[发明专利]热塑性材料和工具的表面工程

说明书

技术领域

本发明的标的物涉及纤维增强的热塑性塑性复合材料，并且特定来说将表面层聚合物涂层施加到复合物形成模制工具上或施加到纤维增强的热塑性预浸体复合材料上以增强预浸体在用于预浸体形成或原位自动化铺设胶带布置的所述复合物形成模制工具上的第一夹层铺设。在自动化铺设期间或之前原位施加所述表面层聚合物涂层还可在纤维增强的热塑性复合材料的每一层之间提供有益的富树脂层间层。所述表面层聚合物涂层优选是热塑性颗粒，其通过等离子喷雾施加到模制工具或预浸体上以形成热塑性颗粒的实质上融合层。更具体来说，在某些实施例中，本发明涉及用于快速层压和形成工艺的纤维增强的分层热塑性预浸体，其中所述纤维增强的热塑性预浸体可用于航空和其它高性能汽车/工业应用中。

背景技术

增强的热塑性和热固性材料已广泛应用于(例如)航空、汽车、工业/化学和体育用品工业。在固化之前将热固性树脂浸渍于纤维增强材料中，而树脂性材料具有低粘度。热固性复合物具有一定缺点，包含与去除夹带空气或挥发物以产生无空隙基质有关的处理问题。通过预浸渍方法制得的热固性复合物需要漫长的固化时间与交替压力以在树脂固化时控制其流动，从而防止在基质中出现气泡。尽管传统的结构制作手动将热固性预浸体夹层布置于工具上，但当前大结构的制作利用机器人将热固性复合材料布置于工具上以增加产生速率。结构组份的总产生速率受限于高压釜工艺步骤中的漫长固化和制备用于所述工艺步骤的材料的相关操作。一些高容量工艺(例如树脂输注)避免了预浸渍步骤，但仍需要特殊设备和材料以及在固化时间长度内持续监测工艺(例如美国专利第4,132,755号和第5,721,034号)。

热塑性树脂组合物较难以浸渍到纤维增强材料中，因为其粘度相对高于热固性树脂组合物。另一方面，热塑性树脂组合物提供许多优于热固性树脂组合物的益处。举例来说，热塑性预浸体可更快速地制作成物件，并且使用纤维增强的热塑性复合材料进行制作可利用机器人自动化铺设胶带将纤维增强的热塑性复合材料布置于模制工具上以增加产生速率。此可经由多步骤机器人臂来实现，其中预热纤维增强的热塑性复合材料的先前层，然后加热纤维增强的热塑性复合材料的后续层并将其铺设于先前层的顶部。

热塑性树脂是具有高分子量的长链聚合物，其在熔化时具有高粘性且其流动行为通常是非牛顿性(non-Newtonian)。因此，尽管热固性材料的粘度在100厘泊到5,000厘泊(0.1Pa*s到5Pa*s)的范围内，但热塑性材料的熔体粘度范围为5,000厘泊到20,000,000厘泊(5Pa*s到20,000Pa*s)且更通常地20,000厘泊到1,000,000厘泊(20Pa*s到1000Pa*s)。尽管热固性材料与热塑性材料之间的粘度差为三个数量级，但一些工艺已应用到两种类型的基质中以用于层压纤维性材料。

可通过以下步骤来制造纤维增强的塑性材料：首先使用树脂浸渍纤维增强物以形成预浸体，然后任选地利用额外形成步骤使两个或更多个预浸体固结为压层。一些工艺将熔体直接施加到纤维上。可通过以下步骤来制备胶带：使用聚合物涂覆准直纤维的干燥网片且施加加热工艺以迫使聚合物进入纤维中并环绕纤维(例如参见美国专利第4,549,920号和第4,559,262号)。用于涂覆和浸渍准直纤维的干燥网片的另一工艺是通过牵拉网片穿过精细热塑性聚合物颗粒的水性浆液，由此将聚合物颗粒陷获于丝束内。随后，工艺中的热和压力使水蒸发且然后使聚合物熔化以迫使其进入丝束中并环绕丝束。此工艺描述于美国专利第6,372,294号、第5,725,710号、第4,883,552号和第4,792,481号中。对水性浆液浸渍工艺的修改消除使用水和表面活性剂作为聚合物颗粒的分散剂且改为使空气流化床中的颗粒带静电以将颗粒陷获于丝束中。随后的热和压力区使聚合物熔化以涂覆/浸渍丝束，如美国专利第5,094,883号中所给出。因此，对于所属领域技术人员来说，考虑到可用工艺设备和聚合物产物形式(薄片、精细粉末、膜、非织造覆面、沉淀物)和熔体粘度的适当选择，存在多种涂覆和/或浸渍纤维性衬底的方法。

热塑性和热固性复合物二者均可形成为薄柔性片材或条带，称为胶带。此允许通过将复合胶带铺设于模制工具中来形成复合组件，其中组件厚度根据所铺设复合胶带的层数而局部变化，并且还可控制胶带中一或多个层的方向以控制所形成复合组件的最终结构性质。然后将所铺设组件“固结”，所述工艺情形涉及加热复合结构以使热固性或热塑性基质软化到足够程度以形成单一的一致性基质，并且向经软化基质施加足够压力以从基质逐出任何陷获空气。