專利名稱：用于生產(chǎn)具有熱塑性基材的復合材料的纖維增強材料的可變形氈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可變形氈，它包括纖維增強材料和熱塑性塑料，它用于生產(chǎn)復合材料零件，尤其是采用模塑法生產(chǎn)復合材料零件。
一般而言，采用材料模塑方法生產(chǎn)用纖維增強的熱塑性基材復合材料零件，所述的材料使增強材料(特別是玻璃材料)和絲狀熱塑性材料結(jié)合在一起，絲狀熱塑性材料例如是無紡布、織物或非交織構(gòu)造絲的結(jié)構(gòu)，特別地通過編織或熱(“熱連接”)將它們粘結(jié)連接在一起。
真空模塑技術(shù)或氣囊模塑技術(shù)在于用材料覆蓋模具，然后加熱該模具，以便與模具表面緊密接觸的熱塑性材料料能與該形狀完全匹配，最后冷卻得到模型零件。
一般而言，這些材料具有能對它們進行加工而不改變絲組合的粘結(jié)性，并且它們?nèi)彳浀米阋阅鼙贿m當?shù)胤旁谀＞咧小?br> 這些材料對于生產(chǎn)平的或彎曲的模塑制品在總體上是令人滿意的。但是，當待得到零件極凹和/或形狀復雜時，問題就出現(xiàn)了。事實上人們觀察到，由于這些材料變形性能能有限，在把這些材料放在模具中時，以及在模塑過程中，這些材料易于形成褶皺，從而影響模塑零件的外觀及機械性能。
使用玻璃絲或使用熱塑性絲尤其可得到能模塑的無紡布，通過適當?shù)臋C械處理可將其兩者切斷和預(yù)先展開。通常地，通過將所述的紗機械鋪開和梳理或氣動鋪開形成一種網(wǎng)，然后所述的網(wǎng)進行植絨處理操作，其目的在于將這些絲彼此連接起來，以便達到足以能對它們進行處理的粘結(jié)性，從而得到這些無紡布。但是，植絨法導致絲與無紡布平面垂直，這樣造成厚度大大增加，其后果是無紡布更加難以切割，把它放在模具中時因伸長而出現(xiàn)連續(xù)撕裂，由于絲之間束縛了很大體積的空氣(約80-90％)，起到了絕熱作用，因此造成在模塑時加熱不那么有效。正是由于模塑往往需要一層一層疊置的多層無紡布，所以與加熱相關(guān)的缺陷更嚴重。
在這些織物、編織物和交織絲結(jié)構(gòu)中，這些絲是規(guī)則構(gòu)造的，因此它們的厚度小而密度高(束縛空氣的體積低于約60％)。但是，它們在各個方向上的變形性能并不相同；盡管它們在斜向方向上能夠充分拉長，但是在增強絲(經(jīng)紗和緯紗)方向的變形幾乎是零。在模具有強沖壓件或形狀復雜的位置，這些絲易于散開，因此在與這些位置相應(yīng)的模塑零件部位出現(xiàn)了其厚度比其他部位的小，甚至完全沒有增強材料或熱塑性材料。在這些相同的位置，還可能觀察到特別呈凹凸不平形式的表面不規(guī)則，這是由于增強材料和熱塑性材料沒有完全填充凸起所造成的，特別是因為這些增強纖維太緊，不能完全順著模具的輪廓。這些缺陷是不可接受的。
本發(fā)明的目的是一種可變形氈，它適合于生產(chǎn)包括用纖維增強的熱塑性基材的復合材料零件，其零件有強沖壓件和/或復雜的形狀。
本發(fā)明的另一個目的涉及能夠獲得所述可變形氈的方法，該方法包括適度粘結(jié)纖維步驟。
根據(jù)本發(fā)明，這種可變形氈由至少一個網(wǎng)(nappe)構(gòu)成，該網(wǎng)包含至少一種增強材料和至少一種熱塑性材料，這些材料呈切斷絲或連續(xù)絲狀，并且這些絲彼此粘結(jié)在一起，以便這種氈在各個方向上的斷裂伸長率為至少50％，優(yōu)選地100-150％。
“氈”在本文中應(yīng)該理解是與其表面積相比厚度很小的單元，它的柔軟性足以能將其放在模具內(nèi)而不會形成褶皺。
本發(fā)明氈的特征還在于它是相對密實的。它的密度(compacité)是在構(gòu)造的絲結(jié)構(gòu)(通過縫編或熱連接在一起的織物或結(jié)構(gòu))與前面所描述無紡布的之間。氈的密實性質(zhì)由其孔隙度決定，其孔隙度通常是65-80％。
以下述關(guān)系式確定了氈的孔隙度P＝100×[1-ρ(MR/ρR+1-MR+ρm)]式中P是以％表示的孔隙度；ρ是以g/cm3表示的氈密度；ρR是以g/cm3表示的增強材料密度；ρm是以g/cm3表示的熱塑性材料的密度；
MR是增強材料的質(zhì)量分數(shù)。
這種增強材料在本文中應(yīng)該理解是其熔點或降解點比上述熱塑性材料高的材料。一般而言，涉及為增強熱塑性材料而通常使用的材料，例如玻璃、碳、芳族聚酰胺、陶瓷和植物纖維，例如亞麻、劍麻和大麻。優(yōu)選地，選擇玻璃。
這種熱塑性材料可以是能轉(zhuǎn)化成纖維的任何材料。例如，可以是聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚苯硫醚、選自聚酰胺和熱塑性聚酯的聚合物，或者是具有熱塑性特性的任何其他材料。
根據(jù)本發(fā)明，這種氈包括至少一種增強材料和至少一種熱塑性材料，這些材料中的一種和/或另一種能夠呈連續(xù)絲或切斷絲狀。這些絲可以完全或部分地由包含一種或多種增強材料的絲和由一種或多種熱塑性材料構(gòu)成的絲構(gòu)成。優(yōu)選地，這些絲由增強材料細絲和熱塑性材料細絲構(gòu)成，例如同時將其中一種材料絲和另一種材料絲合并與纏繞所得到的混合絲，或者由一種或多種增強材料細絲和一種或多種熱塑性材料細絲充分混合的細絲構(gòu)成的共混絲。
有利地，這種氈的絲至少50重量％，優(yōu)選地至少80重量％，特別優(yōu)選地100重量％由共混絲構(gòu)成。
還優(yōu)選地，這些共混絲由玻璃細絲和熱塑性有機材料細絲，優(yōu)選地聚丙烯細絲構(gòu)成。
有利地，在共混絲構(gòu)成部分中的這些細絲在這種絲內(nèi)有均勻的分布。例如在專利EP-A-0 599 695、EP-A-0 616 055和FR-A-2 815 046中描述了這樣一些絲的生產(chǎn)方法。
一般而言，這種增強材料(優(yōu)選地玻璃)是至少10％可變形氈的重量，優(yōu)選地30-85％，有利地40-75％可變形氈的重量。
一般地，切斷絲長度小于100mm，優(yōu)選地20-60mm。
可采用不同的方法將構(gòu)成這種網(wǎng)的絲粘在一起，如下面所指出的。
可以采用包括下述這些步驟的方法得到本發(fā)明的可變形氈-在移動基材上放置至少一種連續(xù)絲和/或切斷絲形成網(wǎng)，這些絲包含至少一種增強材料和至少一種熱塑性材料；-讓這種網(wǎng)進行能使這些絲彼此粘結(jié)在一起的處理，以形成可變形氈；以及-收集氈。
采用已知的適當裝置，例如采用通過吸入空氣操作的噴絲裝置，像Venturi裝置，或以振動運動方式推動裝置，該裝置優(yōu)選地放在能以恒定速度傳送絲的裝置下游，沿著基材移動的方向以疊置環(huán)的形式放置一根或多根連續(xù)絲。
由適合于絲性質(zhì)的切割機中的卷盤，例如粗紗卷盤，加入展開或退卷的絲時，可以放置切斷絲?？梢允褂萌魏晤愋偷囊阎懈顧C，例如一種裝置，其中使用呈環(huán)形放置的刀片切割這種絲，而這種絲預(yù)先纏繞在這些刀片上，然后被彈性體覆蓋的壓力機輥施壓，或一種切割機，在安裝在轉(zhuǎn)子、軋刀和固定反向刀片上的刀片之間通過剪切絲操作。
使這些絲粘結(jié)的處理應(yīng)該保持增強絲的完整性，以便使它們實現(xiàn)要求它們的增強功能。涉及“輕”粘結(jié)，這應(yīng)該避免使最終的氈具有非常大的粘結(jié)性，因為這種氈在模塑操作時不再具有恰當覆蓋模具內(nèi)部所要求的柔軟度。因此，應(yīng)該有適當?shù)奶幚項l件，才能使氈具有要求的“可變形性”。
根據(jù)第一個優(yōu)選方案，用綁扎線通過縫合將這些絲連接在一起，綁扎線比該網(wǎng)的絲更細，例如絲的線密度是40-300分特。這種絲可以由增強材料，例如芳族聚酰胺構(gòu)成，或由熱塑性有機材料，例如聚丙烯、聚酯或聚酰胺構(gòu)成。優(yōu)選有彈性的縫合，例如根據(jù)平絲或更好地具有固有彈性的“有織構(gòu)的”絲的Malimo技術(shù)采用編織縫合。優(yōu)選地，采用這種縫合-編織方法所使用的絲，在縱向方向間隔約5mm，與網(wǎng)的移動橫向方向間隔約7mm。
根據(jù)第二個方案，采用機械處理進行連接，這種處理能夠達到使構(gòu)成這些絲的細絲被輕微交錯，例如適度植絨或承受在壓力下的噴水。
關(guān)于植絨，可以使用任何合適的裝置，例如安裝以垂直交替運動推動針的支架，同時讓針通過該網(wǎng)，從而使細絲交錯在一起。對于“重”產(chǎn)品，置于該網(wǎng)兩側(cè)所面對的兩個支架能夠有對稱植絨。
通過將水噴射到置于鉆孔支架上的網(wǎng)上，或讓水在金屬帶上通過時，可以實現(xiàn)通過承受在壓力下噴水的交錯，同時從這種帶彈回的噴水實現(xiàn)一些絲的適當交錯。
根據(jù)第三個方案，采用電暈放電進行連接。為此，讓這種網(wǎng)與裝有承受高頻和高壓的針的圓柱-電極接觸。這些放電使針處的熱塑性有機材料發(fā)生局部熔化，因此能使這些絲彼此粘在一起，這種粘結(jié)依然足夠穩(wěn)定，從而使氈的柔軟性保持得與模塑操作相容。使用以交替或旋轉(zhuǎn)運動推動的超聲波電極時也可能得到相同的結(jié)果。作為實例，使用4個針/cm2，優(yōu)選地1-2個針/cm2可得到令人滿意的連接，這些針的尺寸小于2mm，優(yōu)選地1mm。
根據(jù)第四個方案，提供趁熱發(fā)揮粘合性能的粘合劑(即熱熔粘合劑)實施這個方案。一般而言，這種粘合材料的熔點低于具有最低熔點的絲的材料的熔點；它與后者在化學上也是相容的。這種粘合材料可以是液體或固體，例如粉末、薄膜或遮蓋物。處理溫度通常是低于具有最低熔點的絲的材料的熔點10-40℃。
粘結(jié)處理后得到的氈是柔軟的，足以卷繞在支架上，例如直徑可以是50-150mm的小直徑管子。
此外，這種氈的表面密度至少等于700克/平方米，優(yōu)選地低于4000克/平方米，有利地是1500-3000克/平方米。
因為本發(fā)明的氈是可變形的且密實的，所以它很適合于采用模塑法，特別是真空模塑或壓縮模塑法，生產(chǎn)有強沖壓和/或復雜構(gòu)型的部件。
在真空模塑中，把這種氈放在未加熱(即室溫)模具上或模具中，然后將模具加熱到高于熱塑性材料熔點的溫度，同時使模具內(nèi)保持真空，這樣進行嚴格意義上的模塑。在這種情況下，由于這種氈具有高的可變形能力，把氈放在這種模具中就變得特別容易可以拉伸這種氈，使其盡可能好地與模具凸起吻合，還不損壞它，特別是不使其撕裂或形成褶皺。
在壓縮模塑中，將這種氈加熱到高于加入模具前的熱塑性材料熔點的溫度，也可以加熱到溫度約70-80℃，采用反模具能獲得模塑零件。本發(fā)明氈的優(yōu)點是很容易變形，因此保證這些絲在成品零件中均勻分布，同時還保持足夠的粘結(jié)性，從而能在指定的溫度下處理，不會在將其加到模具中時因重力作用而“坍塌”。
本發(fā)明的氈能夠得到模塑零件，它們具有要求的厚度，沒有如“洞”或表面粗糙之類的瑕疵，還具有令人完全滿意的機械性能，特別是彎曲強度和沖擊強度。
通過閱讀下面作為說明給出的附圖和實施例，將體會到本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征。


圖1表示了本發(fā)明第一個實施方案的設(shè)備示意圖。
圖2表示了本發(fā)明第一個實施方案的另一個方案設(shè)備示意圖。
圖3表示了本發(fā)明第二個實施方案的設(shè)備示意圖。
在圖中，相同元件有相同參考號。
在圖1中，來自卷盤(未顯示)的共混絲1進入切割機2。切斷絲3落到帶4上，被送向傳送帶5。帶4以橫向交替運動方式推動，因此能夠保證切斷絲在整條傳送帶5上均勻分布。切斷絲網(wǎng)6被帶7接收，它的表面覆蓋著表面針，然后加到成網(wǎng)機管道8中。這個管道可以配備重量計量設(shè)備(未顯示)，它能夠控制切斷絲流量。離開管道8的切斷絲堆積在傳送帶9上，形成網(wǎng)10，在進入機器13之前，網(wǎng)10在輥11與12之間通過，在機器13處該層被縫合-編織。由運送輥15、16引導的氈15，以卷軸17的形式卷起。
在圖2中，共混絲1通過切割機(未顯示)所裝的管道19加到箱18中。在有孔帶21下面的吸氣箱20保證切斷絲網(wǎng)22保存在這個帶上。
然后，網(wǎng)22在噴粉設(shè)備23下方通過，該噴粉設(shè)備由裝有齒槽24的圓筒構(gòu)成，這個齒槽24與裝滿熱熔粘合劑粉末的貯存槽25底部相連，然后網(wǎng)22在振動臺26上方通過，這樣保證粉末滲透到網(wǎng)中，最終進入壓延機27，該壓延機由加熱輥28、29構(gòu)成。刀片31將形成的氈30切成片。
在圖3中，來自粗絲32的共混絲1放在粗絲架(未顯示)上，輥33、34引導其粗絲以恒定的速度通過運送輥35、36。
這種絲穿過Venturi型吸氣裝置37，這個裝置將這種絲以環(huán)狀投射到帶21上。吸氣箱20的作用有助于將環(huán)狀網(wǎng)36保持在帶21上。該網(wǎng)在運送輥38、39之間通過，然后進入植絨裝置40中，這個裝置包括帶有針和孔板42的支架41，孔板用于讓針穿過該網(wǎng)。在運送輥43、44下游，以卷軸17的形式收集氈45。
為了清楚起見，僅僅示出一條絲。但是沒有超出使用多條借助上述構(gòu)件引導并單獨投射到帶21上的絲的本發(fā)明范圍。
實施例1使用圖1的設(shè)備生產(chǎn)可變形氈。
來自放在粗絲架上的粗絲的共混絲(Twintex，60重量％玻璃和40重量％聚丙烯，線密度1870特)，在切割機2中切成長度50mm。
在縫合-織編裝置13(Malimo)用有織構(gòu)的聚酯絲(線密度167分特)將切斷絲形成的網(wǎng)10連接起來。針織物點長度是5mm，縫合線間距7mm。這種氈卷繞在直徑90mm的管上。它的平均厚度3.5mm，表面密度約1500g/m2，孔隙度等于71％。在ISO 3342-1995標準條件下測量的這種氈在任何方向上的伸長率約100％。
實施例2用圖3的裝置生產(chǎn)可變形氈。
來自粗絲的共混絲(Twintex，60重量％玻璃和40重量％黑色聚丙烯，線密度1870特)，利用Venturi噴嘴37傾斜，單獨地以環(huán)狀投射在帶21上。采用植絨法使網(wǎng)36連接(穿透深度20mm，70刺/平方厘米)。以卷軸17的形式收集得到的氈45。
所得到氈的平均厚度6.5mm，表面密度約3000g/m2，孔隙度等于69％。在實施例1的條件下測量的氈斷裂伸長率等于80％。
權(quán)利要求
1.可變形氈，特別是用于生產(chǎn)模塑零件的可變形氈，它由至少一個網(wǎng)構(gòu)成，該網(wǎng)包含至少一種增強材料和至少一種熱塑性材料，這些材料呈連續(xù)絲和/或切斷絲狀，并且這些絲彼此粘結(jié)在一起，以便這種氈在任何方向上的斷裂伸長率為至少50％，優(yōu)選地100-150％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氈，其特征在于這些絲全部或部分地由增強材料細絲和熱塑性材料細絲構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氈，其特征在于這些絲至少50重量％，優(yōu)選地至少80％由共混絲構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氈，其特征在于這些共混絲由