專利名稱：包含聚醚酮酮結(jié)系層的組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無定形聚醚酮酮在諸如復(fù)合材料、疊層材料以及類似物的組件中作為結(jié)系層的用途。相關(guān)技術(shù)的討論在近幾十年，在設(shè)計(jì)包含多個(gè)不同材料層的疊層材料、復(fù)合材料以及其他組件中已經(jīng)投入了相當(dāng)大的開發(fā)努力。對(duì)于許多最終用途應(yīng)用，使用單一材料來制造所希望的部件是不可行的，這是由于任何已知的材料都不能滿足特定的多重性能要求。例如，可能需要一個(gè)部件同時(shí)在強(qiáng)度和剛度方面很高并且是耐壓力的、耐溶劑/化學(xué)物的、并且在高溫下是尺寸穩(wěn)定的。然而，在可能需要在復(fù)合材料或疊層材料中使用的多個(gè)相異層之間直接實(shí)現(xiàn)令人滿意的粘附或結(jié)合常常被證明是具有挑戰(zhàn)性的。復(fù)合材料層之間差的相容性會(huì)限制此類組件所展現(xiàn)出的特性。具體地，某些熱塑性塑料(特別是結(jié)晶的和/或高溫?zé)崴苄运芰?展現(xiàn)出了與其他材料的差的粘附，這已經(jīng)歸因于此類熱塑性塑料不能充分地“潤(rùn)濕” 相異物質(zhì)的表面，從而當(dāng)該復(fù)合材料被用于高要求的環(huán)境中時(shí)導(dǎo)致了與層離和結(jié)構(gòu)整體性喪失相關(guān)的問題。因此，有利的是開發(fā)用于組裝復(fù)合材料、疊層材料以及類似物的改進(jìn)的方法，這些方法通過確保復(fù)合材料或疊層材料層之間的良好結(jié)合而避免了此類困難。發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明提供了一種組件，該組件包括一個(gè)第一基片以及一個(gè)第二基片，其中一個(gè)由無定形聚醚酮酮構(gòu)成的結(jié)系層被置于所述第一基片與所述第二基片之間并且與它們相接觸。此類組件可以按如下方法來制備將一個(gè)基片用無定形聚醚酮酮涂覆，并且然后通過將這些基片壓在一起同時(shí)加熱該聚醚酮酮結(jié)系層來將另一個(gè)基片與該涂覆的基片進(jìn)行連接。替代性地，可以采用一種共擠出工藝。在一個(gè)基片包括一種結(jié)晶的和/或高溫?zé)崴苄运芰先缫环N結(jié)晶的聚(芳醚酮)、而這種熱塑性塑料在缺少該結(jié)系層時(shí)沒有展現(xiàn)出完全令人滿意的對(duì)另一個(gè)基片表面的粘附性的情況下，本發(fā)明是尤其有用的。附圖簡(jiǎn)要說明

圖1示出了用PEKK和PEEK上膠的纖維的顯微圖像、并且顯示了各種膠料在纖維中的失效模式。本發(fā)明的某些實(shí)施方案的詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的組件有利地是使用由無定形聚醚酮酮構(gòu)成的結(jié)系層來制造的。適合用于本發(fā)明中的無定形聚醚酮酮包含(并且優(yōu)選地基本上由其組成或者由其組成)由以下化學(xué)式I和II所代表的重復(fù)單元-A-C ( = 0) -B-C ( = 0) - I-A-C ( = 0) -D-C ( = 0) - II其中，A是一個(gè)p，p’ -Ph-O-Ph-基團(tuán)，Ph是一個(gè)亞苯基，B是對(duì)-亞苯基，并且D 是間-亞苯基。改變?cè)摼勖淹械幕瘜W(xué)式I 化學(xué)式II(T I)的異構(gòu)體之比以提供一種無定形(非晶態(tài))的聚合物。對(duì)于本發(fā)明的目的，無定形聚合物是指通過差示掃描熱量法(DSC)并沒有展現(xiàn)出結(jié)晶性熔點(diǎn)的一種聚合物。
