用于制造预成型体的干纤维带制造技术

在自动布置工艺例如ATL或AFP中使用的干纤维带和从其生产的预成型体。所述预成型体构造成用于树脂灌注。所述带包含单向纤维层、至少一个结合至所述纤维层的一侧的非织造遮蔽物、和在所述带中存在的至少粘合材料。从铺放此类带产生的预成型体展现出低膨松度性质，其接近于固化的经纤维增强的树脂制品的最终厚度，并且不需要进一步的固化或压实。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背景可以使用不同方法，其一个为液体成型，制造三维聚合物复合材料部件。树脂传递成型(RTM)和VARTM是涉及注射液体树脂到纤维预成型体中的制造工艺的实例。在RTM工艺期间，将预成型体放置到封闭的模腔中，并在压力下将树脂注射到所述腔中。通常将含有预成型体的模具放置在真空下，从而真空移出全部陷入预成型体中的空气并加速RTM工艺。一旦液体树脂填充所述模腔，树脂固化，导致形成复合材料部件。VARTM类似于RTM，除了将单面工具常规地与真空袋处理一起使用，并且真空将液体树脂抽到预成型体中。在很多情况下，这些技术非常适合以合理的生产率制造非常复杂形状的部件。纤维架构、预成型体和绉纹织物的渗透性、树脂粘度和操作温度对润湿织物具有影响。为了制备所述预成型体，类似于铺放经树脂浸渍的预浸材料的方式铺放单向增强纤维或非织造织物的干层。期望将自动带铺放(ATL)和自动纤维布置(AFP)用于铺放预成型体以降低成本。然而，与适合自动布置工艺，例如ATL和AFP的干的窄宽度的纤维产品的制造相关的技术挑战需要进一步进展。概述本文公开了在通过自动布置工艺例如ATL或AFP纤维预成型体的制造中使用的干平带。所述带包括单向纤维层、结合至所述纤维层的一侧的至少一个非织造遮蔽物、和至少一种在所述带内存在的粘合材料。从铺放多个此类带产生的预成型体展现出低膨松度性质，其接近于固化的经纤维增强的树脂制品的最终厚度，并且不需要进一步的固化或压实。附图的简要描述图1为其中外部热塑性遮蔽物将外部纤维保持在一起但内部干纤维自由移动的干带的局部视图。图2图示了根据本公开的一个实施方案的单一非织造遮蔽物粘合至一侧的经粘合剂处理的单向带。图3图示了根据本公开的另一实施方案的非织造遮蔽物结合至相对侧的经粘合剂处理的单向带。详细描述在制造经纤维增强的聚合物复合材料中，由于内部缺少树脂，当与已经采用树脂浸渍的预浸渍材料相比，在纤维的放置和定向中，干纤维材料为用户提供增大的控制和操纵等级。然而，在不能将纤维固定到它们期望的位置的情况下，能够预期预成型体品质和相容性的严重问题。这在其中对于随后的灌注而言在主成型体的干组装件中预成型体需要合并处理或其中预成型体需要其他后固化操作例如准精化形状整理的情况下是特别普遍的。如果观察到纤维材料的差的压实性能，会导致严重的预成型体膨松度增加和放松的预成型体问题，则在使用干纤维材料铺放预成型体中存在重大挑战。因此，随后的预成型体处理变得更困难，因为存在层分离的风险，同时过度的膨松度会导致预成型体尺寸过大从而呈现出适应合适的工具处理的困难并可能由于在注射和固化之后纤维对树脂的低比率导致对最终的复合材料的性能障碍。复合材料的制造商已经报道了这个过度的膨松度，其中预成型体已经引入了热塑性插页遮蔽物。其还显著影响厚度高于4mm的预成型体。上述问题的一个解决方案是提供干带构造，其中将非织造热塑性遮蔽物层合至单向纤维带的每个面从而包封所述带并在热量和压力下使工具能够令纤维丝束(fibertows)处于适当的位置。然而，已经发现，以这种方式构造的干带通常在厚度可变性和膨松度的存在下展现出差的厚度控制。图1示出涉及这种类型的带的松散纤维的问题—热塑性遮蔽物将外部纤维保持在一起但内部干纤维自由移动。本公开提供与常规的干单向纤维带相关的增加的厚度/膨松度问题的解决方案。本公开的一个方面是提供在自动布置中使用的干纤维带构造，从而通过铺放带产生的预成型体展现出低膨松度性质，其接近于固化的经纤维增强的树脂制品的最终厚度，并且不需要进一步的固化或压实。本公开的一个方面涉及干平带，其包括彼此平行对齐的单向纤维层、结合至所述单向纤维层的至少一侧的非织造遮蔽物、第一粘合材料（在本文中也称为“粘合剂”），其分布在所述单向纤维层的每一侧上并穿透所述非织造遮蔽物的多个部分，或遍布所述带，包括所述单向纤维之间和遮蔽物多个部分上的空间。根据另一实施方案，第一粘合剂分布在单向纤维层的每一侧上并穿透非织造遮蔽物的多个部分，第二粘合剂（不同于第一粘合剂）遍布所述带，包括单向纤维之间和遮蔽物多个部分上的空间。在一些实施方案中，两个热塑性纤维的非织造遮蔽物结合至单向纤维层的相对侧。根据一个实施方案，所述非织造遮蔽物包括纤维，其可以包括热塑性纤维和/或碳纤维。这些纤维可以随机定向或不取决于遮蔽物制造工艺条件。纤维长度可以从1/8英寸(0.32cm)变化成2英寸(5.08cm)长。在该实施方案中的非织造遮蔽物的面积重量优选低于10g/m2(gsm)。根据另一实施方案，所述非织造遮蔽物为热塑性网格形式。可以通过挤出热塑性材料形成其中铺放热塑性材料的设计的定向网络或可控的图案而制造热塑性网格。这些方向可以为0/±60，例如在同一网格内。这种类型的网格的供应商为Protechnic(France)。在本文中描述的热塑性网格的面积重量可以为2-50gsm，优选2-20gsm，更优选2-10gsm的范围。根据另一实施方案，非织造遮蔽物为具有可控图案的孔隙的多孔热塑性膜形式。作为实例，可以通过机械刺穿连续热塑性膜形成或通过常规铸造工艺形成所述多孔膜。此类膜可以包括多个微米尺寸的具有不同形状的孔隙，从而提供敞开的液体可浸入的结构。可以调节孔隙的形状和密度以提供期望的物理特性。更具体地，将孔隙构造成使在随后的树脂灌注中使用的树脂流体能够通过。多孔膜的孔隙可能采用多种形状。非限定实例包括截面为圆形、椭圆形、方形、三角形、六边形等的孔洞/开口。在膜中可以存在多于一个图案。在本文中所述的多孔膜的面积重量可以为2-50gsm，优选2-20gsm，更优选2-10gsm的范围。在一些实施方案中，非织造遮蔽物由碳纤维构成。在其他实施方案中，所述非织造遮蔽物由一种或多种类型的热塑性纤维构成。或者，所述遮蔽物可以包含无机纤维和聚合物纤维的混杂物。对于热塑性纤维或多孔膜形式的非织造遮蔽物，所述热塑性材料可以选自聚酰胺、热塑性聚酰胺、脂族聚酰胺、脂环族聚酰胺、聚邻苯二甲酰胺类、聚酰胺基酰亚胺、芳族聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酯、聚苯醚、聚氨酯、热塑性聚氨酯、聚缩醛、聚烯烃、热塑性聚烯烃、聚醚砜、聚醚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚热塑性聚酰亚胺、液晶聚合物(LCP)、含苯氧基物质、丙烯酸类物质、丙烯酸酯类、其混合物或共聚物。非织造遮蔽物（无论随机定向的纤维、网格还是多孔膜形式）的开放性对于在树脂注射或灌注工艺期间易化空气移出和树脂流动是重要的。上文讨论的第一粘合剂和第二粘合剂都没有形成连续层。如果粘合剂在干带表面形成连续膜，则这可以防止树脂在液体成型工艺例如RTM或VARTM的树脂灌注循环期间令人满意地穿透预成型体的厚度。由此，所述带为多孔并对于在液体成型中使用的液体树脂是可渗透的。基于干带的总重量计，在干带中的粘合剂材料的总含量为约15重量%或更低，例如0.1至15重量%，并且基于干带的总重量计，结构纤维为纤维材料的主要成分，例如大于80重量%。在本文中公开的带可以具有最高至50英寸(1.3m)的宽度。根据一个实施方案中，每个带具有0.1cm至61cm的宽度，至少为其宽度10倍的长度，和约75µm至300µm，包括100µm至250µm的厚度。根据一个实施方案，制造干带的方法包括：本文档来自技高网...

【技术保护点】
构造成在液体成型工艺中接收液体树脂的预成型体，所述预成型体具有初始厚度T1并包括多个通过自动布置工艺铺放的叠覆纤维带，其中每个带包括彼此平行对齐的单向纤维层、结合至所述单向纤维层的至少一侧的非织造遮蔽物、和至少一种粘合材料，该粘合材料分布在所述单向纤维层的至少一侧上并穿透所述非织造遮蔽物的多个部分，或遍布所述带，包括所述单向纤维之间和所述遮蔽物的多个部分上的空间，所述粘合材料选自：i. 粘合剂，其在最高至50℃的温度下为固体，软化点为75℃至125℃范围的温度，其通过差示扫描量热法(DSC)测定，并包含环氧树脂和热塑性聚合物的共混物，但不含在高于75℃下有活性的任何催化剂或交联剂；ii. 组合物，其包含至少一种多官能环氧树脂；至少一种热塑性聚合物；和至少一种选自阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的表面活性剂；iii. 部分或完全交联的多羟基醚和聚氨酯的共聚物；iv. 聚氨酯，其为非交联的、部分或完全交联的、或改性的聚氨酯聚合物；v. 环氧化物，其为非交联的、部分或完全交联的、或改性的环氧化物；和vi. 聚(羟基醚)树脂，其为非交联的、部分或完全交联的；包括所述非织造遮蔽物的所述带为多孔和对液体树脂为渗透性的从而用于随后的液体成型工艺中；和所述预成型体在加热之后展现出低膨松度性质，其通过自动布置工艺的加热和成型工艺测定。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.30 US 62/0188571.构造成在液体成型工艺中接收液体树脂的预成型体，所述预成型体具有初始厚度T1并包括多个通过自动布置工艺铺放的叠覆纤维带，其中每个带包括彼此平行对齐的单向纤维层、结合至所述单向纤维层的至少一侧的非织造遮蔽物、和至少一种粘合材料，该粘合材料分布在所述单向纤维层的至少一侧上并穿透所述非织造遮蔽物的多个部分，或遍布所述带，包括所述单向纤维之间和所述遮蔽物的多个部分上的空间，所述粘合材料选自：i.粘合剂，其在最高至50℃的温度下为固体，软化点为75℃至125℃范围的温度，其通过差示扫描量热法(DSC)测定，并包含环氧树脂和热塑性聚合物的共混物，但不含在高于75℃下有活性的任何催化剂或交联剂；ii.组合物，其包含至少一种多官能环氧树脂；至少一种热塑性聚合物；和至少一种选自阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的表面活性剂；iii.部分或完全交联的多羟基醚和聚氨酯的共聚物；iv.聚氨酯，其为非交联的、部分或完全交联的、或改性的聚氨酯聚合物；v.环氧化物，其为非交联的、部分或完全交联的、或改性的环氧化物；和vi.聚(羟基醚)树脂，其为非交联的、部分或完全交联的；包括所述非织造遮蔽物的所述带为多孔和对液体树脂为渗透性的从而用于随后的液体成型工艺中；和所述预成型体在加热之后展现出低膨松度性质，其通过自动布置工艺的加热和成型工艺测定。2.权利要求1所述的预成型体，其中当采用树脂灌注预成型体并然后固化形成复合结构时，该复合结构的固化厚度T2降低了预成型体初始厚度T1的0%至10%（或0.90T1≤T2≤1.00T1）并且在所述带铺放工艺之后不需要进一步固化。3.权利要求1或2所述的预成型体，其中在粘合材料(i)或(ii)中的热塑性聚合物为包含醚连接的重复单元和任选硫醚连接的重复单元的聚芳砜聚合物，所述单元选自：—(Ph-A-Ph)—和任选—(Ph)a—其中A为CO或SO2，Ph为亚苯基，n=1至2并可以为小数，a=1至4并可以为小数，条件是当a超过1时，亚苯基通过单化学键或除了—CO—或—SO2—之外的二价基团线性连接，或直接地或通过环基稠合在一起，所述环部分选自酸烷基、（杂）芳族部分、环酮、环酰胺、酰亚胺、环亚胺和其组合。4.根据前述权利要求任一项所述的预成型体，其中所述粘合材料(ii)中的表面活性剂选自：a）非离子表面活性剂，其为包含亲水和疏水嵌段的单或多官能嵌段或接枝嵌段共聚物；b）阴离子表面活性剂，其由下式表示：A—R其中R为具有4-50个碳原子(C4至C50)的烷基、芳基、芳基-烷基、或亚烷基链；和A为羧酸根、磺酸根、或磷酸根的锂、钠、钾、铵、季铵胺盐；和c）非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的组合。5.根据前述权利要求任一项所述的预成型体，其中每个带包括两种不同的粘合材料，第一粘合材料为粘合材料(i)或(ii)，和第二粘合材料选自材料(iii)至(vi)。6.根据权利要求5所述的预成型体，其中所述第一粘合材料为材料(i)。7.根据权利要求5所述的预成型体，其中所述第一粘合材料为材料(ii)。8.根据权利要求6或7所述的预成型体，其中所述第二粘合材料为材料(iii)。9.根据前述权利要求任一项所述的预成型体，其中所述带的非织造遮蔽物为随机定向的纤维；以某种图案（包括网格图案）的定向纤维；或多孔膜的形式。10.根据前述权利要求任一项所述的预成型体，其中每个带包括结合至单向纤维层的相对侧的两个热塑性纤维的非织造遮蔽物。11.根据前述权利要求任一项所述的预成型体，其中每个带包括结合至单向纤维层的一侧的一个碳纤维的非织造遮蔽物。12.根据前述权利要求任一项所述的预成型体，其中每个带的宽度为0.1cm至61cm，长度为其宽度的至少10倍，和厚度为约75µm至300µm或100µm至250µm。13.根据前述权利要求任一项所述的预成型体，其中所述一种或多种粘合材料以足以保持纤维和非织造遮蔽物在一起的量存在，但基于所述带的总重量计，一种或多种粘合材料的总量低于15%。14.制造复合结构的方法，其包括：a)通过自动布置工艺铺放多个干纤维带以形成具有初始厚度T1的多层预成型体，每个带包括：彼此平行对齐的单向纤维层、至少一个结合至所述单向纤维层的一侧的非织造遮蔽物、和至少一种粘合材料，该粘合材料分布在所述单向纤维层的至少一侧上并穿透所述非织造遮蔽物的多个部分，或遍布所述带，包括所述单向纤维之间和所述非织造遮蔽物的多个部分上的空间，和b)在液体成型工艺中采用液体树脂灌注所述预成型体；c)固化经树脂-灌注的预成型体以形成复合结构，其中所述预成型体在加热之后展现出低膨松度性质，其通过自动布置工艺的加热和成型工艺测定，并且该复合结构的固化厚度T2降低了预成型体初始厚度T1的0%至10%（或0.90T1≤T2≤1.00T1）并且在所述带铺放步骤(a)之后不需要进一步固化；和其中所述粘合材料选自：i.粘合剂，其在最高至50℃的温度下为固体，软化点为75℃至125℃范围的温度，其通过DSC测量，并包含环氧树脂和热塑性聚合物的共混物，但不含在高于75℃下有活性的任何催化剂或交联剂；和ii.组合物，其包含至少一种多官能环氧树脂；至少一种热塑性聚合物；和至少一种选自阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的表面活性剂；iii.部分或完全交联的多羟基醚和聚氨酯的...

【专利技术属性】
技术研发人员：R布莱克伯恩，SJ希尔，D彭索尔，CL雷斯图恰，
申请(专利权)人：塞特工业公司，
类型：发明
国别省市：美国;US