玻璃細絲和熱塑性有機材料細絲，優(yōu)選地聚丙烯細絲構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項權(quán)利要求所述的氈，其特征在于它含有至少10重量％，優(yōu)選地30-85重量％增強材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項權(quán)利要求所述的氈，其特征在于這些切斷絲的長度小于100mm，優(yōu)選地20-60mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項權(quán)利要求所述的氈，其特征在于它的空隙度是65-80％。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項權(quán)利要求所述的氈，其特征在于它的表面密度至少等于700g/m2，優(yōu)選地低于4000g/m2。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項權(quán)利要求所述可變形氈的生產(chǎn)方法，該方法包括下述步驟-在移動基材上放置至少一種連續(xù)絲和/或切斷絲形成網(wǎng)，這些絲包含至少一種增強材料和至少一種熱塑性材料；-讓這種網(wǎng)進行能使這些絲彼此粘結(jié)在一起的處理，形成可變形氈；以及-收集氈。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于使用比該網(wǎng)絲細的粘結(jié)絲通過縫合進行絲的粘結(jié)處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于粘結(jié)絲的線密度是40-300分特，其特征還在于采用縫合-編織方法進行這種縫合。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于采用機械方法、適當植絨或承受在壓力下的噴水進行這種絲粘結(jié)處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于使熱塑性材料局部熔化，特別是采用電暈放電或采用超聲波進行這種絲粘結(jié)處理。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于通過提供熱粘性材料進行這種絲粘結(jié)處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項權(quán)利要求所述材料在采用模塑方法生產(chǎn)復合材料零件中的用途。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用途，其特征在于在真空下進行模塑或以壓縮方式進行模塑。
全文摘要
本發(fā)明涉及可變形氈，它由至少一個網(wǎng)構(gòu)成，該網(wǎng)包含至少一種增強材料和至少一種熱塑性材料，這些材料呈切斷絲或連續(xù)絲狀，并且這些絲彼此粘結(jié)在一起，以便這種氈在任何方向上的斷裂伸長率為至少50％，優(yōu)選地100－150％。本發(fā)明還涉及可變形氈的生產(chǎn)方法，該方法在于形成一種所述絲的網(wǎng)，在能使這些絲適當粘結(jié)的條件下處理這個網(wǎng)以及收集所得到的氈。本發(fā)明還涉及這種氈在采用真空或壓縮模塑方法生產(chǎn)復合材料零件中的用途。
文檔編號D04H5/04GK1902348SQ200480039732
公開日2007年1月24日 申請日期2004年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月3日
發(fā)明者D·盧比諾瓦 申請人:法國圣戈班韋特羅特斯有限公司