本申請(qǐng)要求2014年10月8日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)62/061,323名稱為“用于改進(jìn)復(fù)合材料的性能和產(chǎn)率的混合組裝物”的優(yōu)先權(quán)和所有權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用全部并入本文。

背景技術(shù)：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由基體材料和纖維組成的復(fù)合材料，其功能是機(jī)械增強(qiáng)基體材料的強(qiáng)度和彈性。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高的剛度、強(qiáng)度和韌性，通常與結(jié)構(gòu)金屬合金相當(dāng)。此外，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常以比金屬輕得多的重量來(lái)提供這些性能，因?yàn)樗鼈兊膯挝恢亓康摹疤囟ā睆?qiáng)度和模量接近于鋼或鋁的五倍。因此，由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料形成的裝置的整體結(jié)構(gòu)可以更輕。對(duì)于諸如飛機(jī)或航天器部件的重量關(guān)鍵裝置，這些重量節(jié)省可能是一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)。

片材成型化合物(sheetmoldingcompound)(“smc”)是一種片狀形式的纖維增強(qiáng)熱固性化合物。由于其高強(qiáng)度重量比，被廣泛用作建筑材料。其強(qiáng)度、剛度和其他性能使其適用于水平和垂直面板，例如汽車。在smc的制備工藝中，將一層聚合物膜，如聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂預(yù)混物，計(jì)量到一層包括非粘附性表面的塑料載體片材上。然后將增強(qiáng)纖維沉積到聚合物膜上，并將含有第二層的聚合物膜的第二非粘附性載體片材定位在第一片材上，使得第二聚合物膜與增強(qiáng)纖維接觸并形成夾層材料。然后將該夾層材料繼續(xù)壓實(shí)，以將聚合物樹脂基體和纖維束分布在整個(gè)所得的smc材料中，然后可以將其軋制以備后續(xù)在成型工藝中使用。

在smc化合物的制備中，理想情況是增強(qiáng)材料均勻分散并在聚合物基體材料內(nèi)混合。這種均勻混合的一種方式被稱為潤(rùn)濕，其是增強(qiáng)材料被基體樹脂材料包封的程度的量度。理想情況是使增強(qiáng)材料完全潤(rùn)濕不含干纖維。在這個(gè)初始工藝中的不完全的潤(rùn)濕能夠?qū)罄m(xù)加工以及最終的復(fù)合材料的表面特性產(chǎn)生不利影響。例如，差的潤(rùn)濕可能會(huì)導(dǎo)致smc的差的成型特性，導(dǎo)致最終成型部件中的表面缺陷和低的復(fù)合強(qiáng)度。smc制造工藝的生產(chǎn)能力，例如線速和生產(chǎn)率，受限于粗紗短切束能夠被完全潤(rùn)濕的程度以及速度。

復(fù)合材料產(chǎn)品也可以使用例如長(zhǎng)纖維-增強(qiáng)熱塑性(“l(fā)ft”)復(fù)合材料的熱塑性樹脂形成。lft復(fù)合材料是具有長(zhǎng)(大約4.5mm或更長(zhǎng))的短切纖維增強(qiáng)片的熱塑性材料。lft和常規(guī)短切短纖維增強(qiáng)化合物的區(qū)別在于纖維的長(zhǎng)度。在lft中，纖維的長(zhǎng)度與顆粒(pellet)的長(zhǎng)度相同。在lft的制造中，將連續(xù)的纖維粗紗絲線從其被熱塑性樹脂涂布和浸漬的模具中拉出。然后將該連續(xù)的增強(qiáng)塑料棒切碎或造粒至通常為10mm至12mm的長(zhǎng)度。

玻璃纖維和碳纖維是纖維增強(qiáng)材料的常見(jiàn)實(shí)例。玻璃纖維提供尺寸穩(wěn)定性，由于其不會(huì)對(duì)于變化的環(huán)境條件而收縮或拉伸，玻璃纖維還提供與金屬類似的尺寸度量用于部分合并。此外，玻璃纖維具有高拉伸強(qiáng)度、耐熱性、耐腐蝕性和用于抗沖擊性以及緊固或接合的高韌性。典型地，玻璃纖維通過(guò)從套管(bushing)或其它孔口的收集而使熔融玻璃材料流衰減而形成。含有成膜聚合物、偶聯(lián)劑和潤(rùn)滑劑的水性施膠組合物(aqueoussizingcomposition)通常在從套管中拉出之后被施加到纖維上，以保護(hù)纖維在后續(xù)的工藝中不被破壞，并提高纖維與待增強(qiáng)的基體樹脂的相容性。在施加水性施膠組合物之后，施膠纖維(sizedfiber)聚集成絲線并纏繞以生產(chǎn)玻璃纖維包。然后加熱玻璃纖維包以除去水分并沉積作為殘余的漿料(size)，輕輕地涂布于玻璃纖維的表面。多個(gè)干燥玻璃纖維包可以被固結(jié)并纏繞到被稱為多端粗紗包的卷軸上。所述粗紗包由具有多束玻璃纖維的玻璃絲線組成。

