專利名稱：含單向?qū)R纖維的補強片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及補強片，例如，用于加強和加固金屬面板的補強片。補強片包含單向?qū)R的增強纖維和膠泥。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，在一個方面，本發(fā)明提供包含膠泥和多根單向?qū)R的纖維的補強片，所述單向?qū)R的纖維至少部分地嵌入膠泥的第一主表面。至少90%的纖維具有這樣的取向， 其定向軸在單向?qū)R纖維平均定向軸的+/-10度范圍內(nèi)。
在一些實施例中，膠泥包含熱固性環(huán)氧樹脂。在一些實施例中，膠泥包含熱固性環(huán)氧樹脂、丙烯酸系共聚物以及微球，例如在一些實施例中，按環(huán)氧樹脂、丙烯酸系共聚物以及微球的總重量計，膠泥包含40至65重量份的環(huán)氧樹脂、10至30重量份的丙烯酸系共聚物、以及25至35重量份的微球。
在一些實施例中，所述多根纖維包括玻璃纖維。在一些實施例中，至少95%的纖維是單纖維。在一些實施例中，至少95%的纖維的定向軸在單向?qū)R纖維平均定向軸的 +/-10度范圍內(nèi)。在一些實施例中，至少90%的纖維的定向軸在單向?qū)R纖維平均定向軸的+/-5度范圍內(nèi)。
在一些實施例中，補強片還包含偏軸纖維，所述偏軸纖維具有比單向?qū)R纖維平均定向軸大+/-10度的定向軸。在一些實施例中，相鄰偏軸纖維間的平均間隙與相鄰取向纖維間的平均間隙之比為至少50 1。
在一些實施例中，纖維完全嵌入膠泥。在一些實施例中，至少95%，如至少98%的纖維僅部分嵌入膠泥。在一些實施例中，補強片還包含與膠泥表面相鄰的包封樹脂。在一些實施例中，包封樹脂包含粘合劑。在一些實施例中，補強片還包括粘合到包封樹脂的覆蓋層。在一些實施例中，補強片還包括與膠泥第二主表面接觸的隔離襯墊，所述隔離襯墊與纖維相對。
在另一方面，本發(fā)明提供用補強片加固面板的方法。該方法包括使用膠泥將補強片粘附到面板上以及固化膠泥。
在又一個方面，本發(fā)明提供強化面板，所述強化面板包括面板和通過膠泥粘合到面板的補強片。
本公開的上述發(fā)明內(nèi)容并不旨在描述本發(fā)明的每一個實施例。本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)還在以下描述中給出。本發(fā)明的其他特征、目標和優(yōu)點從描述和權(quán)利要求中將顯而易見。


圖1示出了包括織造玻璃墊的現(xiàn)有技術(shù)補強片。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性補強片。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性補強片的橫截面。
圖4示出了包含根據(jù)本發(fā)明一些實施例的包封樹脂的示例性補強片的橫截面。
圖5示出了包括根據(jù)本發(fā)明一些實施例的覆蓋層和隔離襯墊的示例性補強片。
具體實施例方式一般來講，補強片包含增強材料和膠泥。膠泥用于將補強片粘附到接受強化的基底上，以及用于將面板彎曲應力轉(zhuǎn)移到增強材料上。補強片用于加強和加固面板，如金屬面板和塑料面板。例如，在汽車工業(yè)中已組合使用補強片和輕型金屬面板(low gauge metal panels)，尤其是用于汽車門、發(fā)動機罩和后備箱的那些，以便提高彎曲強度和避免在低外加應力下造成不期望的翹曲。
現(xiàn)有的補強片通常包括織造玻璃背襯和固化環(huán)氧樹脂膠泥。雖然織造玻璃背襯已提供足夠的性能，但試圖找到低成本、低重量的補強片。例如，已有建議使用無機織物、有機織物、塑料薄膜、紙張、非織造織物、以及金屬箔。本發(fā)明的發(fā)明人篩選了此類材料。棉(有機織物)、塑料、紙張以及短纖維玻璃片缺乏足夠的強度和模量。金屬箔(鋁和不銹鋼)可提供強度和剛度，但由于熱膨脹差值會使其附連的鋼板翹曲。
通常，織造織物(如織造玻璃織物)和有機織物包含沿至少兩個方向取向的纖維。 例如，參見圖1，織造玻璃織物10通過膠泥30粘附到面板40上?？椩觳ＡЭ椢?0包含第一纖維21和垂直于第一纖維21取向的第二纖維22。因此，當面板40彎曲時，第一纖維21 可抵抗χ方向的變形，而第二纖維22可抵抗y方向的變形。相似地，非織造織物、塑料薄膜、 紙張和金屬箔可同時抵抗χ方向和y方向的變形。
本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)雖然單向?qū)R纖維只能抵抗一個方向的變形，但它可提供低成本、無翹曲增強層。一般來講，可使用任何已知用于補強片的纖維。在一些實施例中， 可使用無機纖維，如玻璃纖維。其他示例性纖維包括碳纖維、聚合物纖維(如聚酰胺和聚酰亞胺纖維)、以及有機纖維(如天然纖維)。
在一些實施例中，纖維是單一的單纖維。在一些實施例中，纖維可以被集聚(如捻合)形成多纖維束。
單纖維的定向軸是其主軸，即該纖維的長度方向。多根纖維的定向軸是多根纖維內(nèi)纖維的平均定向軸。如本文所用，如果單纖維的定向軸在多根纖維內(nèi)纖維平均定向軸的 +/-10度范圍內(nèi)，則該單纖維為“取向的”。如本文所用，如果至少90 %的纖維為取向的(即， 如果至少90%纖維的定向軸在多根纖維內(nèi)纖維平均定向軸的+/-10度范圍內(nèi))，則多根纖維為“單向?qū)R的”。在一些實施例中，至少95%、或甚至至少98%的纖維定向在多根纖維內(nèi)纖維平均定向軸的+/-10度范圍內(nèi)。在一些實施例中，至少90% (如至少95%、或甚至至少98%)的纖維的定向軸在多根纖維內(nèi)纖維平均定向軸的+/-5度范圍內(nèi)(如在+/-2度范圍內(nèi))。
取決于制備纖維的方法，相對于多根纖維內(nèi)的纖維平均定向軸，相對少數(shù)的纖維可能具有大于10度(如大于45度、或甚至大于75度(如約90度))的定向軸。此類“偏軸”纖維的每單位長度數(shù)目通常比每單位長度取向纖維的數(shù)目小得多。例如，在一些實施例中，相鄰偏軸纖維間的平均間隙與相鄰取向纖維間的平均間隙之比為至少50 1，在一些實施例中為至少100 1、至少500 1、或甚至至少1000 1。
在一些實施例中，相鄰取向纖維間的平均間隙小于纖維的平均寬度。在一些實施例中，平均間隙不大于纖維平均寬度的80%，如不大于纖維平均寬度的50%、不大于25%、 或甚至不大于10%。在一些實施例中，至少一些取向纖維與相鄰取向纖維接觸。與織造纖維網(wǎng)相比，相鄰的單向?qū)R纖維(如幅材縱向纖維)間隔至少交織纖維(如幅材橫向纖維) 的寬度。
參見圖2，圖中示出了粘附到面板140的根據(jù)本發(fā)明一些實施例的示例性補強片 100。補強片100包括膠泥130和單向?qū)R纖維120。單向?qū)R纖維120主要包括取向纖維 121，但在一些實施例中，可能包括一些偏軸纖維122。
一般而言，可以使用任何已知的膠泥。在一些實施例中，膠泥包含可固化材料，如熱固性材料。在一些實施例中，膠泥包含環(huán)氧樹脂。膠泥的選擇可取決于多個因素，包括纖維的組成和在其上施用增強織物的基底，以及可用的固化條件。例如，在汽車工業(yè)中，通常將補強片直接施用到油性、未涂漆金屬面板上，并且在常規(guī)干燥處理過程中固化膠泥。除這些處理條件外，膠泥的選擇還可取決于最終使用參數(shù)，包括溫度和水分接觸。
在一些實施例中，膠泥包含環(huán)氧樹脂和固化劑。示例性環(huán)氧樹脂包括脂環(huán)族環(huán)氧化物、環(huán)氧化酚醛樹脂、環(huán)氧化雙酚A或雙酚F樹脂、丁二醇二縮水甘油醚、新戊二醇二縮水甘油醚、柔性環(huán)氧樹脂以及它們的組合。這些樹脂可與羧基封端的丁二烯丙烯腈反應生成橡膠改性環(huán)氧樹脂。雙酚A的二縮水甘油醚和雙酚F的二縮水甘油醚與羧基封端的丁二烯丙烯腈反應生成具有改善的剝離強度和抗沖擊性的可交聯(lián)樹脂。
在一些實施例中，膠泥可包含添加劑，例如增塑劑、阻燃劑、流控劑、填充劑等。在一些實施例中，可使用固化劑。示例性固化劑包括路易斯酸、取代咪唑和胺鹽。膠泥也可包含合適的催化劑(例如取代脲催化劑，如苯基二甲脲)。
在一些實施例中，膠泥包含熱固性環(huán)氧樹脂、丙烯酸系共聚物以及微球(如玻璃微球)。在一些實施例中，膠泥包含40至65重量份的環(huán)氧樹脂、10至30重量份的丙烯酸系共聚物、以及25至35重量份的微球。在一些實施例中，膠泥包含40至陽(如44至46) 重量份的環(huán)氧樹脂、15至25 (如23至25)重量份的丙烯酸系共聚物、以及25至35 (如27 至29)重量份的微球。重量份按環(huán)氧樹脂、丙烯酸系共聚物以及微球的總重量計。
懸臂梁剛度隨懸臂梁厚度的三次方增加。相似地，將補強片施用到面板所提供的剛度增量也隨面板與增強纖維分隔的距離的三次方而增加。除將增強纖維粘附到面板外， 膠泥還用于提供面板與增強纖維之間的所需間隙。然而，增加膠泥厚度以增大此間隙可能增加不期望的原材料成本。
為使面板與增強纖維之間的距離最大化，在一些實施例中，將纖維直接施用到膠泥表面可能是有利的。在一些實施例中，纖維可能部分嵌入膠泥。在任一種情況下，纖維的至少一部分仍然暴露在膠泥表面。圖3示出了一個此類示例性補強片的橫截面。補強片 211包括膠泥230和多根單向?qū)R增強纖維221。纖維221部分嵌入膠泥230的頂面，纖維的余下一部分暴露在外。在一些實施例中，纖維可以完全嵌入膠泥。
在一些實施例中，將纖維包封可能是有利的，如圖4所示。補強片212包括膠泥 230和多根單向?qū)R增強纖維221。包封材料250覆蓋暴露在膠泥230之外的纖維。一般來講，可使用任何已知的包封樹脂。在一些實施例中，可使用非固化性、非結(jié)構(gòu)性材料。在一些實施例中，密封劑可為粘合劑。在一些實施例中，粘合劑為非結(jié)構(gòu)性粘合劑。在一些實施例中，粘合劑為壓敏粘合劑。
在一些實施例中，可以包括附加層。參見圖5，補強片213包括附接到包封材料250 的附加覆蓋層260。除提供如模壓和水分防護外，覆蓋層260還可為補強片提供附加的剛度。示例性覆蓋層包括聚合膜(如熱塑性聚合膜)或纖維素。在一些實施例中，材料必須適于在膠泥固化的溫度下使用。在一些實施例中，聚酯是可用的，如用于固化的環(huán)氧樹脂膠泥。
密封劑和/或覆蓋層不僅保護纖維，還可保護膠泥本身。例如，環(huán)氧材料可吸收水分，水分常降低貯存穩(wěn)定性。在一些實施例中，密封劑和/或覆蓋層可提供減慢貯存期間濕氣侵入的屏障，因此延長了貯存穩(wěn)定性。
參見圖5，在一些實施例中，包括與膠泥230下表面相鄰、與增強纖維221相對的層可能是有利的。例如，在一些實施例中，隔離襯墊270可用于在加工、運輸、貯存以及安裝過程中幫助執(zhí)握補強片。示例性隔離襯墊包括有機硅處理過的紙張和膜。
單向?qū)R的增強纖維可直接施用到膠泥表面。然后可通過常規(guī)方法(如涂布或?qū)雍?施用任選的附加層。在一些實施例中，結(jié)合一個或多個補強片附加層可便利地將纖維施用到膠泥上。例如，在一些實施例中，可將施用到包封材料上的單向?qū)R增強纖維施用到膠泥上。在一些實施例中，在施用到膠泥前，結(jié)構(gòu)中可以包括覆蓋層。例如，一種將纖維施用到膠泥的簡便方法包括提供包括覆蓋層的條帶、包封材料(如粘合劑)層以及施用到包封材料的單向?qū)R增強纖維。然后可通過將包封材料粘合到膠泥而將該結(jié)構(gòu)與膠泥層合。 或者，膠泥可施用(如澆注或涂覆)到支撐纖維(如在載體表面定向或粘合到包封材料的纖維)的表面。
通常，補強片在壓力下粘合到需要強化的面板表面。然后使用已知方法如熱空氣烘箱、紅外線加熱以及感應加熱來固化膠泥。該熱固化處理可以是單獨步驟，或者可在部件組裝的后期同時進行，如在油漆烘烤周期中與油漆金屬面板同時進行。
在一些實施例中，補強片可直接施用到面板上。一般來講，希望補強片與面板間良好接觸。在一些實施例中，補強片可通過模制而適形于其待施用的面板表面。
實例1.將雙酚A 二縮水甘油醚(179. 2克，EPON 828, Heloxy Corp.)以及丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯和丙烯酸異辛酯的丙烯酸系共聚物(100. 8克，3M公司)置于Brabender 攪拌器中，先在1501下捏合4小時，然后在401下捏合15.5小時。然后將一部分(72.92 克)在設(shè)定在65 °C的Brabender攪拌器中捏合，此時依次加入EPON 828 (1. 63克)、 SCOTCHLITE K37 玻璃微球(30. 45 克，3M 公司)、雙氰胺(2. 51 克)以及 OMICURE 24(1. 35 克，Air Products)。使用70°C熱壓機將所得環(huán)氧樹脂膠泥的一部分壓制在玻璃纖維構(gòu)造 (890NR，3M公司)和有機硅處理過的聚酯膜之間。所得膠泥層為1毫米厚，并且該構(gòu)造具有 0. 8kg/m2的質(zhì)量面密度(已移除隔離襯墊)。
890NR玻璃纖維構(gòu)造包括聚酯膜背襯、中間粘合劑層、以及多根部分暴露的單向?qū)R的長玻璃單纖維。當施用到膠泥以制備增強織物時，中間粘合劑層作為密封劑而聚酯膜背襯作為覆蓋層。
沿平均定向軸方向切割25mmX 150mm條帶，將膠泥固定到40mmX 150mm鋼板上。將膠泥在177°C下固化30分鐘，然后冷卻。使用三點彎曲夾具以5mm/min測定彎曲力。夾具的單桿壓在鋼板上而夾具的雙桿壓在增強條帶背襯上。雙桿相距100mm。強化構(gòu)造要求造成2mm撓曲的力為63N，可承受150N的最大力(即斷裂時的力)。代表性行業(yè)規(guī)格要求造成2mm撓曲的最小力為60N，而造成斷裂的力為至少130N。
重復實例1，不同的是使用12. 75克EPON 828,10. 20克丙烯酸系共聚物、2. 55克苯甲酸異癸酯、10. 20克SCOTCHLITE K37玻璃微球、0. 70克雙氰胺以及0. 38克0MICURE 24。將所得環(huán)氧樹脂膠泥的一部分壓制在有機硅處理過的聚酯膜和若干玻璃纖維背襯中的每一個之間。比較例I(CE-I)的背襯包含沿兩個方向取向的玻璃長絲(織造玻璃背襯# 07628 0380 642，可購自BGF Industries)。比較例2 (CE-2)的背襯包含無規(guī)取向玻璃纖維(非織造玻璃墊20103A，得自^Technical Fibers Products)。實例2 (EX-2)的背襯包含 890NR纖維構(gòu)造。按照實例1中所述方法組裝、固化以及測試樣品。結(jié)果總結(jié)于表1中。
表1 增強件能的比較。
權(quán)利要求
1.一種補強片，所述補強片包含膠泥和多根單向?qū)R纖維，所述多根單向?qū)R纖維至少部分嵌入所述膠泥的第一主表面，其中至少90%的所述單向?qū)R纖維具有這樣的取向， 其定向軸在所述單向?qū)R纖維的平均定向軸的+/-10度范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補強片，其中所述膠泥包含熱固性環(huán)氧樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的補強片，其中所述膠泥包含所述熱固性環(huán)氧樹脂、丙烯酸系共聚物以及微球。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的補強片，其中按所述環(huán)氧樹脂、所述丙烯酸系共聚物以及所述微球的總重量計，所述膠泥包含40至65重量份的環(huán)氧樹脂、10至30重量份的丙烯酸系共聚物，以及25至35重量份的微球。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的補強片，其中所述丙烯酸系共聚物包含丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯和丙烯酸異辛酯的反應產(chǎn)物。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的補強片，其中所述多根單向?qū)R纖維包括玻璃纖維。
7.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的補強片，其中至少95%的所述單向?qū)R纖維是單纖維。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的補強片，其中至少95%的所述單向?qū)R纖維的定向軸在所述單向?qū)R纖維的平均定向軸的+/-5度范圍內(nèi)。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的補強片，其還包含偏軸纖維，所述偏軸纖維具有大于所述單向?qū)R纖維的平均定向軸+/-10度的定向軸，并且其中相鄰偏軸纖維間的平均間隙與相鄰取向纖維間的平均間隙之比為至少50 1。
10.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的補強片，其中至少95%的所述多根單向?qū)R纖維僅部分嵌入所述膠泥。
11.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的補強片，其還包含與所述膠泥表面相鄰的包封樹脂。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的補強片，其中所述包封樹脂包含粘合劑。
13.根據(jù)權(quán)利要求11至12中任一項所述的補強片，其還包含粘合到所述包封樹脂的覆蓋層ο
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的補強片，其中所述覆蓋層包含熱塑性材料。
15.一種用根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的補強片強化面板的方法，所述方法包括使用所述膠泥將所述補強片粘合到面板并固化所述膠泥。
16.一種強化面板，所述強化面板包括面板和根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的補強片，所述補強片通過所述膠泥粘合到所述面板。
全文摘要
本發(fā)明描述了補強片，所述補強片包含膠泥和多根單向?qū)R纖維，所述多根單向?qū)R纖維至少部分嵌入所述膠泥的第一主表面。一般來講，至少90％的所述單向?qū)R纖維具有這樣的取向，其定向軸在所述單向?qū)R纖維的平均定向軸的+/-10度范圍內(nèi)。本發(fā)明還描述了包括包封樹脂和覆蓋層的補強片。本發(fā)明還公開了用補強板強化面板的方法，以及用所述補強片強化的面板。
文檔編號C09J163/00GK102186941SQ200980141140
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月15日
發(fā)明者迪安·M·莫倫 申請人:3M創(chuàng)新有限公司