[发明专利]用于形成三维物体的多层化纺织品材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于三维产品的材料，其具有非常低的重量和改进的拉伸强度。

技术背景

多年以来，需要开发更轻和更结实的材料，来改进许多工业领域中的品质、安全和效率，包括但不限于航天、汽车、航海、服装、体育用品、光纤、工业安全装置、军事和法律行动、和电子产品。

从二十世纪五十年代以来，在开发高性能纤维中已经取得了众多的突破，该纤维在一定的重量分数时具有数倍于钢的强度。这样的高性能纤维的例子包括但不限于聚酯纤维(例如在商品名下销售的产品)，尼龙纤维，芳酰胺纤维(例如在商品名和下销售的产品)，碳纤维，超高分子量聚乙烯(“UHMWPE”)(例如在商品名和下销售的产品)，液晶聚合物(“LCP”)(例如在商品名下销售的产品)和(聚(对亚苯基-2，6-苯并双噁唑))(“PBO”)(例如在商品名下销售的产品)和聚萘二甲酸乙二醇酯PEN纤维(例如在商品名下销售的产品)。多年以来，这些高性能纤维已经被用于织造和非织造排列中(woven and non-woven arrangements)，来形成多层化复合材料和层合的结构。

例如WO2012/018959描述了在织造构造中使用高性能纤维的问题。具体的，该织造方法导致了纤维中的褶皱，其引起应力集中和磨损点，这明显降低了织物的强度和长期性能。

US5333568也描述了织造构造的褶皱问题，同时还描述了增强的非织造层合体，其使用了单向挤出的纤维的增强片，在其中该增强片形成了层合到聚酯膜外层上的一个或多个的单带(uni-tape)。该纤维经由弹性聚合物基质均匀的植入到所述单带中。该高性能纤维的低弹性确保了层合体在纤维定向的方向上所施加的负荷下不发生拉伸。虽然耐拉伸性对于应用例如航行来说是一个关键的参数，在这里层合体必须是挠性的(flexible)，在负荷下不变形，但是当该层合体用于需要一些材料变形来形成三维物体的方法中时，这样的耐拉伸性是有问题的。

在许多情况中，US5333568中所述的材料是用夹入到两个聚酯外层之间的两层或者四层UHMWPE纤维来制造的，其中该纤维是以不同的重量在非偏斜(0°/90°)和偏斜(0°/90°/+45°/-45°)构造中成层的。已经与UHMWPE纤维层一起使用的其他外层材料包括弹性热固性聚合物(例如氨基甲酸酯和有机硅)，热塑性体(例如尼龙)，低密度聚乙烯，聚丙烯，热塑性聚氨酯和热熔粘结剂(例如聚烯烃和聚酰胺)。

虽然具有非常低的重量和高拉伸强度，但是这些材料具有起皱、噪音、令人不快的纹理和缺乏弹性和柔软性的问题。简言之，该材料具有起皱塑料袋的外观和感觉。此外，在使用中，该材料经常缺乏接缝强度，缝合剪切强度，细丝强度，耐UV性和可拉伸性。例如图1和2显示了由US5333568中所述的材料形成的鞋子28。如这些图中所示，当将US5333568中所述的材料置于鞋楦头上来形成三维鞋面26时，所述材料不能在鞋楦头上拉伸来产生三维鞋面形状。此外，该材料必须多处切割和缝纫，来形成鞋面26所需的圆形形状。

US5935678描述了一种处于片形的层合体结构，具有第一和第二阵列(first and second arrays)的高性能、单向定向的纤维束。该第二阵列的纤维束是相对于第一阵列的纤维束以一定角度交叉布层的。聚合物膜位于第一和第二交叉布层阵列的纤维束中，来将该第一和第二阵列的纤维束结合在一起。这种设计提供了一种刚性结构，用作弹道层合体结构(a ballistic laminate structure)，但是当该层合体用于需要一些材料变形来形成三维物体的方法中时，是有问题的。

US2013/0219600描述了一种多层非织造织物材料，其包含芳酰胺/聚乙烯纤维的两个或者四个非织造纤维片，用树脂和/或填料浸渍，并且以不同的角度定向，其用于制造防护服。这种成层的非织造织物层没有粘合或者胶合在一起，作为提供用于防护服的挠性材料的一种方式。虽然这种设计提供了用于防护服所必需的挠性，但是这种设计类似于US5333568中所教导的挠性设计，和因此当层合体用于需要一些材料变形来形成三维物体的方法中时，也不提供所必需的弹性。此外，因为该织物层没有粘合或者胶合在一起，因此该材料具有最小的(如果有的话)分层强度。

因此，期望提供一种非织造多层化复合材料和/或层合结构，其中每个层包含单向的高性能纤维，其提供了非常低重量的材料，具有高拉伸强度和一些弹性，以使得该结构可以用于需要一些材料变形来形成三维物体的方法中。

发明内容