[发明专利]工程热塑性塑料中的多功能添加剂

说明书

技术领域

本公开的实施方案涉及用于制造复合材料的树脂灌注（resin infusion）和聚合物加工，具体地，涉及环氧树脂固化剂和工程热塑性塑料的组合。

背景技术

纤维增强的聚合物基体复合材料(PMC)是高性能的结构材料，其常用于需要对抗苛刻环境、高强度和/或低重量的应用。如此的应用的实例包括飞行器部件(例如尾、翼、机身和螺旋桨)、高性能汽车、船身和自行车框架。PMC包含与基体材料如聚合物树脂粘合在一起的结构增强纤维层。结构增强纤维使基体加强，承受由复合材料支撑的主要负荷，而基体承受由复合材料支撑的小部分负荷而且将负荷从断裂的纤维转移至完整的纤维。以此方式，PMC可承载比基体或纤维单独可承载的负荷更大的负荷。此外，通过在特定的几何学或取向方面调整结构增强纤维，可有效地设计重量和体积最小同时强度和性能最高的复合材料。

已开发许多用来制造PMC的方法。这些包括液体模塑(LM)和经预浸的预浸料坯(预浸料坯)。

常规的预浸料坯包含用基体树脂湿润、浸渍的结构增强纤维片。然后将这些预浸料坯以特定的取向在工具上分层铺放在彼此之上以形成层压品，而后它们在高压釜中受到加热和压力使预浸料坯层合料固化成最终复合材料。

液体模塑法不同于常规预浸料坯法之处在于，将干燥的结构增强纤维置于模腔或用于网型制模的其它装置中，将基体树脂注入或灌入结构增强纤维中。液体模塑(LM)是广义术语，其包括诸如树脂转移模塑(RTM)、液体树脂灌注(LRI)、软模具树脂灌注(RIFT)、真空辅助树脂转移模塑(VARTM)、树脂膜熔渗(RFI)等之类的加工技术。LM较之常规预浸料坯法的潜在益处包括缩短层合时间、对预浸料坯粘性和覆盖(drape)无依赖性和延长储藏寿命。在实践中，LM技术最广泛地用于专门的操作，在这些操作中需要复杂的复合材料结构(多部件)，需要通过使碳纤维选择性地分布于模具中而得的局部加强的结构，以及需要非常大的结构之处例如航海应用。

树脂膜熔渗(RFI)是LM技术与常规预浸料坯相结合的技术，例如在RTM或RFI高压釜固化中，其中将各个预浸料坯以规定的取向叠放形成层压品，将层压品紧靠平滑金属板放置，并相继地用多孔层、渗料织物层和真空袋层覆盖。向层压品施加强化压以加固各层并且压缩残余的任何易挥发物的气泡。

但是，高压釜的使用限制了可制造的部件的尺寸。例如，不可能利用高压釜制造大结构如船身、飞行器翼或机身或者桥，因为需要同样大的高压釜，大大增加资本成本和运行成本。

VARTM通过采用仅单侧模塑并利用真空袋技术压缩预制品来简化硬模RTM。但是，若树脂在全部填充前的确不固化，模具填充时间可能太长。

RIFT提供显著更快的填充时间。分布介质，即，流动阻力非常低的多孔层，为注入的树脂提供相对容易的流动路径。树脂快速流过置于层压品上的分布介质，然后向下流经预制品的厚度。已知使用纤维产生树脂灌注的通道(WO0102146A1(Plastech)、美国专利5,484,642(Brochier)、美国专利5,326,462(Seemann))，但是这些通道在脱气和固化步骤中被除去，或者若它们被保留则它们在固化后保持完整。

基体树脂需要最终复合材料的各种力学性质，包括强度和韧性。虽然大多数热固性聚合物产生足够的强度，但是它们通常具有脆性，并且它们的韧性或抗损坏性低。故此，多年来已采用多种方法来来增大韧性，包括将韧性热塑性塑料混合入基体树脂中。对于常规的预浸料坯系统，可将热塑性塑料直接添加入基体树脂中，然后被浸渍入结构增强纤维中。但是，热塑性塑料增大基体的粘度并且加大制备预浸料坯的难度。此外，基体树脂的粘度增大使利用热塑性塑料增韧基体树脂的LM难以操作，因为高粘度树脂太难以注入结构增强纤维中。

此外，虽然许多塑性塑料是韧性可延展材料，但是由于若干原因它们在航空结构材料中的用途最少。首先，许多热塑性塑料不具有耐溶剂性、热稳定性和高要求的航空应用所需的高软化点。其次，高温工程热塑性塑料难以加工；通常需要高温和高压来制造可接受的碳纤维增强的复合材料部件。因此，由于热塑性聚合物倾向于高温降解，所以加工温度与热塑性塑料降解温度之间的加工温度窗窄。

由于难以将热塑性塑料混合入用于树脂灌注应用的树脂中，为了从树脂分离有益的热塑性塑料增韧组分，已进行各种尝试。这些包括使用整合在预制品内的热塑性塑料薄毡（veil）、纤维和垫，由此使被灌注的树脂不或几乎不含有热塑性塑料。混合在预制品内的这些热塑性塑料增韧组分在树脂被灌注时可以是不溶性的或者可溶的。