由官能化颗粒增强的纤维增强塑料制造技术

本发明专利技术题为“由官能化颗粒增强的纤维增强塑料”。本发明专利技术公开了一种物质组合物，所述物质组合物具有浸渍有聚合物的纤维结构，所述聚合物具有化学键合到所述聚合物的分散的官能化颗粒，其中所述官能化颗粒包含与所述聚合物的前体相同的基团或与前体反应的基团中的一种。本发明专利技术公开了一种物质组合物，所述物质组合物具有浸渍有固化的环氧树脂的纤维结构，所述固化的环氧树脂具有化学键合到所述固化的环氧树脂的分散的官能化颗粒，其中所述官能化颗粒包含与所述环氧树脂相同的基团或与所述环氧树脂反应的基团中的一种。

Fiber reinforced plastics reinforced by functionalized particles

【技术实现步骤摘要】
由官能化颗粒增强的纤维增强塑料本公开涉及纤维增强塑料(FRP)，更具体地讲涉及由官能化材料增强的纤维增强塑料。如今，纤维增强塑料(FRP)广泛用于制造轻型结构。它们提供高机械性能/重量。它们具有缺点，因为它们昂贵并且仅执行改善机械性能的功能。由于在FRP中存在两个材料部分，纤维和塑料，两种不同的方法可降低成本。首先，可增加纤维的机械性能。这原则上降低了成本，因为它降低了获得与具有较高量的纤维增强的FRP相同的结果所需的FRP的量。然而，目前高强度纤维的成本仍然过高，因此只有特殊的应用使用它们。使用高强度纤维的成本远高于使用较少的纤维或FRP的节省。因此，此方法在不久的将来不起作用。第二种方法包括通常通过将增强添加剂掺入到树脂材料中来用添加剂强化塑料。该方法是简单的，并且具有以相对低的添加成本提供机械性能的显著增加的潜力。然而，问题在于在纤维之间加载添加剂，这限制了可实现的改善。由于添加剂在环氧树脂中的分散性差，目前无法实现具有高载量的增强添加剂的FRP。FRP主要在结构中用作坚固且坚硬的支撑材料。具有附加功能和同时高机械性能的FRP将提供除机械强度之外的新范围的优点。使用添加剂也可实现特定功能，如气体阻隔性能，即降低的气体渗透率，平面电导率和任何贯通平面性能。然而，启用这些性能的添加剂通常降低FRP的具体机械性能。同时具有低成本、高强度和具有附加期望功能的FRP的制造需要高负载的添加剂，这在当前技术中是不可实现的。根据这里所示的方面，提供了一种物质组合物，该物质组合物具有浸渍有聚合物的纤维结构，该聚合物具有化学键合到聚合物的分散的官能化颗粒，其中官能化颗粒包含与聚合物的前体相同的基团或与前体反应的基团中的一种。根据这里所示的方面，提供了一种物质组合物，该物质组合物具有浸渍有固化的环氧树脂的纤维结构，该固化的环氧树脂具有化学键合到固化的环氧树脂的分散的官能化颗粒，其中官能化颗粒包含与环氧树脂相同的基团或与环氧树脂反应的基团中的一种。此处的实施方案将官能化颗粒引入到纤维增强塑料(FRP)的塑料中。塑料是FRP的最弱部分，并且用作向纤维转移力和裂纹的纤维积分体。强化塑料增强了FRP的机械性能。通过选择具有特定功能的颗粒，可实现具有增强的机械性能的多功能FRP。一个实施方案包括具有浸渍有聚合物的纤维结构的物质组合物，该聚合物具有分散的官能化颗粒，其中官能化颗粒包含与聚合物的前体相同的基团或与前体反应的基团中的一种。如本文所用，与前体相同的基团是指与用于形成塑料的聚合物前体相同的材料的官能团。如本文所用，术语“与之反应”是指官能团与聚合物前体反应，使得前体或官能团的一些部分被消耗。官能化颗粒可分散于聚合物前体中，所述聚合物前体允许颗粒在固化状态下分散通过聚合物，以产生其中颗粒化学键合到聚合物的结构。如上所述，除了机械强化之外，官能化颗粒还能够提供附加功能。例如，官能化颗粒能够提供气体阻隔(换句话讲降低气体渗透率)、平面电导率和贯通平面功能中的至少一者。所需的贯通平面功能的一个示例是热导率。纤维可具有许多结构中的一种。这些包括但不限于单纤维、纤维丝束和织物。如本文所用，纤维丝束是指若干纤维的组，通常以千为单位。术语织物可包括具有图案的织物，所述图案为但不限于：单向图案；平面状；1×1斜纹编织物、2×2斜纹编织物；4线束缎面；5线束缎面；8线束缎面图案；和4×4斜纹编织物。官能化颗粒可以是碳颗粒，陶瓷颗粒；矿物颗粒；聚合物颗粒；以及它们的组合。碳颗粒的示例包括但不限于：石墨；石墨烯；碳纳米管；和富勒烯。玻璃颗粒的示例可包括但不限于：二氧化硅；高岭土类粘土；蒙脱石类粘土；伊利石类粘土；绿泥石类粘土；和氧化铝。聚合物纤维的示例可包括但不限于：线性聚合物；枝状体；支化聚合物；以及共聚物。纤维可包括碳纤维、陶瓷纤维和聚合物纤维。碳纤维的示例可包括但不限于碳纤维和石墨纤维。陶瓷纤维的示例可包括玻璃纤维。聚合物纤维的示例包括：芳族聚酰胺；纤维素纤维；胶原纤维和聚合物形状的纤维。一个实施方案可为具有浸渍有固化的环氧树脂的纤维的固化物质组合物，该固化的环氧树脂具有分散的官能化颗粒，其中官能化颗粒包含与环氧树脂相同的基团或与环氧树脂反应的基团中的一种。在该实施方案中，官能化颗粒化学键合到环氧树脂。上述所有变型均适用于该实施方案。其他实施方案可包括固化或可固化的聚合物。在一个实施方案中，聚合物可为热塑性聚合物，包括但不限于：聚醚醚酮；聚乙烯2,5-呋喃二羰基化物(polyethylene2,5-furandicarbonylate)；尼龙；聚酰亚胺；聚对苯二甲酸丁二醇酯；聚苯硫醚；聚烯烃；和丙烯腈丁二烯苯乙烯。在一个实施方案中，聚合物可为热固性材料，包括但不限于：环氧树脂；聚酯；聚氨酯；硫化弹性体；硅氧烷；和乙烯基酯。一种组分环氧体系，其中环氧官能化颗粒(X＝环氧树脂)包含环氧树脂前体、交联催化剂诸如离子液体以及预期应用所需的任何其它添加剂，该离子液体包含例如1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺基化物。常规的两部分环氧树脂粘合剂由部分A环氧树脂前体材料和部分B硬化剂组成。硬化剂通常为多官能有机胺。在一个实施方案中，可固化制剂包含用一种组分环氧树脂混合物浸渍的纤维，所述混合物由分散到环氧聚合物前体中的环氧官能化颗粒组成，还与交联催化剂或固化引发剂诸如离子液体混合，该离子液体包含例如1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺基化物。在另一个实施方案中，可固化制剂包含浸渍有常规两部分环氧树脂粘合剂的纤维，所述两部分环氧树脂粘合剂包含部分A环氧树脂前体材料和部分B硬化剂，官能化颗粒分散到其中。硬化剂通常为多官能有机胺。在该实施方案中，官能化颗粒包含环氧官能团或氨基官能团。固化通过氨基和环氧基团之间的反应引发，两者均存在于基体材料中，并且存在于颗粒的表面上。如前所述，当前方法的局限性之一是不能将塑料与颗粒一起加载。当前的方法一般只能达到总环氧树脂中约1重量％的颗粒。在这里的方法中，官能化颗粒可达到5重量％环氧树脂的负载，但仍具有显著的机械性能改善。在一个实施方案中，聚合物具有至少10重量％的官能化颗粒。实施例1使用可商购获得的环氧树脂FiberGlast2000(部分A)和2060(部分B)而无需进一步处理。将不同比率的EFRG加入FiberGlast2000体系中以制备具有0％、5％和10％的ERFG重量百分比的树脂。首先将ERFG分散到前体部分A中，然后根据胺与环氧树脂的比率，将部分B与部分A和ERFG混合。该混合物用于浸渍碳纤维。使用得自FiberGlast的3K2×2斜纹编织物碳纤维织物。碳纤维增强纤维(CFRP)通过湿法叠涂方法制备。将浸渍的碳纤维在室温下填充到真空袋中5小时以去除额外的树脂和气泡。然后将其在100℃下再转移至烘箱5小时以完成环氧树脂的固化。通过配备有金刚石刀片的带锯将固化的CFRP切割成所需的形状。将切割的样本进一步磨砂成所需的尺寸。根据标准ASTM3039，用万能试验机测量具有不同EFRG负载的CFRP的机械性能。测试每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物质组合物，所述物质组合物包含浸渍有聚合物的纤维结构，所述聚合物具有化学键合到所述聚合物的分散的官能化颗粒，其中所述官能化颗粒包含与所述聚合物的前体相同的基团或与前体反应的基团中的一种。/n

【技术特征摘要】
20181220 US 16/2284561.一种物质组合物，所述物质组合物包含浸渍有聚合物的纤维结构，所述聚合物具有化学键合到所述聚合物的分散的官能化颗粒，其中所述官能化颗粒包含与所述聚合物的前体相同的基团或与前体反应的基团中的一种。


2.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述聚合物具有至少10重量％的官能化颗粒。


3.根据权利要求2所述的物质组合物，其中当与包含具有不含分散的官能化颗粒的聚合物的纤维结构的物质组合物进行比较时，所述官能化颗粒使热导率能够提高至少30％。


4.根据权利要求2所述的物质组合物，其中当与包含具有不含分散的官能化颗粒的聚合物的纤维结构的物质组合物进行比较时，所述官能化颗粒使拉伸强度能够提高至少15％。


5.根据权利要求2所述的物质组合物，其中当与包含具有不含分散的官能化颗粒的聚合物的纤维结构的物质组合物进行比较时，所述官能化颗粒使剪切强度、弹性模量、压缩强度和压缩模量能够提高至少15％。


6.根据权利要求2所述的物质组合物，其中当与包含具有不含分散的官能化颗粒的聚合物的纤维结构的物质组合物进行比较时，所述官能化颗粒使气体阻隔能够提高至少2倍。


7.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述聚合物包含选自以下的热塑性塑料：聚醚醚酮、聚乙烯2,5-呋喃二羰基化物、尼龙、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚烯烃、丙烯腈丁二烯苯乙烯。


8.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述聚合物为热固性材料，所述热固性材料选自包括以下项的组：环氧树脂、聚酯、聚氨酯、硫化弹性体、硅氧烷、和乙烯基酯。


9.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述纤维结构具有为单纤维、纤维丝束和具有图案的织物中的一种的形状，所述图案包括但不限于单向图案、平坦状或1×1图案、2×2斜纹编织物图案、4线束缎面图案、5线束缎面图案、8线束缎面图案、4×4斜纹编织物图案。


10.根据权利要求1所述的物质组合物，其中所述官能化颗粒选自：碳颗粒；陶瓷颗粒；矿物颗粒；聚合物颗粒；石墨、石墨烯；碳纳米管；富勒烯；二氧化硅；高岭土类粘土；蒙脱石类粘土；伊利石类粘土；绿泥石类粘土；氧化铝；线型聚合物；枝状体聚合物；支化聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏俊桦，G·伊芙泰姆，J·L·B·李维斯特，S·R·加纳，
申请(专利权)人：帕洛阿尔托研究中心公司，
类型：发明
国别省市：美国;US