纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其由增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，壁薄且機(jī)械性能出色，并且可以提供各向同性的成形制品。所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由平均纖維長(zhǎng)度為5mm至100mm的增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，其中在由下式（1）和（2）所定義的粘彈性特征中，在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的-25℃至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+25℃的范圍內(nèi)的平均值滿(mǎn)足下式（3）：tanδ=G”/G’（1）tanδ’=Vf×tanδ/(100-Vf)（2）0.01≤tanδ’≤0.2（3）其中G’表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量（Pa），G”表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損耗模量（Pa），Vf表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中所述增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)（%）。
【專(zhuān)利說(shuō)明】纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其由增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，壁薄且機(jī)械性能出色，并且可以提供各向同性的成形制品。
【背景技術(shù)】
[0002]使用碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等作為增強(qiáng)纖維的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，利用其高比強(qiáng)度和高比彈性，已被廣泛用于飛機(jī)、車(chē)輛等的結(jié)構(gòu)材料，或一般性工業(yè)或運(yùn)動(dòng)用途例如網(wǎng)球拍、高爾夫球桿和釣竿。其中使用的增強(qiáng)纖維的形式，可以包括使用連續(xù)纖維制造的紡織物、纖維被拉長(zhǎng)并單向排列的UD片、使用切斷纖維制造的無(wú)序片、無(wú)紡織物等。
[0003]一般來(lái)說(shuō)，在由連續(xù)纖維制造的織物或UD片等的情形中，需要復(fù)雜的積層步驟，例如由于纖維的各向異性而以各種角度例如以0/+45/-45/90的角度積層，或用于防止成形制品翹曲的進(jìn)一步的平面對(duì)稱(chēng)積層。這是增加纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成本的因素之一。
[0004]因此，通過(guò)使用預(yù)先各向同性的無(wú)序氈，可以獲得相對(duì)廉價(jià)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這種無(wú)序氈可以通過(guò)將切斷的增強(qiáng)纖維單獨(dú)地噴撒或?qū)⑶袛嗬w維與熱固性樹(shù)脂一起同時(shí)噴撒在模具中的噴附成型方法(干式生產(chǎn)方法)，或在含有粘合劑的水性懸液中添加事先切斷的增強(qiáng)纖維，然后進(jìn)行造紙的造紙方法(濕法)來(lái)獲得。干式制造方法需要相對(duì)小的裝置，因此能夠以較低成本獲得無(wú)序氈。
[0005]在干式生產(chǎn)方法中，通常使用切斷連續(xù)纖維并同時(shí)噴撒切斷的纖維的方法，并且大多使用旋切機(jī)。然而， 當(dāng)加寬切割機(jī)刀片之間的間隔以便加長(zhǎng)纖維長(zhǎng)度時(shí)，切割頻率降低，從而引起纖維從切割機(jī)中排料不連續(xù)。因此，局部出現(xiàn)氈中的纖維的單位面積纖維重量不均勻。特別是在制造具有低單位面積纖維重量的氈時(shí)，存在著厚度的不均勻性變得明顯并因此表面外觀變差的問(wèn)題。
[0006]同時(shí)，增加纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成本的另一個(gè)因素是成型所需時(shí)間長(zhǎng)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料一般通過(guò)使用壓熱釜對(duì)被稱(chēng)為預(yù)浸料坯的材料加熱和加壓2小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)獲得，其中所述預(yù)浸料坯通過(guò)將增強(qiáng)纖維基材預(yù)先用熱固性樹(shù)脂浸潰來(lái)獲得。最近已提出了 RTM成型方法，其中將沒(méi)有用樹(shù)脂浸潰的增強(qiáng)纖維基材置于模具中，隨后向其傾倒熱固性樹(shù)脂。這顯著縮短了成型時(shí)間。然而，即使采用RTM成型方法，一個(gè)部件的成型所需時(shí)間也為10分鐘或更長(zhǎng)。
[0007]因此，使用熱塑性樹(shù)脂代替常規(guī)熱固性樹(shù)脂作為基質(zhì)的復(fù)合材料，已成為焦點(diǎn)。然而，熱塑性樹(shù)脂與熱固性樹(shù)脂相比一般具有更高粘度，因此具有用熔融樹(shù)脂浸潰纖維基材所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，以及作為結(jié)果成型前的節(jié)拍時(shí)間延長(zhǎng)的問(wèn)題。
[0008]作為解決上述問(wèn)題的方法，提出了被稱(chēng)為熱塑性沖壓成型(TP-SMC)的方法。這是將事先用熱塑性樹(shù)脂浸潰的切斷的纖維加熱至樹(shù)脂的熔點(diǎn)以上或可流動(dòng)溫度以上并投入到模具的一部分中，然后將模具立即關(guān)閉的成型方法。在所述方法中，使纖維和樹(shù)脂能夠在模具中流動(dòng)以便形成產(chǎn)品形狀，然后冷卻以形成成形制品。在這種方法中，由于使用事先用樹(shù)脂浸潰的纖維，因此有可能在約I分鐘的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行成型。生產(chǎn)切斷的纖維束和成型材料的方法，公開(kāi)在專(zhuān)利文獻(xiàn)I和2。然而，所公開(kāi)的方法利用被稱(chēng)為SMC或可沖壓片的成型材料。在這樣的熱塑性沖壓成型中，纖維和樹(shù)脂在模具中大規(guī)模流動(dòng)，因此纖維取向被擾舌L。在利用切斷纖維的無(wú)序氈的情形中，由于單向纖維取向而造成缺乏各向同性。結(jié)果，由樹(shù)脂和增強(qiáng)纖維的流動(dòng)造成的單向取向降低了各向同性復(fù)合材料的物理性質(zhì)的發(fā)展速度。此外，特別是在伴隨著增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂的流動(dòng)的模具內(nèi)成型中，為了確保成形制品在厚度方向上的穩(wěn)定性和平面尺寸，必須對(duì)成型溫度或成型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查。因此，存在著在大規(guī)模生產(chǎn)中難以調(diào)整制造條件，并且難以制造薄壁產(chǎn)品的問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)于利用熱塑性樹(shù)脂作為基質(zhì)的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，提出了對(duì)含有增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)纖維顆粒進(jìn)行注射成型的技術(shù)。然而，長(zhǎng)纖維顆粒也在顆粒的長(zhǎng)度上有限制。此外，存在著熱塑性樹(shù)脂中的增強(qiáng)纖維由于捏和而被切斷，從而可能不能保持增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度的問(wèn)題。此外，通過(guò)這樣的注射成型的成型方法具有增強(qiáng)纖維被定向，從而可能無(wú)法獲得各向同性的問(wèn)題。
[0009]此外，作為不使纖維流動(dòng)而生產(chǎn)薄壁產(chǎn)品的手段，提出了一種制造預(yù)浸料坯的方法，其中通過(guò)造紙方法由增強(qiáng)纖維制造薄片，然后以樹(shù)脂浸潰薄片(專(zhuān)利文獻(xiàn)3)。在造紙方法中，由于增強(qiáng)纖維均勻地分散在分散液體中，因此增強(qiáng)纖維采取單纖維形式。
[0010](專(zhuān)利文獻(xiàn)I)日本專(zhuān)利公布號(hào)2009-114611
[0011](專(zhuān)利文獻(xiàn)2)日本專(zhuān)利公布號(hào)2009-114612
[0012](專(zhuān)利文獻(xiàn)3)日本專(zhuān)利公布號(hào)2010-235779
[0013]發(fā)明簡(jiǎn)述
[0014]待解決的問(wèn)題
[0015]本發(fā)明的目的是提供一種由增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其壁薄且機(jī)械性能出色，并且可以提供各向同性的成形制品。此外，在本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 具有特定的粘彈性特征，因此增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂可以以預(yù)定水平在模具內(nèi)流動(dòng)，因此可以獲得尺寸準(zhǔn)確的成形制品。
[0016]解決問(wèn)題的手段
[0017]為了獲得壁薄且機(jī)械性能出色的各向同性的成形制品，已經(jīng)形成了廣泛研究。結(jié)果，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有特定粘彈性性質(zhì)時(shí)，熱塑性基質(zhì)樹(shù)脂可以容易地浸潰，并且允許所述基質(zhì)樹(shù)脂和所述增強(qiáng)纖維以預(yù)定水平流動(dòng)，使得在成型期間可以抑制所述增強(qiáng)纖維的單向取向?；谶@些發(fā)現(xiàn)做出了本發(fā)明。也就是說(shuō)，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由平均纖維長(zhǎng)度為5mm至IOOmm的增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，其中在由下式(I)和(2)所定義的表示粘彈性特征的tan δ ’中，在所述基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的_25°C至所述基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+25°C的范圍內(nèi)所述tanS ’的平均值滿(mǎn)足下式(3):
[0018] [0021](其中，G’表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量(Pa)，G”表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損耗模量(Pa)，并且Vf表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中所述增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)(%))
[0022]所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)選地可以通過(guò)對(duì)無(wú)序氈進(jìn)行成型來(lái)獲得，在所述無(wú)序氈中，包含在所述復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維具有特定打開(kāi)程度。在含有具有特定打開(kāi)程度的增強(qiáng)纖維的所述無(wú)序氈中，由等于或大于式(4)所定義的臨界單纖維數(shù)的所述增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于所述氈中所述增強(qiáng)纖維的總量的比率為20Vol%以上并小于90Vol%，并且所述增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)滿(mǎn)足下式(5):
[0023]臨界單纖維數(shù)=600/D (4)
[0024]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (5)
[0025](其中D表示單增強(qiáng)纖維的平均纖維直徑(μm))。
[0026]本發(fā)明的效果
[0027]通過(guò)本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以以高的尺寸準(zhǔn)確性提供表面外觀出色的成形制品。這里，高的尺寸準(zhǔn)確性是指成形制品可以以所需厚度形成，并且可以按照模具形狀來(lái)生產(chǎn)成形制品。特別是，成形制品的厚度尺寸強(qiáng)烈影響材料性質(zhì)例如抗張強(qiáng)度或抗彎強(qiáng)度，并最終變成確定作為結(jié)構(gòu)體的成形制品是否可以允許產(chǎn)品按照設(shè)計(jì)值來(lái)制造的關(guān)鍵因素。因此，通過(guò)使用本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以按照設(shè)計(jì)值獲得成形制品的效果是巨大的。
[0028]此外，當(dāng)使用本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行成型時(shí)，成形制品可以薄且各向同性，并且可以確保成為復(fù)雜三維形狀的隨形性。本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以作為預(yù)制物用于各種結(jié)構(gòu)元件，例如車(chē)輛、各種電器、機(jī)器的框架或箱體的內(nèi)部板材、外部板材和組成元件。
[0029]附圖簡(jiǎn)述
[0030]圖1是示出了用于切斷纖維束的步驟的示意圖。
[0031]圖2是示出了旋轉(zhuǎn)螺 旋切割機(jī)的前側(cè)面和橫截面的示意圖。
[0032]圖3是示出了旋轉(zhuǎn)纖維分離切割機(jī)的前側(cè)面和橫截面的示意圖。
[0033]圖4示出了在實(shí)施例1的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中tan δ ’的測(cè)量結(jié)果。
[0034]圖5示出了在實(shí)施例2的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中tan δ ’的測(cè)量結(jié)果。
[0035]圖6示出了在比較例I的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中tan δ ’的測(cè)量結(jié)果。
[0036]附圖標(biāo)記列表
[0037]1:增強(qiáng)纖維
[0038]2:壓緊輥筒
[0039]3:橡膠輥筒
[0040]4:旋切機(jī)主體
[0041]5:刀片
[0042]6:切斷的增強(qiáng)纖維
[0043]7:刀片間距
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面將依次描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
[0045][纖維增強(qiáng)復(fù)合材料]
[0046]本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由平均纖維長(zhǎng)度為5mm至IOOmm的增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，其中在復(fù)合材料的變形特征中彈性分量顯著占優(yōu)。
[0047]本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征在于，在由下式(I)和(2)所定義的顯示粘彈性特征的tan δ，中，在基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+25°C的范圍內(nèi)tan δ，的平均值滿(mǎn)足式(3)。
[0048]tanS=G”/G，(I)
[0049]tan δ ’ =VfXtan δ / (100-Vf) (2)
[0050]0.01 ≤tan δ ’ ≤ 0.2(3)
[0051](其中G’表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量(Pa)，G”表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損耗模量(Pa)，Vf表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)(％))
[0052]在這里，“在復(fù)合材料的變形特征中彈性分量顯著占優(yōu)”表示在復(fù)合材料的熱變形中，以復(fù)合材料中包含的增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)計(jì)，G”/G’的無(wú)量綱的值不超過(guò)0.2，其中G’ ’表示決定材料的流動(dòng)特征的粘性分量、即復(fù)合材料的損耗模量，G’表示決定材料的保形特征的分量、即復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量。
[0053][纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維]
[0054]本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征在于它包括長(zhǎng)至一定程度的增強(qiáng)纖維，因此可以表現(xiàn)出增強(qiáng)功能。增強(qiáng)纖維的纖維長(zhǎng)度用通過(guò)測(cè)量纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的纖維長(zhǎng)度所獲得的平均纖維長(zhǎng)度來(lái)表示?？赡艽嬖谝环N測(cè)量平均纖維長(zhǎng)度的方法，其中在500°C熔爐中約I小時(shí)以除去樹(shù)脂后，使用游標(biāo)卡尺或小型放大鏡將隨機(jī)抽取的100根纖維的纖維長(zhǎng)度測(cè)量至Imm單位，并獲得其平均值。
[0055]在本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度在5mm至100mm、優(yōu)選地IOmm至100mm、更優(yōu)選地15mm至100mm、進(jìn)一步更優(yōu)選地15mm至80mm的范圍內(nèi)。此外，20mm至60mm的范圍是優(yōu)選的。
[0056]在后文描述的制造復(fù)合材料的優(yōu)選實(shí)例中，當(dāng)增強(qiáng)纖維被切斷成固定長(zhǎng)度以制造無(wú)序氈時(shí)，無(wú)序氈和復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度與切斷纖維的長(zhǎng)度幾乎相同。
[0057]復(fù)合材料可作為預(yù)浸料坯用于成型，并且其密度可以根據(jù)所需成形制品進(jìn)行各種選擇。復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的單位面積纖維重量?jī)?yōu)選地在25g/m2至4500g/m2的范圍內(nèi)。
[0058]優(yōu)選地，在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維中，存在由等于或大于式(4)所定義的臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)、單一形式的增強(qiáng)纖維以及單纖維數(shù)少于臨界單纖維數(shù)的纖維束。
[0059]臨界單纖維數(shù)=600/D (4)
[0060](其中D表示單增強(qiáng)纖維的平均纖維直徑(μm))
[0061]在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維中，增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維總數(shù)的比率，優(yōu)選地為20Vol%以上并小于90Vol%。所述比率更優(yōu)選地為30Vol%以上并小于90Vol%。
[0062]在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維中，增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)滿(mǎn)足下式(5)。
[0063]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2(5)
[0064](其中D表示單增強(qiáng)纖維的平均纖維直徑(μm))
[0065]具體來(lái)說(shuō)，由等于或大于臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)，優(yōu)選地小于6X 104/D2。
[0066]纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)選地可以通過(guò)對(duì)包括增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂的無(wú)序氈壓力進(jìn)行成型來(lái)制造。在無(wú)序氈中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的打開(kāi)程度基本上得以維持。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維中，優(yōu)選地可以通過(guò)控制無(wú)序氈中的增強(qiáng)纖維(A)與無(wú)序氈中的增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)的比率，將增強(qiáng)纖維束(A)與增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)的比率調(diào)整到上述范圍之內(nèi)?？刂茻o(wú)序氈中增強(qiáng)纖維束(A)與纖維平均數(shù)量的比率的優(yōu)選方法，將在后面描述。
[0067]構(gòu)成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維優(yōu)選地是選自碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維的至少一種。它們可以組合使用。其中，從提供重量輕且強(qiáng)度出色的復(fù)合材料的觀點(diǎn)來(lái)看，碳纖維是優(yōu)選的。在碳纖維的情形中，平均纖維直徑優(yōu)選地在3μπι至12μπκ更優(yōu)選地5μπι至7μπι的范圍內(nèi)。
[0068]對(duì)于增強(qiáng)纖維來(lái)說(shuō)，優(yōu)選地使用添加有施膠劑的纖維。以100重量份的增強(qiáng)纖維計(jì)，施膠劑優(yōu)選地大于O至10重量份的量使用。
[0069][纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的熱塑性樹(shù)脂]
[0070]對(duì)構(gòu)成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱塑性樹(shù)脂的種類(lèi)沒(méi)有特別限制，其實(shí)例可以包括氯乙烯樹(shù)脂、偏氯乙烯樹(shù)脂、乙酸乙烯酯樹(shù)脂、聚乙烯醇樹(shù)脂、聚苯乙烯樹(shù)脂、丙烯腈-苯乙烯樹(shù)脂(AS樹(shù)脂)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹(shù)脂(ABS樹(shù)脂)、丙烯酸樹(shù)脂、甲基丙烯酸樹(shù)脂、聚乙烯樹(shù)脂、聚丙烯樹(shù)脂、聚酰胺6樹(shù)脂、聚酰胺11樹(shù)脂、聚酰胺12樹(shù)脂、聚酰胺46樹(shù)脂、聚酰胺66樹(shù)脂、聚酰胺610樹(shù)脂、聚縮醛樹(shù)脂、聚碳酸酯樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯樹(shù)脂、聚萘二甲酸乙二酯樹(shù)脂、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯樹(shù)脂、聚萘二甲酸丁二酯樹(shù)脂、聚丙烯酸樹(shù)脂、聚苯醚樹(shù)脂、聚苯硫醚樹(shù)脂、聚砜樹(shù)脂、聚醚砜樹(shù)脂、聚醚醚酮樹(shù)脂、聚乳酸樹(shù)脂等。其中，優(yōu)選的是選自聚酰胺6樹(shù)脂和聚丙烯樹(shù)脂的至少一種。這些熱塑性樹(shù)脂可以單獨(dú)或其兩種以上組合使用。
[0071]在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，以100重量份的增強(qiáng)纖維計(jì)，熱塑性樹(shù)脂優(yōu)選地以50至1，000重量份的量存在。更優(yōu)選地，以100重量份的增強(qiáng)纖維計(jì)，熱塑性樹(shù)脂以55至500重量份的量存在，進(jìn)一步更優(yōu)選地，以100重量份的增強(qiáng)纖維計(jì)，熱塑性樹(shù)脂以60至300重量份的量存在。
[0072]在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，由下式(7)定義的增強(qiáng)纖維體積分?jǐn)?shù)(Vf)優(yōu)選地在5%至80%的范圍內(nèi)。
[0073]增強(qiáng)纖維體積分?jǐn)?shù)(Vf)=IOO X增強(qiáng)纖維的體積/ (增強(qiáng)纖維的體積+熱塑性樹(shù)脂的體積) (7)
[0074]增強(qiáng)纖維體積分?jǐn)?shù)(Vf)表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、也就是說(shuō)由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料形成的成形制品中增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂的組成。當(dāng)增強(qiáng)纖維體積分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)，可能無(wú)法充分表現(xiàn)出增強(qiáng)效果。此外，當(dāng)含量高于80%時(shí)，存在著可能容易地在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中產(chǎn)生空隙，并且成形制品的物理性質(zhì)可能變差的可能性。更優(yōu)選地，增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)在20%至60%的范圍內(nèi)。
[0075]在計(jì)算上述增強(qiáng)纖維體積分?jǐn)?shù)(Vf)的具體方法的實(shí)例中，通過(guò)從成形制品的樣本中除去熱塑性樹(shù)脂以獲得增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂的質(zhì)量值，使用相應(yīng)組分的密度將其轉(zhuǎn)換成體積，并將所述體積值帶入上式。
[0076]作為從成形制品樣本中除去熱塑性樹(shù)脂的方法，當(dāng)增強(qiáng)纖維是無(wú)機(jī)纖維例如碳纖維或玻璃纖維時(shí)，使用燃燒(熱分解)移除的方法可能是簡(jiǎn)單并優(yōu)選使用的。在這種情形中，稱(chēng)量成形制品的充分干燥樣本的質(zhì)量，然后使用電熔爐等將其在500°C至700°C下處理5至60分鐘，以便燃燒熱塑性樹(shù)脂組分。將燃燒后剩余的增強(qiáng)纖維在干燥氣氛中靜置冷卻并稱(chēng)重，以便計(jì)算相應(yīng)組分的質(zhì)量。
[0077]對(duì)于從成形制品樣本移除熱塑性樹(shù)脂的方法來(lái)說(shuō)，存在著另一種優(yōu)選方法，其中使用能夠容易地分解或溶解熱塑性樹(shù)脂的化學(xué)材料，以便可以通過(guò)分解或溶解來(lái)除去熱塑性樹(shù)脂。具體來(lái)說(shuō)，稱(chēng)量被形成為面積為Icm2至IOcm2的薄片的成形制品樣本的質(zhì)量，然后可以使用能夠溶解或分解熱塑性樹(shù)脂的化學(xué)材料以提取其中溶解的組分。然后，將殘留物洗滌并干燥，然后稱(chēng)重，以便計(jì)算相應(yīng)組分的質(zhì)量。例如，在熱塑性樹(shù)脂是聚丙烯的情形中，可以使用加熱的甲苯或二甲苯來(lái)溶解聚丙烯。在熱塑性樹(shù)脂是聚酰胺的情形中，可以使用加熱的甲酸來(lái)分解聚酰胺。當(dāng)樹(shù)脂是聚碳酸酯時(shí)，可以使用加熱的氯代烴來(lái)溶解聚碳酸酯。
[0078]當(dāng)從無(wú)序氈獲得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，在制造無(wú)序氈中增強(qiáng)纖維內(nèi)含物與樹(shù)脂內(nèi)含物的供應(yīng)量(以質(zhì)量計(jì))的比率，可以被認(rèn)為是無(wú)序氈中增強(qiáng)纖維內(nèi)含物與樹(shù)脂內(nèi)含物的質(zhì)量比。
[0079][其他試劑] [0080]在不損害本發(fā)明的目的的限度內(nèi)，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以包含由有機(jī)纖維或無(wú)機(jī)纖維制成的各種纖維或非纖維狀填充劑，或添加劑例如阻燃劑、抗UV劑、顏料、脫模劑、軟化劑、增塑劑或表面活性劑。
[0081][纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的流動(dòng)特征]
[0082]在成型時(shí)在模具內(nèi)的加熱步驟中，將材料限制在預(yù)定水平的流動(dòng)范圍內(nèi)，對(duì)保留各向異性材料的增強(qiáng)纖維的物理性質(zhì)發(fā)展速度和產(chǎn)品尺寸準(zhǔn)確性具有優(yōu)選的影響。本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征在于，在由式(I)和(2)所定義的表示粘彈性特征的tan δ ’中，在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+25°C的范圍內(nèi)tan δ ’的平均值滿(mǎn)足下式(3)。
[0083]tanS=G”/G，(I)
[0084]tan δ ’ =Vf Xtan δ /(100-Vf) (2)
[0085](其中G’表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量(Pa)，G”表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損耗模量(Pa)，Vf表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)(％)。)
[0086]0.01 < tan δ ’ < 0.2(3)
[0087]在這里，G’表示材料的彈性分量，G”表示粘性分量。在具有粘性分量和彈性分量?jī)烧叩牟牧闲再|(zhì)中，tan δ表示當(dāng)材料通過(guò)應(yīng)變變形時(shí)的行為，并且當(dāng)粘性分量和彈性分量之一表現(xiàn)為主要行為時(shí)，表示成粘性分量與彈性分量的比率。當(dāng)粘性效應(yīng)更大時(shí)，tan δ具有更大的值。本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的特征在于，在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+25°C的范圍內(nèi)，表示粘彈性特征的tan δ ’基本上固定。此外，即使在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+35°C的范圍內(nèi)，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也優(yōu)選地滿(mǎn)足式(3)。
[0088]當(dāng)tan δ ’小于0.01時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量G’與損耗模量G”相比相對(duì)更高，并且材料變成其中增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂在加熱時(shí)從不流動(dòng)的剛性材料。因此，在壓縮成型步驟中的加熱時(shí)，材料在模具中的隨形性受損，因此難以獲得預(yù)定的產(chǎn)品形狀。同時(shí)，當(dāng)tan δ ’是大于0.2的值時(shí)，儲(chǔ)能模量G’相對(duì)于損耗模量G”的效應(yīng)相對(duì)降低，并且材料允許增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂在加熱時(shí)容易流動(dòng)。因此，產(chǎn)生增強(qiáng)纖維的明顯的單向取向。當(dāng)tan δ ’的值在0.0l至0.2的范圍內(nèi)時(shí)，可以通過(guò)使材料在能夠確保產(chǎn)品尺寸符合復(fù)合材料產(chǎn)品的最終形狀的范圍內(nèi)輕微流動(dòng)，來(lái)確保復(fù)雜三維形狀的隨形性。
[0089]在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+35°C的范圍內(nèi)，tan δ ’的平均值更優(yōu)選地在0.02至0.15的范圍內(nèi)。
[0090]圖4和5示出了在本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)例中，表示粘彈性特征的tanS ’的測(cè)量值，其中所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括作為基質(zhì)的聚酰胺以及作為增強(qiáng)纖維的碳纖維，并且碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為30%。圖4示出了從無(wú)序氈獲得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的粘彈性特征(即tan δ ’)的測(cè)量結(jié)果，在所述無(wú)序氈中，由等于或大于由式(4)定義的臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于無(wú)序氈中的纖維總量的比率為30Vol%以上。圖5示出了從無(wú)序氈獲得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的粘彈性特征(tanS ’)的測(cè)量結(jié)果，在所述無(wú)序氈中增強(qiáng)纖維束(A)的比例為70%。水平軸指示了在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)(Tm)附近的加熱溫度范圍(在該實(shí)例中，基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)為225°C，并且測(cè)量溫度范圍為200°C至260°C)。豎直軸指示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的tan δ ’值。正如可以由此看出的，當(dāng)由等于或大于臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)的比例為30%或70%時(shí)，從包括增強(qiáng)纖維束(A)的無(wú)序氈獲得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+25°C的范圍內(nèi)或者在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+35°C的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出基本上穩(wěn)定的tan δ ’值。也就是說(shuō)，本發(fā)明中的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出基本上穩(wěn)定的粘彈性特征，所述溫度范圍為基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的-25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+25°C的范圍或基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的+35°C的范圍，并表明無(wú)論成型時(shí)模具內(nèi)的溫度條件如何，材料具有能夠維持材料成型性和尺寸準(zhǔn)確性的性質(zhì)。
[0091]具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)選擇作為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的起始材料的無(wú)序氈中或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維束(A)的比例，來(lái)控制粘彈性特征。特別是，當(dāng)增強(qiáng)纖維束(A)的比例在20%至40%、更優(yōu)選地30%至40%的范圍內(nèi)時(shí)，材料具有與損耗模量G”相比相對(duì)高的儲(chǔ)能模量G’效應(yīng)，因此假設(shè)當(dāng)材料在 模具內(nèi)加熱時(shí)，需要將增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂輕微流動(dòng)以確保成型性。
[0092]同時(shí)，當(dāng)增強(qiáng)纖維束(A)的比例在70%以上并小于90%的范圍內(nèi)時(shí)，材料具有與損耗模量G”相比相對(duì)低的儲(chǔ)能模量G’效應(yīng)，因此假設(shè)當(dāng)材料在模具內(nèi)加熱時(shí)，需要將增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂以預(yù)定水平流動(dòng)以抑制增強(qiáng)纖維的單向取向，使得只有在維持各向同性時(shí)才能確保加工成復(fù)雜形狀的可成形性。
[0093][無(wú)序氈]
[0094]本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料滿(mǎn)足特定的粘彈性特征并由增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，并且優(yōu)選地可以通過(guò)對(duì)增強(qiáng)纖維滿(mǎn)足特定打開(kāi)程度的無(wú)序氈進(jìn)行成型來(lái)獲得。增強(qiáng)纖維以特定打開(kāi)程度存在的無(wú)序氈具體地包括平均纖維長(zhǎng)度為5mm至IOOmm的增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂，其中增強(qiáng)纖維的單位面積纖維重量在25g/m2至3，000g/m2的范圍內(nèi)，由等于或大于下式(4)所定義的臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)以相對(duì)于無(wú)序氈中的纖維總量20Vol%以上并小于90Vol%的比率被包含，并且增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)滿(mǎn)足下式(5)。
[0095]臨界單纖維數(shù)=600/D(4)[0096]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (5)
[0097](其中D表示單增強(qiáng)纖維的平均纖維直徑(μm))
[0098]在無(wú)序氈的平面中，增強(qiáng)纖維不以特定方向取向，而是以隨機(jī)方向分散并排列。
[0099]本發(fā)明的復(fù)合材料是平面內(nèi)各向異性材料。在利用本發(fā)明的成形制品中，可以獲得在兩個(gè)垂直方向上的模量的比率，以定量評(píng)估成形制品的各向同性。當(dāng)用在成形制品的兩個(gè)方向上的模量值中的較大值除以較小值獲得的比率不超過(guò)2時(shí)，產(chǎn)品被認(rèn)為是各向同性的。當(dāng)所述比率不超過(guò)1.3時(shí)，產(chǎn)品被認(rèn)為是各向同性出色的。
[0100]在無(wú)序氈中，增強(qiáng)纖維的單位面積纖維重量在25g/m2至3，000g/m2的范圍內(nèi)。從無(wú)序氈獲得的本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用作預(yù)浸坯料，并且其單位面積纖維重量可以根據(jù)所需的成型進(jìn)行各種選擇。
[0101]可以?xún)?yōu)選地提供本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的無(wú)序氈，包括由等于或大于式(4)定義的臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)作為增強(qiáng)纖維。
[0102]臨界單纖維數(shù)=600/D (4)
[0103](其中D表示單增強(qiáng) 纖維的平均纖維直徑(μm))
[0104]在無(wú)序氈中，作為增強(qiáng)纖維，除了增強(qiáng)纖維束(A)之外，還含有單一形式的增強(qiáng)纖維和單纖維數(shù)小于臨界單纖維數(shù)的纖維束。
[0105]無(wú)序氈中增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于纖維總量的比率優(yōu)選地為20Vol%以上并小于90Vol%。增強(qiáng)纖維束的存在量的下限優(yōu)選地為30Vol%。在下面的優(yōu)選制造方法中，為了使增強(qiáng)纖維束的存在量為20Vol%以上并小于90Vol%，可以例如通過(guò)在纖維打開(kāi)步驟中吹入的空氣的壓力等進(jìn)行控制。此外，可以通過(guò)調(diào)整將要經(jīng)歷切斷步驟的纖維束的尺寸例如束的寬度或單位寬度的纖維數(shù)，來(lái)進(jìn)行控制。具體來(lái)說(shuō)，存在著通過(guò)鋪展手段等加寬纖維束的寬度，然后使纖維束經(jīng)歷切斷步驟的方法，或者在切斷步驟之前設(shè)置分條步驟的方法。此外，還存在著使用具有許多排列的短刀片的所謂分離刀來(lái)切斷纖維束的方法，或同時(shí)進(jìn)行切斷和分條的方法。優(yōu)選的條件將在關(guān)于打開(kāi)步驟的部分中描述。
[0106]此外，在優(yōu)選地可以提供本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的無(wú)序氈中，由等于或大于臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)優(yōu)選地滿(mǎn)足下式
(5)。
[0107]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2(5)
[0108](其中D表示單增強(qiáng)纖維的平均纖維直徑(μm))
[0109]具體來(lái)說(shuō)，由等于或大于臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)優(yōu)選地小于6X 104/D2。
[0110]在下面的優(yōu)選制造方法中，為了使增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)在上述范圍之內(nèi)，可以通過(guò)調(diào)整將要經(jīng)歷切斷步驟的纖維束的尺寸例如束的寬度或單位寬度的纖維數(shù)，來(lái)進(jìn)行控制。具體來(lái)說(shuō)，存在著通過(guò)鋪展手段等加寬纖維束的寬度，然后使纖維束經(jīng)歷切斷步驟的方法，或者在切斷步驟之前設(shè)置分條步驟的方法。此外，可以將纖維束切割并立即分條。
[0111]此外，可以通過(guò)憑借在打開(kāi)步驟中吹入的空氣的壓力等調(diào)整切斷的纖維的打開(kāi)程度，來(lái)控制增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)。優(yōu)選的條件將在與打開(kāi)步驟和切斷步驟相關(guān)的部分中描述。[0112]具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)構(gòu)成無(wú)序氈的碳纖維的平均纖維直徑在5μπι至7μπι范圍內(nèi)時(shí)，臨界單纖維數(shù)在86至120的范圍內(nèi)，并且當(dāng)碳纖維的平均纖維直徑為5 μ m時(shí)，纖維束中纖維的平均數(shù)量大于280并小于4，000,并且優(yōu)選地在600至2，500、更優(yōu)選地600至1，600的范圍內(nèi)。當(dāng)碳纖維的平均纖維直徑為7 μ m時(shí)，纖維束中纖維的平均數(shù)量大于142并小于2，040，并且優(yōu)選地在300至1，500、更優(yōu)選地300至800的范圍內(nèi)。
[0113]無(wú)序氈如上所述由增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成，其中熱塑性樹(shù)脂以固相存在，并且無(wú)序氈起到用于獲得本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的預(yù)制物的作用。熱塑性樹(shù)脂的種類(lèi)如上所述。在無(wú)序氈中，熱塑性樹(shù)脂優(yōu)選地以纖維和/或顆粒形式存在。當(dāng)存在與纖維和/或顆粒形式的熱塑性樹(shù)脂混合的增強(qiáng)纖維時(shí)，存在著纖維和樹(shù)脂不需在模具中流動(dòng)，并且在成型時(shí)熱塑性樹(shù)脂可以容易地浸潰在增強(qiáng)纖維束內(nèi)和增強(qiáng)纖維的單纖維之間的特征?？梢允褂脙煞N或更多種熱塑性樹(shù)脂，并且纖維形式和顆粒形式可以組合使用。
[0114]在纖維形式的情形中，細(xì)度在IOOdtex至5，OOOdtex、更優(yōu)選地1，OOOdtex至2，OOOdtex的范圍內(nèi)。平均纖維長(zhǎng)度優(yōu)選地在0.5mm至50mm、更優(yōu)選地Imm至IOmm的范圍內(nèi)。
[0115]顆粒形式優(yōu)選地可以使用球形、條帶或圓柱(例如球粒)形狀。球形形狀優(yōu)選地可以使用圓形或橢圓形或類(lèi)似卵形形狀的回轉(zhuǎn)體。球形形狀優(yōu)選地具有0.01 μ m至1，000 μ m范圍內(nèi)的平均粒徑。平均粒徑更優(yōu)選地在0.1 μ m至900 μ m的范圍內(nèi)、進(jìn)一步更優(yōu)選地在
Iμ m至800 μ m的范圍內(nèi)。對(duì)粒徑分布沒(méi)有特別限制，但出于獲得更薄成形制品的目的，尖銳的分布是更加優(yōu)選的。同時(shí)，可以通過(guò)諸如分類(lèi)的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的粒徑分布。
[0116]條帶形式可以使用圓柱(例如球粒)、棱柱或鱗片形狀作為優(yōu)選的形狀，并且優(yōu)選地還可以使用切割成矩形形式的薄膜。在這種情形中，可以使用一定范圍的縱橫比，但是優(yōu)選的長(zhǎng)度可以與纖維形式中的長(zhǎng)度幾乎相同。
[0117]在不損害本發(fā)明的目的的限度內(nèi)，無(wú)序氈可以包括有機(jī)纖維的各種類(lèi)型的纖維或非纖維狀填充劑或添加劑，例如阻燃劑、抗UV劑、顏料、脫模劑、軟化劑、增塑劑或表面活性劑。
[0118][制造纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的方法]
[0119]下面將描述獲得本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)選方法。本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)選地通過(guò)對(duì)由增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂構(gòu)成的無(wú)序氈進(jìn)行壓力成型來(lái)制造。
[0120]也就是說(shuō)，本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)選地通過(guò)下列步驟(I)至(5)來(lái)制造:
[0121](I)切斷增強(qiáng)纖維束的步驟；
[0122](2)將切斷的增強(qiáng)纖維束導(dǎo)入管中，并通過(guò)向其吹入空氣來(lái)打開(kāi)纖維束的步驟；
[0123](3)將打開(kāi)的增強(qiáng)纖維鋪展，并在將纖維與纖維或顆粒形式的熱塑性樹(shù)脂一起抽吸的同時(shí)噴撒增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂的涂布步驟；
[0124](4)將已經(jīng)涂布的增強(qiáng)纖維和已經(jīng)涂布的熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行固定以獲得無(wú)序氈的步驟；以及
[0125](5)對(duì)獲得的無(wú)序氈進(jìn)行壓力成型的步驟。
[0126]下面將詳細(xì)描述每個(gè)步驟。
[0127][切斷步驟]
[0128]在本發(fā)明的方法中，切斷增強(qiáng)纖維的方法具體來(lái)說(shuō)包括使用刀切斷增強(qiáng)纖維束的、步驟。對(duì)于用于切斷的刀來(lái)說(shuō)，優(yōu)選的是旋切機(jī)等。對(duì)于旋切機(jī)來(lái)說(shuō)，優(yōu)選地設(shè)置了螺旋刀或排列有許多短刀片的所謂的纖維分離刀。圖1示出了切斷步驟的具體示意圖。圖2示出了具有螺旋刀的旋切機(jī)的實(shí)例，圖3示出了具有纖維分離刀的旋切機(jī)的實(shí)例。
[0129]為了使增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)在本發(fā)明的優(yōu)選范圍內(nèi)，可以通過(guò)調(diào)整將要經(jīng)歷切斷步驟的纖維束的尺寸例如束的寬度或單位寬度的纖維數(shù)量，來(lái)進(jìn)行控制。
[0130]對(duì)于提供給切斷步驟的纖維束來(lái)說(shuō)，優(yōu)選地使用事先具有式(5)范圍內(nèi)的纖維數(shù)量的增強(qiáng)纖維束。然而，一般來(lái)說(shuō)，纖維束數(shù)量越小，纖維價(jià)格變得越昂貴。因此，當(dāng)使用可以廉價(jià)地獲得的具有大的纖維數(shù)量的增強(qiáng)纖維束時(shí)，優(yōu)選地在對(duì)纖維束進(jìn)行切斷步驟之前，調(diào)整將要經(jīng)歷切斷步驟的纖維束的寬度或單位寬度的纖維數(shù)量。具體來(lái)說(shuō)，可能存在著通過(guò)擴(kuò)展等將纖維束薄薄地鋪展以加寬纖維束寬度，然后對(duì)所述纖維束進(jìn)行切斷步驟的方法，或者在切斷步驟之前設(shè)置分條步驟的方法。在設(shè)置分條步驟的方法中，將纖維束預(yù)先變細(xì)，然后對(duì)其進(jìn)行切斷步驟。因此，可以使用沒(méi)有特殊機(jī)制的常規(guī)平面刀片或螺旋刀片作為切割機(jī)。
[0131]此外，可能存在著使用纖維分離刀切斷纖維束的方法，或通過(guò)使用具有分條功能的切割機(jī)同時(shí)進(jìn)行切割和分條的方法。
[0132]在使用纖維分離刀的情形中，可以通過(guò)使用具有窄的刀寬度的刀來(lái)減少纖維的平均數(shù)量(N)，并且另一方面，可以通過(guò)使用具有寬的刀寬度的刀來(lái)增加纖維的平均數(shù)量(N)。
[0133]此外，作為具有分條功能的切割機(jī)，可以使用同時(shí)具有垂直于纖維方向的刀片以及平行于纖維方向的分條功能刀片的纖維分離切割機(jī)。
[0134]在獲得具有良好表面外觀的熱塑性樹(shù)脂增強(qiáng)的無(wú)序氈中，單位面積纖維重量的不均勻性具有顯著影響。在排列有常規(guī)平面刀片的旋切機(jī)中，纖維的切斷是不連續(xù)的。然后，當(dāng)這樣的切斷纖維經(jīng)歷涂布步驟時(shí)，單位面積纖維重量出現(xiàn)不均勻性。同時(shí)，當(dāng)使用具有確定角度的刀不間斷地連續(xù)切斷纖維時(shí)，可以做出僅具有單位面積纖維重量的小的不均勻性的涂布。也就是說(shuō)，出于連續(xù)切斷增強(qiáng)纖維的目的，刀優(yōu)選地以預(yù)定角度規(guī)則地排列在旋切機(jī)上。此外，優(yōu)選地做出切割，使得刀片的排列方向相對(duì)于圓周方向的角度滿(mǎn)足下式(6)。
[0135]刀片間距=增強(qiáng)纖維股的寬度Xtan(9O_0)(6)
[0136](其中Θ表不刀的排列方向相對(duì)于圓周方向的角度)
[0137]刀片在圓周方向上的間距被原樣反映在增強(qiáng)纖維的纖維長(zhǎng)度上。
[0138]圖2和3是具有如上所述的預(yù)定角度的刀的實(shí)例。在切割機(jī)的實(shí)例中，刀的排列方向相對(duì)于圓周方向的角度(Θ )在圖中示出。
[0139][纖維打開(kāi)步驟]
[0140]纖維打開(kāi)步驟是將切斷的增強(qiáng)纖維束導(dǎo)入管中并向纖維吹入空氣以打開(kāi)纖維束的步驟。纖維打開(kāi)的程度、增強(qiáng)纖維束(A)的存在量和增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)，可以通過(guò)空氣的壓力等來(lái)控制。在纖維打開(kāi)步驟中，可以將空氣以lm/sec至I，OOOm/sec的風(fēng)速，優(yōu)選地通過(guò)壓縮空氣吹出孔直接吹向纖維束，以便打開(kāi)增強(qiáng)纖維。更優(yōu)選地，風(fēng)速在5m/sec至500m/sec的范圍內(nèi)。具體來(lái)說(shuō)，在增強(qiáng)纖維通過(guò)的管內(nèi)形成大量尺寸約為Φ Imm至2mm的孔，并從外部施加0.0lMPa至1.0MPa、更優(yōu)選地0.2MPa至0.8MPa的壓力，以將壓縮空氣直接吹向纖維束。通過(guò)降低風(fēng)速，可以留下更多纖維束，相反，通過(guò)增加風(fēng)速，可以將纖維束打開(kāi)直至單纖維形式。
[0141][涂布步驟]
[0142]涂布步驟是將打開(kāi)的增強(qiáng)纖維鋪展并在同時(shí)將纖維與采取纖維或顆粒形式的熱塑性樹(shù)脂一起抽吸，以噴撒增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂的步驟。打開(kāi)的增強(qiáng)纖維和采取纖維或顆粒形式的熱塑性樹(shù)脂優(yōu)選同時(shí)地被涂布在板上，特別是噴涂在設(shè)置于打開(kāi)裝置下方的透氣板上。
[0143]在涂布步驟中，以100重量份的增強(qiáng)纖維計(jì)，熱塑性樹(shù)脂的供應(yīng)量?jī)?yōu)選地在50至1，000重量份的范圍內(nèi)。以100重量份的增強(qiáng)纖維計(jì)，熱塑性樹(shù)脂的量更優(yōu)選地在55至500重量份的范圍內(nèi)，進(jìn)一步更優(yōu)選地以100重量份的增強(qiáng)纖維計(jì)，在60至300重量份的范圍內(nèi)。
[0144]在這里，優(yōu)選地將增強(qiáng)纖維和采取纖維或顆粒形式的熱塑性樹(shù)脂噴撒成二維取向。為了將打開(kāi)的纖維涂布成二維取向，涂布方法以及隨后的固定方法是重要的。在增強(qiáng)纖維的涂布方法中，優(yōu)選地使用例如圓錐形狀的錐形管。在圓錐形等的管中，空氣擴(kuò)散，因此管內(nèi)的流速降低，并且向增強(qiáng)纖維施加旋轉(zhuǎn)力。利用這種文丘里效應(yīng)，打開(kāi)的增強(qiáng)纖維可以被優(yōu)選地鋪展和噴撒。
[0145]此外，隨后的固定步驟和涂布步驟可以同時(shí)進(jìn)行，也就是說(shuō)，纖維可以在涂布和沉積的同時(shí)被固定。優(yōu)選地，將增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂噴撒在具有抽吸機(jī)制的可移動(dòng)透氣板上，將它們沉積成氈的形狀并將其固定在那種狀態(tài)下。在這種情形中，當(dāng)透氣板被設(shè)置成由網(wǎng)構(gòu)成的傳送帶并且以單一方向連續(xù)移動(dòng)以使纖維和樹(shù)脂沉積在其上時(shí)，可以連續(xù)地形成無(wú)序氈。此外，通過(guò)將透氣板前后和左右移動(dòng)，可以獲得均勻的沉積。此外，增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂的涂布(噴撒)單元的前緣，優(yōu)選地以與連續(xù)移動(dòng)的透氣支撐物的移動(dòng)方向垂直的方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以便連續(xù)地進(jìn)行涂布和固定。在這種情形中，優(yōu)選地將增強(qiáng)纖維和熱塑性樹(shù)脂均勻地噴撒成沒(méi)有不均勻性的無(wú) 序氈。
[0146][固定步驟]
[0147]固定步驟是對(duì)涂布的增強(qiáng)纖維和涂布的熱塑性樹(shù)脂進(jìn)行固定的步驟。優(yōu)選地，纖維通過(guò)從透氣板的底部吸入空氣來(lái)固定。將與增強(qiáng)纖維一起噴撒的熱塑性樹(shù)脂混合，然后在纖維形式的情形中通過(guò)空氣抽吸進(jìn)行固定，或者甚至在顆粒形式的情形中也與增強(qiáng)纖維一起進(jìn)行固定。
[0148]通過(guò)經(jīng)透氣板底部進(jìn)行抽吸，可以獲得高度二維取向的氈。此外，采取顆粒或纖維狀形式的熱塑性樹(shù)脂可以使用產(chǎn)生的負(fù)壓來(lái)抽吸，然后通過(guò)在管中產(chǎn)生的擴(kuò)散流與增強(qiáng)纖維容易地混合。在得到的增強(qiáng)基材中，熱塑性樹(shù)脂存在于增強(qiáng)纖維附近，因此樹(shù)脂在浸潰步驟中的移動(dòng)距離短，并且樹(shù)脂在氈中的浸潰時(shí)間可能相對(duì)短。也可以將由與待使用的基質(zhì)樹(shù)脂的材料相同的材料制成的透氣無(wú)紡織物預(yù)先設(shè)置于固定單元上，并且可以將增強(qiáng)纖維和顆粒噴撒到無(wú)紡織物上。
[0149]通過(guò)上述無(wú)序氈的優(yōu)選制造方法，可以獲得由二維取向的纖維制成并含有很少的長(zhǎng)軸為三維取向的纖維的無(wú)序氈。
[0150]此外，當(dāng)在工業(yè)上生產(chǎn)無(wú)序氈時(shí)，優(yōu)選地在連續(xù)移動(dòng)透氣支撐物的同時(shí)進(jìn)行涂布和固定。[0151][壓制]
[0152] 然后，可以將獲得的無(wú)序氈壓力成型以獲得本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在這種情形中，可以將大量無(wú)序氈片材堆疊到所需厚度或單位面積纖維重量并進(jìn)行壓制。對(duì)于壓力成型的方法和條件沒(méi)有特別限制，但具體來(lái)說(shuō)，優(yōu)選地將無(wú)序氈中的熱塑性樹(shù)脂在壓力下熔化并浸潰到增強(qiáng)纖維束內(nèi)和增強(qiáng)纖維的單纖維之間，然后冷卻并成型。特別是，優(yōu)選地在基質(zhì)熱塑性樹(shù)脂的熔點(diǎn)至熔點(diǎn)+80°C，或等于或低于基質(zhì)熱塑性樹(shù)脂的分解溫度的條件下進(jìn)行熱壓。壓制的壓力和壓制的時(shí)間可以適當(dāng)選擇。
[0153][纖維增強(qiáng)復(fù)合材料]
[0154]通過(guò)對(duì)本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行成型，可以獲得壁薄且各向同性并且機(jī)械性能出色的成形制品。與常規(guī)的沖壓成型不同，在本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成型中，在加熱步驟中不需使模具內(nèi)的纖維和樹(shù)脂大量流動(dòng)。這抑制了增強(qiáng)纖維在一個(gè)方向上的定向，改進(jìn)了機(jī)械性能并允許生產(chǎn)具有高的尺寸準(zhǔn)確度的產(chǎn)品。同時(shí)，在復(fù)雜三維形狀的成型中，模具內(nèi)存在的豎直平面是特別麻煩的。也就是說(shuō)，存在著當(dāng)將材料置于模具內(nèi)的豎直平面上時(shí)，材料可能下滑的問(wèn)題。此外，存在著在將材料事先置于豎直部分上的情形中，當(dāng)上部模具朝向下部模具滑動(dòng)時(shí)，豎直部分上的材料與置于平坦部分上的材料相比快速與模具發(fā)生接觸，從而使平坦部分上的材料可能未充分受壓的問(wèn)題。特別是當(dāng)豎直平面的高度大時(shí)，這一問(wèn)題變得明顯。因此，為了制造形狀復(fù)雜的成形制品，必需使材料以預(yù)定水平流動(dòng)。本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有特殊的粘彈性特征，因此可以使增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂以預(yù)定水平流動(dòng)。因此，存在著下述特征，也就是說(shuō)即使在流動(dòng)后，獲得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成形制品的各向異性也得以維持，因此可以尺寸準(zhǔn)確地獲得具有高機(jī)械性能的產(chǎn)品。此外，通過(guò)時(shí)增強(qiáng)纖維和基質(zhì)樹(shù)脂在模具內(nèi)流動(dòng)，優(yōu)選地可以成型薄壁物質(zhì)。
[0155]通過(guò)這種方式，可以例如在短時(shí)間內(nèi)有效地獲得板狀纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。板狀纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也可用作三維成型的預(yù)浸料坯，特別是用于壓力成型的預(yù)浸料坯。具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)所謂的冷壓來(lái)獲得成形制品，在所述冷壓中，將板狀纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加熱至樹(shù)脂的熔點(diǎn)以上溫度，或加熱至樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上溫度，并將加熱的材料作為單一片或按照所需成形制品的形狀堆疊的大量片，導(dǎo)入到保持在低于樹(shù)脂的熔點(diǎn)或低于樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)的溫度下的模具中，加壓并冷卻。
[0156]或者，可以通過(guò)所謂的熱壓來(lái)獲得成形制品，在所述熱壓中，將板狀纖維增強(qiáng)復(fù)合材料導(dǎo)入到模具中并加熱至高達(dá)樹(shù)脂的熔點(diǎn)以上溫度或樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上溫度，并在同時(shí)進(jìn)行壓力成型，然后將模具冷卻至低于樹(shù)脂的熔點(diǎn)或低于樹(shù)脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
[0157]本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是在復(fù)合材料的變形特征中彈性分量明顯占優(yōu)的材料。
[0158]實(shí)施例
[0159]下面對(duì)實(shí)施例進(jìn)行描述，但本發(fā)明不限于此。
[0160]I)無(wú)序氈中的增強(qiáng)纖維束的分析
[0161]將無(wú)序租切割成約IOOmmX IOOmm的尺寸。
[0162]通過(guò)鑷子從已切割開(kāi)的氈中抽出全部纖維束，測(cè)量并記錄增強(qiáng)纖維束(A)的束數(shù)
(I)以及纖維束的長(zhǎng)度(Li)和重量(Wi)。某些小得不能使用鑷子抽出的纖維束最后整體稱(chēng)重(Wk)。對(duì)于重量測(cè)量來(lái)說(shuō)，使用能夠測(cè)量至l/100mg的天平。根據(jù)用于無(wú)序氈的增強(qiáng)纖維的纖維直徑(D)來(lái)計(jì)算臨界單纖維數(shù)，并由此將由等于或大于臨界單纖維數(shù)的增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)與其他纖維的彼此分開(kāi)。此外，當(dāng)兩種或更多種增強(qiáng)纖維組合使用時(shí)，將纖維分成相應(yīng)的種類(lèi)，并對(duì)相應(yīng)種類(lèi)的纖維分開(kāi)地進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估。
[0163]下面將描述獲得增強(qiáng)纖維束(A)的平均纖維數(shù)量(N)的方法。
[0164]每個(gè)增強(qiáng)纖維束中的纖維數(shù)量(Ni)，可以從使用的增強(qiáng)纖維的細(xì)度(F)，通過(guò)下列公式來(lái)獲得:
[0165]Ni=Wi/(Li XF)
[0166]增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)，可以從增強(qiáng)纖維束(A)的束數(shù)(I)，通過(guò)下列公式來(lái)獲得:
[0167]Ν=ΣΝ?/Ι
[0168]無(wú)序氈中增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于纖維總量的比率(VR)，可以使用增強(qiáng)纖維的密度(P)，通過(guò)下列公式來(lái)獲得:
[0169]VR= Σ (Wi/ P ) X 100/ ((Wk+ Σ Ni) / P )
[0170]2)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的增強(qiáng)纖維束的分析
[0171]在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，在500°C的熔爐內(nèi)約I小時(shí)以除去樹(shù)脂后，以與上述無(wú)序氈相同的方式進(jìn)行測(cè)量。
[0172]3)無(wú)序氈或復(fù)合材料中包含的增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度的分析
[0173]使用游標(biāo)卡尺和小型放大鏡，將從無(wú)序氈或復(fù)合材料隨機(jī)抽取的100根增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度測(cè)量至Imm的單位并記錄。從測(cè)量的所有增強(qiáng)纖維的長(zhǎng)度(Li)，通過(guò)下列公式來(lái)獲得平均纖維長(zhǎng)度(La)。在復(fù)合材料的情形中，在500°C熔爐中約I小時(shí)以除去樹(shù)脂后，抽取增強(qiáng)纖維。
[0174]La=X Li/100
[0175]4)復(fù)合材料中纖維取向的分析
[0176]在復(fù)合材料成型之后測(cè)量纖維的各向同性的方法中，在成型板的任何方向和與其垂直方向的基礎(chǔ)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)以測(cè)量拉伸模量，然后在拉伸模量的測(cè)量值中，計(jì)算通過(guò)用較大模量除以較小模量獲得的比率(Εδ )。當(dāng)彈性模量的比率越接近I時(shí)，材料的各向同性出色。在本發(fā)明的實(shí)施例中，當(dāng)彈性模量的比率為1.3或更小時(shí)，材料被評(píng)估為各向同性出色。
[0177]5)粘彈性特征的測(cè)量
[0178]將樣品加工成直徑為25mm并且厚度為1mm。使用動(dòng)態(tài)分析儀RDA-1i (TAInstruments Japan),根據(jù)當(dāng)向置于兩塊平行板之間的樣品周期性提供應(yīng)變時(shí)的響應(yīng),來(lái)測(cè)量粘彈性特征G’和G”。然后，通過(guò)下列公式獲得tan δ。
[0179]tan3=G，，/G，(I)
[0180]tan δ ’ =VfXtan δ /(100-Vf) (2 )
[0181](其中G’表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量(Pa)，G”表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損耗模量(Pa)，Vf表示纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)(％))
[0182]測(cè)量順序如下。通過(guò)將裝置本身的線性膨脹效應(yīng)考慮在內(nèi)，在230°C (在范圍為200°C至260°C的測(cè)量溫度的中間)下調(diào)整平行板之間的距離零點(diǎn)，將設(shè)置在平行板之間的樣品加熱至等于或高于熔點(diǎn)的260°C，然后將平行板附著于樣品(尼龍6的熔點(diǎn)為225°C)。在這種情形中，當(dāng)間隙變化時(shí)，存在著平行板內(nèi)碳纖維的結(jié)構(gòu)可能變化的顧慮。因此，盡管間隙固定，但通過(guò)將溫度從260°C降低至200°C，在0.1%的載荷應(yīng)變和IHz的頻率下進(jìn)行測(cè)量。
[0183]實(shí)施例1
[0184]作為增強(qiáng)纖維，使用了由TOHO TENAX C0.，Ltd制造的碳纖維“TENAX”(注冊(cè)商標(biāo))STS40-24KS (平均纖維直徑:7μπι，抗張強(qiáng)度:4，OOOMPa，纖維寬度:10mm)。作為切斷裝置，使用了如圖2中示出的表面上排列有硬質(zhì)合金制成的螺旋刀的直徑為150mm的旋切機(jī)。
[0185]此時(shí)，在下面公式(6)中，Θ為55°，刀片間距為20mm，由此將增強(qiáng)纖維切割成20mm的纖維長(zhǎng)度。
[0186]刀片間距=增強(qiáng)纖維股的寬度Xtan(9O_0)(6)
[0187](其中Θ表不刀排列方向相對(duì)于圓周方向的角度。)
[0188]對(duì)于纖維打開(kāi)裝置來(lái)說(shuō)，將直徑不同的SUS304制成的連接管焊接以制造雙管。在內(nèi)管中設(shè)置小孔，以便通過(guò)壓縮機(jī)在內(nèi)管與外管之間供應(yīng)壓縮空氣。此時(shí)，來(lái)自于小孔的空氣風(fēng)速為450m/sec。將這個(gè)管緊鄰旋切機(jī)的下方配置，并將錐形管焊接到其下。從錐形管的側(cè)面供應(yīng)作為基質(zhì)樹(shù)脂的尼龍樹(shù)脂“A1030”(由Unitika Limited制造)，使得碳纖維的體積分?jǐn)?shù)(Vf)為30Vol%。
[0189]然后，將能夠在XY方向上移動(dòng)的臺(tái)子設(shè)置在錐形管出口的下方，并通過(guò)吹風(fēng)機(jī)從臺(tái)子的底部進(jìn)行抽吸。在將增強(qiáng)纖維的供應(yīng)量設(shè)定到110g/min，并將基質(zhì)樹(shù)脂的供應(yīng)量設(shè)定到253g/min后，運(yùn)行系統(tǒng)以 獲得包含與熱塑性樹(shù)脂混合的增強(qiáng)纖維的無(wú)序氈。當(dāng)對(duì)無(wú)序氈上增強(qiáng)纖維的形式進(jìn)行觀察時(shí)，增強(qiáng)纖維的纖維軸基本上平行于平面，并在平面中隨機(jī)分散。在得到的無(wú)序氈中，增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度為20mm，以100重量份的碳纖維計(jì)，包含的樹(shù)脂量為230重量份，增強(qiáng)纖維的單位面積纖維重量為420g/m2。
[0190]在得到的無(wú)序氈上，當(dāng)對(duì)增強(qiáng)纖維束(A)的比率和纖維平均數(shù)量(N)進(jìn)行調(diào)查時(shí)，由式(I)定義的臨界單纖維數(shù)為86，增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于無(wú)序氈中纖維總量的比率為30%，并且增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)為240。此外，尼龍粉末以沒(méi)有顯著不均勻性的狀態(tài)分散在增強(qiáng)纖維中。
[0191]通過(guò)加熱至260°C的加壓裝置，將3片得到的無(wú)序氈在IMPa下加熱3分鐘，以獲得材料厚度為1.0mm的成型板，即本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。當(dāng)對(duì)得到的成型板進(jìn)行超聲波檢查試驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到未被浸潰的部分或空隙。
[0192]在得到的成型板上，當(dāng)測(cè)量粘彈性特征(G’、G”和tanS )時(shí)，在基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的-25°C至基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+25°C范圍內(nèi)tanS ’的平均值為0.013。在基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+35°C范圍內(nèi)tan δ ’的平均值為0.012。圖4示出了在200°C至260°C的溫度下tan δ ’的測(cè)量結(jié)果。
[0193]得到的成形制品的厚度為1.05mm。因此，可以獲得成型為薄板的成形制品，其中與預(yù)定厚度相比厚度的增加僅為5%。此外，當(dāng)對(duì)得到的成型板在0°和90°方向上的拉伸模量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，模量的比率(Εδ )為1.03。也就是說(shuō)，可以獲得其中基本上不發(fā)生纖維定向并且維持各向異性的成型板。當(dāng)將成型板在500°C熔爐中加熱約I小時(shí)以除去樹(shù)脂時(shí)，增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度經(jīng)測(cè)量為20mm。在從成型板除去樹(shù)脂后，調(diào)查增強(qiáng)纖維束(A)的比率和纖維平均數(shù)量(N)。此時(shí)，增強(qiáng)纖維束(A)與纖維總量的比率為30%，增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)為240，并且這些測(cè)量結(jié)果與無(wú)序氈中的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有差異。
[0194]實(shí)施例2
[0195]以與實(shí)施例1中相同的方式獲得碳纖維體積分?jǐn)?shù)(Vf)為30Vol%的無(wú)序氈，區(qū)別在于使用由TOHO TENAX C0.,Ltd制造的碳纖維“TENAX”(注冊(cè)商標(biāo))STS40-24KS (纖維直徑:7μπι，抗張強(qiáng)度:4000MPa)作為增強(qiáng)纖維，使用尼龍樹(shù)脂“A1030”(由Unitika Limited制造)作為基質(zhì)樹(shù)脂，并且噴撒從打開(kāi)裝置的小孔以150m/sec的風(fēng)速進(jìn)行。當(dāng)對(duì)無(wú)序氈上增強(qiáng)纖維的形式進(jìn)行觀察時(shí)，增強(qiáng)纖維的纖維軸基本上平行于平面，并在平面中隨機(jī)分散。在得到的無(wú)序氈中，增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度為20mm。在得到的無(wú)序氈上，當(dāng)對(duì)增強(qiáng)纖維束(A)的比率和纖維平均數(shù)量(N)進(jìn)行調(diào)查時(shí)，由式(I)定義的臨界單纖維數(shù)為86，增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于無(wú)序氈中纖維總量的比率為70%，并且增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)為 900。
[0196]從得到的無(wú)序氈，通過(guò)與實(shí)施例1中相同的制造方法獲得成型板，即本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在得到的成型板上，當(dāng)測(cè)量粘彈性特征(G’、G”和tan δ )時(shí)，在基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+25°C范圍內(nèi)tan δ ’的平均值為0.119。在基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+35°C范圍內(nèi)tan δ ’的平均值為0.117。圖5示出了在200°C至260°C的溫度下tan δ ’的測(cè)量結(jié)果。
[0197]得到的成形制品的厚度為1.00mm。也就是說(shuō)，可以獲得厚度與所需設(shè)計(jì)值相對(duì)應(yīng)的成形制品。此外，當(dāng)對(duì)得到的成型板在0°和90°方向上的拉伸模量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，模量的比率(Εδ )為1.04。也就是說(shuō)，可以獲得其中基本上不發(fā)生纖維定向并且維持各向異性的成型板。當(dāng)將成型板在 500°C熔爐中加熱約I小時(shí)以除去樹(shù)脂時(shí)，增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度經(jīng)測(cè)量為20mm。在從成型板除去樹(shù)脂后，調(diào)查增強(qiáng)纖維束(A)的比率和纖維平均數(shù)量(N)。此時(shí)，增強(qiáng)纖維束(A)與纖維總量的比率為70%，增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)為900，并且這些測(cè)量結(jié)果與無(wú)序氈中的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有差異。
[0198]比較例I
[0199]以與實(shí)施例1中相同的方式制造無(wú)序氈，區(qū)別在于將來(lái)自于小孔的風(fēng)速設(shè)定到50m/seco當(dāng)對(duì)無(wú)序氈上增強(qiáng)纖維的形式進(jìn)行觀察時(shí)，增強(qiáng)纖維的纖維軸基本上平行于平面，并在平面中隨機(jī)分散。增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度為20mm。在得到的無(wú)序氈上，當(dāng)對(duì)增強(qiáng)纖維束(A)的比率和纖維平均數(shù)量(N)進(jìn)行調(diào)查時(shí)，由式(I)定義的臨界單纖維數(shù)為86，增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于無(wú)序氈中纖維總量的比率為95%，并且增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)為 1500。
[0200]在得到的無(wú)序氈中，增強(qiáng)纖維束濃密。當(dāng)以與實(shí)施例1中相同的方式將無(wú)序氈制造成成型板，并對(duì)成型板進(jìn)行超聲波檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)到未浸潰的部分。此外，當(dāng)將成型板切開(kāi)并觀察橫截面時(shí)，發(fā)現(xiàn)了纖維束內(nèi)樹(shù)脂沒(méi)有浸潰的部分。
[0201]通過(guò)加熱至高達(dá)260°C的加壓裝置將得到的無(wú)序氈在提高至高達(dá)4MPa的壓力下加熱3分鐘，以獲得成型板。得到的成型板具有約為無(wú)序氈面積的2倍的加寬的面積，并具有約為無(wú)序氈厚度的一半的約0.3mm的厚度。在得到的成型板上，可以使用肉眼證實(shí)纖維的流動(dòng)。當(dāng)對(duì)流動(dòng)方向和與流動(dòng)成90°的方向上的拉伸模量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，模量的比率(E δ )為2.33，并證實(shí)發(fā)生了大量纖維定向。當(dāng)將成型板在500°C熔爐內(nèi)加熱約I小時(shí)以除去樹(shù)脂時(shí)，增強(qiáng)纖維的平均纖維長(zhǎng)度經(jīng)測(cè)量為20_。在從成型板除去樹(shù)脂后，調(diào)查增強(qiáng)纖維束(A)的比率和纖維平均數(shù)量(N)。此時(shí)，增強(qiáng)纖維束(A)相對(duì)于纖維總量的比率為95%，增強(qiáng)纖維束(A)中纖維的平均數(shù)量(N)為1500，并且這些測(cè)量結(jié)果與無(wú)序氈中的測(cè)量結(jié)果沒(méi)有差異。在得到的成型板上，當(dāng)測(cè)量粘彈性特征(G’、G”和tan δ )時(shí)，在基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的_25°C至基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+25°C范圍內(nèi)tan δ ’的平均值為0.48。在基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的-25°C至基質(zhì)樹(shù)脂熔點(diǎn)的+35°C范圍內(nèi)tan δ ’的平均值為0.46。圖6示出了在200°C至260°C的溫度下tan δ ’的測(cè)量結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，包含: 纖維長(zhǎng)度為5mm至IOOmm的增強(qiáng)纖維；以及 熱塑性樹(shù)脂， 其中，在由式(I)和(2)所定義的表示粘彈性特征的tan δ ’中，在基質(zhì)樹(shù)脂的熔點(diǎn)的-25°C至+25°C的范圍內(nèi)，所述tanS ’的平均值滿(mǎn)足式(3): 其中G’表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量(Pa)， G”表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損耗模量(Pa)，并且 Vf表示所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中所述增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)(％)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 其中，在所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的所述增強(qiáng)纖維中，由等于或大于臨界單纖維數(shù)的所述增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)與所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中所述增強(qiáng)纖維的總量的比率為20Vol%以上并小于90Vol%，所述臨界單纖維數(shù)由式(4)定義，并且所述增強(qiáng)纖維束(A)中所述增強(qiáng)纖維的平均數(shù)量(N)滿(mǎn)足式(5): 臨界單纖維數(shù)=600/D (4)
0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (5) 其中D表示單增強(qiáng)纖維的平均纖維直徑(μ m)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)無(wú)序氈進(jìn)行成型來(lái)獲得所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所述無(wú)序氈包含: 增強(qiáng)纖維；以及 熱塑性樹(shù)脂， 其中所述增強(qiáng)纖維的單位面積纖維重量為25g/m2至3000g/m2， 由等于或大于臨界單纖維數(shù)的所述增強(qiáng)纖維構(gòu)成的增強(qiáng)纖維束(A)與所述纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中所述增強(qiáng)纖維的總量的比率為20Vol%以上并小于90Vol%，所述臨界單纖維數(shù)由式(4)定義，并且所述增強(qiáng)纖維束(A)中所述增強(qiáng)纖維的平均數(shù)量(N)滿(mǎn)足式(5): 臨界單纖維數(shù)=600/D (4)
其中D表示單增強(qiáng)纖維的平均纖維直徑(μ m)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 其中，所述增強(qiáng)纖維是選自碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 其中，所述熱塑性樹(shù)脂是選自聚酰胺6樹(shù)脂和聚丙烯樹(shù)脂的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， 其中，以100重量份的所述增強(qiáng)纖維計(jì)，所述熱塑性樹(shù)脂的含量為50重量份至1000重量份。
【文檔編號(hào)】C08J5/04GK103476840SQ201180070113
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月14日
【發(fā)明者】荻原克之, 小永井祐平, 薗田直彬, 手島雅智 申請(qǐng)人:帝人株式會(huì)社