合物纤维可以用作短切粗纱热塑性复合片材的主要热塑性树脂，或者可以用作其中将聚合物纤维与粉末热塑性树脂、熔融树脂和/或热塑性树脂膜一起使用的次要热塑性树脂。第二层50b也可以代表热塑性树脂膜或熔融树脂，其如本文所述位于短切粗纱料片或网(即，第一层50a)的一侧。图6的短切粗纱热塑性复合片材可以包括本文所述的任何短切粗纱或热塑性树脂，并且可以具有如本文所述的厚度。根据需要，短切粗纱料片或网还可以包括短切粗纱的额外层。

图7示出了轻质短切粗纱热塑性复合片材60(下文称为轻质复合片材60)。轻质复合片材60包括短切粗纱料片或网，其包括多个粗纱62，所述粗纱62具有如本文所述的粗纱长度和纤维直径。短切粗纱料片或网包括未结合的短切粗纱62，其未机械地或化学地结合或偶联。而是，短切粗纱料片或网经由热塑性树脂基质在轻质短切粗纱热塑性复合片材内结合在一起。短切粗纱料片或网可以包括如本文所述的多种粗纱类型和/或粗纱尺寸，其均质地或均匀地分散在短切粗纱料片或网内。轻质复合片材60还包括轻质填充材料，其在一个示例性实施方案中包含空心玻璃微球64或由空心玻璃微球64组成。应当认识到，在其它实施方案中，轻质填充材料可以包含以下或由以下组成：珍珠岩或一些其它轻质材料。空心玻璃微球64均质地分散在短切粗纱料片或网内。短切粗纱62和/或空心玻璃微球64可以包括施胶组合物，该施胶组合物具有促进相应材料与热塑性树脂之间的结合的偶联剂。在一些情况下，使用化学地或机械地结合的短切粗纱料片或网可能是有利的，因此，除非在权利要求书中明确叙述，否则短切粗纱料片或网不限于特定的构造(即，结合或未结合)。

热塑性树脂浸渍短切粗纱62和空心玻璃微球64。热塑性树脂可以包含本文所述的任何热塑性树脂材料或由本文所述的任何热塑性树脂材料组成。轻质复合片材60可以具有如本文所述的厚度。轻质复合片材60还可以包括短切粗纱的额外层(未示出)，其根据需要可以包括或可以不包括空心玻璃微球。

图8示出了具有分层构造的轻质复合片材。具体地，轻质复合片材包括第一层61，其包括具有多个如本文所述的短切粗纱62的短切粗纱料片或网。第二层63位于第一层61的顶上。第二层63是空心玻璃微球64的层。第二层63通常仅包括空心玻璃微球64，但是在一些实施方案中，第二层63可以包括空心玻璃微球64和短切粗纱62的组合。在一些实施方案中，第三层(未示出)可以位于第二层63的顶上。第三层可以是与第一层61类似的短切粗纱料片或网。在这样的实施方案中，空心玻璃微球被夹在相对的短切粗纱料片或网层之间。图8的轻质复合片材可包括本文所述的任何短切粗纱、轻质填充材料或热塑性树脂，并且可具有如本文所述的厚度。

图7和图8的轻质复合片材可以具有1.0g/cm³至1.7g/cm³的密度。轻质复合片材可以包含：a)30重量％至80重量％的粗纱材料；b)20重量％至70重量％的热塑性树脂；和c)1重量％至30重量％的轻质填充材料。在优选的实施方案中，轻质复合片材可以包含：a)40重量％至70重量％的粗纱材料；b)30重量％至60重量％的热塑性树脂；和c)2重量％至15重量％的轻质填充材料。

在一些实施方案中，图5-8的短切粗纱热塑性复合片材可以具有在100g/m²至5000g/m²之间的面积重量，和/或可以是辊压产品。短切粗纱热塑性复合片材的面积重量可以通过将复合片材的重量除以复合片材的面积来确定。在其它实施方案中，可以将短切粗纱热塑性复合片材切割成期望的长度和宽度。短切粗纱热塑性复合片材可以随后形成复合部件。例如，可以将一层或多层短切粗纱热塑性复合片材压缩成型为期望的复合部件。用于将短切粗纱热塑性复合片材形成为纤维增强复合制品的示例性技术可以包括将单一复合片材或多个复合片材压缩成型为纤维增强制品。在短切粗纱热塑性复合片材压缩成型以形成最终制品的形状之前，通常使用预热来熔融热塑性树脂。

短切粗纱热塑性复合片材还可以与其它纤维和树脂材料一起用于制成最终的复合制品。例如，可以将短切粗纱热塑性复合片材置于工具或模具的选定部分中，以增强制品和/或在热固性和/或热塑性树脂难以到达的位置提供材料。例如，短切粗纱热塑性复合片材可以应用于反应注塑成型工艺(RIM)、结构反应注塑成型工艺(SRIM)、树脂传递成型工艺(RTM)、真空辅助树脂传递成型工艺(VARTM)、喷涂成型工艺、长丝缠绕工艺和长纤维注塑成型工艺等中使用的模具或叠层的尖角和其它高度结构化区域。短切粗纱热塑性复合片材还可以用作局部增强材料，或在包括LFT(长纤维热塑性塑料)和D-LFT(直接长纤维热塑性塑料)的注塑和压缩成型过程中用于包覆成型(overmolding)。

可以由短切粗纱热塑性复合片材形成的示例性复合产品包括：汽车组件，风力涡轮机叶片组件，建筑和构建组件，电气组件，运动和休闲组件，和/或其它组件。示例性汽车组件包括：驾驶舱，座椅，仪表板，侧梁，底板，底板侧梁，车门饰板，车身板，开口，车身底部，前/后模块，发动机舱，发动机盖，电池托盘，油底壳，发动机罩/引擎盖，挡泥板，扰流板等。

示例性的风力涡轮机叶片组件包括：翼梁帽、壳体、根部插入物等。示例性的建筑和构建组件包括：柱、山墙饰、穹顶、面板、窗户轮廓、梯子栏杆等。示例性的电气组件包括：灯杆、电路板、电接线盒等。示例性的运动和休闲组件包括：高尔夫球杆、高尔夫手推车等。可由短切粗纱热塑性复合片材形成的其它组件包括：用于大众运输、农业设备和拖车/RV的组件，包括乘客座椅、靠背、壁板、地板、用于拖车墙、卡车和拖拉机驾驶室的大面板、公交车车身壳体、货物集装箱等。

在一个实施方案中，基于复合材料的总重量，短切粗纱热塑性复合片材可以包含30重量％至80重量％的纤维状材料和20重量％至70重量％的热塑性树脂。在另一个实施方案中，基于复合材料的总重量，短切粗纱热塑性复合材料可以包含40重量％至70重量％的纤维状材料和30重量％至60重量％的热塑性树脂。

方法

图9示出了形成短切粗纱热塑性复合片材的方法100。在框110，短切粗纱经由纤维施加器分散，该纤维施加器位于双带压制机构的下带的顶上。分散的短切粗纱在下带的顶上形成短切粗纱料片或网。在框120，将热塑性树脂施加至短切粗纱料片或网。在框130，使树脂化的短切粗纱料片或网通过烘炉，该烘炉被配置为在短切粗纱料片或网移动通过烘炉时熔融热塑性树脂。在框140，将短切粗纱料片或网和熔融的热塑性树脂在双带压制机构的下带与上带之间通过，以按压熔融的热塑性树脂和短切粗纱，从而将熔融的热塑性树脂分散在短切粗纱料片或网中，并用熔融的热塑性树脂使短切粗纱料片或网完全饱和。在大多数实施方案中，框130和框140处的步骤同时或几乎同时发生。例如，当短切粗纱料片或网进入烘炉时，在短切粗纱料片或网进入烘炉之前，或短切粗纱料片或网进入烘炉之后不久，短切粗纱料片或网可以在下带与上带之间通过。在其它实施方案中，框130和140处的步骤可以同时发生。

如前所述，所述方法不包括经由纤维缠结装置缠结短切粗纱，并且不包括将粘合剂施加到短切粗纱上。因而，短切粗纱料片或网不是机械结合的，并且不包括粘合剂。短切粗纱热塑性复合片材也基本上不含如本文所述的未聚合的聚合物材料。在一些实施方案中，所述方法还包括在通过双带压制机构按压短切粗纱料片或网和熔融的热塑性树脂之后，使短切粗纱料片或网通过冷却机构。

在一些实施方案中，短切粗纱的分散包括以下或由以下组成：经由位于下带上方的纤维切碎器来切割粗纱。在这样的实施方案中，纤维切碎器经过布置使得当粗纱被切割时，短切粗纱落在下带的顶上并形成短切粗纱料片或网。如本文所述，在通过纤维切碎器切割之后，粗纱不经受将粗纱打开的额外过程。而是，粗纱在被纤维切碎器切割之后保持基本上相同的状态。

经由纤维切碎器切割粗纱可以包括：经由纤维切碎器切割增强粗纱和切割聚合物纤维。在这样的实施方案中，聚合物纤维可以被配置为在烘炉内熔融，并且可以通过经由纤维切碎器切割聚合物纤维来执行将热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上的步骤。因而，不需要单独的树脂施加器，但是可以将其用于向短切粗纱料片或网提供粉末热塑性树脂，或者用于提供热塑性树脂熔体或热塑性膜。当纤维切碎器用于切割聚合物纤维和增强粗纱两者时，纤维切碎器同时切割聚合物纤维和增强粗纱，使得聚合物纤维和增强粗纱落在下带的顶上并形成短切粗纱料片或网。所述方法还可以包括当短切粗纱料片或网移动穿过下带时，经由加热机构加热短切粗纱料片或网。

在一些实施方案中，纤维切碎器是第一纤维切碎器，并且短切粗纱是第一短切粗纱。在这样的实施方案中，所述方法还可以包括经由位于下带上方的第二纤维切碎器切割第二粗纱以形成第二短切粗纱。第二纤维切碎器可以经过布置使得当第二粗纱被切割时，第二短切粗纱落在第一短切粗纱的顶上并且形成分层或混合的短切粗纱料片或网。第二粗纱可以包括聚合物纤维或由聚合物纤维组成，所述聚合物纤维被配置为在烘炉内熔融。聚合物纤维可以在熔融时被分散在第一短切粗纱内，以用热塑性树脂使第一短切粗纱完全饱和。

可以将施胶组合物施加到粗纱上。所述施胶组合物可以具有促进短切粗纱与热塑性树脂之间的结合的偶联剂。在一些实施方案中，所述方法可以包括从辊上退绕织物或非织造毡，并将织物或非织造毡移动到下带的顶上，使得短切粗纱位于织物或非织造毡的上方或下方，并形成分层或混合的短切粗纱料片或网，所述短切粗纱料片或网包括短切粗纱和织物或非织造毡，或由短切粗纱和织物或非织造毡组成。分层或混合的短切粗纱料片或网然后可以经受树脂施加器、双带机构和烘炉的作用，以确保热塑性树脂使分层或混合的短切粗纱料片或网完全饱和，并浸渍分层或混合的短切粗纱料片或网。

在一些实施方案中，作为纤维切碎器的替代或补充，短切粗纱经由纤维散布装置分散。纤维散布装置可以定位在下带上方，并且可以被配置为将预切割的短切粗纱散布在下带的顶上，以形成短切粗纱料片或网。在这样的实施方案中，纤维散布装置可以被配置为散布多种粗纱类型或粗纱尺寸，包括：1)被配置为在烘炉内熔融的聚合物纤维；以及2)增强粗纱。纤维散布装置可以将聚合物纤维和增强粗纱分散在下带的顶上，以形成短切粗纱料片或网。在这样的情况下，纤维散布装置可以兼作纤维施加器和树脂施加器，因此不需要单独的树脂施加器(例如粉末树脂施加器)。在这样的实施方案中，聚合物纤维用作施加到短切粗纱料片或网上的热塑性树脂。替代地，除了经由纤维散布装置散布的聚合物纤维之外，可以使用单独的树脂施加器。

在一些实施方案中，将热塑性树脂施加至短切粗纱料片或网包括经由粉末施加装置将粉末热塑性树脂分散到短切粗纱料片或网上。当短切粗纱料片或网移动通过粉末施加装置时，粉末热塑性树脂分散在短切粗纱料片或网上。热塑性树脂颗粒落入短切粗纱料片或网的短切粗纱之间的间隙中。在另一个实施方案中，将热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上包括从辊上展开热塑性膜，使得热塑性膜形成短切粗纱料片或网的底层、短切粗纱料片或网的顶层、或短切粗纱料片或网的底层和顶层。在又一个实施方案中，将热塑性树脂施加到短切粗纱料片或网上包括将熔融的热塑性树脂片材挤出在短切粗纱料片或网的顶上，或经由纤维切碎器或纤维散布装置将热塑性纤维分散在短切粗纱料片或网的顶上。在一些实施方案中，可以在所述方法中采用一种或多种上述热塑性树脂施加方法，或者可以在所述方法中采用每种施加方法。所述方法还可以包括将短切粗纱热塑性复合材料切成片材。

在一些实施方案中，所述方法另外包括将轻质填充材料施加到短切粗纱料片或网上，使得轻质填充材料分散在短切粗纱料片或网内或在短切粗纱料片或网的第一侧上形成一层。轻质填充材料可以经由位于下带的顶上的填料施加机构施加到短切粗纱料片或网上。当下带和/或短切粗纱料片或网移动通过填料施加机构时，填料施加机构可将轻质填充材料施加在下带的顶上和/或短切粗纱料片或网的顶上。在一个具体的实施方案中，轻质填充材料可以包括空心玻璃微球或由空心玻璃微球组成。

在提供值的范围的情况下，应理解的是，除非上下文另外明确指出，否则也具体公开了在所述范围的上限和下限之间的每个中间值(精确到下限的单位的十分之一)。涵盖了规定范围内的任何规定值或中间值与该规定范围内的任何其它规定值或中间值之间的每个较小范围。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在所述范围内或排除在所述范围外，并且在较小范围内包括任一个、无一个或者两个极限值的每个范围也涵盖在本发明内，受所述范围内的任何明确排除的限制。在所述范围包括一个或两个极限值的情况下，还包括排除那些已包括极限值中的一个或两个的范围。

除非上下文另外明确指出，否则如本文和权利要求书中所使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括多个指示物。因此，例如，对“一种方法”的提及包括多种这样的方法，并且对“玻璃纤维”的提及包括对本领域技术人员已知的一种或多种玻璃纤维及其等同物的提及，等等。为了清楚和理解的目的，现在已经详细描述了本发明。但是，应当理解，在权利要求的范围内可以进行某些改变和修改。

同样，当在本说明书和权利要求书中使用时，词语“包含”和“包括”旨在指定存在所述特征、整数、组件或步骤，但它们并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、组件、步骤、操作或群组。

Claims (42)

1.制造短切粗纱热塑性复合片材的系统，所述系统包括：

双带机构，其包括上带和下带，所述上带位于所述下带的顶上以按压通过所述双带机构的短切粗纱料片或网，并且所述下带的纵向长度显著长于所述上带的纵向长度；

纤维施加器，其位于所述下带上方，使得所述纤维施加器当所述下带在所述纤维施加器下方移动并通过所述纤维施加器时直接将短切粗纱分散到所述下带的顶上，所述短切粗纱被分散到所述下带的顶上以形成所述短切粗纱料片或网；

树脂施加器，其位于所述下带的顶上，所述树脂施加器被配置为将热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网；和

烘炉，其被配置为当所述短切粗纱料片或网和所述热塑性树脂移动通过所述烘炉时将所述热塑性树脂熔融；

其中：

当所述短切粗纱料片或网通过所述烘炉时，所述双带机构按压所述短切粗纱料片或网和熔融的热塑性树脂，使得所述熔融的热塑性树脂分散在所述短切粗纱料片或网内并使所述短切粗纱料片或网饱和；

所述系统不包括缠结所述短切粗纱料片或网的短切粗纱的缠结装置，并且不包括将粘合剂施加至所述短切粗纱的粘合剂施加装置，使得所述短切粗纱料片或网不是机械结合的并且不包括除所述热塑性树脂以外的粘合剂；并且

所述短切粗纱热塑性复合片材基本上不含未聚合的树脂材料；

其中所述纤维施加器和所述树脂施加器彼此紧邻布置，以便在所述下带的顶上同时分散所述短切粗纱和所述热塑性树脂，使得所述热塑性树脂分散在整个所述短切粗纱料片或网中；

其中所述纤维施加器是位于所述下带上方的纤维切碎器，所述纤维切碎器被配置为切割所述粗纱以形成所述短切粗纱料片或网的短切粗纱，所述纤维切碎器被配置为使得当切割所述粗纱时，所述短切粗纱落在所述下带的顶上并形成所述短切粗纱料片或网；以及

其中所述纤维切碎器是第一纤维切碎器并且所述短切粗纱是第一短切粗纱，并且其中所述系统还包括位于所述下带上方的第二纤维切碎器，所述第二纤维切碎器被配置为切割第二粗纱以形成第二短切粗纱，所述第二纤维切碎器被配置为使得当切割所述第二粗纱时，所述第二短切粗纱落在所述第一短切粗纱的顶上并形成分层或混合的短切粗纱料片或网。

2.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括冷却机构，所述冷却机构被配置为，在所述短切粗纱料片或网和所述熔融的热塑性树脂被所述双带压制机构按压之后，冷却所述短切粗纱料片或网。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述短切粗纱包括多种粗纱类型，并且其中所述短切粗纱落在所述下带的顶上，使得所述多种粗纱类型被均匀地分散或混合以形成混合的短切粗纱料片或网。

4.如权利要求3所述的系统，其中：

所述多种粗纱类型包括被配置为在所述烘炉内熔融的聚合物纤维并且还包括增强粗纱；

所述纤维切碎器切割所述聚合物纤维和所述增强粗纱两者，使得所述聚合物纤维和所述增强粗纱落在所述下带的顶上并形成所述短切粗纱料片或网；并且

所述纤维切碎器兼作所述纤维施加器和所述树脂施加器，其中所述聚合物纤维是被施加至所述短切粗纱料片或网的所述热塑性树脂。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述第二粗纱包括聚合物纤维，所述聚合物纤维被配置为在所述烘炉内熔融并且被配置为分散在所述第一短切粗纱内以使所述第一短切粗纱完全饱和。

6.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括辊，围绕该辊布置有织物或非织造毡卷，其中所述系统被配置为从所述辊上退绕所述织物或非织造毡，并使所述织物或非织造毡在所述下带的顶上移动，使得所述短切粗纱位于所述织物或非织造毡的上方并形成包含所述短切粗纱和所述织物或非织造毡的分层或混合的短切粗纱料片或网，其中所述分层或混合的短切粗纱料片或网受到所述树脂施加器、所述双带机构和所述烘炉的作用，使得所述热塑性树脂分散在所述分层或混合的短切粗纱料片或网内并使后者完全饱和。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述纤维施加器是位于所述下带上方的纤维散布装置，所述纤维散布装置被配置为在所述下带的顶上散布预切割的短切粗纱，以形成所述短切粗纱料片或网。

8.如权利要求7所述的系统，其中：

所述纤维散布装置被配置为散布多种粗纱类型的短切粗纱，所述短切粗纱包括被配置为在所述烘炉内熔融的聚合物纤维并且还包括增强粗纱；

所述聚合物纤维和所述增强粗纱落在所述下带的顶上，形成所述短切粗纱料片或网；并且

所述纤维散布装置兼作所述纤维施加器和所述树脂施加器，其中所述聚合物纤维是被施加至所述短切粗纱料片或网的所述热塑性树脂。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述树脂施加器是粉末施加装置，所述粉末施加装置被配置为当所述短切粗纱料片或网移动通过所述粉末施加装置时将粉末热塑性树脂分散到所述短切粗纱料片或网上，使得所述粉末热塑性树脂落在所述短切粗纱料片或网的所述短切粗纱之间的间隙中。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述树脂施加器是卷绕热塑性树脂膜的辊，并且其中通过展开所述热塑性树脂膜将所述热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网，使得所述热塑性树脂膜位于所述短切粗纱料片或网的下方、位于所述短切粗纱料片或网的顶上或位于所述短切粗纱料片或网的下方和顶上。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述树脂施加器是挤出机装置，所述挤出机装置被配置为在所述短切粗纱料片或网的顶上挤出熔融的热塑性树脂片材。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述树脂施加器是纤维切碎器或纤维散布装置，其被配置为将热塑性树脂纤维分散在所述短切粗纱料片或网的顶上或内部。

13.如权利要求1所述的系统，其中所述短切粗纱中的纤维用施胶组合物处理，所述施胶组合物具有促进所述短切粗纱与所述热塑性树脂之间的结合的偶联剂。

14.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括切割机构，所述切割机构将所述短切粗纱热塑性复合片材切割成期望的长度和宽度，所述切割机构位于所述烘炉之后。

15.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括填料施加机构，所述填料施加机构被配置为将填充材料施加至所述短切粗纱料片或网，使得所述填充材料分散在所述短切粗纱料片或网内或在所述短切粗纱料片或网的第一侧上形成层。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述填充材料是轻质填充材料。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述轻质填充材料包括空心玻璃微球。

18.形成短切粗纱热塑性复合片材的方法，所述方法包括：

经由纤维施加器直接将短切粗纱分散到双带压制机构的下带的顶上，在所述下带的顶上形成短切粗纱料片或网；

将热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网；

使所述短切粗纱料片或网通过烘炉，所述烘炉被配置为当所述短切粗纱料片或网移动通过所述烘炉时使所述热塑性树脂熔融；以及

使所述短切粗纱料片或网和所述熔融的热塑性树脂在所述双带压制机构的下带与上带之间通过，以按压所述熔融的热塑性树脂和所述短切粗纱，从而将所述熔融的热塑性树脂分散在所述短切粗纱料片或网中并且用所述熔融的热塑性树脂使所述短切粗纱料片或网完全饱和；

其中：

所述方法不包括经由纤维缠结装置缠结所述短切粗纱，并且不包括将粘合剂施加至所述短切粗纱，使得所述短切粗纱料片或网不是机械结合的并且不包括除所述热塑性树脂以外的粘合剂；并且

所述短切粗纱热塑性复合片材基本上不含未聚合的树脂材料，

其中分散所述短切粗纱包括经由位于所述下带上方的纤维切碎器切割所述粗纱，所述纤维切碎器被配置为使得当切割所述粗纱时，所述短切粗纱落在所述下带的顶上并形成所述短切粗纱料片或网；以及

其中所述纤维切碎器是第一纤维切碎器并且所述短切粗纱是第一短切粗纱，并且其中所述方法还包括经由位于所述下带上方的第二纤维切碎器切割第二粗纱以形成第二短切粗纱，所述第二纤维切碎器被配置为使得当切割所述第二粗纱时，所述第二短切粗纱落在所述第一短切粗纱的顶上并形成分层或混合的短切粗纱料片或网。

19.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括在所述短切粗纱料片或网和所述熔融的热塑性树脂被所述双带压制机构按压之后，使所述短切粗纱料片或网通过冷却机构。

20.如权利要求18所述的方法，其中在所述下带的顶上施加所述热塑性树脂并同时分散所述短切粗纱。

21.如权利要求18所述的方法，其中：

在所述下带的顶上分散所述短切粗纱包括经由所述纤维切碎器切割增强粗纱；

将所述热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网上包括经由所述纤维切碎器切割聚合物纤维，所述聚合物纤维被配置为在所述烘炉内熔融；并且

所述纤维切碎器切割所述聚合物纤维和所述增强粗纱两者，使得所述聚合物纤维和所述增强粗纱落在所述下带的顶上并形成所述短切粗纱料片或网。

22.如权利要求18所述的方法，其中所述第二粗纱包括聚合物纤维，所述聚合物纤维被配置为在所述烘炉内熔融并使所述第一短切粗纱完全饱和。

23.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括使织物或非织造毡从辊上退绕并使所述织物或非织造毡在所述下带的顶上移动，使得所述短切粗纱位于所述织物或非织造毡的上方并形成包含所述短切粗纱和所述织物或非织造毡的分层或混合的短切粗纱料片或网，其中所述分层或混合的短切粗纱料片或网受到所述双带压制机构和所述烘炉的作用，使得热塑性树脂使所述分层或混合的短切粗纱料片或网完全饱和。

24.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括在使所述短切粗纱料片或网通过所述烘炉之前经由加热机构加热所述短切粗纱料片或网。

25.如权利要求18所述的方法，其中所述短切粗纱经由位于所述下带上方的纤维散布装置被分散，所述纤维散布装置被配置为在所述下带的顶上散布预切割的短切粗纱以形成所述短切粗纱料片或网。

26.如权利要求25所述的方法，其中：

所述纤维散布装置被配置为散布多种粗纱类型的短切粗纱，包括：1)被配置为在所述烘炉内熔融的聚合物纤维和2)增强粗纱；

所述纤维散布装置在所述下带的顶上分散所述聚合物纤维和所述增强粗纱以形成所述短切粗纱料片或网；并且

所述纤维散布装置兼作所述纤维施加器和树脂施加器两者，其中所述聚合物纤维是被施加至所述短切粗纱料片或网的所述热塑性树脂。

27.如权利要求18所述的方法，其中将所述热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网包括当所述短切粗纱料片或网移动通过粉末施加装置时经由所述粉末施加装置将粉末热塑性树脂分散到所述短切粗纱料片或网上，使得所述粉末热塑性树脂落在所述短切粗纱料片或网的所述短切粗纱之间的间隙中。

28.如权利要求18所述的方法，其中将热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网包括从辊上展开热塑性树脂膜展，使得所述热塑性树脂膜位于所述短切粗纱料片或网的下方、位于所述短切粗纱料片或网的顶上或位于所述短切粗纱料片或网的下方和顶上。

29.如权利要求18所述的方法，其中将所述热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网包括在所述短切粗纱料片或网的顶上挤出熔融的热塑性树脂片材。

30.如权利要求18所述的方法，其中将所述热塑性树脂施加至所述短切粗纱料片或网包括经由纤维切碎器或纤维散布装置将热塑性纤维分散在所述短切粗纱料片或网的顶上或内部。

31.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括将施胶组合物施加至所述短切粗纱，所述施胶组合物具有促进所述短切粗纱与所述热塑性树脂之间的结合的偶联剂。

32.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括将所述短切粗纱热塑性复合片材切割成期望的长度和宽度。

33.如权利要求18所述的方法，其中所述双带压制机构的所述上带被完全封闭在所述烘炉内。

34.如权利要求18所述的方法，所述方法还包括将填充材料施加至所述短切粗纱料片或网，使得所述填充材料分散在所述短切粗纱料片或网内或在所述短切粗纱料片或网的第一侧上形成层。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述填充材料是轻质填充材料。

36.如权利要求35所述的方法，其中所述轻质填充材料包括空心玻璃微球。

37.一种短切粗纱热塑性复合片材，所述短切粗纱热塑性复合片材包含：

短切粗纱的料片或网，所述短切粗纱具有1/4英寸至5英寸的粗纱长度和1μm至30μm的纤维直径；和

热塑性树脂，所述热塑性树脂使所述短切粗纱的料片或网完全饱和，所述热塑性树脂是完全聚合的热塑性材料；其中：

所述短切粗纱热塑性复合片材包含20重量％至80重量％的所述热塑性树脂；

所述短切粗纱热塑性复合片材基本上不含未聚合的树脂材料；

所述短切粗纱的料片或网不是机械结合的并且不包括除所述热塑性树脂以外的将所述短切粗纱结合或粘着在一起的粘合剂，使得当所述短切粗纱热塑性复合片材被加热到高于所述热塑性树脂的熔融温度时并且当所述短切粗纱热塑性复合片材被压入模具或型腔内时，所述热塑性树脂和所述短切粗纱的料片或网能够流动并顺应所述模具或型腔；

所述短切粗纱的纤维包括施胶组合物，所述施胶组合物具有促进所述短切粗纱与所述热塑性树脂之间的结合的偶联剂，并且

还包含轻质填充材料，所述轻质填充材料分散在所述短切粗纱的料片或网内或者在所述短切粗纱的料片或网的第一侧上形成层，

其中所述短切粗纱的料片或网包括由第一短切粗纱形成的第一层和由第二短切粗纱形成的第二层，并且其中所述第一短切粗纱和所述第二短切粗纱除了在所述第一层与所述第二层之间的界面处之外没有缠结或相互混合。

38.如权利要求37所述的短切粗纱热塑性复合片材，其中所述短切粗纱具有1/2英寸至2英寸的纤维长度。

39.如权利要求37所述的短切粗纱热塑性复合片材，其中所述轻质填充材料包括空心玻璃微球。

40.如权利要求37所述的短切粗纱热塑性复合片材，其中所述短切粗纱的料片或网包括多种粗纱类型，其均质地或均匀地分散在所述短切粗纱的料片或网内并且形成混合的短切粗纱料片或网。

41.如权利要求37所述的短切粗纱热塑性复合片材，其中所述短切粗纱的料片或网具有100g/m2至5000g/m2的面积重量。

42.如权利要求37所述的短切粗纱热塑性复合片材，其中所述短切粗纱热塑性复合片材是辊产品。