專利名稱：具有a類表面拋光的輕質高剛度復合體的制作方法
技術領域：
本發明涉及聚合物復合材料，特別涉及具有A類表面拋光的輕質、高剛度復合片 材，以及用于制造這些復合片材和包括這些復合片材的制品的方法。
背景技術：
高性能熱塑性復合(HPPC)片材由于HPPC材料的特性在很多機動車應用中的用途 日益增加。這些片材比常規復合片材有所改進，常規復合片材一般包括在熱固性的環氧或 聚酯材料基質(matrix)中的玻璃纖維或碳纖維。反之，HPPC材料使用熱塑性基質而不是熱固性基質，使用連續的玻璃纖維作為硬 化材料。這些材料與標準復合片材相比并不凹陷(sag)，一般提供與鋁金屬片相同的剛度。然而，HPPC片材一般不提供在它們表面上的非常良好的美觀性，這限制它們在片 材的美觀性與它們的功能同樣重要的很多應用如車體面板中的用途。獲得HPPC片材A類 表面的一種解決方案是用熱塑性箔被覆HPPC片材。然而，在這些實施方案中，HPPC中的單 向玻璃纖維在高光澤度應用中是可見的。這由玻璃基質和其間的熱塑性材料之間的不同熱 膨脹引起。噴漆該部分仍然不能補救這些問題。另一解決方案是將HPPC片材如iVzdel SuperLight (SL)與薄(0. 1-0. 3mm)鋁箔進 行組合。在這些實施方案中，外表面具有與玻璃基質類似的熱膨脹，因此這些產品能提供A 類拋光。這些復合片材的缺點在于這些薄箔容易被鋒利物體刺穿，使得它們不適用于很可 能發生刺穿的很多應用中。此外，耐沖擊性很可能降低。因此，提供具有比現有技術復合片材更好的表面拋光而不具有與現有技術方案相 關的一個或多個問題的剛性輕質復合片材會是有益的。提供制造具有比現有技術復合片材 更好的表面拋光的剛性輕質復合片材的方法也會是有益的。
發明內容
本發明通過提供以下方案解決與現有技術相關的問題，提供包括A類表面拋光的 剛性輕質復合片材以及制造這些復合片材和包括這些復合片材的制品的方法。本發明包括 纖維補強的HPPC復合片材，其包括玻璃層壓層(glass laminate layer)和金屬層，以提供 A類表面品質和充分的機械刺穿強度從而滿足大多數結構要求。金屬層被覆HPPC復合體中 的單向玻璃纖維，同時玻璃層壓層向復合體提供抗機械刺穿性。整個組件仍然是輕質的。因此，一方面，本發明提供剛性輕質復合片材，其包括芯層，其具有第一面和第二 面，并包含熱塑性材料和至少一種纖維；與芯層第一面附著的金屬層；以及與芯層第二面 附著的玻璃層壓層；其中該復合片材具有A類表面拋光。另一方面，本發明提供制造剛性輕質復合片材的方法，該方法包括以下步驟提供 具有第一面和第二面并包含熱塑性材料和至少一種纖維的芯層；將金屬層附著至芯層的第 一面；以及將玻璃層壓層層壓至芯層第二面；其中該復合片材具有A類表面拋光。
以下述描述和僅是說明性的實施例來更具體地描述本發明，其中很多改進或變 體對本領域技術人員而言是顯而易見的。說明書和權利要求書中所用的單數形式"一個 (a)“、“ 一種(an)“和"該(the)“可以包括復數指示物，除非上下文中另有明確說明。此外，在說明書和權利要求書中所用的術語"包含"可以包括"由......組成"和"基本上由......組成"的實施方案。此外，文中公開的所有范圍都包括端點，并且是可獨立組合的。整個說明書中的術語“一個實施方案”、“另一實施方案”、“實施方案”、“一方面”、 “另一方案”等意思是指所述與實施方案相關的具體要素(例如性質、結構、和/或特性)被 包括于本文所述的至少一個實施方案/方面中，并可以存在或可以不存在于其它實施方案 /方面中。此外，應理解所述要素可以以任何適當的方式在各種實施方案/方面中組合。文中所用的近似語言可以用以修飾任何定量表述，該定量表述可以改變而不引起 與其相關的基本功能的變化。因此，由術語如“約”和“基本上”修飾的值有時可以不限于 規定的精確值。至少在一些情況下，近似語言可以相應于用于測量值的儀器的精度。本發明提供包括A類表面拋光的剛性輕質復合材料，以及制造這些復合體和包括 這些復合體的制品的方法。HPPC片材是纖維補強的HPPC復合片材，其包括至少一層玻璃層 壓層和金屬層，玻璃層壓層用于提供剛度和/或充分的機械刺穿強度，從而滿足大多數結 構要求；金屬層用于提供A類表面品質拋光。整個組件仍然是輕質的。HPPC片材包括至少三層，各自設計為向復合片材提供不同特性。在第一方面中， HPPC片材包括芯層。該芯層包括熱塑性樹脂和至少一種纖維。纖維向芯層提供剛度和/或 沖擊強度，由此向HPPC片材提供剛度/或沖擊強度。HPPC片材在芯層一面上還包括玻璃層 壓層。玻璃層壓層設計為向HPPC片材提供抗刺穿性。HPPC片材在芯層第二面上還包括金 屬層。該金屬層被覆芯層中的纖維，并有助于向HPPC片材提供A類表面拋光。在供選擇的 實施方案中，HPPC片材包括位于金屬片層和芯層之間的第二玻璃層壓層。第二玻璃層壓層 還向HPPC片材提供另外的剛度，以及向HPPC片材提供另外的抗刺穿性。因此，一方面，本發明提供HPPC片材，其包括包含熱塑性樹脂的芯層。在一種實施 方案中，適當的熱塑性樹脂包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-苯乙烯共聚 物(acrylonitrylstyrene)、聚丁二烯(butadiene)、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲 酸丁二醇酯、聚四氯丁烯(polybutyleneterachlorate)和聚氯乙烯(這些材料增塑的和未 增塑的)，以及這些材料彼此的共混物或這些材料與其它聚合物材料的共混物。其它適當的 熱塑性樹脂包括但不限于聚亞芳基醚、聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、熱塑性聚酯、聚醚酰亞胺、丙 烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物、無定形尼龍、聚亞芳基醚酮、聚苯硫醚、聚芳砜、聚醚砜、 液晶聚合物、聚(1，4_亞苯基)化合物、耐高溫聚碳酸酯、耐高溫尼龍、和硅酮，以及這些材 料彼此之間或與其它聚合物材料的合金和共混物。可以預料在本發明中能使用任何這樣的 熱塑性樹脂，其能通過加熱充分軟化從而使得熔融和/或成型，而沒有化學分解或熱分解。除了有機聚合物基礎樹脂以外，本發明的復合材料還包括至少一種纖維，其設計 為有助于向芯層提供強度，并由此向復合片材提供強度。適用于本發明的纖維包括玻璃纖 維、碳纖維、石墨纖維、合成的有機纖維、特別是高模量有機纖維如對-和間-芳族聚酰胺纖 維、尼龍纖維、聚酯纖維、或適用作纖維的上述任何熱塑性樹脂、天然纖維如大麻、劍麻、黃 麻、亞麻、椰絲維、洋麻和纖維素纖維、礦物纖維如玄武巖、礦物棉(例如巖棉或渣棉)、硅灰石、礬土、和硅石等、或其混合物，金屬纖維、金屬化天然和/或合成纖維、陶瓷纖維、或其混 合物。在一種實施方案中，芯層中的纖維含量可以為芯層重量的15%至85%，在供選擇的 實施方案中，為芯層重量的45 %至60 %。在一種實施方案中，芯層中的纖維短于7毫米，不過這些較短纖維可能未向芯層 提供充分的支撐，這有賴于HPPC片材的預計用途。在另一實施方案中，芯層中的纖維可以 長于200毫米，不過這些較長纖維可能需要另外的加工時間以形成芯層，進而形成HPPC片 材。因此，在本發明的有益實施方案中，在芯層中使用的纖維具有7至200毫米的長度，在供 選擇的實施方案中，具有10至75毫米的長度。除了它們的長度以外，在一種實施方案中， 芯層中的纖維具有7至25微米的平均直徑，在供選擇的實施方案中，具有10至20微米的 平均直徑。在一種實施方案中，芯層包含Superlight 材料，其可得自hdel，he。在該實 施方案中，芯層是低密度玻璃氈(glass mat)熱塑性復合物(GMT)。有利地，GMT的面密度 為400克/平方米GMT (g/m2)至4000g/m2，不過面密度可以低于400g/m2或大于4000g/m2， 這有賴于具體應用需要。有利地，密度上限應低于4000g/m2。Superlight芯層一般使用以下材料制備短切玻璃纖維、熱塑性樹脂和熱塑 性聚合物膜，以及用玻璃纖維或熱塑性樹脂纖維如聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、PC/PBT共混物、或PC/PET共混物制 成的編織物或無紡布。一般而言，PP> PBT、PET、以及PC/PET和PC/PBT共混物是熱塑性樹 脂。為了生產低密度GMT，將材料和其它添加劑計量至在裝備有葉輪(impeller)的頂部開 口混合槽中容納的分散泡沫中。泡沫有助于分散玻璃纖維和熱塑性樹脂粘合劑。玻璃和熱 塑性樹脂的分散混合物經由分配歧管被泵入至位于造紙機網部(wire section)上方的網 前箱(head-box)。然后隨著分散的混合物使用真空通過移動的金屬絲網，泡沫而不是玻璃 纖維或熱塑性樹脂被去除，連續地產生均一的纖維性濕網(wet web)。濕網通過干燥器以降 低濕氣含量并熔融熱塑性樹脂。當熱網離開干燥器時，通過使玻璃纖維、熱塑性樹脂和熱塑 性聚合物膜的網通過成組熱輥的輥隙，熱塑性膜可以層壓至網(web)中。無紡布和/或紡 織品層還可以與熱塑性膜一起或代替熱塑性膜附著至網的一面或兩面，從而提高處理玻璃 纖維補強氈的容易性。Superlight芯層然后可以通過張力輥，并連續切割(裁切)至選 定的尺寸，用于之后形成最終產品制品。除了芯層以外，本發明的HPPC片材還包括玻璃層壓層，其設計為向片材提供剛度 和抗刺穿性。玻璃層壓層包括多根通過熱塑性樹脂粘合在一起的基本上單向的補強玻璃纖 維。術語"單向的"意思是指纖維基本上彼此平行排列，使得纖維的縱軸基本上平行。此 處所用的"基本上平行"是指以下纖維，它們之間具有角度，其中該角度平均不偏離超過 10度。此外，玻璃層壓層基本上不含有纖維轉換接頭(cross-over)，其中轉換接頭纖維與 排列纖維的縱軸形成的角度等于或大于30度。在那些包括兩層以上玻璃層壓層的HPPC片 材實施方案中，相鄰的玻璃層壓層包括補強玻璃纖維，所述補強玻璃纖維在各玻璃層壓層 中是單向的，但在玻璃層壓層中排列的玻璃纖維可以以與相鄰玻璃層壓層中排列的玻璃纖 維成某一角度設置。該角度可以在0度至90度范圍內。在一種實施方案中，玻璃層壓層是預浸漬體結構，其通過在排列的玻璃纖維上或 在排列的纖維周圍浸漬樹脂形成。可以利用形成預浸漬體結構的各種方法，非限制性地包括溶液加工、漿液加工、用熔融聚合物直接浸漬纖維束、纖維共混(co-mingling)、以及熱塑 性粉末燒結為纖維束等。該技術一般是本領域中已知的。在玻璃層壓層中使用的熱塑性樹脂可以選自上述適用于芯層的熱塑性樹脂。芯層 中的熱塑性樹脂可以與玻璃層壓層中的熱塑性樹脂相同或不同。在使用多層玻璃層壓層的 那些實施方案中，在一層玻璃層壓層中的熱塑性樹脂還可以與任何其它玻璃層壓層中的熱 塑性樹脂相同或不同。盡管玻璃層壓層描述成采用玻璃纖維，不過應當理解，在供選擇的實施方案中和 根據HPPC片材的預計用途，可以使用替換性纖維代替玻璃纖維，或者除了玻璃纖維以外使 用替換性纖維。這些替換性纖維可以選自前述適用于芯層的纖維。玻璃層壓層可以在芯層的制造工藝期間附著至芯層，或者玻璃層壓層可以在形成 使用HPPC片材的制品之前附著。非限制性地，在制品形成工藝前，玻璃層壓層可以通過以 下附著至芯層將玻璃層壓層層壓至芯層，玻璃層壓層聲波焊接至芯層，或將玻璃層壓層簡 單敷設越過芯層。還可以使用本領域中已知的其它適當技術。除了芯層和玻璃層壓層以外，本發明的HPPC片材還包括金屬層，其設計為向HPPC 片材提供A類表面拋光。在一種實施方案中，金屬層是具有0.01至0. 5mm厚度的薄金屬層。 在另一實施方案中，金屬層具有0. 1至0.4mm的厚度。在再一實施方案中，金屬層具有0. 2 至0. 3mm的厚度。金屬層可以選自任何能向HPPC片材提供A類表面拋光的金屬。范例性金屬包括 但不限于鋁、銅、鋼、或其組合。使用任何能結合金屬層至熱塑性層的方法，可以將金屬層結合至芯層，或者在供 選擇的實施方案中結合至玻璃層壓層。在一種實施方案中，使用粘合劑將金屬層結合至芯 層或玻璃層壓層。范例性粘合劑包括但不限于熱塑性粘合劑，包括壓敏粘合劑和熱熔融粘 合劑，如聚酰胺、改性聚烯烴、氨基甲酸酯(urethane)和聚烯烴。可以使用用粘合劑層預制 的金屬層，并在部分形成工藝中結合至HPPC結構。在供選擇的實施方案中，金屬層可以包括一個或多個另外的處理步驟，有賴于拋 光基質的潛在用途。例如，在一種實施方案中，金屬層可以包括腐蝕處理，其在接合金屬層 之前應用。在供選擇的實施方案中，金屬層可以包括涂施于金屬外面的底漆層，以使得金屬 層能隨后被上漆。在再一實施方案中，金屬層可以包括所有上述處理，如腐蝕保護處理、粘 合劑和/或底漆。在供選擇的實施方案中，可以使用金屬層適用的其它處理。如上所討論，本發明的復合材料可以用于各種應用，其中剛性輕質材料用于美觀 性應用中，使得可以利用A類表面拋光的優點。該應用的實例包括但不限于建筑基礎結構、 飛行器、火車和海軍艦艇側壁面板、天花板、貨物襯墊(cargo liner)、辦公室隔墻、升降機 井襯里、吊頂板材(ceiling tiles)、用于照明器具的嵌入式外殼(housing)，以及一般用蜂 窩夾層結構、熱塑性片、和FRP制成的其它該應用。根據本發明的復合片材可以使用本領域中已知的方法成型為各種制品，包 括壓力成型、熱成型、熱壓印(thermal stamping)、真空成型、壓縮成型、和施壓成型 (autoclaving) 0該成文說明書使用實施例來公開包括最佳方式的本發明，以及使得本領域技術人 員能實施并使用本發明。本發明的專利保護范圍通過權利要求來限定，其可以包括本領域技術人員想到的其它實例。如果其它實例具有并未不同于權利要求書文字語言的結構要 素，或者它們包括與權利要求書文字語言無實質性差異的等價結構要素，則該其它實例在 本發明的范圍內。文中引用的所有文獻明確地引入本文作為參考。
權利要求
1.剛性輕質的復合片材，其包括芯層，其具有第一面和第二面，并包含熱塑性材料和至少一種纖維；金屬層，其附著至所述芯層的第一面；和玻璃層壓層，其附著至所述芯層的第二面；其中該復合片材具有A類表面拋光。
2.根據權利要求1所述的復合片材，其中所述芯層包括選自以下的熱塑性樹脂聚乙 烯，聚丙烯，聚苯乙烯，丙烯腈-苯乙烯共聚物，聚丁二烯，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚對苯 二甲酸丁二醇酯，聚四氯丁烯，聚氯乙烯，聚苯醚、聚碳酸酯，聚酯碳酸酯，熱塑性聚酯，聚醚 酰亞胺，丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物，無定形尼龍，聚亞芳基醚酮，聚苯硫醚，聚芳 砜，聚醚砜，聚(1，4_亞苯基)化合物，硅酮，或包括前述樹脂中至少一種的組合。
3.根據權利要求1或2所述的復合片材，其中所述芯層包括至少一種選自以下的纖維 金屬纖維，金屬化無機纖維，金屬化合成纖維，玻璃纖維，石墨纖維，碳纖維，陶瓷纖維，芳族 聚酰胺纖維，或包括前述纖維中至少一種的組合。
4.根據前述權利要求中任一項所述的復合片材，其中所述芯層包含20重量％至80重 量％的至少一種纖維和20重量％至80重量％的熱塑性樹脂。
5.根據權利要求4所述的復合片材，其中所述芯層包含35重量％至55重量％的至少 一種纖維和45重量％至65重量％的熱塑性樹脂。
6.根據前述權利要求中任一項所述的復合片材，其中所述金屬層包括鋁金屬層。
7.根據權利要求6所述的復合片材，其中所述鋁金屬層的厚度為0.1至0. 4mm。
8.根據權利要求7所述的復合片材，其中所述鋁金屬層的一面預先涂布有粘合劑。
9.根據權利要求8所述的復合片材，其中所述鋁金屬層已用腐蝕保護處理進行預處 理，且該鋁金屬層已涂布有底漆用于隨后在相對于粘合劑的另一面上進行上漆操作。
10.根據前述權利要求中任一項所述的復合片材，其中所述玻璃層壓層包括通過熱塑 性樹脂粘合在一起的很多基本上單向的補強玻璃纖維。
11.根據前述權利要求中任一項所述的復合片材，其進一步包含在所述芯層和所述金 屬層之間的第二玻璃層壓層。
12.根據權利要求11所述的復合片材，其中玻璃層壓層和第二玻璃層壓層均包含通過 熱塑性樹脂粘合在一起的多根基本上單向的補強玻璃纖維，且其中使玻璃層壓層取向，從 而使得一層玻璃層壓層的基本上單向的補強玻璃纖維與另一玻璃層壓層的基本上單向的 補強玻璃纖維基本上垂直。
13.制造剛性輕質復合片材的方法，該方法包括提供芯層，其具有第一面和第二面，并包含熱塑性材料和至少一種纖維；將金屬層附著至所述芯層的第一面；和將玻璃層壓層層壓至所述芯層的第二面；其中該復合片材具有A類表面拋光。
14.根據權利要求13的方法，其進一步包括在將金屬層層壓至第二玻璃層壓層之前， 將第二玻璃層壓層層壓至所述芯層的第一面。
15.根據權利要求14的方法，其中玻璃層壓層和第二玻璃層壓層均包含通過熱塑性樹 脂粘合在一起的多根基本上單向的補強玻璃纖維，且其中使玻璃層壓層取向，從而使得一層玻璃層壓層的基本上單向的補強玻璃纖維與另一玻璃層壓層的基本上單向的補強玻璃 纖維基本上垂直。
16.根據權利要求13或14的方法，其中所述芯層包含選自以下的熱塑性樹脂聚乙 烯，聚丙烯，聚苯乙烯，丙烯腈-苯乙烯共聚物，聚丁二烯，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚對苯 二甲酸丁二醇酯，聚四氯丁烯，聚氯乙烯，聚苯醚、聚碳酸酯，聚酯碳酸酯，熱塑性聚酯，聚醚 酰亞胺，丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物，無定形尼龍，聚亞芳基醚酮，聚苯硫醚，聚芳 砜，聚醚砜，聚(1，4_亞苯基)化合物，硅酮，或包括前述樹脂中至少一種的組合。
17.根據權利要求13-16中任一項所述的方法，其中所述芯層包括至少一種選自以下 的纖維金屬纖維，金屬化無機纖維，金屬化合成纖維，玻璃纖維，石墨纖維，碳纖維，陶瓷纖 維，芳族聚酰胺纖維，或包括前述纖維中至少一種的組合。
18.根據權利要求13-17中任一項所述的方法，其中所述金屬層包括鋁金屬層。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述鋁金屬層的厚度為0.1至0. 4mm。
20.根據權利要求13-19中任一項所述的方法，其中所述金屬層使用粘合劑附著至芯層。
21.根據權利要求13-20中任一項所述的方法，其中所述玻璃層壓層包含通過熱塑性 樹脂粘合在一起的多根基本上單向的補強玻璃纖維。
全文摘要
本發明公開了包括A類表面拋光的剛性輕質的復合材料，以及制造這些復合體的方法和包括這些復合體的制品。纖維補強的HPPC復合片材包括玻璃層壓層和金屬層。金屬層被覆HPPC復合體中的單向的玻璃纖維，同時玻璃層壓層向復合體提供抗機械刺穿性，同時提供具有A類表面拋光性質的復合片材，其仍然是輕質的。
文檔編號B32B27/00GK102056742SQ200980120956
公開日2011年5月11日 申請日期2009年6月3日 優先權日2008年6月3日
發明者德克·A·努德格拉夫, 魯道夫·納斯 申請人:沙伯基礎創新塑料知識產權有限公司