基于鋁和聚氨酯的纖維復合材料部件的制備
【技術領域】
[0001] 本發明涉及基于鋁和聚氨酯的纖維復合材料部件的制備。
[0002] 本文中所述的纖維復合材料部件指的是機器、陸地車輛、飛機、航天器或者船舶、 設備、裝置或者儀器的部件，其由相互不可拆開連接的不同材料構成，其中至少一種材料作 為纖維存在，并且至少一種材料作為基體包圍纖維。所述纖維復合材料部件在此的形狀基 本上由其預定的用途而確定。這意味著纖維復合材料部件實際上可以即裝或即用的，并且 (除了較小的修整之外）在安裝或使用之前不必經歷其它明顯的形狀改變。
[0003] 本發明所述的纖維復合材料部件包括鋁材料、聚氨酯以及纖維材料。
[0004] 所謂鋁材料指的是其鋁的質量含量大于任何其它所含元素含量的一類合金。除了 鋁之外，鋁材料通常還含有至少一種以下合金金屬：鎂、錳、硅、鋅、鉛、銅或者鈦。而鐵僅作 為不希望的雜質存在。鋁材料可以作為可鍛合金或者鑄造合金存在。
[0005] 所謂聚氨酯指的是通過二異氰酸酯與多元醇的反應獲得的一類聚合物。其經常簡 稱為HJ或PUR。
【背景技術】
[0006] 與均質材料制成的部件相比，纖維復合材料部件的生產具有以下特性：即均質材 料通常在生產部件之前就已存在；而纖維復合材料只有在生產真正的纖維復合部件的時候 才會形成。因此纖維復合材料部件的生產始終與相應纖維復合材料的生產直接相關。
[0007] 在"構造"纖維復合材料的時候，始終也要注意以此構成的纖維復合材料部件隨后 的負荷，從而按預期通過基體將載荷傳導入到纖維之中并且由纖維傳遞載荷。
[0008] 因此與由均質材料生產部件時相比，生產纖維復合材料部件時的材料科學問題更 加顯著得多。
[0009] 當纖維復合材料部件要由更可能是異質材料構成的時候尤其如此，例如當無機碳 纖維應包埋入有機聚合物基體之中并且其還應當額外被金屬覆蓋層包圍的時候。
[0010] 此類纖維復合材料部件有望結合相應單一材料的優點，從而總體上在最低重量下 獲得機械強度最高、隔熱、減振和耐腐蝕性良好的部件。
[0011] 但是此類部件的生產在技術上要求特別高，因為必須將有機和無機化學、金屬加 工和部件的結構性應用的特定的專業知識相結合。
[0012] 尤其要注意聚合物的工業生產剛好在經營組織方面明顯有別于金屬生產和加工。 因此只有開發一種不僅能適應化工生產、而且也能適應金屬加工的操作流程的方法，才能 在工業實踐中成功生產基于鋁和聚氨酯的纖維復合材料部件。
[0013] 當然現有技術中已有金屬有機纖維復合材料部件的很多例子：
[0014] 例如，DE10158491A1公開了一種金屬-聚氨酯層壓體，所述層壓體由兩層電鍍鍍 鋅鋼板構成，將一層可具有填充和增強材料的聚氨酯布置在所述鋼板之間。使得聚氨酯 在所述兩個金屬板之間固化，從而產生具有高機械強度的板狀復合材料部件。這種制備 方法的缺點在于，其始終導致平坦的層壓體，其可用性由于其扁平的形狀而受到限制。雖 然描述了將層壓體彎曲90°并且重新往回彎的剝離試驗。但是該成型過程必須伴隨提 高的用力，因為聚氨酯在此刻已經熱固性固化，由此復合材料部件已經達到其最大強度。 DE10158491A1中沒有報道任何關于成型后的層壓體是否尺寸穩定并且不會重新變回其原 來的扁平形狀的內容。該方法另外也有異氰酸酯/多元醇組分快速反應生成聚氨酯的缺 點，由此必須抓緊時間生產所述復合材料部件。這里涉及的也不是纖維復合材料部件，而是 由金屬板和聚合物構成的夾芯體。也提及將鋁/鎂合金作為金屬材料替代鋼板。
[0015] DE19914420A1公開了一種類似結構的鋼/PU復合材料部件。但是鋼的層厚為相當 大的2~20_，以致于這里涉及不可以如薄的金屬板（厚度< 3_)那樣卷繞的厚板。因此 不可使用例如汽車制造行業所用的傳統金屬板壓機加工此類層壓體。鑒于這個原因，其預 定用途更確切地說是船舶制造或者橋梁建造。這里沒有談到鋁材料。
[0016] 同樣對于船舶制造確定的是由W098/21029A1已知的復合材料結構。該結構包括 兩個彼此相隔一定距離的外側鋼板，所述鋼板形成填充了彈性體聚氨酯的空腔。彈性體能 消減金屬結構中的振動。但是這里并不涉及纖維復合材料部件。同樣地，只有在完成鋼結 構之后，才將彈性體引入空腔之中。這里也沒有談到鋁材料。
[0017] W02009/009207A2公開了一種生產基于金屬和熱塑性聚氨酯的纖維復合材料部件 的方法。為此，將已經含有纖維的熱塑性聚氨酯原料熔融，并且在熱作用下將其在金屬板之 間壓制成形。提到將鋁材料作為金屬。該方法的優點是纖維復合材料部件也能采用并非扁 平的形狀，并且所需的操作步驟少。缺點是纖維作為短纖維形式已經存在于聚氨酯原料中， 因此不可能使纖維以隨后的力線通量方向按目標定向。所生產的更確切地說是具有無序的 纖維定向的纖維復合材料部件。
[0018] DE102012106206A1公開的夾芯板覆蓋明顯較大的應用范圍。該夾芯板包括兩個金 屬面板，將含纖維的聚氨酯構成的芯層布置在金屬面板之間。該夾芯板的塑性成型能力良 好，甚至可以深拉成為三維車身部件。在此缺點是反應性聚氨酯混合物的配方含水，使得在 加工過程中水蒸氣必須從層壓體中逸出。如果在此不能成功地完全排出水，恐怕鋼板內部 會發生腐蝕。除此之外，所述的聚氨酯組合物還有高反應活性，使得必須在窄的時間窗口內 進行成形。總的來看，根據DE102012106206A1所述的方法是否能以技術和經濟的方式生產 鋼/PU復合材料部件看起來是有疑問的。
[0019] DE102009001806A1解決高反應活性聚氨酯混合物加工時間窗口狹窄問題的方式 是，通過采用儲存穩定、已初步交聯、可以熱塑性成型并且在成形之后可以熱固性最終交聯 的預浸料。所述預浸料（其涂覆了基體材料的纖維機織物或無卷曲織物（gelege))的特殊 優點在于其儲存穩定性。這意味著，其可以在初步交聯的熱塑性狀態下以充分長的時間進 行存放和運輸。這意味著可以在第一個操作場所生產預浸料，并且可以在另一個離得遠的 地點將預浸料成型為成型制品以及其最終交聯成為纖維復合材料部件。這就在纖維復合材 料部件的生產組織方面開辟了新的自由度，尤其也開辟了跨越多個操作場所的職能定向的 分工。但是這種儲存穩定性預浸料也有缺點，即其僅適合與鋁材料有限程度地層壓。尤其 它無法實現足以使得如此制成的層壓體能夠無損成型的鋁/聚合物結合，如隨后實施例〇 還顯示的那樣。
[0020] 盡管如此，迄今為止沒有描述一種能夠在工業實踐中用鋁材料和聚氨酯以經濟方 式生產纖維復合材料部件的方法。
【發明內容】
[0021] 本發明的任務在于提供一種這樣的方法。
[0022] 通過包括步驟a)至h)的方法解決了這一任務：
[0023] a)提供至少兩個各自由鋁材料制成的金屬板；
[0024] b)提供至少一種紡織面料；
[0025] c)提供無水混合物，所述混合物含有
[0026] ?至少一種固化劑，所述固化劑是其NCO官能度至少為2的脲二酮，
[0027] ?至少一種粘結劑，所述粘結劑具有羥基并且其OH官能度為3~6，
[0028] ?以及至少一種具有環氧烷基的助粘結劑；
[0029] d)用所述混合物涂覆紡織面料；
[0030] e)對涂覆有所述混合物的面料施加能量以進行第一次交聯反應，在此過程中使得 固化劑、粘結劑和助粘結劑反應生成附著在紡織面料上的熱塑性聚合物；
[0031] f)在熱作用下將金屬板和紡織面料與附著在其上面的熱塑性聚合物壓制成夾芯 體，使得熱塑性聚合物在包封紡織面料的同時將金屬板相互接合在一起；
[0032] g)將夾芯體成型為成型制品；
[0033] h)對成型制品進行熱處理獲得纖維復合材料部件，其中熱塑性聚合物在第二次交 聯反應過程中轉變為熱固性聚合物。
[0034] 本發明提供這種生產纖維復合材料部件的方法。
[0035] 本發明所述方法的基本構思在于使用一種與制備方法相適應的特殊聚氨酯組合 物，所述聚氨酯組合物可在第一次交聯反應過程中轉變為熱塑性聚合物，隨后在第二次交 聯反應過程中最終交聯成為熱固性基體材料。所述熱塑性聚合物在此具有在熱作用下可比 較容易成型并且在此可良好保證附著在鋁板上的優點。由此可以將扁平層壓體成型而獲得 三維成形件，而金屬板不會與聚合物脫離。按照本發明所述，只有在賦形的成型步驟之后， 才進行最終交聯成熱固性聚合物，從而只有當部件已經具有其最終使用形狀的時候，才會 產生部件的高的最終強度。這樣大大減小成型力以及成型時脫層的危險。
[0036] 本發明的特征因此在于緊密協調所用的化學品與機械加工步驟，以便利用塑料加 工和鋁加工中的協同作用。
[0037] 本發明取得成功的關鍵是選擇正確的聚氨酯組合物，其允許分兩步交聯并且同時 能在鋁材料上實現高附著力。權利要求1中記載了一種合適的混合物，并且在從屬權利要 求中將其進一步具體化。
[0038] 所給出的混合物還有能形成具有儲存穩定性且不會迅速繼續反應的熱塑性聚氨 酯的特別的優點。因此可