[发明专利]单向增强材料和制备单向增强材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及单向增强材料和制备单向增强材料的方法。本发明的单向增强材料可用于通常需要增强材料的所有此类应用，尤其是其中使用真空灌注技术或树脂传递模塑(RTM)技术以将树脂分布在模具中以及尤其是最终产品需要高质量和强度的此类应用。本发明的单向增强材料尤其适用于制造用于风力机叶片的翼梁帽层合物、汽车部件、船、各种强度构件等，即，需要纵向形式的所有此类结构。

背景技术

当使用各种纤维例如玻璃、碳和芳纶纤维以及亚麻、大麻、黄麻、洋麻、玄武岩和其他天然纤维等制造复合材料产品和层合产品以用于制造例如船、汽车和风力机部件时，例如，该制造过程从制备合适的纤维增强材料如织造结构或针织结构开始，这些纤维增强材料可具有单向或多轴向取向。然后，将所述结构放置在用于制造中间产品或最终产品的模具中。模具自然地具有最终产品的形状，这意味着形状有时可能非常复杂，并且当将增强材料放入模具中时需要对增强材料进行大量适形调整。通常，将若干层(最多至数十层)增强材料彼此层叠地堆叠于模具中，并且将与硬化剂或不饱和聚酯树脂或乙烯基酯混合的热固性树脂(如环氧树脂)引入模具中以形成纤维增强复合材料制品。树脂也可以是热塑性的，如PA(聚酰胺)或CBT(环聚对苯二甲酸丁二醇酯)等。实践表明，当最终产品必须抵抗高机械负载时，可通过缝合而在横向方向上保持在一起的单向增强材料是最终产品制造中的优先选择，因为它们可以根据负载而有效地取向。此类单向增强材料由通常称为增强纤维的粗纱或丝束制成。

单向增强材料通常由单层增强粗纱形成。增强材料的构造取决于目标面积重量和粗纱的特克斯数。例如，如果需要高面积重量，则在其制造中使用厚粗纱(例如，采用无碱玻璃纤维，2400特克斯)，而如果需要具有低面积重量的增强材料，则使用薄粗纱(例如，采用无碱玻璃纤维，600特克斯)。

最终产品，即固化的层合结构可由多个此类单向增强材料制成，制造方法为根据层合构造承受的负载将各增强材料层布置为使得在最终产品中每层粗纱是平行的或一些层以其他方向取向，或者首先制造若干层单向增强材料的织物，使得相邻层的粗纱形成一定角度，然后将如此形成的织物用于最终产品的制备。根据其中不同纤维取向的数量，此类织物被称为双轴向、三轴向、四轴向等的织物。

因为纱只沿一个方向延伸，所以单向增强材料在性质上固有地不稳定。为了能够处理单向增强材料，必须用合适的方式将其粗纱彼此锚定或结合。一般而言，现有技术已知两种用于此目的的不同机械方法。

一种方法是通过缝合(例如经编)固定粗纱。缝合纱形成针织圈，即线迹，其将实际的增强粗纱在增强材料中固定到位。根据已知的经编技术，线迹通过刺穿一层或多层增强纤维的各种针织元件(例如针)形成。缝合纱在增强材料中纵向延伸，并且线迹可形成若干熟知的图案，例如链或经向斜纹等。缝合纱通常但并不一定为厚度为约34分特至约167分特并包含几十条长丝(通常为例如24条或48条长丝)的卷曲变形的或未卷曲变形的聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯)长丝纱。

缝合增强材料是熟知的，并且它们具有一些良好的特性。首先，如果在纵向延伸的缝合纱将与相邻的纱连接的情况下使用此类图案，则它们的横向稳定性良好，因为尽管缝合纱主要纵向延伸，但其形成为单向粗纱赋予增强材料所需的完整性的此类图案(例如经向斜纹)。其次，所述增强材料易于定位在模具中(即，使增强材料沿循模具的轮廓)，因为如果适当选择缝合参数，如线迹长度、针间距和纱张力(仅举几个为例)，则缝合增强材料通常非常柔软。

然而，线迹的使用也会导致一些问题。例如，线迹会导致粗纱规则的弯曲/扭结，该弯曲/扭结使承受负载的纤维偏离其初始直线取向。线迹还会局部压缩粗纱，从而造成不规则的树脂分布和内部应力集中的风险。

另一种机械方法是使用编织技术以将纵向经纱采用轻质纬纱锚定在其相应位置。就纬纱而言，已使用无涂层的纱和带热熔涂层的纱两者。加热和冷却之后，热熔粘合剂已赋予增强材料相当大的稳定性。然而，编织替代形式不再被视为是有利的，因为增强纱在与纬纱交叉时形成扭结，从而导致应力集中以及比针织形式低的机械性能。已发现，热熔粘合剂纱在使用时会在基体固化中产生局部干扰，从而在业界不再受青睐。通常，纬纱为复丝纱，无论它们是不是热熔纱，在受压时都会变平。