通过包括新型的有效负载传递机制的高效纤维与纳米纤维接合来制造混合(纤维-纳米纤维)纺织品的工艺制造技术

纳米颗粒增强纳米纤维包括作为突起的单独的或者以附聚物的方式存在的纳米颗粒增强件，所述突起具有在30nm至8微米之间的尺寸范围并被用作聚合物纳米纤维和最终多层复合材料的聚合物基质系统之间的锚定部。

Manufacturing of blended (fibre-nanofibre) textiles by bonding high-efficiency fibers with nanofibers including novel payload transfer mechanisms

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过包括新型的有效负载传递机制的高效纤维与纳米纤维接合来制造混合(纤维-纳米纤维)纺织品的工艺相关申请的交叉引用本申请要求2016年11月29日提交的美国临时申请第62/427,429号的优先权，因此将其公开内容通过引用全部并入本文中以用于所有目的。
本专利技术涉及用于聚合物复合材料工业的碳或其他纤维类纺织品的处理、改性和增强。
技术介绍
伴随着高需求，纤维增强聚合物复合多层结构在运输、运动和能源等工业领域的应用逐年增加。例如，从2012年到2018年，预计全球的碳纤维复合材料市场的复合年增长率(CAGR：CompoundAnnualGrowthRate)由7％增至8％。此外，最近的研究包括预计CAGR从2015年到2020年将高达12％以及全球市场估计将超过120亿美元。复合结构的这种高需求需要越来越多的可以大幅提高复合材料性能以满足市场和新应用的需要的新技术。在上述工业领域内的多层复合材料的应用中，人们不断地需要更轻且同时更坚固的结构。复合结构遭受脱层、裂缝在中间层(两个连续薄层之间的区域)内传播。在现有文献中，通常通过中间层内的增强件来实现强度，该增强件最终能够增强断裂韧性性能(模式I和模式II测试)以及抗冲击性(冲击后压缩-CAI)。在本专利技术中示出了如何利用中间层增强件来增强材料的拉伸强度，此外，为了获得与当前使用的织物薄层相比类似的强度水平，由于使用较少的织物层而导致特定结构组件的重量减轻。以改进聚合物复合材料为目的，聚合物(优选为各种形态的热塑性纤维(短纤维、连续纤维、非织造织物等))的应用已经广泛用于中间层的增强。EP2926987A1报道了聚合物-纳米颗粒增强中间层的产生，该中间层可以是聚合物纤维(据报道，纤维直径为1～100微米)的形式，其中，纳米颗粒嵌入在聚合物纤维内。在本专利技术中，将聚合物纤维加热并熔化接合到纤维床(主要织物)的整个表面上，或者将聚合物纤维缝合或直接纺织到纤维床的整个表面上。在聚合物微纤维内使用纳米颗粒，以提高聚合物(纤维或非纤维的)中间层的性能(例如，刚度)。本专利技术旨在提高最终复合材料的性能，尤其是模式I、模式II和CAI。为了类似地提高最终复合材料的性能，专利技术EP1473132A2提出了与热塑性微纤维的纤维网(据报道，纤维直径为1～100微米)相关的多轴单向层的堆叠。通过加热辊实现单向层之间的网状连接，该加热辊在织物的整个表面上提供连续焊接。此外，WO2007015706A1报道了类似尺寸的热塑性纤维的聚合物连续纤维增强中间层的产生，该中间层通过加热、熔化接合或机械接合到纤维床的整个表面上来实现模式I、模式II和CAI的类似改进。另一专利技术EP1125728A1介绍了纤维网在多层结构的至少一个中间层内的应用，这使得可以提高最终复合材料的机械性能。本专利技术涉及通过使用附接到实际纤维床的短纤维非织造织物来改进复合材料。这种附接主要是通过针刺工艺进行的，并且也可以通过高压接合、加热或热熔工艺进行这种附接。此外，US2012015167A1使用类似尺寸(0.5～70微米)的热塑性微纤维用于中间层增强。在本专利技术中，热塑性纤维以整个表面或点的形式接合到碳纤维床的表面上。在本专利技术中，与本文档中报道的其他相关专利技术的文献相比，薄层厚度保持非常小的变化，从而实现了最终复合碳纤维的体积分数维持在作为航空要求的60％。通过本专利技术，在薄层内不存在缝合或其他纬纱，从而在断裂韧性和CAI方面实现了更高的性能。由于消除了缝合和纬纱，因此也实现了拉伸强度的轻微增加，并因此尽管存在中间层，但仍然能够保持高的碳纤维体积分数。类似地，US2012202004A1呈现了通过热塑性微纤维网开发两个单向(UD：unidirectional)碳纤维层的堆叠，该热塑性微纤维网在间隔或间断的焊接点中与UD层焊接，旨在通过消除缝合和/或针织纬线的使用而充分利用薄层内较高的碳纤维含量，由此实现了更好的机械性能(断裂韧性和CAI)。在消除缝合和/或针织纬线的使用的相同角度下，专利技术US2012015135A1和US2013108823A1报道了用于制造复合材料部件的丝带或条带形式的新型中间材料。前者使用非织造热塑性微织物，并且后者使用由类似尺寸的微纤维制成的热塑性面纱。US2012015135A1描述了单向碳纤维丝的加工，随后通过卷对卷(rolltoroll)加工和连续的热压缩步骤进行热塑性非织造微织物的附接，从而将非织造微织物附接到UD束的整个表面上。另外，WO2006121961A1介绍了由热塑性微纤维制成的面纱形式的的中间层，进一步用纳米颗粒或颗粒增强中间层，以定位颗粒浓度并提高最终复合材料的特定性能。在本专利技术中，在铺叠(lay-up)过程期间内进行微纤维中间层的放置，然后进行固化过程，以便产生在断裂韧性和CAI性能方面增强的复合材料。此外，专利技术WO2015011549A1提供了一种创新的纤维增强聚合物组合物，以通过引入增韧中间层来改善特别是模式II的断裂韧性，该增韧中间层通过由高纵横比的材料制成的第三阻挡层而附接到纤维床。该阻挡层可以不是碳纳米管或其他纳米纤维，并且其旨在将实际的增韧中间层附接到纤维床。另一专利技术US2003180514A1利用热塑性纤维丝来连接连续的织物层，该热塑性纤维丝对齐，彼此明显地间隔开并且在从薄层到薄层的不同方向上。通过热塑性纤维的熔融来实现实际的连接。以改善除了机械性能外的不同性能为目的的其他专利技术人也已经使用了热塑性微纤维的引入。例如，US2011287246A1利用在预浸料(prepreg)内使用亚铁纳米颗粒而得到增强的热塑性微纤维来增强传导性。在JP-04-292634A、WO94/016003和JP-H02-32843A中描述了热塑性微纤维中间层的引入。另外，US6503856B1旨在通过将相对大(大于15微米)的纤维的热塑性网熔喷到碳纤维网络的一个或多个的表面上来增强碳纤维板材料而改善碳纤维板材料的传导性。此外，在WO2014120321A2中已经呈现了通过将同心的核-壳热塑性纤维引入到中间层而使复合材料自愈。核-壳纤维装载有液体愈合剂并且通过共电纺丝(co-electrospinning)来生产。在US20150111175中呈现了如下的另一专利技术：通过静电纺丝，随后在纤维和纳米纤维之间进行熔融接合以便产生聚合物纤维纱线，从而聚合物纤维与聚合物纳米纤维接合。最后，KR20110045715A使用纳米织物的电纺膜(electrospunmembrane)作为工业织物的增强件，以使电纺膜防水。通过工业织物的整个表面上的UV活化粘合剂将该膜接合到工业织物。专利技术人的先前工作[V.M.Drakonakis,CNTReinforcedEpoxyFoamedandElectrospunNanoFiberInterlayerSystemsforManufacturingLighterandStrongerFeatherweightTMComposites(用于制造更轻、更强的羽量级TM复合材料的CNT增强环氧泡沫电纺纳米纤维中间层系统),Ph.DDissertation,UniversityofTexasatArlington,(2012)\DrakonakisV.M.；Velisar本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米颗粒增强纳米纤维，其包括作为突起的例如单独的或者以附聚物的方式存在的纳米颗粒增强件，所述突起具有在30nm至8微米之间的尺寸范围，其中，所述突起被用作所述聚合物纳米纤维和最终多层复合材料的聚合物基质系统之间的锚定部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.29 US 62/427,4291.一种纳米颗粒增强纳米纤维，其包括作为突起的例如单独的或者以附聚物的方式存在的纳米颗粒增强件，所述突起具有在30nm至8微米之间的尺寸范围，其中，所述突起被用作所述聚合物纳米纤维和最终多层复合材料的聚合物基质系统之间的锚定部。2.根据权利要求1所述的纳米颗粒增强聚合物纳米纤维，所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维能够增强多层聚合物复合材料的至少两个连续的单向纤维(碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等)薄层内的中间层区域。3.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒增强聚合物纳米纤维，所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维为所述纳米纤维的丝的形式。4.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒增强聚合物纳米纤维，所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维是通过静电纺丝工艺或通过能够获得类似尺寸、类似化学状态和类似强度的纳米纤维的任何其他工艺而被加工的。5.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒增强聚合物纳米纤维，所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维具有30～300nm的当前平均直径。6.根据前述权利要求中任一项所述的纳米颗粒增强聚合物纳米纤维，所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维为具有高完整性且在纳米纤维直径和纳米织物厚度方面具有低偏差(±1微米)的所述非织造纳米织物的形式，其中，特别地，通过超声波焊接过程，纳米颗粒增强聚合物纳米纤维在与碳织物(UD或织造织物)生产线的生产速度相适应的速度下通过连续的焊接线被焊接到一个纤维薄层的一侧或两侧上，所述焊接线在彼此不同的空间(5mm～10cm)内并且具有在1～25mm的范围内的宽度。7.根据权利要求6所述的纳米颗粒增强聚合物纳米纤维，其中，-在所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维和主纤维床的所述纤维(碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、聚合物纤维等)内产生的接合部独立地表现出高达100MPa的强度，和/或，-在所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维和所述主纤维床的所述纤维(碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、聚合物纤维等)内产生的接合部有效地传递载荷，从而有助于所述复合多层结构的拉伸强度增加40％，和/或，-在所述纳米颗粒增强聚合物纳米纤维和所述主纤维床的所述纤维(碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦西雷斯·德拉科纳基斯，卡特琳娜·索福克劳斯，
申请(专利权)人：先进材料设计制造有限公司，
类型：发明
国别省市：塞浦路斯,CY