CN113710463A - 编织预成型半径填料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及编织半径填料，其包含至少三个碳纱线，其中至少一个碳纱线是连续碳长丝纱线，且至少两个碳纱线互相编织在一起，其中所述至少一个连续碳长丝纱线含有相对于连续碳长丝纱线的纤维重量计1至10重量％的浓度的树脂组合物，且所述半径填料中的树脂总量为相对于半径填料的总纤维重量计小于10重量％，且所述编织半径填料根据公式编织。本发明的另一目的涉及生产所述半径填料的方法和包含所述半径填料的复合材料。

Description

编织预成型半径填料
本公开涉及用于复合结构的编织预成型半径填料(braided preform radiusfiller)、生产这样的编织预成型半径填料的方法和含有编织预成型半径填料的复合材料。
半径填料是已知的并用于各种应用。例如在飞机构造中，半径填料用于不同结构件之间的跨接并且它们填满空洞。
例如在文献US 9,827,710中描述了一种半径填料。该专利的半径填料包括树脂，由此在编织步骤之前或之后加入树脂。根据上述文献的图5，编织干纤维，然后其在树脂浴中润湿，或作为用树脂预浸渍的预浸料纤维提供纤维。因此，在US 9,827,710中，半径填料(radius)中的树脂量高。
在文献US 4,650,229中，公开了包含单向取向纤维的半径填料，所述单向取向纤维包含稳定剂。这些纤维在模具中成型为间隙的形状。
JP 5984933对应于WO 2013/017434。该文献公开了由碳纤维制成并含有第一和第二树脂组合物的纱线。
文献US 2003/0183067涉及一种风洞叶片。对于这种装置，半径填料用于填充该装置的不同部件之间的间隙。该半径填料包含编织套管，以包裹许多单向束。该编织套管包含增粘剂溶液。
因此目标是创造一种编织预成型半径填料，以克服现有技术的缺点。
通过根据权利要求1的半径填料实现该目标。
填料预成型坯是近乎具有最终产品的三维形式的三维干式结构。因此，其是预成型产品。预成型坯与最终产品的区别在于仅在最终产品的制造过程中施加到预成型坯上的树脂量。因此，预成型坯被描述为含有较少树脂的干式结构。术语“较少树脂”是指预成型坯内的树脂总量为相对于预成型坯的总纤维重量计小于15重量％。
根据本发明的整个编织预成型半径填料内的树脂总量为相对于编织预成型半径填料的总纤维重量计小于10重量％。这意味着，该编织预成型半径填料的纤维没有在现有技术的意义上用树脂浸渍(在编织步骤之前和之后都没有)。但是，由于编织步骤，该填料保持其形状而无需另外的树脂材料或套管。此外，在所述至少一个连续碳纱线上或中的少量树脂适用于增强该填料的这种效应。
为清楚起见，根据本公开的编织预成型半径填料不含另外的树脂、制剂或基质材料并包含相对于编织预成型半径填料的总纤维重量计仅小于10重量％的基质材料。因此，该编织预成型半径填料是轻质的并且不需要取决于基质或树脂材料的特殊条件(例如储存条件、寿命边界)。
该编织预成型半径填料根据以下公式编织，由此编织角为至少18°：
编织角α＝反余弦((n(cy)*T(cy))/(A(cy)*d(cy)–n(UD)*T(UD))
其中
n(cy)是碳纱线的数量
T(cy)是碳纱线的以tex计的纤度
A(cy)是以mm2计的碳纱线的横截面积
d(cy)是以g/cm3计的碳纱线的密度
n(UD)是单向取向碳纱线的数量
T(UD)是以tex计的单向取向碳纱线的纤度
这种类型的编织，与包含在要求保护的范围内的树脂组合物的碳纱线相结合，适用于以紧凑的所需方式(compact desired way)固定填料的形状。该填料易于操作并可固定在间隙中。另一方面，树脂量足够低以使该填料在间隙上可灵活适应并在进一步加工步骤中容易被基质浸渗。这意味着，该填料可塑形(例如通过压缩)并可相应地契合间隙。此外，编织预成型填料不影响或轻微影响包含编织预成型填料的组件的机械性质。因此，当计算该组件的机械性质时可无视编织预成型填料的存在。由预浸料坯、粗纱或单向纤维制成的填料就不是这样。
在一个实施方案中，编织角α在18°至50°、20至45°、25°至40°或30至35°的范围内。该角度越大，编织预成型填料对(包含编织预成型填料的)组件的影响越小。
在一个实施方案中，相对于连续碳长丝纱线的纤维重量计1至10重量％的浓度的所述至少一个连续碳长丝纱线的树脂组合物在超过40℃的温度下是粘性的。在这种实施方案中，该树脂组合物在环境温度下不粘，以使编织步骤可毫无问题地进行。优选地，该粘性树脂组合物辅助编织预成型半径填料的固结。在这种实施方案中，由于将编织物加热到超过40℃的温度，经由编织物和粘性树脂组合物实现固结。
在一个实施方案中，树脂总量是该树脂组合物和可能位于碳纤维纱线上的附加树脂组合物的组合。在另一实施方案中，碳纤维纱线不含任何附加树脂组合物，并且树脂总量来源于连续碳长丝纱线的树脂组合物的浓度。
在一个优选实施方案中，该树脂包含第一树脂和第二树脂组合物，其中第一树脂组合物浸渗到所述至少一个连续碳长丝纱线中并且所述至少一个连续碳长丝纱线的长丝至少部分经由第一树脂组合物连接。第二树脂组合物以附着于所述至少一个连续碳长丝纱线的增强纤维长丝的粒子或微滴形式位于所述至少一个连续碳长丝纱线的束外侧。第一树脂组合物由此至少部分连接所述至少一个连续碳长丝纱线的长丝并且确保极好的固结。此外，由于其组成，第一树脂组合物赋予该编织预成型半径填料高尺寸稳定性。高尺寸稳定性能够实现编织预成型半径填料的有利实施方案。由于施加到束外侧的第二树脂组合物，实现了这些在环境温度下不粘并可例如成型为编织预成型半径填料。但是，在提高的温度下，由第二树脂组合物实现高粘性，这样的粘性也导致在冷却后该编织预成型半径填料的结构的高稳定性，甚至在将编织纱线铺设形成半径填料的结构中。当使用具有至少一个包含第一和第二树脂组合物的连续碳纤维的编织预成型半径填料时，不需要用额外的粘合剂材料固定编织预成型半径填料。
在另一实施方案中，第二树脂组合物在环境温度下是固体，在升高的温度下可熔并以相对于所述至少一个连续碳长丝纱线的总重量计0.5至10重量％的浓度存在于束外侧。优选地，所述至少一个连续碳长丝纱线的束外侧的表面的至少50％不含第二树脂组合物。据发现，第二树脂组合物的所示浓度，特别是附着于所述至少一个连续碳长丝纱线的增强纤维长丝的粒子或微滴形式的第二树脂组合物的施加类型，带来具有高柔性和良好悬垂性的纱线，其中束外侧的表面的至少50％不含第二树脂组合物并且其中束内部不含第二树脂组合物。因此表明有利的是，附着于增强纤维长丝的粒子或微滴具有小于300μm的尺寸，如果它们具有20至150μm的平均尺寸，则是特别有利的。因此，编织预成型半径填料可以不同的横截面形状排列并且也可排列到具有不同(和pretentious)形式的空洞中。
在进一步实施方案中，编织预成型半径填料的所述至少一个连续碳长丝纱线的第一树脂组合物以1.1:1.4的重量比H1:H2含有至少两种双酚A表氯醇树脂H1和H2。H1优选具有1850至2400mmol/kg的环氧值和800至1000g/mol的平均分子量Mn并且在环境温度下是固体。H2优选具有5000至5600mmol/kg的环氧值和<700g/mol的平均分子量Mn并且在环境温度下是液体，且所述至少一个连续碳长丝纱线具有相对于所述至少一个连续碳长丝纱线的总重量计0.1至2重量％的第一树脂组合物。优选地，编织预成型半径填料具有相对于编织预成型半径填料的总重量计0.1至2重量％的第一树脂组合物。
在进一步实施方案中，第一树脂组合物进一步含有芳族多羟基醚P1，其具有40至55mg KOH/g的酸值和4000至5000g/mol的平均分子量Mn。发现所述至少一个连续碳长丝纱线的尺寸稳定性受浸渗所述至少一个连续碳长丝纱线的第一树脂组合物影响，其中芳族多羟基醚P1的比例起到主要作用。在一个优选实施方案中，第一树脂组合物因此以0.05至0.8的相对于芳族多羟基醚P1的重量比(H1+H2):P1含有双酚A表氯醇树脂H1和H2。在试验中观察到，低于0.05的重量比可导致提高的纱线磨损。相反，高于0.8的重量比导致纱线具有过低的尺寸稳定性。考虑到一方面尺寸稳定性和另一方面悬垂性，也有利的是，第一树脂组合物以相对于所述至少一个连续碳长丝纱线的总重量计0.4至1.2重量％的浓度存在。
优选地，第二树脂组合物含有至少50重量％的具有480至645mmol/kg的环氧值和2700至4000g/mol的平均分子量Mn的双酚A表氯醇树脂H3、芳族多羟基醚P2、聚酰胺或热塑性聚氨酯树脂或这些化合物的混合物，其中这些化合物具有110至150℃的熔融温度。
在进一步实施方案中，编织预成型半径填料仅包含由连续碳长丝制成的碳纱线。在一个实施方案中，所有连续碳长丝纱线具有上述树脂组合物。在另一实施方案中，编织预成型半径填料也包含至少一个由短纤维和/或切断纤维(不连续纤维)制成的碳纱线。在一个实施方案中，由切断纤维或短纤维制成的碳纱线不具有如上文公开的树脂组合物。因此，该编织预成型半径填料由包含所公开的树脂组合物的连续碳长丝纱线和不含这样的树脂组合物的碳纤维纱线的组合编织而得。
在一个实施方案中，制造编织预成型半径填料以将包含所公开的树脂组合物的连续碳长丝纱线布置在编织预成型半径填料的外壳上，且编织预成型半径填料的芯由碳纱线制成——所述碳纱线由不含树脂组合物的短纤维和/或切断纤维制成。由于这种布置，编织预成型半径填料可容易地契合空洞且第二树脂组合物的微滴通过加热变粘并与空洞接合。编织预成型半径填料在复合材料中的操作变得非常容易。
在一个进一步实施方案中，编织预成型半径填料具有在编织预成型半径填料的芯区域中的包含所公开的树脂组合物的连续碳长丝纱线，且外壳区域由碳纱线制成——所述碳纱线由不含树脂组合物的短纤维和/或切断纤维制成。这样的编织预成型半径填料表现出优异的稳定性。通过加热编织预成型半径填料，第二树脂组合物的微滴变粘并由此更多地改进编织纱线结构。
在另一实施方案中，编织预成型半径填料包含具有如上所述的树脂组合物的连续碳长丝纱线以及不含所述树脂组合物的不连续碳纱线(由切断纤维或短纤维制成)并以这些纱线均匀排列在编织预成型半径填料中的方式编织。
但是，包含连续碳长丝纱线和由短纤维和/或切断纤维制成的碳纱线的组合且所有纱线包含树脂组合物的编织预成型半径填料也是可能的。
在一个实施方案中，编织预成型半径填料具有三角形、正方形、圆柱形或多角形横截面形状。
在一个实施方案中，所述至少一个连续碳长丝纱线包含6000至48,000个长丝，具有400至32,000tex的线密度。
关于包含上述树脂组合物的连续碳长丝纱线，参考欧洲专利申请EP2736691A1，其经此引用并入本文。在第6至15页的树脂复合材料的公开尤其经此引用并入本文。对于所公开的由短纤维或切断纤维制成的碳纱线，也并入关于树脂组合物的参考。
本发明的另一实施方案是生产根据权利要求1的编织预成型半径填料的方法。清楚的是，对编织预成型半径填料公开的所有实施方案也适用于生产编织预成型半径填料的方法。
本发明的再一实施方案涉及包含根据本公开的编织预成型半径填料的复合材料。

Claims (16)

1.编织预成型半径填料，其包含至少三个碳纱线，其中至少一个碳纱线是连续碳长丝纱线且其中所述至少三个碳纱线互相编织在一起，其特征在于所述至少一个连续碳长丝纱线包含相对于连续碳长丝纱线的纤维重量计1至10重量％的浓度的树脂组合物且整个编织预成型半径填料内的树脂总量为相对于编织预成型半径填料的总纤维重量计小于10重量％，且所述编织预成型半径填料仅包含碳纱线，且编织步骤基于以下公式，由此编织角α为至少18°：
编织角α＝反余弦((n(cy)*T(cy))/(A(cy)*d(cy)–n(UD)*T(UD))
其中
n(cy)是碳纱线的数量
T(cy)是碳纱线的以tex计的纤度
A(cy)是以mm2计的碳纱线的横截面积
d(cy)是以g/cm3计的碳纱线的密度
n(UD)是单向取向碳纱线的数量
T(UD)是以tex计的单向取向碳纱线的纤度
2.根据权利要求1的编织预成型半径填料，其中编织角α在20°至45°的范围内。
3.根据权利要求1或2的编织预成型半径填料，其中所述树脂组合物包含第一树脂和第二树脂组合物，其中第一树脂组合物浸渗到所述至少一个连续碳长丝纱线中并且所述至少一个连续碳长丝纱线的长丝至少部分经由第一树脂组合物连接，且第二树脂组合物以附着于所述至少一个连续碳长丝纱线的增强纤维长丝的粒子或微滴形式位于所述至少一个连续碳长丝纱线的束外侧。
4.根据前述权利要求任一项的编织预成型半径填料，其中所有碳纱线是连续碳长丝纱线。
5.根据权利要求1至3的编织预成型半径填料，其中至少一个碳纱线由短纤维和/或切断纤维制成。
6.根据前述权利要求任一项的编织预成型半径填料，其中所有碳纱线含有相对于各碳纱线的纤维重量计1至10重量％的浓度的树脂组合物。
7.根据前述权利要求的至少一项的编织预成型半径填料，其中所述编织预成型半径填料具有三角形、正方形、圆柱形或多角形横截面形状。
8.根据权利要求3的编织预成型半径填料，其中第一树脂组合物以1.1至1.4的重量比H1:H2含有至少两种双酚A表氯醇树脂H1和H2，其中H1具有1850至2400mmol/kg的环氧值和800至1000g/mol的平均分子量Mn并且在环境温度下是固体，且H2具有5000至5600mmol/kg的环氧值和<700g/mol的平均分子量Mn并且在环境温度下是液体，且所述至少一个连续碳长丝纱线具有相对于所述至少一个连续碳长丝纱线的总重量计0.1至2重量％的第一树脂组合物。
9.根据权利要求3或8的编织预成型半径填料，其中第二树脂组合物含有至少50重量％的具有480至645mmol/kg的环氧值和2700至4000g/mol的平均分子量Mn的双酚A表氯醇树脂H3、芳族多羟基醚P2、聚酰胺或热塑性聚氨酯树脂或这些化合物的混合物，其中这些化合物具有110至150℃的熔融温度。
10.根据权利要求3的编织预成型半径填料，其中第二树脂组合物在环境温度下是固体，在升高的温度下可熔并以相对于所述至少一个连续碳长丝纱线的总重量计0.5至10重量％的浓度存在于束外侧，并且其中所述至少一个连续碳长丝纱线的束外侧的表面的至少50％不含第二树脂组合物。
11.根据权利要求3的编织预成型半径填料，其中所述至少一个连续碳长丝纱线的束内部不含第二树脂组合物。
12.根据权利要求3的编织预成型半径填料，其中所述至少三个碳纱线的束内部不含第二树脂组合物。
13.根据权利要求3的编织预成型半径填料，其中第一树脂组合物进一步含有芳族多羟基醚P1，其具有40至55mg KOH/g的酸值和4000至5000g/mol的平均分子量Mn。
14.根据前述权利要求的至少一项的编织预成型半径填料，其中所述至少一个连续碳长丝纱线具有6000至48,000个长丝，具有根据EN ISO2060:1995测得的400至32,000tex的线密度。
15.生产编织预成型半径填料的方法，其中至少三个碳纱线根据权利要求1编织在一起，由此所述至少三个碳纱线的至少一个是连续碳长丝纱线，其特征在于所述至少一个连续碳长丝纱线含有相对于连续碳长丝纱线的纤维重量计1至10重量％的浓度的树脂组合物，且所述半径填料中的树脂总量为相对于半径填料的总纤维重量计小于10重量％。
16.包含根据权利要求1的编织半径填料的复合材料。
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