改善的复合材料 |
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申请号 | CN200980141072.5 | 申请日 | 2009-10-07 | 公开(公告)号 | CN102186665B | 公开(公告)日 | 2016-08-03 |
申请人 | 赫克塞尔合成有限公司; | 发明人 | 马克.怀特; | ||||
摘要 | 一种 预浸料 组合件,其包括热固性 树脂 和 纤维 ,并且包括最上面的可 固化 树脂表 面层 ,从而使得当该组合件固化时,该最上面的表面层在超过200个循环时具有至少0.30mg/循环的打磨性能,根据ASTM D4060使用安装有H18轮和1.0kg重物的Taber 5151磨耗试验机测得。 | ||||||
权利要求 | 1.一种预浸料组合件,其包括热固性树脂和纤维,并且包括最上面的可固化树脂表面层,从而使得当该组合件固化时,该最上面的可固化树脂表面层在超过200个循环时具有至少0.30mg/循环的打磨性能,根据ASTM D4060使用安装有H18轮和1.0kg重物的Taber 5151磨耗试验机测得; |
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说明书全文 | 改善的复合材料技术领域背景技术[0002] 复合材料相对于传统的结构材料具有充分证明的优点,在以非常低的材料密度提供优异的机械性质方面尤其是这样。结果,这些材料的用途变得越来越广泛,它们的应用范围涉及工业、运动和休闲,以及高性能航空航天组件。 [0003] 包括浸渍有树脂例如环氧树脂的纤维排列的预浸料广泛地用于产生这种复合材料。通常将许多层这些预浸料根据需要层叠,并且将得到的组合件,或者层合体,置于模具中并通常通过暴露于升高的温度而固化,从而产生固化的复合材料层合体。 [0004] 但是,在没有施加任何表面处理的情况下,这种复合材料常常具有粗糙的,或者有针孔的表面。这种形成不平表面的倾向似乎与下层纤维的粗糙性紧密相关,该纤维越粗糙问题就越严重。当例行地使用粗糙纤维并且高度期望光滑表面整饰时,这尤其是个问题,一个实例是在构建风机叶片(windblade)的情况时。 [0005] 给这种复合材料提供光滑的表面整饰的已知技术是使用所谓的凝胶涂层。简而言之,这涉及到使可流动的组合物在该模具的内表面流过,然后使其固化形成凝胶层,将该预浸料组合件置于该凝胶层上,然后固化。在固化过程中,该预浸料和凝胶涂层融合到一起,这通常导致该形成的复合材料具有光滑的光泽表面。但是,该方法是非常劳动密集型的,需要初始的固化步骤,并且往往会产生厚度不均匀的凝胶层。此外,为了覆盖缺陷,该层需要是较厚的(例如平均0.3mm),具有不期望的重量增加。 [0006] 考虑到施加凝胶涂层的缺点,提出的可供选择的解决方式涉及到将所谓的表面整饰膜结合到该预浸料组合件中。WO 2008/007094公开了一种整饰膜,其包括表面预浸渍的微纤维片材,该片材具有也是预浸渍的玻璃纤维的下层绒布(fleece)。在固化时,该整饰膜防止形成针孔并且提供光滑表面,而不需要凝胶涂层。 [0007] 因此,似乎提供良好表面整饰的问题,即使对于粗糙的纤维复合材料,也已经在很大程度上被解决了。但是,到目前为止发现在实践中已经出现了未预料的问题。 发明内容[0008] 一旦已经由固化的复合材料层合体装配成结构体,例如风机叶片,总是发生的事实情况是最终用户期望对该结构涂油漆。无论是仅仅要改变它的颜色还是要引入其它物理性质例如抵抗气候。通常的既定实践是,通过摩擦例如通过打磨结构体来制备该结构体的表面。这不仅除去该表面上的任何污物,而且容许油漆楔入到产生的微粗糙度中,得到更好的油漆粘着力并增加该结构的服务寿命。 [0009] 已经发现,最终用户对包括表面整饰膜的层合体打磨至损害它的结构并且在表面中产生与整饰膜意图防止的非常相同的针孔的程度。 [0010] 本发明人已经确认,在打磨时,最终用户寻求表面光泽水平的变化作为足够打磨的指示。似乎通过使用如上所述的整饰膜产生的表面比它们以前更加耐打磨,结果它们往往使用更具攻击性的打磨方法,导致了上述的损害发生。 [0011] 因此,第一方面,本发明涉及一种预浸料组合件,其包括热固性树脂和纤维,并且包括最上面的可固化树脂表面层,从而使得当该组合件固化时,该最上面的表面层在超过200个循环时具有至少0.30mg/循环的打磨性能,根据ASTM D4060使用安装有H18轮和1.0kg重物的Taber 5151磨耗试验机测得。 [0012] 通过设计该最上面的层来很好地响应打磨,在发生对下层纤维的任何损害之前,观察到光泽水平的变化,这使得停止打磨,并且提供干净光滑的饰面,但是该饰面具有打磨的微粗糙度,容许施加油漆层,从而赋予有吸引力的和长的服务寿命。 [0013] 已经发现,优选打磨性能为0.3至2.0mg/循环,优选0.4至1.0mg/循环。 [0014] 打磨性能可以以许多方式获得,例如通过将最上面的层设计为软的。但是,已经发现,这种打磨性能优选通过在最上层中包含粒状材料(例如至少10wt%)而获得。 [0015] 因此,在第二方面,本发明涉及一种预浸料组合件,其包括热固性树脂和纤维,并且包括最上面的可固化树脂表面层,该层包括至少10.0wt%的粒状材料。 [0016] 优选该表面层包括15至40wt%的粒状材料,更优选20至30wt%。 [0017] 该粒状材料优选的平均粒度为5至50微米,优选10至30微米。 [0018] 最上面的层的厚度必需使得它能够被安全地打磨,而不害怕损害下面的纤维,而也不太厚使得预浸料中的重量增加变得显著。因此,优选该最上面的层的平均厚度为10至200微米,优选20至100微米。 [0019] 该粒状材料可为任何合适的材料,通常由惰性材料,或者填料制成。优选的材料由粒度为5至50微米,优选25至35微米,和颗粒密度为2.5g/cm3的玻璃球制成。 [0020] 在优选的实施方式中,该最上面的层是着色的,例如通过包含染料或者颜料而着色。通过使该最上面的层着色,最终用户除了光泽变化之外,还有第二可视指示,指示何时已经进行了充分的打磨。 [0021] 优选该最上面的层是半透明的,从而使得该最上面的层下面紧接着的层的颜色能够通过该最上面的层(当它足够薄时)看见。例如,随着最终用户对最上面的层进行打磨,最上面的半透明的蓝色层(其具有较浅着色的在该最上面的层下面紧接着的层)将显示出从蓝色到较浅渐变的蓝色的逐渐颜色变化。 [0023] 虽然本发明可用于一般应用,但是优选本发明的预浸料包括如以上所述的WO 2008/007094中所披露的表面整饰纤维。因此,优选该预浸料组合件包含纤维遮蔽物层(veil layer)来帮助提供光滑的表面整饰,优选其面重量为5至20gsm,更优选7至15gsm。如果存在,该纤维遮蔽物紧接着在该最上层的下面。 [0025] 优选该纤维遮蔽物受在它下方的无纺绒布支撑,例如WO 2008/007094中披露的玻璃纤维绒布。这种绒布可比面重量为30至70gsm的遮蔽物具有更重的负载(heavier duty)。 [0026] 该预浸料组合件可包括各种类型和形式的树脂。例如树脂可以作为在纤维片材(包括该绒布和遮蔽物层(如果存在的话))之间离散的层存在,。但是通常,将树脂预浸渍到该纤维层的结构中,但是根据需要在所谓的半预浸料排列中,一些纤维层能够潜在地保持“干的状态”。树脂可以以图案或者作为多个层的形式存在,设计的选择由本领域技术人员自行处理。 [0027] 通常,该最上面的可固化树脂层包括通常用于预浸料制造中的热固性树脂,例如以下树脂:酚醛树脂、脲醛树脂、1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺(三聚氰胺)树脂、双马来酰亚胺树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、苯并噁嗪树脂、酚树脂、 聚酯、不饱和聚酯、氰酸酯树脂,或其混合物。环氧树脂是优选的。可根据需要包括固化剂和任选的促进剂。 [0028] 该预浸料组合件通常包括至少一层片材形式的纤维。 [0029] 该预浸料组合件优选包括多层树脂和纤维,以便给固化的层合体提供机械强度。这种结构树脂和纤维的类型和设计可为本领域技术人员已知的任何一种,例如WO 2008/ 056123中提及的那些。 [0030] 通常在该纤维层中的纤维将会延伸通过整个预浸料组合件,例如以单向的方式或者以机织织物的方式。 [0031] 在优选的实施方式中,在最上面的层中的树脂的粘度大于在该最上层下面的树脂的粘度。这帮助防止树脂在存储和固化的过程中从最上面区域向下迁移到预浸料组合件中。在最上面的层中的树脂的粘度优选是最上面的层下面紧接着的树脂的至少两倍。 [0032] 本发明可应用于用于广泛的各种应用的预浸料。但是,已经发现它特别适宜生产风机叶片,例如用于风能场中的那些。在这些应用中,通常该结构纤维是比较粗糙的,并且包括至少一个面重量为600至1200gsm的结构性纤维片材,例如玻璃纤维。 [0033] 本发明的预浸料组合件优选通过如下方法制造:将所述最上面的层放置到模具表面上,然后放置接下来的各层,接着通过将组合件暴露于升高的温度和任选的升高的压力而使该组合件固化。 [0034] 因此,该预浸料组合件通过使该最上面的层与模具表面接触而固化。通常,将随后的层放置在最上面的层的上面从而产生三明治状的结构。在优选的实施方式状,该预浸料组合件包括至少三个层,更优选至少四个层。 [0037] 图1是与模具表面接触的预浸料组合件的图。 [0038] 图2是另一与模具表面接触的预浸料组合件的图。 [0039] 图3是另一与模具表面接触的预浸料组合件的图。 [0040] 转向附图,图1至3显示与模具表面12接触的预浸料组合件10。排列该预浸料10,从而使得它的最上面表面与该模具接触,并且因此是倒着显示的。 [0041] 非常详细地示出了该最上层,并且显示出最上面的树脂表面层14,其包括: [0042] -70.1%的改性双酚A环氧树脂, [0043] -2.0%的双氰胺 [0044] -1.0%的N,N-(4-甲基-1,3-亚苯基)二[N′N′-二甲基-脲] [0046] -24.4%的平均粒度为约30微米的玻璃微球 [0047] -0.1%的在双酚A环氧树脂中的蓝色颜料分散体 [0048] 下一层是纤维遮蔽物层16,其可例如为11gsm的WrampTM遮蔽物,由65%的聚酯和35%的尼龙的共混物制成(可得自Technical Fibre Products,Kendal,UK),下一层是 30gsm无纺绒布层18。 [0049] 接下来的层是所谓的结构层,并且在图1中显示为是预浸渍的玻璃纤维层20,其包括完全浸渍有M9.6树脂的LBB 1200玻璃纤维(都可得自Hexcel)。图2显示了包括LBB 1200玻璃纤维的干的玻璃纤维层22,在所谓的半预浸料排列中具有单独的树脂层24,包括M9.6。图3显示了包括LBB 1200玻璃纤维的干的玻璃纤维层22,具有单独的预浸渍纤维层26,包括预浸渍有M9.6树脂的LBB 1200。 [0050] 最后,该预浸料组合件进一步通过另外的预浸渍纤维层28支撑。实施例 [0051] 试验设备和方法 [0052] 为了测量磨损,固化的层合体根据ASTM D4060使用安装有H18轮和1kg重物的Taber 5151磨耗试验机测得。测量样品重量损失(磨耗的测量),周期性地进行至至多500个磨损循环。 [0053] 为了测量光泽,在样品的已经经受磨损的区域上,根据EN ISO 2813使用手持光泽计在85℃(Sheen Instruments Ltd,Tri-Glossmaster)周期性地测量层合体。 [0054] 为了测量颜色,在样品的已经经受磨损的区域上,使用手持分光光度计(X-Rite SP60)使用D65标准光源和仅使用10°标准观察者镜面组件(observer specular component)和L*a*b*颜色空间周期性地测量层合体。 [0055] 生产和试验 [0056] 图1中所示的预浸料组合件根据以下方法制造。 [0057] 为了生产最上面的树脂层,将双酚A树脂在合适的容器中加热至70℃。将每个另外的材料装入该容器中并且使用DAC 400FVZ快速混合机混合。然后将该配制物使用逆转辊Dixon涂布机以50gsm和100gsm涂膜到硅化的纸上。 [0058] 该预浸料在专用的生产线上制造。该纤维遮蔽物使用该树脂的固有粘性附着,该中间绒布可通过缝编、热粘结或者通过使用所用树脂的固有粘性附着至该增强织物。或者将该最上面的树脂层从硅化的纸热转移至该表面整饰组合件的微纤维遮蔽物侧,或者可将其在该微纤维绒布侧直接涂覆到优选的重量。 [0059] 在叠置本发明的材料和另外的层压层之前,使用合适的脱模剂(例如Zyvax Watershield)预处理模具(通常具有复合材料结构)。然后将该组合件密封在真空袋的内侧,排空空气并施加真空,并且在合适的炉中固化。通常的固化进度表是:25-80℃,1℃/min;在80℃120分钟;80-120℃,1℃/min;在120℃60分钟。 [0060] 在固化之后,将该层合体切成100 x 100mm样品,并且粘结到相同尺寸的铝片,从而露出表面整饰侧。使用Redux 810膏状粘合剂(Hexcel,Duxford,UK)来将该片粘结到该样品上,并且在60℃固化60分钟。通过每个样品的中心钻出6.5mm的孔,以便它可被安装到该Taber磨耗试验机上。 [0061] 周期性地停止该Taber试验,记录磨损循环的数目,并且取出样品来测量重量损失,光泽和颜色。然后将样品再安装并重新开始该试验。 [0062] 结果 [0063] 以下表1比较了WO 2008/007094中描述的表面整饰膜复合材料和根据本发明的固化的复合材料层合体的磨损重量损失。磨损重量损失越高,对打磨的响应就越大。 [0064] 表1 [0065] 对照-表面整饰膜复合材料 本发明的表面整饰复合材料 磨损循环数 磨损重量损失(g) 磨损重量损失(g) 0 0 0 20 0.0049 0.0035 40 0.0106 0.0135 60 0.0159 0.0269 80 0.0206 0.0451 100 0.0256 0.0622 200 0.0441 0.1193 300 0.0547 0.1579 400 0.086 0.1980 500 0.1143 0.2548 [0066] 以下表2显示本发明是如何给用户说明在打磨时的清晰终点的,从而避免使该表面过度打磨和损伤。 [0067] 表2 [0068] |