專利名稱：具有三維凸起結構的纖維增強聚氨酯成型件的制作方法
具有三維凸起結構的纖維增強聚氨酯成型件本發(fā)明涉及纖維增強的聚氨酯成型件，所述成型件具有例如肋、搭片(Steg)或者拱之類的結構，其中這些結構還經過纖維增強處理。不同聚合物的纖維增強已經廣為傳播。纖維與聚合物基質相結合導致這樣的材料，其具有聚合物的低密度，但同時也具有高的比剛度和強度。這就使得此類復合材料對于輕型結構應用特別有吸引力。由此尤其制得可以將纖維均勻分布于其中的平面結構。例如由US-A_3，8M，201已知纖維在聚合物結構中的應用。通過這里所述的聚酯-聚氨酯化合物潤濕墊子、無紡布、長纖維或連續(xù)纖維，然后在固化之前進行裁切。除了使用天然纖維之外，使用玻璃纖維來增強聚合物成型件也是已確立的。用于機械應用的玻璃纖維大多以粗紗、無紡材料或者織物形式存在。玻璃纖維具有高的強度和剛性。玻璃纖維的高強度基于尺寸影響。單根纖維的斷裂伸長率可以為至多5%。玻璃纖維的抗拉和抗壓強度導致塑料特別的增強，同時保持一定的柔韌性。玻璃纖維的彈性模量與致密玻璃材料體積的彈性模量相差無幾。玻璃纖維具有非晶態(tài)結構，分子取向是隨機的。玻璃纖維具有各向同性的機械特性。玻璃纖維在斷裂之前表現(xiàn)出理想的線性彈性。它只有很小的材料阻尼。玻璃纖維增強塑料的構件的剛性源自于玻璃纖維的彈性模量、方向和體積份額以及小份額地源自基質材料的特性，因為大多使用明顯更柔軟的塑料。當今玻璃纖維增強塑料在例如航空和航天領域或者在汽車制造中很重要，其中汽車制造包括汽車、運輸機械、建筑機械、宿營車(Wohnmobile)、農用機械、載重汽車、半掛車， 還包括用于固定機械或者非自行式機械以及卡車車廂的殼體部件。在航空和航天領域由含有長纖維的復合材料制造主要承重結構。目前在汽車工業(yè)中玻璃或者天然纖維的長纖維也被用來增強熱固性塑料構件(例如內襯(Verkleidimg))。如果將長玻璃纖維混合在聚合物混合物之中，這些纖維并非規(guī)則排列，確切地說是隨機分布。例如由US-A-4，791，019已知隨機排列在聚合物結構之中的長玻璃纖維。但是也已知有使得玻璃纖維朝向一定方向對齊的方法。例如在CNlOl 314 931A中就描述了這種方法。此外已知利用纖維增強聚氨酯層覆蓋平面構件的方法。通過這種涂層使實際產品的穩(wěn)定性提高。例如WO 2007/075535A2和DE 10 2006 046 130A1就描述了這樣的方法。由DE 196 149 56A1和DE 10 2006 022 846A1公開了纖維增強的成型件。這里除了使用玻璃纖維之外，也使用墊子來增強聚合物結構。此類墊子、織物或者針織物同樣也可以由玻璃纖維構成。以反應注射成型法RIM(Reaction Ejection Molding)生產纖維增強聚氨酯成型件時，通常由機器人將聚氨酯與纖維構成的混合物平面分布在打開的模具的下部模具之中。通過利用上部模具(印模(Stempel))閉合模具，將混合物壓成所希望的形狀。通過壓力也使得夾雜在混合物中的氣泡逸出。所獲得的產品的形狀由模具的形狀預先確定。完成壓制之后在最終產品的表面上也可以看出玻璃纖維引起的結構?？梢允褂貌煌L度的玻璃
3纖維，以獲得更一致的表面。例如JP 59086636A描述了一種玻璃纖維增強的樹脂組合物， 其中玻璃纖維具有不同的長度。在WO 00/40650中也使用長纖維和短纖維來增強聚氨酯復合物。所述短纖維具有0. 635厘米(1/4英寸)或者更短的長度；所述長纖維為0. 635厘米 (1/4英寸)或者更長。這里以固定的質量比混合PUR以及長纖維和短纖維。因此如果長纖維沒有進入肋之中，則一條肋中的總纖維含量始終小于平面中的纖維含量。在DE 101 20 912A1中描述了聚氨酯制成的復合構件及其在車身外部零件中的應用。所述相應復合構件由兩層構成，其中一層含有具有可涂漆表面整面短纖維增強的聚氨酯。第二層含有長纖維增強的聚氨酯。使用短纖維導致光滑的、也就是可涂覆的表面。但是該層具有不同于長纖維增強層的其它特殊的機械特性。由DE 10 2005 034 916A1公開了一種生產發(fā)泡部件的方法。這類發(fā)泡部件例如由纖維增強的聚氨酯構成。這里將載體材料暫時放入結構之中。但這些載體材料并不與塑料結合，因此在固化之后可以抽出相應的載體材料。而所得到的發(fā)泡部件在表面上具有結構(Struktur)。通常以噴涂法生產此類纖維增強的聚氨酯。例如DE 10 2005 048 874A1就描述
了一種方法。此類材料的生產通常這樣進行，使得通過與聚氨酯(PUR)噴射混合頭固定相連的漏斗形涂覆機構，優(yōu)選在壓縮空氣輔助下從側面將用于增強的長纖維送入聚氨酯反應混合物的噴霧射流之中。也可在市面上獲得圍繞中心管產生聚氨酯混合物的裝置。通過空氣流在管中輸送長纖維。新鮮混合的聚氨酯組分構成的“液態(tài)軟管”在管的末端潤濕纖維/空氣流。在用長纖維增強的材料的情況中，通常使用所謂的粗紗作為原材料，也就是未加捻的連續(xù)拉伸纖維束，所述粗紗首先通過同樣也固定在聚氨酯噴射混合頭上的切割機構，然后使用聚氨酯潤濕切段纖維。在這種噴涂方法中要爭取使得纖維-聚氨酯反應混合物通?？缍鄠€層盡可能均勻分布。在可重現(xiàn)性要求高的應用中，則通過機器人引導噴射混合頭連同溜槽。理想的是用聚氨酯反應混合物基本上全方位潤濕長纖維。這種用聚氨酯潤濕的纖維沒有一致的結構。更確切地說在不規(guī)則排列的長纖維之間有夾雜空氣。為生產成型件，相應地將PUR潤濕的長纖維送入打開的模具之中。通過模具的閉合，在壓力下和在任選升高的溫度下迫使松散堆積的纖維進入最終位置。采用這種方法也可擠出夾雜空氣?？梢酝ㄟ^這種方法生產不同的構件，例如儀表板支架、車門內襯、座椅靠背襯里、后架(Hutablagen)、 水平和垂直的外護板部分，例如發(fā)動機罩、車頂模塊、側向擋板部分。為了增強，相應的構件通常包含肋、搭片、拱或者類似的三維凸起結構。其例如被需要用于之后的固定、用于螺栓連接和嵌入。通過上部模具，印模中的溝槽和/或錐形凹槽獲得此類結構。這些凹槽的間隙寬度或者直徑/橫斷面通常如此之小，使得涂有發(fā)泡聚氨酯的長纖維不能進入空腔之中。只有那些取向與空腔相符的長纖維能夠隨泡沫一起進入空腔中。但是大部分長纖維都是傾斜的，因此主要是聚氨酯，而沒有或者只有很少的纖維進入。這無法保證對之后的肋、搭片和/或拱的纖維增強。因此，此類不含纖維或者纖維含量較少的結構具有與實際成型體不一樣的特性。 如果存在比較少的纖維，則熱線膨脹系數比較大。于是這些線膨脹系數中的差異導致實際成型體在熱荷載時發(fā)生彎曲。
此外，向外凸出的結構具有較小的彎曲彈性模量。拱、肋和/或搭片相應地得不到充分增強。因此，經它們作為傳力點只能承受比全面纖維增強的聚氨酯成型件能夠承受更小的負荷?？赡芤氲穆萁z在這里也固定不好。以下將描述一種簡單的模型，用以估測在噴涂過程中施加到半模上的纖維(例如玻璃纖維)能夠以何種概率進入到例如肋的狹長構件結構之中。為此作如下假設-將單根纖維看成細長、剛性的(纖維長度>>纖維厚度)-首先將纖維放在模具平面之中，然后用提升的基質材料將其輸送到垂直于模具平面取向的區(qū)域之中(例如肋)O維觀察)-僅將纖維取向和纖維長度作為纖維是否能夠進入到肋之中的標準。以此估測那些直接位于相應構件結構(例如肋)“下方”的纖維的進入概率。為了簡化起見，不考慮纖維的相互妨礙作用。-如果投射在肋寬中的纖維的長度小于兩倍肋寬(參見附

圖1)，則纖維正好可以進入肋中-考慮纖維取向(纖維角度)分布的出發(fā)點是所有取向的概率相同，也就是沒有纖維取向的優(yōu)先方向。事件(這里在一定的角度范圍(0 < α纖維< α極限)內施加纖維)的概率定義為
權利要求
1.長纖維增強的聚氨酯成型體，其具有三維凸出結構，尤其具有肋、搭片和/或拱，其特征在于，該聚氨酯成型體除了包含長纖維之外還包含短纖維，其中在由肋、搭片和/或拱構成的體積中短纖維和/或片狀填料與無纖維的聚氨酯基質之間的重量比大于在所述凸起結構之外的平面區(qū)域中短纖維和/或片狀填料與無纖維聚氨酯基質的重量比。
2.根據權利要求1所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述長纖維包括玻璃纖維。
3.根據權利要求1所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述長纖維具有1 30cm，尤其 2. 5 IOcm的長度。
4.根據權利要求1所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述短纖維具有1 800μ m，尤其4 600 μ m的長度/直徑。
5.根據權利要求4所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述短纖維包括研磨過的玻璃纖維。
6.根據權利要求5所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述短纖維包括硅灰石纖維。
7.根據權利要求1 6中任一項所述的聚氨酯成型體，其特征在于，長纖維增強的一側還具有外殼。
8.根據權利要求7所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述外殼具有深拉薄膜，尤其是由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯 (ASA)、聚碳酸酯(PC)、熱塑性聚氨酯、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和/或聚氯乙烯(PVC)制成的深拉薄膜。
9.根據權利要求7所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述外殼包括雙層薄膜。
10.根據權利要求7所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述外殼包括金屬箔，尤其是鋁箔或者鋼箔。
11.根據權利要求7所述的聚氨酯成型體，其特征在于，所述外殼包括模內涂料涂層和 /或凝膠涂料涂層。
12.用于生產根據權利要求1 11中任一項所述的聚氨酯成型體的方法，其特征在于，(a)用聚氨酯反應混合物潤濕長纖維，將其引入打開的模具中，(b)施加局部分布的用短纖維增強的聚氨酯反應混合物，和(c)然后用上部模具將模具閉合。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，將步驟(a)和(b)調換。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其中i)將含有短纖維的氣流引入到聚氨酯反應混合物的液體射流之中，其中噴射含有短纖維的聚氨酯射流， )任選地將含有長纖維的氣流引入到該噴霧射流之中，iii)將含有短纖維和任選地含有長纖維的聚氨酯噴霧射流噴入到敞開的模具之中，或者噴在基材載體上，iv)如果沒有同時引入含有長纖維的氣流，任選地提高步驟(i)的短纖維的量。
15.根據權利要求12 14中任一項所述的方法，其特征在于，使用具有針對肋、搭片和 /或拱的空腔的模具的上部模具或者下部模具。
16.根據權利要求12 15中任一項所述的方法，其特征在于，首先將外殼放入打開的模具之中，然后引入聚氨酯潤濕的長纖維，在其上另外施加局部分布的短纖維增強的聚氨酯反應混合物，然后用上部模具將該模具閉合。
全文摘要
本發(fā)明涉及纖維增強聚氨酯成型件，所述成型件具有例如肋、搭片或者拱之類的結構，其中這些結構還經過纖維增強處理。
文檔編號B29C70/08GK102574335SQ201080038011
公開日2012年7月11日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權日2009年8月26日
發(fā)明者H-G·維爾茨, K·弗蘭肯, R·肖爾茨, S·施萊爾馬歇爾 申請人:拜爾材料科學股份公司