包括由基于两阶段交联的聚氨酯的纤维复合材料构成的加固件的混杂组成部件制造技术

本发明专利技术涉及包括由基于两阶段交联的聚氨酯的纤维复合材料制成的局部加固件的混杂组成部件，更具体地，涉及此类混杂组成部件的生产。本发明专利技术的目的是详细说明一种技术，所述技术使得可能以成本有效方式实现利用纤维复合材料对金属部件的局部加固，以便从而获得混杂组成部件。根据本发明专利技术的方法的基本概念是使用特定的聚氨酯配方，所述聚氨酯配方在第一交联反应中可以被转化为热塑性聚合物并且稍后在第二交联反应中完全交联以提供热固性基质材料。所述热塑性聚合物的特征在于与金属表面的良好粘着。所述金属可以经受与所附着的热塑性材料的进一步成形。所述聚氨酯随后被热固性地固化并且达到其最终刚度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及包括由基于两阶段交联的聚氨酯的纤维复合材料制成的局部加固件的混杂组成部件；更具体而言，本专利技术涉及此类混杂组成部件的生产。
技术介绍
术语混杂组成部件应理解为意指机器、陆运工具(land-craft)、飞行器、太空飞行器或船舶、装置、设备或器具的由不同的不可分割地互连材料构造的组成部件。混杂组成部件基本上满足通常作为承重结构性组成部件的机械功能，但它还可以进一步被赋予非机械功能，如电功能、热功能、声功能或光功能。为此，所用材料不仅被机械地利用，而且还例如由于它们的光性质和/或电性质而被利用。混杂组成部件组合了化学上非常不同的材料以便以协同方式利用这些材料的非常不同的物理性质。这里所呈现的混杂组成部件大致上由两种材料(即金属材料和纤维复合材料)构成。金属材料不是化学纯的金属，而是金属与其它金属或非金属的合金。预期的金属材料主要是钢，而且还有铝合金。纤维复合材料进而是非均质材料，其包含由热固性聚氨酯构成的基质，所述基质具有纤维(例如碳纤维、芳族聚酰胺纤维或玻璃纤维)嵌入其中。基质和纤维是不可分割地互连的。所述纤维负责纤维复合材料中的力传递并且所述基质将外力传送到纤维中并保护所述纤维免受损害。所述基质还不可分割地连接到所述金属。在该背景下，术语“不可分割地”应理解为意指在正常使用中所述基质相对于金属不可移动地粘着到所述金属。如果纤维复合材料变得从金属脱离，则混杂组成部件被破坏。因此混杂组成部件至少由金属材料、聚氨酯、纤维材料构成。这里所呈现的混杂组成部件的一个重要方面在于金属和纤维复合材料未以相等部件被合并到混杂组成部件中，而是，金属主体决定了混杂组成部件的基本几何形状，而纤维复合材料充当所述主体的特定布置的局部加固件。基本构思是将最大可能量的廉价金属合并到薄壁厚度的混杂组成部件中。仅在金属主体由于其低的壁厚度而不能耐受在正常使用中预计到的机械应力的位点处，利用高强度纤维复合材料选择性地加强金属主体。因此，将轻质构造用于混杂组成部件以将混杂组成部件的重量和材料成本两者都降到最低。由于轻质构造始终取决于随后的应力条件，因此一般来说不能指定加固件随主体而变化的实际大小。加固件的形状还取决于应力；它可以是像结一样的点状或像肋条一样的线状。然而，起决定性作用的是相比于金属主体，纤维复合材料仅涵盖混杂组成部件的局部区域。因此，混杂组成部件的构造决定性形状-即外部尺寸和与相邻组成部件的配合尺寸-由金属主体的几何形状预先限定。在这方面，这里所呈现的混杂组成部件不同于其中一个或多个片状金属层与一个或多个纤维复合材料层组合的夹层。这是因为在所述夹层中，片状金属层和纤维复合材料层两者均占据与整个夹层相同的面积，使得不能发生纤维复合材料对所述片状金属的局部加固。相反，在此类夹层中，用纤维复合材料全面加固片状金属。可以在其中低重量、高刚度和低材料成本是关键的任何地方发现本文所讨论的混杂组成部件的技术上引人关注的应用领域。另外，预计在操作中作用于混杂组成部件的机械应力应当可以足够的准确度被预测以便能够保证所述组成部件的安全。将似乎特别引人关注的是，能够在大规模生产的产品中并且在消费者对于价格特别敏感的情况下提供此类混杂组成部件。因此本混杂组成部件的特别相关的应用领域包括汽车和其它陆运工具体的组件，例如B-柱、横向构件、纵向构件或底板(floorpan)。然而，在常规的片状金属构造中不属于承重结构性组成部件的板，例如引擎盖、顶部或门，也可以被涵盖作为混杂组成部件。飞机的结构性组成部件也可以作为混杂组成部件以本文所述的方式实施。这里所呈现的混杂组成部件通常意在替代常规的纯金属组成部件。在许多安装情况下，这利用基于金属材料且具有局部纤维增强件的混杂组成部件比利用无金属的纤维复合物组成部件更容易实现，因为通过基质向纤维中引入力比在金属中明显更难以实现。在大规模装配中，无金属的纤维复合物组成部件仅可以成本非常高的方式接合到金属组成部件。相比之下，在基于金属的混杂组成部件中，力的引入可以优先通过金属来实现，所述金属可以利用已被证明的技术(栓接、铆接、焊接)接合到相邻的金属组成部件。因此金属与基质之间的技术上要求的接合操作从混杂组成部件的装配转向制造，其中可以对它进行更好地控制。在US2013106138A1和US2013108878A1中公开了包括金属主体和由纤维复合材料构成的局部加固件的混杂组成部件。这两个文件都以相当概念性的方式描述了如下工艺：其中金属主体/其半成品前体设置有由预浸材(这是预浸渍的纤维/树脂混合物)制成并且也形成的增强补片。然而，并未对稍后形成所述基质的树脂的化学性质进行任何详细描述；术语“树脂”的使用暗指基于环氧化物的体系。提到将预浸材附着到金属需要粘着剂或用促进粘着的添加物质对树脂进行改性。从制造技术的观点来看将引人关注的是，了解其中所用的“树脂”使用添加物质或粘着剂在多大程度上附着到金属，特别是当具有附着的增强补片的金属半成品前体仍然有待经受成形时。申请人的经验是由环氧树脂制成的市售预浸材仅实现在金属上的低水平粘着，并且必须假定当这在环氧树脂交联之前经受成形时预浸材再次从片状金属脱离。因此，使用另外的粘着剂或促进粘着的添加物质似乎是不可避免的，这使未交联的增强补片在金属部件上的放置复杂化，从而增加了成本。在交联状态下，甚至不再可以设想到具有附着的增强补片的片状金属的成形，因为环氧树脂此时已经展现了热固性且不再具有非破坏性成形所需的延展性。此外，基于环氧树脂的预浸材在室温下一般并不是储存稳定的，因而在处理之前需要代价高的且不方便的冷却以便它们不会在不恰当的时间交联。差的储存稳定性使得必需严格遵守处理时间窗，这使得混杂组成部件的生产并不灵活。原则上从US8455090B2和US2014087613A1已知储存稳定的基于聚氨酯的预浸材。在两阶段交联程序中，首先使这些预浸材预交联以将它们转化为热塑性状态，然后完全交联以将它们转化为热固性状态。它们在间隔时间内在室温下是储存稳定的。然而这些预浸材并不意在用于混杂组成部件中并且由于它们的特定配方而并不具有所需金属粘着，从而无法以部分交联状态保持在预定位置。US8455090B2和US2014087613A1中所公开的预浸材实际上用于生产不具有可感知的金属含量的纤维复合物组成部件。在本申请的提交日期时未公布的专利申请EP15164444.0和US14/705,485/EP15164477.0和US14/705,563公开了基于钢/铝的纤维复合物组成部件和基于聚氨酯的纤维复合物组成部件，其中最初由两个金属层和一个浸渍有热塑性基质材料的纤维层形成夹层，然后使所述夹层经受整体成形且使最终热塑性基质材料完全交联以提供热固性基质材料。特定的聚氨酯配方确保了实现基质材料在热塑性状态下的良好金属粘着并且也在金属部件成形后被保持。因此，所得混杂组成部件是全面纤维增强的。DE102011076546A1中公开了用于生产全面纤维增强混合部件–所谓的有机片材(organosheet)的又一方法。该公开中所用的预浸材设置有非储存稳定的基于聚氨酯的基质，其在交联后表现为硬质塑料。或者，使用基于聚酰胺的热塑性基质。已经考虑了该现有技术，本专利技术的目的是详细说明一种技术，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产混杂组成部件的方法，其包括以下步骤：a)提供反应性组合物，其至少包含：○至少一种硬化剂，其为具有至少2的NCO官能度的脲二酮，○至少一种粘结剂，其为具有3到6的OH官能度的多元醇化合物，且其包含至少一个选自酯官能团、碳酸酯官能团、酰胺官能团、氨基甲酸酯官能团、脲官能团、硫酯官能团或硫代碳酸酯官能团的极性官能团；b)提供纤维；c)用所述反应性组合物涂覆所述纤维；d)至少使所述反应性组合物暴露于热以进行第一交联反应，在此过程中，将硬化剂和粘结剂转化为热塑性聚合物，从而将所述纤维嵌入所述热塑性聚合物中；e)提供金属主体或其半成品前体；f)将包含嵌入其中的纤维的所述热塑性聚合物置于所述主体/其半成品前体的局部区域上；g)将所述热塑性聚合物压制到所述主体/其半成品前体上，使得所述纤维经由所述热塑性聚合物粘着到所述主体/其半成品前体；h)形成包含粘着于其上的所述热塑性聚合物的所述半成品前体以提供所述金属主体，条件是在步骤e)中仅提供所述主体的半成品前体；i)至少使所述热塑性聚合物暴露于热以进行第二交联反应，在此过程中，将所述热塑性聚合物转化为热固性聚合物；k)获得至少包括所述金属主体的混杂组成部件，所述金属主体设置有至少一个由纤维复合材料构成的局部加固件，其中所述纤维复合材料包括由所述热固性聚合物形成的基质和嵌入其中的纤维。...

【技术特征摘要】
2015.09.03 EP 15183660.81.一种用于生产混杂组成部件的方法，其包括以下步骤：a)提供反应性组合物，其至少包含：○至少一种硬化剂，其为具有至少2的NCO官能度的脲二酮，○至少一种粘结剂，其为具有3到6的OH官能度的多元醇化合物，且其包含至少一个选自酯官能团、碳酸酯官能团、酰胺官能团、氨基甲酸酯官能团、脲官能团、硫酯官能团或硫代碳酸酯官能团的极性官能团；b)提供纤维；c)用所述反应性组合物涂覆所述纤维；d)至少使所述反应性组合物暴露于热以进行第一交联反应，在此过程中，将硬化剂和粘结剂转化为热塑性聚合物，从而将所述纤维嵌入所述热塑性聚合物中；e)提供金属主体或其半成品前体；f)将包含嵌入其中的纤维的所述热塑性聚合物置于所述主体/其半成品前体的局部区域上；g)将所述热塑性聚合物压制到所述主体/其半成品前体上，使得所述纤维经由所述热塑性聚合物粘着到所述主体/其半成品前体；h)形成包含粘着于其上的所述热塑性聚合物的所述半成品前体以提供所述金属主体，条件是在步骤e)中仅提供所述主体的半成品前体；i)至少使所述热塑性聚合物暴露于热以进行第二交联反应，在此过程中，将所述热塑性聚合物转化为热固性聚合物；k)获得至少包括所述金属主体的混杂组成部件，所述金属主体设置有至少一个由纤维复合材料构成的局部加固件，其中所述纤维复合材料包括由所述热固性聚合物形成的基质和嵌入其中的纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于以分层方式提供包含所述嵌入其中的纤维的所述热塑性聚合物，并且特征在于相应地重复实施以下步骤的顺序：f)将包含所述嵌入其中的纤维的所述热塑性聚合物置于所述主体/其半成品前体的局部区域上；g)将所述热塑性聚合物压制到所述主体/其半成品前体上，使得所述纤维通过所述热塑性聚合物粘着到所述主体/其半成品前体；从而以分层方式将包含所述嵌入其中的纤维的所述热塑性聚合物放置并压制上。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于以分层方式提供包含所述嵌入其中的纤维的所述热塑性聚合物，特征在于在不存在所述主体/其所述半成品前体的情况下压缩所述层以提供堆叠体，并且特征在于通过将所述堆叠体放置并压制到所述主体/其所述半成品前体上来实施以下步骤的顺序：f)将包含所述嵌入其中的纤维的所述热塑性聚合物置于所述主体/其半成品前体的局部区域上；g)将所述热塑性聚合物压制到所述主体/其半成品前体上，使得所述纤维通过所述热塑性聚合物粘着到所述主体/其半成品前体。4.根据权利要求1或权利要求2到3中任一项所述的方法，其特征在于在160℃与220℃之间的温度下进行所述第二交联反应。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述主体由钢构成，所述钢在进行所述第二交联反应的过程中经受其微观结构的变化和/或重排。6.根据权利要求1或权利要求2到5中任一项所述的方法，其特征在于在20℃到25℃的温度下实施将所述热塑性聚合物放置和/或压制到所述主体/其所述半成品前体上。7.根据权利要求4或权利要求5或权利要求6所述的方法，条件是提供所述主体的半成品前体，并将其成形为具有粘着的热塑性聚合物的主体，其特征在于在20℃到150℃的温度下实施将所述半成品前体成形为所述主体，如果必要的话，在加热所述半成品前体之后和/或通过使用加热的成形装置进行。8.根据权利要求1或根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·迪尔，ME·施密特，T·古特曼，U·斯塔佩尔芬内，S·雷默斯，L·伊克尔特，
申请(专利权)人：赢创德固赛有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE