PL224712B1 - Włóknisty materiał wielowarstwowy i sposób wytwarzania włóknistego materiału wielowarstwowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest włóknisty materiał wielowarstwowy i sposób wytwarzania włóknistego materiału wielowarstwowego.

Włókniste materiały wielowarstwowe, wytwarzane z przędz szklanych, węglowych czy grafitowych, stosowane są zwykle jako preformy przeznaczone do impregnowania żywicą i formowania sztywnych materiałów kompozytowych. Materiały te mogą być następnie stosowane przykładowo do konstrukcji kadłubów łodzi czy pojazdów drogowych.

Sposób wytwarzania materiałów tego typu znany jest przykładowo z patentu amerykańskiego US5809805. Przedstawiono w nim materiał złożony z wielu warstw ułożonych na sobie i przeszytych nawzajem. Każda warstwa składa się z ułożonych równolegle względem siebie nitek, przy czym kierunki ułożenia nitek w kolejnych warstwach różnią się od siebie, przykładowo nitki w poszczególnych warstwach ułożone są pod kątami +45°, 90° lub -45°, a pomiędzy takimi warstwami znajdują się warstwy nitek ułożonych pod kątem 0°. W zależności od potrzeb, dobiera się ciężar i grubość nitek w poszczególnych warstwach, jak również procentowy udział nitek określonego rodzaju w danej warstwie. Pozwala to na kształtowanie właściwości wytrzymałościowych materiału. Wielowarstwowy materiał wytwarza się na maszynie wyposażonej w pas zamknięty, wzdłuż pasa umieszczone są stanowiska nakładania kolejnych warstw materiału. Przykładowo, na pierwszym stanowisku nakłada się nitki ułożone równolegle względem siebie pod kątem 45°, na kolejnym stanowisku na pierwszą warstwę nitek nakłada się nitki ułożone równolegle względem siebie pod kątem 90°, na kolejnym stanowisku na pierwsze dwie warstwy nakłada się kolejną warstwę ułożonych równolegle względem siebie nitek itd.

Tak ułożone warstwy mogą zostać nawzajem zszyte, korzystnie ściegiem zygzakowym, jak zostało to przedstawione w japońskim zgłoszeniu patentowym JP 2002227068A.

Opracowano różnego rodzaju modyfikacje materiałów wielowarstwowych takich jak opisano powyżej.

Przykładowo, z amerykańskiego opisu patentowego US 7794640 znany jest materiał wielowarstwowy, którego warstwy zszyte są nicią która jest topliwa, przez co polepsza się związanie warstw między sobą.

Z kolei w amerykańskim opisie patentowym US5445693 przedstawiono materiał składający się z wielu warstw równoległych względem siebie nitek, przy czym pomiędzy warstwami umieszcza się płaskie wstęgi jednorodnego materiału termoplastycznego.

Opisane powyżej materiały wykazują wysoką odporność kierunkową w kierunkach zgodnych z ułożeniem nitek w poszczególnych warstwach. Jednak ze względu na duże różnice w kierunkach ułożenia nitek w sąsiednich warstwach, materiały te są słabo odporne na zginanie i w przypadku nadmiernego wygięcia mogą ulec delaminacji. Wynika to z niewielkiej rozciągłości nitek takich jak nitki szklane czy węglowe, stosowanych zwykle w tych materiałach. W przypadku dużego wygięcia materiału, nitki jednej warstwy mogą ulec większym odkształceniom niż nitki sąsiedniej warstwy, sąsiadującej z nią pod dużym kątem, przykładowo 45° lub 90°. Delaminacja poprzez rozwarstwienie i odspojenie od siebie warstw będących w bezpośrednim kontakcie prowadzi bezpośrednio do znacznego zmniejszenia właściwości wytrzymałościowych materiału, a większości zastosowań stanowi zaczątek destruncji.

Celowym byłoby opracowanie włóknistego materiału wielowarstwowego o zwiększonej odporności na delaminację i sposobu wytwarzania takiego materiału.

