制造热塑性塑料/连续纤维混杂复合材料的方法 |
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| 申请号 | CN200980142310.4 | 申请日 | 2009-10-21 | 公开(公告)号 | CN102196895B | 公开(公告)日 | 2014-05-21 |
| 申请人 | 乐金华奥斯株式会社; 株式会社罗地; | 发明人 | 郑基燻; 朴明哲; 尹镛熏; 金熙俊; 尹志勋; 朴哲贤; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于制备热塑性塑料/连续 纤维 混杂 复合材料 的方法，更具体地，涉及一种包括以下步骤的制备热塑性塑料/连续纤维混杂复合材料的方法：a)均匀扩宽地展开玻璃纤维束；b)加热被展开的玻璃纤维；c)将加热的玻璃纤维与带状的热塑性塑料粘结，以形成热塑性塑料/连续纤维粘结物；d)将该粘结物折叠成之字形形状，以形成多层热塑性塑料/连续纤维粘结物；以及e) 挤压 该多层热塑性塑料/连续纤维粘结物。本发明的方法允许容易地制造混杂复合材料，并且在制造之后对该混杂复合材料进行热熔融和浸渍时，其表现出优良的均一性和浸渍性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该材料易于编织，并且编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度优良，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 制造热塑性塑料/连续纤维混杂复合材料的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，更具体地，涉及一种制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该复合材料具有优良的柔韧性，易于在不直接将熔融热塑性树脂浸渍到伸展的连续纤维束内的情况下、通过粘结带状的热塑性塑料而编织，并且通过形成其中连续纤维和热塑性塑料交替层叠的多层结构，该复合材料最大化了编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度。 背景技术[0002] 连续纤维增强热塑性塑料连续地包括在具有相对脆弱的机械强度的热塑性塑料内的增强纤维，例如玻璃纤维或碳纤维。与具有最多1mm长度的短纤维增强热塑性塑料或具有约5mm至50mm长度的长纤维增强热塑性塑料(LFT)例如玻纤毡增强热塑性塑料(GMT)相比，连续纤维增强热塑性塑料在机械强度、刚度和抗冲击性方面非常优异。 [0003] 此外，具有柔韧性的连续纤维增强热塑性塑料可以在短方向或两个方向上编织，并且这样形成的连续纤维增强热塑性结构可以适用于要求多种机械性能的产品上。 [0004] 连续纤维增强热塑性塑料通常通过挤拉成型法、混合后热压法等方法来制备。 [0005] 该挤拉成型法将扩宽地伸展的连续纤维束穿过液态(或熔融)树脂桶或模具，以使热塑性树脂浸入该连续纤维束。当工艺条件最优化时，该挤拉成型法可以提高浸渍度；然而，该方法难以控制热塑性树脂的含量，并且会降低柔韧性且不易编织。 [0006] 混合后热压法是这样一种方法：即，将连续纤维和纤维型热塑性树脂混合，然后对其进行热压。由于连续纤维和热塑性树脂的物理粘结，热压混合的纤维不会大大降低纤维的柔韧性，从而编织较为容易，并且在编织之后进行热辊压时，可成形性和浸渍度优良，并且可以自由控制连续纤维增强热塑性塑料的热塑性树脂及增强纤维的含量。然而，由于热塑性树脂在连续纤维束内随机混合，所以当在编织之后进行热辊压时，局部不会发生充分浸渍，物理特性的均一性降低；并且当把热塑性树脂制备成纤维型时，就可加工性而言，会限制性地作用于具有充分伸长特性的热塑性塑料。 [0007] 因此，急需开发出一种制备如下热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该复合材料易于编织，编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度优良，并且能够应用于各种类型的热塑性塑料。 发明内容[0008] 为了解决现有技术中的上述问题，本发明的一个方面涉及提供一种制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该复合材料具有优良的柔韧性，易于在不直接将熔融热塑性树脂浸渍到伸展的连续纤维束内的情况下、通过粘结带状的热塑性塑料而编织，并且通过形成其中连续纤维和热塑性塑料交替层叠的多层结构，该复合材料最大化了编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度。 [0009] 本发明的另一个方面涉及提供一种通过所述制备方法而制备的热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料。 [0010] 本发明的另一个方面涉及提供一种使用热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料制备的片型或板型的连续纤维增强热塑性塑料产品。 [0011] 如下文所述，可通过本发明来实现本发明的上述方面。 [0012] 为了实现该方面，本发明提供了一种制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该材料易于编织，并且编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度优良，所述方法包括： [0013] a)扩宽地均匀伸展玻璃纤维束； [0014] b)加热该伸展的玻璃纤维； [0015] c)通过将加热的玻璃纤维与带状的热塑性塑料粘结来制备热塑性塑料-连续纤维粘结材料； [0016] d)通过将该粘结材料折叠成之字形形状来制备多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料；以及 [0017] e)挤压该多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料。 [0018] 此外，本发明还提供了通过该方法制备的热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料。 [0020] 图1是示意性示出使用凸杆和导向杆来扩宽地均匀伸展玻璃纤维束的过程的示意图。 [0021] 图2是示意性示出根据本发明的、制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法的示意图。 [0022] 图3是示意性示出根据本发明的、热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的弯曲强度、弯曲模量等的示意图。 [0023] 主要元件的详细说明 [0024] 1：第一导向杆 [0025] 2：第一凸杆 [0026] 3：第二导向杆 [0027] 4：第二凸杆 [0028] 5：第三导向杆 具体实施方式[0029] 下面，将详细描述本发明。 [0030] 本发明提供了一种制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该复合材料易于编织，并且编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度优良，所述方法包括： [0031] a)扩宽地均匀伸展玻璃纤维束； [0032] b)加热该伸展的玻璃纤维； [0033] c)通过将加热的玻璃纤维与热塑性塑料粘结来制备热塑性塑料-连续纤维粘结材料； [0034] d)通过将该粘结材料折叠成之字形形状来制备多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料；以及 [0035] e)挤压该多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料。 [0036] 如果步骤a)中的玻璃纤维束可大致用于连续纤维增强热塑性塑料，则可以不受限制地使用任何束。此外，玻璃纤维的直径越小，该玻璃纤维就越好。一般来讲，优选该玻璃纤维的直径为约15μm至20μm。对于玻璃纤维束来说，1200特的玻璃纤维束比2400特的玻璃纤维束容易制备成更大的宽度，但当考虑到该混杂复合材料的经济性时，2400特的玻璃纤维束生产率更高，所以更优选使用2400特的玻璃纤维束。 [0037] 在步骤a)中，可以通过使用处于多个阶段的凸杆和导向杆来使玻璃纤维束逐渐变宽并均匀伸展，其中，如果必要，可以控制所使用的凸杆和导向杆的数量。 [0038] 该导向杆的作用是防止玻璃纤维束分离并将其导向至凸杆，并且该导向杆具有如下结构：该导向杆的与玻璃纤维束接触的中央部是平坦的，并且该中央部相对于导向杆的两端具有凹陷的形状，该凹陷的形状可根据玻璃纤维的宽度来进行控制。 [0039] 该凸杆的作用是将玻璃纤维束均匀伸展成片状，并且优选地，与玻璃纤维束接触的表面满足下列方程式1至方程式3： [0040] [方程式1] [0041] [0042] [方程式2] [0043] [0044] [方程式3] [0045] [0046] 在方程式1至方程式3中，R是凸杆的最大半径，r是凸杆的最小半径，H是从穿过导向杆中心的水平线到凸杆中心的高度，L是从玻璃纤维与导向杆的接触点到玻璃纤维与凸杆中心的接触点的距离，S是从穿过凸杆中心的竖直线到导向杆的距离，x是从凸杆的轴向对称平面到玻璃纤维的水平距离，x0是从导向杆的纵向对称平面到玻璃纤维的水平距离，是穿过凸杆中心的竖直线与凸杆的切线所夹的角度。 [0047] 通过下图1和图2，可以更详细地表示出L、H、S、 x和x0。 [0048] [图1] [0049] [0050] [图2] [0051] [0052] 在方程式1中，优选地，r/R值为至少0.95，值为45°。当这些值没有达到该范围时，会发生如下现象：玻璃纤维束未均匀伸展而偏向一侧，并且过大张力被施加到玻璃纤维股线。 [0053] 在步骤b)中，在温度120℃至280℃下加热所伸展的玻璃纤维。当在该温度范围内将带状玻璃纤维粘结到热塑性塑料时，最终制备的热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料具有优良的柔韧性且易于编织。此时，优选地，该温度是根据带状的热塑性塑料的类型、通过参考熔融温度而大致选择的，并且该混杂复合材料在可能更高的温度下进行优化，以保持柔韧性。 [0054] 在步骤c)中，可以在具有预定宽度的多个塑性塑料带被伸展的状态下、将这些带状的热塑性塑料无间隙地平行布置在同一平面上。优选地，所述宽度的总和与所述加热的玻璃纤维的宽度一致。 [0055] 在步骤c)中，可以将带状的热塑性塑料定位在所述加热的玻璃纤维的上部或下部，但优选既定位在该加热的玻璃纤维的上部和下部。 [0056] 该具有预定宽度的热塑性塑料带不受特别限制。然而，该热塑性塑料带可以具有2～40mm的宽度以及500～4000旦尼尔的纤度。通过控制该宽度，可以控制所制备的热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料中的连续纤维的含量。优选地，将该玻璃纤维的含量控制在40wt％至80wt％。 [0057] 在步骤c)中，该热塑性塑料-连续纤维粘结材料可具有由玻璃纤维和带状的热塑性塑料层叠而成的结构或具有由热塑性塑料带、玻璃纤维和带状的热塑性塑料依次层叠而成的结构。优选地，该热塑性塑料-连续纤维粘结材料具有由带状的热塑性塑料、玻璃纤维和带状的热塑性塑料依次层叠而成的结构。 [0058] 由于具有预定宽度的带状的热塑性塑料并不像包括混合工艺的现有技术中那样需要特殊的伸长特性，所以可以使用能加工成膜或带的形状的、最常销售的热塑性塑料。在本发明的实例中，使用了聚丙烯。 [0059] 该带状的聚丙烯的厚度可以是30～200μm，并且该带状的聚丙烯可以包含偶联剂。 [0060] 在步骤d)中，通过将多个带状的热塑性塑料之间的接触表面折叠，可以让该多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料具有之字形形状。结果，其宽度等于或接近于一个热塑性塑料带的宽度。 [0061] 在步骤e)中，可以在120℃至280℃的温度下进行挤压。当该温度太低时，存在如下问题：即，多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料的折叠状态无法得到维持且随后再次松开。另一方面，当该温度太高时，会由于过度浸渍而失去柔韧性。 [0062] 该热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料是指通过编织和热辊挤压的热塑性树脂的熔融浸渍之前的连续纤维增强热塑性塑料，该复合材料是根据制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法而制备的。 [0063] 根据本发明的连续纤维增强热塑性塑料产品使用所述热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料，以具有通过编织和热辊挤压而制备的片状或板状形状。 [0064] 当对编织的热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料进行热辊挤压时，热塑性塑料被熔融浸渍到增强纤维内。本发明具有其连续纤维和热塑性塑料交替层叠的多层结构，因此，即使在将类似高粘度树脂的移动距离限制在最多100μm时，仍能够呈现出非常优异的浸渍度。 [0065] [实例] [0066] 下面，将参考附图来描述制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法的详细实例。 [0067] 图1详细示出扩宽地均匀伸展玻璃纤维束的步骤。 [0068] 本发明所用的玻璃纤维束使用2400特的纤维束，其由4000根17μm直径的玻璃纤维股线构成，并且所用的玻璃纤维束经过上浆处理，以适用于聚丙烯树脂。由于玻璃纤维束在初始状态下具有约5mm的宽度，所以第一导向杆1的中央部具有5mm的平坦部分，并且该中央部相对于导向杆的两端具有凹陷形状。然后，设计成满足方程式1的条件的第一凸杆2将该玻璃纤维束第一次加宽成12mm的宽度。接着，第二导向杆3的中央部具有10mm的平坦部分，该平坦部分的作用是将第一次加宽成12mm宽度的所述玻璃纤维束调整到宽度10mm。设计成满足方程式1的条件的第二凸杆4将来自第二导向杆3的具有10mm宽度的所述玻璃纤维束第二次加宽成24mm的宽度。接着，第三导向杆5的中央部具有20mm的平坦部分，该平坦部分的作用是将第二次加宽成24mm宽度的玻璃纤维束调整到宽度20mm。结果，在初始阶段具有5mm宽度的玻璃纤维束被扩宽地均匀伸展了。该扩宽地伸展的玻璃纤维束被形成为由两至三根玻璃纤维构成的厚度。 [0069] 图2示出了制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该复合材料具有其中连续纤维和热塑性塑料交替层叠的多层结构，并且编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度优良，所述方法包括：通过加热所伸展的玻璃纤维并将加热的玻璃纤维与带状的热塑性塑料粘结来制备热塑性塑料-连续纤维粘结材料；通过将该粘结材料折叠成之字形形状来形成多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料；以及，挤压该多层热塑性塑料-连续纤维粘结材料。该带状的热塑性塑料是用偶联剂处理过的聚丙烯，并且使用了具有2700旦尼尔的纤度的热塑性塑料。因此，该热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料包含50wt％的玻璃纤维。 [0070] [实验例] [0071] 使用弯曲强度和弯曲模量作为评估性能的特性值。在编织根据本发明制备的热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料之后经受热辊挤压的片材中，按照ASTM D790的要求来采集样本，然后，该样本的物理特性的评价结果如图3所示。 [0072] 如图3所示，可以确认，与LFT-D(PP/GF 50％)相比，根据本发明制备的热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料(PP/GF 50％)易于编织，并具有优良的弯曲强度(250MPa)和弯曲模量(15GPa)。 [0073] 根据本发明的上述热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料仅以举例方式示出本发明。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。应当理解，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求书内的这些变化和修改。 [0074] 如上所述，本发明可以提供制备热塑性塑料-连续纤维混杂复合材料的方法，该复合材料具有优良的柔韧性，易于在不直接将熔融热塑性树脂浸渍到伸展的连续纤维束内的情况下、通过粘结带状的热塑性塑料而编织，并且通过形成其中连续纤维和热塑性塑料交替层叠的多层结构，该复合材料最大化了编织后的热熔融浸渍时的均一性和浸渍度，并且该复合材料使用能加工成膜或带的形状的、最常销售的热塑性塑料。 [0075] 虽然已经结合具体实施例描述了本发明，但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。 |
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