热塑性复合物、其制备方法及其用途技术

本发明专利技术提供了热塑性复合物和制备及使用所述热塑性复合物的方法，所述热塑性复合物具有芯复合物层和表层聚合物，所述芯复合物层包括纤维基材和至少一种高性能聚合物，所述表层聚合物涂覆在所述芯复合物层的至少一个表面上，并形成掺混有所述高性能聚合物的聚合物掺混物，由此给予改善的韧性和加工时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的主题涉及用于形成具有高强度-重量比的结构的热塑性复合材料和预浸料(prepreg)。更具体地，在一些实施方案中，本专利技术涉及用于快速层合和成型过程的层合热塑性复合物，所述复合物具有层间区域和外层区域，所述层间区域包含至少一种结晶度高且在快速层合或成型过程的加工窗口期间部分或完全结晶的聚合物，所述外层区域包含低结晶或非结晶的、且与所述层间区域的聚合物易混合和/或相容的聚合物，并且其熔融温度和加工温度低于所述层间区域的聚合物的熔融温度和加工温度。该热塑性复合物可用于航空和其他高性能汽车/工业应用中。
技术介绍
例如在航空、汽车、工业/化学和运动用品工业中，补强的热塑性和热固性材料具有广泛应用。在固化前将热固性树脂浸渍入补强材料中，而树脂材料的粘度低。热固性复合物存在一些缺点。使用低模塑压力制备这些复合物以避免对纤维的破坏。但这样的低压力使得难以抑制复合物中气泡的形成，这可造成基体涂覆物中的空腔或缺陷。由此，热固性复合物的大多数加工问题涉及去除夹带的空气或挥发物以制备无空腔的基体。通过预浸料方法制备的热固性复合物需要长固化时间并变换压力以控制当变稠时树脂的流动，从而避免基质中的气泡。虽然目前大型结构的制造利用热固性复合材料的机械铺设(robotic placement)以提高生产速率，但对于其组件的总生产速率受限于压热器法(autoclave process)步骤中的长时间固化和为了制备用于该方法步骤的材料的相关操作。一些大体积工艺如树脂浸入避免了预浸料步骤，但仍然需要特殊的设备和材料，并在固化时长上一直进行过程监测(如美国专利4，132，755和5，721，034)。尽管热固性树脂在作为较低体积的复合物应用中已取得成功，但是加工这些树脂的困难限制了它们在较大体积应用中的用途。反之，由于相对更高的粘度，热塑性组合物更难以浸渍入补强材料中。另一方面， 相对于热固性组合物，热塑性组合物提供了许多优点。例如，热塑性预浸料可更快地制成制品。另一优点在于从这样的预浸料形成的热塑性制品可以再循环。此外，在湿热环境中具有极佳性能的耐损伤的复合物可通过适当选择热塑性基体而实现。热塑性树脂是高分子量的长链聚合物。这些聚合物当熔化时是高粘稠的，并且通常它们的流体性质是非牛顿性的。由此，热固物的粘度范围在100-5000厘泊(0. 1-5 · s)，而热塑物的熔融粘度范围在 5000-20000000 厘泊(5_20000Pa · s)，更典型地为 20000 到 1000000 厘泊(20_1000Pa · s)。 尽管在热固物和热塑物之间有3个数量级的粘度差，一些工艺已被应用于两种类型的基体以层合纤维材料。纤维补强的塑性材料可通过先用树脂浸渍纤维补强物而形成预浸料，然后将两个或更多个预浸料固结成层合体，任选使用其他成型步骤而制造。由于热塑物的高粘度，大多数形成热塑性预浸料的方法包括使用热塑性聚合物粉末涂覆纤维束外侧，而非涂覆单丝。 然后熔化所述聚合物粉末以使聚合物处于单丝周围、单丝之中和单丝之上。一些方法将熔4体直接涂覆在纤维上。可通过使用聚合物涂覆准直纤维的干燥网幅，并施加使聚合物进入纤维中或在纤维周围的加热步骤而制备带(例如参见美国专利4，549, 920和4，559，262)。 用于涂覆和浸渍准直纤维的干燥网幅的另一方法是通过将网幅牵拉经过微细的热塑性聚合物颗粒的水浆中，从而聚合物颗粒捕集在丝束中。在该过程中进行后续加热和加压使水沸腾，然后将聚合物熔化以使它进入丝束中或在丝束周围。该方法描述于美国专利 6，372，294 ；5, 725，710 ；4, 883，552和4，792，481中。一种水浆浸渍方法的修改是对于聚合物颗粒不使用水和表面活性剂作为分散剂，而是在空气流化床中使颗粒静电带电以将颗粒捕集入丝束中。如美国专利5，094，883中所给出的，其后的加热和加压区域使聚合物熔化以涂覆/浸渍丝束。由此，对于本领域技术人员，对于可以获得的加工设备，聚合物产物的形式(薄片、细粉、膜、非织造纱、丸粒)和熔体粘度的选择合适，存在多种涂覆和/或浸渍纤维基材方法。已知用于制造复合制品的方法包括手动和自动制造。手动制造必需由技术人员对芯轴表面进行手动切割和材料铺设。该制造方法耗时且成本高，并且可能造成层合不均勻。已知的自动化制造技术包括扁平带层合机(FTLM)和弯曲带层合机(CTLM)。通常，FTLM和CTLM都利用单独的复合材料分配器，其在将涂覆复合材料的工作面上移动。复合材料通常在一定时间下铺设为(复合材料的)单条以得到理想宽度和长度的层。其后可在前层上堆积其他层以提供具有理想厚度的叠层体(lay-up)。通常FTLM将复合材料涂覆至扁平转移板上；然后将转移板和叠层体从FTLM上移去，并放置在模具上或芯轴上。反之，CTLM通常将复合材料直接施用于芯轴的工作面上。FLTM和CTLM机亦称为自动化带铺设(ATL)机和自动纤维放置(AFP)机，其具有通常被称为带机头(tape head)的分配器。ATL/AFP机的产量取决于机器参数、复合部件的铺设性质和材料性质。机器参数 (如开始/停止时间、过程转换时间和切割/层板添加)决定ATL/AFP上的带机头将材料铺设在芯轴上的总时间。复合物的铺设性质如局部层板的积累和部件尺寸也影响ATL/AFP机器的总产量。相对于热塑性基质复合物，影响ATL/AFP机器产量的关键性的材料因素与热固性树脂基质复合物相似，但仍有一些关键性差异。对于热固性树脂基质复合物，关键性因素是浸渍水平、表面树脂覆盖率和“粘性”。“粘性”是维持工具上的带/丝束或叠层件在已放置于其上之后的位置所需的粘合性水平。使热固性树脂部分反应，并因此通过在两个层合面之间的分子扩散和极性的、未反应的化学部分之间的化学吸附的组合实现“粘性”。由于热固性树脂不反应的性质，因材料粘性水平对于湿气的灵敏性，ATL/AFP方法通常在室温但控湿的室中进行。对于ATL/AFP机的产量，热塑性基质复合物具有与热固性基质复合物相似的关键因素，但由于热塑性聚合物基体通常在带中完全反应，它在环境温度下缺乏“粘性”。完全反应的热塑物通常具有低表面能，使得不能在室温下产生粘性。此外，热塑性基质在室温下处于它们的“玻璃”态时的高性能使得用于“粘性”的分子扩散机理实际不可能。由此，在热塑性复合物中通过向叠层体和引入的带动态施加热、超声、光(激光)和/或电磁(感应)形式的其他能量，而将材料温度提高至高于它们的软化和/或熔融的温度以便于在两表面之间发生聚合物链的分子扩散而实现“粘性”。一旦聚合物链已在所述表面扩散，向材料施加的其他能量需减少至当从ATL/AFP机头移去层合压力时将避免层合的叠层体变形的水平。 从为了在最可能低的温度和能量下进行该工艺步骤，而不使所得复合部件的温度性能变差的能源利用和铺设速率而言，这样快速的进入和释出叠层体的能量流是理想的。固结通常需要去除树脂缺陷造成的空腔，以在已使用树脂浸渍纤维的工艺过程中将空气从纤维束、丝束或粗纱中完全移除。单独浸渍的粗纱线、丝束、层片或预浸料层通常通过在压热器中压缩而通过加热和加压固结。固结步骤通常需要在真空下施用非常高的压力和高温相对较长时间。此外，使用压热器或烘箱的固结工艺步骤需要“装本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·F·普拉特，S·A·罗杰斯，D·蓬索勒，
申请(专利权)人：塞特克技术公司，
类型：发明
国别省市：