[发明专利]纳米颗粒增强聚合物纳米纤维及用于产生它的连续过程

说明书

纳米颗粒增强纳米纤维包括作为突起的单独的或者以附聚物的方式存在的纳米颗粒增强件，所述突起具有在30nm至8微米之间的尺寸范围并被用作聚合物纳米纤维和最终多层复合材料的聚合物基质系统之间的锚定部。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年11月29日提交的美国临时申请第62/427,429号的优先权，因此将其公开内容通过引用全部并入本文中以用于所有目的。

技术领域

本发明涉及用于聚合物复合材料工业的碳或其他纤维类纺织品的处理、改性和增强。

背景技术

伴随着高需求，纤维增强聚合物复合多层结构在运输、运动和能源等工业领域的应用逐年增加。例如，从2012年到2018年，预计全球的碳纤维复合材料市场的复合年增长率(CAGR：Compound Annual Growth Rate)由7％增至8％。此外，最近的研究包括预计CAGR从2015年到 2020年将高达12％以及全球市场估计将超过120亿美元。复合结构的这种高需求需要越来越多的可以大幅提高复合材料性能以满足市场和新应用的需要的新技术。在上述工业领域内的多层复合材料的应用中，人们不断地需要更轻且同时更坚固的结构。复合结构遭受脱层、裂缝在中间层(两个连续薄层之间的区域)内传播。在现有文献中，通常通过中间层内的增强件来实现强度，该增强件最终能够增强断裂韧性性能(模式I 和模式II测试)以及抗冲击性(冲击后压缩-CAI)。在本发明中示出了如何利用中间层增强件来增强材料的拉伸强度，此外，为了获得与当前使用的织物薄层相比类似的强度水平，由于使用较少的织物层而导致特定结构组件的重量减轻。

以改进聚合物复合材料为目的，聚合物(优选为各种形态的热塑性纤维(短纤维、连续纤维、非织造织物等))的应用已经广泛用于中间层的增强。

EP2926987A1报道了聚合物-纳米颗粒增强中间层的产生，该中间层可以是聚合物纤维(据报道，纤维直径为1～100微米)的形式，其中，纳米颗粒嵌入在聚合物纤维内。在本发明中，将聚合物纤维加热并熔化接合到纤维床(主要织物)的整个表面上，或者将聚合物纤维缝合或直接纺织到纤维床的整个表面上。在聚合物微纤维内使用纳米颗粒，以提高聚合物(纤维或非纤维的)中间层的性能(例如，刚度)。本发明旨在提高最终复合材料的性能，尤其是模式I、模式II和CAI。

为了类似地提高最终复合材料的性能，发明EP1473132A2提出了与热塑性微纤维的纤维网(据报道，纤维直径为1～100微米)相关的多轴单向层的堆叠。通过加热辊实现单向层之间的网状连接，该加热辊在织物的整个表面上提供连续焊接。此外，WO2007015706A1报道了类似尺寸的热塑性纤维的聚合物连续纤维增强中间层的产生，该中间层通过加热、熔化接合或机械接合到纤维床的整个表面上来实现模式I、模式II 和CAI的类似改进。

另一发明EP1125728A1介绍了纤维网在多层结构的至少一个中间层内的应用，这使得可以提高最终复合材料的机械性能。本发明涉及通过使用附接到实际纤维床的短纤维非织造织物来改进复合材料。这种附接主要是通过针刺工艺进行的，并且也可以通过高压接合、加热或热熔工艺进行这种附接。