專(zhuān)利名稱(chēng)：用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂的制作方法
用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2005年11月23日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/287， 141的權(quán)利， 其全部公開(kāi)內(nèi)容引入本文作為參考。
本申請(qǐng)還涉及于2005年11月23日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/287,140; 美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/287,143的；和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/287，142。
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及使用拉擠成型工藝制備纖維增強(qiáng)復(fù)合部件的方法和體 系。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及利用聚氨酯樹(shù)脂基體的復(fù)合部件。
在拉擠成型工藝中形成的纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)部件通常包括纖維增強(qiáng)材
料(例如玻璃纖維、聚合物纖維或者碳纖維)嵌在樹(shù)脂基體(例如聚合
物，如不飽和聚酯或者環(huán)氧乙烯基酯)中。該纖維增強(qiáng)材料通常既包括紗 線(xiàn)或纖維束(每種都包括大量纖維或者長(zhǎng)絲)又包括一種或多種纖維氈或 者纖維網(wǎng)。
為了制備復(fù)合結(jié)構(gòu)部件如用于門(mén)窗的線(xiàn)性部件(lineals)，通過(guò)牽引纖 維束通過(guò)液態(tài)樹(shù)脂前體材料的常壓槽(通常是開(kāi)式槽或桶)而將其涂覆。 一旦涂覆，牽引纖維束通過(guò)固化模具以聚合和固化樹(shù)脂。使用常壓槽涂覆 纖維束的一個(gè)困難是纖維束內(nèi)單根纖維或者長(zhǎng)絲可能沒(méi)有充分地涂覆上樹(shù) 脂。例如，纖維束的外表面可能涂覆上樹(shù)脂，而纖維束內(nèi)的長(zhǎng)絲或者纖維 可能只是部分地涂覆。
因?yàn)閺?fù)合結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度很大程度上取決于樹(shù)脂基體和纖維增強(qiáng)材料 之間的相互作用，因此期望盡可能多的單根長(zhǎng)絲或者纖維被完全地涂覆。 未涂覆的長(zhǎng)絲在結(jié)構(gòu)上得不到支持，并且不能接承受任何大的壓力負(fù)荷。 此外，混合長(zhǎng)絲的空隙區(qū)在負(fù)荷下成為引發(fā)裂縫的位置，由此降低了復(fù)合 部件的硬度和強(qiáng)度。因此，減少存在于成品部件中部分涂覆的長(zhǎng)絲、空隙 等的數(shù)量是有利的。與常壓槽相關(guān)的另一個(gè)困難是它們通常包含較大量的未固化樹(shù)脂前體 化學(xué)品，以及這些化學(xué)品很大的表面積暴露在空氣中。這些化學(xué)品蒸發(fā)進(jìn) 入周?chē)目諝馐遣缓玫模以O(shè)計(jì)用于減少蒸氣排放的緩沖系統(tǒng)較昂貴并且 可能妨礙許多保持產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率所需要做的工作。
用于制造拉擠復(fù)合部件的常規(guī)樹(shù)脂(例如聚酯、乙烯基酯、酚醛樹(shù)
脂等)的極限強(qiáng)度為約8，000-15，000psi，彈性模量為約350，000-500，000。這
個(gè)彈性模量與增強(qiáng)纖維的彈性模量很好地匹配。當(dāng)擠壓或者彎曲負(fù)荷施加 于這樣的復(fù)合部件時(shí)，以產(chǎn)生較平衡的負(fù)荷和較高的極限強(qiáng)度的方式在增 強(qiáng)纖維間分擔(dān)負(fù)荷。然而，這些常規(guī)的樹(shù)脂體系的破壞伸長(zhǎng)率一般為約 1.5%-3%，超過(guò)了纖維的4%-6%的破壞伸長(zhǎng)率。當(dāng)超過(guò)它的破壞伸長(zhǎng)率時(shí) 樹(shù)脂將斷裂，使這些纖維得不到支撐。這使得負(fù)荷集中在小百分比的有效 纖維中，超過(guò)它們的極限強(qiáng)度，導(dǎo)致在低于整個(gè)纖維增強(qiáng)裝置(complete reinforcement package)的理論最大負(fù)荷下部件的破壞。
用于制造拉擠復(fù)合部件的常規(guī)樹(shù)脂在橫切縱向(也就是拉伸方向)的 方向上也具有相對(duì)小的強(qiáng)度。因此，拉擠復(fù)合部件可以利用橫向定位的增 強(qiáng)纖維以提供該部件必需的橫向強(qiáng)度。例如，增強(qiáng)材料可以同時(shí)包括在縱 向方向上貫穿拉擠部件的纖維束和給部件提供多方向強(qiáng)度的纖維氈。然而， 橫向纖維或者纖維氈的存在不期望地增加了部件的重量和成本以及增加了 制造該部件的工藝難度。
因此，需要提供一種改進(jìn)的樹(shù)脂體系以為拉擠復(fù)合部件提供比常規(guī)樹(shù) 脂體系所提供的增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。還需要復(fù)合部件不利用橫向增強(qiáng)纖維但 具有足夠的橫向強(qiáng)度以提供抗彎曲性和使該部件可以用螺釘、鐵釘?shù)裙潭ā?還需要提供一種改進(jìn)的體系和方法，用于在拉擠成型工藝中用聚合材料涂 覆增強(qiáng)材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方案涉及用于制造復(fù)合部件的樹(shù)脂前體組合 物，其包括異氰酸酯組分，該異氰酸酯組分包含選自二苯甲垸二異氰酸酯、 二苯甲烷二異氰酸酯的聚合異構(gòu)體及它們的混合物的材料。所述樹(shù)脂前體 組合物還包括至少一種官能度為3的聚醚多元醇，其量使異氰酸酯組分對(duì)至少一種多元醇的比率為化學(xué)計(jì)量的約80%-115%。該樹(shù)脂前體組合物還包 括脫模材料和填料。
本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案涉及用于拉擠成型工藝的聚氨酯樹(shù)脂前體 組合物，其包括異氰酸酯材料，該異氰酸酯材料包含選自二苯甲垸二異氰 酸酯、二苯甲烷二異氰酸酯的聚合異構(gòu)體及它們的混合物的材料。所述聚 氨酯樹(shù)脂前體還包括官能度為3且分子量為約600-800的第一聚醚多元醇、 官能度為至少3且分子量為約100-300的第二聚醚多元醇、脫模材料和填料。
本發(fā)明的一個(gè)示例實(shí)施方案涉及用于制備樹(shù)脂前體組合物的方法，其 包括將至少一種官能度為3的聚醚多元醇與脫模材料和填料混合以形成第 一樹(shù)脂前體組分。所述方法也包括將第二組分與第一組分混合以形成樹(shù)脂 前體組合物，所述第二組分包含異氰酸酯，該異氰酸酯包含選自二苯甲烷 二異氰酸酯、二苯甲垸二異氰酸酯的聚合異構(gòu)體及它們的混合物的材料。 在將該樹(shù)脂前體組合物提供給拉擠成型工藝的浸漬模具之前不到約5分鐘 時(shí)實(shí)施第二組分與第一組分混合的步驟。


圖1是現(xiàn)有拉擠成型方法制備的普通復(fù)合部件的透視圖。
圖2是在根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的拉擠成型方法中制備的普通復(fù)合
部件的透視圖，該示例性實(shí)施方案利用改進(jìn)的樹(shù)脂以避免需要橫向纖維增
強(qiáng)材料。
圖3是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案的拉擠成型生產(chǎn)線(xiàn)的部件的示意圖。 圖4是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案用于制備復(fù)合部件的浸漬模具的透視圖。
圖5是圖4所示浸漬模具的分解透視圖。 圖6是圖4所示浸漬模具的剖面圖。
圖7是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案制備復(fù)合部件的方法中的步驟的流程 示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，提供使用改進(jìn)的樹(shù)脂體系制備拉擠復(fù)合部件的方法和裝置。復(fù)合部件以線(xiàn)性部件或者其它部件的形式提供用于門(mén)、 窗等的生產(chǎn)。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方案，使用這里所描述的樹(shù)脂、體系 和方法可以制備任何其它各種復(fù)合部件，包括用于掃帚、鏟及其它手用工
具的手柄；用于防護(hù)侵蝕的板樁；用于卡車(chē)和汽車(chē)的構(gòu)件和門(mén)加固物；用 于水冷卻塔的結(jié)構(gòu)部件和RF透明結(jié)構(gòu)件如移動(dòng)電話(huà)塔；混凝土用鋼筋；公 路反光燈、扶手和柱子；用于石油鉆探平臺(tái)和化工廠的非傳導(dǎo)性和抗腐蝕 性的柵欄；以及任何其它各種產(chǎn)品。
改進(jìn)的樹(shù)脂體系是為了提供復(fù)合部件以較高的彎曲和抗壓強(qiáng)度，使得 制備該部件時(shí)不需要提供橫向(即垂直于縱向或者"拉伸"的方向)纖維增強(qiáng)。 相比使用傳統(tǒng)樹(shù)脂體系的常規(guī)復(fù)合部件，這樣的部件可以在低重量、低材 料成本和資本成本下有利地制備。與常規(guī)的利用橫向纖維(例如加入部 件中的纖維束或纖維氈)的拉擠成型方法相比，根據(jù)這里所描述的示例性 實(shí)施方案復(fù)合部件的生產(chǎn)速度沒(méi)有因橫向纖維的加入而減慢，從而在給定 的時(shí)間期限內(nèi)需要較少的機(jī)器提供所要求的量。
圖1舉例說(shuō)明了一個(gè)常規(guī)的普通拉擠復(fù)合部件10，其同時(shí)利用縱向定 向(如"X"方向定向的纖維束24所示)的纖維和橫向定向(如"Y"方向定向 的纖維束18所示)的纖維。橫向纖維18可以提供為例如層12、 14和16， 其包括浸漬有樹(shù)脂前體26的纖維氈。如圖1所示，縱向定向纖維層20和 22 (其也浸漬有樹(shù)脂前體26)提供在中間層或者在氈12、 14和16之間。 因?yàn)閳D1所示的復(fù)合部件10利用常規(guī)的樹(shù)脂體系(例如聚酯、乙烯基酯或 者酚醛樹(shù)脂等等)，纖維層12、 14和16對(duì)于提供部件10的橫向強(qiáng)度是必 要的。
圖2是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，使用提供增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛度的樹(shù)脂體 系而制備的普通拉擠部件50的透視圖。如圖2所示，部件50沒(méi)有利用橫 向(即"Y"方向)定向纖維；而是提供纖維增強(qiáng)，使得纖維54只定向在基 本上平行于縱向的方向(即"X"方向)。圖1中橫向纖維18所提供的強(qiáng)度 取而代之由相對(duì)常規(guī)樹(shù)脂體系具有改進(jìn)的機(jī)械性能的樹(shù)脂56提供。因此可 以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式制備部件50，而不需要克服與使用橫向纖維有關(guān)的額外 費(fèi)用和難度。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，使用基本上由聚氨酯材料組成的樹(shù)脂前體制備復(fù)合部件(例如部件50)，相比使用常規(guī)樹(shù)脂體系的部件，其在縱向 和橫向都具有改善的力學(xué)特性。將用聚氨酯樹(shù)脂體系制得的拉擠復(fù)合部件 和用常規(guī)不飽和聚酯樹(shù)脂體系制得的拉擠復(fù)合部件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯集，其中 兩者都具有相同的玻璃增強(qiáng)材料含量。用聚氨酯樹(shù)脂所制得的部件的縱向 撓曲強(qiáng)度是230,000psi，幾乎是用常規(guī)聚酯樹(shù)脂體系所制得的相似部件的縱 向撓曲強(qiáng)度80,000psi的三倍。該聚氨酯部件的縱向破壞伸長(zhǎng)率是3.2%，相 比常規(guī)聚酯部件是1.8%。橫向方向的結(jié)果相似。用聚氨酯樹(shù)脂制得的拉擠 部件顯示出橫向撓曲強(qiáng)度為約15，100psi，是用不飽和聚酯樹(shù)脂制得的部件 的撓曲強(qiáng)度(4,800psi)的三倍多。橫向的破壞撓曲伸長(zhǎng)率也是略高聚氨 酯部件是1.4%，相比不飽和聚酯部件是1.2%。
所使用的纖維增強(qiáng)材料的類(lèi)型可以根據(jù)各種示例性實(shí)施方案而不同， 并且可以取決于復(fù)合部件所應(yīng)用的特定用途的需要。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施 方案，可以提供玻璃纖維作為縱向纖維。根據(jù)其它示例性實(shí)施方案，所述 纖維可以是聚合纖維、碳纖維或者任何其它可應(yīng)用于拉擠產(chǎn)品制造中的合 適的纖維。
應(yīng)注意的是盡管圖2所舉例說(shuō)明的部件50是一般的長(zhǎng)方體輪廓，但是 參考各種示例性實(shí)施方案用樹(shù)脂體系由本文所描述的方法制備的部件可以 具有任何尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)。在這些部件中可提供特性使得他們能應(yīng)用于 各種用途，包括應(yīng)用于門(mén)、窗等的線(xiàn)性部件和其它結(jié)構(gòu)部件中。此外，可 以使用本文所述的樹(shù)脂配制劑制備在縱向和一個(gè)或多個(gè)基本不平行于縱向 的其它方向(包括可以定向在橫向的纖維)都具有纖維增強(qiáng)材料的拉擠部 件。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，聚氨酯樹(shù)脂前體體系包括異氰酸酯、多元 醇或者多元醇共混物、以及一般稱(chēng)為"脫模劑"的潤(rùn)滑劑和其它添加劑組成的 的體系。該樹(shù)脂體系也可任選包括一種或多種高分子添加劑，其可用來(lái)改 進(jìn)所得部件的表面，改進(jìn)該部件的物理性能，提供改進(jìn)的加工性，或者提 供其它益處。此外，該樹(shù)脂體系可以包括一種或多種填料，其可以順帶起 到減少整個(gè)樹(shù)脂體系的成本的作用(例如通過(guò)取代更貴的組分)或者可以 主動(dòng)起到提供改進(jìn)的物理性能或者改進(jìn)的加工性的作用。
根據(jù)反應(yīng)性的組分所占的分率，加權(quán)異氰酸酯組分對(duì)多元醇組分的比率。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，異氰酸酯對(duì)多元醇的比率為化學(xué)計(jì)量的約
80%-115%。根據(jù)另一個(gè)特定的示例性實(shí)施方案，異氰酸酯對(duì)多元醇的比率 為化學(xué)計(jì)量的約90%-110%。根據(jù)一個(gè)特定的示例性實(shí)施方案，異氰酸酯對(duì) 多元醇的比率為化學(xué)計(jì)量的約95%-105%。
