專利名稱：濕法成型的玻璃纖維和熱塑性纖維共混物的復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及充分壓實(shí)的復(fù)合結(jié)構(gòu)料坯，所述料坯由經(jīng)長(zhǎng)度大于約1厘米的分散坡璃纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料樹脂組成，還涉及用含水淤漿法制備所述坯料。
獲得高度均勻分布的玻璃纖維和熱塑性塑料樹脂基質(zhì)的一個(gè)途徑，是在加熱加壓條件下用熔融樹脂浸漬玻璃纖維氈或束，另一個(gè)途徑是形成玻璃纖維與粉狀樹脂基質(zhì)的混合物。在后一種情況下，是將玻璃纖維和粉狀樹脂一起在水中制成淤漿，并將其沉積在金屬絲網(wǎng)上，然后進(jìn)行脫水和干燥，從而制成無(wú)紡濕法成型板。為使?jié)櫇竦牟ＡЮw維達(dá)到理想的分散狀態(tài)，采用這種方法時(shí)需要對(duì)淤漿的pH進(jìn)行調(diào)整，或向淤漿混合物中添加表面活性分散助劑。在其它情況下，是向淤漿中添加聚合物膠乳、漿粕和絮凝劑，以便克服在水中分散固體聚合物顆粒和增強(qiáng)玻璃纖維時(shí)所遇到的問題。然而，這些分散助劑和工藝對(duì)所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有害，這就需要一種改進(jìn)的方法，使得所制備的產(chǎn)品的性能不會(huì)受損害。因而，希望能開發(fā)一種制備層狀料坯的方法，采用常規(guī)濕法成型設(shè)備或造紙裝置可以將這種料坯方便地轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡЮw維增強(qiáng)的熱塑性塑料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，這種方法具有以下綜合效應(yīng)(1)可以使涂有能提高粘合性及其它性能的切段玻璃纖維股增強(qiáng)材料，(a)在熱塑性塑料復(fù)合材料中，(b)在與熱塑性塑料顆粒的均質(zhì)混合物中，達(dá)到極好的分散狀態(tài)。
(2)可以消除在高或低pH條件下及在表面活性分散劑和發(fā)泡劑存在下進(jìn)行的分散工藝中所產(chǎn)生的，以及使用膠乳、合成漿粕和聚乙烯醇纖維所造成的雙復(fù)合材料性能的不利影響。
本發(fā)明涉及玻璃纖維增強(qiáng)的熱塑性塑料復(fù)合材料的預(yù)制層，其中增強(qiáng)玻璃纖維的長(zhǎng)度約為1-8厘米，將由大量涂有上漿劑的順序排列的玻璃纖維束組成的潤(rùn)濕的玻璃纖維股切段，以細(xì)旦可潤(rùn)濕切段短纖維的形式，在中性pH的含水淤漿中與熱塑性樹脂顆粒共分散，使它們達(dá)到密切混合狀態(tài)。本發(fā)明最終提供一種方法，可制備一種具有優(yōu)異的加工性能和料片強(qiáng)度的復(fù)合材料預(yù)制層，其中增強(qiáng)纖維和熱塑性塑料纖維達(dá)到非常均勻的分布。重要的是無(wú)需使用如膠乳、合成漿粕或聚乙烯醇之類的加工助劑，即可得到良好的料片強(qiáng)度，本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)有技術(shù)所采用的加工助劑對(duì)最終的復(fù)合材料性能是有害的。此外，本發(fā)明所公開的制備復(fù)合材料預(yù)制層的方法無(wú)需大幅度調(diào)整含水淤漿的pH，無(wú)需向淤漿混合物中添加分散助劑，也無(wú)需使用發(fā)泡劑，即可很好地分散潤(rùn)濕玻璃纖維切段，而上述助劑或添加劑的殘余物對(duì)復(fù)合材料的性能是有害的。本發(fā)明方法制備的熱塑性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是以聚酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯基質(zhì)樹脂為基礎(chǔ)，這種復(fù)合材料顯示出意想不到的性能。我們意外地發(fā)現(xiàn)，只要將上述樹脂顆粒制成易于在中性含水淤漿中分散的細(xì)纖維形式，潤(rùn)濕的玻璃纖維股切段就可以很好地分散在具有理想的中性pH在含水淤漿中，所述玻璃纖維股切段是由纖維束組成的，纖維束則是由許多經(jīng)工業(yè)上所用的“與熱塑性復(fù)合材料可相容的上漿劑”粘合在一起的玻璃纖維所組成。如果上述熱塑性纖維的表面上任選地預(yù)先涂上可以提高該熱塑性纖維分散性能的潤(rùn)濕劑，則上述效果還可以進(jìn)一步提高。熱塑性纖維中最好含有一部分熔點(diǎn)稍低的纖維，這些纖維可以起到粘結(jié)纖維的作用，從而在加工過程中可以使預(yù)制層具有良好的整合性，且不再需要現(xiàn)有技術(shù)中所用的膠乳和漿粕。在本發(fā)明的方法中，由于增強(qiáng)纖維分散度較高，而且去除了現(xiàn)有技術(shù)中的不利因素，所以最終性能得到了本質(zhì)性地改善。


圖1和1A是本發(fā)明濕法成型方法一個(gè)實(shí)施例的示意說明。
圖2是本發(fā)明濕法成型方法另一實(shí)施例的示意說明。
圖3是玻璃纖維和熱塑性纖維斷面分布顯微照片的示意圖。
參見圖1，本發(fā)明的濕法成型方法采用了造紙裝置，通常包括碎漿機(jī)10，攪拌供料罐12，傾斜網(wǎng)造紙機(jī)16的網(wǎng)前箱14，脫水部分18，繞纏或驅(qū)動(dòng)軸20。操作時(shí)將玻璃纖維和熱塑性纖維分散在盛于碎漿機(jī)10的水中。用泵11將淤漿從碎漿機(jī)泵至攪拌供料罐12。原料從該供料罐泵至(通過泵13)網(wǎng)前箱14，于此處通過罐15添加稀釋水，將漿料稠度降低五分之四。按常規(guī)方式將淤漿通過造紙網(wǎng)，并通過脫水部分的空吸縫18進(jìn)行脫水。然后，將脫水的薄片19在潮濕狀態(tài)繞纏在驅(qū)動(dòng)軸20上。繞在軸20上的薄片如圖1A所示解纏為層17并風(fēng)干。
在另一個(gè)用于大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)施例中，在淤漿被泵至供料罐12后，即用稀釋水將其稠度降低到三至五分之一，如圖2所示，通過泵16b從脫水箱16a和管路16c補(bǔ)加稀釋水使稠度進(jìn)一步降低到八至十分之一。薄片19經(jīng)過空吸縫18后，通過板式壓縮空氣干燥機(jī)30于約500°F進(jìn)行干燥。然后，薄片19從紅外干燥裝置40下面通過，并通過夾輥由纏繞器20′纏到輥上。
造紙裝置部件編號(hào)名稱型號(hào)制造廠家10碎漿機(jī)GP157BirdMachineCo.，Inc.SouthWalpole，MA13泵23B2-BGorman-RuppMansfield，OH16造紙機(jī)Labor23″NenfBruderhausReutlingen，W.Germany本發(fā)明的復(fù)合材料預(yù)制層是在常規(guī)造紙裝置上成型的，該裝置的成型部分最好是傾斜造紙網(wǎng)，即輸送淤漿的成型網(wǎng)與前箱14中淤漿的水平面成一角度(一般為15-45℃)。這種裝置經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，可以在中等至高淤漿稀釋度成型纖維氈片，特別適用于將長(zhǎng)纖維(1-8厘米)制成無(wú)紡氈片。當(dāng)然，也可以采用其它類型的機(jī)器，如園筒成型機(jī)等?？刹捎蔑L(fēng)干、接觸式干燥或熱輻射干燥等綜合干燥方法對(duì)薄片進(jìn)行干燥。纖維氈片所達(dá)到的最高溫度必須足以使樹脂纖維中適當(dāng)?shù)牟糠诌_(dá)到粘態(tài)，使氈片強(qiáng)度足夠高，從而獲得良好的加工性能。
優(yōu)選的復(fù)合材料預(yù)制層制備方法包括將潤(rùn)濕的玻璃纖維切段在常規(guī)造紙碎漿機(jī)中進(jìn)行共分散，接著將其沉積在造紙網(wǎng)上，脫水，干燥，并加熱至足夠高的溫度將共聚物粘結(jié)料活化，其后任選對(duì)該薄片進(jìn)行砑光，最后將其纏在軸上。
增強(qiáng)纖維本發(fā)明所用的增強(qiáng)玻璃纖維是直徑為5-50μ、切段長(zhǎng)度為1-8厘米的常規(guī)初紡玻璃纖維股。在工業(yè)上通常是按下述方式制備這種玻璃纖維股。通過高壓套筒形成單絲，將數(shù)百至數(shù)千根單絲在高壓套筒下集成絲束，并對(duì)其上漿，以滿足下游工序的需要。上漿劑由至少一種成膜劑和偶聯(lián)劑組成。成膜劑包括低分子量聚酯或聚氨酯，其作用是保護(hù)玻璃纖維。偶聯(lián)劑一般是硅烷化合物，如α-氨丙基三乙氧基硅烷，適當(dāng)選擇偶聯(lián)劑有助于最終復(fù)合物中玻璃纖維/樹脂界面的粘合。一般將這種上漿的纖維股切成一定長(zhǎng)度，裝在不透氣的容器中于“潤(rùn)濕”狀態(tài)下運(yùn)至造紙廠。優(yōu)選的上漿劑組合物是Owens-CorningFiberglass(OCF)出售的商標(biāo)為133A的產(chǎn)品。這種潤(rùn)濕的纖維股切段在中性pH的含水淤漿中是非分散性。然而，將這種潤(rùn)濕的纖維股切段與可潤(rùn)濕的熱塑性纖維在中性pH的淤漿中共分散，卻意外地達(dá)到很好的分散效果，導(dǎo)致了所希望的增強(qiáng)纖維和樹脂纖維的緊密混合物。
樹脂纖維樹脂纖維組分最好是由細(xì)旦(0.5-20旦)短切段(1-5厘米)聚酯、聚酰胺、聚丙烯或聚乙烯等熱塑性短纖維組成，其中可以含有預(yù)混的添加劑，如抗氧劑、增韌劑和其它用來(lái)提高復(fù)合材料性能的組分。另外，一部分熱塑性纖維也可以是由具基本相同成分的較低熔點(diǎn)的熱塑性塑料組成，或具有這種外層，在干燥過程中它們可起到熱活化粘結(jié)劑的作用。可任選地用少于1%的分散助劑如長(zhǎng)鏈烷基磷酸酯、脂醇與聚氧乙烯的縮合產(chǎn)物及低分子量聚酯對(duì)上述熱塑性纖維(如聚酯纖維)進(jìn)行表面處理，當(dāng)然分散助劑并不限于上述這些。
纖維的分散過程纖維的分散過程是在常規(guī)造紙榻薪械模盟畃H為5.5-8.5，淤漿稠度為0.25-2%(固體重量)。玻璃纖維對(duì)樹脂纖維的比例一般為1/5-5/1，最好為1/3-1/1。通過共分散或先分散樹脂纖維均可達(dá)到良好的分散效果。優(yōu)選的工藝是先在常規(guī)高剪切碎漿機(jī)中將可潤(rùn)濕的熱塑性纖維分散110分鐘，接著添加潤(rùn)濕的玻璃纖維股切段，再攪拌10分鐘。
預(yù)制層的后加工通常預(yù)制層不夠厚，不能直接用來(lái)制備復(fù)合材料部件。一般是將幾層預(yù)制層制成薄片，并將它們疊置起來(lái)達(dá)到適于模壓的厚度(一般為0.5-2.0磅/平方英尺)。我們發(fā)現(xiàn)用機(jī)械的方法將這些疊置的預(yù)制層縫在一起比較有利，將這些層進(jìn)一步固定在一起在模壓工序中更易于操作。我們還發(fā)現(xiàn)在上述疊層的上面和下面提供玻璃纖維遮蓋層有助于獲得在模壓工序中所需的表面性能。如在接觸性預(yù)熱系統(tǒng)中降低粘性，以及提高最終模壓制品的表面修飾性。
復(fù)合材料片的模壓可將幾層所得的薄片疊在一起放在模具中制成板，用來(lái)評(píng)價(jià)物理性能。對(duì)于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯這類縮聚物，在模塑前要將其干燥至＜0.02%的含水量。然后將其放入一個(gè)涂有脫模劑的框式模具中。將模具及其內(nèi)容物放在壓力為15磅/平方英寸的平板熱壓機(jī)中，并將模具溫度升至樹脂熔融溫度以上。將壓力升至500磅/平方英寸，于此壓力下令模具及其內(nèi)容物冷卻。取出壓好的板，用常規(guī)方法得到超聲掃描、拉伸性能和挺度數(shù)據(jù)。
復(fù)合材料部件的模塑為了從無(wú)紡疊層形式或加固片形式的預(yù)制層得到有用的制品，用常規(guī)方法(接觸式、紅外或壓縮空氣)加熱一個(gè)或多個(gè)復(fù)合預(yù)制層將基質(zhì)樹脂重新熔觸，在采用縮聚物的情況下，要首先將薄片仔細(xì)干燥，然后熔融樹脂和增強(qiáng)玻璃纖維片放在一個(gè)壓?；驔_壓機(jī)中。于壓力下擠壓上述材料，使之成型為所需的部件，此時(shí)將樹脂冷卻，取出成型的部件。
試驗(yàn)方法拉伸強(qiáng)度塑料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(ASTMD638-84)。
撓曲模量非增強(qiáng)和增強(qiáng)塑料材料撓曲性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(ASTM-D790-84a)。
共分散程度的測(cè)定步驟1選擇該復(fù)合材料預(yù)制層有代表性的分析試樣步驟2制備試樣將試樣小心地放入澄清的環(huán)氧樹脂中，特別小心不要擾亂該纖維的結(jié)構(gòu)。具體做法是將大約1立方英寸的試樣放入一個(gè)小懷中，小心地將二份初始粘度小于10泊的環(huán)氧樹脂注入杯中，然后將此杯放在一個(gè)真空室中，以確保良好的浸漬效果。使環(huán)氧樹脂固化。在此試樣上切割出一個(gè)橫截面，將其拋光，以便進(jìn)行顯微觀測(cè)。
步驟3拍攝顯微照片采用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微技術(shù)拍攝試樣截面的顯微照片，這些照片顯示玻璃纖維端部的分布。圖3代表這樣的顯微照片，其中玻璃纖維端部100與熱塑性纖維端部200互相分散。
步驟4測(cè)定試樣的面積根據(jù)顯微照片，選擇一個(gè)如圖3那樣的樣品面積，由于此面積中含有大量熱塑性纖維和玻璃纖維斷面，所以由此得到的玻璃纖維與熱塑玻璃性纖維端部之比接近于纖維比例的計(jì)算值?！袄w維比例”FR定義為FR＝熱塑性纖維斷面數(shù)目/玻璃纖維斷面數(shù)目= ((%〔重量〕TP)·(GO)·(GL)·(G Dm)2)/((％〔重量〕G)·(TPD)·(TPL)·(TPDm)2)TP＝熱塑性纖維G＝玻璃纖維TPD＝熱塑性纖維密度TPL＝熱塑性維維長(zhǎng)度TPDm＝熱塑性維維直徑GD＝玻璃纖維密度GL＝玻璃纖維長(zhǎng)度GDm＝玻璃纖維直徑步驟5測(cè)定玻璃纖維束的分散指數(shù)(GBDI)在上述樣品面積中劃一個(gè)只包括熱塑性纖維斷面的盡可能大的圓，計(jì)算該圓中所含玻璃纖維斷面的數(shù)目。至少在5個(gè)不同的樣品面積上重復(fù)上述測(cè)試。
玻璃纖維束分散指數(shù)按下式計(jì)算GBDI＝ (初始纖維數(shù)目/束)/(平均纖維數(shù)目/束(在預(yù)制層中))式中初始切段纖維束的支數(shù)可按下式計(jì)算，或直接數(shù)出
初始纖維數(shù)目/束＝2.5×106/〔支數(shù)×(直徑)2(μ)〕其中支數(shù)是指每磅初始纖維股所含100碼長(zhǎng)度的數(shù)目，如1磅重的纖維股長(zhǎng)100碼，即為1支，若長(zhǎng)200碼即為2支。
C-掃描孔隙含量采用超聲波掃描體系對(duì)復(fù)合材料板進(jìn)行測(cè)試，以評(píng)價(jià)最終固結(jié)復(fù)合材料密度和固結(jié)的均勻性。
超聲波掃描裝置可在下述公司購(gòu)買Testech，Inc.
115SunsetDriveP.O.Box960Exton，Pennsylvania所用方法是“C”掃描法或稱為面積掃描法。所用頻率為為5兆赫。所用模式是透射浸在水箱中的7×7×0.125英寸的試樣板。測(cè)定DB(損失)，采用彩色編碼系統(tǒng)對(duì)整個(gè)板的表面作圖，以便評(píng)價(jià)相對(duì)密度和均勻性，然后再評(píng)價(jià)拉伸和撓曲性能。
DB損失由下式定義DB損失＝20log10AG/AR-(GS-GR)其中AG是通過樣品的訊號(hào)振幅。AR是無(wú)試樣的參比振幅。GS和GR分別是在試樣上和離開試樣時(shí)的放大器增益。-1DB表示振幅減小10%，-6DB表示振幅減小50%，-20DB表示振幅減小90%。在扣除反射損失(在此處所用的系統(tǒng)中這種損失很小，約1DB)后，由均勻孔隙造成的訊號(hào)DB損失與厚度成比例。因而，C-掃描數(shù)據(jù)是以DB損失/英寸材料厚度為單位的。DB損失值為35DB/英寸即認(rèn)為結(jié)果很好，這表示板已經(jīng)很好地硬化。這相應(yīng)于5-7%的孔隙率(由體積密度技術(shù)測(cè)定)。
旦數(shù)900米長(zhǎng)線型材料的以克數(shù)表示的重量。
實(shí)例1向總?cè)萘繛?50加侖的Bird碎漿機(jī)添加50加侖去離子水。添加1.5磅單絲旦數(shù)為1.5、短纖維長(zhǎng)度為0.25英寸表面上預(yù)先涂有0.5%(重量)整理劑的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)，并在高速攪拌下分散5分鐘，以促進(jìn)纖維均勻分散。所述整理劑由脂醇乙氧基化物(25摩爾)和C-12醇的單或二價(jià)磷酸酯鉀鹽的等量混合物組成。然后將1磅1英寸長(zhǎng)的玻璃纖維(OCFTYPE133A)切段與68加侖附加的去離子水一同慢慢添加到上述混合物中，接著將這批料再攪拌10分鐘。然后把漿粕泵送到一個(gè)攪拌不太劇烈的供料罐中，不需進(jìn)一步稀釋，保持稠度為0.25%(固體重量)。把此漿料泵送到傾角為45°的12英寸Bruderhaus傾斜網(wǎng)式小型造紙機(jī)的網(wǎng)前箱。在網(wǎng)前箱中將上述漿料稀釋到0.05%的稠度。按常規(guī)方法通過成型網(wǎng)排出網(wǎng)前箱的漿料，并通過空吸縫進(jìn)行脫水。網(wǎng)的移動(dòng)速度是5英尺/分鐘，在收集輥上收集濕態(tài)的成型片。然后將這種片分層疊放起，基本按圖1所示的方式將其風(fēng)干至環(huán)境含濕量。干片重量約為0.05磅/平方英尺。顯微斷面分析表明潤(rùn)濕的玻璃纖維束切段實(shí)質(zhì)上已充分分散渴南宋 000-2000減到幾個(gè))。
將在環(huán)境中干燥的無(wú)紡片疊置起來(lái)，形成基重為1磅/平方英尺的7×7英寸毛層，于真空烘箱中干燥至含濕量等于或小于0.02%(重量)。迅速把干燥的毛層轉(zhuǎn)移到一個(gè)涂有Miller-StephensonMS-136脫模劑的7×7英寸預(yù)熱框式模具中。然后將模具及其內(nèi)容物放在水壓機(jī)的加熱壓板之間。向模具施加15磅/平方英寸的接觸壓力，并將其加熱至290℃，溫度由裝在模具內(nèi)部的熱電偶測(cè)定。當(dāng)達(dá)到指定溫度時(shí)，逐漸將壓力升至600磅/平方英寸。當(dāng)閃光燈開始顯示壓力約達(dá)到600磅/平方英寸時(shí)，關(guān)掉加熱器，開放壓板冷卻水，于600磅/平方英寸壓力下在大約15分鐘內(nèi)將模具及其內(nèi)容物冷卻至室溫。然后從模具中取出復(fù)合材料板。從該板切割下來(lái)的拉伸和撓曲試驗(yàn)樣品表明拉伸強(qiáng)度超過24千克/平方英寸，撓曲模量為1.65×10磅/平方英寸。C-掃描數(shù)據(jù)表明形成的板是均勻硬化的，對(duì)0.125英寸厚的試樣進(jìn)行測(cè)定，其聲波吸收為約24-40DB/英寸。
實(shí)例2方法同實(shí)例1相同，不同之外是將模具加熱至250℃，并且用單絲旦數(shù)為1.8、短纖維長(zhǎng)度為0.25、涂有極少表面整理劑或未涂表面整理劑的尼龍纖維代替PET纖維。在顯微鏡下觀察預(yù)制氈片的截面表明，玻璃在與尼龍纖維的緊密混合物中達(dá)到了與上述類似的高分散狀態(tài)。從形成的板切割下來(lái)的拉伸和撓曲式樣表明，拉伸強(qiáng)度為26.7千克/平方英寸，撓曲模量為1.6×10磅/平方英寸。C-掃描數(shù)據(jù)表明板是均勻固結(jié)的、對(duì)0.125英寸厚的試樣進(jìn)行測(cè)定，其聲波吸收為約24-40DB/英寸。
實(shí)例3方法與實(shí)例1相同，不同之處是將模量加熱至200℃，并且用單絲旦數(shù)為6、短纖維長(zhǎng)度為0.25、涂有與實(shí)例1相同的表面整理劑的聚丙烯纖維代替PET纖維。在顯微鏡下觀察預(yù)制氈片的截面表明，玻璃纖維在與聚丙烯纖維的緊密混合物中達(dá)到了類似的高分散狀態(tài)。由板上切割下來(lái)的拉伸和撓曲試驗(yàn)樣品的表明拉伸強(qiáng)度超過10千克/平方英寸，撓曲模量大于0.7×10磅/平方英寸。
實(shí)例4方法與實(shí)例1相同，不同之外是用含有0.5%Irganox1010抗氧劑和8%彈性增韌劑微粒的PET纖維代替其中的PET纖維。用顯微境觀察預(yù)制氈片的截面表明，玻璃纖維在與此聚酯纖維的緊密混合物中達(dá)到了類似的高分散程度。由板上切割下來(lái)的拉伸和撓曲試驗(yàn)樣品表明，拉伸強(qiáng)度超過22.5千克/平方英寸，撓曲模量為1.4MMpsi。C-掃描數(shù)據(jù)表明板是均勻固結(jié)的，對(duì)0.125英寸厚的樣品進(jìn)行測(cè)試，其聲波吸收為約24-40DB/英寸。
實(shí)例5方法與實(shí)例1相同，不同之外是使用長(zhǎng)度為0.5英寸的OCF133A玻璃纖維而不是1.0英寸的。用顯微鏡觀察預(yù)制氈片的截面表明，玻璃纖維在與聚酯纖維的緊密混合物中達(dá)到了類似的高分散程度。從板上切割下來(lái)的拉伸和撓曲試驗(yàn)樣品表明，拉伸強(qiáng)度超過20千克/平方英寸，撓曲模量為1.43MMpsi。C-掃描數(shù)據(jù)說明板是均勻固結(jié)的，對(duì)0.125英寸厚的樣品進(jìn)行測(cè)定，其聲波吸收為約24-40DB/英寸。
實(shí)例6方法與實(shí)例1相同，不同之處是用1英寸長(zhǎng)的OCF685型玻璃纖維代替OCF133A型玻璃纖維。用顯微鏡觀察預(yù)制氈片的截面表明，玻璃纖維在與聚酯的緊密混合物中達(dá)到了類似的高分散程度。從板上切割下來(lái)的拉伸和撓曲試驗(yàn)樣品表明，拉伸強(qiáng)度超過20千克/平方英寸，撓曲模量為1.43MMpsi。C-掃描數(shù)據(jù)說明板是均勻固結(jié)的，對(duì)厚度為0.125英寸的試樣進(jìn)行測(cè)定，其聲波吸收為約24-40DB/英寸。
實(shí)例7按下述方式將不同的組分分散在常規(guī)碎漿/共混裝置中。將大約400加侖的水放入碎漿機(jī)。然后添加315磅單絲旦數(shù)為1.5、短纖維長(zhǎng)度為0.25英寸、表面涂有與實(shí)例1相同的整理劑的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，攪拌10分鐘。添加240磅(干重)OCF133A-AA玻璃纖維切段和45磅皮芯型粘結(jié)纖維(由30%發(fā)粘溫度為130-160℃的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯共聚物的皮層和70%聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯共聚物的皮層和70%聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯芯體組成)，并攪拌15分鐘。此批料的百分組成可由上述比例折算，以磅/磅水表示某磯任 .8%(漿粕固體重量)。用10，000加侖水將所形成的玻璃纖維和聚合物纖維的均勻緊密混合的水分散液沖洗到貯罐中，使得攪拌供料罐中的稠度為0.516%(固體重量)。
將供料罐中的漿料喂入常規(guī)傾料網(wǎng)式造紙機(jī)的成型箱，并將網(wǎng)前箱的成型稠度調(diào)節(jié)到0.057%。
按常規(guī)方式使?jié){料通過機(jī)器的成型網(wǎng)，形成均勻的無(wú)紡氈。先按常規(guī)方式將此氈片通過真空空吸縫進(jìn)行部分脫水。然后令氈片通過一個(gè)平板壓縮空氣干燥器進(jìn)行干燥，其中干燥空氣溫度為500°F，使氈片的外部溫度達(dá)到200°F。然后使氈片在一紅外干燥裝置下通過，該裝置包括6個(gè)12英寸寬的單元，每個(gè)單元有6個(gè)加熱棒，使氈片表面溫度在進(jìn)入紅外加熱區(qū)時(shí)為100°F，離開時(shí)為380°F。然后使氈片在壓區(qū)壓力為100磅/英寸的單壓區(qū)砑光機(jī)之間通過，并將其纏在6英寸紙管芯上。機(jī)器的線速度是22英尺/分鐘。氈片重量為196-261磅/1300平方英尺。
用顯微鏡觀察氈片的截面表明，玻璃纖維在與該熱塑性樹脂纖維的緊密混合物中達(dá)到了極好的分散程度。
將環(huán)境條件下干燥的薄片疊置起來(lái)，形成基本重量為1磅/平方英尺的7×7英寸毛層，并于真空烘箱中干燥至0.02%(重量)的含水量，或低于0.02%。迅速把經(jīng)干燥的毛層轉(zhuǎn)移到一個(gè)涂有Miller-StephensonMs-136脫模劑的7×7英寸預(yù)熱亮邊模具中。然后把模具及其內(nèi)容物放在水壓機(jī)的加熱壓板之間。向槽具施加15磅/平方英寸的接觸壓力，將其加熱至290℃，此溫度由放在模具內(nèi)部的熱電偶測(cè)定。當(dāng)達(dá)到此溫度時(shí)，將壓力逐漸升至600磅/平方英寸。閃光燈開始顯示大約達(dá)到600磅/平方英寸時(shí)，關(guān)掉加熱器，開放壓板冷卻水，在600磅/平方英寸壓力下，于15分鐘內(nèi)將模具及其內(nèi)容物冷卻至室溫。從模具中取出復(fù)合材料板。從該板上切割下來(lái)用于拉伸、撓曲和其他物理性能試驗(yàn)的樣品，通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)取復(fù)合材料性能的分析數(shù)據(jù)。
結(jié)果如下拉伸強(qiáng)度27千克/平方英寸撓曲模量1.62MMpsiC-掃描數(shù)據(jù)說明板是均勻硬化的，對(duì)厚度為0.125英寸的試樣進(jìn)行測(cè)定，其聲波吸收為約24-40DB/英寸。
實(shí)例8向一個(gè)常規(guī)造紙用高剪切碎漿機(jī)添加大約4000加侖水。添加360磅單絲旦數(shù)為5、短纖維長(zhǎng)度為0.25英寸的聚丙烯纖維，攪拌5分鐘。該聚丙烯纖維涂有1.9%(重量)表面整理劑，整理劑由Nopco2152-P、Emery6774和KesscoPEG-200二月桂酸酯組成，在制備纖維時(shí)按常規(guī)方式涂覆。用于形成纖維的聚丙烯是一種均聚物(數(shù)均分子量約為37，000)，其中含有2800ppm的商售抗氧劑/UV穩(wěn)定劑，以便使聚合物具有加工穩(wěn)定性。
然后添加240磅(干重)的1.0英寸長(zhǎng)、直徑為13μ的OCF133A潤(rùn)濕玻璃纖維切段，攪拌15分鐘。此批料的百分組成大約為40%(重量)玻璃纖維和60%(重量)聚丙烯短纖維。漿粕稠度為1.8%(漿粕固體重量)。
另用10，000加侖的水將所得的玻璃纖維與聚合物纖維的均勻緊密混合的水分散液沖洗到側(cè)面裝有兩個(gè)葉輪的貯罐中，使攪拌供料罐中的稠度為0.516%(固體重量)?？上驍嚢栀A罐任選添加200CC的烴類消泡劑(SA-3烴基消泡劑，LaurelCo.，Philadelphia，PA19134)，以防止少量原料浮起。
然后將供料罐的漿料喂入常規(guī)傾斜網(wǎng)造紙機(jī)的成型箱，并把網(wǎng)前箱中的稠度調(diào)至約0.057%。
令漿料按常規(guī)方式通過傾斜網(wǎng)造紙機(jī)，形成均勻的無(wú)紡氈片。先將該氈片通過常規(guī)真空空吸縫部分脫水，然后通過平板式壓縮空氣干燥器進(jìn)行干燥。干燥器氣體溫度為450-500°F。在干燥器中的滯留時(shí)間(約20秒)足以充分干燥該薄片，另外，在該干燥器的末級(jí)進(jìn)一步將聚丙烯纖維加熱到接近其熔融溫度，以便造成熔融粘結(jié)。然后使該氈片支承在一個(gè)銅網(wǎng)載體上從紅外加熱裝置之間通過，其表面在進(jìn)行紅外加熱區(qū)時(shí)為100°F，離開紅外加熱區(qū)時(shí)為300°F。隨后立即將氈片通過一個(gè)壓區(qū)壓力約為100磅/英寸牡パ骨脊饣?，并将其缠?英寸紙管芯體上。氈片重量為140-160磅/平方英尺。
用顯微鏡觀察氈片的截面表明，玻璃纖維在與該熱塑性樹脂纖維的緊密混合物中達(dá)到了極好的分散程度。一部分纖維(5-10%)被部分熔融，從而將纖維氈片粘結(jié)在一起。薄片的拉伸強(qiáng)度超過5磅/英寸。
將8層幅度為36×60英寸的這種薄片疊放在一起，形成一個(gè)重0.864磅/平方英尺的氈片。然后用帶有鋁壓板能加熱和冷卻的TylerIndustries氣壓機(jī)將此氈片充分固結(jié)，形成孔隙含量小于10%的復(fù)合材料硬片。將上述毛層夾在脫模布之間放入壓機(jī)，于80磅/平方英寸的壓力下加熱至180℃，然后冷卻至室溫。將上述方法制備的復(fù)合材料硬片切成適用于壓塑汽車工業(yè)中常見的車擋后梁的料坯。按照壓塑工業(yè)常用的技術(shù)在紅外烘箱中將若干上述料坯重新加熱，將其壓塑為重約12磅的車擋后梁。按照聯(lián)邦車輛安全標(biāo)準(zhǔn)(FMVSSPart581BumperStandardandFixedBarrierTests)對(duì)這些梁進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)結(jié)果令人滿意。按照實(shí)例7所述的模塑方法對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行了研究，并測(cè)定了室溫拉伸強(qiáng)度，拉伸模量和缺口懸臂梁沖擊強(qiáng)度，結(jié)果如下拉伸強(qiáng)度13.5千克/平方英寸伸長(zhǎng)率2.3%拉伸模量0.88×106磅/平方英寸缺口懸臂梁沖擊強(qiáng)度16附圖注釋10高剪切碎漿機(jī)11傳輸泵12攪拌供料罐
13供料泵14網(wǎng)前箱15稀釋水貯槽(重力喂料)16傾斜網(wǎng)造紙機(jī)16a脫水箱16b泵16c管線17疊層/風(fēng)干18真空空吸縫19玻璃纖維/樹脂纖維薄片20纏繞器30壓縮空氣干燥器40紅外加熱器50砑光機(jī)
權(quán)利要求
1.一種制備由分散的玻璃短纖維與熱塑纖維緊密混合物組成的預(yù)制層的方法，包括將一定量的0.5-20旦、1毫米至5厘米長(zhǎng)的熱塑性短纖維和潤(rùn)濕的玻璃纖維股切段分散到攪拌的且基本不含其它成分的中性pH水溶液中，所述玻璃纖維股切段由大量長(zhǎng)1-8厘米直徑為5-50μ順序排布的玻璃纖維的束所組成，其表面經(jīng)過涂覆并彼此粘合，從而具有足夠的整體，使得正常加工過程中可以進(jìn)行搬運(yùn)；繼續(xù)攪拌此混合液，以便將玻璃纖維束基上分散為熱塑纖維和玻璃纖維的均勻單纖維淤漿；將此淤漿倒入絲網(wǎng)層，從此層中除去水；干燥該層，進(jìn)一步加熱該層至可以將熱塑性纖維組分熱結(jié)合的溫度，然后將該層冷卻，形成自支承的預(yù)制層。
2.按權(quán)利要求1的方法，其中先將熱塑性纖維添加到水溶液中，然后再添加玻璃纖維。
3.權(quán)利要求1的方法，其中先將玻璃纖維添加到水溶液中，然后再添加熱塑性纖維。
4.按權(quán)利要求1的方法，其中同時(shí)添加熱塑性纖維和玻璃纖維。
5.按權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的方法，其中熱塑性纖維表面帶有分散助劑涂層，而且至少一部分所述纖維涂有化學(xué)組成基本相同的低熔點(diǎn)聚合物。
6.按權(quán)利要求5的方法，其中分散助劑是脂醇與聚氧乙烯的縮合產(chǎn)物和低分子量聚酯。
7.一種由分散的增強(qiáng)玻璃纖維與熱塑性纖維的緊密混合物組成的自支承預(yù)制層，包括一種由10-70(重量)玻璃短纖維和90-30%(重量)熱塑性短纖維實(shí)質(zhì)上以無(wú)規(guī)排布的單絲形式分散在該層的平面中，其表面涂有上漿劑，包括偶聯(lián)劑和成膜劑，該玻璃纖維長(zhǎng)1-8厘米，直徑為5-50μ;所述熱塑性短纖維實(shí)質(zhì)上以0.5-20旦、1.0毫米-5厘米長(zhǎng)的單絲的形式被分散。
8.按權(quán)利要求7的對(duì)制層，其中一部分熱塑性纖維涂有化學(xué)組成與其基本相同的低熔點(diǎn)聚合物，此部分纖維在其余的熱塑性纖維和玻璃纖維切段之間形成粘合。
9.按權(quán)利要求7在預(yù)制層，其中熱塑性纖維是聚酰胺。
10.按權(quán)利要求7的預(yù)制層，其中熱塑性纖維是聚丙烯。
11.按權(quán)利要求7的預(yù)制層，其中熱塑性纖維是含有預(yù)混抗氧劑和增韌劑的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。
12.按權(quán)利要求7的預(yù)制層，其中低熔點(diǎn)聚合物是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯共聚物。
13.一種由至少一層權(quán)利要求7的預(yù)制層形成的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料基本不含孔隙。
全文摘要
一種制備由玻璃短纖維和可濕的細(xì)旦熱塑性短纖維組成的自支承預(yù)制層的方法，其中用常規(guī)造紙?jiān)O(shè)備將玻璃纖維和熱塑性纖維的中性pH含水漿料制成氈片。優(yōu)先的做法是先將可潤(rùn)濕的熱塑性纖維分散在水中，然后再添加玻璃纖維。當(dāng)將此自支承預(yù)制層轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｋ艿膹?fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，可產(chǎn)生一種基本不含孔隙的由分散的玻璃纖維嵌在熱塑性樹脂基質(zhì)中所形成的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)D06N5/00GK1037939SQ8910150
公開日1989年12月13日 申請(qǐng)日期1989年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月15日
發(fā)明者格雷戈里·保羅·威克斯 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司