具有增强延展性的聚合物制品及其制造方法专利检索- 聚乙烯脂专利检索查询-专利查询网

具有增强延展性的聚合物制品及其制造方法
申请号	CN201410657914.5	申请日	2014-11-18	公开(公告)号	CN104650538A	公开(公告)日	2015-05-27
申请人	福特全球技术公司;			发明人	里克·H·怀科夫; 穆罕默德·奥玛·法鲁克; 吴福邦; 陈奕荣; 马特·约翰·扎克泽;
摘要	根据一个或多个实施例，聚合物制品包括聚合物组合物，聚合物组合物相应地包括第一重量百分数的聚合物材料、第二重量百分数的非金属纤维性材料以及第三重量百分数的并与非金属纤维性材料混合在一起的金属纤维材料。聚合物材料可以包括环氧树脂、乙烯基酯和/或聚酯中的至少一种。纤维性材料可以包括玻璃纤维和碳纤维中的至少一种。金属纤维材料可以包括钢和铝中的至少一种。
权利要求	1.一种聚合物制品，包含：包括第一重量百分数的聚合物材料的聚合物组合物；第二重量百分数的纤维性复合材料，以及第三重量百分数的并与非金属纤维性材料混合在一起的金属纤维材料。 2.如权利要求1所述的聚合物制品，其中，聚合物材料、非金属纤维性材料和金属纤维材料混合成混合物。 3.如权利要求1所述的聚合物制品，其中，聚合物材料配置为第一和第二聚合物材料层。 4.如权利要求3所述的聚合物制品，其中，非金属纤维性(即碳或玻璃)材料和金属(即不锈钢)纤维材料夹在第一和第二聚合物材料层之间。 5.如权利要求3所述的聚合物制品，其中，第一聚合物材料层包括第一聚合物并且第二聚合物材料包括与第一聚合物相同或不同的第二聚合物。 6.如权利要求1所述的聚合物制品，进一步包含与聚合物组合物接触的至少一个覆盖层。 7.如权利要求6所述的聚合物制品，其中，至少一个覆盖层包括将聚合物组合物夹在中间的第一和第二覆盖层。 8.如权利要求1所述的聚合物制品，其特征在于，聚合物材料包括环氧树脂、乙烯基酯和聚酯中的至少一种。 9.如权利要求1所述的聚合物制品，其特征在于，纤维性材料包括玻璃纤维和碳纤维中的至少一种。
说明书全文	具有增强延展性的聚合物制品及其制造方法技术领域 [0001] 本发明构思总体上涉及具有增强延展性的聚合物制品及其制造方法。在某些实例中，该聚合物制品可以配置为片状模塑料(sheet molding compound，SMC)。背景技术 [0002] 片状模塑料(SMC)或片状模塑复合材料(sheet molding composite)是主要在压缩模塑法中使用的纤维增强复合材料。SMC可以成卷地提供并通过在如聚酯聚合物这样的聚合物的溶池(bath)上分散如玻璃纤维或碳纤维这样的短纤维的线来制造。一些现有已固化的SMC部件受到不充足的强度和/或延展性。 [0003] 如果可以提供用于生产聚合物制品的系统和方法来解决这些确定的问题中的一个或多个，那么这将是有利的。发明内容 [0004] 相信本发明构思能克服与生产如片状模塑料这样的聚合物制品相关的问题中的一个或多个。 [0005] 根据一个或多个实施例，聚合物制品包括聚合物组合物，聚合物组合物相应地包括第一重量百分数的聚合物材料，第二重量百分数的非金属(即碳或玻璃)纤维性材料，以及第三重量百分数的并与非金属纤维性材料相混合的金属纤维(即不锈钢或铝)材料。聚合物材料可以包括环氧树脂、乙烯基酯和/或聚酯中的至少一种。纤维性材料可以包括玻璃纤维和碳纤维中的至少一种。金属纤维材料可以包括钢和铝中的至少一种。 [0006] 该聚合物制品可以进一步包括与聚合物组合物接触的至少一个覆盖层。该至少一个覆盖层可以包括夹在聚合物组合物之间的第一和第二覆盖层。 [0007] 在某些实例中，聚合物材料、非金属纤维性材料和金属纤维材料混合成一种混合物。在某些其它实例中，聚合物材料配置作为第一和第二聚合物材料层。在某些特定的实例中，纤维性材料和金属材料夹在第一和第二聚合物材料层之间。 [0008] 在某些其它的实例中，第一聚合物材料层包括第一聚合物，并且第二聚合物材料包括与第一聚合物相同或不同的第二聚合物。 [0009] 根据一个或多个其它实施例，聚合物制品包括：聚合物组合物，聚合物组合物相应地包括30到84重量百分数的聚合物材料，15到45重量百分数的非金属纤维性材料，以及1到25重量百分数的金属纤维材料；以及与聚合物组合物接触的至少一个覆盖层。 [0010] 根据一个或多个实施例，提供第三重量百分数的金属材料以赋予聚合物制品在弹性系数上65到75GPa的强度值。 [0011] 根据本发明，提供一种聚合物制品，包含： [0012] 聚合物组合物，该聚合物组合物包括30到84重量百分数的聚合物材料、15到45重量百分数的非金属(碳或玻璃)纤维性材料以及1到25重量百分数的金属纤维材料；以及 [0013] 至少一个接触聚合物组合物的覆盖层。 [0014] 在一个或多个实施例中，聚合物材料、非金属纤维性材料和金属材料混合成为混合物。 [0015] 在一个或多个实施例中，聚合材料配置为第一和第二聚合物材料层。 [0016] 在一个或多个实施例中，非金属纤维性材料和金属纤维材料夹在第一和第二聚合物材料层之间。 [0017] 在一个或多个实施例中，第一聚合物材料层包括第一聚合物，并且第二聚合物材料包括与第一聚合物相同或不同的第二聚合物。 [0018] 还是根据一个或多个其它实施例，一种形成聚合物制品的方法包括：使聚合物组合物经受压膜来形成聚合物制品，该聚合物组合物包括第一重量百分数的聚合物材料、第二重量百分数的非金属纤维性材料，以及第三重量百分数的并与非金属纤维性材料混合的金属纤维材料，第三重量百分数不大于第一或第二重量百分数。 [0019] 在一个或多个实施例中，聚合物组合物通过混合聚合物材料、非金属纤维性材料和金属纤维材料形成。 [0020] 在一个或多个实施例中，聚合物组合物通过将非金属纤维性材料和金属纤维材料放置在聚合物材料的两个单独的层中形成。 [0021] 当与附图相结合时，上述优势和其它优势和特征将会从实施例的以下详细描述中容易地变得显而易见。附图说明 [0022] 为了更全面的理解本发明的实施例，现在应该参考在附图中更详细地说明的和在下面通过示例所描述的实施例，其中： [0023] 图1A说明性地描述了根据一个或多个实施例的聚合物制品的剖视图； [0024] 图1B说明性地描述了在图1A中涉及的聚合物制品的平面图； [0025] 图1C说明性地描述了在图1A中涉及的聚合物制品的变体的剖面图； [0026] 图2描述了用于形成在图1A中涉及的片状模塑料的系统； [0027] 图3A和图3B对比展示了在示例中涉及的聚合物组合物的某些性能参数；以及[0028] 图4展示了在示例中涉及的几种聚合物组合物的某些性能参数。具体实施方式 [0029] 参照附图，相同的附图标记用于表示相同的组件。在以下描述中，不同的操作参数和组件描述不同的构造的实施例。这些具体的参数和组件被包括作为示例并且不是为了限制。 [0030] 通过确认如片状模塑料这样的某些现有聚合物制品由于缺乏令人满意的延展性而受到限制使用，本发明在一个或多个实施例中是有益的。这至少部分地是由于观察到如玻璃和碳纤维这样的某些纤维倾向于易碎并且合成的片状模塑料也是这样。这样形成的片状模塑料不能容易地用于某些承载负荷的建筑物。 [0031] 本发明在一个或多个实施例中通过提供包括聚合物组合物的聚合物制品从而是有利的，聚合物组合物相应地包括聚合物材料、纤维性材料和金属材料，在强度和延展性上具有令人满意的特性。不想限制于任何特定的理论，可以相信的是当纤维性材料提供强度时，金属材料补充给聚合物组合物延展性的协同增加以及由于另外使用的纤维性材料的量的减少而引起的费用的同时减少。 [0032] 相应地，本发明在一个或多个实施例中介绍了纤维的混合物，共同创造了混杂复合材料。这种纤维的组合被认为能够裁制用于特种性能的复合材料——其可以用来满足许多不同应用的不同的强度、硬度和延展性需求。如此处在别处将被详细描述的，聚合物组合物包括第一重量百分数的聚合物材料、第二重量百分数的非金属纤维性材料，以及第三重量百分数的并与非金属纤维性材料混合的金属纤维材料。在某些实例中，第三重量百分数不大于第一或第二重量百分数。 [0033] 聚合物组合物可以按配方制造并配置到片状模塑料中。片状模塑料的非限制性示例和其制造过程在下文中参照图1A、图1B、图1C和图2描述。 [0034] 图1A说明性地描述了以100示出的聚合物制品的剖视图，并且图1B说明性地描述了参照图1A中的聚合物制品100沿着线1B’-1B取得的平面图。聚合物制品100包括聚合物组合物102，聚合物组合物102相应地包括聚合物材料108、纤维性材料110和金属材料112。聚合物制品100可以进一步包括第一覆盖层104、第二覆盖层106，同时聚合物组合物102设置在第一和第二覆盖层104、106之间。 [0035] 当需要时以及在某些实例中，聚合物组合物102的不同组分——包括聚合物材料108、非金属纤维性材料110以及金属纤维材料112——混合在一起。该混合可以通过预混合聚合物材料108、纤维性材料110和金属材料112以形成混合物来实现，并且然后该混合物放置在第一和第二覆盖层104、106之间。 [0036] 术语“混合”可以详述如下。随机地选择聚合物组合物102的部分“a”和“b”并且部分“a”和“b”是相同体积的。当在部分“a”中的聚合物材料108、纤维性材料110和金属材料112中的一个或多个的重量百分数相对于它们在部分“b”中的相应对应物的每一个的重量百分数实质上相同时，可以确定术语“混合”。当一个重量百分数相对于另一个是90％到110％或95％到105％时，两个重量百分数数值实质上相同。 [0037] 在图1C中说明性地描述了一种变体，其中聚合物材料配置为第一和第二聚合物材料层108a和108b，并且其中纤维性材料110和金属材料112设置在第一和第二聚合物材料层108a、108b之间。因此聚合物组合物102配置在夹层式结构中:第一和第二聚合物材料层108a、108b将纤维性材料和金属材料110、112夹在中间。如在图1A和图1B中所描述的，产生的聚合物组合物102于是可以夹在第一和第二覆盖层104和106之间。 [0038] 聚合物制品100可以通过使用在图2中说明性地描述的总体上以200示出的系统来制造。参照图2，第一或下覆盖层106被传送到传送机222上。第二或上覆盖层104通过滚轴224提供。粗纱210为在图1A到图1C中涉及的纤维性材料110提供来源。粗纱212为在图1A到图1C中涉及的金属材料112提供来源。粗纱210和粗纱212可以作为连续的线供给并且接着被切碎来形成共同以226示出的短纤维中的金属材料112和纤维性材料110。短纤维226可以混合来形成金属材料112和纤维性材料110的混合物。 [0039] 短纤维226放置在下覆盖层106和上覆盖层104之间。第一聚合物校正器箱(doctor box)208邻近下覆盖层106放置并且将第一聚合物材料108b施加到下覆盖层106。短纤维226放置在下覆盖层106上的第一聚合物材料108b上。第二聚合物校正器箱214邻近上覆盖层104放置并且将第二聚合物材料108a施加到上覆盖层104。 [0040] 第一和第二聚合物材料108b、108a每一个都分别以测量过的量分配到下覆盖层106和上覆盖层104上。下覆盖层106在切碎机204底下通过，切碎机204剪切粗纱210和粗纱212来形成短纤维226。短纤维226接着掉落到下覆盖层106上。一旦短纤维226漂过在下覆盖层106上的第一聚合物材料108b的深处，上覆盖层104就添加到顶部将短纤维 226夹在中间。这样形成的夹层板(sandwich sheet)可以通过压辊218压紧并接着进入卷取辊，卷取辊用于在产品成熟时存储产品。覆盖层104、106可以随后被移除并且无覆盖层的材料可以接着被切成各种形状。由于短纤维226在夹层中心的最初布置，它们通常保持在远离表面的模制件的内部部分。 [0041] 返回来参照图2，尽管两个单独的来源210、212展示来代表纤维性材料110和金属材料112的来源，但是更少的或更多的来源可以适当地使用。例如，一个结合的来源可以用于为纤维性材料110和金属材料112提供材料来源。又例如，两个或更多的单独的来源可以用于为纤维性材料110提供材料来源，并且两个或更多的单独的来源可以用于为金属材料112提供材料来源。这种设计的好处将可能提供来源材料的较大程度的混合。 [0042] 可选地，在接触到第一覆盖层106或第二覆盖层104之前，第一聚合物材料108b和/或第二聚合物材料108a可以直接放置进短纤维226中来形成混合物。该混合可以在单独的容器(未示出)中进行。 [0043] 如在图1A中所涉及的聚合物材料108以及在图1C中所涉及的第一和第二聚合物材料层108b、108a每一个都可以独立地是任何合适的成分，并且可以包括一种或多种聚合物。在某些实例中，如在图1A中涉及的聚合物材料108和如在图1C中涉及的第一和第二聚合物材料层108b、108a每一个都可以独立地包括环氧树脂、乙烯基酯和聚酯中的至少一种。 [0044] 纤维性材料110可以包括一种或多种类型的纤维。在某些实例中，纤维性材料110包括玻璃纤维和碳纤维中的至少一种。 [0045] 金属材料112可以包括一种或多种类型的金属、金属合金或金属氧化物。在某些实例中，金属材料112包括钢和铝中的至少一种。 [0046] 设置校正器箱208来向下覆盖层106提供第一聚合物材料108b。同样地，设置校正器箱214来向上覆盖层104提供第二聚合物材料108a。第一聚合物材料108b可以在接收到短纤维226之前立即施加到下覆盖层106。同样地，第二聚合物材料108a可以在接收到短纤维226之前立即施加到上覆盖层104。校正器箱208包括校正器刮片204，这样由校正器箱208存放的聚合物均匀地施加到下覆盖层106。 [0047] 在聚合物制品100形成后，其可以被切成想要的长度或在冲切操作中切成想要的毛坯形状。在聚合物制品100被切后，覆盖层106和104可以随后被移除，并且切掉的部分接着放置进传统塑模成型装置中以形成令人满意的轮廓的部件。 [0048] 片状模塑料部件总体上可以通过在匹配的成套冲模中塑造片状模塑料来制造，成套冲模施加热和压力来将片状模塑料加工处理成想要的形状——其被给予了相对较高的强度、相对较小的轻量、相对较高的尺寸稳定性和抗腐蚀性。 [0049] 聚合物制品100——可选地以片状模塑料的形式——可以用于形成不同的结构组件并且尤其是车辆应用中的结构组件。不同的结构组件可以包括车体外板、发动机组件、车架元件、缓冲梁、风扇护罩和很多其它类型的组件。片状模塑料的使用引入了大量优点，包括提供较轻的重量、部件的较强固结、使用不复杂的和不昂贵的工具作业塑造部件的能力、较大范围的组件样式，以及用于模制工序的短周期。 [0050] 示例 [0051] 根据本发明的一个或多个实施例，聚合物组合物的某些非限制性的示例在下文中制成了表格。碰撞安全性的性能通过组合物的延展性说明。以表格显示的组合物被认为在弹性系数上全部达到了的70GPa的总刚度目标。 [0052] 下面的三个表格，即表1、表2和表3，基于聚合物材料、非金属纤维性材料的类型的变化以及是否包括金属展示了某些刚度和安全性参数。大体上，对于基于成分中的变化获得刚度、强度和/或延展性的一些预测的人来说，这些表格起示例性查找母体的作用。 [0053] 表1——使用环氧树脂作为聚合物材料 [0054] [0055] 表2——使用乙烯基酯作为聚合物材料 [0056] [0057] 表3——使用聚酯作为聚合物材料 [0058] [0059] 如在上述的表中所展示的，刚度可以由弹性系数值表示，强度可以由抗张强度值表示，并且延展性可以由破坏应变值表示。 [0060] 表1尤其展示了当金属纤维增加接近5％时，延展性(即破坏应变)从1.49％增长到7％。另外，金属纤维的内含物引起钢的塑性残余应力从0.000增长到0.071以及铝的塑性残余应力从0.000增长到0.061。相似的反应趋势也从表2和表3观察到。 [0061] 使用环氧树脂作为示例性母体聚合物和碳作为示例性纤维组分，绘制以GPa表示的塑性残余应力对具有或不具有钢纤维的内含物的情况下的以百分数表示的应变值。结果在图3A(具有30％的碳并且无钢)和图3B(具有16％的碳和15％的钢)中展示。如可以从图3A和图3B中看到的，利用钢对大约15％的碳纤维的一部分的替换产生从大约1.5％到7％的相对宽的应变范围的延展性的净保护，其中塑性残余强度始终保持在大约0.1GPa。 [0062] 从表1-3取得的数据同样是根据附图标绘的，并且结果在图4中示出。从图4中所展示的，可以至少推断出在车辆碰撞安全性的应用中，会需要材料强度和延展性的平衡来达到相对优化的性能。无延展性的强度会导致经常是危险的碰撞脉冲或者会进一步引起灾难性破裂的可能的零件破坏。在保持材料刚度时，这些提出的构想将会在强度上的可接受的折中方案的情况下增加延展性。 [0063] 本发明在一个或多个实施例中，以及考虑到此处描述的示例，提出了与某些现有过程的违背，在这些现有过程中，在另外的无根据的增加产生的聚合物制品的强度的尝试中，如碳纤维这样的纤维性材料有时以过多的量使用。这里，以及相反地，根据本发明的一个或多个实施例的聚合物制品或聚合物组合物利用相对减小的量的如碳纤维这样的纤维性材料的使用并且使用比碳纤维相对更便宜的金属纤维材料的同时完成的添加，并且在保持强度和刚度的符合要求的量时同时生产出相对更便宜的、更易延展的成品。 [0064] 在一个或多个实施例中，此处如前所述的本发明克服了聚合物制品的已知生产所面对的挑战。然而，在不背离本发明由以下权利要求所限定的真正实质和公平范围的情况下，所属领域的技术人员将容易地从这样的讨论和从附图和权利要求中认识到可以在其中做出各种改变、修饰和变动。

意见反馈