TWI673399B - 全高分子自增強複合材料的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種全高分子自增強複合材料的製造方法，包含將複數之一高熔點高強力高分子纖維紗束併紗後，將熔融態一低熔點高分子沾附於其外表面，形成一高分子複合纖維；將該高分子複合纖維利用滾輪及延伸輪進行熱扁平化與熱延伸，熱延伸的溫度介於該高熔點高強力高分子纖維的玻璃轉移溫度與低熔點高分子之熔點減10℃之間，該熱延伸的延伸率至少1.5:1，更佳為3:1以上；將熱扁平化與熱延伸作用後的該帶狀高分子複合纖維以低於該低熔點高分子纖維的熔融溫度10℃之溫度加熱定型；以及將該帶狀高分子複合纖維編織為片狀之一編織材，成為該全高分子自增強複合材料。

Description

全高分子自增強複合材料的製造方法

一種複合材料的製造方法，特別是一種全高分子自增強複合材料的製造方法。

自增強複合材料是將結構強度/熔點較低的一基材與結構強度/熔點較高的一補強材複合形成，由於該基材與該補強材是選用同質材料，可使該自增強複合材料無界面問題，且具有回收容易的優勢，是一種環保的新興材料。

目前自增強複合材料的複合主要利用共擠出製程，將皆為熔融態的該補強材與該基材共擠出為自增強複合纖維，後續透過拉伸或延展步驟使該自增強複合纖維中的該補強纖維與該基材高分子定位排列，達到增強纖維強度的效果。

然而，利用共擠出製造方式所製造的自增強複合纖維需再經過高倍率延伸製程以獲得纖維增強效應，而此高倍率延伸製程技術難度高且製程複雜，加工效能較低；且進一步地，該自增強複合纖維內部的該補強纖維拉伸程度受限於該基材的結構強度，無法大幅度的拉伸，難以將自增強複合纖維整體纖維增強最大化。

為了解決前述目前自增強纖維以共擠出方式的加工困難，且無法最大幅度增加整體纖維強度等種種問題，本發明提供一種全高分子自增強複合材料的製造方法，其步驟包含：步驟1，將複數條之一高熔點高強力高分子纖維紗束併紗後，將熔融態的一低熔點高分子沾附、包裹於併紗後之該高熔點高強力高分子纖維紗束的外表面，形成一高分子複合纖維；步驟2，將該高分子複合纖維滾利用滾輪及延伸輪進行熱扁平化與熱延伸製程，熱延伸的溫度介於該高熔點高強力高分子纖維的玻璃轉移溫度與低熔點高分子熔點減10℃之間；步驟3，將熱扁平化與熱延伸作用後的該帶狀高分子複合纖維，以溫度低於該低熔點高分子纖維的熔融溫度10℃之溫度加熱達到熱定型之功效，釋放材料中經前述加工過程所累積之熱應力，減少後續熱壓成型時，纖維的滑動與收縮而影響成品的成型效果；以及步驟4，將該帶狀高分子複合纖維編織為片狀之一編織材，成為該全高分子自增強複合材料。。

其中，該高熔點高強力高分子纖維與該低熔點高分子為熔點不同的同質材質，且該高熔點高強力高分子纖維的熔點高於該低熔點高分子。

其中，該高熔點高強力高分子纖維材質為聚乙烯、聚丙烯或聚對苯二甲酸乙二酯；以及該低熔點高分子材質為聚乙烯、聚丙烯或聚對苯二甲酸乙二酯。

其中，利用一十字模頭押出機將該低熔點高分子沾附、包裹於該高熔點高強力高分子纖維之外表面。。

其中，該熱延伸的延伸率至少1.5:1；該熱延伸的延伸率更佳為3:1以上。

其中，將複數之該編織材相互層疊並加熱定型。

藉由上述說明可知，本發明具有以下優點：

1. 本發明利用已具有高強度的該高熔點高強力高分子纖維紗束，透過沾附、包裹形式，將熔融的該低熔點高分子附於該高熔點高強力高分子纖維之外表面，且過程中持續給予該高熔點高強力高分子纖維紗束與該低熔點高分子自其纖維軸向方向之延伸張力，使本發明所形成的該全高分子自增強複合材料不管是外部的該低熔點高分子或是內層的該高熔點高強力高分子纖維紗束皆能維持優異的機械強度。

2.本發明提供一連續式全高分子自增強複合材料製程，能直接將母粒(低熔點高分子)與紗線(高熔點高強力高分子纖維)製成複合材料，有效縮短加工時間，且本發明材料不限定，只要材料具有熔點上的差異，即可形成加工視窗，將低熔點高分子包裹於高熔點高強力高分子纖維上形成複合材料。

為了能詳細了解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。

請參考圖1～圖2，本發明該全高分子自增強複合材料的製造方法第一較佳實施例，其步驟包含：

步驟1：將複數條之一高熔點高強力高分子纖維紗束13收併、併紗後，將利用一單螺桿混練機50融熔混練後呈現熔融態的一低熔點高分子11，以沾附、包裹形式，附於併紗後之該高熔點高強力高分子纖維紗束13的外表面，形成一高分子複合纖維10。本步驟實施的溫度低於該高熔點高強力高分子纖維紗束13的熔點(Tm)，但高於該低熔點高分子11的熔點(Tm)。。

步驟2：將前述之該高分子複合纖維10，趁外部的該低熔點高分子11尚未完全冷卻固化時，較佳是略低於該低熔點高分子11的熔點溫度時，利用滾輪及延伸輪進行熱扁平化與熱延伸製程得到一帶狀高分子複合纖維15。

所謂的熱扁平化係利用一加熱羅拉30 (Roller)或熱滾輪將該高分子複合纖維10滾壓扁平；所謂的熱延伸是於前述該高分子複合纖維10扁平化後接著利用一加熱之延伸輪40將該帶狀高分子複合纖維15自軸向方向加以拉伸延長，熱延伸的溫度較佳介於該高熔點高強力高分子纖維13的玻璃轉移溫度與低熔點高分子熔點-10℃之間，延伸率至少1.5：1，效果更佳為3：1以上，使高分子順向化提伸，提高其機械強度增加。

其中，纖維經過前述步驟中的該加熱羅拉30或熱滾輪輾壓時可能對纖維產生拉伸張力，或是該延伸輪40卷收時也會對纖維產生拉伸張力，使該高熔點高強力高分子纖維紗束13及該低熔點高分子11持續維持軸向方向之該延伸，使高分子順向化提伸，機械強度增加。

步驟3：將前述進行熱扁平化與熱延伸作用後的該帶狀高分子複合纖維15，進行熱定型作用；所謂的熱定型是將該帶狀高分子複合纖維15利用溫度低於該低熔點高分子的熔點10℃之溫度(＜Tm-10 ^oC)，消除材料在製程中拉伸或扁平所累積之應力，例如材料於擠出模頭步驟時會受到拉伸力，於此時進行加熱可釋放材料中所累積之熱應力，減少後續熱壓成型時，纖維的滑動與收縮而影響成品的成型效果。

步驟4：將熱定型後之該帶狀高分子複合纖維15編織為片狀之一編織材60，即為本發明之該全高分子自增強複合材料，前述該編織的方法包含但不限於平紋編織或斜紋編織。

請參考圖2，圖2顯示了本發明的該高熔點高強力高分子纖維紗束13自併紗後至包裹沾附樹脂到後續輾壓扁平化的狀態，而本發明前述各步驟所使用之該高熔點高強力高分子纖維紗束13與該低熔點高分子11所選用的材料包含聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等，本發明該高熔點高強力高分子纖維紗束13與該低熔點高分子11的選用較佳是同質之搭配，但具有不同熔點之差異，例如當該高熔點高強力高分子纖維紗束13選用聚丙烯(PP)時，該低熔點高分子11則同樣選用聚丙烯(PP)，但該低熔點高分子11的熔點低於該高熔點高強力高分子纖維紗束13。而本發明所選用的該高熔點高強力高分子纖維紗束13較佳係使用具有高強度的纖維，或是延伸後的纖維。

較佳地，本發明可進一步江前述預收縮與熱定型後的該編織材60依據厚度需求加以疊層結合，作為加熱成型之行李箱外殼、電腦外殼、護具、輔具、汽車內裝材、運動器材、揚聲器、行李箱拉桿或直升機雷達天線等片材使用。

本發明前述步驟2的沾附、包裹方式，請參考圖1、圖4與圖5，其一較佳實施例係利用一十字模頭押出機20來實現，當該低熔點高分子11於該十字模頭押出機20混練完成，並自該十字模頭押出機20的一出料口21出料時，將已延伸完成的該高熔點高強力高分子纖維紗束13自擠出的該低熔點高分子11通過，使該低熔點高分子11得以沾附或包裹於該高熔點高強力高分子纖維紗束13的外表面，且該低熔點高分子11沾附或包裹於該高熔點高強力高分子纖維紗束13外表面的厚度，可透過該高熔點高強力高分子纖維紗束13拉出的速率來控制。

請參考下表1，藉由上述製程所製得之全高分子自增強複合材料編織為以下測試試片，並利用該測試試片進行一系列機械性能測試分析，用以說明本發明的性能與特性。

表1

試片代號	高熔點高強力高分子纖維	低熔點高分子	編織樣式
SrPP-Twill	聚丙烯 (PP)	聚丙烯 (PP)	斜紋
SrPP-Plain	聚丙烯 (PP)	聚丙烯 (PP)	平紋

上述測試試片所使用的低熔點高分子熔點(Tm)為147.7 ^oC，熔融流動指數(Melt Index, MI)為15 g/10min(230 ^oC, 2.16 kg)，因其低熔點的特性，能與高熔點高強力高分子纖維形成加工視窗，並在熱壓時，熔融流動填補織物的孔隙。該高熔點高強力高分子纖維熔點為165.5 ^oC，丹尼數(Denier)為300 den，強度(Tenacity)為7.66 g/den。

每片測試試片是以單層編織板於設定溫度與壓力下熱壓得到平整單層編織板，尺寸為250 mm×150 mm×0.8 mm，隨後疊合三層單層編織板，再次以設定溫度與壓力下製成測試試片，尺寸為250 mm×150 mm×2 mm。

請參考圖6與下表2，依據ASTM D3039測試規範，本發明測試試片拉伸強度最高可至112MPa，延伸倍率為27.11%。由於一般聚丙烯材料強度低，降伏強度僅為2.8 MPa，但經過本發明製程能讓複合材料降伏強度達到11.3 MPa，大幅提升403.5%。

表2

試片代號	Tensile Strength (MPa)	Tensile Strain (%)	Yielding Strength (MPa)	Young’s Modulus (GPa)	P-Y Modulus (MPa)
SrPP-Twill	112.12±3.45	27.11±1.40	11.29±0.94	2.12±0.12	0.54±0.01
SrPP-Plain	107.01±0.03	35.73±0.44	11.77±0.35	1.46±0.31	0.58±0.01

請參考圖7a-7b與下表3，依據ASTM D2344測試規範，自圖7a的SrPP-Plain測試試片以及圖7b的SrPP-Twill測試試片可看出，測試試片並沒有明顯破壞的現象，僅有經夾具加壓所造成的試片變形，由此可知，本發明複合材料擁有極高界面性質，即使受力，也沒有脫層的現象產生；而下表3顯示本發明測試試片皆有極高短樑剪切強度，這是由於本案的該低熔點高分子11與該高熔點高強力高分子纖維紗束13材質為同質材料，因此有極佳的界面相容性。

表3

試片代號	Short Beam Strength短樑剪切強度 (MPa)
Warp(經向)	Weft (緯向)
SrPP-Twill	12.52±0.56	11.20±0.13
SrPP-Plain	11.69±0.01	10.38±0.53

請參考下表4，依據ASTM D256測試規範，本發明的平紋測試試片衝擊強度為1119.3 J/m、斜紋測試試片衝擊強度為1156.5 J/m，可知本發明擁有極佳的耐用性與界面性質。

表4

試片代號	Impact energy衝擊強度(J/m)
SrPP-Twill	1156.5±19.2
SrPP-Plain	1119.3±19.2

由以上分析結果得知，本發明除了具有質量輕、加工快速以及容易塑形等等優勢外，在機械性質上也有優秀的表現，為全高分子自增強複合材料製程帶來新的應用範圍。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

10‧‧‧高分子複合纖維

11‧‧‧低熔點高分子

13‧‧‧高熔點高強力高分子纖維紗束

15‧‧‧帶狀高分子複合纖維

20‧‧‧十字模頭押出機

21‧‧‧出料口

30‧‧‧加熱羅拉

40‧‧‧延伸輪

50‧‧‧單螺桿混練機

60‧‧‧編織材

圖1為本發明全高分子自增強複合材料較佳實施例之製造方法流程示意圖。 圖2為本發明該高熔點高強力高分子纖維紗束自併紗後至包裹沾附樹脂到後續輾壓扁平化的狀態變化示意圖。 圖3為本發明製造方法第二較佳實施例之製造方法步驟流程示意圖。 圖4、圖5為本發明利用十字模頭押出機實現低融點高分子沾附、包裹於高熔點高強力高分子纖維外表面的示意圖。 圖6為本發明較佳實施例之壓力與應變率測試圖。 圖7a-7b為本發明較佳實施例之加壓測試圖。

Claims (7)

1. 一種全高分子自增強複合材料的製造方法，其步驟包含：步驟1：將複數條之一高熔點高強力高分子纖維紗束併紗後，將熔融態的一低熔點高分子沾附、包裹於併紗後之該高熔點高強力高分子纖維紗束的外表面，形成一高分子複合纖維，此沾附、包裹的溫度低於該高熔點高強力高分子纖維紗束的熔點，但高於該低熔點高分子的熔點；步驟2：趁外部的該低熔點高分子尚未完全冷卻固化時，將該高分子複合纖維自軸向方向進行熱扁平化與熱延伸得一帶狀高分子複合纖維，熱延伸的溫度介於該高熔點高強力高分子纖維的玻璃轉移溫度與低熔點高分子熔點減10℃之間；步驟3：將熱扁平化與熱延伸後的該帶狀高分子複合纖維，以溫度低於該低熔點高分子纖維的熔融溫度10℃之溫度加熱定型；以及步驟4：將熱定型後的該帶狀高分子複合纖維編織為片狀之一編織材，成為該全高分子自增強複合材料。
2. 如申請專利範圍第1項的全高分子自增強複合材料的製造方法，該高熔點高強力高分子纖維與該低熔點高分子為熔點不同的同質材質，且該高熔點高強力高分子纖維的熔點高於該低熔點高分子。
3. 如申請專利範圍第1或2項的全高分子自增強複合材料的製造方法，其中：該高熔點高強力高分子纖維材質為聚乙烯、聚丙烯或聚對苯二甲酸乙二酯；以及該低熔點高分子材質為聚乙烯、聚丙烯或聚對苯二甲酸乙二酯。
4. 如申請專利範圍第1項的全高分子自增強複合材料的製造方法，利用一十字模頭押出機將該低熔點高分子沾附、包裹於該高熔點高強力高分子纖維之外表面。
5. 如申請專利範圍第1項的全高分子自增強複合材料的製造方法，該熱延伸的延伸率為1.5：1。
6. 如申請專利範圍第1項的全高分子自增強複合材料的製造方法，該熱延伸的延伸率為3：1。
7. 如申請專利範圍第1項的全高分子自增強複合材料的製造方法，將複數之該編織材相互層疊並加熱定型。