TW201636194A - 多孔性纖維增強複合材料及其製備方法 - Google Patents

多孔性纖維增強複合材料及其製備方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供多孔性纖維增強複合材料，上述多孔性纖維增強複合材料包含第一纖維狀粒子、第二纖維狀粒子以及用於黏結上述第一纖維狀粒子和上述第二纖維狀粒子的黏結材料，上述第一纖維狀粒子和上述第二纖維狀粒子由上述黏結材料進行黏結，來形成包含氣孔的不規則的網格結構，上述第一纖維狀粒子為無機纖維或有機纖維，上述第二纖維狀粒子包含第一熱塑性樹脂，上述黏結材料包含第二熱塑性樹脂，上述第一熱塑性樹脂的熔點高於上述第二熱塑性樹脂的熔點。

Description

多孔性纖維增強複合材料及其製備方法
本發明涉及多孔性纖維增強複合材料及其製備方法。
以往的熱塑性複合原材料包含呈現高的剛性的玻璃纖維或碳纖維等的增強纖維和基體所組成的熱塑性樹脂。這種熱塑性複合原材料與一般熱塑性樹脂材料相比呈現高的機械物性，因而廣泛用作汽車及建築用原材料。以往的熱塑性複合原材料的製備方式主要為在熱塑性樹脂混合增強纖維之後，通過擠壓或模壓工序進行成型的方式，最近為了提高強度和生產率，適用乾式針刺工序或濕式造紙工序來優先製備包含增強纖維的氈形態的原材料，之後通過將樹脂浸漬於氈的方式製備複合原材料。
增強纖維和熱塑性樹脂的複合原材料與熱塑性樹脂相比，增強纖維起到加固材料的作用，因而呈現優秀的機械強度。作為提高增強纖維複合原材料的強度的方法，首先適用提高增強纖維本身的剛性或增加增強纖維的比率的方法，並適用提高增強纖維和熱塑性樹脂之間的結合力的技術。但是，當導入通過濕式或乾式工序製備增強纖維氈的工序時，在通過增強纖維的改性來提高強度方面受限制，因而需要並不是現有的粉末或短纖維類型的、最佳化於製備工序的熱塑性樹脂的改性。並且，在通常的熱塑性樹脂的情況下，具有化學疏水性或比重輕於水，因而在形成氈的過程中，分散性顯著降低，因而難以將纖維狀的熱塑性樹脂適用於濕式造紙工序。並且，熱塑性樹脂起到成型之後，以全部熔融的方式形成基體，並捆綁增強纖維的作用，因而不對強度的提高產生大的影響。
發明所欲解決之問題
本發明的一實例提供可實現機械強度及輕量化的多孔性纖維增強複合材料。
本發明的另一實例提供製備上述多孔性纖維增強複合材料的方法。
解決問題之技術手段
在本發明的一實例中，提供多孔性纖維增強複合材料，上述多孔性纖維增強複合材料包含第一纖維狀粒子、第二纖維狀粒子以及用於黏結上述第一纖維狀粒子和上述第二纖維狀粒子的黏結材料，上述第一纖維狀粒子和上述第二纖維狀粒子由上述黏結材料進行黏結，來形成包含氣孔的不規則的網格結構，上述第一纖維狀粒子為無機纖維或有機纖維，上述第二纖維狀粒子包含第一熱塑性樹脂，上述黏結材料包含第二熱塑性樹脂，上述第一熱塑性樹脂的熔點高於上述第二熱塑性樹脂的熔點。
可由上述黏結材料分別塗敷上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子的一部分或全部，來在上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子的各個粒子表面形成塗敷部，上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子可由形成於各個粒子表面的塗敷部以相互熔敷的方式進行黏結。
上述多孔性纖維增強複合材料可呈薄片形狀，上述薄片內的厚度偏差可以為2mm以下。
上述第一熱塑性樹脂的比重可大於1。
在本發明的另一實例中，提供多孔性纖維增強複合材料的製備方法，上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法包括：在酸性水溶液中分散增強纖維及雙組分聚合物纖維，來製備漿料溶液的步驟；通過濕式造紙工序用上述漿料溶液形成網的步驟；以及對所形成的上述網進行熱處理及乾燥的步驟，上述增強纖維為無機纖維或有機纖維，上述雙組分聚合物纖維包括芯（core）部和鞘（sheath）部，上述芯部包含第一熱塑性樹脂，上述鞘部包含第二熱塑性樹脂，上述第一熱塑性樹脂的熔點高於上述第二熱塑性樹脂的熔點。
在上述對所形成的上述網進行熱處理及乾燥的步驟中，上述鞘部的第二熱塑膠性樹脂可進行熔融來以熱熔敷的方式使上述增強纖維和上述雙組分聚合物纖維相黏結，從而形成包含氣孔的不規則的網格結構。
對照先前技術之功效
上述多孔性纖維增強複合材料既實現如拉伸、彎曲及衝擊強度之類的高的機械強度，又具有低的密度、優秀的絕緣性能及成型性。
以下，詳細說明本發明的實例。但這是作為例示而提出的，本發明並不局限於此，本發明僅根據後述的發明要求保護範圍來定義。
在本發明的一實例中，提供多孔性纖維增強複合材料，上述多孔性纖維增強複合材料包含第一纖維狀粒子、第二纖維狀粒子以及用於黏結上述第一纖維狀粒子和上述第二纖維狀粒子的黏結材料，上述第一纖維狀粒子和上述第二纖維狀粒子由上述黏結材料進行黏結，來形成包含氣孔的不規則的網格結構，上述第一纖維狀粒子為無機纖維或有機纖維，上述第二纖維狀粒子包含第一熱塑性樹脂，上述黏結材料包含第二熱塑性樹脂，上述第一熱塑性樹脂的熔點高於上述第二熱塑性樹脂的熔點。
上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子可由上述黏結材料成分以塗敷一部分或全部的狀態存在。即，上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子在各個粒子表面形成通過上述黏結材料形成的塗敷部。
可由上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子的各個塗敷部進行熔敷，來以不規則的方式將上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子進行黏結。以這種方式黏結的第一纖維狀粒子及第二纖維狀粒子可形成包含氣孔的不規則的網格結構。
上述多孔性纖維增強複合材料包括氣孔結構。通常，混合原料來進行擠壓，並通過模壓工序所製備的複合材料難以形成氣孔結構，相反，在通過後述的多孔性纖維增強複合材料的製備方法來製備的情況下，上述多孔性纖維增強複合材料形成氣孔結構。具體地，上述多孔性纖維增強複合材料的氣孔率可以為約30至約80體積百分比。
圖1為本發明一實例的包含第一纖維狀粒子1、第二纖維狀粒子2及黏結材料3的多孔性纖維增強複合材料10的簡要示意圖。
上述多孔性纖維增強複合材料為既實現如拉伸、彎曲及衝擊強度之類的高的機械強度，又因為密度低而可實現輕量化的材料，因而可有用地適用於需要這種特性的汽車及建築用材料的用途。並且，上述多孔性纖維增強複合材料可滿足需要這種汽車及建築用材料所需的優秀的絕緣性能條件，並具有優秀的成型性。
上述多孔性纖維增強複合材料可通過後述的製備上述多孔性纖維增強複合材料的方法來製備，以這種方式製備的上述多孔性纖維增強複合材料通過均勻分散第一纖維狀粒子及第二纖維狀粒子來製備。
像這樣，若上述第一纖維狀粒子及第二纖維狀粒子均勻分散於樹脂中，則纖維和樹脂之間的結合力變高，從而提高多孔性纖維增強複合材料的強度。
上述多孔性纖維增強複合材料根據以這種方式得知的分散性和強度之間的相關關係，提高第一纖維狀粒子及第二纖維狀粒子（為了便於說明，也稱為“多個纖維狀粒子”）的分散，從而得到提高強度的效果。
若上述多個纖維狀粒子的分散性優秀，則包括薄片的多孔性纖維增強複合材料的薄片內的厚度偏差變低。上述多個纖維狀粒子的分散性越優秀，多個纖維狀粒子凝聚的部分越少，相反，在上述多個纖維狀粒子的分散性下降的情況下，多個纖維狀粒子凝聚在一起。若多個纖維狀粒子凝聚，則相當於其部分的薄片的厚度變高。因此，多個纖維狀粒子的分散性優秀的多孔性纖維增強複合材料的薄片具有規定的厚度。即，多個纖維狀粒子的分散性優秀的多孔性纖維增強複合材料的薄片內的厚度偏差變低。
在一實例中，上述多孔性纖維增強複合材料可呈薄片形狀，薄片內的厚度偏差可以為約2mm以下。
在另一實例中，上述多孔性纖維增強複合材料可呈薄片形狀，薄片內的厚度偏差可以為約0.3mm以下。
上述“薄片內厚度偏差”是指一個薄片所具有的最大厚度和最小厚度的差值。
上述多孔性纖維增強複合材料可先形成為薄片之後，將多張薄片進行層疊及貼合，再將由此得到的結構物用作規定的汽車及建築用材料的用途。
作為確認包含於上述多孔性纖維增強複合材料的多個纖維狀粒子的分散性得到提高的方法，另一例有利用色差計來評價上述多孔性纖維增強複合材料的截面的方法。上述多個纖維狀粒子的分散性越優秀，凝聚的部分就越少，因而更均勻地呈現白色，相反，在上述多個纖維狀粒子的分散性下降的情況下，上述多個纖維狀粒子之間相凝聚而重疊的部分變多，且這種部分呈現更暗的顏色。可利用色差計來評價這種差異。
作為確認包含於上述多孔性纖維增強複合材料的多個纖維狀粒子的分散性得到提高的間接方法有比較強度的方法。若上述多個纖維狀粒子的分散性得到提高，則最終提高上述多孔性纖維增強複合材料的強度，因而能夠以使包含於上述多孔性纖維增強複合材料的第一纖維狀粒子、第二纖維狀粒子及黏結材料的種類及含量等的其他條件規定，而只改變多個纖維狀粒子的分散性的方式，例如，可改變製備方法等來製備之後比較強度。
第一纖維狀粒子及第二纖維狀粒子的分散性越優秀，上述多孔性纖維增強複合材料就如上所述，實現更優秀的機械強度，並由此可實現輕量化。
在上述多孔性纖維增強複合材料中，上述第一纖維狀粒子及上述第二纖維狀粒子可由具有單向取向性的薄片來製備。像這樣，若向上述多孔性纖維增強複合材料的薄片賦予單向取向性，則沿著賦予上述取向性的方向，薄片具有高的機械物性。這種薄片適合作為可向特定方向承受大的力的材料。
上述多孔性纖維增強複合材料包含第一纖維狀粒子及第二纖維狀粒子的兩種增強纖維。上述多孔性纖維增強複合材料一同包含第一纖維狀粒子及第二纖維狀粒子，從而能夠以調節其種類及含量比來優秀地表達規定的特性的方式設計。
例如，作為第一纖維狀粒子使用如玻璃纖維之類的拉伸彈性模量高的物質，並作為第二纖維狀粒子使用由熱塑性樹脂製備的熱塑性纖維，從而還可進一步提高強度，並賦予熱塑性樹脂的彈性。包含第二纖維狀粒子的熱塑性樹脂使用熔點比較高的熱塑性樹脂，因而與僅存在有第一纖維狀粒子的情況相比，還可期待額外的強度的提高。並且，熱塑性纖維與第一纖維狀粒子相比，彈性更優秀，因而針對來自外部的衝擊，可有效地衰減衝擊能量。
並且，包含於上述黏結材料的上述第一熱塑性樹脂的熔點相對低，因而多孔性纖維增強複合材料具有低溫成型性的特性。
在一實例中，上述多孔性纖維增強複合材料中的第一纖維狀粒子的含量和第二纖維狀粒子與黏結材料的含量之和的重量比為約20:80至約60:40，具體地，可以為約30:70至約50:50。第一纖維狀粒子的含量越高，越具有強度優秀的傾向性，但在規定含量水準以上，可降低提高的程度。含量範圍是既有效地確保隨著第一纖維狀粒子的含量的增加的強度的提高效果，又適合取得來自第二纖維狀粒子的效果的含量範圍。
當第二纖維狀粒子和黏結材料通過後述的多孔性纖維增強複合材料的製備方法時，源於雙組分聚合物纖維。因此，在後述的多孔性纖維增強複合材料的製備方法中，可將第一纖維狀粒子和雙組分聚合物纖維的含量調節到上述範圍，來製備具有上述含量比的多孔性纖維增強複合材料。
在另一實例中，相對於100重量份的第二纖維狀粒子，上述多孔性纖維增強複合材料可包含約50重量份至約250重量份的黏結材料。能夠以上述含量比調節第二纖維狀粒子和黏結材料的含量比，來適當地賦予黏結力和彈性，並維持優秀的分散性。
如上所述，在後述的多孔性纖維增強複合材料的製備方法中，可調節雙組分聚合物纖維的芯部和鞘部的含量比，來實現上述第二纖維狀粒子和上述黏結材料的含量比。
上述第一纖維狀粒子可包含選自由玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、碳納米管、硼纖維、金屬纖維及它們的組合組成的組中的至少一種。作為上述金屬纖維的例示，可例舉鎳纖維、鐵纖維、不銹鋼纖維、銅纖維、鋁纖維、銀纖維及金纖維。
具體地，上述第一纖維狀粒子的截面直徑可以為約5μm至約40μm。具有上述範圍的粗度的第一纖維狀粒子可適當地賦予強度，並確保取向性及分散性。包含具有上述範圍的粗度的第一纖維狀粒子的上述多孔性纖維增強複合材料對外部衝擊的耐受力強，當通過後述的上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法製備時，在水溶液內分散第一纖維狀粒子的情況下，在水溶液中具有適當的水刺性（Hydroentangle property），從而可容易形成薄片。
上述第一纖維狀粒子的長度可以為約1mm至約50mm。具有上述範圍的長度的第一纖維狀粒子可適當地賦予強度，並確保取向性及分散性，並且，適當地賦予多個纖維狀粒子之間的結合力來使上述多孔性纖維增強複合材料具有優秀的強度，並防止在纖維過長的情況下，纖維凝聚而使分散性降低的現象，適合形成薄片。
可形成上述第二纖維狀粒子的第一熱塑性樹脂例如可包含選自由聚酯（polyester）、聚丙烯（PP，polypropylene）、聚乙烯（PE，polyethylene）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS，acrylonitrile butadiene styrene）、聚碳酸酯（PC，polycarbonate）、尼龍（nylon）、聚氯乙烯（PVC，polyvinyl chloride）、聚苯乙烯（PS，polystyrene）、聚氨酯（PU，polyurethane）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，polymethylmethacrylate）、聚乳酸（PLA，polylactic acid）、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene）及它們的組合組成的組中的至少一種。可形成上述第二纖維狀粒子的第一熱塑性樹脂例如可以為聚丙烯或聚酯。
可形成上述黏結材料的上述第二熱塑性樹脂可包含選自由聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、尼龍、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚四氟乙烯及它們的組合組成的組中的至少一種。
如上所述，如上述例示，當選擇第一熱塑性樹脂及第二熱塑性樹脂時，需要滿足第一熱塑性樹脂的熔點高於第二熱塑性樹脂的熔點的條件。
並且，可分別選擇第一熱塑性樹脂及第二熱塑性樹脂，以使在後述的多孔性纖維增強複合材料的製備方法中所使用的雙組分聚合物纖維的芯部及鞘部的材料滿足上述條件。
具體地，上述第一熱塑性樹脂的熔點可以為約160℃以上。更具體地，上述第一熱塑性樹脂的熔點可以為約200℃至約400℃。使第一熱塑性樹脂具有上述範圍的熔點，從而當低溫成型時，黏結材料進行熔融之後可維持纖維狀。在上述第一熱塑性樹脂的熔點小於160℃的情況下，為了維持纖維狀，具有如下擔憂：需要過於降低熱成型溫度，或者，以後包含上述第一熱塑性樹脂的上述多孔性纖維增強複合材料的熱穩定性降低，從而導致尺寸的變形或聚合物變質等。並且，有可能與第二熱塑性樹脂的溫度差過於小，從而有可能難以控制成型溫度。
例如，上述第一熱塑性樹脂可以為如聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）之類的聚酯、聚丙烯等。
具體地，上述第二熱塑性樹脂的熔點可小於約200℃。上述黏結材料起到捆綁第一纖維狀粒子和第二纖維狀粒子的作用，並使形成上述黏結材料的上述第二熱塑性樹脂具有比第一熱塑性樹脂低的熔點，從而當選擇具有比較低的熔點的物質時，可在低溫條件下進行熔融，因而可確保低溫成型性。上述黏結材料例如可使用低熔點聚酯、聚丙烯、聚乙烯等。低熔點聚酯在比通常的聚酯低的、約100℃至約140℃之間進行熔融，聚丙烯在約160℃溫度下進行熔融，因而根據所適用的成型溫度可適當選擇低熔點聚酯，具體地可適當選擇低熔點聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚丙烯及聚乙烯等。
在另一實例中，上述第一熱塑性樹脂的比重約高於1。當通過後述的多孔性纖維增強複合材料的製備方法時，在酸性水溶液中分散雙組分聚合物纖維，而只有使用比作為水的比重的1高的比重的原材料，才能提高分散性，並容易形成網狀結構。因而，上述雙組分聚合物纖維的芯部可以為如聚酯之類的比重高於1的熱塑性樹脂。
上述第二纖維狀粒子的截面直徑可以為約5μm至約30μm。具有上述範圍的粗度的第二纖維狀粒子可適當地賦予強度，並確保取向性及分散性。包含具有上述範圍的粗度的第二纖維狀粒子的上述多孔性纖維增強複合材料的強度特性優秀，當通過後述的上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法來製備時，在水溶液內分散第一纖維狀粒子的情況下，在水溶液中具有適當的水刺性(Hydroentangle property)，從而可容易形成薄片。
上述第二纖維狀粒子的長度可以為約1mm至約50mm。具有上述範圍的長度的第二纖維狀粒子可適當地賦予強度，並確保取向性及分散性，並且，適當地賦予多個纖維狀粒子之間的結合力來使上述多孔性纖維增強複合材料具有優秀的強度，並防止在纖維過長的情況下，纖維凝聚而呈繩（rope）狀來使分散性降低的現象，並適合形成薄片。
上述多孔性纖維增強複合材料的氣孔度可以為約30至約80體積百分比，這是通過後述的多孔性纖維增強複合材料的製備方法的各個步驟來取得的多孔性纖維增強複合材料的氣孔度，例如，通過進行加熱和追加的膨脹，上述多孔性纖維增強複合材料的氣孔度可以成為約90體積百分比。
如上所述，上述多孔性纖維增強複合材料形成網格結構，並形成開放的氣孔。可使通過上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法取得的多孔性纖維增強複合材料的氣孔度成為約30至約80體積百分比來維持強度，並實現輕量化，並且，可具有優秀的絕緣性能。
通過上述多孔性纖維增強複合材料的開放的氣孔進入的聲波具有由第二纖維狀粒子的纖維的振動衰減的效果，從而可應用為絕緣原材料。上述多孔性纖維增強複合材料的氣孔度越高，第二纖維狀粒子的含量越高，並且，聲音的波動通過的長度越長，衰減能量的效果就越優秀。就聲音的波動通過的長度而言，例如，即使具有相同的氣孔度，原材料本身的厚度也大，或在氣孔的連接性好的情況下變長。上述多孔性纖維增強複合材料可有用地適用為既具有規定水準的氣孔性，又具有調節第二纖維狀粒子的含量，並一同調節聲音的波動通過的長度來得到提高的絕緣性能的原材料。尤其，第二纖維狀粒子比硬質的第一纖維狀粒子柔軟，因而衰減聲音能量的效果變高，從而有效地作用於絕緣性能的提高。
如上所述，上述多孔性纖維增強複合材料可實現輕量化，具體地，上述多孔性纖維增強複合材料的密度可以為約0.1g/cm3 至 約1.6g/cm3 。
上述多孔性纖維增強複合材料能夠以適合所要適用的用途的形態製備，例如，可製備成薄片。
上述多孔性纖維增強複合材料的薄片能夠以具有適合所要適用的用途的重量的方式製備，上述多孔性纖維增強複合材料例如可由具有約50g/cm2 至約1200g/cm2 的重量的材料製備。
在本發明的另一實例中，提供多孔性纖維增強複合材料的製備方法，上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法包括：在酸性水溶液中分散增強纖維及雙組分聚合物纖維，來製備漿料溶液的步驟；通過濕式造紙工序用上述漿料溶液形成網的步驟；以及對所形成的上述網進行熱處理及乾燥的步驟。
可通過上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法來製備上述的多孔性纖維增強複合材料。
圖2示出了通過上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法對增強纖維4和雙組分聚合物纖維5施加熱和壓力，來製備多孔性纖維增強複合材料20的情況。
上述增強纖維4可以為如上所述的上述第一纖維狀粒子。因此，上述增強纖維4的詳細說明如上述第一纖維狀粒子的說明。如上所述，上述增強纖維4可以為無機纖維或有機纖維。
上述雙組分聚合物纖維5包括芯部5a和鞘部5b，上述芯部5a包含第一熱塑性樹脂，上述鞘部包含第二熱塑性樹脂5b。
上述第一熱塑性樹脂的熔點高於上述第二熱塑性樹脂的熔點。
上述第一熱塑性樹脂及上述第二熱塑性樹脂的詳細說明如上所述。
在上述對所形成的上述網進行熱處理及乾燥的步驟中，上述鞘部的第二熱塑膠性樹脂進行熔融來以熱熔敷的方式使上述增強纖維和上述雙組分聚合物纖維相黏結，從而形成包含氣孔的不規則的網格結構。
上述鞘部的第二熱塑性樹脂以塗敷上述芯部的狀態存在，在上述對所形成的上述網進行熱處理及乾燥的步驟中進行熔融並轉化到上述增強纖維，從而塗敷增強纖維的一部分或全部，固化熔融狀態，並作用為雙組分纖維的芯部及對上述增強纖維進行黏結的黏結材料。
像這樣，上述鞘部作用為黏結材料，因而上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法可不追加使用單獨的黏結材料。
使形成上述雙組分聚合物纖維的鞘部的熱塑性樹脂具有比較低的熔點，從而具有可進行低溫成型的優點。
可通過改變上述雙組分聚合物纖維中的芯部和鞘部的含量，來調節多孔性纖維增強複合材料的氣孔度、轉化到增強纖維的塗敷程度等。
例如，就雙組分聚合物纖維而言，相對於100重量份的上述芯部，上述鞘部的重量可以為約50重量份至250重量份。
就上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法而言，雖然在酸性水溶液中分散由在化學上具有疏水性的熱塑性樹脂製備的雙組分聚合物纖維來製備，但使雙組分聚合物纖維包括芯部和鞘部，並提高芯部的比重，來可使分散性優秀。如上所述，若使上述雙組分聚合物纖維的芯部的比重大於1，則在水溶液中的攪拌過程中，可有效提高分散度。
可使用上述鞘部經表面處理的上述增強纖維及上述雙組分聚合物纖維，來更加提高在酸性水溶液中的分散性，其結果，可製備分散性更優秀的多孔性纖維增強複合材料。
上述增強纖維及上述雙組分聚合物纖維的鞘部的表面處理可通過在表面導入氟基（fluoro group）、羥基（hydroxyl group）、羧基（carboxyl group）及烷基（alkyl group）等的官能團或由塗敷劑塗敷來進行。例如，當製備增強纖維及雙組分聚合物纖維時，通過浸漬工序等，使可與上述增強纖維的表面或上述雙組分聚合物纖維的鞘部發熱表面進行作用來導入上述官能團的表面處理劑和纖維發生反應來進行製備。
具體地，由製備上述增強纖維及上述雙組分聚合物纖維時可使用的表面處理劑或塗敷劑，對上述增強纖維或上述雙組分聚合物纖維進行矽烷（silane）處理，從而可提高纖維之間的結合力，或進行碳化（Carbonization）來提高耐熱性，或進行水解（Hydrolysis）來提高親水性，或進行氧化（Oxidation）來提高水類分散性。
作為表面處理劑，可例舉氟類蠟（例如，PFAO等）、碳氫化合物類蠟及矽類聚合物等。
塗敷劑根據其成分可賦予親水性/疏水性、防水性、阻燃性、不燃性、耐熱性、耐酸性、耐鹼性、耐久性及耐污染性等特性。具體地，作為塗敷劑可使用氟類蠟（例如，PFAO等）、碳氫化合物類蠟等的防水劑和矽類聚合物親和劑（Compatibilizer）等。
根據所要製備的多孔性纖維增強複合材料的目的物性，可調節增強纖維和雙組分聚合物纖維的含量比。
例如，上述增強纖維和上述雙組分聚合物纖維的重量比可以為約20:80至約60:40，具體地，可以為約30:70至約50:50。
具體地，在上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法中，按每1L的上述酸性水溶液，可混合總含量為約0.1g至約10g的上述增強纖維及上述雙組分聚合物纖維。以上述範圍的含量調節上述增強纖維及上述雙組分聚合物纖維的纖維總含量，從而可維持優秀的分散性，來可製備成均勻的厚度的薄片，並且，上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法通過追加的工序，對多個複合材料薄片進行層疊，來以均勻的厚度的預成型板製備，或之後可製備將上述預成型板重新進行膨脹的材料來使用。通過上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法來製備的多孔性纖維增強複合材料可確保源於優秀的分散性的物性。
上述酸性水溶液的pH可以為1至4。可將上述酸性水溶液的pH調節至上述範圍，來防止作為玻璃纖維結構物的二氧化矽（SiO2 ）或氧化鋁（Al2 O3 ）、硼（B2 O5 ）以化學方式分解於強酸，並發生玻璃纖維表面的電荷，從而更加提高分散性。
上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法還可包括對上述漿料溶液進行攪拌的步驟。還執行對上述漿料溶液進行攪拌的步驟，從而可更加提高分散性。
在上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法中，上述對所形成的上述網進行熱處理及乾燥的步驟可在約100至約180℃溫度下執行。上述溫度範圍以雙組分纖維的鞘部開始軟化（Softening）或進行熔融的溫度為基準確定。在上述溫度低於100℃的情況下，難以進行水分乾燥，也不能充分地發生雙組分聚合物纖維（鞘部）的軟化，從而以薄片形狀進行乾燥之後，殘留有水分，或難以具有薄片得到固定的性狀。相反，在上述溫度高於180℃的情況下，雙組分聚合物纖維的鞘部完全被熔融，從而難以從雙組分纖維均勻地轉化為增強纖維。並且，在熔融溫度以上還具有發生雙組分聚合物纖維的鞘部聚合物的變質的擔憂。
適當地調節雙組分聚合物纖維的芯部的截面直徑，並在適當的熱處理溫度下進行熱處理及乾燥，從而能夠以防止雙組分聚合物纖維的芯被熔融，而包含於由纖維狀的粒子製備的多孔性纖維增強複合材料內的方式製備。
在執行上述濕式造紙工序的過程中，在漿料的水溶液內均勻地混合纖維之後，沿著隨著傳送帶移動的網眼形成濕式網（Hydro-entangled web），在纖維跟著上升的過程中賦予傾斜，以使通過如上所述的方式製備的上述薄片可具有取向性。在上述多孔性纖維增強複合材料中，向纖維成分賦予單向的取向性，從而可更加強化對上述單向的強度。因此，上述多孔性纖維增強複合材料能夠以適合所要適用的用途的形態以選擇性地賦予取向性的方式製備。例如，隨著上述第二纖維狀粒子的含量增高，不利於尺寸穩定性方面，因而可使第二纖維狀粒子的含量高，且為了加強穩定性，賦予取向性。
例如，當從流漿箱向傳送帶移送纖維並形成薄片時，在形成薄片的部分賦予傾斜度（inclined web formation）來設計工序，以使纖維與平面傳送帶相比，縱向（MD，Machine direction）躺臥好。方向性能夠以區分為縱向和橫向（CD，Cross direction）的方式進行賦予，與橫向相比，向縱向賦予方向性更容易。
上述漿料溶液還可包含如交聯劑或追加的黏結劑之類的添加劑。
上述交聯劑起到強化增強纖維和雙組分聚合物纖維之間的化學結合力的作用，例如，可使用矽烷類化合物、馬來酸（maleic acid）類化合物等。
相對於100重量份的總纖維（增強纖維和雙組分聚合物纖維之和），上述交聯劑的含量可以為約0至5重量份。
上述追加的黏結劑可使用澱粉、酪蛋白（casein）、聚乙烯醇（PVA，polyvinyl Alcohol）及羧甲基纖維素（CMC，carboxy methyl cellulose）等的水溶性聚合物、聚乙烯、聚丙烯、聚醯胺（polyamide）等乳液類、水泥類、硫酸鈣類黏土（Clay）、矽酸鈉（sodium silicate）、矽酸氧化鋁（alumina silicate）及矽酸鈣（calcium silicate）的無機類化合物等。
相對於100重量份的總纖維（增強纖維和雙組分聚合物纖維之和），上述追加的黏結劑的含量可以為約0至約5重量份。
根據一實例，能夠以如下方式製備上述多孔性纖維增強複合材料。首先，配合增強纖維及雙組分聚合物纖維之後，經配合的纖維在包含添加劑的水溶液中經過攪拌過程之後向可形成網的流漿箱（head box）移送。流漿箱內的漿料通過真空吸氣系統並形成濕式網，通過乾燥機，並以薄片形態製備。為了以後容易進行熱成型，上述薄片的重量可以為每平方米約50g至約600g。乾燥溫度根據鞘部原材料設定成約100℃至約180℃，以使雙組分聚合物纖維的鞘部可起到黏結劑的作用。所製備的薄片形狀的複合原材料根據用途切割之後層疊，並通過熱壓接衝壓以板狀的厚度為約20mm至約80mm的預成型板的形態製備。成型預成型板時的溫度在使用包括低熔點聚酯鞘部的雙組分纖維的情況下，與包括通常的聚丙烯鞘部的雙組分聚合物纖維相比，可在低的溫度下進行成型。以如上所述的方式製備的預成型板可經過追加的成型工序以所需的成型品製備。例如，還可在上述預成型板的上部及下部層疊適合所要適用的用途的材料的薄片來進行熱貼合，並且，加熱其來重新使上述預成型板膨脹之後，接著能夠以成型的方式製備具有最終所需的形狀的成型品。
在一實例中，在上述預成型板的上部及下部層疊外皮材料，並將層疊的薄片在紅外線烘箱中進行升溫來使上述預成型板膨脹之後，向常溫的壓力機移送之後施加壓力來可製備車輛用底蓋。
圖3為示意性地表示根據上述一實例所說明的多孔性纖維增強複合材料的製備方法的圖。
以下，對本發明的實施例及比較例進行記載。但是，以下實施例只是本發明的一實施例，本發明並不局限於以下實施例。
實施例
實施例 1
作為雙組分聚合物纖維，可製備如下纖維，上述纖維中，聚酯芯部和低熔點聚酯鞘部具有50:50的重量比，上述纖維的長度為5mm、厚度為4旦尼爾（denier）（約為20μm的截面直徑），以確保水分散性。作為玻璃纖維，將已塗敷的13μm的截面直徑的玻璃纖維切割成13mm的長度來進行製備，以適合水分散。以40重量份的上述玻璃纖維及60重量份的上述雙組分聚合物纖維的方式進行配合，並在利用鹽酸將PH調節至2的水溶液中，將其攪拌1小時。此時，使玻璃纖維及雙組分聚合物纖維的纖維總量成為每1L水2g。執行濕式造紙工序，以使如此經過攪拌過程的水溶液漿料在流漿箱內通過真空吸入裝置形成網。形成網之後，通過140℃的烘箱乾燥機完全地乾燥水分，從而製備作為薄片的多孔性纖維增強複合材料。經乾燥的上述薄片為120g/m2 ，厚度大致呈現為5mm。層疊10張上述薄片來使克重成為1200g/m2 之後，在170℃溫度下，通過熱壓（Hot press）工序成型為厚度為2.5mm的預成型板。在200℃溫度下，在紅外線（IR）烘箱內，預熱2分鐘來使以這種方式製備的預成型板膨脹，並向常溫的模壓移送之後施加了壓力。此時，所施加的壓力適用作為在模具內防止薄片出來的程度的壓力的100ton/m2 來完成了成型品。
實施例 2
使用在表面特殊進行矽烷塗敷處理的玻璃纖維，以使與聚酯樹脂的結合力得到提高，來代替在實施例1中使用的玻璃纖維，除此之外，以與實施例1相同的方式製備多孔性纖維增強複合材料的薄片之後，接著以與實施例1相同的方法對預成型板進行成型之後，在200℃溫度下，在紅外線烘箱內，預熱2分鐘來進行膨脹，並向常溫的模壓移送之後施加壓力來完成了成型品。
實施例 3
以10重量份的上述玻璃纖維及90重量份的上述雙組分聚合物纖維的方式進行配合，除此之外，以與實施例2相同的方法製備多孔性纖維增強複合材料的薄片之後，接著以與實施例2相同的方法對預成型板進行成型之後，在200℃溫度下，在紅外線烘箱內，預熱2分鐘來進行膨脹，並向常溫的模壓移送之後施加壓力來完成了成型品。
實施例 4
以90重量份的上述玻璃纖維及10重量份的上述雙組分聚合物纖維的方式進行配合，除此之外，以與實施例2相同的方法製備多孔性纖維增強複合材料的薄片之後，接著以與實施例2相同的方法對預成型板進行成型之後，在200℃溫度下，在紅外線烘箱內，預熱2分鐘來進行膨脹，並向常溫的模壓移送之後施加壓力來完成了成型品。
比較例 1
作為玻璃纖維，將已塗敷的13μm的玻璃纖維切割成13mm的長度來進行製備，以適合水分散。以40重量份的上述玻璃纖維及60重量份的聚丙烯纖維的方式進行配合，並在利用鹽酸將PH調節至2的水溶液中，將其攪拌1小時。此時，使玻璃纖維及聚丙烯纖維的纖維總量成為按每1L水2g。執行濕式造紙工序，以使如此經過攪拌過程的水溶液漿料在流漿箱內通過真空吸入裝置形成網。在形成網之後，通過140℃的烘箱乾燥機完全地乾燥水分，從而製備作為薄片的多孔性纖維增強複合材料。經乾燥的上述薄片為120g/m2 ，厚度大致呈現了5mm。層疊10張上述薄片來使克重成為1200g/m2 之後，在170℃溫度下，通過熱壓（Hot press）工序成型為厚度為2.5mm的預成型板。在200℃溫度下，在紅外線（IR）烘箱內，預熱2分鐘來使以這種方式製備的預成型板膨脹，並向常溫的模壓移送之後施加了壓力。此時，所施加的壓力適用作為在模具內防止薄片出來的程度的壓力的100ton/m2 來完成了成型品。
比較例 2
使用在表面特殊進行矽烷塗敷處理的玻璃纖維，以使與聚酯樹脂的結合力得到提高，來代替在比較例1中使用的玻璃纖維，除此之外，以與比較例1相同的方法製備多孔性纖維增強複合材料的薄片之後，接著以與比較例1相同的方法對預成型板進行成型之後，在200℃溫度下，在紅外線烘箱內，預熱2分鐘來進行膨脹，並向常溫的模壓移送之後施加壓力來完成了成型品。
評價
實驗例 1
針對在實施例1-實施例4及比較例1-比較例2中所製備的預成型板比較了機械物性。在常溫條件下，分別將在實施例1-實施例4及比較例1-比較例2中所製備的預成型板放置24小時之後，測定了拉伸強度和彎曲強度。拉伸強度及拉伸彈性模量是將厚度為2mm的樣品以ASTM D638為基準進行了測定，彎曲強度及彎曲彈性模量是將厚度為2.5mm的樣品以ASTM D790為基準進行了測定。
將結果記載於表1中。
表1
確認到與實施例2的玻璃纖維的含量相比，實施例4的玻璃纖維的含量高，但是實施例2的拉伸強度最高。拉伸彈性模量由於玻璃纖維本身所具有的高的拉伸彈性模量值，含量越高，應呈現越高的值，反而實施例2高於實施例4。由此可知玻璃纖維的含量越增加，就越貢獻於強度的提高，但在規定含量以上，不帶來其以上的強度的提高，因而帶來最大機械物性的最適的含量可以為實施例2的玻璃纖維含量的水準。
實驗例 2
針對在實施例1-實施例2及比較例1-比較例2中所製備的預成型板進行了衝擊能量吸收能力相關的評價。在常溫條件下，將在實施例1-實施例2及比較例1-比較例2中所製備的預成型板放置24小時之後實施了落球衝擊試驗。在落球衝擊試驗中，在常溫條件下，將厚度為2mm的樣品以ASTM D3763為基準進行了測定。
將結果記載於表2中。
表2
根據上述表2的結果，與其他條件一同，可對改變雙組分纖維的使用與否的實施例1和比較例1的結果進行對比，同樣，可對實施例2和比較例2的結果進行對比。實施例1與比較例1相比呈現了更優秀的衝擊能量吸收能力，實施例2與比較例2相比呈現了更優秀的衝擊能量吸收能力。
並且，根據上述表2的結果，實施例2呈現了比實施例1更高的衝擊強度值，在實施例2的情況下，因矽烷塗敷，纖維/樹脂之間的結合力得到提高，當在原材料吸收衝擊時，可使衝擊量有效地飛散。這是因為，在表1中實施例2的拉伸彈性模量高，而如此拉伸彈性模量高的材料通常韌性（Toughness）高，從而耐於衝擊的性質優秀。
圖4為比較例1（左側照片）及實施例1（右側照片）的預成型板內部的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。在實施例1中可確認到與玻璃纖維一同，雙組分聚合物纖維的芯部維持纖維狀粒子，相反，在比較例1中可確認到丙烯纖維狀未維持纖維的形態。實施例1的雙組分聚合物纖維的芯部維持纖維狀，因而確認到熱成型之後原材料內的纖維狀粒子的含量與比較例1相比高。
圖5為在實施例1（左側照片）及實施例2（右側照片）的預成型板的斷裂面（拉伸實驗之後）中放大玻璃纖維的截面的電子顯微鏡照片。
在實施例2的情況下，為了提高結合力，使用由矽烷系列的化合物表面處理的玻璃纖維，以使與聚合物的化學親和力得到提高，如圖4所示，確認到成型之後玻璃纖維和聚合物的化學結合力得到提高。可確認到實施例2與實施例1相比，斷裂之後在增強纖維（玻璃纖維）表面亂附著有樹脂（雙組分聚合物纖維的鞘部的樹脂物質），這是因為增強纖維（玻璃纖維）和樹脂進行化學結合。像這樣，在增強纖維和樹脂進行化學結合的情況下，當斷裂時，增強纖維可從樹脂中脫離（拔出），並將產生缺陷（defect）的現象最小化。其結果，與實施例1的情況相比可提高拉伸強度。
以上，對本發明的優選實施例進行了詳細說明說明，但本發明的發明要求保護範圍不局限於此，由本發明所屬技術領域的普通技術人員利用在以下發明要求保護範圍中定義的本發明的基本概念來進行的多種變形及改良方式也屬於本發明的發明要求保護範圍。
1‧‧‧第一纖維狀粒子
2‧‧‧第二纖維狀粒子
3‧‧‧黏結材料
4‧‧‧增強纖維
5‧‧‧雙組分聚合物纖維
5a‧‧‧芯部
5b‧‧‧鞘部
10、20‧‧‧多孔性纖維增強複合材料
圖1為本發明一實例的多孔性纖維增強複合材料的簡要示意圖。 圖2示出了通過上述多孔性纖維增強複合材料的製備方法對增強纖維和雙組分聚合物施加熱和壓力，來製備本發明再一實例的多孔性纖維增強複合材料的情況。 圖3為示意性地表示根據本發明另一實例所說明的多孔性纖維增強複合材料的製備方法的圖。 圖4為實施例1及實施例2的預成型板內部的掃描電子顯微鏡照片。 圖5為在實施例1及實施例2的預成型板的切割面中放大玻璃纖維的截面的掃描電子顯微鏡照片。
1‧‧‧第一纖維狀粒子
2‧‧‧第二纖維狀粒子
3‧‧‧黏結材料
10‧‧‧多孔性纖維增強複合材料

Claims (27)

  1. 一種多孔性纖維增強複合材料，其中， 包含第一纖維狀粒子、第二纖維狀粒子以及用於黏結該第一纖維狀粒子和該第二纖維狀粒子的黏結材料， 該第一纖維狀粒子和該第二纖維狀粒子由該黏結材料進行黏結，來形成包含氣孔的不規則的網格結構， 該第一纖維狀粒子為無機纖維或有機纖維， 該第二纖維狀粒子包含第一熱塑性樹脂， 該黏結材料包含第二熱塑性樹脂， 該第一熱塑性樹脂的熔點高於該第二熱塑性樹脂的熔點。
  2. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，由該黏結材料分別塗敷該第一纖維狀粒子及該第二纖維狀粒子的一部分或全部，來在該第一纖維狀粒子及該第二纖維狀粒子的各個粒子表面形成塗敷部，該第一纖維狀粒子及該第二纖維狀粒子由形成於各個粒子表面的塗敷部以相互熔敷的方式進行黏結。
  3. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該多孔性纖維增強複合材料呈薄片形狀，該薄片內的厚度偏差為2mm以下。
  4. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一纖維狀粒子的含量和該第二纖維狀粒子與該黏結材料的含量之和的重量比為20:80至60:40。
  5. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，相對於100重量份的該第二纖維狀粒子，該黏結材料的重量為50重量份至250重量份。
  6. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一纖維狀粒子及該第二纖維狀粒子具有單向取向性。
  7. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一纖維狀粒子包含選自由玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維、碳納米管、硼纖維、金屬纖維及它們的組合組成的組中的至少一種。
  8. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一纖維狀粒子的截面的直徑為5μm至40μm。
  9. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一纖維狀粒子的長度為1mm至50mm。
  10. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一熱塑性樹脂包含選自由聚酯（polyester）、聚丙烯（polypropylene）、聚乙烯（polyethylene）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene）、聚碳酸酯（polycarbonate）、尼龍（nylon）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride）、聚苯乙烯（polystyrene）、聚氨酯（polyurethane）、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethylmethacrylate）、聚乳酸（polylactic acid）、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene）及它們的組合組成的組中的至少一種。
  11. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第二熱塑性樹脂包含選自由聚酯、聚丙烯、聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、尼龍、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸及聚四氟乙烯及它們的組合組成的組中的至少一種。
  12. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一熱塑性樹脂的熔點為160℃以上。
  13. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第一熱塑性樹脂的比重大於1。
  14. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第二熱塑性樹脂的熔點小於200℃。
  15. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第二纖維狀粒子的截面直徑為5μm至30μm。
  16. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該第二纖維狀粒子的長度為1mm至50mm。
  17. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該多孔性纖維增強複合材料的氣孔度為30至80體積百分比。
  18. 如請求項1之多孔性纖維增強複合材料，其中，該多孔性纖維增強複合材料呈薄片形狀，該多孔性纖維增強複合材料的密度為0.1g/cm3 至1.6g/cm3 。
  19. 如請求項18之多孔性纖維增強複合材料，其中，該薄片的重量為50g/m2 至1200g/m2 。
  20. 一種多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中， 包括： 在酸性水溶液中分散增強纖維及雙組分聚合物纖維，來製備漿料溶液的步驟； 通過濕式造紙工序用該漿料溶液形成網的步驟；以及 對所形成的該網進行熱處理及乾燥的步驟， 該增強纖維為無機纖維或有機纖維， 該雙組分聚合物纖維包括芯（core）部和鞘（sheath）部， 該芯部包含第一熱塑性樹脂，該鞘部包含第二熱塑性樹脂， 該第一熱塑性樹脂的熔點高於該第二熱塑性樹脂的熔點。
  21. 如請求項20之多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中，在該對所形成的該網進行熱處理及乾燥的步驟中，該鞘部的第二熱塑膠性樹脂進行熔融來以熱熔敷的方式使該增強纖維和該雙組分聚合物纖維相黏結，從而形成包含氣孔的不規則的網格結構。
  22. 如請求項20之多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中，該增強纖維和該雙組分聚合物纖維的重量比為20:80至60:40。
  23. 如請求項20之多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中，按每1L的該酸性水溶液，混合總含量為0.1g至10g的該增強纖維及該雙組分聚合物纖維。
  24. 如請求項20之多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中，該酸性水溶液的pH為1至4。
  25. 如請求項20之多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中，還包括對該漿料溶液進行攪拌的步驟。
  26. 如請求項20之多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中，該對所形成的該網進行熱處理及乾燥的步驟在100至180℃溫度下執行。
  27. 如請求項20之多孔性纖維增強複合材料的製備方法，其中，該多孔性纖維增強複合材料呈薄片形狀，該薄片內的厚度偏差為2mm以下。
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