TW202216825A - 含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法及以該複合材料所製成之物品 - Google Patents

Abstract

本發明所提供之複合材料加工方法，係將多元醇與異氰酸脂於室溫下預聚合為第一預聚物，再將熱固型樹脂與該第一預聚物於室溫下預聚合為第二預聚物，並以該第二預聚物作為基材而與該回收短碳纖維混合為混合物後，再經壓製而成為板狀之第一中間物體，該第一中間物體乃可作為複合材料以供物品之製造者。

Description

含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法及以該複合材料所製成之物品

本發明係與複合材料有關，特別是關於一種含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法及以該複合材料所製成之物品。

以樹脂為基材來與碳纖維等補強材料透過如手積法、預浸材疊層、樹脂轉注成型、模壓成型、纏繞成型、拉擠成型、熱壓成型或射出成型等諸多的不同加工方法進行加工，獲得以樹脂等高分子基材與碳纖維補強材之複合材料者，固屬被應用於諸多不同技術領域中的先前技術。

因碳纖維在強度的補強上具有其特定的方向性，因此，為增加碳纖維對於複合材料所提供的強度，通常係透過預先定位纖維之走向，以達到所擬取得的強化效果，為達成此一目的，可被有序排列的呈長線般之連續碳纖維構造即屬必要。

是以，將碳纖維作為補強材料使用之習知技術中，因未被使用而受裁切成為廢料的短碳纖，由於其長短不一且纖維走向難以被控制，欠缺回收再利用之經濟效益，而成為事業廢棄物，造成浪費。

因此，本發明之主要目的即係在提供一種複合材料之加工方法，其係以回收之短碳纖維作為補強材，而與高分子基材共同地被加工成為可供利用的複合材料。

緣是，為達成上述目的，本發明所提供之複合材料加工方法，係將多元醇與異氰酸脂於室溫下預聚合為第一預聚物，再將熱固型樹脂與該第一預聚物於室溫下預聚合為第二預聚物，並以該第二預聚物作為基材而與該回收短碳纖維混合為混合物後，再經壓製而成為板狀之第一中間物體者。

其中，多元醇係選自聚丙二醇、聚氧乙基聚氧基甘油醚、聚四氫呋喃二醇及其任一組合，異氰酸脂為二苯基甲烷二異氰酸酯，熱固型樹脂為雙酚A型環氧樹脂(DGEBA)、雙酚F型環氧樹脂(DGEBF)或雙酚A型乙烯基樹脂(Vinyl Ester Resin)  ，回收短碳纖維維平均長度介於6 mm至24 mm之間。

作為該第一預聚物原料之該多元醇與該異氰酸脂在混合時之混合當量比例係為1:2，並可添加微量之催化劑進行混合。

該第二預聚物則得以該熱固型樹脂與該第一預聚物於混合時以介於75:25至95:5之重量百分比例迅速地進行混合。

而為便於該第二預聚物與該回收短碳纖維之混合，係可在該第二預聚物與該回收短碳纖維混合前，將催化劑與消泡劑混合於該第二預聚物後再進行，再該第二預聚物與該回收短碳纖維之混合。

回收短碳纖維之存在型態係可為棉絮狀，並於與該第二預聚物進行混合時，對其施加物理上之作用力，使之受撕裂並與該第二預聚物之間形成均勻浸漬的狀態，以令彼此混合為均勻之混合物。

其中，該回收短碳纖維棉絮與該第二預聚物之混合重量百分比例係介於60:40至50:50之間。

為提高該第一中間物體的板體完整程度，係在該混合物進行壓製前，先使該混合物之表面微熟成，以提高壓製後的板體表面完整程度。

被成型為板片狀之該第一中間物體即可與其他呈片狀之複合材料進進行疊層，再經由習知之加工成型方法進行加工以獲得最終之成品者，藉此即可有效地將原為事業廢棄物之回收短碳纖維加以回收再利用，從而可避免資源之浪費。

在本發明一較佳實施例中所提供之複合材料加工方法，其主要係在提供可有效再利用回收短碳纖維作為可再使用之複合材料原料的加工方法，以及以含有回收短碳纖維之複合材料所製成之物品。

該含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法係包含有下述之步驟：

a.將多元醇(Polyol)與異氰酸脂(Isocyanate)以1:2之當量比例，並添加微量催化劑後，於室溫及大氣環境下進行攪拌，待其反應並有熱能之釋出時，即停止攪拌之程序，以獲得趨近於同質狀態之第一預聚物。其中，多元醇可為但不限於聚丙二醇、聚氧乙基聚氧基甘油醚或聚四氫呋喃二醇等任其中一者或其混合物，異氰酸脂可為但不限於二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）單體或是已經預聚合成之封閉端異氰酸脂預聚體的產物，第一預聚物可為但不限於以聚丙二醇與二苯基甲烷二異氰酸酯所合成封閉端異氰酸脂預聚體。此外，在此程序中，當異氰酸脂過量時，易造成過多的結構用樹脂提早反應，使得黏度大幅上升，而不易於纖維布等基材上加工。前述催化劑為所屬技術領域中具通常知識者熟知，故在此不多加說明。

b.將熱固型樹脂(Thermosetting Resin)與該第一預聚物以介於75:25至95:5間之重量百分比例進行混合，並在室溫及大氣環境下進行攪拌，並在伴隨有熱能釋出之反應時間約3至10分鐘之時程中，使攪拌持續進行，待攪拌完成後即可獲得一第二預聚物；

其中，熱固型樹脂可為但不限於雙酚A型環氧樹脂(DGEBA)、雙酚F型環氧樹脂(DGEBF)、雙酚A型乙烯基樹脂(Vinyl Ester Resin)或其他經反應所合成之擁有羥基(-OH)的熱固型樹脂，而關於擁有羥基(-OH)的熱固型樹脂乃本發明所屬通常知識者所熟知，並為教科書或工具書之類文獻中習知或普遍使用之資訊，故不再贅言；

其中，為對該第二預聚物進行適當之改質，係可於攪拌前之混合時，添加適當量的奈米級填充物，例如二氧化矽、碳黑、奈米碳管、氧化矽等，亦可添入特定顏色之色膏進行色澤之調整，惟是等改質手段乃屬習知技術所既已公開者，於此遂不擬對之再為冗言；

再者，為使該第二預聚物在後續之加工易於被利用，係可進一步且可選擇地將適當量之催化劑、消泡劑或硬化劑添加至該第二預聚物中，並快速地於室溫及大氣環境下進行攪拌約1至3分鐘，待該第二預聚物之表面產生急速消泡現象時後再靜置約5至10分鐘即可將該第二預聚物作為複合材料之基材進行後續之加工。其中，催化劑的添加比例組合係根據第二預聚物的當量來調整，以本例來說，第二預聚物為乙烯基樹脂，其與催化劑之間的重量百分比例為100:1至100:2，用以調整產品之硬度與耐熱度。第二預聚物與硬化劑之間的重量百分比例為100:1至100:2。舉例來說，當熱固型樹脂為乙烯基樹脂時，係添加有消泡劑及催化劑；而當熱固型樹脂為雙酚A型環氧樹脂或雙酚F型環氧樹脂時，則添加消泡劑、有硬化劑和催化劑。其中，催化劑可為但不限於氧化催化劑，具體來說，以雙酚A型乙烯基樹脂所使用之催化劑，可為但不限於過氧化苯甲酸叔丁基脂(TBPB)或過氧化-2-乙基已叔丁脂(TBPEH)。以雙酚A型環氧樹脂與雙酚F型環氧樹脂所使用之催化劑，可為但不限於2-乙基-4-甲基咪唑等環氧用咪唑催化劑。以雙酚A型環氧樹脂與雙酚F型環氧樹脂所使用之硬化劑，可為但不限於聚醚氨(PEA)等脂肪氨、二氨基二苯碸(DDS)等芳香氨、或四氫酞酐(THPA)等酸酐類的催化劑。

再者，於本例中，第二預聚物與消泡劑之間的重量百分比例為100:1。消泡劑可為但不限於礦物油、殊水性多元醇或疏水性固體顆粒，其中，礦物油通常由載體及活性劑組成，載體為水或脂肪醇等具低表面張力的物質，用來承載和稀釋，活性劑為蠟、脂肪族酰胺或脂肪等，用來是抑制和消除泡沫。疏水固體顆粒會吸引氣泡的疏水端，使氣泡產生親水性並進入水相，以使氣泡破滅，且前述疏水固體顆粒為所屬技術領域中具通常知識者熟知，故在此不多加其他說明。

此外，為了提高加工便利性，除了添加消泡劑外，還可在加入稀釋劑，其中，第二預聚物與稀釋劑之間的重量百分比例為100:5至100:10，且稀釋劑可為但不限於苯乙烯、變性改質苯乙烯或丁二醇甘油醚，在本例中，以雙酚A型乙烯基樹脂所使用之稀釋劑為苯乙烯或變性改質苯乙烯等反應型自由基稀釋劑。以雙酚A型環氧樹脂與雙酚F型環氧樹脂所使用之稀釋劑為丁二醇甘油醚等反應型環氧稀釋劑。c.將回收短碳纖維與於b步驟中經消泡及硬化之該第二預聚物以介於60:40至50:50之重量百分比例置入攪拌筒內進行攪拌混合成為一混合物，其中，該回收短碳纖維係可為棉絮狀之回收短碳纖維棉絮(Recycled Carbon Fiber)，該回收短碳纖維的平均長度介於6 mm至24 mm之間，可藉由該攪拌筒在慢速攪拌時，對該回收短碳纖維棉絮施所施加之物理上作用力，令糾結如棉絮狀之回收短碳纖維得以被撕裂，意即由於外力作用於回收短碳纖維上，使回收短碳纖維處於高應力集中的狀態，進而使回收短碳纖維逐漸形成切口，並隨之延伸至回收短碳纖維根部，而將回收短碳纖維一根根纖維絲撕離破壞。接著，使回收短碳纖維與該第二預聚物之間呈均勻浸漬(impreganation)狀態，其中，均勻浸漬狀態係指回收短碳纖維係浸泡在該第二預聚物中，使該第二預聚物能附著並包覆回收短碳纖維，以確保回收短碳纖維得以均勻地分布在該第二預聚物中；此外，該回收短碳纖維還可直接與該第二預聚物混合，以作為填充材，無須再經由外力作用將其撕裂或粉碎等作業。

另外，亦可透過調整該回收短碳纖維之回收程度，亦即於該回收短碳纖維中添加非回收之短碳纖維或其他補強纖維，以調整纖維表面特性，達到提供不同補強程度之效果者。

d.將該c步驟中混合完成之該混合物，自該攪拌筒中倒出至適當之承載平面上，例如於平板或輸送帶上所舖置之離型紙上，再於該混合物之表面上施加強風氣流，使該混合物之表面微熟成，繼之再對表面些微固化之該混合物以油壓平板或高壓滾輪重覆地壓製，以獲得呈平片軟板狀之第一中間物體。

e.將一連續纖維織布以該b步驟中經消泡及硬化之該第二預聚物以介於40:60至50:50之重量百分比例，進行浸潤以獲得一第二中間物體，且為確保該連續纖維織布被完整地浸潤於該第二預聚物中，係可進一步利用適當之加壓手段，使該第二預聚物滲入纖維束中，而該加壓手段係可為利用刷具進行刷塗，或經由高壓噴刷後再以刮刀或高壓滾輪將該第二預聚物壓入纖維束中，從而確保纖維布之完全浸潤狀態，連續纖維布完全浸潤於該第二預聚物中之該第二中間物體，係可被置於大氣中進行熟成；其中，該連續纖維織布之纖維原料除可為碳纖維外，亦可為玻璃纖維布、克維拉布或聚乙烯布等，端視產品之需求而定，並無加以限制之必要。

f.將該第二中間物體與該第一中間物體依據產品之需求進行疊層，其可為如圖1所示般，由該第二中間物體形成第二層(2)，而以該第一中間物體形成第一層(1)之雙層構造， 或可如圖2所示般，由該第二中間物體與該第一中間物體彼此交錯疊置形成三層以上之多層構造，而其中，各層本身之厚度則可由自身疊合之層數多寡加以調整改變，並且可在進行疊層之前，先依據模具形狀大小與重量設計進行形狀之裁切後，再進行疊層；

疊層完成後之疊層物體即可被置入模具中，以壓縮成型之習知加工方法進行高溫高壓之壓鑄成型，以獲得模製成型後的成品。

而如圖3及圖4所示作為鞋材元件的鋼頭(3)，即係為依據上開加工方法所製成之成品例子，其中，當該f步驟中之疊層構造係如圖1所示之雙層構造時，以之所成型之鋼頭，係可令該第二層在鋼頭之曲面外側，而該第一層則於曲面內側，以獲得具有保護效果且兼具耐用性之鋼頭成品者；相對的，當該f步驟中之疊層構造為如圖2所示之多層構造時，以之所成型之鋼頭，即可令位於最外表面的之第一層(1a)(1b)位於鋼頭的曲面外側與內側，從而得獲得具有該第一中間物體表面形狀特殊外觀，且兼具有保護效果與耐用性之鋼頭成品。

(1)(1a)(1b):第一層              (2):第二層                  (3):鋼頭

圖1係本發明一較佳實施例之一疊層示意圖。 圖2係本發明一較佳實施例之另一疊層示意圖。 圖3係以本發明一較佳實施例所揭方法製成之鋼頭鞋材元件之一立體圖。 圖4係以本發明一較佳實施例所揭方法製成之鋼頭鞋材元件之另一視角之立體圖。

Claims (12)

1. 一種含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，包含有下述步驟： a.將多元醇(Polyol)與異氰酸脂(Isocyanate)於室溫下預聚合為第一預聚物；其中，多元醇係選自聚丙二醇、聚氧乙基聚氧基甘油醚、聚四氫呋喃二醇及其任一組合，異氰酸脂為二苯基甲烷二異氰酸酯； b.將熱固型樹脂(Thermosetting Resin)與該第一預聚物於室溫下預聚合為第二預聚物；其中，熱固型樹脂為雙酚A型環氧樹脂(DGEBA)、雙酚F型環氧樹脂(DGEBF)或雙酚A型乙烯基樹脂(Vinyl Ester Resin)； c.將回收短碳纖維維與該第二預聚物混合為一混合物；其中，回收短碳纖維維平均長度介於6 mm至24 mm之間； d.將該混合物壓製為板狀之第一中間物體。
2. 如請求項1所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，於該a步驟中，該多元醇與該異氰酸脂之混合當量比例係為1:2。
3. 如請求項1所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，於該b步驟中該熱固型樹脂與該第一預聚物之混合重量百分比例係介於75:25至95:5之間。
4. 如請求項3所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，該b步驟之混合時間係介於3至10分鐘。
5. 如請求項1所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，該b步驟中係更包含有將消泡劑與催化劑混合至該第二預聚物中。
6. 如請求項1所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，該回收短碳纖維係為回收短碳纖維棉絮(Recycled Carbon Fiber)，並對該回收短碳纖維棉絮施加物理上之作用力，使之受撕裂並與該第二預聚物之間形成均勻浸漬的狀態，以令彼此混合為均勻之混合物。
7. 如請求項6所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，該c步驟中，該回收短碳纖維棉絮與該第二預聚物之混合重量百分比例係介於60:40至50:50之間。
8. 如請求項1所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，於該d步驟中，係先使該混合物之表面微熟成後，再進行壓製成為該第一中間物體。
9. 如請求項1所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其係更包含有下述步驟： e.將一連續纖維織布以該第二預聚物進行浸潤，以製成一第二中間物體； f.將該第二中間物體與該第一中間物體疊合並經一加工程序成型為成品。
10. 如請求項9所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，該e步驟中之該連續纖維布係為玻璃纖維布，碳纖維布，克維拉布或聚乙烯布。
11. 如請求項9所述含有回收短碳纖維之複合材料的加工方法，其中，該f步驟中之該加工程序，係將該第一中間物體與該第二中間物體之疊層，以模具進行高溫高壓之壓縮成型。
12. 一種複合材料鋼頭，係以如請求項9、10或11所述之加工方法所製成。

Images