TWM572831U - 多素材複合板 - Google Patents

Abstract

本創作提供一種多素材複合板，其包括至少一熱固性複合材料體以及至少一熔接部，各熱固性複合材料體包含至少一熱固性複合材料層，各熱固性複合材料層包括含浸熱固性樹脂之纖維；該熔接部設置於該熱固性複合材料體之至少一面，該熔接部包括熱塑性材料。於另一實施例中，該多素材複合板尚可包含至少一金屬層，其係接著於該熔接部及/或該熱固性複合材料體。本創作多素材複合板同時兼顧熱固性樹脂的剛性及熱塑性樹脂的易加工性，藉此使得該複合板能適用於各種後加工製程，故能廣泛地應用於各種領域。

Description

多素材複合板

本創作係關於一種多素材複合板，尤其係一種能夠提供強度多樣化且符合後加工需求之複合板，藉此提高複合材料應用之領域及範圍。

纖維複合材料擁有重量輕、高強度、高模數等優點，已廣泛運用於運動器材、航空及汽車產業。由於纖維複合材料分為熱固性及熱塑性兩大類，熱固性樹脂包含環氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等，熱塑性樹脂包含聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚醯胺(PA)、聚氨酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等。

依據加工性與物性考量區分：熱固性樹脂強度高但加工時間長；熱塑性樹脂加工溫度高、時間短但強度較低，因此若要兼具生產速度與材料特性，一般來說必須在材料中陸續結合兩種或兩種以上素材。

在既有技術中，若欲於運動鞋底植入碳纖複合材料板，以增加運動鞋的彈性力，其製作方法包括先將碳纖維含浸與鞋材相同之熱塑性樹脂，再疊層至所需厚度，熱壓成熱塑碳纖複合材料板，而後將成型後之熱塑碳纖複合材料板裁切成鞋底設計之形狀，最後以射出或壓合方式成型鞋底，製成高彈性鞋底，但此高彈性鞋底僅可能具有熱塑性樹脂之優點。

而且，因著熱塑碳纖維複合材料含浸技術問題，其強度均較熱固性材料為低，且熱加工後表面會有鼓包脫層現象。因此，目前實有需要發展一種強度高且後加工容易之雙效型複合板之生產技術。

台灣第M470753號專利揭示一種複合材料結構，其包括複數強化纖維層以及將該等強化纖維層包覆在內之一樹脂體，其中該樹脂體可為熱塑性樹脂或熱固性樹脂，藉由熱壓將該等強化纖維層及該樹脂體結合，而形成纖維強化板材。然而，此專利並未同時使用熱塑性樹脂及熱固性樹脂，故無法兼顧熱塑性樹脂及熱固性樹脂的特性。

台灣第M362111號專利之先前技術中提及，使用熱固性樹脂作為預浸樹脂具有如長的熟成時間，結合力不佳等缺點，因此轉而使用含浸有熱塑性樹脂之纖維布，堆疊後再層壓為強化纖維積層體，該纖維層積層體再與射出材料結合。然而，如上所述，熱塑性樹脂加工時間雖然短，但強度卻較熱固性材料差，且含浸纖維效果不佳，在射出過程中會造成鼓包等表面不良等情況。

台灣第M538876號專利揭露一種具有金屬特性的單一纖維預浸材料，其包含複數纖維堆疊之纖維層及金屬層，該等金屬材以交錯層疊方式與該複數纖維堆疊一體，每一層纖維皆含浸有熱固性樹脂或熱塑性樹脂、熱塑性塑膠。然而，此專利亦未同時使用熱塑性樹脂及熱固性樹脂，故無法兼顧熱塑性樹脂及熱固性樹脂的特性，況且，此種具有金屬特性的單一纖維預浸材料的後加工製程為鑽孔、鉚接、鎖螺絲、焊接，無法適用於射出加工。

台灣第I304321號專利揭露一種部分含浸於熱固性樹脂，另部分含浸於熱塑性樹脂的纖維，其中熱塑性樹脂層之樹脂呈現進入構成強化纖維群之多條單絲間之間隙中的狀態，另外，熱固性樹脂層與熱塑性樹脂層之界面呈具有凹凸形狀之狀態。藉由該含有多條單絲之凹凸形狀的介面存在，可使熱固性樹脂層與熱塑性樹脂層堅固地接合。因此，該專利係藉由「含有多條單絲之凹凸形狀的介面」來接合熱固性樹脂層與熱塑性樹脂層。

綜上所述，熱固性樹脂材料的缺點在於固化時間長，固化後無法再塑形，且與鞋材、家電、3C用品之材料不相容，因此很難同時使用或進行後續加工。因此目前實需尋找一種使熱固性樹脂材料與熱塑性樹脂材料可以同時使用，兼顧熱固性樹脂的剛性及熱塑性樹脂的易加工性之複合材料。

本創作之目的在於提供可調整強度，有利於後加工需求的多素材複合板。

本創作提供一種多素材複合板，其包括： 至少一熱固性複合材料體，各熱固性複合材料體包含至少一熱固性複合材料層，各熱固性複合材料層包括含浸熱固性樹脂之纖維；以及 至少一熔接部，其係設置於該熱固性複合材料體之至少一面，該熔接部包括熱塑性材料。

本創作提供一種製造多素材複合板之方法，其包括： 提供纖維，將其含浸於熱固性樹脂中，以獲得一熱固性複合材料層； 使用單一熱固性複合材料層或將複數熱固性複合材料層堆疊，而形成一熱固性複合材料體； 提供熔接材料，將其施加於至少一個上述熱固性複合材料體之至少一面，而形成疊合物，其中該熔接材料包括熱塑性材料；以及 加熱加壓該疊合物而使該疊合物接合，以獲得該多素材複合板。

本創作另提供一種多素材複合板，其包括： 至少一熱固性複合材料體，各熱固性複合材料體包含至少一熱固性複合材料層，各熱固性複合材料層包括含浸熱固性樹脂之纖維； 至少一熔接部，其係設置於該熱固性複合材料體之至少一側面，該熔接部包括熱塑性材料；以及 至少一金屬層，其係接著於該熔接部及/或該熱固性複合材料體。

本創作另提供一種製造多素材複合板之方法，其包括： 提供纖維，將其含浸於熱固性樹脂中，以獲得一熱固性複合材料層； 使用單一熱固性複合材料層或將複數熱固性複合材料層堆疊，而形成一熱固性複合材料體； 提供熔接材料以及金屬，將熔接材料施加於至少一個上述熱固性複合材料體之至少一面，再將金屬疊合於該熔接材料及/或該熱固性複合材料體上，而形成疊合物，其中該熔接材料包括熱塑性材料；以及 加熱加壓該疊合物而使該疊合物接合，以獲得該多素材複合板。

本創作藉由熱固性樹脂及熱塑性材料相互搭配，而調整所獲得之複合板的性質，使得該複合板兼顧熱固性樹脂的剛性及熱塑性樹脂的易加工性，藉此使得該複合板能適用於各種後加工製程(包括塑膠射出成型、金屬卯接焊接、膠合壓合等加工)，故能廣泛地應用於各種領域。尤其，本創作可以解決熱固性樹脂成型時間長及熱塑性材料強度與含浸效果較差的問題。因此，本創作所獲得之複合板能夠廣泛運用於運動鞋、護具、醫療輔具等消費性產品，可大幅降低生產成本，提高產品性能。

參看此詳細描述以及本文中所包括之實例可較易於理解本創作。闡述多個特定細節以便提供對本文中所描述之實例之透徹理解。然而，一般熟習此項技術者應理解，可在無此等特定細節之情況下實踐本文中所描述之實例。在其他情況下，尚未詳細地描述方法、程序及組分以便避免混淆所描述之有關的相關特徵。此外，描述並不被視為限制實例之範疇。

除非文中有另外說明，於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中），所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。另，為明確起見，圖式中可能誇示各元件及區域的尺寸，而未按照實際比例繪示。

應瞭解在此說明書中所引用的任何數值範圍欲包含其內所涵括之所有次範圍。例如，從「30至55」的範圍包括陳述的最小數值30及陳述的最大數值55之間所有的次範圍(如從31至52、33至49或42至51等)且包含該兩數值，亦即包含等於或大於30之最小值以及等於或小於55之最大值之範圍。因為所揭示的數值範圍是連續的，因此他們包含最小值和最大值之間的每個數值。除非另加說明，否則此說明書中指明的各種數值範圍是概略值。

此外，在本文中，設想所有數值都由術語「約」修飾，其意謂如熟習此項技術者所預期使量測及操作與量測之目的及所用量測設備之精確度在所關心之量上相匹配的量測量變化。

請參看圖1及2所示，本創作提供一種多素材複合板，其包括： 至少一熱固性複合材料體(10)，各熱固性複合材料體(10)包含至少一熱固性複合材料層，各熱固性複合材料層包括含浸熱固性樹脂(11)之纖維(12)；其中各熱固性複合材料體(10)可包含單一熱固性複合材料層或由單一熱固性複合材料層所組成；或者，各熱固性複合材料體(10)可包含複數熱固性複合材料層或由複數熱固性複合材料層所組成，各熱固性複合材料層所使用之纖維及熱固性樹脂之種類可為相同或不同；以及 至少一熔接部(20)，其係設置於該熱固性複合材料體(10)之至少一面的部份或全部，該熔接部(20)包括熱塑性材料、或實質上由熱塑性材料所組成、或由熱塑性材料所組成。

一種用於製造上述多素材複合板之方法，其包括： 提供纖維，將其含浸於熱固性樹脂中，以獲得一熱固性複合材料層； 使用單一熱固性複合材料層或將複數熱固性複合材料層按疊構方式疊至所需厚度，而形成一熱固性複合材料體，該等熱固性複合材料層於堆疊時可不需使用黏著劑，且當使用複數熱固性複合材料層時，各熱固性複合材料層所使用之纖維及熱固性樹脂之種類可為相同或不同； 提供熔接材料，將其施加於至少一個上述熱固性複合材料體之至少一面的部份或全部，而形成疊合物，其中該熔接材料包括熱塑性材料、或實質上由熱塑性材料所組成、或由熱塑性材料所組成；以及 加熱加壓該疊合物，令該熔接材料與該熱固性複合材料體之熱固性樹脂達到交聯或熔融溫度而使該疊合物接合，以獲得該多素材複合板，其中加熱加壓的溫度及壓力可視熔接材料與熱固性樹脂之種類和含量而進行調整，其中，樹脂的交聯溫度與時間取決於樹脂的玻璃轉化溫度（Tg），因此加熱溫度須達到Tg點，而加壓之壓力則係依據不同的材料調整至可達成黏貼效果之數值。

請參看圖3所示，本創作另提供一種多素材複合板，其包括： 至少一熱固性複合材料體(10)，各熱固性複合材料體包含至少一熱固性複合材料層，各熱固性複合材料層包括含浸熱固性樹脂(11)之纖維(12)；其中各熱固性複合材料體(10)可包含單一熱固性複合材料層或由單一熱固性複合材料層所組成；或者，各熱固性複合材料體(10)包含複數熱固性複合材料層或由複數熱固性複合材料層所組成，各熱固性複合材料層所使用之纖維及熱固性樹脂之種類可為相同或不同； 至少一熔接部(20)，其係設置於該熱固性複合材料層(10)之至少一面的部份或全部，該熔接部(20)包括熱塑性材料、實質上由熱塑性材料所組成、或由熱塑性材料所組成；以及 至少一金屬層(30)，其係接著於該熔接部(20)及/或該熱固性複合材料體(10)。

在此實施例中，該多素材複合板可應用於碳纖維補強鋼管、碳纖維高壓氣瓶等，例如前者可貼附SS400鋼管，藉此補強銹蝕鋼管強度，經測試6吋(6'')鋼管補強後耐壓可達到約210kg/cm ²。

一種用於製造上述多素材複合板之方法，其包括： 提供纖維，將其含浸於熱固性樹脂中，以獲得一熱固性複合材料層； 使用單一熱固性複合材料層或將複數熱固性複合材料層按疊構方式疊至所需厚度，而形成一熱固性複合材料體，該等熱固性複合材料層於堆疊時可不需使用黏著劑，且當使用複數熱固性複合材料層時，各熱固性複合材料層所使用之纖維及熱固性樹脂之種類可為相同或不同； 提供熔接材料以及金屬，將熔接材料疊合於熱固性複合材料體之至少一面的部份或全部，再將金屬疊合於該熔接材料及/或該熱固性複合材料體上，而形成疊合物，其中該熔接材料包括熱塑性材料、實質上由熱塑性材料所組成、或由熱塑性材料所組成；以及 加熱加壓該疊合物，令該熔接材料與該熱固性複合材料體之熱固性樹脂達到交聯或熔融溫度而使該疊合物接合，以獲得該多素材複合板，其中加熱加壓的溫度及壓力可視熔接材料與熱固性樹脂之種類而進行調整，其中，樹脂的交聯溫度與時間取決於樹脂的玻璃轉化溫度（Tg），因此加熱溫度須達到Tg點，而加壓之壓力則係依據不同的材料而調整至可達成黏貼效果之數值。

於本創作中，該纖維包含但不限制於碳纖維、玻璃纖維、克維拉纖維、玄武岩纖維、高強度聚酯纖維、棉麻等天然纖維或依需要挑選其他可應用於本領域之纖維。

於本創作中，該熱固性樹脂係依據該多素材複合板所要之強度而選擇，該熱固性樹脂包含但不限制於環氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等或其組合，例如，T700碳紗含浸37wt.%環氧樹脂，其抗彎應力及模數分別為約900MPa及約60Gpa。

於本創作中，該熱固性樹脂係佔該熱固性複合材料層的約45 wt.%以上，較佳的可為約45 wt.%至約70 wt.%，甚佳的可為約45 wt.%至約60 wt.%，更佳的可為約45 wt.%至約55 wt.%；該纖維係佔該熱固性複合材料層的約55 wt%以下，較佳的可為30 wt.%至約55 wt.%，甚佳的可為約40 wt.%至約55 wt.%，更佳的為約45 wt.%至約55 wt.%。本創作多素材複合板中的纖維含量依使用功能設計，無需高纖維含量（高纖維有高剛性之缺點），材料使用需要配合人體運動功能，才能發揮舒適及增強效果。

於本創作中，該熱固性複合材料體之厚度與產品設計有關，因此該熱固性複合材料體之厚度並無限制。

於本創作中，該熔接部/熔接材料包括熱塑性材料、或實質上由熱塑性材料所組成、或由熱塑性材料所組成。

於本創作中，該熱塑性材料的種類可依據與後續加工料之黏貼效果而選擇，包含但不限制於聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚醯胺(PA)、聚氨酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、熱塑複合材料等或其組合，其中該熱塑複合材料(如聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PC-ABS))可為市售熱塑複合材料，如聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(PC-ABS)，其中各組份之含量、比例以及添加物皆依照各廠商所提供之商品而定。

於本創作中，該熔接部之厚度或該熔接材料施加於至少一個上述熱固性複合材料體之厚度可控制在約0.1至約5mm之範圍，較佳在約0.25 mm至約3.0 mm之範圍，更佳在約0.25 mm至約1.0 mm之範圍。

於本創作中，該金屬可為各種金屬材料，其可依需要進行挑選，例如但不限制於不銹鋼、鋁合金、鎂鋁合金或其他金屬材料，其可依其應用而選擇所需金屬材料，例如3C產品即可選用鎂鋁合金。

在一實施例中，該熔接部(20)可設置於一熱固性複合材料體(10)的相對兩面(如圖1及圖3所示)，依據不同的後加工需求或產品需求而可覆蓋於該熱固性複合材料體(10)之表面的部分或全部，因此當該複合板包含金屬層(30)時，該金屬層(30)可僅與該熔接部(20)接著，或者部分與該熔接部(20)接著，而部分與該熱固性複合材料體(10)接觸及/或接著。在此實施例中，該熱固性複合材料體(10)可與金屬層(30)結合且固化，藉此發揮強度特性，而後再藉由後加工貼在熔接部(20)上，故本創作複合板發揮熱固與金屬材料特性。

在另一實施例中，該熔接部(20)可夾設在二熱固性複合材料體(10)之間(如圖4)，但該熔接部(20)之至少部分露出，以利於後續熔接，該熔接部(20)可供熔接之表面的位置、大小及形狀可依不同設計(如產品種類及需求)所決定。

於本創作中，該多素材複合板可依據不同的應用製作為任何形狀，例如但不限制於棒型、管型等。 實例 實例 1 ( 自行車卡鞋強化底板的製造方法 )

將碳纖維含浸於環氧樹脂中，而獲得環氧樹脂含量為約45wt.%的熱固性複合材料體，再將該熱固性複合材料體與0.25mm的聚氨酯(PU)薄膜疊合，而形成疊合物，而後放入加硫機中(150°C之溫度維持30分鐘)熟固化成強化板，並將所獲得之強化版裁切沖壓呈鞋底所需形狀，最後放入射出成型機中製成強化底板。

之後此強化底板即可依照一般製鞋程序完成自行車卡鞋生產。 實例 2

實例2a至2c分別提供製造用於高彈性羽球鞋、安全鞋頭、3C機殼等的多素材複合板，其製造方法大致與實例1相同，不同之處在於熱固性複合材料層及熔接部的材料及厚度等參數，該等參數以及各實例之功效數據如下表1所示。

再者，以3C機殼為例，既有3C機殼僅使用熱固性樹脂，並未混用熱固性樹脂及熱塑性樹脂，而且製作時需要開模一片一片分別壓製成型，效率低。然，若以本創作複合板來進行製作，則可製作成大面積的板材，裁切後再射出加工，故可大幅提升速率，降低成本，而且經強度比較，本創作複合板具有與同材積鋁鎂合金板的強度相同(如抗壓變形量：荷重20kg變形量小於5mm)。 實例 3 ( 醫療輪椅 )

將碳纖維含浸於環氧樹脂中，而獲得環氧樹脂含量為約45wt.%的熱固性複合材料體，再將厚度為1.0 mm之熱固性複合材料體與0.1mm的聚氨酯(PU)薄膜以及碳鋼(JIS- S20C)疊合，而形成疊合物，而後以約155°C之溫度、約12kg/cm ²之壓力，加熱加壓約30分鐘，使該疊合物接合，以獲得該多素材複合板，最後再依所需之尺寸、樣式、功能製成醫療輪椅。詳細參數及功效數據亦如表1所示。 表 1<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 實例 </td><td> 熱固性複合材料層 </td><td> 熔接部 </td><td> 金屬層 </td><td> 鼓包/脫層現象 </td><td> 功效 </td></tr><tr><td> 熱固性樹脂 </td><td> 纖維 </td><td> 厚度 </td></tr><tr><td> 2a </td><td> 環氧樹脂 45 wt.% </td><td> 3K碳纖維織物 200g/m² 55 wt.% </td><td> 0.2 mm </td><td> 聚氨酯 0.1mm </td><td> NA </td><td> 無 </td><td> ISO20344 撓曲30000次 </td></tr><tr><td> 2b </td><td> 耐龍66 55 wt.% </td><td> 碳纖維 45 wt.% </td><td> 3.0mm </td><td> 聚氨酯 0.5mm </td><td> NA </td><td> 無 </td><td> 通過CNS6863 安全撞擊 </td></tr><tr><td> 2c </td><td> 環氧樹脂 45 wt.% </td><td> 碳纖維 55 wt.% </td><td> 0.3mm x2 (貼附碳酸酯兩側) </td><td> 碳酸酯 0.8mm </td><td> NA </td><td> 無 </td><td> 200*200*1.2mm複合板，其抗壓變形以ISO 14704-2000方法測試，荷重20kg變形量小於5mm </td></tr><tr><td> 3 </td><td> 環氧樹脂 45 wt.% </td><td> 碳纖維 55 wt.% </td><td> 1.0mm </td><td> 聚氨酯 0.1mm </td><td> 碳鋼JIS-S20C (0.5mm) </td><td> 無 </td><td> 較目前市售輪椅，重量減輕35%(本創作輪椅約8.8公斤) </td></tr></TBODY></TABLE>

上文已相當廣泛地概述本揭露之技術特徵及優點，俾使下文之本創作詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵及優點將描述於下文。本創作所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或設計其它結構或製程而實現與本創作相同之目的。本創作所屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，此類等效結構及方法仍屬於後附之申請專利範圍所界定之本創作的精神和範圍。

10‧‧‧熱固性複合材料體

11‧‧‧熱固性樹脂

12‧‧‧纖維

20‧‧‧熔接部

30‧‧‧金屬層

圖1係本創作包含熱固性複合材料體及熔接部之多素材複合板的側視圖。

圖2係本創作熱固性複合材料體之示意圖。

圖3係本創作包含熱固性複合材料體、熔接部及金屬層之多素材複合板之一實施例的側視圖。

圖4係本創作包含熱固性複合材料體、熔接部及金屬層之多素材複合板之另一實施例的側視圖。

Claims (10)

1. 一種多素材複合板，其包括： 至少一熱固性複合材料體，各熱固性複合材料體包含至少一熱固性複合材料層，各熱固性複合材料層包括含浸熱固性樹脂之纖維；以及 至少一熔接部，其係設置於該熱固性複合材料體之至少一面，該熔接部包括熱塑性材料。
2. 一種多素材複合板，其包括： 至少一熱固性複合材料體，各熱固性複合材料體包含至少一熱固性複合材料層，各熱固性複合材料層包括含浸熱固性樹脂之纖維； 至少一熔接部，其係設置於該熱固性複合材料體之至少一面，該熔接部包括熱塑性材料；以及 至少一金屬層，其係接著於該熔接部及/或該熱固性複合材料體。
3. 如請求項1或2之多素材複合板，其中該纖維係選自碳纖維、玻璃纖維、克維拉纖維、玄武岩纖維、高強度聚酯纖維或棉麻。
4. 如請求項1或2之多素材複合板，其中該熱固性樹脂係選自環氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或其組合。
5. 如請求項1或2之多素材複合板，其中該熱塑性材料係選自聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚醯胺(PA)、聚氨酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、熱塑複合材料或其組合。
6. 如請求項1或2之多素材複合板，其中該熱固性樹脂係佔該熱固性複合材料層的約45wt.%至約70wt.%，該纖維係佔該熱固性複合材料層的約30wt.%至約55wt.%。
7. 如請求項6之多素材複合板，其中該熱固性樹脂係佔該熱固性複合材料層的約45 wt.%至約60 wt.%，該纖維係佔該熱固性複合材料層的約40 wt.%至約55 wt.%。
8. 如請求項7之多素材複合板，其中該熱固性樹脂係佔該熱固性複合材料層的約45 wt.%至約55 wt.%，該纖維係佔該熱固性複合材料層的約45 wt.%至約55 wt.%。
9. 如請求項1或2之多素材複合板，其中該熔接部之厚度在約0.1至約5mm之範圍。
10. 如請求項2之多素材複合板，其中該金屬為不銹鋼、鋁合金或鎂鋁合金。