專利名稱：低樹脂量定向纖維帶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于傳遞成型工藝中成型的干纖維預(yù)成型件的裝配，更具體地，涉及低樹脂量定向纖維帶，其可在裝配成型的預(yù)成型件時(shí)處置及彎折。
在復(fù)合材料制品制造時(shí)，典型的是把多個(gè)定向干纖維層裝配成與制品的形狀相配合的形狀。干纖維層的組件已知為一種“預(yù)成型件”，其可隨后放入模中。隨后把樹脂注入模中滲入纖維之間，注出復(fù)合材料零件。制造復(fù)合材料零件的這種方法稱為“樹脂傳遞成型”(RTM)。
在這種方法中，難以結(jié)合一層定向纖維，因?yàn)樵陬A(yù)成型件裝配中沒辦法把干定向纖維保持就位。也難以把纖維放在預(yù)成型件中，因?yàn)樗鼈儍A向分離。如果有人成功地把一層干定向纖維放在預(yù)成型件中，在注射樹脂時(shí)，纖維也容易分離及移動(dòng)，因而使零件強(qiáng)度降低，難以保持零件與零件之間的一致性。
為解決這些問題，使用了樹脂量為約35％的預(yù)浸定向纖維帶。雖然其足夠把纖維保持在一起，但這種纖維帶不允許樹脂滲入，并且在纖維帶與鄰近的層之間形成邊界層。這是不可接受的，因?yàn)樗峁┝丝赡芊謱蛹笆沽慵笾碌牟课?。因此，繼續(xù)在研究一種定向纖維帶，其可彎折及處置以便與預(yù)成型件形狀適應(yīng)，其有足夠的粘聚性防止纖維分離而在注射樹脂時(shí)又允許樹脂完全滲入。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它目的，本發(fā)明提供了一種定向纖維帶，包括多根定向纖維，設(shè)在纖維兩側(cè)的一對(duì)柔性薄膜，薄膜由樹脂制成，樹脂量足以把纖維保持定位，但是低于會(huì)明顯阻止樹脂滲透的量。薄膜放在多根纖維的上面及下面把纖維夾在中間。薄膜不會(huì)滲入纖維之間的間隙，通過表面接觸及一些滲透固定住纖維。
最好，把多根定向纖維放在一對(duì)樹脂薄膜之間，提供一纖維帶，相對(duì)樹脂及纖維的總量，具有總的樹脂量為約1-20％重量，優(yōu)選地為3-15％重量。在這種樹脂量下，纖維帶可處置及彎折包在成型的輪廓表面，與預(yù)成型件配合，而沒有明顯的纖維移動(dòng)。在這種樹脂量下，薄膜不會(huì)阻礙以后的樹脂滲入，而可以熔化及與注射入的樹脂混合使定向樹脂完全結(jié)合在零件中。但是樹脂量超過20％，會(huì)阻止?jié)B入樹脂，而低于1％，粘聚性不足以把纖維固定在一起。這里用的術(shù)語“薄膜”表示柔性可相容的樹脂材料的連續(xù)及均勻?qū)印?br> 下面通過附圖及實(shí)施例說明本發(fā)明，附圖中

圖1是本發(fā)明的纖維帶的橫剖面圖；圖2是成形本發(fā)明的纖維帶的方法的示意圖；圖3是示出把本發(fā)明的纖維帶結(jié)合在一個(gè)預(yù)成型件中的視圖；圖4是沿圖3中4-4剖切的剖面圖，示出定向纖維帶與纖維板的組合件。
參見圖1，按照本發(fā)明制造的定向纖維帶1包括多根基本成平行地設(shè)置的纖維2，該帶1有上薄膜膜3及下薄膜4，它們使纖維保持在平行或定向的方向。下薄膜放在可脫開層5上。薄膜必須與可脫開層有足夠的粘結(jié)力以允許把纖維帶成型為具體的輪廓形狀、但是用手的壓力可將其從可脫開層上取下來而不會(huì)對(duì)薄膜損壞或使纖維分開。
柔性的薄膜也必須有足夠的粘聚性，以允許可以切割纖維帶、把帶放在預(yù)成型件中及移去可脫開層而不會(huì)弄亂定向纖維的方向，但是使用的樹脂量必須最少以促進(jìn)在注射成型時(shí)樹脂滲入纖維之間的空隙中。
各薄膜由可與選擇的注射成型相容的樹脂制成。例如，環(huán)氧樹脂可以使用，只要其配方配成可在室溫提供薄膜，并且在中等的溫度增加時(shí)其是可軟化的，而不會(huì)過早地固化。當(dāng)然也可用其它的成膜樹脂。其它的適合的樹脂包括聚酰胺、特別是雙馬來酸酰亞胺樹脂、聚氰酸酯樹脂、乙烯基酯樹脂、苯并環(huán)丁烯樹脂等。
合適的樹脂及硬化劑混合物的實(shí)例包括如Dow化學(xué)公司制的Tactix123環(huán)氧樹脂或3M公司制的PR500樹脂的環(huán)氧樹脂混合物，它們各可以形成薄膜。最好，如果用PR500，它們以與也由3M公司制造的如PT500的另一種樹脂混合。PT500樹脂幫助調(diào)節(jié)薄膜的粘性及可以按照需要改變。例如，已用PR500/PT500為80/20的混合物。另一種可用于形成薄膜的樹脂是1，1’-MDA雙馬來酸酰亞胺(BMI)樹脂，這是由Cytec化學(xué)公司制造的5250-4RTMBMI的領(lǐng)域中已知的。
這些是有用的成膜樹脂的舉例，因?yàn)榭墒褂铆h(huán)氧樹脂或BMI樹脂制出許多成分，它們?cè)谶@些系統(tǒng)中是相容的。但是，本專業(yè)技術(shù)人員可方便地確定其它樹脂與專門的樹脂系統(tǒng)一起用，本發(fā)明不局限于上面已討論的樹脂。
纖維帶的樹脂量與纖維及樹脂總重量比為1％-20％(重量)。這里用的“樹脂量”涉及樹脂重量除以纖維及樹脂的總重量。超過20％的樹脂量，會(huì)阻止樹脂的滲透，而在1％以下，樹脂不能保持它們的方向。優(yōu)選地樹脂量為3％-18％，優(yōu)選的為7％-14％。例如，可以用對(duì)纖維的面積重量為228g/m用厚度在10-14g/m2量級(jí)的一對(duì)薄膜。
重要的考慮是薄膜與纖維結(jié)合使得樹脂膜有限地滲入定向纖維中。因此，除了在上下表面，基本沒有樹脂與纖維攙和。這樣提高了后注射的樹脂滲入纖維之間的間隙中的能力，同時(shí)提高了纖維帶與復(fù)雜形狀適應(yīng)性的柔性。
參照?qǐng)D2，其示出了本發(fā)明纖維帶的制造?？擅撻_層10有加在其上成板狀的樹脂薄膜11?？捎蒙虡I(yè)上可購得的多種材料作可脫開層。例如可以用從3M公司購得的MYLARTM背襯。可以用現(xiàn)有技術(shù)中已知的多種工藝制造薄膜11。例如，可通過高溫下把樹脂澆在可脫開紙上并在冷卻后在壓送輥之間延展而制成樹脂薄膜。
當(dāng)然，薄膜可以在纖維帶制造程序中作為一個(gè)整體步驟來形成，或者可另外形成并儲(chǔ)存成卷狀，在需要時(shí)用。
可脫開層10及樹脂薄膜11供到傳送帶12，在那里多根連續(xù)的纖維13放在薄膜的頂部。與第一薄膜的同樣的方式形成的且有整體可脫開層15的第二薄膜組件14放在纖維中，薄膜與纖維在輥16下穿過時(shí)相互接觸。輥可以加熱開始軟化薄膜。組合在一起的薄膜及纖維然后穿過一加熱段17，其溫度足夠使薄膜軟化但不熔化。根據(jù)薄膜的成分，可用約140-250°F。如果樹脂熔化，由于薄膜較薄，會(huì)失去粘聚性及均勻性，會(huì)發(fā)生纖維分離。軟化允許表面纖維部分埋在薄膜中，而沒有明顯的薄膜滲透超出表面纖維。已發(fā)現(xiàn)低于約140°F，纖維不與薄膜粘接而會(huì)發(fā)生分離。最好在這階段提供進(jìn)一步的壓實(shí)，但是這取決于構(gòu)成的纖維帶而定。
隨后夾層的組合件通過冷卻段18，冷到室溫或更低，使薄膜變硬，并使表面纖維和薄膜粘結(jié)，形成纖維帶19，隨后卷到卷筒20上用于儲(chǔ)存，最好該區(qū)域溫度保持在低于室溫。另一個(gè)卷筒21用來收集從第二薄膜組件14上的可脫開層15。為了使用纖維帶，從卷筒20上取下一部分纖維帶，切斷，切下的段放在預(yù)成型件的成型表面。
當(dāng)然可以明白這是制造這種纖維帶的一個(gè)方法，也可以用其它方法。例如，用溶劑澆在可脫開紙上，薄膜澆在可脫開紙上等，可用一種幕涂工藝。
參見圖3，一個(gè)預(yù)成型工具22，具有一成型面23，其上放著織物層24。定向纖維帶25放在織物層24的上表面上，與成型面23相吻合，可脫開層已撕下及扔掉。在織物層表面上只留下纖維及薄膜。當(dāng)然，預(yù)成型件可完全由定向纖維帶制成，織物層的使用取決于制造的零件。
參見圖4，剖面圖示出在織物層24上的多根定向纖維26，均勻地分布在一對(duì)薄膜27、28之間，纖維不分離。
盡管本發(fā)明的纖維帶樹脂量低，但其有足夠的穩(wěn)定性可在結(jié)合成或作成預(yù)成型件前可運(yùn)送及處置。
使用纖維的面積重量(FAW)為約228g/m2的石墨纖維，及由80％的PR500/20％的PT500環(huán)氧樹脂的樹脂混合物組成的上下薄膜，用約8-12％(重量)的樹脂量來制成單向纖維帶。纖維帶為12英寸寬，測(cè)定出在樹脂注射后在固化的8.3mil的每層厚度有55％的層狀纖維變形。纖維帶具有為了處置及堆放目的的極好的粘性及變形性。在結(jié)合在預(yù)成型件中后，在成型及固化時(shí)定向纖維成為完全與結(jié)構(gòu)成整體。在注射樹脂時(shí)沒有明顯的纖維位移，在成型零件中也沒有界面層。
使用纖維的面積重量為約228g/m2的石墨纖維，及由5250-4RTM雙馬來酸酰亞胺樹脂構(gòu)成的上下薄膜，用約8-12％(重量)的樹脂量制成定向纖維帶。該帶為12英寸寬。纖維帶有極好的粘性及變形性，容易被把纖維帶放入預(yù)成型件中的操作者彎折及處置。在注射樹脂時(shí)沒有明顯的纖維位移，定向樹脂成為完全與結(jié)構(gòu)成整體。
纖維帶可用任意可購得的纖維，如玻璃、芳族聚酰胺、石墨、碳化硅纖維或其它的纖維及它們的結(jié)合來制造。另外纖維帶的尺寸及密度也可以相應(yīng)地改變，只要保持合適的重量計(jì)的樹脂量比例。使用本發(fā)明的纖維帶，可以方便地制出預(yù)成型件結(jié)合有單向纖維，而不發(fā)生纖維分離及扭曲。
雖然已示出及說明了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，但是本專業(yè)的技術(shù)人員明白在本發(fā)明的精神范圍內(nèi)可以作出很多變化及改型。
權(quán)利要求
1.一種定向纖維帶，包括多根定向纖維，設(shè)在纖維的兩側(cè)的一對(duì)柔性薄膜，薄膜由樹脂制成，樹脂量足以把纖維保持定位，但是低于會(huì)明顯阻止樹脂滲透的量。
2.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于所述的柔性薄膜可軟化以允許定向纖維部分埋在薄膜中。
3.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于還包括位于靠近所述的一對(duì)薄膜中之一的一個(gè)可脫開層。
4.按照權(quán)利要求3的纖維帶，其特征在于所述的柔性薄膜具有足夠的粘性保持附著到可脫開層。
5.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于所述的柔性薄膜的量為約1-20％重量的樹脂量。
6.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于所述的柔性薄膜的量為約3-18％重量的樹脂量。
7.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于所述的柔性薄膜的量為約7-14％重量的樹脂量。
8.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于所述的纖維由包括玻璃芳族聚酰胺、石墨、碳化硅和它們的組合物中選出的材料制成。
9.按照權(quán)利要求1纖維帶，其特征在于所述的樹脂材料選自環(huán)氧、聚酰胺、聚氰酸酯、乙烯基酯、苯并環(huán)乙烯及它們的組合物。
10.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于所述的樹脂材料包括至少一種雙馬來酸酰亞胺樹脂。
11.按照權(quán)利要求1的纖維帶，其特征在于所述的樹脂材料包括至少一種環(huán)氧樹脂。
12.按照權(quán)利要求3的纖維帶，其特征在于所述的可脫開層由MYLARTM材料制成。
13.一種把定向纖維結(jié)合在干纖維預(yù)成型件中的方法，包括提供一個(gè)定向纖維帶，包括多根定向纖維，設(shè)在纖維的兩側(cè)的一對(duì)柔性薄膜，薄膜由樹脂制成，樹脂量足以把纖維保持定位但是低于會(huì)明顯阻止樹脂滲透的量；把所述的定向纖維帶放在預(yù)成型的一部分上；和把纖維成型為與預(yù)成型件形狀符合。
14.一種制造定向纖維帶的方法，包括提供多根連續(xù)的定向纖維；提供一個(gè)第一薄膜，其是柔性的薄膜并由樹脂制成；提供一個(gè)第二薄膜，其是柔性的薄膜并由樹脂制成；把纖維放在第一和第二薄膜之間，在薄膜中的樹脂量足以把纖維保持定位，但是低于會(huì)明顯阻止樹脂滲透的量；加熱薄膜及纖維使薄膜軟化使得纖維與薄膜接觸，成為部分埋在薄膜中；和冷卻薄膜及纖維使薄膜硬化，形成一個(gè)定向纖維帶。
全文摘要
低樹脂量的定向纖維帶(1)，把定向纖維結(jié)合在干纖維預(yù)成型件中用于樹脂傳遞模成型工藝中。多根定向纖維(2)位于一對(duì)樹脂柔性薄膜中，把纖維夾在一起而同有明顯滲入纖維中。薄膜有足夠的粘性保持與可脫開層(5)的接觸，但是不會(huì)妨礙手的壓力把定向纖維帶移下。優(yōu)選地，相對(duì)于總的樹脂與纖維量，纖維量為1-20％，更優(yōu)選地為3-18％。在這種纖維量下，纖維帶可由預(yù)成型件裝配者處置并彎折在輪廓表面上，而不會(huì)使定向纖維扭曲或分離。另外，低樹脂量允許注射樹脂滲入纖維的間隙，使定向纖維完全結(jié)合在最終零件中。
文檔編號(hào)B29C70/08GK1164201SQ95196390
公開日1997年11月5日 申請(qǐng)日期1995年10月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月13日
發(fā)明者馬丁·P·魏 申請(qǐng)人:陶氏聯(lián)合技術(shù)復(fù)合制品有限公司