碳纤维无序毡及碳纤维复合材料制造技术

本发明专利技术涉及无序毡材料及其生产方法，具体涉及碳纤维无序毡、及由所述毡制成的具有高机械性能的碳纤维复合材料。本发明专利技术涉及上述纤维无序毡的不包括复杂步骤的生产工艺。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳纤维无序毡及碳纤维复合材料
本专利技术涉及无序毡材料及其生产方法，具体涉及碳纤维无序毡及由所述毡制成的具有高机械性能的碳纤维复合材料。本专利技术涉及上述纤维无序毡的不包括复杂步骤的生产工艺。
技术介绍
包含碳纤维的碳纤维复合材料用于各种成型制品的制造和各种技术。这样的材料表现出高机械性能，能够实现制造具有高机械性能的成型制品。特别地，由纤维束构成的无序毡已被广泛用于制造碳纤维复合物。这样的碳纤维复合物具有良好的机械性能和成型性。为了制造这样的无序毡，使用了束尺寸极窄(例如1K和3K丝束(tow))的纤维丝束。然而，这样的纤维丝束往往是昂贵的。最近，已开发出更宽的纤维丝束，目前得到广泛利用。对于无序毡用途而言，已尝试使用了12K纤维丝束，但更宽的纤维束会降低机械性能，并且没有特殊的生产技术则无法使用。例如，专利申请WO2014156760涉及包含碳纤维的碳纤维无纺布，其中碳纤维复合材料中特定碳纤维束相对于纤维总量而言的比例较低，并且，各特定碳纤维束中纤维的平均数量被控制在特定的范围内。碳纤维束相对于碳纤维总重量而言的比例为5至80重量％。若碳纤维束的比例多于80重量％，则碳纤维的机械性能和对于微小部分的追随性变差，并且机械性能的变化增大。各特定碳纤维束中纤维的平均数量为每束90至1,000根纤维。形成碳纤维束的碳纤维数量的标准偏差σ为50至500。然而，在如WO2014156760所记载的这种碳纤维复合材料中，碳纤维复合材料中的碳纤维束较细，束的比例较低，碳纤维得以精制。尽管使用其制造的成型制品的机械性能优异，但生产其的工艺需要高度复杂的机器设备，因此，由于碳纤维自身是昂贵的，生产这样的碳纤维复合物的成本进一步升高。专利申请JP2009-062648A涉及一种复合材料，其中，碳纤维复合材料中，特定的碳纤维束相对于纤维总量而言的比例与上述中相似，被设置为高水平，各特定碳纤维束中纤维的平均数量被控制在另一特定范围内。此外，对碳纤维束的边缘的角度进行了限定，使得在碳纤维束边缘不会发生应力集中，碳纤维复合物的机械性能不会降低。然而，在如JP2009-062648A所记载的这种碳纤维复合材料中，碳纤维束较粗，并且束边缘的角度受到控制，其生产成本变得较高，难以在产业上广泛利用该碳纤维复合物。因此，需要提供具有良好机械性能、并且能够利用常规机器设备生产以节约生产成本的碳纤维复合材料。
技术实现思路
专利技术所要解决的技术课题本专利技术的目的在于提供解决上述技术课题的无序毡材料及复合材料。具体而言，本专利技术的目的在于提供无序毡材料和具有高机械性能的复合材料。特别地，本专利技术的目的在于以更低制造成本来提供上述材料。特别地，本专利技术的目的在于提供上述纤维无序毡的不包括复杂步骤的生产工艺。本专利技术的目的还在于提供无序毡材料，以及无需特殊的机器设备即可制造的复合材料。本专利技术的目的在于提供在产业上具有广泛用途的无序毡材料和复合材料。因此，本专利技术的目的之一在于提供具有良好机械性能、且能够利用常规机器设备生产以节约生产成本的碳纤维复合材料。更具体而言，本专利技术的目的在于提供能够利用更宽的纤维丝束(例如，大于3K，优选为至少12K)、以低成本制造的无序毡材料。
技术实现思路
本专利技术用于解决技术课题的手段为了实现上述目的，解决上述技术课题，本申请专利技术人制造了包含纤维束的无序毡材料，所述纤维束包含平均纤维长度为5至100mm的纤维，在纤维束端部，纤维束中纤维的数量在纤维方向上从纤维束的中心到边缘减少，并且纤维束中纤维的平均数量N满足下式：D为纤维束中纤维的平均直径，以微米(μm)表示。在该范围内，由这些纤维束制造的无序毡可生产具有良好机械性能的碳纤维复合物。“纤维”是本领域中周知的，尤其指提供较之没有纤维的情况而言更高的机械性能(更具体指至少更高的弯曲模量及/或更高的弯曲强度)的复合材料中存在的纤维。根据本专利技术，除非另有其他表述，“纤维”即被称为“纤维”。从机械性能的观点考虑，优选的是，N小于3.5x105/D2。在一个实施方式中，N满足下式：1,200<N<20,000，优选满足下式：1,500<N<10,000。在一个优选实施方式中，N满足下式：2,000<N<10,000，优选满足下式：3,000<N<6,000。在一个实施方式中，纤维为碳纤维。碳纤维优选以纤维束的形式使用，并且纤维束中纤维的平均数量在下式的范围内。D：纤维束中碳纤维的平均直径(微米；μm)。尽管本专利技术中使用的纤维没有特别限制，但纤维优选包含碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、及它们的任意混合物，或由它们构成。更优选使用高强度且高弹性模量的碳纤维。典型地，纤维为人造纤维。在一个实施方式中，使用了一种碳纤维。在一个实施方式中，合用了两种或多种碳纤维。具体而言，通常使用的碳纤维中，可举出PAN类、沥青类、人造丝类碳纤维、或它们的任意混合物。从所得成型制品的强度与弹性模量的均衡性的观点考虑，优选PAN类碳纤维。通常，为了对碳纤维进行集束，构成碳纤维束的碳纤维含有上浆剂。在一个优选实施方式中，碳纤维的密度优选在1.65至1.95g/cm3的范围内，更优选在1.70至1.85g/cm3的范围内。若密度过高，则得到的包含该纤维的复合材料(例如碳纤维增强塑料)在重量方面的轻质性差，若密度过低，则复合材料的机械性能可能降低。根据本专利技术，无需高性能的机器和设备即可得到高机械性能，从而得以维持较低的生产成本。在一个实施方式中，纤维束具有倾斜的端部。纤维束中纤维数量的变化不限于特定范围。在一个实施方式中，纤维束中纤维数量的标准偏差SDN满足下式：1,000<SDN<6,000。这样的束中纤维数量的标准偏差SDN可提供高机械性能。并且，生产成本也低。在一个实施方式中，SDN满足下式：2,000<SDN<6,000，并且优选3,000<SDN<6,000。典型地，纤维(尤其是碳纤维)的直径为1至30微米，更常见地为5至10微米。为了实现高机械性能和低成本生产，优选的是，纤维的种类为选自由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、及它们的任意混合物组成的组中的至少一种。本专利技术还涉及上述纤维、尤其是上述碳纤维束。典型地，纤维形成增强纤维。典型地，纤维束形成增强纤维束。本专利技术还涉及用于制备根据本专利技术的无序毡材料的方法或工艺，所述方法或工艺包括以下步骤：步骤(i)，以实质上恒定的间隔切割纤维束，其中，切削刃相对于纤维方向而言具有倾斜角θ；和步骤(ii)，减小纤维束的尺寸，由此提供根据本专利技术的无序毡材料。步骤(i)中，为了连续供给纤维束，使用了连续纤维束。典型地，这样的连续纤维束以纤维丝束的形式市售。在一个实施方式中，在步骤(i)对连续碳纤维束进行切割。在一个优选实施方式中，在步骤(i)对12K碳纤维束进行切割。通常称为12K碳纤维丝束。在一个优选实施方式中，在步骤(i)对24K碳纤维束进行切割。通常称为24K碳纤维丝束。切割步骤(i)涉及一种或多种切割辊。只要能够提供根据本专利技术的纤维束，则可不受限制地选择切割辊的转速。然而，为了通过工业化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.包含纤维束的无序毡材料，所述纤维束包含平均纤维长度为5至100mm的纤维，并且纤维束中纤维的平均数量N满足下式：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.15 EP 16305921.51.包含纤维束的无序毡材料，所述纤维束包含平均纤维长度为5至100mm的纤维，并且纤维束中纤维的平均数量N满足下式：其中，D为纤维束中纤维的平均直径，以微米表示，并且其中，纤维束中纤维数量的标准偏差SDN满足下式：1,000<SDN<6,000其中，在纤维束端部，纤维束中纤维的数量在纤维方向上从纤维束的中心到边缘减少。2.根据权利要求1所述的无序毡，其中，纤维束中纤维数量的标准偏差SDN满足下式：2,000<SDN<6,000。3.根据权利要求1至2中任一项所述的无序毡，其中，纤维选自由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、及它们的任意混合物组成的组。4.根据权利要求1至3中任一项所述的无序毡，其中，所述无序毡包含热固性或热塑性的基体、和纤维束。5.包含纤维束的无序毡的生产方法，所述纤维束包含纤维，所述方法包括以下步骤：步骤(i)，以实质上恒定的间隔切割纤维束，其中，切削刃相对于纤维方向而言具有倾斜角θ；和步骤(ii)，减小纤维束的尺寸，由此提供根据本发明的无序毡材料。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述纤维束包含平均纤维长度为5至100mm的纤维，并且纤维束中纤维的平均数量N满足下式：其中，D为纤维束中纤维的平均直径，以微米表示，并且其中，纤维束中纤维数量的标准偏差SDN满足下式：1,000<SDN<6,000其中，在纤维束端部，纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·格利，Y·布扎雷，唐木琢也，武田一朗，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP