[发明专利]包括纤维和液晶热固性前体的预浸产品和复合产品

说明书

本发明涉及预浸产品，比如适于形成复合材料的带或片，该预浸产品包括增强纤维和液晶热固性(LCT)前体。本发明的其他方面涉及用于制备该预浸产品的方法和基于该预浸产品的复合产品。

技术领域

本发明属于复合材料领域。特别地，本发明涉及包括增强纤维的预浸渍产品及其复合产品。

背景技术

增强复合产品通常基于增强纤维(例如碳纤维)和用于粘合纤维的基质材料(例如环氧树脂、热塑性树脂)。为了促进复合产品的生产，预浸渍产品(也称为预浸产品)用作中间品。预浸产品包括纤维和部分固化的基质材料。这样，预浸产品通常是可成形的(可选地在加热和施加压力之后)以符合用于制造复合产品的模具或芯轴的轮廓。复合材料通常通过以下形成：手动或自动铺层工艺(在模具中布置预浸产品)，以及随后的可能在压力、真空或减压下或者两者下的加热，使得基质材料浸润面料并进一步固化。因此，预浸产品的使用大大地促进了复合材料的生产。

然而，已知的预浸类复合产品也面临缺点。增强纤维和基质材料在它们界面处的结合相当弱。加强这种结合的努力包括向增强纤维的外表面添加“胶料”以促进粘附力，包括在纤维和周围基质材料之间形成化学键(共价键、离子键和氢键等)。然而，尽管做出了这些努力，复合产品的性能仍然有限。例如，通过将复合产品暴露于一定范围的温度，在随后使产品断裂时，人们通常观察到“纤维拔出”，这是纤维和基质之间弱结合的特征。

已知复合材料的界面结合弱化的现象可能是由纤维和周围基质材料的各自热膨胀系数(CTE)的不匹配引起的。例如，在基质材料的CTE比纤维的CTE足够高的情况下，这导致界面应力。因此，在冷却和加热复合产品时，CTE不匹配可能导致非常高的机械应力，弱化了增强材料与基质之间的粘附力。

期望具有预浸产品和所得的复合产品，其具有较少的上述缺点并且相对于已知预浸产品的复合产品具有改善的机械性能。

发明内容

本发明人已经惊讶地发现了一种预浸产品，其通过提供包括增强纤维和液晶热固性(LCT)前体的预浸产品(比如适于形成复合材料的带或片)来满足上述目的。

该预浸产品中的LCT前体可以被热处理以热固化并形成围绕增强纤维的热固性基质。如此形成根据本发明的复合产品。

令人惊讶地已经发现，与例如基于各向同性基质(比如环氧树脂或热塑性树脂，如聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚(对亚苯基硫醚)(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚醚砜(PES)等)的已知复合产品相比，LCT前体的使用可以得到基于该LCT前体的复合产品的优异机械性能。

不希望受理论束缚，发明人认为改善的机械性能可能是LCT前体的特定分子取向的结果。由于LCT前体具有液晶性质，因此LCT熔体中分子取向有序(orientational order)的平均方向可以由导向(director)n表征。该导向n是非极性矢量，表示一组LCT前体低聚物内纵轴的平均取向。据信，LCT前体可以以其纵轴(因此n)在与其最近的增强纤维的纵轴基本上相同的方向上取向，并且结果是基于LCT前体的热固性基质的热膨胀系数(CTE)将类似于增强纤维的CTE。这可以得到对复合产品的热循环(冷却或提高温度)的较小的机械应力。

基本上相同的方向可以由导向n和纤维的纵轴之间的角度表示。这样，90°角意为导向n与纤维的纵轴正交，并且0°意为完全对准。基本上相同的方向意为该角度优选小于60°，更优选小于45°，最优选小于20°。这将构成LCT流体相在纤维界面处的所谓“平面锚定”，其中导向n沿着纤维的纵向方向。

在位于纵轴处于某任意角度且不平行的两个相邻纤维之间的LCT前体的域(domain)的情况下，导向n通过连续改变其方向跨越两个纤维之间的空间，使其在两个纤维表面处满足上述平面锚定条件。局部地在纤维-LCT前体界面处，导向n平行于纵向纤维轴对准，但是在更大的长度尺度上，n方向的分布可以与前一段中描述的角度不同。纤维的编织排列尤其可以是这种情况。