專利名稱：包括非晶熱塑性纖維的復合材料的制作方法
包括非晶熱塑性纖維的復合材料
背景技術(shù)：
已知可成型復合材料用于電應(yīng)用。這些復合材料通常用作支持基底、絕
緣層、和/或電氣裝置的外殼(casement)。理想地，該復合材料提供優(yōu)異的電 性質(zhì)和機械性質(zhì)，例如高電路密度、低傳輸能量損耗、高強度、低重量等， 并以低成本提供所有期望的特性。然而，達到該理想仍然存在問題。
可成型復合材料一般包括保持在聚合物基體中的增強纖維，通常還具有 其它組分以改善特性例如導熱性、粘附、顏色等。不幸的是，組成復合材料 的這些組分雖然支持一種或多種期望的性質(zhì)，但通常損害其它性質(zhì)。例如， 玻璃纖維可提供優(yōu)異的抗拉強度特性，但具有約6的介電常數(shù)，因此通常不 適于低傳輸能量損耗的應(yīng)用，尤其是當大量使用時。因此，已經(jīng)將玻璃纖維 和顯示期望電特性的樹脂組合以形成具有可接受的電性質(zhì)和物理性質(zhì)的復 合材料，但這是以稍微折衷整體性能為代價。
已經(jīng)使用聚合物材料以提供復合材料中的纖維增強。例如，已經(jīng)研究出 由工程聚合物如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)形成的纖維以及多種聚芳酰 胺纖維。這些材料也仍然存在問題。例如，UHMWPE纖維可具有良好的電 特性，但具有熔融溫度約135。C的低的耐熱性，并因此不能用于高溫應(yīng)用。 盡管聚芳酰胺纖維非常堅韌，但是也具有受限的耐熱性并通常顯示出不可接 受的高損耗。另外，這些高度工程化的聚合物對于配制和加工來說通常非常叩貢。
盡管在形成用于電應(yīng)用的復合材料的材料和方法方面已經(jīng)有各種改進， 但現(xiàn)有技術(shù)中仍然有進一 步改進和變化的空間。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方式中，本發(fā)明涉及用于電應(yīng)用的復合材料。該復合材料可 包括聚合物樹脂基體和增強纖維。該纖維可包括一種或多種非晶聚合物。在 一個實施方式中，該纖維的聚合物組分可以僅為非晶的，并且該纖維在廣角 X射線散射下觀察時可以僅顯示非晶暈型散射。該纖維還可具有低介電常
4數(shù)，例如，小于約3.5。該纖維還可以是非常硬的，并可具有大于約70克/
旦的模量。在一個具體實施方式

中，該非晶聚合物纖維可包括環(huán)烯烴共聚物。 該纖維可以是可保持在樹脂基體中的織物的組分。在某些實施方式中， 織物可包括這些第一纖維，還有第二纖維類型。例如，包括非晶聚合物組分 的纖維可與第二纖維類型組合在復合纖維中，或者該第二纖維類型可以與該
非晶聚合物纖維交織在紡織物中。該第二纖維可顯示期望的物理特性，例如，
該第二纖維可具有高的模量如大于約150克/旦。在一個具體實施方式

中，織 物可包括纖維，該纖維包含非晶聚合物組分和玻璃纖維。
復合材料中使用的聚合物樹脂可以是熱固性樹脂、熱塑性樹脂、或者它 們的組合。例如，復合材料可以是在層中和/或?qū)娱g使用相同或不同樹脂的多 層復合材料。在多層實施方式中，該復合材料可包括一層或多層織物層以及 其它材料的層，該織物層包括上述織物和/或纖維。例如，多層復合材料可包 括外層和內(nèi)層，所述外層包含玻璃纖維增強，所述內(nèi)層包含本文所述的低介 電常數(shù)纖維。
該復合材料可以良好地適合于許多電應(yīng)用。例如，該復合材料可描述為 例如小于約4.0的低介電常數(shù)，并且可具有小于約2.0g/cn^密度的輕重量。 所公開的復合材料的示例性應(yīng)用可包括電路板基底、天線罩等。


在余下的說明書中，包括參考附圖更具體地描述了對本領(lǐng)域技術(shù)人員來 說本發(fā)明完整的和能實施的公開內(nèi)容，包括其最佳實施方式，附圖中
圖1是用于所公開的復合材料中的非晶熱塑性纖維的一種形成方法的示 意圖；和
圖2是可用于形成所公開的復合材料中使用的非晶熱塑性纖維的擠出膜 的一種形成方法的示意圖。
本說明書和附圖中附圖標記的重復使用旨在表示本發(fā)明的相同或相似 的特征或要件。
具體實施例方式
將具體參考本發(fā)明的多種實施方式，其一種或多種實例如下所述。各實 施方式以對本發(fā)明進行說明的方式提供，而不限制本發(fā)明。實際上，可以在本發(fā)明中進行各種修改和變化而不脫離本發(fā)明的范圍或精神，這對本領(lǐng)域技 術(shù)人員來說是顯而易見的。例如，作為一個實施方式的某部分說明或描述的 特征可用于另一實施方式，從而產(chǎn)生進一步的實施方式。因此，本發(fā)明旨在 包括這種修改和變化以歸入所附權(quán)利要求和它們的等同物的范圍內(nèi)。 定義
術(shù)語"非晶聚合物"在本文中定義為指不顯示任何程度的結(jié)晶度的聚合 物。具體地說，非晶聚合物不顯示結(jié)晶溫度和熔融溫度。
術(shù)語"半結(jié)晶聚合物"在本文中定義為指可顯示晶體結(jié)構(gòu)的聚合物。具 體地說，應(yīng)該理解雖然可以找到非晶態(tài)的半結(jié)晶聚合物，但它們不是非晶聚 合物。因此，非晶態(tài)和半結(jié)晶聚合物的非晶部分不應(yīng)與非晶聚合物混淆。
半結(jié)晶聚合物可顯示晶體結(jié)構(gòu)，而非晶聚合物不能。具體地說，當在廣
角X射線散射下觀察時可使半結(jié)晶聚合物顯示晶體反射式樣，其特征在于X
射線散射點或環(huán)的式樣，由此可確定材料的晶體相的對稱性或其它特性。非 晶聚合物將僅顯示寬得多的非晶暈，盡管可能存在某些寬環(huán)結(jié)構(gòu)。這些式樣 對聚合物形態(tài)學領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是熟知的。
術(shù)語"纖維"在本文中定義為涵蓋呈現(xiàn)超過最大橫截面尺寸(例如，圓 形纖維的直徑)的長度的結(jié)構(gòu)。因此，本文使用的術(shù)語纖維不同于其它結(jié)構(gòu)， 例如板、容器、片材、膜等。然而該術(shù)語的確涵蓋包括單絲纖維、復絲纖維、
紗線、扁纖維(tape fiber)等的結(jié)構(gòu)。
術(shù)語"復絲紗"在本文中定義為涵蓋包括至少三條長絲的結(jié)構(gòu)，這些長 絲例如通過噴絲頭經(jīng)由擠出單獨地形成，之后彼此接近形成單紗結(jié)構(gòu)。
術(shù)語"復合紗線"在本文中定義為指由兩種不同的纖維類型組合形成的紗線。
術(shù)語"織物，，在本文中定義為涵蓋通過紗線、復絲纖維、單絲纖維、或 其某些組合的交織或者其它組合方式產(chǎn)生的任何平面紡織結(jié)構(gòu)。 具體描述
總地說，本發(fā)明涉及用于電應(yīng)用如電路板、絕緣器、電子儀器組件、天 線、無線電設(shè)備或外殼、天線罩等的低傳輸能量損耗復合材料。該復合材料 包括保持在聚合物基體中的增強纖維。更具體地說，該增強纖維包括由一種 或多種非晶熱塑性聚合物形成的聚合物纖維。本發(fā)明的復合材料可呈現(xiàn)與之 前已知復合材料相比改進的特性。例如，公開的復合材料可呈現(xiàn)非常低的傳輸能量損耗和高的耐熱性，同時其生產(chǎn)經(jīng)濟。
本發(fā)明涵蓋的非晶熱塑性聚合物可包括不呈現(xiàn)結(jié)晶溫度的任何熱塑性 聚合物。例如，本文涵蓋的非晶熱塑性聚合物在廣角X射線散射下觀察時可 僅呈現(xiàn)非晶暈型散射且明顯不存在晶體環(huán)或點。在一個實施方式中，本發(fā)明
的非晶熱塑性聚合物呈現(xiàn)大于約14(TC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。本發(fā)明涵蓋的非 晶熱塑性聚合物包括但不限于聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA)、無規(guī)聚苯乙烯、 環(huán)烯烴共聚物、聚碳酸酯、聚醚酰亞胺、聚異戊二烯、聚丁二烯等。適合于 本發(fā)明的一個示例性環(huán)烯烴共聚物是可得自Ticona Engineering Polymers的
丁0^33@樹脂。
用于形成增強纖維的非晶聚合物可具有任何標準的熔體流動。例如，在
一個實施方式中，可^f吏用具有約1至約30的熔體體積流動率(MVR)的標準 擠出級環(huán)蹄爛共聚物(COC)樹脂。在一個實施方式中，可使用具有約2至約 IO的MVR的COC。在一個實施方式中，用于形成纖維的COC可具有約3 至約7的MVR。
復合材料的增強纖維可以由 一種或多種非晶聚合物以任意組合或配置 形成。例如，根據(jù)期望，該非晶聚合物可以是均聚物或共聚物。而且，根據(jù) 期望，共聚物可包括無規(guī)、嵌段、或接枝共聚物。例如，可利用環(huán)烯烴共聚 物形成纖維。在另一實施方式中，可利用現(xiàn)有技術(shù)中通常已知的聚合物的共 混物。
當考慮到共聚物和聚合物的共混物時，在某些實施方式中纖維可包括半 結(jié)晶聚合物組分。例如，纖維可由包括非晶組分和半結(jié)晶組分的共聚物形成。 類似的，纖維可由包括非晶聚合物(例如無規(guī)聚苯乙烯)和半結(jié)晶聚合物(如聚 丙烯)共混的聚合物共混物形成。然而在這種實施方式中，半結(jié)晶組分將以 這樣的量存在使得形成的纖維顯示由于非晶聚合物的存在而獲得的、如下詳 細描述的期望的電特性和熱特性。與半結(jié)晶聚合物的這種共混物或共聚物在 廣角X射線散射下可顯示晶體散射。 一種僅為示例性的這種共混物是與聚丙 烯共混的環(huán)烯烴共聚物。該共混物可顯示優(yōu)異的加工性質(zhì)、纖維成型性質(zhì)、 和纖維拉伸性質(zhì)，并同時保持顯著的熱穩(wěn)定性以及低的介電常數(shù)和損耗。
公開的復合材料的纖維可以是單絲纖維或復絲纖維，并且可根據(jù)任何適 合的工藝形成。圖1示例性地說明了形成適合用于本發(fā)明的非晶聚合物復絲 纖維的過程10的實施方式。根據(jù)該實施方式，可將聚合物組合物提供給擠出機裝置12。該聚合物組 合物可包括一種或多種非晶聚合物以及現(xiàn)有技術(shù)中通常已知的任何期望的 添加劑。例如，該混合物可包括合適的著色劑，例如染料或其它顏料?？梢?與該混合物組合的其它添加劑可包括例如一種或多種抗靜電劑、抗氧化劑、 抗菌劑、粘合劑、穩(wěn)定劑、增塑劑、增白化合物、澄清劑、紫外線穩(wěn)定劑、
成核劑、表面活性劑、增味劑或防臭劑(preventative agent)、光散射劑、鹵素
清除劑等。另外，添加劑可包括在擠出混合物中，或者可以作為表面處理施
用到未拉伸成形的材料或任選的已拉伸材料。
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添加劑?？杉尤敕磻?yīng)性基團以改善纖維對用f形成復合材料結(jié)構(gòu)的其它材料 的粘合。例如，可以在混合物中包括馬來酸酐，在纖維的表面上留下能夠與 不飽和聚酯樹脂反應(yīng)的官能團。表面官能性可改善纖維與二級材料(例如聚 合物樹脂)的結(jié)合，并改善形成復合材料的不同材料之間的粘合。
擠出機裝置12可以是現(xiàn)有技術(shù)中通常已知的任何噴絲頭裝置。例如， 擠出機裝置12可包括混合歧管11，其中聚合物組合物可以結(jié)合、混合并加 熱以形成可擠出的組合物。然后該混合物可在壓力下運送到噴絲頭14,在這 里該混合物可以在高溫下通過多個噴絲頭孔擠出以形成復絲9。
在擠出聚合物之后，可將潤滑劑施用到該纖維。例如，如現(xiàn)有技術(shù)中通 常已知的，可以在紡絲上油箱22施用紡絲油劑?？蓪⑷魏芜m合的潤滑劑施 用到長絲9。例如，將可得自Ghoulston Technologies, Inc.的合適的基于油的 油劑如Lurol PP-912施用到長絲9 。添加油劑或潤滑劑涂層可改善后續(xù)加工 期間纖維束的處理，并且還可以減少成品紗上的摩擦和靜電累積。另外，紗 線上的油劑涂層可改善拉伸過程期間紗線的單獨長絲之間的滑動，并且可增 大能達到的拉伸比并從而提高拉伸復絲紗的模量和韌性。
可以聚集長絲9以形成隨后可以拉伸的纖維束28。例如，纖維束28可 利用一系列加熱的導絲輥30、 32、 34進行拉伸。應(yīng)該理解，可任選地利用 能在紗線上施加力以在淬火步驟之后拉伸紗線的任何合適的過程。例如，可 任選地利用包括軋輥、導絲輥、蒸汽發(fā)生器、空氣、蒸汽或其它氣體噴射機 的機械裝置以拉伸紗線。如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，在拉伸步驟期間施加熱可有 助于均勻的拉伸紗線。在紗線拉伸步驟之后，經(jīng)拉伸的復絲紗30可以纏繞 在巻繞輥40上。在一個實施方式中，可將成品復絲紗30纏繞在所示的線軸或巻繞盤40
上，并運輸?shù)降诙恢糜糜谛纬杀景l(fā)明的復合材料。在替代實施方式中，可 將復絲紗直接進料到可進一 步加工紗線的第二加工線。
本發(fā)明不限于根據(jù)上述過程形成的均質(zhì)纖維。例如，可擠出非晶聚合 物纖維以包括由不同組合物形成的離散部分，該不同組合物可不同于聚合 物、添加劑、或其組合。例如，可擠出兩種或多種組合物從而形成具有核/ 殼布置的纖維。在另一實施方式中，該纖維可沿纖維的長度改變組成，并且 該纖維的各相鄰長度由不同的組合物形成。
而且，公開的復合材料的纖維不限于擠出纖維。在一個實施方式中，該 纖維可由濕紡法中的溶劑或干紡法鑄塑，然后如上所述通過拉伸取向。
公開的復合材料結(jié)構(gòu)可引入由膜形成的非晶聚合物纖維。根據(jù)該實施方 式，膜可根據(jù)任何已知的成膜法形成，并且在形成后該膜可進一步加工以形 成非晶聚合物纖維。
形成擠出膜的一個實施方式示意性地說明于圖2中。根據(jù)該實施方式可 以看出，可將聚合物組合物提供給擠出機裝置112,并且其通過?？?114以 膜或片材109的形式擠出。膜109的厚度通?？筛鶕?jù)期望的最終用途選擇并 可通過控制加工條件實現(xiàn)。例如，膜109在一個實施方式中可具有小于100 密耳(2.5 mm)的厚度。在一個實施方式中，膜109可具有2-20密耳(0.05 -0.5 mm)的厚度。然而，根據(jù)將由該膜形成的纖維的期望特性，膜109可任選地 流延為該范圍外的厚度。
在擠出之后，該膜109可以在加熱的流延鼓102上淬火。在加熱的流延 鼓上的淬火不是必須的，但是在其它實施方式中，該膜可以在可加熱的空氣 或者流體(如水)中淬火。
在流延(和拉伸，如果存在拉伸)之后，可將膜109在如104處砑光。在 砑光之后，該膜109可在低于會發(fā)生膜的災(zāi)變失效的條件下進行拉伸。在一 個實施方式中，當考慮砑光和拉伸兩個步驟時，組合的拉伸比可至少為10:1。 在一個實施方式中，非晶聚合物膜的組合拉伸比可為約10:1至約40:1。
對于上述復絲纖維成型過程，拉伸可以冷方式和/或在升高的溫度下進 行，例如在加熱浴中、使用加熱的拉伸輥等。另外，該拉伸步驟可如展示的 使用132、 134兩個拉伸輥，或者任選的多個拉伸輥以及任何其它適合的拉 伸方法。
9該拉伸步驟之后，膜109可在輥140上收集以進行附加的加工或任選地 立即送到第二條流水線進行附加的加工。膜的最終厚度一般可通過流延厚 度、砑光厚度和拉伸比的組合來確定。在一個實施方式中，膜的最終厚度可
為約1至約20密耳(約0.025至約0.5 mm)。在另一實施方式中，該膜厚度可 為約3至約10密耳(約0.075至約0.25 mm)。
上述過程僅是示例性過程，且非晶聚合物的膜可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中通常已 知的任何成膜方法形成，所述成膜方法包括但不限于其它擠出方法或包括溶 液流延法(如旋轉(zhuǎn)流延)在內(nèi)的流延方法。
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術(shù)中通常已知的方法平切或切割從而形成多條纖維。
成型之后，該非晶聚合物纖維可具有低的介電常數(shù)以及低的介電損耗。
例如，纖維的介電常數(shù)可為低于約3.5，或者低于約2.5，或者甚至在某些實 施方式中低于約2.2。
另外，該纖維可以是耐熱的。例如，該纖維可具有大于約140。C的玻璃 化轉(zhuǎn)變溫度。在優(yōu)選實施方式中，該纖維可具有大于約160。C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
在某些實施方式中，該纖維的模量根據(jù)ASTM D2256-02測量可大于約 50克/旦，ASTMD2256-02通過參考引入本文。在一個實施方式中，該纖維 可具有大于約70克/旦的模量。另外，該纖維的韌性根據(jù)ASTM D2256-02 測量可大于約2.0克/旦。在一個實施方式中，該纖維可具有大于約2.5克/ 旦的韌性。
非晶聚合物纖維可起到纖維/樹脂復合材料中增強材料的作用。在一個具 體實施方式中，該纖維可為可保持在樹脂基體中的織物組分。例如，非晶聚 合物纖維可包括在根據(jù)預(yù)定的、有組織的和交織式樣形成的織物中，該織物 在本文稱作紡織物(即，根據(jù)梭織和/或針織法形成的織物)。或者，該纖維可 包括在根據(jù)無規(guī)式樣形成的織物(無紡織物)中，或者，該纖維可包括在單向 預(yù)浸處理織物中，其中多條單向纖維排列并保持在聚合物基體中。
紡織物可根據(jù)任何紡織品成型方法并利用現(xiàn)有技術(shù)中通常已知的適合 用于非晶聚合物纖維的任何梭織和/或針織的紡織品成型系統(tǒng)和設(shè)備而形成。 例如，該纖維可為相對小的紗線的形式，約40旦，并且該紗線可在一個或 兩個方向上引入最高達100綿紗/英寸的紡織結(jié)構(gòu)中。當考慮更大的紗線時，
10例如最高達約10000旦或甚至更高時，該纖維可形成為具有僅約IO或甚至
更少綿紗/英寸的織物結(jié)構(gòu)。這樣，可制備各種厚度和物理性質(zhì)的復合材料。 另外，允許該紗線的強度轉(zhuǎn)移到樹脂成分中的任何紡織式樣均是可接受的。 例如，在所公開的結(jié)構(gòu)中，可單獨利用或組合.利用現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的紡織 式樣如殺+紋和緞紋。
引入非晶聚合物纖維的無紡織物可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中通常已知的任何合 適的成型方法形成。例如，本文描述的多種非晶聚合物纖維可無規(guī)地置于移 動形成的織物上。這些纖維可任選地使用粘合劑、加熱、加壓、或它們的某
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要在纖維成型過程期間或在網(wǎng)成型過程期間施用。
在一個實施方式中，包括在公開的復合材料中的織物可全部由非晶聚合 物纖維形成。例如，紡織物的綿紗和經(jīng)紗可僅為非晶聚合物紗線。然而，該 非晶聚合物紗線不需要是相同的。例如，該紗線的聚合物組成、添加劑等可 不同。
在另 一 實施方式中，織物除了非晶聚合物纖維之外還可包括其它材料。 例如，非晶聚合物纖維可與其它纖維材料組合形成復合紗線。例如，單絲或 復絲非晶聚合物纖維可與不同材料的纖維組合以形成復合紗線，該不同材料 例如但不限于玻璃纖維，碳纖維，或由其它聚合物如超高分子量聚乙烯
(UHMWPE)、基于氟碳化合物的纖維(如聚四氟乙烯(PTFE))、或聚芳酰胺如 聚對亞苯基對苯二曱酰胺(例如Kevlar⑧)形成的纖維。
復合纖維可根據(jù)任何合適的復合纖維成型方法形成。例如，兩種或多種 纖維可通過加掄、假捻變形、噴氣變形、或任何其它的紗線變形或組合法結(jié) 合。在一個實施方式中，可形成包括由第一材料形成的內(nèi)纖維和包含不同材 料的外包層的復合紗線。例如，復合纖維可包括高強度內(nèi)纖維(如聚芳酰胺 纖維)和本文所述低介電常數(shù)、高耐熱性的非晶聚合物纖維的外包層纖維。 形成這種復合紗線的一種示例性方法已經(jīng)描述于Patrick的美國專利 6,701,703，其內(nèi)容通過參考引入本文。
在另一實施方式中，復合紗線可根據(jù)噴氣組合方法形成，例如描述于 Klaus等人的美國專利6,440,558,其內(nèi)容通過參考引入本文。然而，這些僅 是示例性方法，并且本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知多種這樣的合適組合方法， 因此本文不再贅述。
ii在一個復合紗線的實施方式中，該復合紗線可包括根據(jù)任何合適的組合 方法與半結(jié)晶聚合物纖維組合的非晶聚合物纖維。例如，可利用包括與半結(jié) 晶纖維組合的非晶聚合物纖維的復合紗線，該半結(jié)晶纖維描述有非常低的熔
融溫度，例如具有約135。C熔融溫度的聚乙烯纖維。在形成之后，包括該復 合紗線的織物可經(jīng)歷足以熔融半結(jié)晶成分的熱和/或壓力。因此該半結(jié)晶成分 起到結(jié)合和/或增強該織物的作用，或者可以形成復合材料的聚合物基體。具 有適用于這種實施方式的低的熔融溫度并能夠作為纖維形成的多種聚合組 合物是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員熟知的，因此不需要在本文中具體描述。
在另一實施方式中，織物可由纖維或紗線型混合物形成。例如，可形成 包括與玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、復合纖維、或任何其它纖維類 型組合的非晶聚合物纖維的織物?？椢镏卸壚w維的尺寸、總數(shù)、方向和位 置可改善或限定織物的特性。例如，織物的彎曲和/或拉伸強度特性可通過在 該織物的煒紗和/或經(jīng)紗中的預(yù)定位置加入二級纖維而控制。
在將非晶聚合物纖維與樹脂基體結(jié)合之前，可預(yù)處理單獨的纖維或由其 形成的織物，例如以改善可濕性或粘附性。例如，纖維可以是經(jīng)原纖化的， 經(jīng)歷過等離子體或電暈處理的、或用表面上漿處理過的(均為現(xiàn)有技術(shù)中通 常已知的)從而改善或增強該纖維或由其形成的織物的物理特性。在一個實 施方式中，該纖維或織物可例如通過原纖化方法進行處理以提高材料的表面 積，從而改善纖維增強和樹脂基體之間的粘附。例如，纖維、膜、或織物可 原纖化或微原纖化以改善粘附。
在一個實施方式中，可對形成復合材料的材料進行表面官能化，例如以 促進復合材料成型過程期間各材料間強鍵的形成。官能化可根據(jù)任何適合的 方法獲得。例如，可將纖維上漿劑在形成織物之前涂覆在單獨的纖維上，或 任選地涂覆在織物本身上。合適的上漿劑可包括能夠結(jié)合到纖維表面同時留 下反應(yīng)性基團的任何上漿劑，所述反應(yīng)性基團結(jié)合到基體樹脂或直接結(jié)合到
復合材料的另一層。
在一個具體實施方式

中，可氧化包括于復合材料結(jié)構(gòu)中的有機材料從而
促進材料之間更好的結(jié)合。例如，可以在織物成型過程之前或之后根據(jù)任何 合適的氧化方法氧化非晶聚合物纖維，該氧化方法包括但不限于電暈放電、 化學氧化、火焰處理、氧氣等離子體處理、或UV輻射。在一個具體實例中， 可形成大氣壓等離子體，該大氣壓等離子體例如由Enercon Plasma3單元使
12用80%氦氣和20%氧氣氣氛在中等功率電平下產(chǎn)生，并且可以用該等離子體
處理織物或纖維從而產(chǎn)生反應(yīng)性基團，該反應(yīng)性基團可改善該纖維對熱固性 樹月旨(如環(huán)氧樹脂或不飽和聚酯樹脂體系)的可濕性和結(jié)合性。
該復合材料的纖維增強材料和樹脂可根據(jù)任何多種合適的方法結(jié)合。為 了本發(fā)明公開的目的，將復合材料成型過程大致分為壓模成型過程或熱固性 樹脂模塑過程。任選地，可利用兩種過程的組合以結(jié)合材料。例如，樹脂可 首先與纖維增強材料通過壓模過程結(jié)合，并且在該初始過程之后將由此形成
的中間產(chǎn)物通過熱固性樹脂模塑過程與附加層結(jié)合從而產(chǎn)生多層復合材料
<formula>formula see original document page 13</formula>
在一個實施方式中，可利用壓模過程，其中纖維增強材料(例如織物)可 與低熔融熱塑性樹脂體系一起壓模。例如，熱塑性膜層可位于與包括非晶聚 合物纖維的織物相鄰。在壓模過程期間施加熱和壓力時，該熱塑性膜可至少 部分熔融并結(jié)合織物的非晶聚合物纖維。
作為樹脂體系使用的可能的熱塑性樹脂和膜可包括例如現(xiàn)有技術(shù)中通 常已知的低熔融聚乙烯、低熔融聚丙烯共聚物、或低熔融含氟聚合物。
還可在公開的復合材料中利用熱固性樹脂體系。如現(xiàn)有技術(shù)中通常已知 的，可將熱固性基體樹脂施用到形成的織物或任選的施用到形成織物的纖 維，復合材料結(jié)構(gòu)通常可在模子中成形，并且可使該熱固性樹脂固化，任選 地在該結(jié)構(gòu)保持在壓力下時進行固化。
任何標準熱固性基體樹脂可與非晶聚合物纖維聯(lián)合使用。適合用于形成 本發(fā)明復合材料的示例性熱固性樹脂可以包括但不限于酚類聚合物、三聚氰 胺聚合物、環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂、不飽和聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丁二 烯、聚醚嵌段酰胺、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺、聚脲、乙烯基酯、含氟聚合物、
氰酸酯、聚異戊二烯、二烯嵌段共聚物、聚對苯二曱酸乙二醇酯(PET)等。 在一個優(yōu)選實施方式中，可根據(jù)材料的具體物理特性或電特性選擇熱固性樹 脂。例如，低損耗熱固性樹脂如低損耗環(huán)氧樹脂或氰酸酯樹脂。
在某些實施方式中，復合材料可以是多層結(jié)構(gòu)，包括可以使用一種或多 種期望的樹脂體系通過壓模、熱固性模塑、或它們的組合彼此固定的多個纖 維層。相鄰層可以彼此相同或不同。例如，兩種或多種相鄰的且基本相同的
包含非晶聚合物纖維的織物可以用熱塑性樹脂體系利用合適的壓模方法彼 此固定。類似地，當考慮熱固性樹脂體系時，該熱固性樹脂可根據(jù)任何適合的方 法施用到多層結(jié)構(gòu)。例如，在單獨的層已經(jīng)在模子中接近并成形后，可將液 體熱固性樹脂注入模子中并固化。
