在流化床中生产预浸渍有热塑性聚合物的纤维质材料的方法技术

本发明专利技术涉及在流化床中生产预浸渍有热塑性聚合物的纤维质材料的方法。本发明专利技术涉及包含由连续纤维组成的纤维质材料及热塑性聚合物基体的经预浸渍的纤维质材料的生产方法，所述经预浸渍的纤维质材料是作为一个单向带或多个平行的单向带产生的，所述方法包括以下步骤：使用在流化床(22)中的粉末形式的所述聚合物浸渍粗纱或多根平行粗纱形式的所述材料；以及借助于加热的压延机(51、52、53)通过压延使所述粗纱或平行粗纱成型，所述加热的压延机(51、52、53)任选地包括与所述带的数量对应的多个压延槽(73)，而且，通过辅助系统调节所述压延机的辊之间的压力和/或间距。

Method of Preimpregnating Fibrous Materials with Thermoplastic Polymers in Fluidized Bed

【技术实现步骤摘要】
在流化床中生产预浸渍有热塑性聚合物的纤维质材料的方法本申请是申请号为201580019653.7、申请日为2015年02月11日、专利技术名称为“在流化床中生产预浸渍有热塑性聚合物的纤维质材料的方法”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及预浸渍有热塑性聚合物的纤维质材料的制造方法。更特别地，本专利技术涉及用于生产经预浸渍的纤维质材料的方法，其包括浸渍步骤以及随后的成型步骤，从而获得经预浸渍的纤维质材料的带状物，所述带状物具有经校准的尺寸、能够直接用于制造三维复合部件。在本说明书中，“纤维质材料”是指增强纤维的集合。在成型前，其具有粗纱形式。在成型后，其具有带或者板或者片的形状。如果所述增强纤维是连续的，则其集合形成织物。如果所述纤维是短的，则其集合形成毡或无纺物。更尤其地，所述纤维质材料的组合物中所能包括的那些纤维是单独使用或者以混合物形式使用的碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维、基于聚合物的纤维、植物纤维或纤维素纤维。这样的经预浸渍的纤维质材料特别地用于生产用以制造如下机械部件的轻质复合材料，所述机械部件具有三维结构、良好的机械强度和热性质、能够消除静电电荷即性质适合于制造特别是在以下部门中的部件：机械、航空、航海、汽车、能源、卫生和医学、军事和军备、运动和休闲设施、以及电子仪器。这样的经预浸渍的纤维质材料也称为复合材料。它们包含由增强纤维形成的纤维质材料以及由浸渍的聚合物形成的基体。该基体的基本作用是使增强纤维保持处于紧密的形式并且给最终产物赋予所期望的形状。此外，所述基体还用于保护增强纤维免受磨损和苛刻环境，从而控制表面外观并且使所述纤维之间的任何电荷消散。该基体在复合材料的长期耐受性(特别是关于疲劳和蠕变)方面起到主要作用。现有技术因此，由经预浸渍的纤维质材料制得的三维复合部件的良好品质要求首先控制使用热塑性聚合物的增强纤维浸渍过程并且其次控制经预浸渍的纤维质材料向半成品的成型。在本说明书中，术语“带”用于指代具有100mm或更宽的宽度的纤维质材料的带。术语“带状物”用于指代100mm或更小的校准宽度的带状物。直到目前为止，通过使用热塑性聚合物或热固性聚合物进行浸渍而得以增强的纤维质材料带的生产已经采用若干种过程来实施，所述过程特别地取决于聚合物的类型、期望的最终复合材料的类型以及应用的领域。粉末沉积或熔融聚合物挤出技术用于以热固性聚合物例如环氧树脂(如专利WO2012/066241A2中所描述的那些)浸渍增强纤维。通常，这些技术不能直接应用于使用热塑性聚合物特别是具有高熔融温度的那些(其在熔融状态下的粘度太高以至于无法获得纤维的令人满意的浸渍和良好品质的半成品或成品)的浸渍。另一已知的浸渍过程是纤维经由聚合物粉末的水性分散体、或者聚合物颗粒的水性分散体、或者水性聚合物乳液或悬浮液的连续通过。例如，可参考文献EP0324680。在该过程中，使用微米尺寸(约20μm)的粉末的分散体。在浸入水性溶液中之后，以聚合物粉末浸渍纤维。因此，该工艺涉及将经浸渍的纤维置于第一烘箱中以使在浸入期间吸收的水蒸发的干燥步骤。然后，需要使经干燥的浸渍纤维通过处于高温下的第二加热区的热处理步骤来使聚合物熔融，以便其粘附所述纤维、分布所述纤维并包覆所述纤维。该方法的主要缺点是沉积的均匀性，其经常是不完美的。与该过程有关的另一问题是由聚合物在纤维内的差的分布导致的高孔隙率，其可持续到热处理步骤之后，导致在经预浸渍的纤维质材料中出现大量缺陷。然后，所述经预浸渍的纤维质材料需要被成型为例如带状物。此外，由于存在这些缺陷，成型技术可使材料进一步劣化和弱化。一些公司销售这样的纤维质材料带，其采用经由使纤维连续牵引通过含有有机溶剂例如二苯甲酮的熔融热塑性聚合物浴来浸渍单向纤维的方法而获得。可例如参考ImperialChemicalIndustries的文献US4541884。有机溶剂的存在尤其允许调整熔融混合物的粘度并确保纤维的良好包覆。然后，使经如此浸渍的纤维成型。例如，可将它们切割成不同宽度的带、置于压机下并且加热至高于聚合物熔融温度的温度，从而确保材料的内聚且特别是聚合物与纤维的粘合。该浸渍和成型方法允许获得具有高机械强度的结构部件。该技术的缺点之一在于获得这些材料所需的加热温度。聚合物的熔融温度显著地取决于它们的化学性质。举例来说，对于聚甲基丙烯酸甲酯型(PMMA)的聚合物，其可以是相对高的，对于聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK)型的聚合物，其甚至是非常高的。因此，加热温度可达到高于250℃且甚至高于350℃的温度，这些温度远高于溶剂的沸点和闪点(对于二苯甲酮，其分别为305℃和150℃)。在该情况下，溶剂的突然脱离被观察到导致纤维内的高孔隙率并由此引起在复合材料中出现缺陷。因此，该过程难以再现且包括将操作者置于危险中的爆炸的危险。最后，出于环境、卫生和操作者安全的原因，避免使用有机溶剂。文献EP0201367以及由Atochem和FrenchState共同提交的文献EP0406067描述了使用聚合物粉末流化床的浸渍技术。纤维进入封闭的流化储罐，在所述封闭的流化储罐中，通过辊或花键筒，纤维变得彼此分开，经由与这些辊或筒摩擦接触，使纤维静电带电。该静电电荷使得聚合物粉末能够附着于纤维的表面并由此浸渍所述纤维。文献WO2008/135663在第三变型中描述了经浸渍的纤维的带状物的生产。在该文献中，在浸渍步骤之前，已经预先形成纤维的带状物，通过保持装置，以由纤维组成的带状物的形式保持在一起。首先，使所述预先形成的带状物带静电，并然后浸入到包含悬浮在压缩空气中的聚合物细颗粒的流化床的腔室中，以便使所述带状物包覆有聚合物涂覆物层。所述文献不允许同时浸渍一根或多根纤维粗纱，也不允许将所述经预浸渍的粗纱连续成型为带状物形式。文献EP2586585也描述了通过使纤维穿过聚合物颗粒的流化床来浸渍纤维的原理。另一方面，其没有描述将经过如此浸渍的一根或多根粗纱连续成型为一个或多个平行的单向带状物的形式。文献EP0335186描述了压延机或压机的可能的用途，用于使包含经预浸渍的金属纤维的复合物压紧，所述复合物用于制造用来屏蔽电磁辐射的模制物体。其没有描述一根或多根纤维粗纱的浸渍以及通过热压延使其连续成型为一个或多个平行的单向带状物。关于通过自动纤维铺放将经预浸渍的纤维质材料成型为适用于制造三维复合部件的经校准的带状物，这通常是作为后处理来实施的。举例来说，文献WO92/20521描述了通过使纤维粗纱穿过热塑性粉末颗粒的流化床来浸渍所述纤维粗纱的可能性。在烘箱或加热设备中，加热所述如此包覆有聚合物颗粒的纤维，以使聚合物充分地进入到纤维中并包覆纤维。所获得的经预浸渍的纤维质增强物的后处理可涉及使其与仍处于液态的基体一起通过允许改善的浸渍的抛光辊组件。此外，可将一个或多个叠置的纤维质增强物放置在两个辊之间以形成带。所述文献没有允许浸渍一根或多根纤维粗纱以及将经预浸渍的粗纱连续成型为一个或多个平行的单向带状物。经预浸渍的纤维质材料形式的带状物的品质以及因此的最终复合材料的品质不仅取决于纤维浸渍的均匀性以及因此的对于经预浸渍的纤维质材料的孔隙率的控制和再现性，而且取决于最终带状物的尺寸且更特别地取决于最终带状物的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.包含连续纤维的纤维质材料及热塑性聚合物基体的经预浸渍的纤维质材料的生产方法，特征在于，所述经预浸渍的纤维质材料是作为多个平行的单向带状物产生的，而且，特征在于，所述方法包括以下步骤：i)使用流化床粉末(22)形式的所述热塑性聚合物浸渍若干平行粗纱形式的所述纤维质材料，ii)借助于至少一个加热的压延机(51、52、53)经由压延，使在步骤i)处浸渍的所述纤维质材料的所述平行粗纱成型为多个平行的单向带状物的形式，所述加热的压延机包括与所述带状物的数量一致的多个压延槽(73)、优选最高达200个压延槽，通过伺服系统调节所述压延机的辊之间的压力和/或间距，并且所述加热的压延机包括集成加热系统，其中经预浸渍的平行粗纱的热压延步骤紧邻流化床形式的连续浸渍的下游，并且其中将所述加热的压延机连接至位于所述(各)压延机(51、52、53)之前和/或之后的额外的快速加热设备(41、42、43)，特别是，与碳填料在所述热塑性聚合物中的存在相结合的微波或感应式加热设备、或者红外IR或激光加热设备、或者经由与另外的热源例如火焰的直接接触。

【技术特征摘要】
2014.02.13 FR 14511371.包含连续纤维的纤维质材料及热塑性聚合物基体的经预浸渍的纤维质材料的生产方法，特征在于，所述经预浸渍的纤维质材料是作为多个平行的单向带状物产生的，而且，特征在于，所述方法包括以下步骤：i)使用流化床粉末(22)形式的所述热塑性聚合物浸渍若干平行粗纱形式的所述纤维质材料，ii)借助于至少一个加热的压延机(51、52、53)经由压延，使在步骤i)处浸渍的所述纤维质材料的所述平行粗纱成型为多个平行的单向带状物的形式，所述加热的压延机包括与所述带状物的数量一致的多个压延槽(73)、优选最高达200个压延槽，通过伺服系统调节所述压延机的辊之间的压力和/或间距，并且所述加热的压延机包括集成加热系统，其中经预浸渍的平行粗纱的热压延步骤紧邻流化床形式的连续浸渍的下游，并且其中将所述加热的压延机连接至位于所述(各)压延机(51、52、53)之前和/或之后的额外的快速加热设备(41、42、43)，特别是，与碳填料在所述热塑性聚合物中的存在相结合的微波或感应式加热设备、或者红外IR或激光加热设备、或者经由与另外的热源例如火焰的直接接触。2.根据权利要求1的方法，特征在于，其进一步包括将所述带状物卷绕在多个卷筒(61)上的步骤iii)，卷筒的数量与带状物的数量相同，给每个带状物分配一个卷筒。3.根据权利要求1或2的方法，特征在于，所述浸渍步骤i)通过以下涂覆步骤完成：在步骤i)处使用所述粉末进行浸渍之后，使用可与所述流化床粉末形式的聚合物相同或不同的熔融的热塑性聚合物涂覆所述单根粗纱或所述多根平行粗纱，所述涂覆步骤是在所述压延步骤ii)之前实施的，所述熔融聚合物优选地是与所述流化床粉末形式的聚合物相同类型的，优选地，所述涂覆是相对于所述单根粗纱或所述多根平行粗纱经由十字头挤出(30)实施的。4.根据权利要求1的方法，特征在于，所述流化床粉末形式的聚合物是热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物。5.根据权利要求4的方法，特征在于，所述热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物进一步包含碳填料，特别是炭黑或碳纳米填料，优选选自碳纳米填料特别是石墨烯和/或碳纳米管和/或碳纳米原纤或者它们的混合物。6.根据权利要求4或5之一的方法，特征在于，所述热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物进一步包含液晶聚合物、或环状聚对苯二甲酸丁二醇酯、或者含此的混合物作为添加剂。7.根据权利要求4的方法，特征在于，所述热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物选自具有使得Tg≥80℃的玻璃化转变温度的无定形聚合物和/或选自具有Tf≥150℃的熔融温度的半结晶聚合物。8.根据权利要求7的方法，特征在于，所述热塑性聚合物或者热塑性聚合物的混合物选自：聚芳基醚酮(PAEK)，特别是聚醚醚酮(PEEK)；聚芳基醚酮酮(PAEKK)，特别是聚醚酮酮(PEKK)；芳族聚醚酰亚胺(PEI)；聚芳基砜，特别是聚苯砜(PPSU)；聚芳基硫醚，特别是聚苯硫醚(PPS)；聚酰胺(PA)，特别是任选地通过脲单元改性的芳香族聚酰胺；聚丙烯酸酯，特别是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；或者氟化聚合物，特别是聚偏氟乙烯(PVDF)；以及它们的混合物。9.根据权利要求1的方法，特征在于，所述纤维质材料包含连续纤维，其选自碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、玄武岩纤维、硅石纤维、天然纤维，特别是亚麻、大麻、剑麻、丝或者纤维素纤维，特别是粘胶纤维，或者热塑性纤维，当所述聚合物或者所述聚合物的混合物为无定形的时，所述热塑性纤维的玻璃化转变温度Tg...

【专利技术属性】
技术研发人员：P盖拉德，G霍赫施泰特，T萨瓦，
申请(专利权)人：阿科玛法国公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR