复合材料制造技术

本发明专利技术提供了复合材料，其包含基于二氧化硅的玻璃纤维、生物可降解聚合物、能够形成极性共价键的偶联剂以及成膜剂。本发明专利技术的复合材料在负载型部件、高模量和强度注射成型部件的制造中，以及在负载型微纤维增强复合材料、短纤维增强复合材料、长纤维增强复合材料和/或连续纤维增强复合材料的制造中具有实用性。

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术涉及适于高强度技术应用的环境友好型复合材料，其包含基于二氧化硅的玻璃纤维、生物可降解聚合物、偶联剂和成膜剂。本专利技术还涉及此类复合材料在需要轻质、负载能力和生物可降解性的组合的应用中的用途。此类应用包括消费品、纺织品、汽车、电子、玩具和包装。专利技术背景两种或更多种不同的材料组合在一起以产生优质且独特的材料的复合材料是已知的，并且已使用了数千年。复合材料的现代时代直至1900年代早期塑料的发展才开始，此时开发出了诸如乙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂和聚酯的聚合物。这些新的合成材料性能优于来源于自然的树脂。然而，单独的塑料不能提供足够的强度用于结构应用。需要提供强度和硬度的增强体。OwensCorning在1935年对连续玻璃纤维的介绍开始了增强复合材料的革命，这导致了2000年260万吨的全球年度玻璃纤维消耗。当纤维玻璃与聚合物组合时，其产生难以置信的强结构和轻重量。第二次世界大战将纤维增强聚合物(FRP)工业由实验室带入了实际生产。FRP首先被用于结构航空部件。而且，发现了纤维玻璃复合材料对于无线电频率是透明的，并且所述材料适用于掩蔽电子雷达设备。战后，由于对军工产品的较低需求，复合材料革新被引入其它市场，它们彻底改革了下述领域：船、冲浪板、梯栏杆、工具柄、管、箭杆、装甲、火车地板、屋面板、汽车车身、橡胶轮胎、电路板、曲棍、槽和容器、隔热、电绝缘、隔声、医用铸件、医用装置以及更多。由于更好的塑料树脂和改进的增强纤维的发展，复合材料工业仍在发展，其中大部分发展现在集中于可再生能源、可再生的可回收的生物基材料。然而，市场上强负载承受型环境友好型生物可降解复合材料的缺乏延迟了生物基和生物可降解材料的更广泛使用，以及在电子、汽车、海用、航用和包装领域的突破。对大量连续玻璃纤维的第一需求是用于在高温下使用的细电线的电绝缘。为了该目的，在1930年代制造了新型玻璃，现在被称为E-玻璃[K.L.Loewenstein,ManufacturingTechnologyofContinuousGlassFibres,ElsevierScienceLtd,1973]。E-玻璃已经成为全世界连续纤维的标准，因为其在实践中表现良好并且可被广泛使用。为了特殊的高强度复合应用，在1960年代早期，OwensCorningTextileProducts和美国空军(UnitedStatesAirForce)开发出了高强度玻璃纤维S-玻璃。高强度玻璃纤维在十分合理的成本-重量-性能下，组合了高温耐受性、稳定性、透明性和弹性。通过物理、机械、电、热、声、光和辐射特性对高强度玻璃纤维组合物的实用性进行比较。已经开发了其它类型的玻璃，并已经发现它们在需要特殊特性(如耐化学性、超高强度和身体可吸收特性)的应用中的市场。已经开发了多种玻璃化学组合物[ASTMC162]，以提供针对具体最终用途应用的纤维性能的组合：AGLASS–钠钙硅酸盐玻璃，其在无需E玻璃的强度、耐久性和良好的电阻率的情况下使用。CGLASS–钙硼硅酸盐玻璃，由于其化学稳定性而被用于腐蚀性酸环境。DGLASS–具有低介电常数的硼硅酸盐玻璃，用于电应用。EGLASS–具有2wt.％的最大碱含量的铝-钙-硼硅酸盐玻璃，其在需要强度和高电阻率的情况下被用作通用纤维。–具有2wt.％的最大碱含量的钙铝硅酸盐玻璃，其被用于需要强度、电阻率和耐酸腐蚀性的情况。ARGLASS–由碱性硅酸锆组成的耐碱性玻璃，其被用于水泥基板和混凝土中。RGLASS–钙铝硅酸盐玻璃，其被用于在需要更高的强度和耐酸腐蚀性的情况下的增强体。S-2–镁铝硅酸盐玻璃，其被用于纺织品基材或者在极端温度和腐蚀环境下需要高强度、模量和稳定性的复合结构应用中的增强体。各种生物活性玻璃组合物和某些等级的可吸收玻璃纤维在医学领域是已知的，但是由于它们的高成本和缺乏对纤维化、高强度、强度保持的适用性以及不存在合适的粘附/胶料，它们还未被成功地应用于技术应用。生物活性玻璃能够与骨和软组织结合，并且它们可被用于刺激哺乳动物体内的组织或骨生长。某些生物活性玻璃已经以例如和的商品名商售，用于整形外科和颅颌面骨腔填充以及骨重建。某些生物活性玻璃制品已在现有技术，例如在专利公开EP802890、EP1405647、US6,190,643和US6,342,207中公开。然而，由于它们的热和机械特性，上述生物活性玻璃不适用于连续纤维拉制，并且不具有足够的强度用于组合材料制造。可吸收的玻璃组合物的其它类型在本领域也是已知的。可吸收的玻璃不一定是生物活性的，即它们不在玻璃表面形成碳酸羟基磷灰石层。可吸收的玻璃组合物被用于玻璃纤维工业，以解决在玻璃纤维绝缘安装期间，玻璃纤维最终到例如肺的问题。纤维的消失优选相对迅速的，以便不引起对肺部的危害。专利公开EP412878公开了一种可吸收的玻璃组合物。纤维在32天内降解。然而，此降解速率对于大部分医学复合应用和负载型技术复合材料而言太快。工艺参数在纤维机械特性(强度和模量)中具有重要作用[Paradini和Manhani,MaterialsResearch5,411–420,2002]。在过去几十年中，已经制造并研究了许多不同的生物活性玻璃组合物。然而，由于热-物理特性，这些玻璃中的大部分还不适用于纤维拉制[Arstila,Doctoraldissertation,AboAkademiUniversity,Turku,Finland,2008]，或者至少不适用于工业类型的连续过程，并且与例如E-玻璃相比产生了低的玻璃纤维强度[Pirhonen等，J.Biomed.Mat.Res.App.Biomat.77B,227–233,2006；Rinehart等，J.Biomed.Mat.Res.App.Biomat.48,833–840,1999]，其通常被用作牙齿玻璃纤维增强复合材料和技术玻璃纤维增强复合材料中的增强体。除了良好的机械特性之外，纤维的降解速率必须足够慢，以满足负载型应用的机械特性的需求。[Ahmed等，J.Biomed.Mat.Res.B89B18–27,2008；Cozien-Cazuc等，Proceed.Int.Conf.onCompositematerials,ICCM15,Durban,SouthAfrica,2005]。考虑到玻璃溶解速率取决于表面积与体积比的事实，纤维的溶解速率和特性不能直接来源于含有类似的氧化物组合但是由具有小得多的表面积与体积比的颗粒制得的大部分生物玻璃的公开的数值。用于纤维拉制并具有用于负载型应用的玻璃纤维所需的机械特性的合适的生物相容的和生物可吸收的玻璃公开于WO2010/122019和Lehtonen等，J.Mech.Behav.Biomed.Mat.,20,376–386,2013中。生物稳定的聚合物及其复合材料，例如基于聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂(epoxyresin)、聚酯、乙烯基酯、环氧树脂(epoxy)、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸酯、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚硅氧烷和丙烯酸聚合物的复合材料为文献中众所周知的。将非增强的聚合物用作结构材料受其低水平的机械特性，即强度、模本文档来自技高网...

