TW202033625A - 藉由官能化粒子增強之纖維強化塑膠 - Google Patents

Abstract

一種物質之組成物，其具有浸漬有聚合物之纖維結構，該聚合物具有化學鍵結至該聚合物之經分散官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該聚合物之前驅物相同之基團、或與該前驅物反應之基團中之一者。一種物質之組成物，其具有浸漬有經固化環氧樹脂之纖維結構，該經固化環氧樹脂具有化學鍵結至該經固化環氧樹酯之經分散官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該環氧樹脂相同之基團、或與該環氧樹脂反應之基團中之一者。

Description

藉由官能化粒子增強之纖維強化塑膠

本揭露係關於纖維強化塑膠(fiber reinforced plastic, FRP)，更具體而言係關於藉由官能化材料增強之纖維強化塑膠。

現今纖維強化塑膠(FRP)被廣泛用於製造輕量結構。其等提供每重量計的高機械性質。其等缺點在於其等係昂貴的且僅執行改善機械性質的功能。

由於FRP中有兩部分的材料（纖維與塑膠），兩種不同的方法可降低成本。首先，可增進纖維的機械性質。此主要降低了成本，此係因為其降低達成與具有較高量的纖維強化之FRP相同結果所需的FRP量。然而，目前高強度纖維的成本仍然過高，因此僅利基應用使用其等。使用高強度纖維的成本遠高於使用較少纖維或FRP所節省的成本。因此，此方法並不會於不久的將來運用。

第二種方法是用添加劑來強化塑膠組成，一般藉由將強化添加劑併入樹脂材料中。此方法簡單且具有以相對低的增加成本而提供機械性質之顯著增加的可能性。然而，問題在於纖維之間的添加劑之負載，其限制了可達成的改良。由於環氧樹脂中添加劑的不良分散性，所以目前無法達到具有高負載強化添加劑之FRP。

FRP主要用於結構中作為強勁及勁性支撐材料。具有額外功能性且同時具有高機械性能的FRP不僅具有機械強度，還有新的優勢。使用添加劑亦可達成特定功能，如氣體障壁性質，亦即減少的氣體滲透性、面內導電性、及任何的穿透平面(through-plane)性質。然而，實現這些性能的添加劑通常會降低FRP的特定機械性質。製造同時具有低成本、高強度、及具備額外所欲功能性的FRP需要高負載的添加劑，其無法利用目前技術達成。

根據此處所說明之態樣，提供有一種物質之組成物，其具有浸漬有聚合物之纖維結構，該聚合物具有化學鍵結至該聚合物之經分散官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該聚合物之前驅物相同之基團、或與前驅物反應之基團中之一者。

根據此處所說明之態樣，提供有一種物質之組成物，其具有浸漬有經固化環氧樹脂之纖維結構，該經固化環氧樹脂具有化學鍵結至該經固化環氧樹脂之經分散官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該環氧樹脂相同的基團、或與該環氧樹脂反應之基團中之一者。

此處之實施例將官能化粒子引入纖維強化塑膠(FRP)之塑膠中。塑膠係FRP之最弱部分，且作為將力及裂紋轉移至纖維之纖維的整合件。強化塑膠增強了FRP機械性質。藉由選擇特定功能的粒子，具有增強的機械性質之多官能性FRP變得可達成。

一個實施例包含一種物質之組成物，其具有浸漬有聚合物之纖維結構，該聚合物具有經分散之官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該聚合物之前驅物相同之基團、或與該前驅物反應之基團中之一者。如本文中所使用，與前驅物相同的基團意指與用來形成塑膠的聚合物前驅物相同的材料之官能基。如本文中所使用，用語「與...反應(reactive with)」意指官能基與聚合物前驅物反應，使得該前驅物或該官能基的一些部分被消耗。

官能化粒子可分散於聚合物前驅物中，其允許粒子分散在固化狀態下之整個聚合物，以產生一結構，其中該等粒子係化學鍵結至該聚合物。

如上文所提及，除了機械強化外，官能化粒子實現額外功能性。舉例而言，官能化粒子實現氣體障壁（換言之，減少的氣體滲透性）、面內導電性、及穿透平面功能性中之至少一者。所欲的穿透平面功能性的一個實例係導熱率。

纖維可具有許多結構中之一者。這些包括但不限於：單纖維、纖維束(tow of fiber)、及織物。如本文中所使用，纖維束意指數個纖維的群組，一般以數千計。用語織物可包括具有圖案的織物，其等不限於：單向圖案；平紋；1×1、2×2斜紋粗織；4綜緞斜紋；5綜緞斜紋；8綜緞斜紋圖案；及4×4斜紋粗織。

官能化粒子可係碳粒子、陶瓷粒子；礦物粒子；聚合物粒子；及其組合。碳粒子之實例包括但不限於：石墨；石墨烯；碳奈米管；及富勒烯。玻璃粒子的實例可包括但不限於：二氧化矽；高嶺黏土；膨潤石黏土；伊萊石黏土；綠泥石黏土；以及氧化鋁。聚合物纖維的實例可包括但不限於：線性聚合物；樹枝狀聚合物；分支聚合物；以及共聚物。

該纖維可包含碳纖維、陶瓷纖維、及聚合物纖維。碳纖維的實例可包括但不限於碳纖維及石墨纖維。陶瓷纖維的一實例可包含玻璃纖維。聚合物纖維之實例包括：聚芳醯胺；纖維素纖維；膠原蛋白纖維以及聚合物形狀的纖維。

一個實施例可為一物質之經固化組成物，其具有浸漬有經固化環氧樹脂之纖維，該經固化環氧樹脂具有經分散官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該環氧樹脂相同之基團、或與該環氧樹脂反應之基團中之一者。在此實施例中，該等官能化粒子化學鍵結至該環氧樹脂。以上的所有變化皆適用於此實施例。

其他實施例可包括經固化或可固化聚合物。在一實施例中，該聚合物可為熱塑性塑膠，包括但不限於：聚醚醚酮；聚2,5-呋喃二羧酸乙二酯(polyethylene 2,5-furandicarbonylate)；尼龍；聚醯亞胺；聚對苯二甲酸丁二酯；聚苯硫醚；聚烯烴；以及丙烯腈丁二烯苯乙烯。在一實施例中，該聚合物可為熱固性材料，包括但不限於：環氧樹脂；聚酯；聚胺甲酸酯；硬化彈性體；聚矽氧；及乙烯基酯。

環氧樹酯官能化粒子（X=環氧樹脂）於其中的單組分環氧樹脂系統含有環氧樹酯前驅物、交聯催化劑，諸如包括例如1-乙基-3-甲基咪唑啉二氰胺及預期應用所需的之任何其他添加劑的離子液體。習知的兩部分環氧樹酯黏著劑由部分A（環氧樹脂前驅物材料）、及部分B（硬化劑）組成。硬化劑通常為多官能有機胺。

在一個實施例中，可固化配方包含浸漬有單組分環氧樹酯混合物之纖維，該組分環氧樹酯混合物由分散至環氧樹酯聚合物前驅物中之環氧樹酯官能化粒子組成，其進一步與交聯催化劑或固化起始劑混合，諸如包括例如1-乙基-3-甲基咪唑啉二氰胺之離子液體。

在另一實施例中，一種可固化配方包含浸漬有習知兩部分環氧樹酯黏著劑之纖維，該習知兩部分環氧樹酯黏著劑包含部分A（環氧樹脂前驅物材料）及部分B（硬化劑），而官能化粒子分散於其中。硬化劑通常為多官能有機胺。在此實施例中，官能性粒子含有環氧官能基或胺基官能基。固化係藉由胺基與環氧基之間的反應來起始，此等兩者存在於基底材料中，並且此等存在於該等粒子之表面上。

如先前所討論的，目前方法的限制之一為無法將粒子負載於塑膠。目前的方法通常可僅在整體環氧樹脂中達到約1 wt%的粒子。在此處的方法中，官能化粒子可達到5 wt%的環氧樹脂負載，而仍有明顯的機械性質改善。在一實施例中，聚合物具有至少10 wt%的官能化粒子。

實例1

在未經進一步處理下，使用市售可得的環氧樹脂Fiber Glast 2000（部分A）及2060（部分B）。將不同比率的EFRG添加至Fiber Glast 2000系統中，以製備具有0%、5%、及10%之ERFG重量百分比的樹脂。首先將ERFG分散至前驅物部分A中，然後根據胺與環氧比率與部分B混合至部分A與ERFG中。此混合物係用於浸漬碳纖維。

使用來自Fiber Glast的3K 2×2斜紋粗織碳纖維織物。藉由濕式疊層法(wet layup method)製備碳纖維強化纖維(carbon fiber reinforced fiber, CFRP)。將經浸漬的碳纖維在室溫下填充至真空袋中達5小時，以移除額外樹脂及氣泡。接著將其轉移至100℃下烤箱中達另外5小時，以完成固化環氧樹脂。經固化CFRP係藉由一具備有鑽石刀片之帶鋸切割成所欲形狀。將切割樣品進一步砂磨成所欲尺寸。

根據標準ASTM 3039，以通用測試器測量具有不同EFRG負載之CFRP的機械性質。測試各ERFG濃度之至少8個樣品，包括穿透平面導熱率。表徵結果歸納在下表中。

樣本	純	5% ERFG	10% ERFG
模數(GPa)	51.5	55.1	61.6
強度(MPa)	500.7	536.3	589.2
導熱率(W/m*k)	0.425	0.578	0.677

以含有5 wt% ERFG及10% ERFG之環氧樹脂製成之CFRP在其機械性能及其導熱性方面顯示增加。改良的機械性質係使用強勁且勁性的石墨烯粒子作為環氧樹脂的增強的直接結果。由於石墨烯的導熱率遠高於純環氧樹脂，ERFG負載的增加進一步改善CFRP之整體的穿透平面導熱率。機械性質及熱性質兩者的增加指出ERFG於環氧樹脂中之良好分散。

相較於不含經分散官能化粒子之聚合物，具有經分散官能性粒子之聚合物顯示導熱率改善至少30%；拉伸強度、剪切強度、彈性模數、壓縮強度、及壓縮模數改善至少15%；及氫氣滲透性低50倍。氣體滲透率的改善為若聚合物不具有經分散官能化粒子者之至少2倍。聚合物可係經固化環氧樹脂。

以此方式，可達成具有改善機械性質之FRP。實施例可使用較少纖維或使用較小的FRP結構。所得FRP較強，且亦可實現用於材料的多功能性。藉由添加添加劑，不僅增加層間機械性質，且增加韌性，亦增加強度與模數，其與目前的現有技術不同。此亦可減少材料使用。

Claims (20)

1. 一種物質之組成物，其包含：浸漬有聚合物之纖維結構，該聚合物具有化學鍵結至該聚合物之經分散官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該聚合物之前驅物相同之基團、或與前驅物反應之基團中之一者。
2. 如請求項1之物質之組成物，其中該聚合物具有至少10 wt%的官能化粒子。
3. 如請求項2之物質之組成物，其中當與包含具有聚合物而沒有經分散官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，該等官能化粒子使導熱率改善至少30%。
4. 如請求項2之物質之組成物，其中當與包含具有聚合物而沒有經分散官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，該等官能化粒子使拉伸強度改善至少15%。
5. 如請求項2之物質之組成物，其中當與包含具有聚合物而沒有經分散官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，該官能化粒子使剪切強度、彈性模數、壓縮強度、及壓縮模數改善至少15%。
6. 如請求項2之物質之組成物，其中當與包含具有聚合物而沒有經分散官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，該官能化粒子實現作為氣體障壁至少2倍的改善。
7. 如請求項1之物質之組成物，其中該聚合物包含選自由下列所組成之群組的熱塑性塑膠：聚醚醚酮、聚2,5-呋喃二羧酸乙二酯、尼龍、聚醯亞胺、聚對苯二甲酸丁二酯、聚苯硫醚、聚烯烴、丙烯腈丁二烯苯乙烯。
8. 如請求項1之物質之組成物，其中該聚合物係選自包括下列之群組的熱固性材料：環氧樹酯、聚酯、聚胺甲酸酯、硬化彈性體、聚矽氧、及乙烯基酯。
9. 如請求項1之物質之組成物，其中該纖維結構具有為下列中之一者的形狀：單纖維、纖維束、及具有圖案的織物，該圖案包括但不限於單向圖案、平紋或1×1圖案、2×2斜紋粗織圖案、4綜緞斜紋圖案、5綜緞斜紋圖案、8綜緞斜紋圖案、4×4斜紋粗織圖案。
10. 如請求項1之物質之組成物，其中該等官能化粒子係選自由下列所組成之群組：碳粒子；陶瓷粒子；礦物粒子；聚合物粒子；石墨；石墨烯；碳奈米管；富勒烯；二氧化矽；高嶺黏土；膨潤石黏土；伊萊石黏土；綠泥石黏土；氧化鋁；線性聚合物；樹枝狀聚合物；分支聚合物；共聚物；及其組合。
11. 如請求項1之物質之組成物，其中該纖維結構係選自由下列所組成的群組：碳基纖維；石墨纖維；陶瓷纖維；玻璃纖維；纖維素纖維；膠原蛋白纖維；以及纖維形狀的聚合物。
12. 一種物質之組成物，其包含浸漬有經固化環氧樹脂之纖維結構，該經固化環氧樹脂具有化學鍵結至該經固化環氧樹脂之經分散官能化粒子，其中該等官能化粒子含有與該環氧樹脂相同之基團、或與該環氧樹脂反應之基團中之一者。
13. 如請求項12之物質之組成物，其中該環氧樹脂具有至少10 wt%的官能化粒子。
14. 如請求項13之物質之組成物，其中當與包含具有經固化環氧樹酯而沒有官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，該等官能化粒子使導熱率改善至少30%。
15. 如請求項13之物質之組成物，其中當與包含具有經固化環氧樹酯而沒有官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，其中該等官能化粒子使剪切強度、彈性模數、壓縮強度、及壓縮模數改善至少15%。
16. 如請求項13之物質之組成物，其中當與包含具有經固化環氧樹酯而沒有官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，該等官能化粒子使拉伸強度改善至少15%。
17. 如請求項13之物質之組成物，其中當與包含具有經固化環氧樹酯而沒有官能化粒子之纖維結構的物質之組成物相比時，該等官能化粒子實現作為氣體障壁至少2倍的改善。
18. 如請求項12之物質之組成物，其中該纖維結構具有為下列中之一者的形狀：單纖維、纖維束、及具有圖案的織物，該圖案包括但不限於單向圖案、平紋或1×1圖案、2×2斜紋粗織圖案、4綜緞斜紋圖案、5綜緞斜紋圖案、8綜緞斜紋圖案、4×4斜紋粗織圖案。
19. 如請求項12之物質之組成物，其中該等官能化粒子係選自由下列所組成之群組：碳粒子；陶瓷粒子；聚合物粒子；石墨烯；碳奈米管；富勒烯；二氧化矽；高嶺黏土；膨潤石黏土；伊萊石黏土；綠泥石黏土；氧化鋁；線性聚合物；樹枝狀聚合物；分支聚合物；共聚物；及其組合。
20. 如請求項12之物質之組成物，其中該纖維結構係選自由下列所組成的群組：碳基纖維；石墨纖維；玻璃纖維；陶瓷纖維；聚芳醯胺；纖維素纖維；膠原蛋白纖維；以及纖維形狀的聚合物。