[发明专利]用于制造纤维增强聚合物复合材料的增强纤维束

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2007年10月4日提交的美国临时专利申请No.60/977,507的优先权权益。本申请因此引入临时申请No.60/977,507的全部内容供参考。

本发明的领域

本发明涉及短切(short-cut)有机增强纤维束，它适合于以体积或重量计量加入到用于生产纤维增强聚合物复合材料的配混过程中。

本发明的背景

无机纤维如玻璃常常用作在热塑性和热固性聚合物复合材料中的增强纤维。玻璃增强纤维改进复合材料的模量，强度和热挠曲温度。然而这些脆性纤维导致较低的断裂伸长率和较低的冲击强度，尤其在低温下。在热塑性聚合物的典型树脂配混操作中，玻璃纤维(1.5到3mm短切或连续长丝粗纱)与热塑性聚合物在配混用的挤出机中进行混合。对于长丝粗纱的情况，该挤出机用作将脆性玻璃粗纱断裂成小的长度的设备。

合成有机聚合物纤维和/或天然纤维素型纤维也能够用作聚合物复合材料中的增强材料并用于改进复合材料的冷抗冲击性。例如，PCT已出版的专利申请WO 02/053629描述了可挤出和可模塑的聚合物复合物，它含有热塑性聚烯烃基质，其中PET增强纤维和滑石填料分散在该基质中。PET纤维的包含已表明改进该模塑复合物的冷冲击强度。冲击强度的提高不需要在增强纤维和聚烯烃基质聚合物之间的粘合。

短切高强度聚合物纤维能够通过切断高强度工业纱，和将这些压缩成捆束来生产。然而，当加工者尝试将这些短切纤维计量加入到配混挤出机中时，纤维有趋势一起团聚，在配混的树脂中导致不均匀的纤维含量和弱的纤维分布。弱的分布会导致模塑复合材料的较差物理性能和表观。

例如，美国专利No.3,639,424描述可挤出和可模塑的聚丙烯和聚乙烯组合物，有短切聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)增强纤维分散在其中。该‘424专利指出与玻璃纤维不同，其它合成聚合物纤维不会很好地分散在聚合物中但倾向于以纤维堆积物的形式团聚，导致纤维在模塑产品中的分散的不均匀性。

已出版的美国专利申请No.2006/0261509(Lustiger)举例说明了将短切聚酯纤维计量加入到配混挤出机中的难处。正如本申请所指出，重力或振动进料器典型地被用于将聚合物、填料和添加剂计量加入并传输到配混挤出机中。这些进料器可有效地传输粒料或粉末，但不是特别适合于传输短切聚合物纤维，因为短切纤维倾向于团聚或搭桥，导致进入到配混过程中的不一致的进给速率。为了克服这一问题，本申请建议将聚酯的连续线条直接量加入到配混挤出机中，在其中线条借助于挤出机螺杆的作用被断裂。尽管这一途径对于脆纤维如玻璃可以成功地使用，但是聚酯增强纤维的高柔韧性(即高纤维强度和伸长率)会带来困难，因为在高处理量配混过程中挤出机螺杆既不完全地又不均匀地断裂纤维线条。

美国专利No.6,202,947(Matsumoto等人)提供另一个途径来计量添加增强纤维，其中丝束切割装置位于配混挤出机的进料口。切割装置速度被调节以输出必要量的纤维到挤出机中。然而，需要对进料斗和排料装置进行改进以容纳此类纤维。

本发明的概述

根据本发明，用于聚合物复合材料的短切合成有机或纤维素型天然增强纤维是以一种形式提供的，它能够通过使用普通的体积或重量计量设备均匀地加入到配混过程中。在包括单螺杆或双螺杆挤出机或双臂间歇式混合机的使用的配混方法中，在配混过程中此类增强纤维分散并均匀分布在基质树脂中。在这里使用的，合成纤维是指从有机聚合物生产或获得的合成纤维并且具体地说包括碳纤维。此外，在这里使用的，纤维素型天然增强纤维应该包括纱形成用的天然的韧皮纤维、叶纤维或种子纤维。

该增强纤维是以短切纤维束(cut fiber bundle)的形式提供的，有整理组合物涂覆该纤维并且在各个短切纤维束内的纤维之间形成不牢固的纤维间粘结。该整理剂提供纤维间内聚力并且提高该束的体积密度使得短切纤维束的物料(mass)能够通过体积(体积损失)型或重量(重量损失)型螺杆送料设备均匀地进料并且从该螺杆送料设备流向配混过程中。经过在配混过程中与基质聚合物的混合，非牢固的粘结将破裂并且短切纤维束崩解成分散在基质聚合物中的单独的单根纤维。