【技术保护点】
复合材料，其包含：基于二氧化硅的玻璃纤维；生物可降解聚合物；能够形成极性共价键的偶联剂；以及成膜剂。

【技术特征摘要】
2015.09.30 GB 1517259.61.复合材料，其包含：基于二氧化硅的玻璃纤维；生物可降解聚合物；能够形成极性共价键的偶联剂；以及成膜剂。2.如权利要求1所述的复合材料，其中所述偶联剂能够在成膜剂相与聚合物相之间形成缠结和/或互穿或半互穿网络。3.如权利要求1所述的复合材料，其中所述成膜剂能够在偶联剂相与聚合物相之间形成缠结和/或互穿或半互穿网络。4.如权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其中所述玻璃纤维由可吸收玻璃制得。5.如权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其中所述玻璃纤维由A-玻璃制得。6.如权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其中所述玻璃纤维由E-玻璃制得。7.如权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其中所述玻璃纤维由C-玻璃制得。8.如权利要求1至3中任一项所述的复合材料，其中所述玻璃纤维由S-玻璃制得。9.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其还包含能够保护所述玻璃纤维并增加所述玻璃纤维的浸润的表面改性剂。10.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述偶联剂为有机硅烷。11.如权利要求10所述的复合材料，其中所述偶联剂为烃氧基硅烷。12.如权利要求9所述的复合材料，其中所述表面改性剂为有机硅烷。13.如权利要求12所述的复合材料，其中所述表面改性剂为烃基硅烷。14.如权利要求1至9中任一项所述的复合材料，其中所述偶联剂为有机钛酸酯。15.如权利要求14所述的复合材料，其中所述偶联剂选自烃氧基钛酸酯和螯合的钛酸酯。16.如权利要求12所述的复合材料，其中所述表面改性剂为有机钛酸酯。17.如权利要求16所述的复合材料，其中所述表面改性剂为烃基钛酸酯。18.如权利要求1至9中任一项所述的复合材料，其中所述偶联剂为有机锆酸酯。19.如权利要求18所述的复合材料，其中所述偶联剂为烃氧基锆酸酯。20.如权利要求9所述的复合材料，其中所述表面改性剂为有机锆酸酯。21.如权利要求20所述的复合材料，其中所述表面改性剂为烃基锆酸酯。22.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述成膜剂的分子量高于1000g/mol。23.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述成膜剂的分子量高于30000g/mol。24.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其还包含乳化剂。25.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其还包含成核剂。26.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述玻璃纤维的量为组分总重量的1wt％至98wt％。27.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述聚合物的量为组分总重量的1wt％至98wt％。28.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述偶联剂的量为组分总重量的0.001wt％至10wt％。29.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述成膜剂的量为组分总重量的0.01wt％至30wt％。30.如前述权利要求中任一项所述的复合材料，其中所述聚合物选自：聚丙交酯(PLA)，聚-L-丙交酯(PLLA)，聚-DL-丙交酯(PDLLA)，丙交酯的共聚物，立体共聚物，聚乙交酯(PGA)，乙交酯的共聚物，乙交酯/三亚甲基碳酸酯共聚物(PGA/TMC)，丙交酯/四甲基乙交酯共聚物，丙交酯/三亚甲基碳酸酯共聚物，丙交酯/d-戊内酯共聚物，丙交酯/ε-己内酯共聚物，L-丙交酯/DL-丙交酯共聚物(PLDLA)，乙交酯/L-...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·格伦，
申请(专利权)人：瑞比奥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB