单向增强体、制备单向增强体的方法及其用途技术

本发明专利技术涉及单向增强体及制备单向增强体的方法。本发明专利技术的单向增强体可用于所有需要高质量和高强度的应用中。本发明专利技术的单向增强体包括横向布置的分立Z‑方向树脂流动促进装置(128)，其在所述片材的所述纵向边缘之间来回延伸，并且在所述粗纱组之间及在所述单一幅材(120)的所述顶表面和所述底表面之间行进。

【技术实现步骤摘要】
本申请是2016年5月23日提交的、名称为“单向增强体、制备单向增强体的方法及其用途”、申请号为201480064002.5的中国专利申请的分案申请。
本专利技术涉及单向增强体、制备单向增强体的方法及其用途。本专利技术的单向增强体可用于所有一般需要增强体的应用，特别是用于使用闭模方法的那些应用。闭模方法通常意指在需要最终产品具有特别高的质量和强度的应用中使用真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)或轻型RTM技术将树脂分布在模具中。本专利技术的单向增强体特别适用于制造风力涡轮机叶片的翼梁帽层压制品、汽车部件、船、各种强度构件等等，即，适用于制造所有需要纵向形态的结构。
技术介绍
当使用各种纤维例如玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维以及亚麻纤维、大麻纤维、黄麻纤维、洋麻纤维、玄武岩纤维和其他天然纤维等等制造复合和层压产品以便制造例如船、汽车和风力涡轮机部件时，制造是以制备可具有单向或多轴取向的适当纤维增强体，如织造或针织结构开始的。然后将这些结构放入用于制造中间产品或最终产品的模具中。模具自然地具有最终产品的形状，意味着该形状有时可能非常复杂，并且在放入模具中时需要增强体的大量成形。通常在模具中将几层、最多达数十层的增强体一个接一个上下堆叠，并且将与硬化剂或不饱和聚酯树脂或乙烯基酯混合的热固性树脂如环氧树脂引入模具中以形成纤维增强复合材料制品。树脂也可为热塑性塑料如PA（聚酰胺）或CBT（环状聚对苯二甲酸丁二醇酯）等等。实践已经表明，当最终产品必须抵抗高机械负荷时，可通过缝合而在横向方向上保持在一起的单向增强体是其制造中的优选选择，因为它们可有效地根据负荷而取向。此类单向增强体由一般称为增强纤维的粗纱或丝束制成。单向增强体通常由单层增强粗纱形成。增强体的构造取决于粗纱的目标面积重量（areal weight）和特克斯数。例如如果需要高面积重量，则在其制造中使用厚粗纱（例如2400特克斯的E-glass），而在需要具有低面积重量的增强体的情况下，则在其制造中使用薄粗纱（例如600特克斯的E-glass）。最终产品（即固化层压制品结构）可通过如下任一方式由多个此类单向增强体制成：将增强体的各层布置成使得在最终产品中每层的粗纱是平行的或根据层压制品构造所受到的负荷使一些层在其他方向上取向；或者首先制造几层单向增强体的织物，使得相邻层的粗纱形成一定角度，随后在制备最终产品的过程中使用由此形成的纤维织物。此类纤维织物被称为双轴、三轴、四轴等等，具体取决于其中的不同纤维取向的数量。单向增强体在性质上固有地不稳定，因为纱线仅在一个方向上延伸。为了能够处理单向增强体，其粗纱必须以合适的方式彼此锚固或粘结在一起。已知的现有技术存在两种不同原理的机械方法以达成此目的。一种方法是通过缝合（例如，经织）固定粗纱。缝合纱线形成针织环（即缝线），所述针织环将实际的增强粗纱在增强体中保持就位。缝线由各种针织元件（例如针）形成，所述针织元件根据已知的经织技术穿入增强纤维的一层或多层。另一种机械方法是使用编织技术将纵向经纱与轻质纬纱锚固在它们相应的位置。未涂覆纱线和热熔涂覆纱线两者均用作纬纱。在加热和冷却后，热熔粘结剂为增强体赋予了显著的稳定性。而编织替代方案不再被认为是有利的，因为增强纱线在横穿纬纱时会形成纽结，从而导致应力集中以及比针织形式低的机械性能。已发现热熔粘结剂纱线在使用时会在基体固化中产生局部干扰，因此不再受行业青睐。通常，纬纱为复丝纱线，不论其是否为热熔纱线，都会在受压时会变平。EP-A1-2233625讨论了一种单向增强纤维织造织物，其中通过捆束辅助纬纱和辅助经纱，而将被布置成在一个方向上彼此平行的增强纤维纱线保持在预定形态。每个辅助纬纱在织物的一个表面上沿横向于增强纤维纱线的方向延伸。辅助纬纱被交替地布置在织物的两个表面上。辅助经纱与增强纤维纱线平行地延伸，并以交错（zig-zag）方式穿入织物使得每个辅助经纱绕过每个辅助纬纱，并且当这样做时，将辅助纬纱绑紧至织物。换句话讲，当交织辅助纬纱时，辅助经纱会穿过织物从一个表面到达另一个表面，从而将增强纤维纱线分隔成单向增强纤维纱线束。换句话讲，该EP文献教导了通过使用织布机来实现单向增强纤维纱线的机械成束，该织布机为相对复杂的机器，会给生产带来问题。例如，由于织物的各层连续改变其相互位置，该编织会导致各粗纱之间的磨损，这易于造成粗纱中的长丝断裂，从而不仅降低了产品质量，而且增大了停工的风险。此外，使增强粗纱、丝束或纱线成束会导致增强粗纱之间的富树脂区域增加内应力，这是由于此时不均匀地发生了树脂收缩。通过各种热塑性粘结剂将单向粗纱粘结在一起的化学方法也已进入市场。实践已经表明，当粗纱以化学方式彼此锚固在一起时，该粘结会使增强体变得相对刚性，因此难以将增强体设置在模具中，即，难以使增强体遵循模具的轮廓，模具形状越复杂，难度越大。然而，仔细选择粘结剂（通常为热塑性粘结剂，例如呈粉末形式）及其用量，可使增强体的成形性能（主要是柔性）达到可接受水平。除了上述处理刚度之外，在模具中的增强体叠堆的树脂渗透性和浸透（wet-out）速度方面还观察到与以化学方式粘结的增强体相关的其他问题。与树脂渗透性及增强体中的粗纱粘结相关的问题归因于这样的事实：在灌注模塑阶段，粗纱在局部彼此非常紧密地靠在一起（在真空灌注工艺的压力作用下尤为显著），首先，气体从开口腔体流出，其次，在模具中的增强体层之中和之间填充开口腔体的树脂的流动非常缓慢，除非采取任何特定措施。由于良好的树脂渗透性对于模塑工艺的实际执行至关重要，通常在将树脂进给到模具中时利用压力差来加速树脂渗透性。在闭模方法中通常的做法是将真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)或轻型RTM技术与它们的多种变型和助流材料如塑性稀松布（scrim）一起应用，以将树脂分布在模具中的所有增强体层的上方。然而，有时尽管采取了各种措施，如真空和/或升高的进给压力，小气穴也往往会留在增强体中，从而显著降低层压制品的强度性能。鉴于上述情况，必须研究新的方法，以改善气体从增强体叠堆的移除以及增强体对于树脂的渗透性。改善增强体渗透性的一种方法是为增强体提供树脂的流道，所述流道允许树脂在增强体中快速流动。在现有技术中可找到多种方法可用于将树脂流道布置在增强体中或增强体叠堆中的增强体之间。然而，已经了解到，此类流道的使用并不非常有效，因为在灌注阶段施加的真空往往会移动或拉动相邻区域或增强体的粗纱，甚至会使它们的位置移动成填塞流道/腔体。EP-A1-1491323公开了一种增强结构，其包括单向增强线和横向强化线。强化线以间隔方式分布在增强线的层上。强化线可为热塑性材料，使得通过熔化或软化，强化线会紧固到增强线并且为增强体赋予其所需的横向稳定性。为了确保所注入的树脂的足够毛细引流，纵向增强线的层设置有纵向引流线，这些纵向引流线因此平行于彼此并平行于增强线。引流线以间隔方式布置在增强线的层中。引流线可由玻璃纤维形成，玻璃纤维上覆盖有起着足够毛细管作用的纤维，例如棉纤维或纤维素纤维，以引流所注入的树脂。引流线的另一选项是增强线，这些增强线每一者上缠绕有单丝。从而形成了树脂的螺旋流道。因此，很明显，增强体中的流道在增强体的纵向方向上形成。EP-B1-1667838讨论了在复合材料织物中形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单向增强体，所述单向增强体用于通过闭模方法（例如树脂传递模塑(RTM)工艺或真空灌注模塑工艺）来制造纤维增强复合材料，所述单向增强体(2, 4, 34, 120)包含连续单向粗纱(102)，所述连续单向粗纱沿所述增强体(120)的纵向方向布置并且彼此通过热塑性和/或热固性粘结剂粘结在一起，所述增强体(2, 4, 34, 120)具有两个纵向边缘、一个顶表面和一个底表面，其特征在于用于促进树脂在横向和Z‑方向上流动的分立装置(128, 138)，所述分立树脂流动促进装置在横向方向上在所述增强体的所述纵向边缘之间来回延伸，在所述增强体(2, 4, 34, 120)的所述顶表面与所述底表面之间行进，并且在其侧面上形成树脂流道(100)。

【技术特征摘要】
2013.11.22 EP 13193998.51. 一种单向增强体，所述单向增强体用于通过闭模方法（例如树脂传递模塑(RTM)工艺或真空灌注模塑工艺）来制造纤维增强复合材料，所述单向增强体(2, 4, 34, 120)包含连续单向粗纱(102)，所述连续单向粗纱沿所述增强体(120)的纵向方向布置并且彼此通过热塑性和/或热固性粘结剂粘结在一起，所述增强体(2, 4, 34, 120)具有两个纵向边缘、一个顶表面和一个底表面，其特征在于用于促进树脂在横向和Z-方向上流动的分立装置(128, 138)，所述分立树脂流动促进装置在横向方向上在所述增强体的所述纵向边缘之间来回延伸，在所述增强体(2, 4, 34, 120)的所述顶表面与所述底表面之间行进，并且在其侧面上形成树脂流道(100)。2. 根据权利要求1所述的单向增强体，其特征在于：所述分立Z-方向树脂流动促进装置(128, 138)为单根长丝或一些长丝的粘结束。3. 根据权利要求2所述的单向增强体，其特征在于：所述分立Z-方向树脂流动促进装置(128, 138)在受到真空灌注或RTM压缩时具有100至300µm的直径或厚度。4. 根据权利要求1、2或3所述的单向增强体，其特征在于：所述分立Z-方向树脂流动促进装置(128, 138)由聚酰胺(PA)、共聚酰胺或共聚酯（co-PET）制成，或所述分立Z-方向树脂流动促进装置为双组分纤维、丙烯酸纤维或聚烯烃纤维。5. 根据权利要求1、2或3所述的单向增强体，其特征在于：所述分立Z-方向树脂流动促进装置(128, 138)为具有可熔外芯的双组分单丝。6. 根据前述权利要求中任一项所述的单向增强体，其特征在于：附加装置，所述附加装置用于在浸透增强体(2, 4, 34, 120)的叠堆时促进树脂在与所述单向粗纱(102)的方向横向的方向上浸渍所述增强体(2, 4, 34, 120)，所述浸渍促进装置为用于形成与所述单向粗纱(102)横向布置的树脂流道的薄分立装置(6, 40)，所述薄分立流道形成装置(6, 40)在其侧面上形成树脂的横向流道(10)，所述横向流道(10)从所述单向增强体(2, 4, 34, 120)的一个纵向边缘延伸到其相对的纵向边缘。7. 根据权利要求6所述的单向增强体，其特征在于：用于将所述薄分立流道形成装置(6, 40)固定在所述单向粗纱上的附加纱线(42, 46)，所述附加纱线(42, 46)在所述薄分立流道形成装置(6, 40)上并以与所述薄分立流道形成装置(6, 40)横向的方式延伸，每个附加纱线(42, 46)在所述增强体的所述顶表面上或所述底表面上延伸，并且以粘合方式粘结到至少所述单向粗纱。8. 根据权利要求7所述的单向增强体，其特征在于：所述附加纱线(42, 46)通过热塑性和/或热固性粘结剂粘结到所述单向粗纱。9. 根据权利要求6所述的单向增强体，其特征在于：所述薄分立流道形成装置(6, 40)在受到真空灌注或RTM压缩时具有100至300µm的直径或厚度。10. 根据权利要求6所述的单向增强体，其特征在于：所述薄分立流道形成装置(6, 40)由聚酰胺(PA)、聚酯(PET)、酚氧树脂、共聚酰胺或共聚酯（co-PET）制成，或由双组分纤维、丙烯酸纤维或聚烯烃纤维制成。11. 根据权利要求6所述的单向增强体，其特征在于：所述薄分立流道形成装置(6, 40)是具有可熔外芯的双组分单丝。12. 根据权利要求7或8所述的单向增强体，其特征在于：所述附加纱线(42, 46)设置有热塑性和/或热固性粘结剂，以便将所述纱线(42, 46)固定在所述单向粗纱上。13. 根据权利要求7、8或12所述的单向增强体，其特征在于：所述附加纱线(42, 46)以彼此相距5 – 50mm的侧向距离布置。14. 根据权利要求7、8、12或13所述的单向增强体，其特征在于：所述附加纱线(42, 46)由玻璃、聚酯、聚酰胺、聚醚、芳纶、金属或碳纤维、或天然纤维或改性天然纤维、或上述纤维的任何组合制成。15. 根据权利要求7、8、12或13所述的单向增强体，其特征在于：所述附加纱线(42, 46)与所述单向粗纱具有相同的材料。16. 根据前述权利要求6 - 15中任一项所述的单向增强体，其特征在于：所述薄分立流道形成装置(6)在它们所铺设的所述表面（所述顶表面或所述底表面）上平行，并且以2 – 50mm的间距定位在所述单向增强体(2, 4, 34)上。17.根据前述权利要求中任一项所述的单向增强体，其特征在于：所述单向粗纱由人造纤维或天然纤维，即如玻璃、碳、芳纶、玄武岩、洋麻、剑麻、亚麻、大麻、黄麻和亚麻布或它们的任何组合的纤维制成。18.根据前述权利要求中任一项所述的单向增强体，其特征在于：所述热塑性和/或热固性粘结剂为幅材、织物、干粉、分散体或溶液的形式，和/或受热会变成低粘性。19.一种用于制备单向增强体的方法，所述单向增强体用于通过闭模方法如树脂传...

【专利技术属性】
技术研发人员：R伯格斯特雷姆，U科森恩，R哈亚卡纳，M霍伊坎恩，
申请(专利权)人：阿斯特罗姆公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI