热塑性塑料的层间增韧制造技术

本文中的一些实施例涉及热塑性复合结构，其具有至少一个纤维强化的热塑性树脂的结构层和至少一个邻近所述结构层的表面的增韧层。所述增韧层经配置以在复合层压件中产生层间区域且可采取以下形式：聚合物膜、织造或非织造纤维材料、游离颗粒、增韧颗粒分散于其中的聚合物层或非织造纱罩、金属网或箔。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热塑性塑料的层间增韧相关申请的交叉引用本申请要求于2011年8月29日提交的美国临时申请第61/528,561号的优先权。
技术介绍
按照惯例，将热塑性增韧剂添加到热固性树脂系统中以赋予韧性并降低复合材料中未使用热塑性增韧剂时会存在的脆性。举例来说，将热塑性增韧颗粒或热塑性增韧剂与结构复合物一起使用以改进基于热固性树脂的系统的韧性。与热固性树脂系统相比，通常并不使用其它增韧材料对热塑性树脂系统进行强化，这是因为普遍认为热塑性系统已具有足够韧性。然而，因航天工业及其它工业需要热塑性材料的改进的性能(例如，改进的韧性)，从而影响了复合材料的演化发展。热塑性复合物的多个益处中的一个是聚合物赋予的高基质韧性。在使用当前现有技术的热塑性复合物预浸料的加固层压件中，层间区域通常极小或不存在。这种配置可使得冲击事件更容易传递到下一板层，这会扩大损坏面积。常规层压件需要进一步改进。赋予加固层压件改进的韧性或冲击后压缩(CAI)性能是有用的技术进步，且在所需环境中需要复合材料来运行的工业中，尤其可被大型商业运输和/或军事航天工业快速接受。
技术实现思路
已发现，通过增加层间区域大小和热塑性层压件的含量，冲击后压缩(CAI)性能得以改进。另外，为改进成品层压件的CAI韧性，进一步需要解决结构的板层间区域内的剩余弱点。为解决这些问题，本文的一些实施例涉及加固或未加固的热塑性复合结构，其具有至少一个由经热塑性树脂基质浸渍的强化纤维构成的结构层和至少一个位于结构层的表面上的增韧层。所述增韧层经配置以在复合层压件中产生层间区域且可采取以下形式：聚合物膜、织造或非织造纤维材料、游离颗粒、增韧颗粒分散于其中的聚合物层或非织造纱罩、未浸渍或经浸渍的金属网或箔。将多个结构层以堆叠布置层叠，从而将增韧层定位于两个邻近结构层之间。由于此配置，复合层压件在加固后的CAI强度大于没有增韧层的相同层压件。附图说明图1显示由基于CypekTMDSE基质的碳纤维强化的单向带形成的对照层压件的DSC曲线。。图2显示由基于CypekTMDSE基质的碳纤维强化的单向带和玻璃增韧层形成的改良层压件的DSC。图3是显示由基于APCTM-CypekTMDSE基质的碳纤维强化的单向带形成的对照层压件中的层间区域的显微照片。图4是显示由基于CypekTMDSE基质的碳纤维强化的单向带和玻璃增韧层形成的层压件中的层间区域的显微照片。图5是显示由基于CypekTMDSE基质的碳纤维强化的单向带和CypekTMDSE增韧膜形成的层压件中的层间区域的显微照片。具体实施方式与含有使用可交联的层间颗粒或层增韧的热固性树脂系统的常规复合材料相比，用于本文中的结构层的热塑性树脂基质并不依赖于与增韧材料进行交联以形成增韧层。在一些方面中，增韧层在加工温度下并不熔化或具有高熔化粘度，且增韧材料因此不会广泛地迁移或共混到纤维强化的结构层中的热塑性基质树脂中。因此，纤维强化的结构层的热塑性基质树脂形成层间区域的清晰边界，此继而得到在邻近结构层之间提供离散间隔的中间层(或中间板层)。相比之下，由于增韧层可能因树脂与增韧材料之间交联而形成较不离散的层，所以一些基于热固性树脂的复合物具有较不清晰的层间区域。基于热固性树脂且不含增韧剂的早期复合物具有极小层间区。然而，增韧剂已用于一些基于热固性树脂的复合物中以产生板层间区域。然而，可适于热固性树脂系统中的增韧材料可能与热塑性树脂系统不相容。具体来说，基于热塑性树脂的复合物的加固温度通常高于基于热固性树脂的复合物，且在一些情形下加固温度几乎为典型热固性树脂固化温度的两倍。因此，热固性复合物中使用的在热塑性塑料加工温度之前熔化并可能热降解的增韧材料会不相容。加工温度是指在层压热塑性结构层期间的操作温度，其通常在高于半结晶聚合物的差示扫描量热法(DSC)扫描中的峰值熔点20℃-40℃的范围内，且在高于非晶型聚合物的玻璃化转变温度(Tg)80℃-150℃的范围内。在此情况下的热塑性复合物或层压件包括多个呈堆叠布置的结构层，每个结构层都由经热塑性树脂基质浸渍的强化纤维构成。树脂基质包含一种或一种以上热塑性树脂作为主要组分。因此，树脂基质具有热塑性；然而，树脂基质可含有少量添加剂，例如增塑剂、流变改良剂、无机填料等。举例来说，可将无机填料粒子(例如云母、二氧化硅、碳化硅、氮化铝、氮化硼、氧化铝)与热塑性树脂混合。适宜热塑性树脂包括：聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳醚酮(PAEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺(尼龙(Nylon))及其组合。聚芳醚酮(PAEK)是结晶聚合物且可包含但不限于聚醚酮(PEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)和聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)。这些热塑性树脂具有固有韧性，且因此通常认为典型热塑性树脂是不需要增韧的材料。此韧性赋予成品层压件良好的冲击性能。然而，已发现，可将增韧层添加到热塑性复合物中以进一步改进韧性特性。可使用测试方法ASTMD7136以冲击后压缩(CAI)性能形式来测量复合物韧性。在一些情形下，可得到超过50KSI的CAI性能。更具体地，CAI性能可超过55KSI、60KSI、65KSI或70KSI。例如，由半结晶单向带及增韧层形成的层压件可提供55KSI的CAI。“单向带”是指经树脂浸渍的纤维层，其中纤维沿一个方向对准。市售PAEK聚合物包含PEEK、或DSE或FC以及其均购自氰特工程材料/氰特工业公司(CytecEngineeredMaterials/CytecIndustriesInc.)。CypekTMDSE、DSM、FC、HTE是购自氰特工业公司的聚合物级PEKK。DS代表德克拉(Declar)规格，M代表模制。HTE代表高温挤出，且FC代表“快速结晶”。增韧材料增韧层可采取以下形式：连续或多孔聚合物膜、织造或非织造纤维材料、游离颗粒、含有分散于其中的颗粒的聚合物层、含有分散于其中的增韧颗粒的随机布置的聚合纤维的非织造纱罩、未浸渍或浸渍的织造金属网或箔。适于增韧层的材料包含：高熔点高分子量的热塑性聚合物；增塑的热塑性聚合物；高流动性聚合物；半结晶或快速结晶热塑性聚合物；基质树脂的聚合物杂合物；多聚合物合金；热固性聚合物，例如聚酰亚胺；陶瓷，例如氧化铝和硅酸盐；金属，例如铜、银、钛、铝及其合金；及任一种上述材料的组合。对用于增韧层的材料或材料组合的选择取决于纤维强化的结构层中增韧层及热塑性树脂基质的配置。对于含有增韧颗粒的聚合物膜或纱罩来说，选择材料以在聚合物膜或纱罩与层间区域中的增韧颗粒之间产生协同效应。“高熔点热塑性聚合物”是指熔化温度(Tm)如通过DSC所测量高于或等于280℃且加工温度(T加工)高于或等于300℃的任一种热塑性聚合物。“高分子量热塑性聚合物”是指数均分子量(MW)大于10,000的聚合物。“高流动性聚合物”是指在10s-1的表观剪切速率及熔化加工温度下熔化粘度小于600Pa·s的聚合物，例如340℃的CypekTMDS-M。“半结晶聚合物”是指如通过DSC所测量显示熔化放热的任一种热塑性聚合物，例如PEEK。“快速结晶聚合物”是指在以10℃/min或更高速率冷却时可达到大于或等于15%的结晶含量的半结晶热塑性聚合物，例如PEEK。“基质树脂的聚合物杂合物”是指与基础基质聚合物的共聚物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.08.29 US 61/528,5611.一种热塑性复合层压件，其包括：多个呈堆叠布置的结构层，每个结构层均包括经热塑性基质树脂浸渍的强化纤维，所述热塑性基质树脂主要组成为聚芳醚酮PAEK聚合物；和多个层间区域，每个层间区域均形成于两个邻近结构层之间，其中每个层间区域包括选自以下的增韧材料：(a)聚芳醚酮PAEK聚合物膜，其具有分散于其中的增韧颗粒，其中，所述颗粒是由相对于所述PAEK聚合物膜的熔点具有较高熔点的PAEK聚合物制得；(b)PAEK聚合物膜，其包括不同PAEK聚合物的颗粒或由玻璃和PAEK聚合物的共混物制得的颗粒；(c)包括随机布置的热塑性纤维的非织造纱罩，其具有或不具有分散于所述纱罩中的增韧颗粒，其中所述热塑性纤维具有直径，其为所述结构层中的所述强化纤维的所述直径的至少一半，并且所述热塑性纤维由高熔点热塑性聚合物制得，所述高熔点热塑性聚合物具有通过差示扫描量热法所测量的高于或等于280℃的熔化温度Tm，且当所述增韧颗粒存在时，所述颗粒是由选自以下的材料制得：PAEK聚合物、玻璃、陶瓷及其组合；(d)具有不同熔点和大于3微米粒径的不同P...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特·阿尔弗雷德·罗杰斯，詹姆斯·弗朗西斯·普拉特，
申请(专利权)人：氰特科技股份有限公司，
类型：
国别省市：