TW202214440A - 複合材料結構之防護殼體及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種複合材料結構之防護殼體之製造方法包括有，提供一第一纖維預浸布及一纖維布，該第一纖維預浸布包含一熱塑性樹脂，該纖維布包含聚酯纖維，該第一纖維預浸布及該纖維布係於一層疊方向上依序層疊，以形成一複合層疊結構；以及利用一模具，將該複合層疊結構設置於該模具中並加熱塑型為一複合材料結構之防護殼體，能提供具有高抗穿刺能力且具有熱塑性樹脂的複合材料結構之防護殼體，以及質量輕、可回收之複合材料結構之防護殼體。

Description

複合材料結構之防護殼體及其製造方法

本發明係與複合材料有關；特別是指一種複合材料結構之防護殼體及其製造方法。

已知樹脂纖維複合材料主要由樹脂及纖維材料組成，樹脂纖維複合材料一般可分為熱固型與熱塑型兩大類，熱固型複合材料之固化反應為不可逆，反之，熱塑型複合材料成型後能經加熱而再次軟化。然熱固性複合材料具有優異的機械性能，例如高強度、質量輕等特性，因而廣泛應用於運動器材、自行車車架、安全帽或頭盔等各式物品。

一般使用熱固性複合材料製造物品時，主要是纖維材料與樹脂結合成為胚料，而後將胚料置入模具，並施以加溫加壓處理，即可將胚料成型製得各式不同形狀的成型品。雖然熱固型複合材料能製造出高強度、質量輕之物品，但熱固型複合材料之原料需低溫保存，且其固化反應為不可逆，進而有難以回收再利用的問題，因此，在環保意識抬頭的當下，如何提供一種能夠兼顧高抗穿刺強度能力、質量輕以及可回收之材料，是亟需解決的問題。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種複合材料結構之防護殼體及其製造方法，能提供具有高抗穿刺能力且具有熱塑性樹脂的複合材料結構之防護殼體。

本發明之目的在於提供一種複合材料結構之防護殼體及其製造方法，能提供質量輕以及可回收之複合材料結構之防護殼體。

緣以達成上述目的，本發明提供的一種複合材料結構之防護殼體，其中，該複合材料結構之防護殼體的厚度為0.6mm以上且包括一第一複合材料層與一第二複合材料層，該第一複合材料層包含一第一纖維與一熱塑性樹脂，該第二複合材料層包含聚酯纖維及一熱塑性樹脂，該第一複合材料層及該第二複合材料層係於一層疊方向上依序層疊。

本發明另提供的一種複合材料結構之防護殼體之製造方法包括有，提供一第一纖維預浸布及一纖維布，該第一纖維預浸布包含一熱塑性樹脂，該纖維布包含聚酯纖維，該第一纖維預浸布及該纖維布係於一層疊方向上依序層疊，以形成一複合層疊結構；以及利用一模具，將該複合層疊結構設置於該模具中並加熱塑型為該複合材料結構之防護殼體。

本發明之效果在於，本發明之複合材料結構之防護殼體係採用熱塑性樹脂塑型形成，因此，本發明之複合材料結構之防護殼體具有可回收重複利用之特性，且根據本發明之製造方法製成之複合材料結構之防護殼體具有高抗穿刺能力以及質量輕之特性，能廣泛應用於例如運動器材、安全帽或護具等不同領域中。

為能更清楚地說明本發明，茲舉數較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖1所示，為本發明一較佳實施例之複合材料結構之防護殼體1之製造方法流程圖。

該複合材料結構之防護殼體1之製造方法包含以下步驟：步驟S01，提供一第一纖維預浸布10、一纖維布20及一第二纖維預浸布30，該第一纖維預浸布10及該第二纖維預浸布30分別包含有熱塑性樹脂及玻璃纖維，該纖維布20則包含聚酯纖維，且該纖維布20之纖維單位面積重（FAW, Fiber Areal Weight）為100 g/m ²~300 g/m ²，選用纖維單位面積重介於100 g/m ²~300 g/m ²之間，是因為當纖維單位面積重大於或等於100 g/m ²時能提供抗較佳的抗穿刺能力，而纖維單位面積重小於或等於300 g/m ²時能提供抗輕量化之成品。所述熱塑性樹脂可以是PC、TPU、PP、PA6等，但不以此為限。於本實施例中，該第一纖維預浸布10及該第二纖維預浸布30是以玻璃纖維為例說明，實務上，不排除該第一纖維預浸布10及該第二纖維預浸布30分別包含碳纖維、玻璃纖維或其組合。再說明的是，於本實施例中，該纖維布20不包含熱塑性樹脂，於其他實施例中，不排除該纖維布20包含熱塑性樹脂。

步驟S02，如圖2所示，該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30係於一層疊方向上依序層疊並加熱壓合，以形成一複合層疊結構2。於本實施例中，步驟S01進一步包含提供一第三纖維預浸布40，步驟S02進一步包含該第三纖維預浸布40於該層疊方向上層疊於該第一纖維預浸布10上，也就是該第三纖維預浸布40、該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30係於一層疊方向上依序層疊，並加熱至150~170度之間後壓合，以形成該複合層疊結構2，實務上，不排除省略加熱至150~170度之間後壓合之步驟。其中該第三纖維預浸布40包含碳纖維及熱塑性樹脂。於其他實施例中也可以不設置該第三纖維預浸布40。

以及步驟S03，利用一模具3，將該複合層疊結構2設置於該模具3中並加熱塑型為該複合材料結構之防護殼體1，進一步說明的是，如圖3至圖4所示，於本實施中，該模具3是以一頭盔成型模具為例說明，將該複合層疊結構2貼於該模具3之模穴表面，並於150~250 ℃之間加熱1~20分鐘，而後將連接一充氣裝置（圖未示）之一充氣袋4移入該模具3之模穴中並進行充氣，使該充氣袋4之外表面施與該複合層疊結構2介於10~15 Kg/cm ²之一壓力，將該複合層疊結構2塑型為該複合材料結構之防護殼體1，最後再經冷卻、取出脫模以形成如圖5所示之以頭盔為例之複合材料結構之防護殼體1，於本實施例中，該模具3是以頭盔成型模具為例說明，於其他實施例中，不排除該模具3為其他類型之模具，藉此以形成不同形狀之複合材料結構之防護殼體。再說明的是，該複合層疊結構2之加熱塑型溫度與時間相關，例如，當熱塑型溫度上升時，可相對縮減加熱時間，以避免纖維布之聚酯纖維產生劣化而減低抗穿刺的能力。此外，於本實施例中，該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30係於該層疊方向上依序層疊並加熱壓合，以形成該複合層疊結構2，實務上，不排除省略將該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30加熱壓合的步驟，而直接將該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30係於該層疊方向上依序層疊後設置於模具中直接進行加熱塑型。

承上所述，藉由將該複合層疊結構2設置於該模具3中並加熱塑型為該複合材料結構之防護殼體1之步驟，該第一纖維預浸布10中以及該第二纖維預浸布30中之熱塑性樹脂經加熱融化而流入該纖維布20中，並包裹住該纖維布20中之聚酯纖維，以形成如圖6至圖7所示之該複合材料結構之防護殼體1，該複合材料結構之防護殼體1包含對應該第一纖維預浸布10之一第一複合材料層101、對應該纖維布20之一第二複合材料層201、對應該第二纖維預浸布30之一第三複合材料層301以及對應該第三纖維預浸布40之一第四複合材料層401，該第一複合材料層101、該第二複合材料層201及該第三複合材料層301係於該層疊方向上依序層疊，該第四複合材料層401於該層疊方向上層疊於該第一複合材料層101上，且該第二複合材料層201位於該第一複合材料層101與該第三複合材料層301之間，於本實施例中，該第一複合材料層101、該第二複合材料層201、該第三複合材料層301及該第四複合材料層401之各層厚度皆為0.2~0.4mm，其中該第一複合材料層101及該第二複合材料層201的厚度D介於0.4mm~0.8mm，例如厚度D可為0.6mm，藉此該複合材料結構之防護殼體1能達到輕薄之效果。

於本實施例中，該第一複合材料層101之第一纖維及該第三複合材料層301之第二纖維是以玻璃纖維為例說明，該第二複合材料層201是以包含聚酯纖維為例說明，實務上，不排除該第一複合材料層101之第一纖維及該第三複合材料層301之第二纖維分別包含碳纖維、玻璃纖維或其組合。

請再配合圖6及7，該第一複合材料層101中之熱塑性樹脂含量百分比大於該第二複合材料層201中之熱塑性樹脂含量百分比，該第三複合材料層301中之熱塑性樹脂含量百分比大於該第二複合材料層201中之熱塑性樹脂含量百分比。進一步說明的是，該第一複合材料層101具有相背對的一第一表面101a及一第一連接面101b，該第三複合材料層301具有相背對的一第二表面301a及一第二連接面301b，該第一複合材料層101之該第一連接面101b與該第三複合材料層301之該第二連接面201b分別連接該第二複合材料層201，其中該複合材料結構之防護殼體1之熱塑性樹脂含量百分比分布是自該第一複合材料層101之該第一表面101a往該第二複合材料層201之內部遞減，該複合材料結構之防護殼體1之熱塑性樹脂含量百分比分布是自該第三複合材料層301之該第二表面301a往該第二複合材料層201之內部遞減，該第一複合材料層101中之熱塑性樹脂含量百分比分介於30%~55%，該第二複合材料層201中之熱塑性樹脂含量百分比分介於0%~55%，該第三複合材料層301中之熱塑性樹脂含量百分比分介於30%~55%。

請配合圖8，於本實施例中，是以該第一複合材料層101中之熱塑性樹脂含量百分比大於該第二複合材料層201中之熱塑性樹脂含量百分比，以及該第三複合材料層301中之熱塑性樹脂含量百分比大於該第二複合材料層201中之熱塑性樹脂含量百分比為例說明，於其他實施中，該第一複合材料層101中之熱塑性樹脂含量百分比也可以是等於該第二複合材料層201中之熱塑性樹脂含量百分比，以及該第三複合材料層301中之熱塑性樹脂含量百分比等於該第二複合材料層201中之熱塑性樹脂含量百分比之分布。

於本實施例中，該步驟S02是以該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30依序層疊以形成該複合層疊結構2為例說明，於其他實施例中，該步驟S02也可以是，將該纖維布20、該第一纖維預浸布10及該第二纖維預浸布30依序層疊以形成該複合層疊結構2，如此一來，該第二複合材料層201、該第一複合材料層101及該第三複合材料層301之熱塑性樹脂含量百分比會形成如圖9或是如圖10所示之分布。

於本實施例中，該步驟S01包含提供該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30為例說明，於其他實施例中，也可以不設置該第二纖維預浸布30，也就是說，步驟S01包含提供該第一纖維預浸布10及該纖維布20，步驟S02包含將該第一纖維預浸布10及該纖維布20於一層疊方向上依序層疊並加熱壓合，以形成一複合層疊結構，以及步驟S03，利用模具3將該複合層疊結構設置於該模具3中並加熱塑型為該複合材料結構之防護殼體，如此一來，該第二複合材料層201、該第一複合材料層101之熱塑性樹脂含量百分比會形成如圖11或是如圖12所示之分布。

續請參閱以下列表1係複合材料結構之防護殼體經穿刺測試所得之數據。請配合圖13及圖14，該穿刺測試是採用針尖半徑為0.5mm以及夾角θ為60度之穿刺工具5進行測試，該穿刺工具5係自該穿刺工具5之針尖距離複合材料結構之防護殼體1A之上表面一第一距離h1之位置，往複合材料結構之防護殼體之上表面的方向下移該第一距離h1加上一第二距離h2之距離進行穿刺測試，其中複合材料結構之防護殼體1A係夾設於一夾具上，藉此，能透過設置於夾具上的感測器記錄複合材料結構之防護殼體之抗穿刺能力。

其中各該複合材料結構之防護殼體中之熱塑性樹脂是採用TPU，以及於模具中加熱塑型之成形時間為 5分鐘，成形溫度為230℃，其中複合材料結構之防護殼體1A、2A、3A、4A、1B、3B、1C、3C是採用第一纖維預浸布、纖維布及第二纖維預浸布製成，且第一纖維預浸布及第二纖維預浸布是採用玻璃纖維材質，而纖維布係分別採用聚酯纖維、克維拉纖維、碳纖維及玻璃纖維，其中複合材料結構之防護殼體1A、3A、1B、3B、1D之纖維布為乾紗，複合材料結構之防護殼體2A、4A、1C、3C之纖維布為預浸布。除此之外，複合材料結構之防護殼體1A、2A、1B、1C、1D於步驟S02中是以該第一纖維預浸布10、該纖維布20及該第二纖維預浸布30依序層疊以形成該複合層疊結構，複合材料結構之防護殼體3A、4A、3B、3C於步驟S02中是以該纖維布20、該第一纖維預浸布10及該第二纖維預浸布30依序層疊以形成該複合層疊結構。

請配合圖15至18為複合材料結構之防護殼體1A、1B、1C、1D之穿刺測試結果照片示例，根據表1之穿刺測試結果顯示，各複合材料結構之防護殼體因纖維布之種類不同而具有不同的抗穿刺性能，其中，纖維布採用不包含熱塑性樹脂之聚酯纖維之複合材料結構之防護殼體1A能獲得最佳之抗穿刺能力，進一步說明的是，本發明之纖維布選用不包含熱塑性樹脂之聚酯纖維，能減少加熱次數，減少纖維布劣化（亦即纖維熔化）的機會。於其他實施例中，若纖維布選用包含熱塑性樹脂之聚酯纖維時，也就是經預浸處理之纖維布時，為了避免纖維布產生劣化而減低抗穿刺的能力，需對應調降塑型時之加熱溫度及時間。再者，纖維布選用聚酯纖維相較於採用克維拉纖維、碳纖維或玻璃纖維，具有韌性佳、重量輕、成本低等優點，因此，可提供良好的抗穿刺能力，同時具有輕量、低成本的防護殼體。

表1

複合材料結構之防護殼體	第一纖維預浸布中的纖維種類	纖維布的纖維種類	第二纖維預浸布中的纖維種類	抗穿刺能力(N)
1A	玻璃纖維	聚酯纖維	玻璃纖維	1001
2A	玻璃纖維	預浸聚酯纖維	玻璃纖維	925
3A	玻璃纖維	聚酯纖維	玻璃纖維	897
4A	玻璃纖維	預浸聚酯纖維	玻璃纖維	935
1B	玻璃纖維	克維拉纖維	玻璃纖維	352
3B	玻璃纖維	克維拉纖維	玻璃纖維	296
1C	玻璃纖維	預浸碳纖維	玻璃纖維	432
3C	玻璃纖維	預浸碳纖維	玻璃纖維	455
1D	玻璃纖維	玻璃纖維	玻璃纖維	266

上述各實施例中複合材料結構之防護殼體是以二層、三層或四層的結構為例說明，於其它實施例中，複合材料結構之防護殼體亦可為五層以上之結構，層數愈多，厚度相對增加，重量及抗穿刺能力亦相對提升。多層的複合材料結構之防護殼體中可具有一層以上的第二複合材料層，而複合材料結構之防護殼體之厚度可達5mm。在權衡重量與抗穿刺能力，厚度亦可採用3mm。當複合材料結構之防護殼體具有第一複合材料層與第二複合材料層二層時，則厚度至少為0.6mm，此厚度使得複合材料結構之防護殼體仍具有挺性且保有抗穿刺能力。

綜上所述，透過本發明之複合材料結構之防護殼體之製造方法能製成複合材料結構之防護殼體，本發明之複合材料結構之防護殼體係採用熱塑性樹脂塑型形成，因此，本發明之複合材料結構之防護殼體具有可回收重複利用之特性，且根據本發明之製造方法製成之複合材料結構之防護殼體具有高抗穿刺能力以及質量輕之特性，能廣泛應用於各式不同領域中。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

［本發明］ S01,S02,S03:步驟 1:複合材料結構之防護殼體 10:第一纖維預浸布 101:第一複合材料層 101a:第一表面 101b:第一連接面 2:複合層疊結構 20:纖維布 201:第二複合材料層 301a:第二表面 301b:第二連接面 3:模具 30:第二纖維預浸布 301:第三複合材料層 4:充氣袋 40:第三纖維預浸布 401:第四複合材料層 5:穿刺工具 1,1A,2A,3A,4A,1B,3B,1C,3C,1D:複合材料結構之防護殼體 D:厚度 θ:夾角 h1:第一距離 h2:第二距離

圖1本發明一較佳實施例之複合材料結構之防護殼體之製作方法的流程圖。 圖2為上述較佳實施例之複合層疊結構的示意圖。 圖3為上述較佳實施例之將複合層疊結構設置於模具中的剖視示意圖。 圖4為上述較佳實施例之將複合層疊結構設置於模具中的剖視示意圖。 圖5為上述較佳實施例之複合材料結構之防護殼體的示意圖。 圖6為圖4之標號A之放大示意圖。 圖7為上述較佳實施例之複合材料結構之防護殼體與樹脂含量百分比關係示意圖。 圖8為另一較佳實施例之複合材料結構之防護殼體與樹脂含量百分比關係示意圖。 圖9為另一較佳實施例之複合材料結構之防護殼體與樹脂含量百分比關係示意圖。 圖10為另一較佳實施例之複合材料結構之防護殼體與樹脂含量百分比關係示意圖。 圖11為另一較佳實施例之複合材料結構之防護殼體與樹脂含量百分比關係示意圖。 圖12為另一較佳實施例之複合材料結構之防護殼體與樹脂含量百分比關係示意圖。 圖13為上述較佳實施例之複合材料結構之防護殼體進行穿刺測試的示意圖。 圖14為上述較佳實施例之複合材料結構之防護殼體進行穿刺測試的示意圖。 圖15為上述較佳實施例之複合材料結構之防護殼體進行穿刺測試後之側視方向及仰視方向的照片。 圖16為複合材料結構之防護殼體進行穿刺測試後之側視及仰視方向的照片。 圖17為複合材料結構之防護殼體進行穿刺測試後之側視及仰視方向的照片。 圖18為複合材料結構之防護殼體進行穿刺測試後之側視及仰視方向的照片。

S01,S02,S03:步驟

Claims (17)

1. 一種複合材料結構之防護殼體，其中，該複合材料結構之防護殼體的厚度為0.6mm以上且包括一第一複合材料層與一第二複合材料層，其中： 該第一複合材料層包含一第一纖維與熱塑性樹脂； 該第二複合材料層包含聚酯纖維及熱塑性樹脂； 該第一複合材料層及該第二複合材料層係於一層疊方向上依序層疊。
2. 如請求項1所述之複合材料結構之防護殼體，該第一複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比大於或等於該第二複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比。
3. 如請求項1所述之複合材料結構之防護殼體，其中該第一複合材料層具有相背對的一第一表面及一第一連接面，該第一複合材料層之該第一連接面連接該第二複合材料層，其中該複合材料結構之熱塑性樹脂含量百分比分布是自該第一複合材料層之該第一表面往該第二複合材料層之內部遞減。
4. 如請求項3所述之複合材料結構之防護殼體，其中該第一複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比分介於30%~55%，該第二複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比分介於0%~55%。
5. 如請求項1所述之複合材料結構之防護殼體，其中該複合材料結構之防護殼體的厚度為0.6~5mm。
6. 如請求項1所述之複合材料結構之防護殼體，其中該第一複合材料層之第一纖維包含碳纖維、玻璃纖維或其組合。
7. 如請求項1所述之複合材料結構之防護殼體，其中該第二複合材料層之纖維單位面積重（FAW, Fiber Areal Weight）為100 g/m ²~300 g/m ²。
8. 一種如請求項1所述複合材料結構之防護殼體之製造方法，包含： 提供一第一纖維預浸布及一纖維布，該第一纖維預浸布包含該第一纖維與熱塑性樹脂，該纖維布包含聚酯纖維，該第一纖維預浸布及該纖維布係於該層疊方向上依序層疊，以形成一複合層疊結構；以及 利用一模具，將該複合層疊結構設置於該模具中並加熱塑型為該複合材料結構之防護殼體。
9. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，該第一複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比大於或等於該第二複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比。
10. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，其中該第一纖維預浸布包含碳纖維、玻璃纖維或其組合。
11. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，其中將該複合層疊結構設置於該模具中之加熱塑型的時間為1~20分鐘，加熱溫度為150~250 ℃。
12. 如請求項8所述之複合材料結構之製造方法，其中該纖維布之纖維單位面積重（FAW, Fiber Areal Weight）為100 g/m ²~300 g/m ²。
13. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，其中該第一複合材料層具有相背對的一第一表面及一第一連接面，該第一複合材料層之該第一連接面連接該第二複合材料層，其中該複合材料結構之熱塑性樹脂含量百分比分布是自該第一複合材料層之該第一表面往該第二複合材料層之內部遞減。
14. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，其中該第一複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比分介於30%~55%，該第二複合材料層中之熱塑性樹脂含量百分比分介於0%~55%。
15. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，其中該複合材料結構之防護殼體的厚度為0.6~5mm。
16. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，其中該纖維布包含熱塑性樹脂。
17. 如請求項8所述之複合材料結構之防護殼體之製造方法，其中該纖維布不包含熱塑性樹脂。

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