Przedmiotem wynalazku jest włóknisty materiał wielowarstwowy zawierający wiele warstw równoległych nitek, przy czym każda z warstw równoległych nitek zawiera nitki ciągłe ułożone ró wnolegle względem siebie w danej warstwie pod kątem innym niż kąt ułożenia nitek w sąsiednich warstwach równoległych nitek, charakteryzujący się tym, że pomiędzy co najmniej dwoma warstwami równoległych nitek znajduje się warstwa nieuporządkowanych nitek, zawierająca nitki o dł ugości krótszej niż najmniejszy wymiar (s) płaszczyzny głównej warstwy i ułożone względem siebie pod różnymi kątami.

Korzystnie, wszystkie warstwy równoległych nitek są od siebie oddzielone warstwą nieuporządkowanych nitek.

Korzystnie, co najmniej dwie warstwy nieuporządkowanych nitek różnią się między sobą ilością nitek, grubością nitek i/lub gęstością nasypową nitek.

Korzystnie, nitki co najmniej jednej warstwy równoległych nitek są przeplecione z nitkami sąsiadującej z nią warstwy nieuporządkowanych nitek.

PL 224 712 B1

Przedmiotem wynalazku jest ponadto sposób wytwarzania włóknistego materiału wielowarstwowego, w którym układa się kolejno na sobie warstwy równoległych nitek, przy czym każda z warstw równoległych nitek zawiera nitki ciągłe ułożone równolegle względem siebie w danej warstwie pod kątem innym niż kąt ułożenia nitek w sąsiednich warstwach równoległych nitek, charakteryzujący się tym, że przed ułożeniem co najmniej jednej kolejnej warstwy równoległych nitek na ułożoną uprzednio warstwę równoległych nitek nasypuje się nieuporządkowane nitki o długości krótszej niż najmniejszy wymiar (s) płaszczyzny głównej warstwy, tworząc warstwę nieuporządkowanych nitek, po czym wszystkie warstwy ściska się ze sobą.

Korzystnie, warstwę nieuporządkowanych nitek nasypuje się pomiędzy każdą z warstw równoległych nitek.

Korzystnie, dla co najmniej dwóch warstw nieuporządkowanych nitek dobiera się nitki w innej ilości, o innej grubości i/lub o innej gęstości nasypowej.

Korzystnie, nitki w warstwie układanej przed warstwą nieuporządkowanych nitek układa się stosując odstępy między nitkami równe co najmniej grubości nitek zastosowanych w układanej na niej warstwie nieuporządkowanych nitek.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie strukturę materiału wielowarstwowego według wynalazku. Materiał włóknisty ma postać wstęgi, w której odsłonięte zostały kolejne warstwy. Materiał składa się z wielu warstw 11, 12, 13, 14 równoległych nitek, przy czym każda z warstw równoległych nitek zawiera nitki ciągłe ułożone równolegle względem siebie w danej warstwie pod kątem innym niż kąt ułożenia nitek w sąsiednich warstwach równoległych nitek. Nitki warstw 11, 12, 13, 14 mogą być pasmami jedno- lub wielofilamentowymi. W przedstawionym przykładzie nitki warstwy 11 ułożone są pod kątem 0°, nitki warstwy 12 ułożone są pod kątem -45°, nitki warstwy 13 ułożone są pod kątem +45° a nitki warstwy 14 ułożone są pod kątem 0°. Pomiędzy każdą z warstw 11, 13, 14 równoległych nitek znajduje się odpowiednio jedna warstwa 21, 22, 23 nieuporządkowanych nitek. Nitki warstw 21, 22, 23 mogą być pasmami jedno- lub wielofilamentowymi. Każda warstwa 21, 22, 23 nieuporządkowanych nitek zawiera nitki 31 o długości krótszej niż najmniejszy wymiar s płaszczyzny głó wnej warstwy (w przedstawionym przykładzie s to szerokość wstęgi) i ułożone względem siebie pod różnymi kątami. Warstwy 21,22, 23 nieuporządkowanych nitek nie muszą być stosowane pomiędzy wszystkimi warstwami 11, 12, 13, 14, wskazane jest jednak aby były stosowane przede wszystkim pomiędzy tymi warstwami, które są najbardziej podatne na delaminację podczas nadmiernego zg inania materiału. Wówczas warstwa 21, 22, 23 nieuporządkowanych nitek stanowi strefę buforową która dodatkowo wzmacnia matrycę.

