用于制造单向纤维增强带的铺展元件制造技术

本发明专利技术公开了纤维增强复合材料及其制造方法和装置。一些纤维增强复合材料包含包括热塑性材料的基质材料和含有分散在基质材料中的多根连续纤维的非织造纤维区域，其中非织造纤维区域的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度，其中所述非织造纤维区域的平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65‑90，和变异系数(COV)(％)为3‑20，和其中所述多根连续纤维中的每一个基本上与所述纤维增强复合材料的长度对齐。

Spreading element for manufacturing unidirectional fiber reinforced strip

【技术实现步骤摘要】
用于制造单向纤维增强带的铺展元件本申请为申请号201680014984.6、申请日为2016年3月10日、专利技术名称为“用于制造单向纤维增强带的铺展元件”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求2015年3月10日提交的题为“具有均匀致密纤维层的单向纤维增强带及其制造装置和方法”的美国临时专利申请号62/131,002的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本专利技术一般性地涉及单向(UD)纤维增强复合材料及其制造装置和方法。特别地，一些UD纤维增强复合材料具有非织造纤维区域或层，所述区域或层包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维，其中非织造纤维区域具有基本均匀的密度，如通过平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)和相关变异系数(COV)(％)所定义的。聚合物基质可以是热塑性或热固性聚合物基质。
技术介绍
复合材料可以包括分散在树脂/聚合物基质中的纤维。这种复合材料可用于各种行业，例如在消费电子产品、弹道学、航空航天和运输工业中。UD复合材料是具有在基本上一个方向上延伸的纤维的复合材料。具有各向异性特性的UD复合材料可用于制造具有在一个或多个方向或维度上变化的性质的制品。UD复合材料的一个实例是UD带或预浸料，其可以表征为浸渍有聚合物树脂的连续UD纤维(例如玻璃纤维、碳纤维等)的薄条或带。这样的UD带可以具有1至15cm的宽度，可能更宽，和小于1mm的厚度。这样的UD带可以设置在线轴或卷轴上。UD带描述于Bompard等人的美国专利号6,919,118以及Li等人的美国公开号2014/0147620中。理论上，UD复合材料中的所有纤维应均匀、平行和连续；然而，在实践中，这些性质难以实现。例如，通常可获得的UD带可以具有纤维区域或层，其包括纤维的不均匀布置、气穴或空隙、断裂的纤维等。已经有很多尝试来解决这些问题。授予给Wai的美国专利号5,496,602尝试通过将UD纤维放置在一对环氧热固性树脂膜之间并加热纤维和膜来形成UD带来解决这些问题。UD带随后被注射聚合物以填充纤维之间的间隙。由于在应用膜期间的纤维移动，所得到的UD带可能包括纤维的非均匀布置以及气穴或空隙。此外，Wai的方法包括许多相对复杂的步骤以及引入可能不希望的材料诸如环氧树脂。解决这些问题的一些尝试包括使用纤维铺展装置。授予Narihito的美国专利号5,101,542描述了这样一种纤维铺展装置，它包括多个滚筒元件，每个滚筒元件具有在其中心凸出的连续凸状外表面。授予给Meyer的美国专利号8,191,215描述了一种旋转的纤维铺展装置，其包括翼，每个翼具有在横截面上连续凸起的最外侧的铺展边缘。Jung等人的美国专利号8,470,114和美国公开号2013/0164501分别描述了通过使纤维在一系列凸状杆上通过来铺展纤维的方法。Bompard等人的美国专利号6,585,842描述了通过使纤维在一系列弯曲(例如香蕉形)滚筒上通过来铺展纤维的方法。解决上述问题的一些尝试包括使用浸渍装置。典型的浸渍方法包括使用纤维层可移动通过其中的聚合物溶液浴。在这种方法中，可以使用滚筒将聚合物溶液压入纤维层中。如上所述，Wai的方法通过将层的相对侧上的聚合物膜压入层中来浸渍纤维层。这些方法中的每一个都是类似的，因为它们涉及将聚合物树脂材料压入纤维层以实现纤维层的浸渍。虽然这种纤维铺展和浸渍装置和方法可用于制备UD带，但是这种UD带仍然具有不均匀的纤维布置和在基质材料中的气穴或空隙。例如，图1包括使用扫描电镜获得的市售UD复合材料的横截面图像。这些市售的UD复合材料具有纤维区域，所述纤维区域具有不均匀的纤维布置，因此具有不均匀的密度，以及在聚合物基质中的空隙和气穴。
技术实现思路
已经做出了解决或至少减轻在UD复合带中纤维不均匀分布、空隙和气穴等问题的发现。特别地，本公开的纤维增强复合材料可以具有包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维的非织造纤维区域或层。聚合物基质可以是热固性聚合物基质，或更优选热塑性聚合物基质。热塑性聚合物基质可以在一定温度以上可模塑和可弯曲，并可在低于该温度下固化。一旦固化或交联，热固性聚合物基质倾向于失去随着温度升高而变得可模塑或可弯曲的能力。聚合物基质可以包括在具有热塑性或非热塑性聚合物、添加剂等的组合物中。非织造纤维区域可以具有基本均匀的密度，如通过如下所定义的：平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65-90和变异系数(COV)(％)为3-20，优选地平均RFAC(％)为69-90和COV(％)为3-15，或更优选平均RFAC(％)为75-90和COV(％)为3-8。本公开的纤维增强复合材料，至少由于具有这种基本上均匀的密度，可以包括小于5％，优选小于3％，或更优选小于1％的空隙体积分数。本公开的纤维增强复合材料可用于各种制品中。还公开了将纤维束或丝束铺展成铺展纤维层和/或用基质材料浸渍铺展纤维层的系统和方法，以制备本公开的纤维增强复合材料。一些系统包括铺展单元和浸渍单元，其中浸渍单元位于铺展单元的下游。这种铺展单元可以利用具有两个不同表面(例如，凸面和凹面或平面)的铺展单元，所述两个表面在(例如圆形)边缘相交，从而将纤维从纤维束以有效且均匀的方式铺展成铺展的或平坦化的纤维层。这种浸渍单元可以被配置成容纳至少两个铺展的或平坦化的纤维层，在两个纤维层之间放置热塑性或热固性聚合物树脂，并将所述两个纤维层压入树脂中，从而形成本公开的复合材料的非织造纤维区域。两个铺展的或平坦化的纤维层中的每一个可以包括来自一个或多个纤维束的纤维，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个纤维束。一方面，公开了一种纤维增强复合材料，其包括聚合物基质和包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维的非织造纤维区域，所述非织造纤维区域具有基本均匀的密度，如由平均RFAC(％)为65-90和COV(％)为3-20所定义的。在更优选的实施方案中，非织造纤维区域的平均RFAC(％)为69-90和COV(％)为3-15。在另外更优选的实施方案中，非织造纤维区域的平均RFAC(％)为75-90和COV(％)为3-8。非织造纤维区域的宽度和长度可分别基本上与纤维增强复合材料的宽度和长度相似，多根连续纤维可以单向取向并基本平行于第一轴线，并且纤维增强复合材料可以包括按体积计至少35至70％，优选40至65％，或更优选45至55％的多根连续纤维。纤维增强复合材料可以具有高达6米的宽度和高达10,000米的长度。在一些纤维增强复合材料中，第一纤维层和第二纤维层被按压或挤压在一起以形成非织造纤维区域。非织造纤维区域可以包括来自多个纤维束的纤维，每个束包括1,000至60,000根单丝。单丝的平均截面积可以为7μm2-800μm2。连续纤维的非限制性实例包括玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺(aramid)纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩(basalt)纤维、钢纤维或其组合。这样的玻璃纤维的平均长丝截面积可以为75μm2-460μm2，且这样的碳纤维的平均长丝截面积可为7μm2-60μm2。在一些纤维增强复合材料中，聚合物基质可以是热塑性基质或热固性基质，其中优选热塑性基质。纤维增强复合材料的聚合物基质可以构造成使得纤维增强复合材料具有第一聚合物富集区域和第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铺展元件，其被配置以将具有多根纤维的纤维束铺展成铺展纤维层，所述铺展元件包括：垂直于所述铺展元件的纵向轴线截取的剖面；限定所述剖面的凸部的第一表面；和限定所述剖面的直形或凹入部分的第二表面；其中所述第一表面和所述第二表面在边缘相交。

【技术特征摘要】
2015.03.10 US 62/131,0021.一种铺展元件，其被配置以将具有多根纤维的纤维束铺展成铺展纤维层，所述铺展元件包括：垂直于所述铺展元件的纵向轴线截取的剖面；限定所述剖面的凸部的第一表面；和限定所述剖面的直形或凹入部分的第二表面；其中所述第一表面和所述第二表面在边缘相交。2.根据权利要求1所述的铺展元件，其中：所述第一表面是椭圆形；和所述第二表面是平面或凹入的。3.一种铺展元件，其被配置以将具有多根纤维的纤维束铺展成铺展纤维层，所述铺展元件包括：沿所述铺展元件的纵向轴线设置的两个或更多个叶片，每个叶片具有：椭圆形第一表面；和凹入或平面的第二表面；其中所述两个或更多个叶片沿着所述纵向轴线布置，使得所述两个或更多个叶片的第二表面是相连的。4.根据权利要求3所述的铺展元件，其中对于所述两个或更多个叶片中的每一个，所述第一表面和所述第二表面在边缘相交。5.根据权利要求1-4任一项所述的铺展元件，其中，所述铺展元件的纵向轴线延伸穿过所述铺展元件的第一纵向端部和第二纵向端部以及所述铺展元件的位于所述第一纵向端部和所述第二纵向端部之间的中间部分。6.根据权利要求1-4任一项所述的铺展元件，其中所述铺展元件包括杆或板。7.一种系统，其包括铺展单元，其被配置以接收一个或多个纤维束，每个纤维束具有多根纤维，和产生一个或多个铺展纤维层，所述铺展单元包括：框架；和一个或多个根据权利要求1-4任一项所述的铺展元件，其被配置以将所述一个或多个纤维束铺展成所述一个或多个铺展纤维层，每个纤维层联接到所述框架，使得当所述一个或多个纤维束被所述铺展单元接收时，所述铺展元件的纵向轴线基本上垂直于所述一个或多个纤维束中的至少一个的长尺寸。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个铺展元件中的至少一个联接到所述框架，使得铺展元件在与铺展元件的纵向轴线基本对齐的方向上相对于框架可移动。9.根据权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个铺展元件中的至少一个联接到所述框架，使得铺展元件围绕铺展元件的纵向轴线相对于框架可旋转。10.根据权利要求7所述的系统，其中所述铺展元件包括联接到所述框架的一个或多个保持元件，每个保持元件限定一个或多个凹槽，所述凹槽被配置以接收所述一个或多个纤维束中的至少一个或所述一个或多个铺展纤维层中的至少一个。11.根据权利要求7所述的系统，其中：所述一个或多个铺展元件包括第一铺展元件和设置在第一铺展元件下游的第二铺展元件；和所述第一铺展元件和所述第二铺展元件被配置以将所述一个或多个纤维束中的至少一个铺展成所述一个或多个铺展纤维层中的至少一个。12.根据权利要求7所述的系统，其包括热源，所述热源被配置以加热所述一个或多个纤维束中的至少一个或所述一个或多个铺展纤维层中的至少一个。13.根据权利要求7所述的系统，其中所述一个或多个铺展元件中的至少一个被配置以被加热。14.根据权利要求7所述的系统，其包括浸渍单元，所述浸渍单元被配置以从所述铺展单元接收所述一个或多个铺展纤维层中的至少第一铺展纤维层和第二铺展纤维层，并且将所述第一铺展纤维层和第二铺展纤维层分散到基质材料中，所述浸渍单元包括：挤出机，其被配置以在第一铺展纤维层和第二铺展纤维层之间供给基质材料的片或膜；第一压入元件，其被设置在所述挤出机的下游，所述第一压入元件具有被配置以将所述第一铺展纤维层压入所述基质材料中的凸面；和第二压入元件，其被设置在所述挤出机的下游，所述第二压入元件具有被配置以将所述第二铺展纤维层压入所述基质材料中的凸面。15.根据权利要求7所述的系统，其包括浸渍单元，所述浸渍单元被配置以从所述铺展单元接收所述一个或多个铺展纤维层中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：里纳斯·普林斯，杰勒德·德·韦尔德，
申请(专利权)人：加固纤维热塑性塑料私人有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL