用于形成复合制品的材料、组合物和方法技术

本文提供复合材料，其包括叠层，该叠层由与碳纤维非织造垫混合的一个或多个表面片组成。表面片可包含聚酰胺6，碳纤维非织造垫可包含已回收的碳纤维。表面片包含用于降低表面片的热膨胀系数的亚微米级颗粒。所得叠层适用于制品的形成，特别是需要光滑饰面、不存在由具有不规则组成或纹理的下层表面引起的缺陷的制品。制品。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于形成复合制品的材料、组合物和方法


[0001]本公开一般涉及材料、组合物以及利用材料和组合物形成复合叠层的方法，其中此类复合叠层适用于诸如由热塑性塑料和/或材料纤维(诸如碳、玻璃或天然纤维)构造的制品。复合叠层可用于使最终饰面显示出耐用、光滑的表面，这最大限度地减少缺陷的可见影响，例如由用于形成制品的材料(包括碳纤维)引起的缺陷。在某些实施方案中，本文提供的复合叠层可用于当在旨在用于大块汽车车身面板的无纺热塑性塑料/碳纤维增强复合材料上涂漆时产生汽车A级表面饰面。

技术介绍

[0002]改善运输可持续性和能源效率的持续趋势继续推动人们对制造轻型车辆的兴趣。汽车研究中心根据每辆车的整备质量规划了平均车辆结构(白车身和封闭件)的材料路线图，其中出于偏爱更轻的铝合金和聚合物/复合材料，钢材的使用逐渐减少：
[0003]·
2020：65％钢，13％铝，6％塑料/复合材料，16％其他
[0004]·
2030：55％钢，20％铝，10％塑料/复合材料，15％其他
[0005]·
2040：46％钢，26％铝，15％塑料/复合材料，13％其他[1]。
[0006]这种材料趋势的部分原因是商业相关电动汽车的兴起。BloombergNEF的规划表明，在车辆结构中加入30％的重量更轻的材料(如低成本碳纤维)可以将每辆车的成本降低约1,000美元[2]。到2040年，电动汽车(BEV+PHEV)预计将占全球近1亿辆项目汽车销量的69％，这意味着除了提高燃油经济性/车辆续航里程的明显好处外，还潜在为汽车制造商节省了大量资金[2]。
[0007]用于高性能聚合物复合材料的低成本纤维增强材料的一个新兴潜在来源来自碳纤维(CF)回收。为了回收利用，CF废料被减小尺寸(例如，切碎)并进行处理以去除任何先前的树脂系统，产生短切或磨碎的纤维，以便在不连续的纤维复合材料应用中重复使用[3
‑
5]。复合材料回收中的树脂去除通常通过某种形式的热解或溶剂分解处理来完成[3
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6]。虽然商业回收碳纤维(rCF)现在可以在公开市场上购买，但行业的持续增长需要展示潜在的应用，这可以为进一步扩大回收技术创造急需的市场拉动。
[0008]rCF复合材料的一项感兴趣应用在于生产用于汽车轻量化的汽车镶板。要理解这一点，重要的是要考虑车身面板的核心材料要求。任何面板的首要设计标准是其抗弯刚度和强度性能[7,8]。使用关于刚度的材料指数(其中E是杨氏模量和ρ是密度)和关于强度的材料指数(其中σ是拉伸屈服或破坏强度和ρ又是密度)，对材料进行评级以供选择，如Ashby等人的工作所详述[7
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9]。这些指数通过密度对材料的机械性能进行归一化，使得由更高指数的材料制成的具有相同刚度的面板重量更轻。高弹性模量和强度对于避免油罐效应(手压造成的弹性屈曲可以逆转面板的局部曲率)和表面凹陷等也是期望的[7,8]。第二个主要设计标准是面板表面美学，它取决于面板喷漆和表面饰面。汽车行业中最高视觉等级表面被称为A级。虽然A级表面的定义在汽车OEM、产品线(例如，豪华车对比经济型车)和零件(例如，水平面板罩对比垂直面板挡泥板)之间发生变化，但所有这些都是围绕不
同长度尺度的表面粗糙度和波纹度的不同公差制定的，这些公差会产生不期望的视觉缺陷(例如，暗淡、橘皮)[7,8]。除了机械性能和表面质量之外，面板设计的其他指标还包括：耐环境暴露/腐蚀、易于加工和成型、材料可回收性和成本[7,8]。
[0009]传统的热塑性塑料压缩成型可能表现出循环时间较长，能耗较高，因此对于汽车大规模生产而言相对没有吸引力；然而，感应加热成型技术的新发展显示出压缩成型解决这两个问题的能力。例如，美国能源部之前一项针对航空航天、风能和汽车制造的感应工具的研究发现，部件循环时间为2
‑
4分钟的压缩成型工艺能量可能减少约63％[10]。基于此性能，该研究预计2015年汽车行业可以节省约1069TJ的能源[10]。从长远来看，这些多余的能量足以为一台普通冰箱提供超过450,000年的电力(即超过可接受的人类在地球上生存时间的2.25倍)[11]。
[0010]以这种方式制造的纤维增强面板的一个潜在问题是在获得可接受的表面视觉质量方面。在纤维增强聚合物中生产A级表面一直是复合材料行业的一个长期问题，因为嵌入聚合物基体中的纤维网络倾向于穿过至表面[12
‑
14]。这种纤维透印效应(FPTE)对于汽车涂装来说尤其成问题，因为底漆和清漆的应用需要将任何复合基材面板加热到+100℃以加速固化。已知加热导致面板的表面形貌发生变化，从而使表面外观在冷却时变形，露出下面的纤维网络[14]。一些复合材料的子类，例如片成型化合物(SMC)，通过改变其在复合材料表面附近的成分以及比结构SMC更低的纤维含量，已成功达到A级[7,8]。然而，基于热固性的复合材料SMC的保质期有限，报废率较高，并且在使用寿命结束时不适合进一步降级回收。
[0011]因此，需要的是能够有效生产具有可接受的表面视觉质量的纤维增强面板的改进方法和材料。特别需要的是改进的方法，其优选地使用由混合的rCF和聚酰胺6(PA6)纤维制成的非织造预成型垫用于具有期望的机械和视觉质量的汽车镶板。
[0012]因此，仍有机会提供对利用rCF有用的改进的制造方法和系统。还有机会提供形成用于汽车工业的高质量制品的改进方法，其中此类制品重量轻并表现出期望的机械和视觉属性。此外，仍然有机会提供新颖和生产性方法，该方法使得能够回收碳纤维和热塑性制品等，从而产生具有改进的实用性和增强的材料功能性的产品和制品。

技术实现思路

[0013]本文提供了新的材料、组合物和利用它们的方法，其能够生产用作表面和表面饰面的复合叠层，用于各种制品上，包括但不限于非织造热塑性塑料/碳纤维增强复合材料。复合叠层期望用于由碳纤维组成的制品上，包括例如汽车部件，如大块车身面板。可以通过涂漆、喷漆或本领域技术人员已知的其他方法来施加组合物。一方面，复合叠层产生光滑的饰面，使最终产品具有期望的外观，即基本上没有瑕疵或明显显眼标记的外观。
[0014]由于使用此类材料的实用性以及因为它们的高水平功能和易于制造，碳纤维和热塑性塑料部件在各种工业组件和消费品中得到广泛使用。然而，使用碳纤维和热塑性塑料部件的一个特别不利的方面与所得部件通常在视觉上不吸引人的事实有关。由于碳纤维和热塑性塑料的热膨胀系数(CTE)不同，它们作为复合材料的使用仅限于看不见的部件，因为在进行大批量制造中使用的喷漆工艺时痕量碳纤维在油漆表面可见。本文提供的是能够生产复合叠层的新型方法和材料，该复合叠层用于控制热膨胀差异，从而使碳纤维不可见。此
外，本文要求保护的专利技术还能够改善整体形貌以满足汽车的A级要求(最小的表面缺陷、一致的着色、光泽度、光泽和光滑度)。
[0015]在一个实施方案中，叠层由混合的PA6和CF无纺垫(由短切PA6纤维和短切碳纤维制成)组成，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种复合材料，其包括叠层，该叠层由带有碳纤维非织造垫的一个或多个表面片组成。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述碳纤维良好地分散在所述非织造垫中，其中所述非织造垫具有最少的碳纤维束，其中所述纤维主要处于各向同性的面内纤维取向和/或其中所述碳纤维处于随机面内取向。3.根据权利要求1
‑
2中任一项所述的复合材料，其中所述非织造垫包含高纤维载量(20
‑
40wt％)的短切碳纤维。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的复合材料，其中所述短切碳纤维的长度为约5
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80mm、5
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60mm、5
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40mm、5
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15mm、5
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10mm或10mm。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的复合材料，其中所述碳纤维包括回收碳纤维或再生碳纤维。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的复合材料，其中所述碳纤维非织造垫的厚度约为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的复合材料，其中所述一个或多个表面片表面层包括与所述非织造垫中的聚合物相同的聚合物或相容聚合物；例如其中当所述非织造垫包含聚酰胺时所述一个或多个表面片表面层包含聚酰胺6。8.根据权利要求1至7中任一项所述的复合材料，其中所述一个或多个表面片还包含用于降低所述表面片的热膨胀系数的亚微米级颗粒。9.根据权利要求1至8中任一项所述的复合材料，其中所述亚微米级颗粒包括碳基填料、矿物填料或纳米材料。10.根据权利要求9所述的复合材料，其中所述表面片被认为是富含树脂的聚酰胺6。11.根据权利要求10所述的复合材料，其中所述富含树脂的聚酰胺6的粘度包括中等粘度的注射成型等级；包括但不限于B3。12.根据权利要求10所述的复合材料，其中所述富含树脂的聚酰胺6的粘度包括挤出级粘度；包括但不限于B4。13.根据权利要求1至12中任一项所述的复合材料，其中所述表面片作为层存在于所述碳纤维非织造垫的一个表面上。14.根据权利要求1至13中任一项所述的复合材料，其中所述表面片作为层存在于所述碳纤维非织造垫的两个表面上。15.根据权利要求1至14中任一项所述的复合材料，其中所述表面片的厚度在约0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm至10mm的范围内。16.根据权利要求1至15中任一项所述的复合材料，其中使用压缩成型工具来成型所述叠层。17.根据权利要求16所述的复合材料，其中所述压缩成型工具包括阳模。18.根据权利要求16所述的复合材料，其中所述压缩成型工具包括抛光的成型表面以赋予光滑的饰面。19.根据权利要求16所述的复合材料，其中所述压缩成型工具包括配置的成型表面以赋予配置的饰面。
20.根据权利要求19所述的复合材料，其中所述配置的成型表面包括图案。21.根据权利要求1至20中任一项所述的复合材料，其中所述表面片和碳纤维非织造垫作为一步法被配制、设计和制造。22.根据权利要求21所述的复合材料，进一步包括使用具有快速冷却的感应加热工具。23.根据权利要求21所述的复合材料，其中所述复合材料使用低温烤漆系统涂漆。24.根据权利要求3所述的复合材料，还包含树脂。25.根据权利要求24所述的复合材料，其中所述树脂包括热塑性化合物或聚合物。26.根据权利要求25所述的复合材料，其中所述聚合物包括添加剂、热稳定剂、阻燃剂、增容剂、蜡和/或颜料。27.一种复合材料，其包括叠层，该叠层由带有非织造垫的一个或多个表面片组成，其中所述非织造垫包含纤维。28.所述复合材料，其中所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维和/或天然纤维。29.根据权利要求27
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28所述的复合材料，其中所述纤维良好地分散在所述非织造垫中，其中所述非织造垫具有最少的纤维束，其中所述纤维主要处于各向...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：田纳西大学研究基金会UT巴特勒有限责任公司，
类型：发明
国别省市：