TWI677425B - 強化模型、其生產方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關用於生產以纖維帶強化之模型之方法，且亦有關相應之強化模型。此外，本發明係有關經由本方法生產之模型之用途。

Description

強化模型、其生產方法及其用途
本發明係有關用於生產以纖維帶強化之模型之方法，且亦有關相應之強化模型。此外，本發明係有關經由本方法生產之模型之用途。
由於致力於以塑膠材料替代金屬，其機械性質之要求越來越高。目前用於改進機械性質之流程主要為將纖維強化材料，如玻璃或碳纖維，導入塑膠材料基體。然而，以此方式強化之塑膠材料製成之組件，其剛性常常明顯低於金屬組件。
可藉由具有纖維帶之選擇性強化體模型達到進一步之改進。其可藉由如特殊施加或導入此類纖維帶於模型之上或之內而達成。用於生產塑膠材料模型之最重要方法之一者係以射出成型法(injection moulding process)為代表。基於經濟考量，即使於射出成型過程期間，需將纖維帶或條帶施加於模型，係於其內或之上，而無須於之後增加一單獨步驟。
由DE 10 2011 077 834 A1習知一用於生產纖維複合物結構零件之方法，其係藉由射出成型或轉送模製(transfer moulding)。一預製之半成品係從而置於射出成型模具，並於模具閉合後，將纖維強化之塑膠材 料注入。從而以夾持元件(clamping elements)確保半成品於模具內之安全位置。
另一用於生產以長纖維(endless fibres)部分強化之射出成型組件之方法係描述於DE 10 2007 037 680 A1。其中使用特殊模具模型，其容許將針狀體(needles)導入模具模型。藉由此類針狀體，長纖維半成品於注入熱塑性材料前於模具模型中定位。於注入後，將針狀體抽出。
DE 10 2011 120 986 A1描述一用於製造具有模壓式成型(moulded-on shaped)及/或功能性結構之纖維複合物中空型材組件(hollow profile component)之射出成型方法。於一第一模具中，一模芯(core)係於此先經鑄型，且隨即以經硬質塑膠(duroplastic)飽和之纖維材料覆蓋。於一第二模具中，此經覆蓋之模芯係至少部分硬化，且功能性或成型之結構係經模壓。自模型移開中空型材後，模芯係經加熱至少至其熔化溫度以熔出中空型材。
始於此，本發明之目的係提供用於生產以纖維帶強化之熱塑性模型之方法，該方法使得纖維帶於射出成型過程期間安全固定。此外，本發明之目的係提供簡易裝置之方法，使得無須使用特殊改良之射出成型模具。
藉由用於生產具有申請專利範圍第1項之特性之以纖維帶強化之模型之方法及具有申請專利範圍第10項之特性之模型達成此目的。進一步之附屬項係顯示其有利之發展。於申請專利範圍第15項中，指出本發明之用途。
依據本發明，提供一用於生產具有至少一藉助於纖維之強化體之模型之方法，該纖維係單向定向且嵌入一第一塑膠材料基體，其包含下列步驟：a)提供一預製件，其包含至少一纖維帶、一裝片，其係於至少一纖維帶之縱向方向安裝於一端、及於另一端之至少一固定單元，其可沿經安裝之至少一纖維帶之縱向方向移動；b)將預製件插入及固定於一射出成型模具，其中具有裝片之一端係配置於射出成型模具之流出端；c)通過熔融槽注入一第二塑膠基體，以使固定單元藉由熔融流動輸送至預製件之另一端；以及d)冷卻及硬化模型。
其從而較佳地，固定單元係經配置，以使至少一纖維帶緊靠射出成型模具之內側面，且固定單元於注入期間係經導引，以使第二塑膠材料基體及至少一纖維帶於整體表面上以平面方式彼此相連接，且纖維帶至少於區域內形成模型之表面。
進一步較佳之具體實施例為，固定單元係經配置，以使二纖維帶緊靠對立置放之射出成型模具之內側面，且固定單元於注入期間係經導引，以使第二塑膠材料基體及纖維帶於整體表面上以平面方式彼此相連接，且二纖維帶至少於區域內形成模型之對立置放表面。
此外，較佳地，固定單元係安裝於纖維帶之縱向部分之前半處，較佳為於三分之一處，其係對立於具有裝片之一端置放。更佳地，將固定單元安裝於預製件之一端。
纖維帶之第一塑膠材料基體及/或欲注入之第二塑膠材料基體係較佳為選自於由熱塑性塑膠與硬質塑膠及/或其混合物組成之群組，熱塑性塑膠係較佳。
若第一塑膠材料基體及/或第二塑膠材料基體為熱塑性塑膠，其較佳為選自於由以下所組成之群組：縮醛樹脂、液晶聚合物、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、烯烴及環烯烴聚合物、聚醯胺、聚醯胺彈性體，具體而言為聚酯醯胺、聚醚醯胺及聚醚酯醯胺、聚醯胺醯亞胺、包含聚苯基醚之聚芳基醚、聚碳酸酯、聚碸、聚醚醯亞胺、聚醯亞胺、聚酯、聚酯聚碳酸酯、聚醚、聚氧乙烯、聚苯乙烯、聚碸、乙烯基聚合物如聚氯乙烯及聚乙酸乙烯酯、或所列材料之一或多者之混合物，具體而言為ABS、MBS、SAN、PC、及PMMA。
較佳地，熱塑性第一及/或第二塑膠材料基體之熔點為50至500℃，較佳為170至400℃，且更佳為170至350℃，及/或玻璃轉移溫度(glass transition temperature)之範圍為30至250℃，較佳之範圍為30至170℃，更佳之範圍為35至135℃。
具有作為熱塑性第一及/或第二塑膠材料基體係較佳地由聚醯胺製成之基體。聚醯胺從而較佳為取自脂族，包括環脂族、二胺類、及芳族或脂族二羧酸類，或取自內醯胺類。特別偏好為，由環脂族C6-C17二胺類及/或脂族C4-C12二胺類與脂族C4-C20二羧酸類及/或芳族二羧酸類所形成之同質及共聚醯胺。
二羧酸類之特別非侷限實例為琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十一烷二酸(undecanedioic acid)、十二 烷二酸(dodecanedioic acid)、十三烷二酸(brassylic acid)、十四烷二酸(tetradecanedioic acid)、1,4-環己烷二羧酸、二十烷二酸(icosanedioic acid)、萘二羧酸(naphthalenedicarboxylic acid)、對酞酸(terephthalic acid)及異酞酸(isophthalic acid)。
或者，較佳亦為聚醯胺，其由前述之二胺類及二羧酸類，及具有4至15個碳原子之內醯胺類及/或具有4至15個碳原子之α、ω胺基酸形成。
二胺類之特別非侷限實例為六亞甲基二胺、七亞甲基二胺、八亞甲基二胺、九亞甲基二胺、十亞甲基二胺、十一亞甲基二胺、十二亞甲基二胺、三甲基六亞甲基二胺、2-甲基-1,5-戊烷二胺、異佛酮二胺(isophorone diamine)、降冰片烷二胺(norbornane diamine)、1,3-雙(胺基甲基)環己烷、MACM、MXD、PACM、PXD、及TMACM。
MACM代表3,3'-二甲基-4,4'-二胺基環己基甲烷、MXD代表間苯二甲胺(meta-xylylenediamine)、PACM代表4,4'-二胺基環己基甲烷、PXD代表對苯二甲胺(para-xylylenediamine)、及TMACM代表3,3',5,5'-四甲基-4,4'-二胺基環己基甲烷。
此外，聚醯胺類較佳為由MXD及對酞酸，或MXD及異酞酸製成。
較佳之透明聚醯胺類係選自於下列之群組：MACM9-18、PACM9-18、MACMI/12、MACMI/MACMT、MACMI/MACMT/12、6I6T/MACMI/MACMT/12、3-6T、6I6T、6I/MACMI/MACMT、6I/PACMI/PACMT、6I/6T/MACMI、 MACMI/MACM36、6I,12/PACMI、MXDI/6I或12/MACMT、6/PACMT、6/6I、6/IPDT或其混合物，50莫耳%之IPS可以TPS替代。
此外，部分晶形聚醯胺，較佳為選自於由PA6、PA66、PA69、PA610、PA612、PA11、PA12、PA1010、PA1012、PA1210、PA1212組成之群組。具體較佳為PA12及PA66與PA6I/6T之混合物。
較佳地，若第一塑膠材料基體之熔點低於第二塑膠材料基體。較佳地，第一塑膠材料基體之熔點比第二塑膠材料基體低1至300℃，較佳為20至150℃。
若第一及/或第二塑膠材料基體為硬質塑膠，則其較佳為選自於由三聚氰胺樹脂、酚塑膠(phenoplastics)、聚酯樹脂、胺基塑膠(aminoplastics)、環氧樹脂、聚胺甲酸酯(polyurethanes)、交聯之聚丙烯酸酯、及/或其混合物或摻合物組成之群組。
同時，於較佳之具體實施例中，第二塑膠材料基體係經纖維強化，較佳地，其以具有平坦或圓形截面之碳或玻璃纖維強化。於此較佳為具有長度為0.1至50mm且直徑為5至40μm之纖維。碳纖維之強化材料之比例為3至50重量%，較佳為5至40重量%，且玻璃纖維之強化材料之比例為5至75重量%，較佳為15至65重量%，且具體較佳為30至50重量%，其係分別相對於第二塑膠材料基體及任意存在之進一步添加劑之總重而定。
然而，亦可使用非強化之塑膠材料基體。
第一及/或第二塑膠材料基體較佳為可具有進一步之添加劑。較佳地，其選自於由無機安定劑、有機安定劑、潤滑劑、消泡劑、鏈延長添加劑、光增亮劑、塑化劑、黏合劑、含鹵素阻燃劑、無鹵素阻燃劑、 耐衝擊改質劑(impact modifiers)、顆粒、填充劑、及強化材料、著色劑、顏料、及/或其混合物組成之群組。
進一步之添加劑之比例較佳為0.1至20重量%，且更佳為0.5至10重量%，其係相對於第一及/或第二塑膠材料基體及強化材料之總重而定。
較佳地，以張式楔形體(expanding wedge)作為固定單元。依據本發明，任何類型之固定單元一方面係確保纖維帶從注入時即安全滯留直到第二塑膠材料基體硬化，另一方面係由第二塑膠材料基體輸送至纖維帶之另一端以進行裝片(mounting)。舉例而言，塞(plug)、塊、或箭形之固定單元，於較佳之具體實施例中，可想像其包含彈簧元件(spring elements)。
用於生產預製件之裝片及固定單元可由已於第一及/或第二塑膠材料基體中提及之所有材料組成，同時，已提及之聚醯胺類為裝片及固定單元之較佳材料。
在較佳之具體實施例中，裝片及固定單元係產自相同材料。此外，較佳地，裝片及固定單元具有與第二塑膠材料基體相同或更低之熔點。從而較佳地，裝片及固定單元之熔點比第二塑膠材料基體的低0至300℃，較佳為20至150℃，更佳為40至130℃。
在特定較佳之具體實施例中，裝片及固定單元係產自相同材料，具體較佳為選擇相同材料以用於裝片、固定單元、及第二塑膠材料基體。
裝片及固定單元較佳為經由快速雛型法(rapid prototyping)、擠壓法(extrusion)、射出成型法、或機製法(machining)生產。
較佳地，纖維為長纖維或短纖維，具體而言為碳、玻璃、礦物、或聚芳醯胺纖維。於此，更佳為具有平坦或圓形截面之碳及玻璃纖維，且更佳為碳纖維。亦可使用所述之纖維之混合物。
纖維帶之纖維比例較佳為1至60重量%，更佳為5至50重量%，且更佳為10至40重量%，其係相對於纖維帶之總重而定。
纖維帶之厚度較佳為0.1至5mm，較佳為0.2至2.0mm，且更佳為0.2至1.0mm。纖維帶之寬度較佳為1至40mm，較佳為2至20mm，且更佳為5至15mm。
纖維帶可模製於上側與下側或僅於該二側之一者。此外，模型可延伸於整體表面或侷限於部分表面。
依據模型之厚度，複數個纖維帶亦可比鄰配置。此外，可使用由纖維帶製成之積層板(laminates)。此類積層板較佳為用於更複雜之幾何形狀，如螺旋形、弧形、或S形結構。
較佳之具體實施例係提供由二纖維帶製成之預製件。
於進一步之較佳具體實施例中，預製件之纖維帶係以相對於彼此之間距為0.1至100mm定位，較佳為0.3至30mm，且更佳為1至10mm。
藉由適當設計可動固定單元，亦可設計預製件，其中纖維帶之間距於整體路徑長度上係不一致。在較佳之具體實施例中，張式楔形體係從而設計成V形，且開口角度(opening angle)係雙面適跡於纖維帶之間距。
此外，可使用具有更複雜之幾何形狀，如螺旋形或S形結構，之纖維帶或由纖維帶製成之積層板。較佳為使用具有平坦幾何形狀之纖維帶。
藉由夾持或點膠(gluing)裝片或藉由真空抽吸裝片將預製件固定於模具。偏好地，預製件應經夾持。
於注入塑膠材料基體期間，至少一固定單元係較佳地由二纖維帶導引。於使用僅一纖維帶之變體(variants)中，固定單元係由纖維帶及模具之壁面導引。固定單元係藉由熔融流動輸送至纖維帶之另一端並於裝片前方疊合(lie)。
可任意分離模型之零件，其中固定單元趨前疊合且其中裝片係經置放。可藉由切割、雷射處理、擠壓、鋸切、噴水、彎曲、或該些方法之組合進行分離。
本發明之方法之進一步變體，係提供以具有相同或0至300℃，較佳為20至150℃較低之熔點之材料用於裝片及固定單元。藉由熔化以注入塑膠材料基體之後，連接件(connection piece)及固定單元可融入模型。
依據本發明，亦提供纖維強化之射出模型，其包含至少一由纖維製成之纖維帶，其係單向嵌入一第一塑膠材料基體，及至少一第二塑膠材料基體，該模型之至少一表面係由至少一纖維帶至少於區域內形成。
較佳地，於二對立置放表面之模型至少於區域內分別具有至少一纖維帶，纖維帶相對於彼此之間距係相同或不同，且較佳地，其範圍為0.1至100mm，較佳為0.3至30mm，且更佳為1至10mm。
本發明之模型較佳為依據前述之方法生產。
本發明之強化模型具體而言係作為：- 汽車零件，較佳為運轉齒輪組件、支柱(struts)、內部零件、外部零件、傳動部件、及輪緣(rims)；- 工業品及消費品，較佳為槓桿(levers)、固定器(fixings)、園藝用具、工具、家用電器、衛生組件、球拍(racquets)、弓(bows)、及鞋。
1‧‧‧模型
2‧‧‧纖維帶
2'‧‧‧纖維帶
3‧‧‧預製件
4‧‧‧裝片
5‧‧‧張式楔形體
5a‧‧‧張式楔形體
6‧‧‧射出成型模具
7‧‧‧熔融槽
8‧‧‧材料基體
9‧‧‧流出端
10‧‧‧側面
40‧‧‧預力連接組
40'‧‧‧預力連接組
41‧‧‧支撐臂
41'‧‧‧支撐臂
50‧‧‧預力連接組
50'‧‧‧預力連接組
51‧‧‧定心鈕
51'、51"、51'''…‧‧‧定心鈕
52‧‧‧預力連接組
53‧‧‧支撐面
53'‧‧‧支撐面
54‧‧‧方向
本發明之主體係旨在參考下列圖式以更詳盡說明，而非使該主體侷限於本文所示之特定具體實施例。
圖1顯示，參照示意圖，射出成型模具6之半模(mould half)之射出側(ejector side)。第二塑膠材料基體8係通過熔融槽7導入射出成型模具6。
圖2顯示，參照示意圖，預製件3之構造。纖維帶2、2'係從而藉由裝片4及張式楔形體5固定。
圖3顯示，參照示意圖，將預製件3插入射出成型模具6。預製件3係從而放置於射出成型模具6，以使裝片4趨前疊合於射出成型模具之一側，其係對立於熔融槽7置放，即流出端9。預製件3之下側係緊靠射出成型模具6之下方內側面10。
圖4顯示，參照示意圖，預製件3放置於射出成型模具6。從熔融槽7觀視，張式楔形體5係從而位於纖維帶2之前半邊之初始位置。
圖5顯示，參照示意圖，依據本發明之方法生產之模型1之構造。張式楔形體5係置放於其鄰接裝片4之端部位置，其係由第二塑膠材料基體8推 進。
圖6顯示，參照示意圖，裝片4之可能構造。圖6a顯示裝片4具有預力連接組(prestressed linkages)40、40'，其確保預製件3相對於射出成型模具6之彈性定心(elastic centring)。圖6b顯示裝片具有橫向支撐臂(lateral support arms)41、41'，其確保預製件3於射出成型模具6之繫留彈性定位(captive elastic positioning)。圖6b顯示支撐臂41,41'係朝外側預彎(pre-bent)。圖6c顯示放置於射出成型模具6之裝片4。
圖7顯示，參照示意圖，張式楔形體5之構造，其可經由射出成型法或快速雛形法產生。張式楔形體具有預力連接組50、50'及定心鈕(centring knobs)51、51'、51"、51'''，其確保纖維帶2、2'相對於射出成型模具6之安全垂直及橫向導引。
圖8顯示，參照示意圖，張式楔形體(5a)之構造，其可經由擠壓法產生。張式楔形體(5a)包含預力連接組52、及針對纖維帶2之支撐面53、53'、及射出成型模具6之腔面。第二塑膠材料基體8從而自方向54流入。
此外，本發明之主體係旨在參考隨後之實例及比較例以更詳盡闡述，而非使該主體侷限於本文所示之特定具體實施例。
表1係列出實例及比較例所使用之化學物質。
a)其係關於具有由PA12及作為強化工具之碳纖維所製成之基體之纖維帶。
以PA MACM 12 TR90(CE1)製造拉伸測試桿(tensile test bar)
MACM 12係取自EMS化學股份有限公司，並將ISO測試件注入射出成型機Engel e-Victory 120，其中區域1至4之料筒溫度為250℃至260℃，且模具溫度為80℃。
依據本發明之方法以Grilamid TR90(E1)製造強化之拉伸測試桿
圖2之預製件係由Grilamid LCT-30製成，且圖6之裝片係經由快速雛型法生產，且圖7之張式楔形體係經由快速雛型法生產，其經製造並放置於圖4之射出成型模具。此後，將MACM 12注入射出成型機Engle e-Victory 120，其中區域1至4之料筒溫度為250℃至260℃，且模具溫度為80℃，以取得強化之ISO測試件。
表2所示之機械性質係測定如下。
測定拉伸模數(modulus of tension)
依據ISO 527進行拉伸模數測定，且依據標準ISO 3167 A類之ISO拉伸測試桿之拉伸速度為1mm/min，其於溫度23℃之尺寸為170 x 20/10 x 4mm。
測定裂斷強度(breaking strength)
依據ISO 527進行裂斷強度測定，且依據標準ISO 3167 A類之ISO拉伸測試桿之拉伸速度為5mm/min，其於溫度23℃之尺寸為170 x 20/10 x 4mm。

Claims (20)

  1. 一種具有至少一藉助纖維之強化體之模型(1)之生產方法，該纖維係單向定向且嵌入一第一塑膠基體，該方法具有下列步驟：a)提供一預製件(3)，其包含至少一纖維帶(2、2')、一裝片(4)，其係於該至少一纖維帶(2、2')之縱向方向安裝於一端、及於另一端之至少一固定單元(5)，其可沿經安裝之該至少一纖維帶(2、2')之縱向方向移動；b)將該預製件(3)插入及固定於一射出成型模具(6)，其中具有該裝片(4)之一端係配置於該射出成型模具(6)之流出端(9)；c)通過熔融槽(7)注入一第二塑膠基體(8)，以使該固定單元(5)藉由熔融流動輸送至該預製件(3)之另一端；以及d)冷卻及硬化該模型(1)。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元(5)係經配置，以使該至少一纖維帶(2、2')緊靠該射出成型模具(6)之內側面(10)，且該固定單元(5)於注入期間係經導引，以使該第二塑膠基體(8)及該至少一纖維帶(2、2')於整體表面上以平面方式彼此相連接，且該至少一纖維帶(2、2')至少於區域內形成該模型(1)之表面。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元係經配置，以使二纖維帶(2、2')緊靠對立置放之該射出成型模具(6)之內側面，且該固定單元(5)於注入期間係經導引，以使該第二塑膠基體(8)及該纖維帶(2、2')於整體表面上以平面方式彼此相連接，且該二纖維帶(2、2')至少於區域內形成該模型(1)之對立置放表面。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元(5)係安裝於該纖維帶(2、2')之縱向部分之前半處，其係對立於具有該裝片(4)之一端置放。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該第一及/或第二塑膠基體係選自於由縮醛樹脂、液晶聚合物、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、烯烴及環烯烴聚合物、聚醯胺、聚醯胺彈性體、聚醯胺醯亞胺、包含聚苯基醚之聚芳基醚、聚碳酸酯、聚碸、聚醚醯亞胺、聚醯亞胺、聚酯、聚酯聚碳酸酯、聚醚、聚氧乙烯、聚苯乙烯、聚碸、乙烯基聚合物、或所列材料之一或多者之混合物所組成之群組。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述之方法，其中，該第一及/或第二塑膠基體之熔點範圍為50至500℃。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元(5)係選自於由張式楔形體(expanding wedge)、塊、塞(plug)、及箭形固定單元所組成之群組。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元(5)及該裝片(4)由相同材料組成。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該含有固定單元(5)及裝片(4)之模型(1)之零件，於硬化後係被分離。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元(5)係安裝於該纖維帶(2、2')之縱向部分之三分之一處，其係對立於具有該裝片(4)之一端置放。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元(5)係安裝於該預製件之一端。
  12. 根據申請專利範圍第5項所述之方法，其中，該第一及/或第二塑膠基體之熔點範圍為170℃至350℃。
  13. 根據申請專利範圍第5項所述之方法，其中，該第一塑膠基體之熔點比該第二塑膠基體低1至300℃。
  14. 根據申請專利範圍第5項所述之方法，其中，該第一塑膠基體之熔點比該第二塑膠基體低20至150℃。
  15. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該固定單元(5)及該裝片(4)由與該第一及/或第二塑膠基體相同之材料組成。
  16. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該含有固定單元(5)及裝片(4)之模型(1)之零件，於硬化後，係藉助切割、鋸切、擠壓、彎曲、雷射處理、噴水、或其組合而被分離。
  17. 根據申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該第一及/或第二塑膠基體係選自於由ABS、MBS、SAN、PC、及PMMA所組成之群組。
  18. 根據申請專利範圍第5項所述之方法，其中，該聚醯胺彈性體為聚酯醯胺、聚醚醯胺及聚醚酯醯胺。
  19. 根據申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該固定單元(5)包含一彈簧元件(spring element)。
  20. 一種根據申請專利範圍第1項所述之方法所製造之纖維強化之射出模型(1)。
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