碳纖維是具有理想機(jī)械性能的輕質(zhì)纖維，這使得它們可用于與多種基體樹脂形成復(fù)合材料。一方面，碳纖維顯示出高拉伸強(qiáng)度和高彈性模量。另一方面，碳纖維表現(xiàn)出高導(dǎo)電性、高耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。這種性能的組合，以及低密度的碳纖維已然導(dǎo)致碳纖維作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)元件的使用的增加，廣泛用于在諸如航空航天、運(yùn)輸、電磁干擾(emi)屏蔽應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)用品、電池應(yīng)用、熱管理應(yīng)用(thermalmanagementapplications)以及許多其他應(yīng)用。

然而，碳纖維比玻璃纖維更難加工并且更昂貴。碳纖維易碎并且易纏結(jié)、耐磨性差，因此在加工工藝中容易產(chǎn)生毛刺或斷線。另外，至少部分由于其疏水性，在傳統(tǒng)的樹脂基質(zhì)中，碳纖維不如其他增強(qiáng)纖維(例如玻璃纖維)容易潤(rùn)濕。潤(rùn)濕是指纖維具有適當(dāng)?shù)谋砻鏉?rùn)濕張力以及均勻分散在整個(gè)基體中的能力。為了使用包含碳纖維的復(fù)合材料，碳纖維和基體樹脂之間優(yōu)異的潤(rùn)濕性和粘附性很重要。

玻璃和碳纖維各自賦予纖維增強(qiáng)復(fù)合材料理想性能。因此，人們已經(jīng)嘗試將玻璃和碳纖維在樹脂中共混，以利用它們各自提供給基體樹脂的韌性、強(qiáng)度和模量的性質(zhì)。然而，在嘗試這種混合復(fù)合材料時(shí)，對(duì)于具有成本效益的復(fù)合材料的理想情況以快速固化和固結(jié)工藝處理碳絲線，人們已然遇到了相當(dāng)大的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的各方面，提供了一種混合片材成型化合物材料和形成混合片材成型化合物材料的方法。所述混合片材成型化合物材料包含至少一種含有多根增強(qiáng)纖維絲線和與所述增強(qiáng)纖維共混的多根碳纖維的混合組裝粗紗。所述碳纖維用增容劑進(jìn)行涂布。所述混合片材成型化合物材料進(jìn)一步包含聚合物樹脂材料。

在各種示例性實(shí)施方式中，所述增強(qiáng)纖維由玻璃纖維組成。

在各種示例性實(shí)施方式中，所述增容劑包括聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、丙烯?；柰椤⑼榛柰?、甲基硅烷、氨基硅烷和環(huán)氧硅烷中的至少一種。

在各種示例性實(shí)施方式中，所述聚合物樹脂基體的配方包括聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺、聚酰亞胺、聚苯乙烯和共聚單體中的至少一種。

在各種示例性實(shí)施方式中，所述混合片材成型化合物材料具有的彈性模量為5gpa至40gpa，層間剪切強(qiáng)度為50mpa至300mpa，密度為0.5g/cc至3.0g/cc。

在各種示例性實(shí)施方式中，所述碳纖維用包括環(huán)氧樹脂、乙烯基酯和聚氨酯(urethane)成膜劑中的至少一種的施膠組合物進(jìn)行施膠。

根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，公開了一種含有按重量計(jì)10％至80％的短切混合纖維的混合片材成型復(fù)合材料。

附圖說(shuō)明

從以下提供的和如附圖所示的一些實(shí)施例的更具體的描述中，本發(fā)明的示例性實(shí)施方式將是清楚的。

圖1示出了從前體(precursor)開始的碳纖維形成線。

圖2示出了示例性的混合組裝粗紗形成工藝。

圖3示出了在張力下拉伸碳纖維以將碳纖維鋪展成碳纖維束的初始鋪展場(chǎng)所。

圖4(a)和(b)示出了用于鋪展碳纖維束的開槽輥。

圖5示出了另一示例性混合組裝粗紗形成工藝。

圖6(a)-(c)示出了改變碳束和玻璃纖維的布置的示例性混合組裝粗紗結(jié)構(gòu)。

圖7示出了用于切碎增強(qiáng)纖維的示例性的脊?fàn)钶仭?/p>

圖8示出了用于將至少兩種類型的增強(qiáng)纖維結(jié)合到聚合物樹脂膜上的示例性工藝。

圖9示出了混合smc復(fù)合材料中各種類型的碳和玻璃纖維分散體。

圖10用圖表示出了相對(duì)于纖維的比模量的各種類型纖維的比強(qiáng)度。

圖11用圖表示出了三種smc材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，一種僅包括玻璃纖維增強(qiáng)物，一種僅包括碳纖維增強(qiáng)物，以及另一種包括具有50：50的玻璃-碳比的混合組裝粗紗增強(qiáng)物。

圖12用圖表示例性地示出了與玻璃和碳增強(qiáng)的smc材料相比，典型的混合smc材料的拉伸強(qiáng)度與短切纖維束寬度的函數(shù)。

具體實(shí)施方式

由于本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思可以具有許多不同形式的實(shí)施方式，在附圖中示出并且將在本文中詳細(xì)描述具體實(shí)施方式，其理解是將本發(fā)明視為示例性的一般發(fā)明概念。因此，本發(fā)明總的發(fā)明構(gòu)思并不旨在限于本文所示的具體實(shí)施方式。

除非另有定義，本文使用的術(shù)語(yǔ)具有與圍繞總體發(fā)明構(gòu)思的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。本文使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述總體發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施方式，并不旨在限制總體發(fā)明構(gòu)思。如在一般發(fā)明概念和所附權(quán)利要求的描述中所使用的，單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“該”也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。

本發(fā)明涉及一種用于加工應(yīng)用的混合增強(qiáng)材料，例如，1)增強(qiáng)復(fù)合材料的形成(例如，用于壓縮成型工藝的片材成型化合物(“smc”))，2)長(zhǎng)纖維熱塑性注塑成型，3)拉擠成型工藝，4)預(yù)浸料坯的形成等。由上述加工應(yīng)用形成的所述混合增強(qiáng)復(fù)合材料包括：(i)共混的玻璃和碳增強(qiáng)材料以及(ii)熱固性或熱塑性樹脂組合物。

所述增強(qiáng)材料可以包括適用于為所得復(fù)合材料提供優(yōu)良結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及其他熱力學(xué)性能的任何類型的纖維。所述增強(qiáng)纖維可以是任意一種有機(jī)的、無(wú)機(jī)的或天然的纖維。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述增強(qiáng)纖維由玻璃、碳、聚酯、聚烯烴、尼龍、芳族聚酰胺(aramids)、聚(苯硫醚)、碳化硅(sic)和氮化硼等中的任意一種或多種制成。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述增強(qiáng)纖維包括玻璃、碳和芳族聚酰胺中的一種或多種。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述增強(qiáng)材料含有玻璃和碳纖維的混合物。

所述玻璃纖維可以由適用于特定應(yīng)用和/或理想產(chǎn)品規(guī)格的任何類型的玻璃形成，包括傳統(tǒng)玻璃。玻璃纖維的非特例例子包括a型玻璃纖維、c型玻璃纖維、g型玻璃纖維、e型玻璃纖維、s型玻璃纖維、e-cr型玻璃纖維(例如，可商購(gòu)于owenscorning的玻璃纖維)，r型玻璃纖維、羊毛玻璃纖維、生物可溶玻璃纖維，以及上述玻璃纖維的組合，其可用作增強(qiáng)纖維。在一些示例性的實(shí)施方式中，用于混合增強(qiáng)材料的所述玻璃纖維輸入物是一種在常規(guī)離線粗紗工藝下組裝的多端玻璃粗紗材料。

碳纖維通常是疏水的導(dǎo)電纖維，具有高剛度、高拉伸強(qiáng)度、耐高溫性和低熱膨脹性，并且通常重量輕，使其在形成增強(qiáng)復(fù)合材料方面很普及。然而，碳纖維比其他類型的增強(qiáng)材料如玻璃更昂貴。例如，碳纖維的成本可能高達(dá)20美元/公斤，而玻璃纖維的成本可能低至約1美元/公斤。另外，碳纖維在下游應(yīng)用中更難加工，導(dǎo)致產(chǎn)品制造降低。這至少部分是由于碳纖維的疏水性，在傳統(tǒng)的基質(zhì)中，碳纖維不如玻璃纖維容易潤(rùn)濕。潤(rùn)濕是指纖維具有適當(dāng)?shù)谋砻鏉?rùn)濕張力以及均勻分散在整個(gè)基體中的能力。相比之下，通常是親水纖維的玻璃纖維更易于加工并且會(huì)在基體中均勻地潤(rùn)濕。

根據(jù)所使用的前體，碳纖維可以是亂層(turbostratic)或石墨化的，或者具有同時(shí)存在亂層和石墨化部分的混合結(jié)構(gòu)。在亂層碳纖維中，碳原子層隨意地折疊、或扭曲在一起。衍生自聚丙烯腈(pan)的石墨碳纖維是亂層的，而衍生自中間相瀝青的碳纖維在超過(guò)2200℃加熱后是石墨化的。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述碳纖維衍生自pan。圖1示出了從pan前體形成碳粗紗的示例性工藝。

增強(qiáng)纖維可以在纖維形成工藝中或緊隨著纖維形成工藝之后用施膠組合物涂布。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述施膠組合物是水基組合物，例如懸浮液或乳液。所述懸浮液或乳液具有含有成膜劑、偶聯(lián)劑、潤(rùn)滑劑和表面活性劑中的一種或多種的固體含量。所述成膜劑將單獨(dú)的細(xì)絲保持在一起以助于纖維的形成并保護(hù)所述細(xì)絲免受摩損造成的損壞?？山邮艿某赡┌?，例如聚乙酸乙烯酯、聚氨酯、改性聚烯烴、聚酯、環(huán)氧化物及上述物質(zhì)的混合物。

所述施膠組合物可以進(jìn)一步包括至少一種偶聯(lián)劑，例如硅烷偶聯(lián)劑。硅烷偶聯(lián)劑的作用是增強(qiáng)成膜聚合物與纖維的粘合性，并在后續(xù)的加工工藝中降低產(chǎn)生毛刺或斷線的纖維細(xì)絲的水平?？梢杂糜诒景l(fā)明中的施膠組合物的硅烷偶聯(lián)劑的實(shí)例可以通過(guò)官能團(tuán)氨基、環(huán)氧基、乙烯基、甲基丙烯酰氧基、疊氮基、脲基和異氰酸酯基來(lái)表征。所述偶聯(lián)劑可以以約0.05％至約0.20％的活性固體量存在于所述施膠組合物中，更優(yōu)選以約0.08％至約0.15％的活性固體量存在。

所述施膠組合物還可以含有至少一種潤(rùn)滑劑。任何常規(guī)的潤(rùn)滑劑可以并入所述施膠組合物。適用于施膠組合物的潤(rùn)滑劑非特例例子包括，但是不限于，部分酰胺化的長(zhǎng)鏈聚亞烷基亞胺、乙二醇油酸酯、乙氧基化脂肪胺、甘油、乳化礦物油、有機(jī)聚硅氧烷乳液、硬脂醇乙醇酰胺(stearicethanolamide)和水溶性乙二醇硬脂酸酯如聚乙二醇單硬脂酸酯、硬脂酸丁氧基乙酯和聚乙二醇甘油酸酯。所述潤(rùn)滑劑可以以約0.025％至0.010％的活性固體量存在。

此外，所述施膠組合物還可以選擇性地包括ph調(diào)節(jié)劑，例如乙酸、檸檬酸、硫酸或磷酸以調(diào)節(jié)所述組合物的ph水平。所述ph可以根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用或促進(jìn)所述施膠組合物的組分相容性來(lái)加以調(diào)節(jié)。在一些實(shí)施例中，所述施膠組合物具有3.0-7.0的ph值，或者3.5-4.5的ph值。

所述施膠組合物可以根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用含有額外的添加劑。

在一些示例性的實(shí)施方式中，在混合組裝粗紗的形成中，可以共混兩種或更多類型的增強(qiáng)纖維。混合組裝粗紗是一種含有至少兩種類型的增強(qiáng)纖維多端纖維粗紗。例如，所述混合組裝粗紗可以含有玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維和高模量有機(jī)纖維中的兩種或更多種。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述混合組裝粗紗含有玻璃和碳纖維的混合物。盡管所述混合增強(qiáng)纖維將在本文中描述為玻璃和碳纖維的混合物，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，這僅是一個(gè)示例性的實(shí)施方式，并且所述混合組裝粗紗可以包括上述增強(qiáng)纖維的任意組合。

混合組裝粗紗的形成可以以多種方式進(jìn)行。例如，圖2示出了一種形成工藝，其中玻璃絲線12和碳絲線14分別拉伸，以及所述玻璃絲線被拉至碳加工線中，使玻璃絲線和碳絲線15在卷入共混的絲線17形成一個(gè)單獨(dú)的混合組裝粗紗包28之前共混。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述玻璃絲線在干燥步驟之前并入所述碳纖維加工線，在一些其他的示例性實(shí)施方式中，所述玻璃絲線在后涂布施加步驟24之前并入所述碳纖維加工線。

在粗紗加工中的玻璃纖維和碳纖維的共混中的一個(gè)困難由碳纖維的團(tuán)聚趨勢(shì)造成，這引起纖維在切碎時(shí)聚集成塊。這種團(tuán)聚和聚集使得碳纖維難以分散在基體樹脂材料中。玻璃纖維是直徑約為0.3mm至約為1.2mm的細(xì)的棒狀纖維束。為了使玻璃絲線和碳絲線有效共混，所述碳纖維絲線的尺寸和形狀應(yīng)該與所述玻璃纖維絲線相似。因此，在一些示例性的實(shí)施方式中，在混合玻璃纖維絲線12和碳纖維絲線14之前，將碳纖維絲線14鋪展以分離單獨(dú)的碳細(xì)絲，并產(chǎn)生約50tex至800tex(tex＝克/1000m的絲束)的多個(gè)細(xì)束，或者從50tex至400tex，各自具有的寬度在約0.5mm至約4.0mm之間，或約0.5mm至2.0mm之間。所述細(xì)束可以具有約0.05至約0.5mm的厚度，或從約0.1mm至約0.3mm的厚度。圖3示出了其中碳纖維在2-4倍的張力下拉伸以將碳纖維鋪展成細(xì)束22的初始鋪展場(chǎng)所25，如圖4(a)和(b)所示。然后所述碳纖維束22可以在張力下拉伸以保持與鋪展一致，并進(jìn)一步增加束之間的鋪展。例如，具有大約3/8”至大約1/2”的鋪展的多個(gè)碳纖維束22在張力下沿著各種輥16拉伸以形成大約3/4”至大約1/2”的鋪展。輥16的角度和半徑應(yīng)該被設(shè)定為保持不太高的張力，這樣可以使鋪展的束拉伸回到一起。

在一些示例性的實(shí)施方式中，一旦碳纖維絲線已經(jīng)鋪展成細(xì)的碳纖維束，所述碳纖維束22便通過(guò)后涂布處理浴24拉伸以固結(jié)成束用于切碎并改善碳纖維與理想基體材料之間的鋪展和溶解度。通過(guò)改善基體材料的相容性，所述纖維將更容易潤(rùn)濕，從而加速制造時(shí)間。在一些示例性的實(shí)施方式中，不是通過(guò)后涂布處理浴拉伸，所述后處理而是通過(guò)任意已知的涂布施用方法施用，例如接觸涂布或通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴涂裝置38將涂層噴涂在碳束上，或使用涂布輥施用到碳束上。在一些示例性的實(shí)施方式中，不是在鋪展絲線成束之后使用后涂布組合物涂布纖維絲線，而是在鋪展纖維束之前施用后涂布組合物。在其他示例性的實(shí)施方式中，所述后涂布組合物在纖維束鋪展之前和之后均可以施用。在一些示例性的實(shí)施方式中，碳纖維輸入物含有大量預(yù)形成的細(xì)的碳纖維束22，所述后涂布組合物可以在與玻璃纖維絲線共混之前的加工期間任意一刻施用到碳束上。

在一些示例性的實(shí)施方式中，后涂布處理組合物含有至少一種成膜劑。例如，由于其高極性，后處理組合物可以含有作為成膜粘合劑和絡(luò)合劑的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)。在一些示例性的實(shí)施方式中，后處理組合物可以含有一種或多種硅烷，例如丙烯?；柰?、烷基硅烷、甲基硅烷、氨基硅烷和環(huán)氧硅烷，以助于碳纖維和基體材料相容。在其他示例性的實(shí)施方式中，后處理組合物同時(shí)含有pvp和甲基硅烷。另外，粘合劑與季銨一起運(yùn)行用于防靜電保護(hù)。在一些示例性的實(shí)施方式中，后處理組合物包括共成膜劑、增容劑和潤(rùn)滑劑中的一種或多種。

在一些示例性的實(shí)施方式中，之后將后涂布碳束通過(guò)紅外爐26或其他固化機(jī)械裝置拉伸，用于將后涂布處理組合物在碳束上進(jìn)行干燥。

在一些示例性的實(shí)施方式中，如圖5所示，隨著碳纖維加工在線發(fā)生，玻璃纖維絲線12同時(shí)從玻璃纖維包中被平行拉伸以與上述的碳纖維束22共混。在一些示例性的實(shí)施方式中，隨著碳纖維束22從紅外爐26中拉伸，碳纖維束22與玻璃纖維12共混，形成玻璃和碳纖維的混合組裝粗紗28。為了形成內(nèi)聚混合粗紗，所述玻璃纖維通過(guò)加工拉伸的寬度應(yīng)該與碳纖維的寬度一致。例如，如果通過(guò)加工拉伸的玻璃纖維的寬度是2mm，那么碳纖維束的寬度應(yīng)該也是大約2mm，約1mm的方差。隨著玻璃和碳纖維被壓縮成混合組裝粗紗，壓縮的混合纖維束的寬度可能會(huì)更低，例如從約0.5mm至約2.0mm。

通常，切碎碳纖維使碳纖維成為細(xì)絲化，會(huì)增加碳纖維的表面積并增加潤(rùn)濕和流動(dòng)的難度。通過(guò)將碳纖維固結(jié)成混合組裝粗紗并將混合粗紗切碎成短切混合纖維30，碳纖維的流動(dòng)和分散得以改善，由于玻璃充當(dāng)碳的穩(wěn)定劑，使其不被細(xì)絲化，從而提供一種均勻的復(fù)合材料形成物。

如圖6所示，混合組裝粗紗的架構(gòu)可以通過(guò)改變其中玻璃和碳束的結(jié)構(gòu)和/或玻璃纖維和碳纖維的重量比來(lái)調(diào)節(jié)。在一些示例性的實(shí)施方式中，碳纖維束22被排布在混合束的外部，玻璃纖維12被設(shè)置在束的中心，如圖6(a)所示。在其他示例性的實(shí)施方式中，玻璃纖維被排布在混合束的外部，碳纖維被設(shè)置在束的中心，如圖6(b)所示。在其他示例性的實(shí)施方式中，所述玻璃纖維和碳纖維束隨機(jī)分散在混合束內(nèi)，如圖6(c)所示。在一些示例性的實(shí)施方式中，所述玻璃和碳纖維以大約10:90到大約90:10之間，例如大約60:40或大約75:25，或大約65:35的重量比分散在混合束中。在一些示例性的實(shí)施方式中，玻璃纖維和碳纖維的重量比大約為50：50。

一旦形成，混合組裝粗紗可以被纏繞或以其他的方式放置在包裝中并儲(chǔ)存用于下游利用，例如用于長(zhǎng)纖維熱塑性壓縮成型工藝中與熱塑性組合物的復(fù)合。為了達(dá)到本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)長(zhǎng)纖維熱塑性材料是包括長(zhǎng)于4.5mm的初始玻璃纖維輸入物的材料。有許多用于長(zhǎng)纖維熱塑性材料的形成方法，最常見(jiàn)的是擠出“裝料”或顆粒，線涂布和直接復(fù)合。本發(fā)明的一些方面涉及形成用于壓縮或注塑成型工藝的擠出混合組裝粗紗裝料。在這個(gè)工藝中，隨著熱塑性聚合物引入擠出機(jī)，混合組裝粗紗可以進(jìn)料到擠出機(jī)的噴嘴(或側(cè)填料)中，其中粗紗用熱塑性材料浸漬。然后將熱塑性浸漬混合粗紗擠出成用于壓縮成型或注塑成型工藝的混合裝料。

所述混合組裝粗紗可選地被切碎以用于增強(qiáng)復(fù)合材料的形成。在一些示例性的實(shí)施方式中，混合組裝粗紗可以使用切割輥18切碎，例如壓在聚氨酯或硬橡膠驅(qū)動(dòng)輥31上的刀片式鋼絲刀，如圖7所示。短切混合纖維30可以具有約10mm至約100mm的平均長(zhǎng)度，或者約11mm至50mm的平均長(zhǎng)度。在一些示例性的實(shí)施方式中，短切混合纖維具有約為25mm的長(zhǎng)度。

短切混合纖維可以具有不同的長(zhǎng)度和直徑。在一些示例性的實(shí)施方式中，混合組裝粗紗包括短切的玻璃和碳纖維的混合物。短切纖維的特定長(zhǎng)度是基于在下游使用的模制制件模具的復(fù)雜性，與理想的復(fù)合材料的制件性能平衡。

如上所述，短切復(fù)合纖維30之后可以用于增強(qiáng)材料的形成，例如增強(qiáng)復(fù)合材料、預(yù)浸料、織物、無(wú)紡布等。在一些示例性的實(shí)施方式中，短切復(fù)合纖維30可以用于smc工藝，以形成smc材料。如圖8所示，短切纖維30可以放置于聚合物樹脂膜32的層上，聚合物樹脂膜32位于具有非粘合表面的載體片上。含有第二層聚合物樹脂膜的第二非粘合性的載體片可以定位在所述短切復(fù)合纖維30上，該定位以使得第二聚合物樹脂膜32接觸短切的混合纖維30并形成聚合物樹脂-短切混合纖維-聚合物樹脂膜32的夾層材料為方向。然后可以用諸如壓實(shí)輥的輥將該夾層材料捏合，以將聚合物樹脂基體和混合纖維束基本上均勻分散在所得到的smc材料中。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“基本上均勻分散”是指均勻分散或大于50％的均勻分散。在一些示例性的實(shí)施方式中，“基本上均勻分散”是指大約90％的均勻分散。之后可以將所述smc材料儲(chǔ)藏2-5天以使樹脂變稠和熟化。在熟化期間，所述smc材料的粘度在約1500萬(wàn)厘泊至約4000萬(wàn)厘泊的范圍內(nèi)增加。隨著粘度的增加，第一和第二聚合物樹脂膜32和短切混合纖維30形成整體的復(fù)合材料層。

所述聚合物樹脂膜材料可以含有任意合適的熱塑性或熱固性材料，例如聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺、聚酰亞胺、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯和/或苯乙烯，以及任何理想的添加劑例如填料、顏料、uv穩(wěn)定劑、催化劑、引發(fā)劑、抑制劑、脫模劑、增稠劑等。在一些示例性的實(shí)施方式中，熱固性材料含有苯乙烯樹脂、不飽和聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂。在結(jié)構(gòu)smc的施用中，聚合物樹脂膜32可以含有液體，而在a類smc的施用中，聚合物樹脂膜可以含有糊狀物。

施用于碳纖維的后涂布處理組合物使碳纖維與聚合物樹脂膜相容，并使碳纖維適當(dāng)流動(dòng)和潤(rùn)濕，在聚合物樹脂膜32內(nèi)形成玻璃和碳纖維的基本均勻的分散體。后涂布處理還賦予增加的內(nèi)聚力，這使得纖維可以良好的切碎，并改善固結(jié)工藝的潤(rùn)濕性。碳纖維的更快潤(rùn)濕導(dǎo)致更高的在線生產(chǎn)率和每小時(shí)生產(chǎn)更大量smc材料的能力。此外，玻璃纖維的更快潤(rùn)濕導(dǎo)致smc材料含有更少的干玻璃纖維。smc材料中更少的干玻璃纖維又導(dǎo)致復(fù)合材料部件的模制期間可能發(fā)生的缺陷數(shù)量的減少，并且相對(duì)于僅由玻璃纖維形成的復(fù)合材料部件的生產(chǎn)而言，制造成本的降低。

一旦smc材料達(dá)到目標(biāo)粘度，就可以將smc材料切割并放入具有最終產(chǎn)品的理想形狀的模具中。將模具加熱至升高的溫度并關(guān)閉以增加壓力。這種高溫和高壓的結(jié)合使得smc材料流動(dòng)并填充模具。然后基體樹脂經(jīng)歷熟化期，其中所述材料以化學(xué)增稠或凝膠的形式繼續(xù)增大粘度。使用混合組裝粗紗形成的示例性的模制復(fù)合材料部件可以包括外部汽車車身部件和結(jié)構(gòu)化汽車車身部件。

模制復(fù)合材料部件可以含有接近10％至約80％重量的混合組裝粗紗材料，短切或以其他方式并入。當(dāng)形成a級(jí)復(fù)合材料時(shí)，一些示例性的實(shí)施方式將包括約15％至約40％重量的混合組裝粗紗材料。當(dāng)形成結(jié)構(gòu)化復(fù)合材料時(shí)，一些示例性的實(shí)施方式將包括約35％至約75％重量的混合組裝粗紗材料。

在復(fù)合材料中包括玻璃和碳纖維混合物使得可以生產(chǎn)較其他相同的僅包括玻璃纖維增強(qiáng)材料的復(fù)合材料在重量上減輕約15％至約50％以及增強(qiáng)約20％至約200％的材料。如圖9所示，隨著復(fù)合材料在絲線水平和層間的分散性的增加，這種改善增強(qiáng)。通過(guò)在整個(gè)復(fù)合材料中精細(xì)分布碳纖維，應(yīng)力碳纖維的潛在斷裂路徑將通過(guò)附近的玻璃纖維的存在而降低。玻璃纖維的韌性有助于應(yīng)力碳纖維負(fù)荷的重新分布。這將通過(guò)減少裂縫裂紋發(fā)生位點(diǎn)和減緩破裂發(fā)展來(lái)延緩裂縫發(fā)展。

此外，玻璃和碳混合物增強(qiáng)復(fù)合材料利用碳的電導(dǎo)率來(lái)進(jìn)行額外的產(chǎn)品改進(jìn)，例如用于噴涂工藝的接地裝置、汽車部件中的電氣短路以及電磁干擾“emi”屏蔽。均勻分散的碳纖維在整個(gè)復(fù)合材料部件中通過(guò)創(chuàng)建具有有利于滲透的方向的自增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建一個(gè)有效的法拉第籠。

在一些示例性的實(shí)施方式中，使用本文公開的混合增強(qiáng)材料形成的混合smc材料具有的彈性模量在約5gpa和約40gpa之間，或從約10gpa至約30gpa，或從約15gpa至約20gpa。在其他示例性的實(shí)施方式中，混合smc材料具有的彈性模量為約12gpa至約17gpa，或約15gpa。

在一些示例性的實(shí)施方式中，使用本文公開的混合增強(qiáng)材料形成的混合smc材料具有的干的層間的剪切強(qiáng)度在約50mpa和約300mpa之間，或從約70mpa至約80mpa。在其他示例性的實(shí)施方式中，所得到的混合smc材料具有的干的層間的剪切強(qiáng)度為約72mpa和約78mpa，或約75mpa。

在一些示例性的實(shí)施方式中，使用本文公開的混合增強(qiáng)材料形成的混合smc材料具有的密度在約0.5g/cc和約3.0g/cc之間，或從約0.75g/cc至約2.5g/cc。在其他示例性的實(shí)施方式中，所得到的混合smc材料具有的密度為約1.0g/cc至約1.5g/cc，或約1.08g/cc。

在一些示例性的實(shí)施方式中，使用本文公開的混合增強(qiáng)材料形成的混合lft材料具有的拉伸強(qiáng)度大于150mpa。在一些示例性的實(shí)施方式中，混合lft材料具有的拉伸強(qiáng)度在約160mpa和約300mpa之間。在一些示例性的實(shí)施方式中，使用本文公開的混合增強(qiáng)材料形成的混合lft材料具有的拉伸模量在大于15gpa。在一些示例性的實(shí)施方式中，混合lft材料具有的拉伸模量在約19gpa和約28gpa之間，或在約21gpa和約25gpa之間。

此外，在lft材料中使用混合增強(qiáng)纖維有助于克服碳纖維對(duì)lft工藝造成的挑戰(zhàn)。特別地，由于碳纖維比玻璃纖維具有更好的熱導(dǎo)性，碳纖維在注入模具之后傾向于過(guò)快冷卻。通過(guò)將玻璃纖維和碳纖維共混，玻璃纖維的作用是使碳纖維絕緣，使其能夠更好地流動(dòng)以均勻地填充模具部件來(lái)增加產(chǎn)量。

通常描述總體發(fā)明構(gòu)思的各個(gè)方面，可以通過(guò)參考以下所示的某些具體實(shí)施例來(lái)獲得進(jìn)一步的理解，這些具體實(shí)施例僅為了說(shuō)明的目的而提供，除非另有說(shuō)明，否則不旨在是全部包含性或限制性的。

實(shí)施例

圖10示出了各種類型增強(qiáng)纖維的比強(qiáng)度相對(duì)于纖維的比模量。如圖所示，傳統(tǒng)的增強(qiáng)材料，特別是玻璃纖維，顯示出約0.9×10⁵m至1.5×10⁵m的比強(qiáng)度和小于5×10⁶m的比模量。另一方面，碳纖維分別在約2.4×10⁵m和14.0×10⁶m處顯示出更高的比強(qiáng)度和比模量。相比之下，50/50的混合玻璃和碳纖維與40/60的混合玻璃和碳纖維均顯示出比單獨(dú)的玻璃纖維改善的性能。所述比強(qiáng)度增加至1.5-1.7×10⁵m之間，所述比模量增加至約7.5-9.0×10⁶m之間。因此，混合纖維增強(qiáng)物提供了相對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)物的改進(jìn)，而沒(méi)有與制造碳纖維增強(qiáng)物相關(guān)的所有成本和工藝問(wèn)題。

圖11示出了三種smc材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，一種僅包括玻璃纖維增強(qiáng)物，一種僅包括碳纖維增強(qiáng)物，另一種包括具有50：50的玻璃-碳比的混合組裝粗紗增強(qiáng)物。如圖11所示，當(dāng)接觸相同壓力負(fù)荷時(shí)，玻璃纖維增強(qiáng)smc顯示出了最大的應(yīng)變(伸長(zhǎng)率)百分比，同時(shí)仍能夠恢復(fù)至其原始形式。相反地，碳纖維展示了在相同的壓力下的低應(yīng)變伸長(zhǎng)率。使用混合組裝粗紗增強(qiáng)物形成的復(fù)合材料顯示了應(yīng)變百分比落入單獨(dú)使用碳纖維或玻璃纖維的應(yīng)變百分比之間。

圖12顯示出了與玻璃和碳增強(qiáng)的smc材料相比，示例性混合smc材料的拉伸強(qiáng)度與短切絲線寬度的函數(shù)。如圖12所示，當(dāng)絲線的寬度增加時(shí)，smc材料的拉伸強(qiáng)度下降。對(duì)于結(jié)構(gòu)化smc材料，混合組裝粗紗的寬度應(yīng)該低于約1mm，例如約0.5mm或更低。對(duì)于a級(jí)smc材料，混合組裝粗紗的寬度可以小于約2mm。

表1示出了在長(zhǎng)纖維熱塑性復(fù)合材料中使用本發(fā)明構(gòu)思的混合增強(qiáng)材料獲得的性質(zhì)。實(shí)施例1和2使用已經(jīng)浸漬pa-6,6基體樹脂的混合組裝玻璃和碳共混長(zhǎng)纖維絲束。對(duì)比例1是使用多端玻璃纖維粗紗的僅含玻璃的復(fù)合材料。對(duì)比例2是常規(guī)的多端玻璃和碳纖維的混合物，在不共混纖維的情況下通過(guò)并排運(yùn)行碳和玻璃纖維包而形成。常規(guī)的混合lft復(fù)合材料包括平行的玻璃和碳纖維，但是玻璃和碳纖維并未共混在單一的粗紗中，而是以單獨(dú)的纖維維持。實(shí)施例1和2通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的混合增強(qiáng)材料制備。在實(shí)施例1中的用于形成lft復(fù)合材料的碳纖維涂布有3.5重量％的pvp后涂布組合物，在實(shí)施例2中的用于形成lft復(fù)合材料的碳纖維涂布有3.5重量％的包含pvp和含有50％的a-1100和50％的a-174的混合物的后涂布組合物。

表1

如上所述，使用本文公開的混合增強(qiáng)材料形成的lft復(fù)合材料顯示出了比玻璃lft復(fù)合材料和常規(guī)的、非共混的混合lft復(fù)合材料都更高的性能性質(zhì)。具體地，實(shí)施例1和2比對(duì)比例1和2更輕(如lft復(fù)合材料的重量％所顯示)并且具有更低的比重。另外，實(shí)施例1和2具有更高的拉伸和抗彎強(qiáng)度(大于160mpa)以及拉伸和抗彎模量大于在玻璃lft復(fù)合材料或常規(guī)的、非共混的混合lft復(fù)合材料中所觀察到的(大于21gpa)。表1中列出的未切口沖擊強(qiáng)度和切口沖擊強(qiáng)度顯示了塑料復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度的對(duì)比值。切口沖擊強(qiáng)度通過(guò)將復(fù)合材料切割出2mm的深度并將錘子落在復(fù)合材料上以使其破裂來(lái)確定。錘子在沖擊時(shí)的能量和斷裂后的能量差表明復(fù)合材料吸收的沖擊能量。如上所述，實(shí)施例1和2示出了明顯高于對(duì)比例1或2的未切口沖擊強(qiáng)度。

雖然本文已經(jīng)描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離總體發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行多種修改。所有這些修改旨在被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明將僅由所附權(quán)利要求限定。