也可利用體系的組合。例如， 一層或多層可壓模以形成中間層壓物，并 然后將多種中間材料與熱固性樹脂體系結(jié)合。
除了引入非晶聚合物纖維的 一層或多層之外，本發(fā)明公開的復合材料還 可包括其它材料的織物或?qū)印？砂ǖ牟牧系姆窍拗菩粤斜砜梢园ǖ幌?br> 于玻璃纖維紡織物和無紡織物；碳纖維紡織物和無紡織物；聚合物紡織物、 無紡織物、膜、片材等,并且這些材料可以包括任何多種聚合物纟11維、聚-合-物基體、或它們的某些組合，包括例如用卣化聚合物(例如，PTFE、 PVC、 PVA等)、聚芳酰胺(例如Kevla,)、 UHMWPE等形成的纖維增強的熱固性基 體；金屬膜和箔；和/或液晶材料。
這些附加的層可將期望的物理特性加入復合材料結(jié)構(gòu)，如拉伸強度、彎 曲強度、或橫向滲透強度。例如，該復合材料結(jié)構(gòu)可在該結(jié)構(gòu)中包括一種或 多種可提高層狀結(jié)構(gòu)對外來物質(zhì)(例如射彈、液體滲透等)的穿透或滲入作用 的抵抗的材料。在一個具體實施方式

中，多層復合材料的一個或兩個外部表 面可包括具有高模量和較低熱膨脹系數(shù)的增強纖維，例如玻璃。
公開的復合材料結(jié)構(gòu)的任何層在跨越該結(jié)構(gòu)的方向上可任選地為連續(xù) 的或非連續(xù)的。例如，可利用該復合材料作為電路板并且該復合材料可包括
的，材料(如導電材料)的圖案化形成可認為是公開的復合材料結(jié)構(gòu)的單層， 盡管該形成在跨越該結(jié)構(gòu)的相鄰層的表面上可能是非連續(xù)的。例如，復合材 料的多層可各自用導電材料圖案化從而形成電路，然后這些層可組合以形成 現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的多層電路板。
除了非晶聚合物纖維和樹脂基體之外，該復合材料還可包括現(xiàn)有技術(shù)中 通常已知的填料和/或其它增強材料。例如，該復合材料可包括陶瓷填料(例
的電特性或機械特性。
由于復合材料中使用的非晶聚合物的低介電常數(shù)和高耐熱性，該復合材 料結(jié)構(gòu)可用于包括涉及焊接加工的許多低損耗電應(yīng)用中。例如，該復合材料 可有利地用作電路板或天線底座或者電磁發(fā)送和/或接收設(shè)備的防護殼
14(protective enclosure),例如天線罩。例如，在一個實施方式中本發(fā)明的復合 材料可顯示小于約4.0的介電常數(shù)。在另一實施方式中，該介電常數(shù)可以更 低，例如低于約3.7,或甚至低于其它實施方式，例如低于約3.5。
在一個實施方式中，本發(fā)明的復合材料還可具有低密度，例如小于約1.7 g/cm3。在另一實施方式中，該復合材料可具有甚至更低的密度，例如小于 約1.5 g/cm3。
本文公開的低損耗復合材料基底可用與之前已知的許多低損耗基底相
比更低的成本提供，這是由于與非晶聚合物材料相關(guān)的相對低的成本以及可 ui豐彩.& ;云智入7^^UA/p ""太&刑女-:三
本文公開的復合材料可用于形成防護性外殼結(jié)構(gòu)，該防護性外殼結(jié)構(gòu)可 以保護內(nèi)容物避免氣候、污垢、和/或其它可損壞內(nèi)部保持的設(shè)備的因素。由
于該復合材料還可以對各種頻率的電磁波透明，可利用該復合材料保護裝入 的電子設(shè)備而不阻礙該設(shè)備的運行。這種防護外殼可包括各種組合的多種復 合材料結(jié)構(gòu)。例如，至少部分外殼可以由多層電磁透明復合材料形成，其中
一個或兩個外層包括高強度增強纖維例如玻璃、Kevlar 、 UHMWPE等，并 且一個或多個內(nèi)層包括非晶聚合物增強纖維。
電磁透明防護結(jié)構(gòu)的一個具體實例是天線罩，電磁波可在該天線罩中產(chǎn) 生并從碟形天線發(fā)射。然后該電磁波可穿過天線罩，具體而言穿過包括本文 所述復合材料結(jié)構(gòu)的天線罩部分。在電^ 茲波從物體例如云或飛行器反射之 后，該電磁波可再穿過該天線罩回來并再由碟形天線接收。
除了與雷達應(yīng)用有關(guān)的應(yīng)用之外，發(fā)射和/或接收電磁波的其它已知方法 還可任選地考慮用于本發(fā)明的各種電應(yīng)用。例如，可利用本文所述的防護結(jié) 構(gòu)以容納和保護激光器、微波激射器、二極管、和其它電磁波發(fā)生和/或接收 設(shè)備。在一個具體實施方式

中，本文所述的防護結(jié)構(gòu)可以與射頻波操作的設(shè) 備聯(lián)合使用，所述射頻波例如約100kHz至約100GHz，或者在一個實施方 式中為約lMHz至約50 GHz，或者在另一實施方式中為約10MHz至約20 GHz。本發(fā)明的防護結(jié)構(gòu)可有利于保護用于監(jiān)測氣象、監(jiān)測空中或地面交通、 或探測軍事設(shè)施周圍是否存在飛行器、船只、或其它交通工具(包括軍艦)的 電子裝置。
在另一電實施方式中，本發(fā)明的層狀復合材料結(jié)構(gòu)可用作電路，特別是 高頻電路的基底。為了本發(fā)明公開的目的，術(shù)語"高頻"在本文中定義為大
15于100KHz。因此，本發(fā)明的高頻電路板可有利地用于能夠在大于約100 KHz
下操作的電路。在一個實施方式中，本發(fā)明的基底可以與更高頻率的電路聯(lián)
合使用，所述電路例如在約1 MHz以上或在其它實施方式中甚至更高(例如 約1 GHz以上)的頻率下操作的電路。
根據(jù)本發(fā)明的電路板可由多層構(gòu)成，其中至少一層包括預(yù)定圖案的導電 材料以形成電路并且其中至少另 一層是包括增強非晶聚合物纖維的基底層。 任選地，導電材料可包括在多層上和/或不同的導電材料可包括在單層上并且 例如通過本領(lǐng)域中通常已知的孔放置為彼此電連通。任選地，基底的一層或
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層，所述玻璃纖維可向多層基底提供附加的結(jié)構(gòu)性益處，例如，低的熱膨脹系數(shù)。
一般地說，可通過下列步驟使用電路板首先提供合適頻率的電磁信號； 將該信號通過電線、纜線、焊接點、和/或其它現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的器件傳輸 到電路板的電路；使該信號沿著電路的導電布置傳播，所述電路可包括導電 帶和/或帶狀線以及電容、晶體管、和現(xiàn)有技術(shù)中通常已知的任何其它的電路 組件；然后在另一元件處接收該信號，所述元件根據(jù)需要可以在電路板內(nèi)部 或外部。外部元件可包括例如計算機芯片、存儲芯片、或任何其它的外部電 子設(shè)備。該信號可任選地由天線，或者由微波能源、例如集成電路或真空管 中可用的那些，或者由本領(lǐng)域技術(shù)人員通常已知的任何其它的源通過無線通 信提供。
電路板可提供低介電常數(shù)和低介電損耗的益處，這可以導致較高的信號 完整性、較低的數(shù)據(jù)損耗、和較低的電路操作電壓、以及現(xiàn)有技術(shù)中所熟知 的其它益處。該電路板還可以具有高的導熱性，以用于高溫應(yīng)用。公開的電 路板可以是移動電話的主要部分，或者有利地用于電話交換裝置、計算機、 高能微波設(shè)備、或者現(xiàn)有技術(shù)中通常已知的以微波頻率操作的任何其它的電 子器件。
在其他實施方式中，該復合材料結(jié)構(gòu)可包括顯示高彎曲強度和/或彎曲模 量的一層或多層。例如， 一層或多層可由下列物質(zhì)形成玻璃纖維紡織物或 無紡織物、聚芳酰胺無紡織物(例如Kevla,織物)、或碳纖維墊或無紡織物。 在一個具體實施方式

中，這些其它材料可形成復合材料結(jié)構(gòu)的外層，其中一
層或多層夾在含有非晶聚合物增強纖維的兩層之間。外層可為復合材料提供這些特殊材料的益處，但該復合材料結(jié)構(gòu)仍然可具有低得多的重量，并且與 之前已知的復合材料相比具有更低的成本同時由于在復合材料中包含非晶 聚合物纖維而仍然保持期望的強度特性。
參考下列實施例將更好地理解本發(fā)明。
實施例1
丁(^&3@6017環(huán)烯烴共聚物從丁^0皿獲得。將小球進料到3/4"擠出機中， 其中擠出機區(qū)域1-3中擠出機溫度設(shè)置為190°C、 230。C和27(TC，且熔融泵 和紡絲頭加熱到290。C 。聚合物通過具有0.020"直徑的15個孔的噴絲頭^^出，
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m/min下運行并設(shè)置為15(TC的溫度。然后使由此形成的紗線通過第二導絲 輥，所述第二導絲輥在1320m/min下運行并且也設(shè)置為150°C，該紗線在第 一和第二導絲輥之間拉伸。然后使該第一紗線通過在1320 m/min和室溫下 運行的第三導絲輥，然后纏繞在線軸上。拉伸紗線的尺寸為60旦。然后將 該第一紗線作為綿紗紡織穿過由450s玻璃紗以60經(jīng)紗/英寸制成的經(jīng)紗。綿 紗以47綿紗/英寸紡織。然后將該織物浸入環(huán)氧樹脂中，并在模子中層合， 總計8層，加壓以擠出過量的樹脂，并使其固化。將由此形成的復合材料從 模子中取出并測量電性質(zhì)和機械性質(zhì)，如下表1所示。
為了對比，以類似于上述復合材料的方式成型玻璃織物1080型，其經(jīng) 紗為60根/英寸的450s玻璃紗且煒紗為47根/英寸。類似地測試該復合材料， 并且結(jié)果示于表1中。
表1
含有本發(fā)明紗線的織物對比^皮璃織物
介電常數(shù)3.524.65
損耗角正切0.0180.021
彎曲模量2764 ksi3125 ksi
彎曲強度42.4 ksi433 ksi
密度1.2 g/cm31.6 g/cm
在與上述第 一 紗線相同的條件下制造第二紗線，除了聚合物流動更快從
而產(chǎn)生120旦的紗線。將該紗線加捻，然后以與上述相同的配置紡織。該紗
線也與450s玻璃紗加捻合股。該復合紗線以與上述織物相同的配置紡織。 上述第一紗線與450s玻璃紗線加捻合股。該復合紗線以與表1所述本
17發(fā)明的織物相同的配置紡織。檢查該織物的缺陷并認為其對于電路板基底的 應(yīng)用是可接受的。
應(yīng)該理解，上述實施例是為了說明的目的而給出的，不應(yīng)解釋為限制本 發(fā)明的范圍。雖然以上僅具體描述了本發(fā)明的若干實施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)
明的新穎性教導和優(yōu)點。因此，所有這種改變旨在包括于所附權(quán)利要求及其 等價物限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。而且，應(yīng)該認識到，可設(shè)想不實現(xiàn)某些實施 方式的所有優(yōu)點的許多實施方式，但是不認為缺少特別的優(yōu)點就一定地表明 這種實施方式超出本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種復合材料，包含聚合物樹脂基體；多種保持在聚合物樹脂基體中的第一纖維，所述第一纖維具有低于約3.5的介電常數(shù)，所述第一纖維包含非晶聚合物；和多種保持在聚合物樹脂基體中的第二纖維。
2. 權(quán)利要求1的復合材料，其中所述多種第一纖維和所述多種第二纖維 在織物中。
3. 權(quán)利要求l的復合材料，其中所述第二纖維是玻璃纖維。
4. 權(quán)利要求l的復合材料，其中所述樹脂是熱固性樹脂。
5. 權(quán)利要求l的復合材料，其中所述第一纖維包含環(huán)烯烴共聚物。
6. 權(quán)利要求1的復合材料，其中所述第一纖維具有大于約70克/旦的模量。
7. 權(quán)利要求1的復合材料，其中所述復合材料具有小于約4.0的介電常數(shù)。
8. 權(quán)利要求1的復合材料，其中所述第一纖維在廣角X射線散射下觀 察時僅顯示非晶暈型散射。
9. 權(quán)利要求1的復合材料，其中所述第二纖維具有大于約150克/旦的模量。
10. —種多層復合材料，包含包括第 一聚合物樹脂基體和保持在所述第 一聚合物樹脂基體中的第一 織物的第一層，所述第一織物包括多種聚合物纖維，所述聚合物纖維包含非 晶聚合物，所述聚合物纖維具有小于約3.5的介電常數(shù)；和固定于所述第 一層的第二層，所述第二層包含第二聚合物樹脂基體和保 持在所述第二聚合物樹脂基體中的第二織物。
11. 權(quán)利要求10的多層復合材料，其中所述第一織物包含所述聚合物纖 維和第二纖維。
12. 權(quán)利要求11的多層復合材料，其中所述第二纖維是玻璃纖維。
13. 權(quán)利要求IO的多層復合材料，所述復合材料進一步包含固定于所述 第一層或所述第二層的非連續(xù)層。
14. 權(quán)利要求13的多層復合材料，其中所述非連續(xù)層形成電路。
15. 權(quán)利要求IO的多層復合材料，其中所述第二織物是玻璃纖維織物。
16. 權(quán)利要求15的多層復合材料，其中所述第二層是外層。
17. 權(quán)利要求10的多層復合材料，其中所述復合材料結(jié)構(gòu)具有小于約 2.0g/cn^的平均密度。
18. 權(quán)利要求10的多層復合材料，其中所述復合材料結(jié)構(gòu)具有小于約 4.0的介電常數(shù)。
19. 權(quán)利要求IO的多層復合材料，其中所述第一層和所述第二層用第三 聚合物樹脂彼此固定。
20. 權(quán)利要求10的多層復合材料，其中所述多層復合材料是電路板。
21. 權(quán)利要求IO的多層復合材料，其中所述第一聚合物樹脂基體的聚合 物樹脂和所述第二聚合物樹脂基體的聚合物樹脂是相同的聚合物樹脂。
22. —種方法，包括提供頻率約100 kHz至約100 GHz的電磁波；將層壓結(jié)構(gòu)置于所述電磁波的路徑中，所述層壓結(jié)構(gòu)包括第一層，所述 第 一層包含第 一聚合物樹脂基體和保持在所述第 一聚合物樹脂基體中的第 一織物，所述第一織物包括多種聚合物纖維，所述聚合物纖維包含非晶聚合 物，所述聚合物纖維具有小于約3.5的介電常數(shù)；和使所述電磁波通過所述層壓結(jié)構(gòu)。
23. 權(quán)利要求22的方法，其中所述電磁波從碟形天線發(fā)射。
24. 權(quán)利要求22的方法，其中所述層壓結(jié)構(gòu)是罩住電磁波發(fā)射器、電磁 波接收器、或者兩者的防護殼的一部分。
25. 權(quán)利要求22的方法，其中所述第一層是層壓結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，所述層壓 結(jié)構(gòu)進一步包括外層，所述外層包含選自下列的纖維玻璃纖維、聚芳酰胺 纖維、和超高分子量聚乙烯纖維。
26. 權(quán)利要求22的方法，進一步包括所述電磁波從物體反射，并隨后第 二次使所述電磁波通過所述層壓結(jié)構(gòu)。
全文摘要
公開了可顯示低傳輸能量損耗且還可以耐熱的復合材料。所述復合材料包括保持在聚合物基體中的增強纖維。所述增強纖維可包括非晶聚合物組分。所述纖維可梭織或針織以形成織物或可以包括在無紡織物中。所述復合材料還可包括其它纖維，例如玻璃纖維。所述復合材料可為多層結(jié)構(gòu)并可包括其它材料的層，例如由聚芳酰胺、玻璃纖維、或碳纖維紡織物或無紡布形成的層。所述復合材料可有利地用于低損耗電介質(zhì)應(yīng)用，例如形成電路板基底。
文檔編號B32B19/02GK101500798SQ200780029857
公開日2009年8月5日 申請日期2007年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月15日
發(fā)明者布賴恩·G·莫林 申請人:茵奈格利迪有限責任公司