Materiał wytwarza się w ten sposób, że po nałożeniu danej warstwy 11, 12, 14 równoległych nitek nasypuje się na nią nieuporządkowane nitki 31, tworząc warstwę 21, 22, 23 nitek nieuporządkowanych, po czym nakłada się na nią kolejną warstwę.

Po ułożeniu wszystkich warstw cały materiał może zostać sprasowany i przeszyty, tak aby związać ze sobą wszystkie warstwy.

Właściwości materiału można kształtować poprzez odpowiedni dobór parametrów nitek stosowanych w warstwach nieuporządkowanych 21, 22, 23. Warstwy 21, 22, 23 mogą mieć takie same lub różne parametry, przykładowo mogą różnić się między sobą ilością nitek, grubością nitek i/lub gęstością nasypową nitek.

Szczególnie korzystny efekt uzyskuje się, gdy zastosuje się odstępy pomiędzy nitkami warstwy 11, 12, 13, 14 równoległych nitek, korzystnie odstępy równe co najmniej szerokości nitek 31 warstwy nieuporządkowanej. Wówczas część nitek 31 nasypanych na warstwę 11, 12, 13, 14 równoległych nitek częściowo wpada w odstępy pomiędzy nitkami równoległymi, przez co przeplata się z tymi nitkami po sprasowaniu, tworząc strukturę zbliżoną do struktury tkaniny, o zwiększonej wytrzymałości.

Claims (8)

1. Włóknisty materiał wielowarstwowy zawierający wiele warstw równoległych nitek, przy czym każda z warstw równoległych nitek zawiera nitki ciągłe ułożone równolegle względem siebie w danej warstwie pod kątem innym niż kąt ułożenia nitek w sąsiednich warstwach równoległych nitek, znamienny tym, że pomiędzy co najmniej dwoma warstwami (11, 12, 13, 14) równoległych nitek znajduje

PL 224 712 B1 się warstwa (21, 22, 23) nieuporządkowanych nitek, zawierająca nitki (31) o długości krótszej niż najmniejszy wymiar (s) płaszczyzny głównej warstwy i ułożone względem siebie pod różnymi kątami.

2. Włóknisty materiał wielowarstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wszystkie warstwy (11, 12, 13, 14) równoległych nitek są od siebie oddzielone warstwą (21, 22, 23) nieuporządkowanych nitek.

3. Włóknisty materiał wielowarstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej dwie warstwy (21, 22, 23) nieuporządkowanych nitek różnią się między sobą ilością nitek, grubością nitek i/lub gęstością nasypową nitek.

4. Włóknisty materiał wielowarstwowy według zastrz. 1, znamienny tym, że nitki (31) co najmniej jednej warstwy (11, 12, 13, 14) równoległych nitek są przeplecione z nitkami sąsiadującej z nią warstwy (21,22, 23, 24) nieuporządkowanych nitek.

5. Sposób wytwarzania włóknistego materiału wielowarstwowego, w którym układa się kolejno na sobie warstwy równoległych nitek, przy czym każda z warstw równoległych nitek zawiera nitki ciągłe ułożone równolegle względem siebie w danej warstwie pod kątem innym niż kąt ułożenia nitek w sąsiednich warstwach równoległych nitek, znamienny tym, że przed ułożeniem co najmniej jednej kolejnej warstwy równoległych nitek (11, 12, 13, 14) na ułożoną uprzednio warstwę równoległych nitek (11, 12, 13, 14) nasypuje się nieuporządkowane nitki (31) o długości krótszej niż najmniejszy wymiar (s) płaszczyzny głównej warstwy, tworząc warstwę nieuporządkowanych nitek (21, 22, 23), po czym wszystkie warstwy (11, 12, 13, 14; 21,22, 23) ściska się ze sobą.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że warstwę (21,22, 23) nieuporządkowanych nitek nasypuje się pomiędzy każdą z warstw (11, 12, 13, 14) równoległych nitek.

7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że dla co najmniej dwóch warstw (21,22, 23) nieuporządkowanych nitek dobiera się nitki (31) w innej ilości, o innej grubości i/lub o innej gęstości nasypowej.

8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że nitki w warstwie układanej przed warstwą nieuporządkowanych nitek (21, 22, 23) układa się stosując odstępy między nitkami równe co najmniej grubości nitek zastosowanych w układanej na niej warstwie (21,22, 23) nieuporządkowanych nitek.