聚醚酮酮是本領(lǐng)域中所熟知的，并且可以使用任何適當(dāng)?shù)木酆霞夹g(shù)來制備，這些技術(shù)包括在以下專利(為所有目的通過引用各自以其整體結(jié)合在此)中所描述的方法 美國(guó)專利號(hào) 3,065，205 ；3，441，538 ；3，442，857 ；3，516，966 ；4，704，448 ；4, 816, 556 ；以及 6，177，518?？梢圆捎枚喾N聚醚酮酮的混合物。 具體地說，可以通過改變用于制備聚醚酮酮的不同單體的相對(duì)量值而如所希望地調(diào)節(jié)化學(xué)式I 化學(xué)式II之比(在本領(lǐng)域中有時(shí)稱為T/I之比)。例如，可以通過使對(duì)苯二酰氯和間苯二酰氯的混合物與二苯醚進(jìn)行反應(yīng)來合成一種聚醚酮酮。增大對(duì)苯二酰氯相對(duì)于間苯二酰氯的量值將增大化學(xué)式ι 化學(xué)式II(TA)之比?？偠灾?，具有較高的化學(xué)式I 化學(xué)式II之比的聚醚酮酮與具有較低的化學(xué)式I 化學(xué)式II之比的聚醚酮酮相比是更加結(jié)晶化的。具有的T/I之比為從約55 45至約65 35的一種無定形聚醚酮酮特別適合用于本發(fā)明中。適合的無定形聚醚酮酮可以從商業(yè)來源獲得，例如像由Oxford Performance Materials, Enfield, Connecticut在商品名OXPEKK下所銷售的某些聚醚酮酮類，包括 0XPEKK-SP聚醚酮酮。用于形成該結(jié)系層的聚合物組合物可以另外地由除了無定形聚醚酮酮之外的組分組成，例如穩(wěn)定齊 、顏料、加工助齊 、填充劑、以及類似物。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，該聚合物組合物主要由或由無定形聚醚酮酮組成。例如，該聚合物組合物可以不含有或基本上不含有除無定形聚醚酮酮之外的任何類型的聚合物。本發(fā)明對(duì)于多層結(jié)構(gòu)是有用的，例如像薄膜、片材、管道以及空心體如儲(chǔ)存罐，其中使用一個(gè)由無定形聚醚酮酮構(gòu)成的結(jié)系層來將一個(gè)第一基片層粘附到一個(gè)第二基片層上。因此該多層結(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)結(jié)系層(T)、直接附連于結(jié)系層(T)的一個(gè)第一面(表面)上的一個(gè)第一基片層(Si)、以及直接附連于結(jié)系層(T)的一個(gè)第二面(表面)上的一個(gè)第二基片層(S2)，這樣使得該結(jié)系層(T)被夾在第一基片層(Si)與第二基片層(S2)之間。當(dāng)然，在該組件中可以存在附加的層和部件，包括被置于其他基片層之間的一個(gè)或多個(gè)另外的結(jié)系層。通過該結(jié)系層相連接的這些基片層之一或二者可以例如是一個(gè)片材或一個(gè)薄膜。 這些基片可以包括任何適當(dāng)?shù)牟牧希缦窠饘?、塑?熱塑性的或熱固性的)、陶瓷、或玻璃。該基片可以是一種復(fù)合材料，例如像玻璃纖維增強(qiáng)的塑料。該薄膜或片材的厚度可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行選擇并且可以是例如從約0. 01至約10mm。在一個(gè)實(shí)施方案中，該第一基片或第二基片中的至少一個(gè)包括一種結(jié)晶的(包括半結(jié)晶的)和/或高溫?zé)崴苄运芰?，因?yàn)檫@些材料通常展現(xiàn)出不完全令人滿意的、對(duì)不同類型的基片表面的界面粘附性。根據(jù)本發(fā)明的無定形聚醚酮酮的結(jié)系層有助于改善此種粘附性，由此增強(qiáng)所得組件的機(jī)械特性和其他特性。適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶的和/或高溫?zé)崴苄运芰习ǖ幌抻诰鄯济淹?如結(jié)晶的聚醚酮(PEK)、結(jié)晶的聚醚醚酮(PEEK)、結(jié)晶的聚醚酮酮 (PEKK)、聚醚醚醚酮(PEEEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚醚酮醚醚酮(PEKEKK)、以及聚醚酮酮酮(PEKKK))、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、聚砜、聚醚砜、聚芳基醚、聚碳酸酯、液晶聚合物、聚苯硫醚、聚亞芳基(聚亞苯基)、聚酰胺、聚鄰苯二甲酰胺、聚芳族酯、以及類似物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該第一基片或第二基片中至少一個(gè)是金屬的，例如一個(gè)金屬片、箔片或類似物。該基片可以包括任何適當(dāng)?shù)慕饘倩蚪饘俸辖?，如鋼、鋁、鋁合金、銅、 金、銀或類似物。該結(jié)系層典型地是相對(duì)薄的，例如從約1至約100微米厚。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該第一與第二基片表面之間的界面被該結(jié)系層完全填充或覆蓋，但在其他實(shí)施方案中該結(jié)系層可以是不連續(xù)的。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的組件是通過對(duì)已知的共擠出方法進(jìn)行調(diào)整而制造的，特別是其中通過該結(jié)系層相連接的這兩個(gè)基片層均是基于熱塑性聚合物。例如，用于制造此類組件的裝置可以是普遍用于熱塑性聚合物的共擠出的、任何常規(guī)的或標(biāo)準(zhǔn)的擠出機(jī)、?？诨蛄鞣峙淦?stream distributors)。各個(gè)聚合物層的厚度將取決于對(duì)各個(gè)擠出機(jī)的流速的調(diào)節(jié)。一般，?？诤蛿D出機(jī)的溫度應(yīng)當(dāng)基于有待在該結(jié)系層和這些基片層中使用的聚合物的特征和特性來進(jìn)行選擇，這樣使得這些材料能夠被擠出。本發(fā)明的組件可以被擠出為任何常規(guī)的形式，包括薄膜、板、片材、管道、或通過共擠出而是常規(guī)地可獲得的任何其他形狀。壓縮模制、間歇的匹配模口固結(jié)(intermittent matched die consolidation)、 雙帶壓機(jī)固結(jié)、復(fù)合輥成型、傳遞模制、以及其他此類技術(shù)也可以與本發(fā)明相關(guān)聯(lián)地使用。 例如，該組件可以通過以下方法制備將在組成上對(duì)應(yīng)于所希望的結(jié)系層的一個(gè)片材或薄膜放置在一個(gè)第一基片與一個(gè)第二基片之間，并且在對(duì)于充分軟化這些層中的至少一個(gè)而言是有效的溫度下加熱所得的“夾層”以使它能流動(dòng)并且與一個(gè)相鄰層進(jìn)行緊密接觸，由此在冷卻該組件時(shí)形成一種粘性結(jié)合。典型地，將希望的是在該“夾層”上施加壓力從而增強(qiáng)在結(jié)系層與這些基片層之間達(dá)到的粘附程度?？梢赃M(jìn)行該組件的熱壓成型從而獲得一種特別希望的形狀或輪廓。在又一個(gè)實(shí)施方案中，該組件可以通過首先將一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的結(jié)系層粘附到一個(gè)第一基片上來形成。這可以例如通過將該結(jié)系層與該第一基片共擠出、或者通過將一片結(jié)系層與一片第一基片壓在一起同時(shí)加熱、或者通過將該結(jié)系層擠出到該第一基片上而完成。然后可以將所得的結(jié)系層/第一基片的子組件連接到一個(gè)第二基片上，其方式為將該第二基片與結(jié)系層的另一側(cè)進(jìn)行接觸，同時(shí)施加足夠的熱和壓力從而在結(jié)系層與第二基片的表面之間創(chuàng)造所希望程度的粘附。也可以采用包覆模制或擠出模制的技術(shù)。例如，可以將該結(jié)系層/第一基片的子組件定位在一個(gè)模具中并將一種加熱過的聚合物組合物(對(duì)應(yīng)于所希望的第二基片的組成)引入該模具中，使得它與結(jié)系層的可用的表面的至少一部分相接觸。若希望的話，可以對(duì)包覆模制的條件進(jìn)行選擇，使得該結(jié)系層/第一基片的子組件在此種包覆模制的過程中經(jīng)歷形狀上的改變(例如，該子組件可以被熱壓成形)。替代性地，可以將該加熱過的聚合物組合物作為一個(gè)涂層而擠出模制到結(jié)系層表面上以形成該第 ■~ 基片層ο在又一個(gè)實(shí)施方案中，可以將該結(jié)系層的熔體擠出在第一與第二基片層的預(yù)成型的片材之間。這可以恰在這兩個(gè)片材的層疊之前進(jìn)行。該結(jié)系層還可以通過將無定形聚醚酮酮的溶液施加到一個(gè)基片表面并接著去除溶劑而形成。用于無定形聚醚酮酮的適當(dāng)溶劑是本領(lǐng)域已知的并且包括例如鹵代烴類 (特別是氯代烴類，如鄰-二氯苯、1，2，4_三氯苯、二氯甲烷和四氯乙烯)、硝基苯、以及水性無機(jī)酸(例如硫酸和/或硝酸)。該溶劑可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄈ缂訜岷?或施加真空來從該被涂覆的基片上去除。根據(jù)本發(fā)明制備的組件可以用于在其中常規(guī)地采用或已提出要采用此類疊層材料或復(fù)合材料的任何最終用途應(yīng)用中。代表性的應(yīng)用包括用于航空/飛行器、汽車和其他車輛、船只、機(jī)械裝置、重型設(shè)備、儲(chǔ)存罐、管道、運(yùn)動(dòng)設(shè)備、工具、生物醫(yī)學(xué)器件(包括待植入人體中的器件)、建筑物部件、風(fēng)機(jī)葉片以及類似物的復(fù)合材料和疊層材料(包括二維和三維的面板和片材)。與未使用基于無定形聚醚酮酮的結(jié)系層而制備的組件相比，在此描述的本發(fā)明的益處包括更高的拉伸強(qiáng)度、更高的抗壓強(qiáng)度、更高的剝離強(qiáng)度、增強(qiáng)的對(duì)溶劑和化學(xué)物及水的耐受性、以及改進(jìn)的抗層離性。實(shí)例實(shí)例1.生產(chǎn)PEKK薄膜通過在一臺(tái)裝配有12英寸薄膜?？诘?英寸Davis Standard 擠出機(jī)上對(duì)無定形聚醚酮酮 A-PEKK(來自 Oxford Performance materials, T/ I之比為60/40)球粒進(jìn)行熔體加工來生產(chǎn)一個(gè)A-PEKK薄膜。將聚合物以較低的螺桿速度 (20-80RPM)并在315°C _325°C下進(jìn)行加工。該擠出機(jī)裝配有一個(gè)來自Davis Standard的標(biāo)準(zhǔn)流延膜取下架(standard cast film take off stack)，在 150°C下運(yùn)行。生產(chǎn)T/I之比為70/30或更高的、結(jié)晶等級(jí)的薄膜也是有可能的但是更加困難。這些薄膜的快速冷卻和結(jié)晶要求更高的擠出機(jī)溫度和熔體溫度(365°C -375°C )以及更高的用于該取下設(shè)備的溫度(220°C _250°C或更高)。實(shí)例2.俥用PEKK作為結(jié)系層來牛產(chǎn)并測(cè)試疊層材料試駘樣品由1英寸乘5英寸的金屬或玻璃條(見表1)以及1英寸乘1英寸乘0. 7英寸的、通過在實(shí)例1中所描述的方法而形成的PEKK片材組成。將這些試驗(yàn)樣品的表面用丙酮清潔以在模制之前去除任何潤(rùn)滑脂或油。使用一臺(tái)Carver壓機(jī)以及兩個(gè)12英寸乘12英寸的、帶有用于夾持試驗(yàn)樣品的小的1英寸乘5英寸壓痕的鋁塊來對(duì)這些樣品進(jìn)行壓縮模制。將該壓機(jī)模具預(yù)加熱至 2200C -2300C (對(duì)于A-PEKK片材)或260°C -290°C (對(duì)于晶態(tài)PEKK)。在預(yù)加熱之后，從壓機(jī)中取出模具并將試驗(yàn)片材和1英寸乘1英寸的PEKK片材仔細(xì)組裝成一個(gè)3層結(jié)構(gòu)，以便不污染這些結(jié)合表面。這種構(gòu)造的組成為，一個(gè)PEKK片材位于適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)材料的兩個(gè)片材之間。接著將該模具再組裝并且放回到壓機(jī)中并且再加熱到該試驗(yàn)溫度持續(xù)約1分鐘。 然后將這些組件在2000psi下壓制5分鐘，并接著取出并允許其在測(cè)試結(jié)合強(qiáng)度之前在室溫下于50%的相對(duì)濕度下保持至少24小時(shí)。使用Zwick-Roell Z050拉伸試驗(yàn)在一臺(tái)儀器中評(píng)估結(jié)合強(qiáng)度，使用一種與ASTM D3528-96 (2008)"Standard Test Method For Strength Properties Of Double Lap Shear Adhesive Joints By Tension Loading (用拉力負(fù)荷法測(cè)定雙搭接剪切粘結(jié)接頭的強(qiáng)度特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法)”相類似的方法，其中十字頭速度為1. 27mm/min。結(jié)果呈現(xiàn)在下表1和表2中。表 1使用PEKK作為粘合劑的、相似基片的搭接剪切試驗(yàn)
權(quán)利要求
1.一種組件，包括一個(gè)第一基片以及一個(gè)第二基片，其中一個(gè)由無定形聚醚酮酮構(gòu)成的結(jié)系層被置于所述第一基片與所述第二基片之間并且與它們相接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第一基片具有一個(gè)與所述結(jié)系層相接觸的表面，該表面由玻璃、塑料、陶瓷、和/或金屬構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第二基片具有一個(gè)與所述結(jié)系層相接觸的表面，該表面由一種結(jié)晶的和/或高溫?zé)崴苄运芰蠘?gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第一基片是金屬的并且所述第二基片由一種結(jié)晶的和/或高溫?zé)崴苄运芰蠘?gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述結(jié)系層是從約1至約100微米厚。
6.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該無定形聚醚酮酮包括由以下化學(xué)式I和II所代表的重復(fù)單元-A-C ( = 0) -B-C ( = 0) - I-A-C( = 0)-D-C( = 0)- II其中，A是一個(gè)p，p’ -Ph-O-Ph-基團(tuán)，Ph是一個(gè)亞苯基，B是對(duì)-亞苯基，并且D是間-亞苯基。
7.如權(quán)利要求1所述的組件，其中該無定形聚醚酮酮具有從約65 35至約55 45 的T I比率。
8.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第一基片和所述第二基片是處于片材的形式。
9.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第二基片具有一個(gè)與所述結(jié)系層相接觸的表面，該表面由一種選自下組的結(jié)晶的聚(芳醚酮)構(gòu)成，該組由以下各項(xiàng)組成PEK、PEEK、 PEEEK、PEEKK、PEKEKK 以及 PEKKK。
10.一種用于制造組件的方法，所述方法包括使用一個(gè)由無定形聚醚酮酮構(gòu)成的結(jié)系層將一個(gè)第一基片連接到一個(gè)第二基片上。
全文摘要
使用由無定形聚醚酮酮構(gòu)成的結(jié)系層來連接多個(gè)基片以形成疊層材料以及其他組件。
文檔編號(hào)C08G10/00GK102307919SQ201080007020
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月5日
發(fā)明者C·A·伯蒂羅, G·S·歐布萊恩 申請(qǐng)人:阿科瑪股份有限公司