混合长纤维热塑性复合材料制造技术

本发明专利技术公开了一种混合增强材料(18)，该混合增强材料包含多根增强纤维(12)和与所述增强纤维(12)共混的多根碳纤维(14)。所述增强纤维(12)选自天然纤维、有机纤维和无机纤维，并与碳纤维(14)形成单一混合组装粗纱。所述碳纤维(14)用增容剂进行后涂布。混合组装粗纱(18)可以使用玻璃和碳纤维的混合物形成。

Hybrid long fiber thermoplastic composite

A hybrid reinforcing material (18) comprising a plurality of reinforcing fibers (12) and a plurality of carbon fibers (14) blended with the reinforcing fiber (12). The reinforcing fibers (12) are selected from natural fibers, organic fibers, and inorganic fibers and form a single, mixed, assembled roving with carbon fibers (14). The carbon fiber (14) is coated with a compatibilizer. The mixed assembled roving (18) can be formed from a mixture of glass and carbon fibers.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2014年10月8日提交的美国临时申请62/061,323名称为“用于改进复合材料的性能和产率的混合组装物”的优先权和所有权益，其全部内容通过引用全部并入本文。
技术介绍
纤维增强复合材料是由基体材料和纤维组成的复合材料，其功能是机械增强基体材料的强度和弹性。纤维增强复合材料具有高的刚度、强度和韧性，通常与结构金属合金相当。此外，纤维增强复合材料通常以比金属轻得多的重量来提供这些性能，因为它们的单位重量的“特定”强度和模量接近于钢或铝的五倍。因此，由纤维增强复合材料形成的装置的整体结构可以更轻。对于诸如飞机或航天器部件的重量关键装置，这些重量节省可能是一个显著的优势。片材成型化合物(sheetmoldingcompound)(“SMC”)是一种片状形式的纤维增强热固性化合物。由于其高强度重量比，被广泛用作建筑材料。其强度、刚度和其他性能使其适用于水平和垂直面板，例如汽车。在SMC的制备工艺中，将一层聚合物膜，如聚酯树脂或乙烯基酯树脂预混物，计量到一层包括非粘附性表面的塑料载体片材上。然后将增强纤维沉积到聚合物膜上，并将含有第二层的聚合物膜的第二非粘附性载体片材定位在第一片材上，使得第二聚合物膜与增强纤维接触并形成夹层材料。然后将该夹层材料继续压实，以将聚合物树脂基体和纤维束分布在整个所得的SMC材料中，然后可以将其轧制以备后续在成型工艺中使用。在SMC化合物的制备中，理想情况是增强材料均匀分散并在聚合物基体材料内混合。这种均匀混合的一种方式被称为润湿，其是增强材料被基体树脂材料包封的程度的量度。理想情况是使增强材料完全润湿不含干纤维。在这个初始工艺中的不完全的润湿能够对后续加工以及最终的复合材料的表面特性产生不利影响。例如，差的润湿可能会导致SMC的差的成型特性，导致最终成型部件中的表面缺陷和低的复合强度。SMC制造工艺的生产能力，例如线速和生产率，受限于粗纱短切束能够被完全润湿的程度以及速度。复合材料产品也可以使用例如长纤维-增强热塑性(“LFT”)复合材料的热塑性树脂形成。LFT复合材料是具有长(大约4.5mm或更长)的短切纤维增强片的热塑性材料。LFT和常规短切短纤维增强化合物的区别在于纤维的长度。在LFT中，纤维的长度与颗粒(pellet)的长度相同。在LFT的制造中，将连续的纤维粗纱丝线从其被热塑性树脂涂布和浸渍的模具中拉出。然后将该连续的增强塑料棒切碎或造粒至通常为10mm至12mm的长度。玻璃纤维和碳纤维是纤维增强材料的常见实例。玻璃纤维提供尺寸稳定性，由于其不会对于变化的环境条件而收缩或拉伸，玻璃纤维还提供与金属类似的尺寸度量用于部分合并。此外，玻璃纤维具有高拉伸强度、耐热性、耐腐蚀性和用于抗冲击性以及紧固或接合的高韧性。典型地，玻璃纤维通过从套管(bushing)或其它孔口的收集而使熔融玻璃材料流衰减而形成。含有成膜聚合物、偶联剂和润滑剂的水性施胶组合物(aqueoussizingcomposition)通常在从套管中拉出之后被施加到纤维上，以保护纤维在后续的工艺中不被破坏，并提高纤维与待增强的基体树脂的相容性。在施加水性施胶组合物之后，施胶纤维(sizedfiber)聚集成丝线并缠绕以生产玻璃纤维包。然后加热玻璃纤维包以除去水分并沉积作为残余的浆料(size)，轻轻地涂布于玻璃纤维的表面。多个干燥玻璃纤维包可以被固结并缠绕到被称为多端粗纱包的卷轴上。所述粗纱包由具有多束玻璃纤维的玻璃丝线组成。碳纤维是具有理想机械性能的轻质纤维，这使得它们可用于与多种基体树脂形成复合材料。一方面，碳纤维显示出高拉伸强度和高弹性模量。另一方面，碳纤维表现出高导电性、高耐热性和化学稳定性。这种性能的组合，以及低密度的碳纤维已然导致碳纤维作为复合材料中的增强元件的使用的增加，广泛用于在诸如航空航天、运输、电磁干扰(EMI)屏蔽应用、运动用品、电池应用、热管理应用(thermalmanagementapplications)以及许多其他应用。然而，碳纤维比玻璃纤维更难加工并且更昂贵。碳纤维易碎并且易缠结、耐磨性差，因此在加工工艺中容易产生毛刺或断线。另外，至少部分由于其疏水性，在传统的树脂基质中，碳纤维不如其他增强纤维(例如玻璃纤维)容易润湿。润湿是指纤维具有适当的表面润湿张力以及均匀分散在整个基体中的能力。为了使用包含碳纤维的复合材料，碳纤维和基体树脂之间优异的润湿性和粘附性很重要。玻璃和碳纤维各自赋予纤维增强复合材料理想性能。因此，人们已经尝试将玻璃和碳纤维在树脂中共混，以利用它们各自提供给基体树脂的韧性、强度和模量的性质。然而，在尝试这种混合复合材料时，对于具有成本效益的复合材料的理想情况以快速固化和固结工艺处理碳丝线，人们已然遇到了相当大的困难。
技术实现思路
根据本专利技术的另外的方面，提供了一种混合长纤维热塑性材料和形成混合长纤维热塑性材料的方法。所述混合长纤维热塑性材料包含一种热塑性材料和完全浸渍有热塑性材料的混合组装粗纱。所述混合组装粗纱包含多根增强纤维和与所述增强纤维共混的多根碳纤维。所述碳纤维在与增强纤维共混之前，用增容剂进行后涂布。在各种示例性实施方式中，所述增强纤维指玻璃纤维。在各种示例性实施方式中，所述增容剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲基硅烷、氨基硅烷和环氧硅烷中的至少一种。在各种示例性实施方式中，所述混合长纤维热塑性材料含有长度约为10至12mm的短切颗粒。在各种示例性实施方式中，所述碳纤维具有50tex至800tex的密度以及具有0.5mm至4mm的宽度。在各种示例性实施方式中，所述混合增强材料具有0.5mm至2mm的宽度。在各种示例性实施方式中，所述玻璃纤维和所述碳纤维的重量比在10:90至90:10的范围内。在各种示例性实施方式中，所述混合增强材料具有1.0×105m至2.0×105m的比强度，7.0×106m至14.0×106m的比模量，大于150MPa的拉伸强度，以及大于15GPa的拉伸模量。根据本专利技术的各个方面，提供了一种包括混合长纤维热塑性材料的用于压缩成型工艺的挤出混合装料(charge)。附图说明从以下提供的和如附图所示的一些实施例的更具体的描述中，本专利技术的示例性实施方式将是清楚的。图1示出了从前体(precursor)开始的碳纤维形成线。图2示出了示例性的混合组装粗纱形成工艺。图3示出了在张力下拉伸碳纤维以将碳纤维铺展成碳纤维束的初始铺展场所。图4(a)和(b)示出了用于铺展碳纤维束的开槽辊。图5示出了另一示例性混合组装粗纱形成工艺。图6(a)-(c)示出了改变碳束和玻璃纤维的布置的示例性混合组装粗纱结构。图7示出了用于切碎增强纤维的示例性的脊状辊。图8示出了用于将至少两种类型的增强纤维结合到聚合物树脂膜上的示例性工艺。图9示出了混合SMC复合材料中各种类型的碳和玻璃纤维分散体。图10用图表示出了相对于纤维的比模量的各种类型纤维的比强度。图11用图表示出了三种SMC材料的应力-应变曲线，一种仅包括玻璃纤维增强物，一种仅包括碳纤维增强物，以及另一种包括具有50：50的玻璃-碳比的混合组装粗纱增强物。图12用图表示例性地示出了与玻璃和碳增强的SMC材料相比，典型的混合SMC材料的拉伸强度与短切纤维束宽度的函数。具体实施方式由于本专利技术的总体专利技术构思可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合长纤维热塑性复合材料，包含：热塑性材料；以及完全浸渍有所述热塑性材料的混合组装粗纱，所述混合组装粗纱包含：多根增强纤维和多根碳纤维，所述增强纤维和所述碳纤维被共混以形成单股丝线，其中，所述碳纤维用增容剂进行涂布。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.08 US 62/061,3231.一种混合长纤维热塑性复合材料，包含：热塑性材料；以及完全浸渍有所述热塑性材料的混合组装粗纱，所述混合组装粗纱包含：多根增强纤维和多根碳纤维，所述增强纤维和所述碳纤维被共混以形成单股丝线，其中，所述碳纤维用增容剂进行涂布。2.根据权利要求1所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述增强纤维包括玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和高模量有机纤维中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述增强纤维由玻璃纤维组成。4.根据权利要求1-4中任意一项所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述增容剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、甲基硅烷、氨基硅烷和环氧硅烷中的至少一种。5.根据权利要求1-5中任意一项所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述混合长纤维热塑性材料的形式为具有约10至12mm长度的短切颗粒。6.根据权利要求1所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述碳纤维具有50tex至800tex的密度以及具有0.5mm至4mm的宽度。7.根据权利要求1-6中任意一项所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述混合增强材料具有0.5mm至2mm的宽度。8.根据权利要求3所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述玻璃纤维和所述碳纤维的重量比在10:90至90:10的范围内。9.根据权利要求1-8中任意一项所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述混合增强材料具有1.0×105m至2.0×105m的比强度。10.根据权利要求1-9中任意一项所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述混合增强材料具有7.0×106m至14.0×106m的比模量。11.根据权利要求1所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述混合长纤维热塑性材料具有大于150MPa的拉伸强度。12.根据权利要求1所述的混合长纤维热塑性材料，其中，所述混合长纤维热塑性材料具有大于15GPa的拉伸模量。13.一种包括权利要求1所述的混合长纤维热塑性材料的用于压缩成型工艺的...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·R·哈特曼，
申请(专利权)人：OCV智识资本有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US