制備不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總地涉及由不連續(xù)碳纖維和熱固性和/或熱塑性基質(zhì)樹脂構(gòu)成的模塑復(fù) 合物。更特別地，本發(fā)明涉及使用碳纖維絲束的零料制備不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料包括纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體和樹脂基質(zhì)作為兩種主要組分。復(fù)合材料通常具有 相當(dāng)高的強(qiáng)度重量比。因此，復(fù)合材料用于下述航空航天行業(yè)，在該行業(yè)中具有高強(qiáng)度和相 對(duì)較輕重量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體是特別重要的。
[0003] 碳纖維是復(fù)合材料的常見纖維增強(qiáng)物。碳纖維通常以復(fù)絲形式提供，通常稱為"絲 束"。碳纖維絲束通常包含1，000至50, 000根獨(dú)立單絲。可商購(gòu)的碳絲束包含，例如，約 3000根單絲（3K)，6000根單絲(61()，12000 (12K)根單絲或24000 (24K)根單絲。單根碳單 絲的線重量（linear weight)通常為0. 02至0. 5毫克/米。碳纖維絲束中的單絲并非按 與常規(guī)紗線相同的方式加捻。相反，碳纖維絲束中的單絲基本上彼此平行。
[0004] 碳纖維在商業(yè)上以包含單個(gè)連續(xù)絲束的筒管或繞線筒形式提供。根據(jù)單絲的線重 量、絲束中單絲的數(shù)目以及纏繞在筒管上的碳纖維絲束的總重量，碳纖維絲束的長(zhǎng)度可以 廣泛變化。通常，可商購(gòu)的碳纖維筒管包含1至20鎊（454克至9080克）長(zhǎng)度為4, 000至 15, 000米的連續(xù)碳纖維絲束。
[0005] 將來(lái)自多個(gè)筒管的碳纖維絲束編織在一起，形成碳纖維布，稍后將該碳纖維布與 樹脂基質(zhì)合并形成復(fù)合材料。也將碳纖維絲束從多個(gè)筒管進(jìn)料，以制備單向（UD)纖維增強(qiáng) 物，例如UD帶，也將其與樹脂基質(zhì)合并以形成復(fù)合材料。在編織或UD帶生產(chǎn)工藝過程中的 一些點(diǎn)，留在筒管中的碳纖維絲束的量變少，使得必須用新筒管代替廢舊筒管。
[0006] 廢舊筒管上剩余的碳纖維絲束的零料不夠進(jìn)一步用于制備機(jī)織織物或UD帶。實(shí) 踐中，根據(jù)織造過程、待制備的纖維增強(qiáng)物的類型、單絲的線重量以及絲束中單絲數(shù)目，留 在廢舊筒管上的碳纖維絲束零料的長(zhǎng)度將有所不同。歷經(jīng)一段時(shí)間，產(chǎn)生的碳纖維絲束零 料的量是顯著的。
[0007] 期望取出在機(jī)織織物或UD帶生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳纖維絲束的零料并利用該零料 制備有用的廣品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，留在碳纖維廢舊筒管上的碳纖維絲束的零料可以用于制備不連 續(xù)纖維模塑復(fù)合物。模塑復(fù)合物可以用于模塑具有相對(duì)較好的機(jī)械性能的簡(jiǎn)單和復(fù)雜這兩 種形狀。
[0009] 本發(fā)明涉及由碳纖維絲束的零料制備不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物的方法。方法包括以 下步驟：提供包含碳纖維絲束的零料的廢舊碳纖維筒管。碳纖維絲束的零料過短，而無(wú)法用 于制備機(jī)織或單向纖維結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的特征，將碳纖維絲束的零料從筒管取下并短切 成小片，形成lcm至10cm長(zhǎng)的短切碳纖維絲束的集合。
[0010] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的特征，將粉末狀熱固性或熱塑性樹脂與短切碳纖維絲束的集 合混合，形成纖維和粉末的共混物。然后將共混物加熱至足夠的溫度達(dá)足夠的時(shí)間，所述溫 度和時(shí)間足以使樹脂顆粒粘附于短切碳纖維絲束，從而使短切絲束中的單絲穩(wěn)定并形成不 連續(xù)纖維模塑復(fù)合物。該不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物可以按與已知的復(fù)合材料模塑復(fù)合物相同 的方式使用，以制備簡(jiǎn)單部件和復(fù)雜部件兩者。
[0011] 作為本發(fā)明的特征，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以將由3K碳纖維絲束的零料制備的不連續(xù)纖維 模塑復(fù)合物模塑成復(fù)合材料部件，與由使用6K或更大的碳纖維絲束零料制備的不連續(xù)纖 維模塑復(fù)合物模塑的復(fù)合材料部件相比，所述復(fù)合材料部件更強(qiáng)且更抗損傷?？梢詫⒂?K 碳纖維絲束零料制備的不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物模塑成復(fù)合材料部件，所述復(fù)合材料部件的 強(qiáng)度和抗損傷性與由現(xiàn)有可商購(gòu)的高性能不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物制備的復(fù)合材料部件那 些性質(zhì)接近，可商購(gòu)的復(fù)合物例如為HexMOD模塑復(fù)合物（Hexcel Corporation，Dublin CA)。因此，本發(fā)明使用具有相對(duì)低數(shù)目單絲制備的不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物可用作商購(gòu)高性 能模塑復(fù)合物的低成本替代品。
