預浸絲束復合材料的制作方法

預浸絲束復合材料的制作方法
【專利摘要】預浸絲束復合材料，其包含以絲線形式彼此連接的結構纖維，所述結構纖維用樹脂浸漬。所述預浸絲束復合材料還包括包圍絲線周圍的邊界層。所述邊界層粘附或連接至絲線周圍以用于增強。
【專利說明】
預浸絲束復合材料
技術領域
[0001]本申請涉及預浸纖維所成的復合材料。本申請還涉及制備、改性、融溶、整合和使用預浸復合材料的成型方法。所述預浸復合材料包括預浸絲束復合材料、預浸絲束模塑材料或預浸復合纖維束。【背景技術】
[0002]在復合材料產業鏈中，絲束是指未扭絞的多條長絲，連續所集成的束狀形(單向的自適應形，圓形或扁繩狀。)，其特別是指人造纖維，例如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等。 絲束粗幼結構稱號，是以纖維的數目而命名。例如，12K絲束包含約12,000根纖維絲，亦可并列多股而組合成大絲束。纖維適用于不同工序和器材將液態樹脂滲潤浸透，才能固化成型。 不均質的浸漬纖維，嚴重影響產品成型和結構標準，特別是大型產品的時間掌控。因含樹脂的纖維，常因膠黏狀而發生纏繞斷裂，難以進行后續制造工序，如編織、裁剪，層迭組合，固化定型等工序。因此，本申請目的是提供適配于后續加工程序，優化其強度、重量和可撓性的預浸絲束復合材料，更易掌控成型時間，解決廢品和測試程序，包括成型后不能預見的風險。
【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種或多種新型的預浸絲束復合材料和制備預浸絲束復合材料的方法。根據本發明的一個方面，本申請提供包括的預浸復合材料(即浸漬復合材料或簡單地說復合材料)。結構纖維以絲線的形式彼此相互黏貼著且所述結構纖維用樹脂或其它類型的粘合劑或粘結材料浸漬或涂覆。預浸復合材料還包括包圍絲線周邊的邊界層 (boundary layer)。纖維接口和介質自適應地粘附和連接至絲線周圍，以達到合一結構增強為目的。結構纖維可縱向對齊(平行)的，即單向的或未扭絞的。或者，結構纖維可為縱向橫貫的，即交叉的或扭絞配合編織的。這些結構性組合，配合功能纖維和介質，可以連續地捆扎在一起，達到直接或更密切地緊貼，有更良好的附著和后加工工序。
[0004]本發明的實施方案提供了包括結構纖維的預浸復合材料或復合預浸絲束，以聚合物(例如樹脂)浸漬(或預浸，pre-preg or pre-1mpregnated)—個或多個由結構纖維制成的絲束或絲線。用邊界層(含介質)進一步包繞(enclose)、涂覆或噴涂所述預浸復合材料， 由此提供均質絲束制備的纖維組件。邊界層可以用不同結構的連續復合纖維層形成，此接口層(含介質)是直接與結構纖維接觸的、且沿著該結構纖維整合成一體。
[0005]預浸復合材料可進一步包括由功能纖維形成的功能接口層，圍繞包覆著結構纖維，在邊界層的下面。功能纖維和結構纖維的兩個層，具有基本相同的方向(即，單向平行的)并且基本沿著它們的長度方向彼此緊密地依附著，有效解決兩層之間的空隙，可撓性的組合層結構，能自適應地伸延并充填，有效增強成型結構。邊界層有效地提供了一個整潔、 均勻和加固的外層作為表層或圓筒形殼，此內濕外干性結構，有利后繼加工工序，包繞后使結構纖維、功能纖維或二者整合在一起。邊界層能使環境中的光、空氣、水和灰塵不能入侵結構纖維和功能纖維，有效地解決衰退和氧化。預浸絲束(即預浸復合材料)能被制成多股扭絞的絲束，其能取代繩纜，或可編織成布狀片材(織物)，或進一步彼此整合成立體骨架， 通過灌注脂類、醚類、水凝混合物等(可泡沫態的)進行固化而成一體。
[0006]預浸絲束復合材料具有能減少熱量耗散(作為熱的不良導體)和破裂的固化層(例如，邊界層)。預浸絲束復合材料提供了良好的絕熱性、增強的結構、防震的特性、抗滲透能力和耐腐蝕性能。預浸絲束復合材料能防御孔隙開裂和吸收振動，從而既具有優異的強度又具有良好的彈性，可適度調節這兩種性能的結合。
[0007]預浸復合材料能代替各類材料:如金屬、塑料、木、石等成型部件，例如金屬鑄造/ 模塑部件，纖維強化釘、加強肋等。熱固性樹脂或環氧樹脂配入介質(如納米材料)，能進一步提高材料剛性和抗腐蝕性。
[0008]預浸復合材料配用界面層，經灌注/充填/滲透/浸潤熱塑性/熱固性(如脂類、醚類、水凝混合物)等混合物，經適度的加熱、加壓，可生產一體成型產品。
[0009]預浸絲束復合材料提供質輕、堅固和耐用的材料，適用于節能產品和交通工具;優化后可成為電纜的加強筋、功能鋼索和建材(如纖維筋);可撓性能提高結構支持和強度。同時，邊界層對結構纖維提供了保護，從而在很大程度上避免或延緩了腐蝕、老化或降解。
[0010]本發明的絲束可由纖維集合而形成。根據具體應用，所述絲束可由3000條纖維 (3k)或更多的纖維組成的大絲束(例如，合并、編織、集束或扭絞)在一起而形成。所述絲束 (即，預浸復合材料)的厚度或直徑、用于制備絲束的纖維的類型、或纖維的直徑，都可根據具體應用要求而確定。在形成絲束前，可用樹脂均勻地涂覆所述纖維的表面，以使得纖維彼此間緊密地粘貼，配合接口層約束，避免纖維之間開裂而成的間隙，從而實現更優異的性能。
[0011]此外，本發明的實施方案還提供新型復合材料，稱為混合固化材料(hybrid composite materials)，透過灌注填充、滲透或浸漬脂類、醚類、水凝混合物等(可泡沫態的)與結構纖維、功能纖維或二者，經適度的加熱、加壓，混和反應所產生的熱能，能加速預浸絲束固化/熱塑化成型，此混合固化技術，能減低生產時間和成本，亦可解決大型部件的收縮變形;優化灌注成型，可生產一體成型大型部件，如器材外殼、風能發電機、和車身工程等。由于浸漬材料和接口層與填充物，在粘合固化方面能與樹脂相互融溶，因此該新型復合材料提供了良好的拉伸強度、抗壓強度、更好的質量一致性和更優異的機械性能。因此，本發明的預浸復合材料，設計成立體骨架，可適用于汽車制造工程及大型部件的整體鑄造。
[0012]本發明的預浸絲束復合材料具有重量輕、成本低、剛性好、不易變形，能廣用不同成型技術配合器材，適用于試模至批量生產。該預浸絲束復合材料具有優異的彈性模量、抗壓強度和抗沖擊強度以及可要求的性能，經穩定的數據測試配合計算器建模設計，可應用于各種產品需求。
[0013]預浸絲束復合材料可進一步包括多種編織方式的片材或立體骨架。可見，本發明的預浸絲束復合材料能提供單支纖維束，二維結構片材及粗幼互配的立體骨架，可撓性或同時兼具二者性能，適配不同材料的組合，能廣泛用于不用行業需求;例如，本發明的預浸絲束復合材料纖維筋，可代替現有的鋼筋，抗腐蝕功能，特別適用于惡劣環境的建筑物，由于本發明的預浸復合材料能隔熱、隔音、減震，適用于環保建筑的熱島效應和防地震的建筑物。
[0014]邊界層可包含彼此相鄰的功能纖維。可在結構纖維上使用不同類型的纖維提供附加層。兩種不同類型的纖維可具有不同的機械性能優點。例如，結構纖維具有良好的拉伸強度，而功能纖維具有優異的彈性。當被整合進相同的預浸復合材料時，該材料就會既堅固又有彈性。此外，結構纖維和功能纖維可具有不同的材料性能和/或提供不同的技術功能。例如，功能纖維為光導纖維或導電銅絲，而結構纖維為鋼絲。由此，該預浸復合材料可獲得不同的(有時是互相矛盾的)物理性能。光導纖維通常是柔軟和脆弱的，但預浸復合材料由于包括了鋼絲從而為光導纖維提供了剛性同時又提供了彈性。
[0015]當功能纖維位于復合材料兩層之間時，它可形成接口層。事實上，位于兩個材料之間的層通常可以稱為接口層。所述接口層或功能纖維影響預浸絲束復合材料的機械性能。 所述功能纖維可與復合材料一起涂覆，從而使得預浸絲束復合材料在處理、加工、貯存和運輸時不會受到損害。防止了在功能纖維或結構纖維之間出現孔隙或裂紋。界面層的約束還可防止或減少預浸絲束復合材料上的褶曲，使得預浸絲束復合材料在經受拉伸或彎曲時保持良好的一致性和機械強度。預浸絲束復合材料能替代金屬用于制造人造骨，因為該預浸絲束復合材料能適應周邊的身體組織，減少離層或移位風險。本發明的預浸絲束材料制成的人造骨骼可與周邊的肌肉或其它組織能更好的共存和兼容，且不受磁力共振影響，功能接口層還能進一步提供減震和強化以減少脫位變形風險。
[0016]結構纖維、功能纖維或兩者，配合接口層和介質，可形成一種以上的雙穩態或多穩態復合結構，接口層配合介質能更緊湊結合成整體(一個或多個交互層而成的層壓物)。如碳纖維和納米碳介質配合導電的金屬絲所成的導電體，含納米介質的凝液，浸漬碳纖維，結合接口層，可成為新型鋼纜，配合光纖可成為功能光纖電纜，碳纖維亦是發熱材料，應用于外層發熱溶雪，能減低電纜倒塌。[〇〇17]功能接口層優選包括以下材料:非織造的結構物、針織結構物、纖維、絲、線、與功能介質組成物(乳液、脂、醚類與結構物的合成)。與邊界層相比，功能接口層(或簡單地說接口層)為薄膜、片材或層壓結構提供了其中的一個材料層。例如，當所述接口層位于最外層時，它就是邊界層。在另一個實施方案中，接口層是在結構纖維和功能纖維之間的一個或多個酯類、醚類、水溶/油融所產生的溶融結構介質層。
[0018]在另一個實施方案中，功能接口層在其表面上具有突起，以增強表面積接觸，減低位移及離層的風險。這樣的構筑能力，適用于土木工程中的水凝固化物(例如，以纖維筋應用于混凝土固化)。
[0019]在另一個實施方案中，功能接口層具有中間層。所述中間層可位于功能接口層的內或外表面，其在與功能接口層結合方面也是兼容的。中間層的材料可選自酯類、醚類、凝膠及其混合物，以粉末或液體形態(例如，樹脂、乳液、聚氨脂)。中間層還可包含功能材料， 例如納米材料。中間層可通過噴涂或涂覆在功能接口層上。中間層也能與接口層整合，從而兩層之間不存在清晰的接口。也就是說，至少部分中間層可以成為接口層的一部分。中間層有助于接口層與預浸絲束復合材料的整合。
[0020]接口層還可包圍功能纖維、結構纖維或二者。接口層提供了片材包裹、甚者以膜或介質形式覆蓋，其包裹在功能纖維、結構纖維或二者周圍。盡管可用樹脂、粘合劑或其它材料浸漬纖維，但這些浸漬材料可隨著時間和環境影響衰退和老化。密封的接口層能使所述預浸絲束復合材料不受外界滲入所影響，包括光線、空氣中的氧和懸浮粒子的影響，有助延長預浸絲束復合材料貯存壽命和穩定的性能與質量。浸漬材料包括脂類、醚類、乳液、樹脂、 聚氨脂等交聯或未交聯的聚合物(含反應性樹脂或反應性聚合物)。
[0021]本申請提供作為復合材料的預浸絲束。所述復合預浸絲束材料包含一種或多種經樹脂滲透、噴涂或浸漬的纖維。所述經浸漬、滲透或噴涂的纖維集束在一起成為股，被功能接口層(或邊界層)覆蓋。具有包覆的界面層的浸漬纖維形成繩、纜、筋、索等。換言之，所述預浸絲束復合材料具有一種或多種樹脂浸漬的纖維和涂層以形成絲束，一種或多種這樣的絲束與邊界層整合為一體。
[0022]結構纖維、功能纖維或者二者，可用熱固性聚合物、熱塑性聚合物或二者進行預浸。一旦成型，熱固性聚合物不能再改變形狀或再循環。相反，熱塑性聚合物能在定型后再使用。此外，熱固性材料(例如樹脂)通常是濕和粘的，不適于機器加工或再加工。本申請中， 結構纖維、功能纖維或兩者利用熱固性聚合物進行預浸，并且使用熱塑性聚合物以提供外層和用以增強的熱塑性材料，此內黏外干結構，具有更好的后加工工序。事實上，熱塑性和熱固性聚合物的不同加工程序，很難容于相結合;此獨特結構復合材料，能使塑化定型與反應固化同步進行，互補兩者的不足;如定型固化時間和產品的收縮變形，大型模具和機器的組合。預浸纖維束組合接口層，能使熱塑性塑料和熱固性材料可先后施加到纖維上，便于后加工一體成型。
[0023]此外，結構纖維、功能纖維或兩者可使用水溶混合物(如乳液、水性聚氨脂)或水凝固化的復合材料進行預浸。水基復合材料可組合水泥、石膏或砂漿等混合物，提供了既輕質又堅固的優異建筑材料。
[0024]結構纖維、功能纖維或二者可包括紙纖維(含植物纖維、毛、棉、礦物纖維、聚合物纖維、)，紙纖維可為復合材料的其中一個組分。所述紙纖維可為平片紙卷起的形式。亦可用廢棄的紙張溶解成為環境友好的天然/再用纖維，紙纖維能提供分散性或分布纖維優異性能，兼容具彈性模量纖維能防止產品爆裂，預浸絲束與介質組合可成為補償包覆，良好的結構一體性，從而適于提供保護，耐久性能和可延長貯存期，密度高從而適于隔絕氣體和液體，低導熱性從而適于絕熱節能。
[0025]紙纖維包括紙繩(由平張紙卷制而成)，或紙纖維/木槳的組成物，可進一步用聚氨月旨、樹脂或粘合劑浸透混合。紙纖維為纖維素纖維，來自植物纖維、毛、布、合成纖維或回收的廢紙，這些是世界上最豐富的原料來源。特別是，紙纖維能產生高強度和耐用性的包裝紙或牛皮紙。牛皮紙的長纖維為牛皮紙繩提供強度和濕強度，而化學物質(例如樹脂或粘合劑)則進一步提高了牛皮紙繩的強度。特別是，牛皮紙繩以低成本提供了高拉伸強度、高彈性和高抗撕裂。牛皮紙繩還具有與浸漬材料的良好的粘附，該浸漬材料如樹脂、聚氨脂、水凝和泡沫態混合物。
[0026]結構纖維、功能纖維或二者可包含纖維增強芯。所述增強芯包含一種或多種植物纖維、碳纖維、金屬纖維或玻璃纖維或它們的任何組合。所述增強芯可具有不同的結構，例如管/條狀、扭絞的金屬絲線、單向的絲線、編織后的纖維或它們的任何組合。例如，纖維增強芯經紙纖維或功能紙包覆，其為預浸復合材料提供可撓性和良好的拉伸強度。
[0027]另外的一種方式是，預浸絲束屬連續纖維復合材料，經編織在一起以形成編織成型材料。預浸絲束復合材料能以多角度連續編織，不同厚度的強化層，可避免過大/粗的、不平的表面引起的屈曲折皺、變形或破裂問題。
[0028]預浸復合材料還進一步包括包圍邊界層的表層以覆蓋邊界層。換言之，所述表層可為邊界層的外部部分或與邊界層整合為一體，以對預浸復合材料提供另外的功能，以色調、紋理、質感表達不同的材質。例如，表層可為非織造織物、織物、復合材料、裝飾性織造織物、植絨、PU裝飾層、自結皮聚氨酯、纖維、絲線、紗線或其任何組合。
[0029]邊界層可包括暴露在其外表面上的結構和紋理起伏(例如，粗糙、突起或凹凸圖案)，以改善與其它材料功能或結構的粘附，邊界層的不平整(與平滑相比)使得預浸復合材料能兼容其它材料或結構，例如混凝土結構與泡沫聚氨脂或涂層相結合。
[0030]起伏可包括突起、外露纖維絲線、絮片、膜、涂層、纖維層、浸漬層、粗糙區域、凹陷、 縫隙或其任何組合。例如，起伏包括鉤曲和/或圈，與尼龍搭扣(Velcro)的結構或外觀類似。 如纖維筋應用于水泥構件，人造骨骼接口層改善周邊組織的融入。
[0031]邊界層、表面層或兩者具有外露的纖維或突起，以改善結合或粘附。外露的纖維或擴張出來的纖維，是從邊界層或表面層的底面延伸出來的丫枝、刺棘或草叢狀。當與外部組件連接時(例如粘附)，所述暴露的纖維可以形成很強的結合或連接，從而使得復合材料與外部組件彼此結合得很好、很牢固。外露的纖維應用于纖維筋界面層，能有效與混凝土相結合，較深入的植入防止松脫爆裂。能改善整體結構強度。
[0032]樹脂可包括熱固性樹脂、熱塑性樹脂、反應性樹脂(例如，感光樹脂或光敏固化樹脂)、反應性環氧化物、環氧樹脂、聚氨脂等。熱塑性樹脂、塑料、凝膠(明膠、水凝膠)、固化脂族或這些物質的任何組合。這些樹脂類型提供了適合各種應用的多種物理和化學性能。所述反應性樹脂包括酯、醚、塑料、泡沫態(聚氨脂)或水固化混合物(例如，混凝土)。所述結構或功能纖維包括玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維、生物質纖維、金屬纖維/絲/繩和這些的任何組合。
[0033]樹脂可在預浸復合材料的制造過程期間保持為半固態。該半固態材料可簡單地被稱為凝膠。所述凝膠為所述預浸復合材料提供撓性、彈性、可塑性和良好的拉伸強度。例如， 不飽和(非飽和)樹脂、脂類、醚類和水凝膠粘合劑(例如生物提取物)、聚氨酯、硅膠及其混合物都能適配。
[0034]結構纖維、功能纖維或二者都可包括天然纖維、人造纖維或二者的組合。例如，天然纖維包括植物纖維、礦石纖維、動物纖維、金屬纖維或這些的任何組合。例如，人造纖維包括半合成纖維、再生纖維素纖維、合成纖維或這些的任何組合。結構纖維、功能纖維或二者可以進一步包括金屬纖維、碳纖維、碳化硅纖維、玻璃纖維、礦物纖維、聚合物纖維、納米纖維、玄武巖纖維或這些的任何組合。這些纖維的組合或整合可提供用于特定用途的獨特的機械或化學性質。
[0035]預浸復合材料可為針織材料、鋪設材料、編織材料，其具有包括經線或煒線的多角連結，使這些絲線形成單絲束復合材料，該單絲束復合材料包括多個單獨的長絲和未交聯的樹脂。所有絲線的單獨的長絲可進一步對齊至相同方向(即，為單向的)。
[0036]預浸復合材料可為夾心材料，包括一層或多層針織材料、鋪設材料、紡織材料和羊毛。所述的一層或多層可包括絲線，該絲線具有多個單獨的長絲和未交聯的樹脂。這些層可通過介質連接起來形成預浸復合材料，所述介質包括相鄰絲線之間的樹脂或相鄰層的纖維之間的樹脂。由此，預浸復合材料成為多層的繩線形式或夾心板形式。
[0037]預浸復合材料的形態包括片材、膜狀、多層結構、纖維分層、粉末分層、涂覆層、浸漬層或這些層的任何組合。所述預浸復合材料的內部、中間(接口)或外部層包含選自以下的材料:非織造織物、針織物、阻燃材料、(熱、電或液態)絕緣材料、強化/增強功能復合材料及其混合物。所述纖維包括生物質纖維、有機纖維長絲或絲線。所述邊界層可還包括中間層。
[0038]結構纖維、功能纖維或二者可為扭絞的、編織的或集束的(結合在一起但未扭絞的)。本申請的實施方案可提供具有繩狀結構(即，纖維或絲線互相扭絞形成繩索，含外層編織包裹)，經過編織工藝或沒有經過編織工藝的預浸復合材料(即，預浸絲束復合材料)。繩狀結構能防止濕氣或灰塵滲透，減緩氧化過程和減少紫外線輻射對預浸復合材料的影響， 從而延長所述材料的壽命。
[0039]本申請的一個實施方案中，提供預浸復合材料可為光導纖維的繩索、線纜或集束形式。預浸復合材料能提供多種功能，將繩索、線纜和光導纖維的功能整合在一起。
[0040]本申請的一個實施方案中，提供還具有纖維強化結構的預浸復合材料。在后固化， 所述預浸復合材料能像鉚釘一樣結合不同材質(例如金屬、鋼纜、塑料、復合材料)。例如纖維單車架的接嫁，纖維筋架的連接和混凝土的結合，所述預浸復合材料能用作人造骨骼，與功能物/耐磨層很好地吻合。
[0041]預浸復合材料能顯著減輕重量，以最少樹脂均質涂布，以達到最大效率，同時又能提供與金屬相當的強度，特別是可復位的拉伸模量，能減低纜索的單向伸延，也可將傳電或導光的纖維加入預浸絲束復合材料，成為特種電纜或光纜。
[0042]預浸復合材料可另外包括納米微粒、納米纖維或兩者，它們與預浸復合材料的一層或多層整合。當納米微粒或納米纖維和介質加添到預浸復合材料中時，它們對復合材料的機械性能(例如剛性和彈性)能產生協同效應。例如，預浸復合材料可使用碳納米管增強， 得到的新材料可作為金屬的輕質替代物。這樣的復合材料可減輕重量，同時增加穩定性并具有改善的功能。實踐中，納米顆粒、納米纖維或兩者包括石墨烯或碳納米管。
[0043]本發明的實施方案中，聚合物、邊界層、接口層或其任意組合，可包括熱塑性樹脂和熱固性樹脂的混合物。熱塑性樹脂包括PE、PP、PVC、ABS、PMMA、PA、PC、POM、PET和PBR。熱固性樹脂包括PF、PU、UF、MF、EP和UP。包含熱塑性樹脂和熱固性樹脂的混合物的固化復合材料提供增強的結構，同時還很容易成形和機械加工。
[0044]根據本發明的另一個方面，本申請提供制備預浸復合材料的方法，所述預浸復合材料包括纖維和連接纖維的樹脂。所述方法包括以下步驟:-使用多根絲線，每根絲線分別包括單絲復合物，該單絲復合物包括多根單獨的長絲， 所述多根單獨的長絲通過樹脂保持在一起，所述樹脂在至少一種物理變量或化學物質的影響下是可交聯的，其中一根絲線中的單獨的長絲分別對齊至同一方向(為單向的)；和-通過下述過程形成預浸復合材料:因相鄰的絲線之間相貼，形成介質在它們的接觸表面彼此相連接，所述連接通過所述絲線外周圍表面存在的未交聯的樹脂而實現，所述樹脂為所述連接提供了橋，所述樹脂是前述形成的絲線的一部分;和 -用邊界層包圍所述多根絲線的外周圍表面。
[0045]本發明的方法提供了制備預浸復合材料的便捷和可靠的技術。此外，本發明的方法還包括處理邊界層或用表層包圍邊界層的額外步驟。該處理或包圍步驟可通過涂覆、噴涂、加熱、機械切割、研磨、涂色、打磨、冷凍或相關表面處理技術而實現。
[0046]本申請的一個實施方案中，還提供用于制備預浸復合材料(預浸絲束功能復合材料)的方法，有效協調生產條件和要求，其包括以下步驟:a.提供一種或多種纖維；b.將一種或多種纖維浸潤在液體樹脂材料中或通過用樹脂材料涂覆所述一種或多種纖維，使得所述一種或多種纖維被樹脂浸漬；c.由所述浸漬的纖維形成至少一個絲束;和d.用邊界層包圍所述至少一個絲束以形成預浸絲束復合材料。
[0047]所述的樹脂或涂料可為固化的或預固化的，亦可以是熱塑性的。
[0048]用樹脂材料浸漬纖維也稱為預浸過程(因為尚未固化定型)。所述預浸過程可通過直接將纖維浸沒在液體樹脂中進行。所述纖維可為經樹脂液態或粉末浸泡、噴涂或滲透的。 每個纖維都應經充分涂覆或浸漬，以使得纖維的表面均勻覆蓋樹脂，從而使得纖維間能彼此充分粘合。
[0049]本申請的一個實施方案中，還提供制備混合雜化復合物(復合材料)的方法。該方法包括將功能纖維、結構纖維或二者編織為一個或多個片材。然后將這些片材復合物結合在一起以形成三維(3D)結構，隨后用一種或不同的樹脂、醚、水凝膠形式和/或水可固化材料(例如，混凝土)將其浸漬并進一步固化一體成型。由此，所述3D結構能抗撕裂和振動，增強穩定的承重、重量輕兼備高強度結構耐腐蝕性能，將建造概念引用于大型結構物，如船和車身的一體成型工程。
[0050]用邊界層包圍絲束外表面的步驟可包括下列步驟:提供成形模具或固化預浸復合材料。由于模具提供了預定精確尺寸的成型形狀，因此預浸復合材料可以提供多種不同種類的型材和結構，復雜、精確且具有彈性組合。
[0051]本發明方法還包括下列步驟:使預浸復合材料與熱塑性樹脂、熱固性樹脂或兩者的混合物按順序固化的步驟。材料可以依次提供混合凝固。熱塑性樹脂提供結構一體性和優異的可機械加工性，提供良好的可調適性，適用于再成形、注塑、灌注、壓塑、壓延和擠出。 例如，結構纖維可以用熱塑性/熱固性樹脂浸漬和固化，然后用熱固性/熱塑性樹脂包裹和凝固。這樣得到的預浸復合材料具有很強的外殼以提供保護，而熱固性樹脂浸漬的結構纖維作為芯。[〇〇52]所附的附圖示出了本發明的具體技術方案并用于解釋本發明技術方案的原理。然而，應理解的是，這些附圖僅僅旨在說明的目的，而非用于對本發明的限制。【附圖說明】[〇〇53]附圖1示出了預浸纖維的第一絲束；附圖2示出了預浸纖維的第一絲束的表面結構；附圖3示出了預浸纖維的第二絲束；附圖4示出了顯現結構的織造預浸纖維復合材料；附圖5示出了織造復合材料的橫截面;和附圖6示出了織造復合材料的另一橫截面。[〇〇54]下面參考上述附圖來描述本發明示例性的、非限制性的實施方案。【具體實施方式】
[0055]附圖1和2涉及本申請的第一實施方案。具體地說，圖1示出了預浸纖維的第一絲束 20。僅描繪了第一絲束20的橫截面，從而使得第一絲束20的結構可見。第一絲束20包括邊界層22和纖維24的集束。邊界層22包含環氧樹脂(也被稱為環氧聚合物)26,作為套筒形式包裹在多個纖維24的周圍。因此，這些纖維24沒有一個暴露在外部，從而這些纖維24被邊界層 22所包封，衍生隔絕了環境光源、空氣中的氧和懸浮粒子效益。纖維24的集束包括多個玻璃纖維24,其含有很多極細的玻璃纖維(例如，半徑為20-60納米的纖維)。這些玻璃纖維24是在將基于二氧化硅的玻璃的細股擠壓成許多適合于紡織品工藝的小直徑纖維時形成的。將玻璃纖維24的集束用熱固性樹脂28浸漬，以填充纖維24之間的空隙空間，并將這些纖維24 結合成單股。熱固性樹脂28包括聚酯。[〇〇56]關于附圖2,邊界層22包括功能/粗糙的外表面30。具體地說，粗糙的外表面30覆蓋有大量團塊、短纖維、刺棘狀纖維和環狀纖維。這些短纖維的鉤和環形，類似于尼龍搭扣的鉤和尼龍搭扣的環。[〇〇57]當制備預浸纖維的第一絲束20時，首先提供玻璃纖維24的集束，它們松散地放在一起。用熱固性樹脂28浸漬處理后玻璃纖維24的集束。在完成固化前，用環氧樹脂26進一步包圍纖維24的集束，施加適度的溫度和壓力達致定型固化。所述團塊、短纖維、短纖維鉤和短纖維環通過織機產生，所述織機能自動地編織和隨后修飾所述功能結構。在固化過程期間，邊界層22與熱固性塑料28整合，使得第一絲束20成為一個整體。[〇〇58]圖3示出了預浸纖維的第二絲束40,其也是第二絲束40截面圖。第二實施方案包括與第一實施方案類似或相同的部分或方法步驟，因此這些部分或方法步驟使用類似或相同的標記。因此，在適當的時候，將上述相關類同的部分或步驟的說明引入在此作為參考。 [〇〇59]具體而言，第二絲束40包括玻璃纖維24的集束，功能纖維42的層和邊界層22，它們從第二絲束40的中心到邊界徑向結合到一起。具體地說，玻璃纖維24的集束形成第二絲束 40的核心，同時這些纖維24用熱固性樹脂28進行浸漬。玻璃纖維24的集束也被稱為結構纖維24,因為其提供第二絲束40的結構基礎。與結構纖維24相鄰的功能纖維42形成包圍結構纖維24的套筒。功能纖維42包括通過熱塑性/熱固性樹脂44(例如醚)結合在一起的纖維絲 42。與第一絲束20類似，第二絲束40也具有包裹在功能纖維42的套筒周圍的邊界層22。
[0060]當制備預浸纖維的第二絲束40時，首先將己處理的纖維24按需求整集或編織于一起。用熱固性樹脂28浸漬玻璃纖維24的集束。在完全固化前，用功能纖維/介質層42進一步包圍纖維24的集束。另外在功能纖維42上提供能相互溶融的熱塑性/熱固性樹脂44。在固化熱固性樹脂28和熱塑性/熱固性樹脂44前，用環氧樹脂26加壓進一步溶入功能纖維42的套筒，半固化/溶融狀態下的預浸絲束層和界面層，經加熱和加壓(加熱能使預浸絲束固化，對熱塑性界質則保持半固化溶入狀態)，可控的催化過程，能穩定邊界層22、功能纖維42和結構纖維24彼此間的成型整合，使得第二絲束40成為一個股/整體。[〇〇61]圖4示出了具有預浸纖維的暴露的織造復合材料50,其為本申請的第三實施方案。 所述第三實施方案包括與第一實施方案類似或相同的部分或方法步驟，因此這些部分或方法步驟使用類似或相同的標記。因此，在適當的時候，將上述對于類似或相同的部分或步驟的說明引入在此作為參考。
[0062]暴露的織造復合材料50包括紙基繩的縱向數組52和紙基繩的橫向數組54。紙基繩的縱向數組52與紙基繩的橫向數組54纏繞或編織，使得紙基繩的縱向數組52與紙基繩的橫向數組54彼此基本上垂直。由此，紙基繩的縱向數組52與紙基繩的橫向數組54形成紙基繩 56的編織網，使其成為可撓/塑性片材材料，經催化成固態，而成為定型產品。[〇〇63]圖5示出了織造復合材料50的橫截面圖。此外，圖5描繪了紙基繩56的編織網的相對的面(即頂部和底部)被介質(聚氨酯)58覆蓋，使得紙基繩56的網/布狀能適合組配制作條件/環境，而且，連續布狀的邊界層(沒有黏性/易施工的)60和第二(底部)邊界層62能自適應地準備定型，與預浸絲束網狀56和介質聚氨酯58相互結合構造，提供了整合材料64。 網/布狀的組合64是可相互摻透整合的、能將熱塑性和熱固性不同的材質彼此整合成一體。
[0064]圖6示出了織造復合材料50的另一橫截面圖。此橫截面圖暴露了具有圓柱外形的一段紙基繩56。這些紙基繩56被聚氨酯58圍繞，聚氨酯58進一步被兩邊界層60、62包圍。 [〇〇65]當制備織造復合材料50時，提供紙基繩的縱向數組52和紙基繩的橫向數組54并將其編織為片材形式。將片材進一步切割成預定形狀。聚氨酯58隨片材一起模塑成型，同時將兩個邊界層60、62通過/注入介質聚氨酯58熟化成型。
[0066]在本申請中，除非明確限定，否則術語“包括”、“包含”及其類似用語表示的是“開放的”，“包括的”之意，即，包括記載的元素但允許加入其它的未明確記載的元素。
[0067]如本文中所記載，用語“約”在配方的組分濃度的上下文中，通常指標稱值的+/-5%，更通常指標稱值的+/- 4%，更通常指標稱值的+/- 3%，更通常指標稱值的+/- 2%，更通常指標稱值的+/_ 1%，甚至更通常指標稱值的+/_ 0.5%。
[0068]在本公開全文中，特定的實施方案可以范圍形式公開。范圍形式的描述僅僅是為了方便和簡潔，而不應被解釋為對所公開的范圍的硬性限制。因此，范圍的描述應當被認為已經具體公開了所有可能的子范圍以及在該范圍內的單個數值。例如，一個例如1到6的范圍的描述應當被認為具有特定公開的子范圍如1-3、1-4、1-5、2-4、2-6、3-6等，并且各個數在該范圍內，例如，1、2、3、4、5和6。這是不論范圍的寬度如何都適用的。[〇〇69]很明顯，本申請的各種其它修飾和調整對于讀過上述內容的本領域技術人員來說是很顯然的，都沒有脫離本申請的精神和范圍，且所有這樣的修飾和調整都落入所附的權利要求書的范圍內本發明涉及以下實施方案。根據一個方面，本申請提供了預浸絲束復合材料，其包含以絲線形式彼此連接的結構纖維。所述結構纖維用樹脂浸漬。所述預浸絲束復合材料還包括包圍絲線周圍的邊界層。所述邊界層粘附至絲線周圍以用于增強。
[0070]本發明的預浸絲束復合材料還包含多個縱向絲線和多個橫向絲線，兩者編織形成網狀的片材，亦包括立體結構造型。
[0071]邊界層可包含彼此相鄰的功能纖維。所述邊界層可進一步包括接口層，該接口層包圍功能纖維、結構纖維或二者。所述結構纖維、功能纖維或二者可包含紙纖維。紙纖維可包含可造成紙態成份的材料。
[0072]結構纖維、功能纖維或二者可包含纖維增強芯。預浸絲束復合材料可進一步包括表面層，該表面層包圍邊界層以用于覆蓋。所述邊界層可在其外表面上包含起伏以改善粘附。所述起伏可包含突起、纖維膨出、絮片、膜、涂層、纖維層、浸漬層、粗糙區域、凹陷、縫隙或其任何組合。
[0073]所述樹脂可包括熱固性樹脂、環氧樹脂、聚氨脂、熱塑性樹脂、凝膠或塑料質的任何組合。結構纖維、功能纖維或二者可包含天然纖維、人造纖維或二者的結合。天然纖維可包括植物纖維、木纖維、動物纖維、金屬纖維或它們的任何組合。人造纖維可包括半合成纖維、纖維素再生纖維、合成纖維或它們的任何組合。結構纖維、功能纖維或二者可包括玄武巖纖維。[〇〇74]預浸絲束復合材料可為針織材料、鋪設材料、絨布材料或織造材料，其具亞麻結合，包括經線或煒線，這些線形成包括多個單獨的長絲和未交聯樹脂的單絲復合物。所有絲線的單獨的長絲對齊至相同方向。
[0075]所述預浸復合材料可為夾心材料，包括至少一層包含針織材料、鋪設材料和不織布的層(如不織布)。所述針織材料、鋪設材料或非織造材料包括絲線，其包括多個單獨的長/短絲和未交聯樹脂，而不織布與未交聯樹脂一起提供。這些層通過介質以橋形式連接以形成預浸絲束復合材料，所述介質包括相鄰絲線之間的樹脂或相鄰層的纖維之間的脂類/ 醚類。在實施方案中，結構纖維、功能纖維或二者可為扭絞和編織的。
[0076]所述邊界層可包括選自以下的材料:非織造織物、針織物、復合材料、纖維、長/短絲、絲線或其混合物。所述邊界層可在其內部層中進一步包括中間層。
[0077]所述邊界層包括彼此毗鄰的功能纖維，該功能纖維形成套筒形式包圍/圍繞結構纖維并與結構纖維能一起固化成型的。[〇〇78]而根據另一方面，本發明提供制備預浸絲束復合材料的方法，其包括以下步驟。
[0079]-第一步，使用多根絲線，每根絲線分別包括單絲所成的復合物，該單絲復合物具有多根單獨的長絲，所述多根單獨的長絲通過樹脂保持在一起，所述樹脂在至少一種物理變量或化學物質的影響下是可交聯的，其中一根絲線中的單獨的長絲分別對齊至同一方向；_第二步，通過下述過程形成預浸復合材料:相鄰的絲線之間在它們的接觸表面相互貼接，所述貼接通過所述絲線外周圍表面存在的未交聯的樹脂而實現，所述樹脂為所述連接提供了介質所成的橋態，所述樹脂是前述形成的絲線的一部分;和 _第三步，用邊界層包圍所述多根絲線的外周圍表面。
[0080]這些步驟和工序是能調整配合的，亦可同步或順序進行。
【主權項】
1.預浸絲束復合材料，所述預浸絲束復合材料包括:-以絲線形式彼此連接的結構纖維，所述結構纖維用聚合物浸漬;和-包圍絲線周圍的邊界層，其中所述邊界層直接粘附至絲線周圍以用于增強。2.權利要求1的預浸絲束復合材料，其還包括多個縱向絲線，和多個橫向絲線，其與所述多個縱向絲線編織以形成片材。3.權利要求1或2的預浸絲束復合材料，其中所述邊界層包括與其彼此毗鄰的、以及沿 結構纖維縱向且連續地排列的功能纖維。4.權利要求1-3中任一項的預浸絲束復合材料，其中所述邊界層進一步包括界面層，該 界面層包圍功能纖維、結構纖維或二者。5.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中所述結構纖維、功能纖維或二者包 括多穩態復合層，以提供至少一個交叉層組合而成的層壓物。6.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中用熱固性聚合物、熱塑性聚合物或 二者浸漬所述結構纖維、功能纖維或二者。7.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中用水基復合材料浸漬所述結構纖 維、功能纖維或二者。8.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中所述結構纖維、所述功能纖維或二 者包括紙纖維。9.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中所述結構纖維、所述功能纖維或二 者包含纖維增強芯。10.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中所述邊界層、表面層或二者在它們 的外層表面上包含起伏狀，用以優化粘附。11.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中所述邊界層、表面層或兩者包括外 露的纖維以改善粘附。12.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中所述預浸絲束復合材料為針織材 料、鋪設材料、羊毛材料或織造材料，其具有生物材料的配合，包括經線或煒線，這些線形成 包括多根單獨的長絲和未交聯樹脂的單絲復合物，并且其中所有所述絲線的單獨的長絲對 齊至相同方向。13.前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料，其中所述預浸復合材料為夾心材料，該 夾心材料包括至少一個含有針織材料、鋪設材料的層和至少一個含有非織造織物的層，其中所述針織材料、鋪設材料或非織造織物包括絲線，所述絲線包括多個單獨的長絲 和未交聯樹脂，且所述非織造織物與未交聯樹脂一起提供，并且其中所述的這些層通過橋連接以形成預浸絲束復合材料，所述橋包括相鄰絲線之間的 樹脂或相鄰層的纖維之間的樹脂。14.制備前述任一項權利要求的預浸絲束復合材料的方法，該方法包括:-使用多根絲線，每根絲線分別包括單絲復合物，該單絲復合物包括多根單獨的長絲， 所述多根單獨的長絲通過樹脂保持在一起，所述樹脂在至少一種物理變量或化學物質的影 響下是可交聯的，其中一根絲線中的單獨的長絲分別對齊至同一方向；和-通過下述過程形成預浸復合材料:相鄰的絲線之間在它們的接觸表面彼此連接，所 述連接通過所述絲線外周圍表面存在的未交聯的樹脂而實現，所述樹脂為所述連接提供了 橋，所述樹脂是前述形成的絲線的一部分;和 -用邊界層包覆所述多根絲線的外周圍表面。15.權利要求14的方法，其中用邊界層包覆所述多根絲線的外周圍表面的步驟，包括配 合模塑，以成形或固化所述預浸絲束復合材料。
【文檔編號】B29C70/50GK105984152SQ201610123827
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月4日
【發明人】何鶴祥, 何霞飛
【申請人】何霞飛