所提供的樹(shù)脂前體體系的脫模劑組分的量要足夠防止該樹(shù)脂前體體系 對(duì)模具表面的粘附，從而給予該部件相對(duì)光滑的表面并且減小移動(dòng)該部件 通過(guò)固化模具時(shí)所需的力。所述脫模劑包括酸組分，所述酸組分(由于其 高度極性特性)吸附在模具的金屬表面并形成潤(rùn)滑層。該酸組分可溶于多 元醇混合物；但是當(dāng)多元醇耗盡時(shí)，它從溶液中沉淀出并且驅(qū)向凝膠團(tuán)的 表面。這兩個(gè)力將脫模劑的酸組分集中于該表面上，與具有相同潤(rùn)滑性卻 沒(méi)有在表面聚集的傾向的物質(zhì)相比，改進(jìn)了其脫離性能。合適的脫模劑體 系的商品名包括Pul-24，可商購(gòu)自Axel Plastics;和CR-250，可商購(gòu)自Technick Products 。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，所提供的脫模劑組分的水平為樹(shù)脂總質(zhì)量 的約0.5%-5%。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，所提供的脫模劑組分的水平為樹(shù) 脂的約0.5%-3%。根據(jù)一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案，所提供的脫模劑組分的 水平為樹(shù)脂的約0.5%-2.5%。
所提供的高分子添加劑的量要通過(guò)減少固化時(shí)樹(shù)脂的收縮率以使固化 樹(shù)脂表面與拋光模具表面保持接觸并且保持模具表面的光滑特性而足夠改 善成品部件的表面質(zhì)量。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，所提供的高分子添加 劑的水平為樹(shù)脂總質(zhì)量的約0%-25%。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，所提供的 高分子添加劑的水平為樹(shù)脂總質(zhì)量的約2%-15%。根據(jù)一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施 方案，所提供的高分子添加劑的水平為樹(shù)脂總質(zhì)量的約4%-10%。
所提供的樹(shù)脂前體體系填料組分的量要足夠增加最外層玻璃纖維和模 具表面之間樹(shù)脂層的粘度(和由此增大剪切力)，并與脫模劑的酸性組分 反應(yīng)以在最外層玻璃纖維和模具表面之間提供大量的潤(rùn)滑顆粒。該填料組 分可以包括固體如高嶺土(caolin clay)或者碳酸鈣。碳酸鈣可以是未處理的 或者為改善其表面用硬脂酸或者油酸處理過(guò)的。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，所提供的填料組分的水平為樹(shù)脂總質(zhì)量的 約0.5%-20%。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，所提供的填料組分的水平基本上等于脫模劑組分的質(zhì)量百分比。
異氰酸酯組分可以是數(shù)種低等級(jí)至中等級(jí)的二苯甲烷二異氰酸酯
(MDI)、它的聚合異構(gòu)體(pMDI)、及它們的共混物中的任何一種。該異 氰酸酯組分具有的NCO (氮-碳-氧)或者氰酸酯百分比為約25%-32%，優(yōu) 選為約27%-31.5%，最優(yōu)選為約31.2%-31.5%。該異氰酸酯組分的粘度為約 100-500厘泊(cps)，優(yōu)選為約100-250cps，最優(yōu)選為約200cps。
根據(jù)各種示例性實(shí)施方案，可用作異氰酸酯組分的產(chǎn)品的商品名包括 Mondur 448、 Mondur 486、 Mondur MR和Mondur MR (Light)，其可從Bayer MaterialScience商購(gòu)；Lupranate M20S和Lupranate M20SB，其可從BASF商 購(gòu)；Isobind 1088和Papi 27，其可從Dow Chemical Company商購(gòu)；和Rubinate M ， 其可從Huntsman Polyurethanes商購(gòu)。
樹(shù)脂前體體系的多元醇組分可以包含單種多元醇，或者可以?xún)煞N或多
種多元醇的共混物提供。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，作為單種多元醇提供的多元醇組分具有以 下特征(a)該多元醇的官能度為3，優(yōu)選其所有羥基是伯羥基(即易于 反應(yīng))；(b)該多元醇是聚酯或者聚醚多元醇，優(yōu)選為聚醚多元醇；(c) 該多元醇的OH指數(shù)為約500-700mgOH/g，優(yōu)選為約600-700mgOH/g，最優(yōu) 選為約675-700mgOH/g; (d)該多元醇的分子量為約200-300，優(yōu)選為約 225-275，最優(yōu)選為約240-250;禾B (e)該多元醇的粘度低于約1000cps并 優(yōu)選低于900cps。合適的多元醇的商品名包括Voranol 230-660，其可從Dow Chemical Company商購(gòu)；禾口Multranol 9138，其可從Bayer MaterialScience商 購(gòu)。
根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方案，該多元醇組分作為兩種多元醇的共混物 提供。
在兩種多元醇的共混物中的第一多元醇具有以下特征(a)該多元醇 的官能度為3，優(yōu)選其所有羥基是伯羥基；(b)該多元醇是聚酯或者聚醚 多元醇，優(yōu)選是聚醚多元醇；(c)該多元醇的OH指數(shù)為約200-300mgOH/g， 優(yōu)選為約230-250mgOH/g，最優(yōu)選為約235-240mgOH/g; (d)該多元醇的 分子量為約600-800，優(yōu)選為約650-750，最優(yōu)選為約680-720;和(e)該 多元醇的粘度低于約500cps，優(yōu)選低于約400cps，最優(yōu)選為約240-270cps。用作第一多元醇的合適的多元醇商品名包括CAPA 3091，其可從Solvay商 購(gòu)；CarpolGP725，其可從Carpenter商購(gòu)；Pluracol TP740，其可從BASF商 購(gòu)；和Voranol 230—238、 P425和Castor Oil，其可從Dow Chemical Company商購(gòu)。
在兩種多元醇共混物中的第二多元醇具有以下特征(a)該多元醇的 官能度為3，優(yōu)選其所有羥基為伯羥基；(b)該多元醇是聚酯或者聚醚多 元醇，優(yōu)選是聚醚多元醇；(c)該多元醇的OH指數(shù)為約800-1200mgOH/g， 優(yōu)選為約卯0-1100mgOH/g，最優(yōu)選為約935-1,050mgOH/g; (d)該多元 醇的分子量為約100-300，優(yōu)選為約125-200，最優(yōu)選為約150-190;和(e) 該多元醇的粘度低于約2，000cps，優(yōu)選低于約1，500cps。用作第二多元醇的 合適的多元醇商品名包括Pluracol 858，其可從BASF商購(gòu)；和Multranol 9133， 其可從Bayer MaterialScience商購(gòu)。
所述第一多元醇對(duì)第二多元醇的比率使得共混物的OH指數(shù)為約 350-700mgOH/g，優(yōu)選為約550-650mgOH/g，最優(yōu)選為約575-625mgOH/g。
根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方案，該多元醇組分作為三種多元醇的共混物 提供。
在所述三種多元醇共混物中所提供的第一多元醇的水平為共混物的約 20%-50%，優(yōu)選為約25%-35%，最優(yōu)選為約30%,且具有以下特征(a) 該多元醇的官能度為3，優(yōu)選其所有羥基是伯羥基；(b)該多元醇是聚酯 或者聚醚多元醇，優(yōu)選是聚醚多元醇；(c)該多元醇的OH指數(shù)為約 200-300mgOH/g，優(yōu)選為約230-250mgOH/g,最優(yōu)選為約235-240mgOH/g; (d)該多元醇的分子量為約600-800，優(yōu)選為約650-750，最優(yōu)選為約680-720; 和(e)該多元醇的粘度低于約500cps，優(yōu)選低于約400cps，最優(yōu)選為約 240-270cps。用作第一多元醇的合適的多元醇商品名包括CAPA3091，其可 從Solvay商購(gòu)；CarpolGP725，其可從Carpenter商購(gòu)；Pluracol TP740，其可 從BASF商購(gòu)；和Voranol 230—238、 P425禾口Castor Oil，其可從Dow商購(gòu)。
在三種多元醇共混物中所提供的第二多元醇的水平為共混物的約20% -40%,優(yōu)選為約25%-35%，最優(yōu)選為約30%，且具有以下特征(a)該 多元醇的官能度為3，優(yōu)選其所有羥基為伯羥基；(b)該多元醇是聚酯或 者聚醚多元醇，優(yōu)選是聚醚多元醇；(c)該多元醇的OH指數(shù)為約500-700mgOH/g，優(yōu)選為約600-700mgOH/g，最優(yōu)選為約675-700mgOH/g; (d)該多元醇的分子量為約200-300，優(yōu)選為約225-275，最優(yōu)選為約240-250; 和(e)該多元醇的粘度低于約1000cps，優(yōu)選低于約900cps。用作第二多 元醇的合適的多元醇商品名包括PluracolTP440，其可從BASF商購(gòu)；Voranol 230-238，其可從Dow Chemical Company商購(gòu)；和Multranol 9138，其可從 Bayer MaterialScience商購(gòu)。
在三"多元醇共混物中所提供的第三多元醇的水平為共混物的約20% -50%，優(yōu)ii為約30%-45%，最優(yōu)選為約40%，且具有以下特征(a)該 多元醇的官能度為3，優(yōu)選其所有羥基為伯羥基；(b)該多元醇是聚酯或 者聚醚多元醇，優(yōu)選是聚醚多元醇；(c)該多元醇的OH指數(shù)為約 800-1200mgOH/g ， 優(yōu)選為約 900-1100mgOH/g ， 最優(yōu)選為約 935-1050mgOH/g; (d)該多元醇的分子量為約100-300，優(yōu)選為約125-200， 最優(yōu)選為約150-190;和(e)該多元醇的粘度低于約2，000cps，優(yōu)選低于約 1，500cps。用作第三多元醇的合適的多元醇商品名包括Pluraco1 858，其可從 BASF商購(gòu)，和Multrano19133，其可從Bayer MaterialSdence商購(gòu)。
在三種多元醇共混物中第一、第二與第三多元醇的百分比使得共混物 的OH指數(shù)為約350-750mgOH/g，優(yōu)選為約625-725mgOH/g，最優(yōu)選為約 650-700mgOH/g。
如果包括高分子添加劑，其在體系內(nèi)僅表現(xiàn)物理作用。根據(jù)體系的需 求，它可以提高機(jī)械特性或者熱特性或者可以通過(guò)抑制聚合時(shí)熱固性聚合 物略微收縮的常見(jiàn)傾向來(lái)改善部件的表面。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，高 分子添加劑只是起到減小收縮的作用，可以稱(chēng)其為"低姿態(tài)添加劑"。這個(gè)功 能來(lái)自于添加劑的熱膨脹系數(shù)，這導(dǎo)致其在熱固性聚合物體系聚合反應(yīng)期 間在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間增大體積?？山邮艿牡妥藨B(tài)添加劑的實(shí)例包括聚苯乙烯、 苯乙烯-丙烯酸共聚物、甲基丙烯酸酯樹(shù)脂、聚乙酸乙烯酯和封端PPO。
為了制備樹(shù)脂，通常優(yōu)選在使用之前將除異氰酸酯組分之外的所有組 分共混在一起。因?yàn)楫惽杷狨ソM分具有高度反應(yīng)性，通常將其保持于其它 組分分離直到臨使用前。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，在用于拉擠成型工藝 之前不到5分鐘時(shí)，將異氰酸酯組分加入到多元醇-添加劑混合物中。根據(jù) 一個(gè)特定的示例性實(shí)施方案，在使用之前不到1分鐘，將異氰酸酯組分加
14入到多元醇-添加劑混合物中。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，使用連續(xù)計(jì)量混 合系統(tǒng)將異氰酸酯組分與多元醇-添加劑混合物混合在一起。根據(jù)另一個(gè)示 例性實(shí)施方案，將異氰酸酯組分與一種或多種添加劑預(yù)混合。
當(dāng)異氰酸酯組分和多元醇-添加劑混合物進(jìn)入拉擠成型體系的固化模具 時(shí)，它們可能處于不混溶液體的狀態(tài)。根據(jù)一個(gè)特定的示例性實(shí)施方案， 異氰酸酯組分和多元醇-添加劑混合物是不混溶的，而固化模具的熱量促進(jìn) 該不混溶液體成為溶液。然后它們開(kāi)始起反應(yīng)。隨著反應(yīng)進(jìn)行，異氰酸酯 和多元醇起初形成部分反應(yīng)的、高粘性的凝膠物質(zhì)。因?yàn)楫惽杷狨?多元醇
反應(yīng)的性質(zhì)，所述凝膠物質(zhì)只在較短的時(shí)間內(nèi)存在。這個(gè)反應(yīng)是加成反應(yīng)； 因此，開(kāi)始時(shí)分子量增加慢，但變成漸近，接近完成時(shí)非常高。結(jié)果是該 反應(yīng)混合物一直保持是液體直到該反應(yīng)完成了超過(guò)50%,然后快速轉(zhuǎn)到高 粘性凝膠狀態(tài)并且相比在拉擠成型中使用的其它樹(shù)脂體系而言高粘性凝膠 狀態(tài)只是存在非常短的時(shí)間。
另外，部分酸與碳酸鈣填料反應(yīng)形成金屬皂，其也遷移至模具的金屬 表面以增強(qiáng)金屬表面的光滑度。這個(gè)反應(yīng)可以通過(guò)在體系混合之前預(yù)處理 碳酸鈣得以補(bǔ)充，這增加了體系的穩(wěn)定性并延長(zhǎng)了混合物在不喪失性能的 情況下所能保存的時(shí)間。
隨著異氰酸酯和多元醇反應(yīng)，它們的密度略微增加(例如為約 0.5%-1.0%)，導(dǎo)致體積相應(yīng)減少。同時(shí)，高分子添加劑的溫度由于模具的 加熱和異氰酸酯與多元醇反應(yīng)放熱而上升，導(dǎo)致它的體積增大。
這里公開(kāi)的樹(shù)脂前體體系固化后的彈性模量為約350，000-500，000，優(yōu) 選為450，000-500，000。與常規(guī)的樹(shù)脂體系(例如不飽和聚酯或者環(huán)氧乙烯 基酯)相比，這里所公開(kāi)的樹(shù)脂體系固化后的破壞伸長(zhǎng)率為約6%-15%并優(yōu) 選為7.5%-10%。該樹(shù)脂體系的破壞伸長(zhǎng)率的增加可以制造拉擠復(fù)合部件， 該部件中在負(fù)荷下樹(shù)脂連續(xù)地支撐增強(qiáng)纖維并在增加所施加的負(fù)荷時(shí)使得 該負(fù)荷在更大的纖維組中間被分擔(dān)。因?yàn)樵摌?shù)脂的破壞伸長(zhǎng)率超過(guò)所有通 常使用的纖維(包括碳纖維、聚合物纖維和玻璃纖維)的破壞伸長(zhǎng)率和該 樹(shù)脂體系的模量足以有效地分散負(fù)荷，可期望在彎曲、壓縮、拉伸或者扭 轉(zhuǎn)負(fù)荷下拉擠結(jié)構(gòu)形狀的破壞形式(failure mode)將發(fā)生在纖維中(與發(fā) 生在樹(shù)脂中的成對(duì)比)。與用相同纖維含量但是用常規(guī)樹(shù)脂體系如聚酯、乙烯基酯或者酚醛樹(shù)脂制得的相同部件的極限強(qiáng)度相比，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)極限 強(qiáng)度增大了二倍或三倍。就這些樹(shù)脂而言，對(duì)于破壞形式，通常是樹(shù)脂斷 剪切上的破壞，這導(dǎo)致在遠(yuǎn)低于纖維理論負(fù)荷能力的負(fù)荷下無(wú)支撐的纖維 彎曲。
該高強(qiáng)度樹(shù)脂體系的極限強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)相對(duì)于主要荷載通道和主要纖維增 強(qiáng)取向的橫向方向也提供益處。因?yàn)槌Ｒ?guī)樹(shù)脂的極限強(qiáng)度的限制，用常規(guī) 樹(shù)脂制成的結(jié)構(gòu)橫向強(qiáng)度很小，除非加入橫向取向的增強(qiáng)纖維。然而，在 拉擠部件中加入橫向纖維增加了結(jié)構(gòu)的重量和成本。如果替換為高強(qiáng)度樹(shù) 脂體系，則橫向強(qiáng)度增大。在大多數(shù)情況下，根本不需要橫向增強(qiáng)。
利用這種改進(jìn)的樹(shù)脂體系的另一個(gè)有益特點(diǎn)是拉擠部件的結(jié)構(gòu)特性使 該部件能承受用于清水墻或者金屬片的緊固件而不會(huì)開(kāi)裂，因此在部件的 裝配和安裝中可以使用簡(jiǎn)單的機(jī)械連接方法。例如，諸如螺釘、釘子等的 緊固件可以用來(lái)固定用于門(mén)窗制造中的拉擠線(xiàn)性部件，而沒(méi)有在緊固件的 位置線(xiàn)性部件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)這里所述的示例性實(shí)施方案，該樹(shù)脂前體體系的流變學(xué)和固化動(dòng) 力學(xué)使得該樹(shù)脂前體體系在相當(dāng)于或者快于常規(guī)樹(shù)脂體系的速度下運(yùn)行。 消除橫向增強(qiáng)纖維也可改進(jìn)制造拉擠部件的加工速率。例如，常規(guī)拉擠成
型方法在大約3—5英尺/分鐘的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，而不使用橫向增強(qiáng)纖維的拉擠 成型方法可以在大約4一10英尺/分鐘的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。
實(shí)施例1
根據(jù)一個(gè)理論示例性實(shí)施方案，所制備的樹(shù)脂前體體系包括169重量 份的異氰酸酯組分、包括30.3重量份的第一多元醇組分和60.6重量份的第 二多元醇組分的二組分多元醇共混物、4.2重量份的脫模劑和4.2重量份的 填料。異氰酸酯組分包含BASFLupranateM20S，第一多元醇包含Carpenter CarpolGP725，第二多元醇包含Bayer Multranol 9133，脫模劑包含Technick Products CR-250和填料包含Huber碳酸牽丐。
實(shí)施例2
根據(jù)另一個(gè)理論示例性實(shí)施方案，所制備的樹(shù)脂前體體系包括175重量份的異氰酸酯組分；包括27.5重量份的第一多元醇組分、27.5重量份的 第二多元醇組分、36.6重量份的第三多元醇組分的三組分多元醇共混物； 4.2重量份的脫模劑和4.2重量份的填料。異氰酸酯組分包含Bayer Mondur 486，第一多元醇包含Solvay CAPA 3091，第二多元醇包含Dow Voranol 230-660，第三多元醇包含BASF Pluracol 858，脫模劑包含Axel Plastics Pul-24 和填料包含Huber涂覆碳酸鈣。
圖3是體系100的示意圖，所述體系用于根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案使 用拉擠成型方法制備復(fù)合部件。參考圖7描述了體系100的操作方式，圖7 是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案說(shuō)明在制備復(fù)合部件的工藝或者方法200中的 步驟的流程圖。
增強(qiáng)材料以纖維紗或者纖維束110形式提供在線(xiàn)軸122上，所述線(xiàn)軸 安裝在固定裝置如線(xiàn)軸架120上。線(xiàn)軸122安裝的方式使各纖維束110送 到方法的下一步驟而不妨礙或者與其它纖維束或者線(xiàn)軸架120纏結(jié)。對(duì)于 在40磅"落紗"中所供應(yīng)的玻璃纖維束，落紗被安排在末端。線(xiàn)軸架120 用以水平和垂直提供落紗以便將纖維束IIO從落紗里面送入。對(duì)于碳纖維、 聚合物纖維或者其它高強(qiáng)度纖維，每個(gè)線(xiàn)軸122裝在結(jié)合可調(diào)電阻的紡錘 上，以旋轉(zhuǎn)。這些紡錘水平和垂直安裝以便它們不干擾或者纏結(jié)。
提供器件(沒(méi)有顯示出來(lái))用于通過(guò)線(xiàn)軸架120送入各纖維束110以 避免干擾。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，各纖維束通過(guò)線(xiàn)軸架結(jié)構(gòu)中的一系 列孔。這些孔可以?huà)伖饣蛘卟槐粧伖?，或者可以加入由減少摩擦和防止纖 維磨損的材料制成的嵌件。在該結(jié)構(gòu)中這些孔以纖維不彼此交叉或者接觸 的方式排列。纖維束在線(xiàn)軸架的出口端排列，使得操作工人對(duì)問(wèn)題位置或 者遺漏的纖維束一目了然，并且易于纖維束在進(jìn)入方法的下一步驟前的排 列。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，這樣的器件的尺寸足夠允許纖維接頭通過(guò)， 這是當(dāng)一巻纖維用完需要更換時(shí)不必停止作業(yè)將做的。
在步驟210中(圖7)，各纖維束110通過(guò)所示作為支撐固定裝置130 (例如成型板)的構(gòu)件或元件上的縫隙或者孔132送出。所述支撐固定裝置 130包括許多孔132，纖維束IIO可以通過(guò)這些孔以與所制造產(chǎn)品的最終設(shè) 計(jì)形狀相一致的樣式送出。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，所提供的支撐固定 裝置130是厚度為約0.5英寸的塑料(例如聚乙烯、尼龍等)板。孔132的直徑為約0.25-0.5英寸，且按相鄰孔間距為約0.5-1.0英寸的陣式排列。支 撐固定裝置130的一個(gè)作用是將纖維束以所要求的樣式直接供給浸漬模具 的支撐板，而沒(méi)有下垂或者交叉。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，提供系統(tǒng)140以利用兩個(gè)容器142和144 和一個(gè)計(jì)量裝置146計(jì)量和進(jìn)料高強(qiáng)度、兩部分的聚合樹(shù)脂前體(例如 如上所述的熱固性聚氨酯基樹(shù)脂前體)。其中一個(gè)容器(例如容器142)包 含一種用于形成樹(shù)脂前體的反應(yīng)化學(xué)劑和各種加工助劑；另一個(gè)容器(例 如容器144)包含第二反應(yīng)化學(xué)劑而沒(méi)有任何加工助劑。兩個(gè)容器中的化學(xué) 劑在將它們引入拉擠成型體系的浸漬模具前一直保持分開(kāi)，在被引入模具 前將它們同時(shí)用泵抽出并混合預(yù)定的時(shí)間。
應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，容器142和144中所含成分的特定比率可根據(jù)所使用 的特定成分而不同。根據(jù)其它示例性實(shí)施方案，每個(gè)容器中所提供的化學(xué) 劑可以不同。例如，每個(gè)容器可以既包括反應(yīng)化學(xué)劑又包括加工助劑。又 根據(jù)其它示例性實(shí)施方案，所提供容器的數(shù)量可以不同(例如三個(gè)容器 可以每個(gè)都包含反應(yīng)化學(xué)劑，或者三個(gè)容器中的兩個(gè)可以包括反應(yīng)化學(xué)劑 和第三個(gè)容器可以包括加工助劑、顏料、UV穩(wěn)定劑等等)。
用計(jì)量裝置146 (例如計(jì)量泵系統(tǒng))將樹(shù)脂前體組分按所要求的比率分 配。為了改善在復(fù)合部件制造中的效率，兩個(gè)容器142、 144中的化學(xué)劑以 在復(fù)合部件制造期間反應(yīng)化學(xué)劑完全消耗(即化學(xué)劑流入浸漬模具的流速 與化學(xué)劑的混合速率相匹配)的方式提供。相比常規(guī)拉擠成型方法，用這 樣的方式所產(chǎn)生的廢料減少了。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，提供泵送系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)組分的比率，且以與材料消 耗相匹配的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，且各組分通過(guò)一次性靜態(tài)混合器148混合。該混合 系統(tǒng)可以與材料消耗速度相匹配的連續(xù)的速度運(yùn)轉(zhuǎn)(即化學(xué)劑的混合可以 與液體流入浸漬模具速度基本一致的速度進(jìn)行)，或者可以間歇地運(yùn)轉(zhuǎn)以 保持液面在該方法接下來(lái)的步驟中處于最低和最高水平之間。
根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方案，在將樹(shù)脂前體供入浸漬模具第一個(gè)腔室之 前不到五分鐘時(shí)，混合組分。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施方案，在將樹(shù)脂前體 供入浸漬模具第一個(gè)腔室之前不到1分鐘時(shí)，混合組分。這種方法的一個(gè) 優(yōu)勢(shì)是在生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)需要制備樹(shù)脂前體，而無(wú)需儲(chǔ)存過(guò)剩的樹(shù)脂前體或者事先混合樹(shù)脂前體。
纖維束110和混合的樹(shù)脂前體141 (圖6)分別引入如圖所示浸漬模具 150，配置所述浸漬模具以將各纖維束內(nèi)的長(zhǎng)絲完全涂覆樹(shù)脂，并將具有適 當(dāng)?shù)臉?shù)脂前體與纖維比例的均勻混合的樹(shù)脂-纖維體以適當(dāng)?shù)膸缀涡螒B(tài)傳送 到固化模具的入口。如圖4-6所示，裝置150包括其上具有許多縫或者孔 153的支撐板151，和用于用樹(shù)脂體系潤(rùn)濕纖維束110的第一腔室或區(qū)154 和第二腔室或區(qū)156。在步驟220 (圖7)中首先將纖維束110引入到第一 腔室154中，然后在步驟230中引入到第二腔室156中。裝置150和涂覆 纖維和紗的方法的更多細(xì)節(jié)將在下面描述。
以前，潤(rùn)濕增強(qiáng)材料是單獨(dú)一步操作。為了相比常規(guī)拉擠成型方法使 纖維束110 (和纖維束內(nèi)的各纖維)更完全地潤(rùn)濕，浸漬模具150將潤(rùn)濕纖 維的過(guò)程分成兩個(gè)不同的步驟，其都依據(jù)相同的物理法則，但是范圍不同， 和級(jí)別不同。
這樣劃分潤(rùn)濕過(guò)程是因?yàn)樵摑?rùn)濕過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性十分不同，必須保持 不同的流動(dòng)條件以使每個(gè)步驟的效率最大化，并且一個(gè)步驟所需要的流動(dòng) 條件不必相同或者相似于另一個(gè)步驟所需要的條件。通常兩個(gè)潤(rùn)濕步驟遵 循兩個(gè)物理學(xué)原理。首先，通常用達(dá)西定律描述通過(guò)多孔介質(zhì)的流體的流 動(dòng)(例如纖維束的潤(rùn)濕)。其次，通常用Washbum等式描述毛細(xì)作用(例 如單個(gè)長(zhǎng)絲或者纖維的潤(rùn)濕)。
達(dá)西定律描述液體體系通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)。下面等式表示達(dá)西定律:
<formula>formula see original document page 19</formula>
其中Q是體積流速，A是垂直于L的流動(dòng)面積，K是水力傳導(dǎo)度，和Ah/L是水 壓頭沿路徑長(zhǎng)度的變化。雖然可以說(shuō)達(dá)西定律通過(guò)術(shù)語(yǔ)K (水力傳導(dǎo)度)將 毛細(xì)作用考慮在內(nèi)，但是實(shí)際上當(dāng)比例變化，涉及的力的相對(duì)重要'一變化 時(shí)，必須使用不同的值，這使得描述整個(gè)潤(rùn)濕過(guò)程無(wú)效。 '
Washbiim等式描述多孔介質(zhì)內(nèi)流體的毛細(xì)流動(dòng)，并且考慮了流體和多 孔介質(zhì)之間的分子間作用力。其用以下等式表示<formula>formula see original document page 19</formula>其中t是粘度為i]和表面張力為Y的液體滲透距離L進(jìn)入完全可潤(rùn)濕的、平均孔 徑為D的多孔材料的時(shí)間。
第一步驟的過(guò)程一纖維束外部的潤(rùn)濕一的程度處于達(dá)西定律起主導(dǎo)作 用而毛細(xì)作用幾乎沒(méi)有影響的范圍。然而，第二步驟的過(guò)程一纖維束內(nèi)的 單長(zhǎng)絲的潤(rùn)濕一的程度處于毛細(xì)作用變得顯著，甚至是占主導(dǎo)的潤(rùn)濕機(jī)制 的范圍。
執(zhí)行潤(rùn)濕的第一步是用液態(tài)樹(shù)脂前體潤(rùn)濕纖維紗或纖維束外部的過(guò)程 (例如步驟220)。第一腔室154提供作為常壓下的"槽"，且纖維束110進(jìn) 入該槽被分開(kāi)足夠大的間距以允許液態(tài)樹(shù)脂前體141圍繞纖維束110自由 地流動(dòng)。為了使纖維束IIO彼此分離，讓纖維束通過(guò)支撐板151進(jìn)入第一 腔室154，該支撐板包括針對(duì)每個(gè)纖維束110的孔153。孔153彼此間隔排 列，使得纖維束間距離足夠允許樹(shù)脂前體141無(wú)障礙地流過(guò)纖維體，以致 于向第一腔室中提供無(wú)間隙的樹(shù)脂前體141。每個(gè)孔153的直徑大于纖維束 110的直徑以幫助纖維束相對(duì)簡(jiǎn)單地穿過(guò)該孔，并當(dāng)一線(xiàn)軸纖維用完而替換 另一個(gè)時(shí)允許纖維接頭的通過(guò)。支撐板的厚度相比纖維束直徑很大(為1 英寸或者更大)。通過(guò)纖維束110穿過(guò)孔的逆流運(yùn)動(dòng)阻止樹(shù)脂前體流出第 一腔室154。
根據(jù)示范性實(shí)施方案，在常壓提供槽。槽中液面保持足夠高以便所有 的纖維紗或者纖維束被液體覆蓋足夠的時(shí)間以使樹(shù)脂前體141流過(guò)并且圍 繞著所有纖維束。由于液體隨著移動(dòng)的纖維體離幵該槽而進(jìn)入第二腔室156 (圖4)時(shí)，通過(guò)從連續(xù)或者間歇泵送/計(jì)量/混合系統(tǒng)(例如系統(tǒng)140)向第 一腔室154內(nèi)加入樹(shù)脂前體141而保持槽中樹(shù)脂前體141的水平。
因?yàn)樵诘谝磺皇?54槽是常壓下提供并且纖維束110彼此分開(kāi)合適的 距離，所以纖維束110的外表面在重力的作用下無(wú)障礙地充分潤(rùn)濕，以致 樹(shù)脂前體無(wú)空隙地充滿(mǎn)整個(gè)腔室。在最初的潤(rùn)濕以后，該樹(shù)脂-纖維體包括 明顯過(guò)量的樹(shù)脂前體(是最終成為成品部件的樹(shù)脂前體量的許多倍)。潤(rùn) 濕每個(gè)纖維束110外部所需的時(shí)間主要取決于樹(shù)脂的粘度，但是也可能在 一定程度上與樹(shù)脂前體和纖維之間的界面張力有關(guān)。
該方法的第二步驟(例如步驟230)是將液態(tài)樹(shù)脂前體體系滲透入各纖 維束內(nèi)、各纖維或長(zhǎng)絲間和四周的間隙。潤(rùn)濕的纖維束110進(jìn)入第二腔室創(chuàng)造使液態(tài)樹(shù)脂前體滲透入每個(gè)纖維束U0中單根纖 維間的間隙所必需的條件而使液態(tài)樹(shù)脂前體滲透單個(gè)纖維束U0中。
根據(jù)示范性實(shí)施方案，第二腔室156包括從進(jìn)口到出口錐形的或者漸 小的橫截面。第二腔室156出口端的橫截面和形狀近似于固化模具160進(jìn) 口的形狀和最終部件的形狀。第二腔室156的錐度(進(jìn)口面積對(duì)出口面積 的比率)可基于各種因素而變化。這樣的因素可以包括，例如樹(shù)脂前體體 系的粘度、樹(shù)脂前體體系與纖維增強(qiáng)材料之間的界面張力、啟動(dòng)速度和所 制造產(chǎn)品的目標(biāo)生產(chǎn)速度等等。
當(dāng)每個(gè)纖維束的直徑為約1毫米或者更小時(shí)，單根長(zhǎng)絲絲或者纖維是 更細(xì)，其直徑為約30微米或者更小。在這樣的尺寸下，毛細(xì)作用成為影響 潤(rùn)濕速度和程度的重要機(jī)制，甚至是主導(dǎo)機(jī)制?？赡苡绊懨?xì)管流入纖維 束的因素包括以下
1. 孔徑(即通過(guò)纖維束的尺寸和形狀)。樹(shù)脂前體流入纖維束內(nèi)的間 隙橫向，垂直于纖維束主軸進(jìn)行。通道的形狀是矩形，其沿纖維束軸方向 的尺寸實(shí)際上無(wú)限制而垂直于纖維方向的尺寸等于纖維束內(nèi)標(biāo)稱(chēng)長(zhǎng)絲間 距。
2. 樹(shù)脂前體必須流過(guò)的距離。以基本為圓柱形的纖維束為例，這個(gè)距 離等于纖維束的半徑，因?yàn)闃?shù)脂前體從整個(gè)周邊流向纖維束中心。
3. 樹(shù)脂前體體系的粘度。更高粘度降低毛細(xì)作用的速度。
4. 樹(shù)脂前體體系和纖維之間的界面張力。它是在原子水平上衡量樹(shù)脂 前體體系對(duì)纖維的吸引力的標(biāo)準(zhǔn)。更高的界面張力表示樹(shù)脂前體對(duì)纖維的 吸引力更大，且加速毛細(xì)作用。
如果由于低的界面張力或者高粘度而導(dǎo)致毛細(xì)作用減慢，支配纖維束 外部潤(rùn)濕的達(dá)西定律因素可以應(yīng)用到模型中并影響潤(rùn)濕。在那種情況下， 流動(dòng)速度直接與壓力成正比，并且能通過(guò)用以發(fā)生壓力增加的速率逐漸變 細(xì)的第二腔室構(gòu)造浸漬模具來(lái)增加壓力。壓力增大將取決于錐度比、樹(shù)脂 前體的粘度和纖維移動(dòng)經(jīng)過(guò)腔室的速度。
根據(jù)示例性實(shí)施方案，樹(shù)脂前體141的粘度低于約2,000，更期望低于 約1,000。液體和纖維之間的界面張力大于約0.02N/m，更期望在0.05N/m 以上。要達(dá)到這些值，第一潤(rùn)濕步驟將需要少不到約3秒完成，且第二步驟需要不到約10秒。當(dāng)纖維束速率為約60英寸每分鐘時(shí)，第一和第二腔 室的長(zhǎng)度可短至約15英寸，并且第二腔室所需要的錐度只需足以置換通過(guò) 裝置入口逃出纖維束的空氣。
在步驟240 (圖7)中，潤(rùn)濕、成型的樹(shù)脂一纖維體進(jìn)入固化模具160。 利用施加于固化模具160的熱量加熱該樹(shù)脂-纖維體?？梢园惭b加熱設(shè)備以 根據(jù)所用樹(shù)脂前體體系的流變性在模具進(jìn)出口間提供不同的熱量和不同溫 度。根據(jù)一個(gè)其中利用了聚氨酯基樹(shù)脂前體的示范性實(shí)施方案，將固化模 具16所加熱到約50-320。C的溫度。
根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施方案，固化模具160由任何合適的金屬如工具鋼、 鋁或者另外的金屬而制成。固化模具160可以涂覆抗磨涂層以減少樹(shù)脂-纖 維體通過(guò)模具時(shí)造成的腐蝕?？稍O(shè)計(jì)固化模具160的進(jìn)口使得有個(gè)進(jìn)口錐 度，以向樹(shù)脂-纖維體提供增加的壓縮壓力并確保樹(shù)脂的浸漬?？稍O(shè)計(jì)固化 模具160的出口使得有一個(gè)出口錐度以允許由最小化摩擦從而最小化所需 的牽引力所需要的熱膨脹。
根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施方案，用在模具之上和之下排列(沒(méi)有顯示)的 三個(gè)加熱區(qū)的電阻加熱器將固化模具160加熱，由置于模具外側(cè)或者嵌置 于腔室的單獨(dú)的電阻加熱器提供補(bǔ)充熱量，所述腔室是被鉆入模具專(zhuān)門(mén)用 于嵌置加熱器的。在模具進(jìn)口和出口提供冷卻系統(tǒng)(例如冷水系統(tǒng))。冷 卻系統(tǒng)是用來(lái)阻止?jié)櫇裱b置中樹(shù)脂前體早期固化和降低部件溫度在離開(kāi)模 具時(shí)低于其玻璃化溫度。
根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施方案，樹(shù)脂-纖維體以約1-20英尺每分鐘的速度通 過(guò)固化模具。根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施方案，固化模具的長(zhǎng)度為約2-4英尺。應(yīng) 該理解的是樹(shù)脂-纖維體的移動(dòng)速度、固化模具的長(zhǎng)度及其它參數(shù)(例如固 化模具的溫度等等))可以根據(jù)其它示范性實(shí)施方案而變化，可取決于所 用的樹(shù)脂前體體系和增強(qiáng)材料的類(lèi)型、所要求的生產(chǎn)率等。
一旦離開(kāi)固化模具160，固化部件或產(chǎn)品U2在步驟250中(圖7)在 室溫下冷卻到可以觸摸該部件的溫度。根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施方案，產(chǎn)品112 的冷卻是在被動(dòng)的冷卻過(guò)程中進(jìn)行的，其中空氣圍繞部件循環(huán)約IO英尺的 距離。根據(jù)其它示范性實(shí)施方案，冷卻過(guò)程中產(chǎn)品移動(dòng)的距離可以不同(例 如該距離可以大于或者小于10英尺)。又根據(jù)其它示范性實(shí)施方案，可以利用強(qiáng)制空氣或另一個(gè)冷卻系統(tǒng)來(lái)冷卻部件(例如冷水浴等等)。
用拉出器170產(chǎn)生的拉力將固化產(chǎn)品112從固化模具160中取出。所 提供的拉出器170可以是往復(fù)式夾緊系統(tǒng)或者連續(xù)履帶式夾緊系統(tǒng)。
在步驟260中(圖7)，用鋸180或者類(lèi)似裝置將固化產(chǎn)品112切割成 特定長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)所述鋸以自動(dòng)切割固化產(chǎn)品112到特定長(zhǎng)度，并且可以通 過(guò)計(jì)算機(jī)或者其它機(jī)制來(lái)控制該鋸。根據(jù)一個(gè)示范性實(shí)施方案，該鋸由可 在增強(qiáng)塑料部件中形成切口的材料制成(例如碳化物或者金剛石研磨材 料)。
閱讀本說(shuō)明書(shū)的人應(yīng)理解的是相比常規(guī)潤(rùn)濕系統(tǒng)，這里用于潤(rùn)濕纖 維和纖維束的體系和方法具備多種優(yōu)勢(shì)。例如，根據(jù)示范性實(shí)施方案所述 的體系和方法可以在高速連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中制造纖維增強(qiáng)的塑料產(chǎn)品，這些 產(chǎn)品具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐環(huán)境性，使其適合用作建筑用途中的結(jié)構(gòu) 部件，如商用和住宅建筑的門(mén)、窗和外墻板。
重要的是要注意到各種示范性實(shí)施方案中所描述的樹(shù)脂組合物只是舉 例性的。雖然在本說(shuō)明書(shū)中僅詳細(xì)描述了幾個(gè)實(shí)施方案，但是那些閱讀本 說(shuō)明書(shū)的本領(lǐng)域技術(shù)人員能容易地理解許多本質(zhì)上不背離權(quán)利要求書(shū)中所 述主題的新穎性教導(dǎo)和優(yōu)勢(shì)的改進(jìn)是可能的。因此，所有這樣的改進(jìn)都意 欲包括在本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍內(nèi)。根據(jù)其它實(shí)施方案，任何工 藝或者方法步驟的順序或者次序可以不同或者重復(fù)排序。只要不背離所附 權(quán)利要求書(shū)中所示的本發(fā)明的范圍，可以在示范性實(shí)施方案的設(shè)計(jì)、操作 條件和安排上進(jìn)行其它的替換、修正、變化和省略。
權(quán)利要求
1. 用于制備復(fù)合部件的樹(shù)脂前體組合物，其包含異氰酸酯組分，該組分包含選自二苯甲垸二異氰酸酯、二苯甲垸二異 氰酸酯的聚合異構(gòu)體、及它們的混合物的材料；至少一種官能度為3的聚醚多元醇，其量使得所述異氰酸酯組分對(duì)所 述至少一種多元醇的比率為約80%-115%化學(xué)計(jì)量；脫模材料；和填料。
2. 權(quán)利要求l所述的組合物，其中所述至少一種聚醚多元醇的OH指 數(shù)為約500-700mgOH/g。
3. 權(quán)利要求1或者2所述的組合物，其中所述至少一種聚醚多元醇的 分子量為約200-300，并且粘度在約1,000cps以下。
4. 權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述至少一種聚醚多元 醇包括兩種聚醚多元醇的共混物。
5. 權(quán)利要求4所述的組合物，其中所述兩種聚醚多元醇中的第一種的 分子量為約600-800，而所述兩種聚醚多元醇中的第二種的分子量為約 100-300。
6. 權(quán)利要求4或者5所述的組合物，其中所述兩種聚醚多元醇中的第 一種的粘度在約500cps以下，而所述兩種聚醚多元醇中的第二種的粘度在 約2,000cps以下。
7. 權(quán)利要求4-6中任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述共混物的OH指數(shù) 為約350-700mgOH/g。
8. 權(quán)利要求l所述的組合物，其中所述至少一種聚醚多元醇包括三種 聚醚多元醇的共混物。
9. 權(quán)利要求8所述的組合物，其中所述共混物包含約20%-50%的第一 多元醇、約20°/。-40%的第二多元醇和約20%-50%的第三多元醇。
10. 權(quán)利要求9所述的組合物，其中所述第一多元醇的分子量為約 600-800，所述第二多元醇的分子量為約200-300和所述第三多元醇的分子 量為約100-300。
11. 權(quán)利要求9所述的組合物，其中所述第一多元醇的粘度在約500cps 以下，第二多元醇的粘度在約1，000cps以下和第三多元醇的粘度在約 2，000cps以下。
12. 權(quán)利要求9所述的組合物，其中所述共混物的OH指數(shù)為約 350國(guó)700mgOH/g。
13. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述脫模材料的提 供量為所述樹(shù)脂前體組合物總質(zhì)量的約0.5%-5%。
14. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述填料的提供量 為所述樹(shù)脂前體組合物總質(zhì)量的約0.5%-10%。
15. 用于拉擠成型工藝的聚氨酯樹(shù)脂前體組合物，其包含 異氰酸酯材料，其包含選自二苯甲垸二異氰酸酯、二苯甲垸二異氰酸酯的聚合異構(gòu)體及他們的混合物的材料；官能度為3并且分子量為約600-800的第一聚醚多元醇； 官能度為3并且分子量為約100-300的第二聚醚多元醇； 脫模材料；和 填料。
16. 權(quán)利要求15所述的組合物，其中所述第一聚醚多元醇的粘度在約 500cps以下，而所述第二聚醚多元醇的粘度在約2，000cps以下。
17. 權(quán)利要求16所述的組合物，其中所述第一聚醚多元醇和第二聚醚 作為共混物提供，所述共混物的OH指數(shù)為約350-700mgOH/g。
18. 權(quán)利要求15所述的組合物，其還包含官能度為至少3且分子量為 約200-300的第三聚醚多元醇。
19. 權(quán)利要求18所述的組合物，其中所述第一聚醚多元醇、第二聚醚 多元醇和第三聚醚多元醇作為共混物提供，所述共混物的OH指數(shù)為約 350-700mgOH/g。
20. 權(quán)利要求18所述的組合物，其中所述第三聚醚多元醇的粘度在約 1,000cps以下。
21. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述樹(shù)脂前體組合 物固化后的破壞伸長(zhǎng)率為約6%-15%。
22. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述樹(shù)脂前體組合 物固化后的彈性模量為約350，000-500，000。
23. 前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的組合物，其中所述填料包含至少一 種選自高嶺土、碳酸鈣及它們的混合物的材料。
24. 前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的組合物，其還包含用于在聚合期 間抑制所述樹(shù)脂前體組合物收縮的高分子添加劑。
25. 用于制備樹(shù)脂前體組合物的方法，其包括將至少一種官能度為3的聚醚多元醇與脫模材料和填料混合以形成第一樹(shù)脂前體組分；將第二組分與所述第一組分混合以形成樹(shù)脂前體組合物，所述第二組 分包含異氰酸酯，該異氰酸酯包含選自二苯甲烷二異氰酸酯、二苯甲垸二 異氰酸酯的聚合異構(gòu)體及它們的混合物的材料；其中混合第二組分與第一組分的步驟在將所述樹(shù)脂前體組合物供入拉 擠成型工藝的浸漬模具之前不到約5分鐘時(shí)進(jìn)行。
26. 權(quán)利要求25所述的方法，其中以與拉擠成型工藝中樹(shù)脂前體組合 物的消耗速率相匹配的速率進(jìn)行所述混合第一組分與第二組分的步驟。
27. 權(quán)利要求25所述的方法，其還包括固化所述樹(shù)脂前體組合物，使 得它的彈性模量為約350，000-500，000且破壞伸長(zhǎng)率為約6%-15%。
28. 權(quán)利要求25所述的方法，其中所述混合至少一種聚醚多元醇的步 驟包括混合至少兩種聚醚多元醇。
29. 權(quán)利要求25所述的方法，其中所述混合至少一種聚醚多元醇的步 驟包括混合至少三種聚醚多元醇。
30. 權(quán)利要求25所述的方法，其還包括將所述樹(shù)脂前體組合物供入拉 擠成型工藝的浸漬模具。
31. 權(quán)利要求30所述的方法，其中所述脫模材料包含吸附到浸漬模具 壁上的酸。
32. 權(quán)利要求30所述的方法，其中部分所述脫模材料與所述填料反應(yīng) 形成金屬皂。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于制備復(fù)合部件的樹(shù)脂前體組合物，所述組合物包含異氰酸酯組分，該異氰酸酯組分包含選自二苯基甲烷二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯的聚合異構(gòu)體、及它們的混合物的材料。所述樹(shù)脂前體組合物還包含至少一種官能度為3的聚醚多元醇，其量使異氰酸酯組分對(duì)該至少一種聚醚多元醇的比率為約80％-115％化學(xué)計(jì)量。該樹(shù)脂前體組合物還包含脫模材料和填料。
文檔編號(hào)C08G18/48GK101312999SQ200680043248
公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2006年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者H·D·科菲, I·黃, R·J·布朗, S·哈爾琴科 申請(qǐng)人:米爾加德制造有限公司