[0012] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的特征，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將碳纖維絲束零料短切成相對(duì)較長(zhǎng)（5至 10cm)的短切纖維絲束時(shí)，可以將根據(jù)本發(fā)明制成的不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物模塑成較強(qiáng)的 復(fù)合材料部件。發(fā)現(xiàn)相對(duì)較低的單絲支數(shù)（3K)和相對(duì)較高的短切纖維絲束長(zhǎng)度（5至10cm) 的組合可得到特別有用的模塑復(fù)合物，該模塑復(fù)合物可用于形成拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)高于300MPa 的復(fù)合材料部件。
[0013] 通過結(jié)合附圖參考【具體實(shí)施方式】，可更好地理解本發(fā)明的上述特征和很多其它特 征以及隨之而來(lái)的益處。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性方法的圖示，用于取出碳纖維絲束的不可用零料，將 其制成有用的不連續(xù)纖維模塑復(fù)合物。
[0015] 圖2是在形成根據(jù)本發(fā)明的模塑復(fù)合物所必需的加熱步驟之前和之后，短切碳纖 維絲束和樹脂顆粒的很小的一部分的放大和簡(jiǎn)化圖。圖2證明通過靜電吸引附接于少數(shù)短 切碳纖維絲束的樹脂顆粒在加熱步驟過程中如何軟化或熔融以形成單獨(dú)短切碳纖維絲束 的集合，所述絲束由已經(jīng)熱粘合于絲束的樹脂顆粒穩(wěn)定。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 本發(fā)明提供取出碳纖維絲束的零料并將它們轉(zhuǎn)化為相對(duì)低成本不連續(xù)模塑復(fù)合 物的方法。模塑復(fù)合物可以用于多種情況，在所述情況中需要多功能的復(fù)合材料模塑復(fù)合 物。例如，本發(fā)明的模塑復(fù)合物可以按與可商購(gòu)的高性能不連續(xù)模塑復(fù)合物相同的方式使 用，所述復(fù)合物例如為HexMC?模塑復(fù)合物（Hexcel Corporation，Dublin CA)，其由LID 帶短切片和樹脂基質(zhì)組成。由UD帶短切片和樹脂基質(zhì)制成的模塑復(fù)合物描述于美國(guó)專利 8366046和公開的美國(guó)專利公開2012-0040169和2013-0101406。其內(nèi)容通過參考并入本 申請(qǐng)。本發(fā)明的模塑復(fù)合物可以用作中高性能模塑復(fù)合物的低成本替代品。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的示例性優(yōu)選方法的圖示示于圖1。首先，方法包括提供包含碳纖維絲 束的零料12的廢舊碳纖維筒管10。這樣的廢舊碳纖維筒管在碳纖維布的織造或碳纖維UD 帶的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生。裝載進(jìn)織造系統(tǒng)或UD帶生產(chǎn)線的初始筒管裝滿碳纖維絲束，如11 處的虛線所示。
[0018] 裝滿的碳纖維筒管可按商業(yè)名稱Hex R)W?商購(gòu)自，例如，Hexcel Corporation (Dublin，CA)。滿筒管的一些實(shí)例是：1)包含1816克AS2C 3K碳纖維絲束的 筒管，該絲束重量為0. 200g/m，密度為1. 80g/cm3;2)包含1816克AS4 3K碳纖維絲束的筒 管，該絲束重量為0. 210g/m，密度為1. 79gm3;3)包含1816克AS4 6K碳纖維絲束的筒管，該 絲束重量為〇. 427g/m，密度為1. 79g/cm3;4)包含3632克AS4碳12K碳纖維絲束的筒管， 該絲束重量為0. 858g/m，密度為1. 79gm3;5)包含1816克AS4C 3K碳纖維絲束的筒管，該 絲束重量為〇. 200g/m，密度為1. 78g/cm3;6)包含1816克AS4C 6K碳纖維絲束的筒管，該 絲束重量為〇. 400g/m，密度為1. 78gm3;7)包含3632克AS4C 12K碳纖維絲束的筒管，該絲 束重量為0. 800g/m，密度為1. 80g/cm3;8)包含3632克AS4D 12K碳纖維絲束的筒管，該絲 束重量為0. 765g/m，密度為1. 79gm3;9)包含3632克AS7 12K碳纖維絲束的筒管，該絲束 重量為〇. 800g/m，密度為1. 80g/cm3;10)包含908克頂2A 6K碳纖維絲束的筒管，該絲束 重量為0. 223g/m，密度為1.7