專利名稱：增加多孔纖維增強的熱塑性片材膨松性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及多孔纖維增強的熱塑性聚合物片材，和更特別地涉及與已知的多孔纖維增強的熱塑性聚合物片材相比，具有增加的膨松性能的多孔纖維增強的熱塑性聚合物片材。
背景技術(shù)：
在美國專利Nos.4978489和4670331中公開了多孔纖維增強的熱塑性片材，且在產(chǎn)品制造工業(yè)中，由于容易將纖維增強的熱塑性片材模塑成為制品，因而用于許多和各種應(yīng)用上。已知的技術(shù)，例如熱沖壓、壓塑和熱成形成功地用于由纖維增強的熱塑性片材形成制品。
在一些工業(yè)，例如機動車工業(yè)中，需要由單位面積重量低于已知產(chǎn)品的多孔纖維增強的熱塑性片材形成的產(chǎn)品。實現(xiàn)它的一種方式是降低多孔纖維增強的熱塑性片材的厚度。然而，厚度降低還通常產(chǎn)生產(chǎn)品強度和韌度的下降。而且有時要求特定的厚度。

發(fā)明內(nèi)容
一方面提供具有增加的膨松性能的多孔纖維增強的熱塑性片材的制造方法。該方法包括添加平均長度為約5毫米-約50毫米的增強纖維和添加熱塑性樹脂粉末顆粒到攪拌的含水泡沫體中，形成分散的混合物，層鋪增強纖維和熱塑性樹脂顆粒的分散混合物到載體結(jié)構(gòu)上，排空水，形成網(wǎng)幅(web)，使一部分增強纖維產(chǎn)生z-軸取向，加熱該網(wǎng)幅到高于熱塑性樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并將該網(wǎng)幅壓成預(yù)定厚度，形成孔隙量為約1％-約95％的多孔熱塑性復(fù)合片材。
另一方面，提供具有增加的膨松性能的多孔纖維增強的熱塑性片材。該多孔纖維增強的熱塑性片材包括與熱塑性樹脂粘結(jié)在一起的多根增強纖維。增強纖維的平均長度為約5毫米-約50毫米，并且至少約5wt％的增強纖維按z-軸取向作用取向。纖維增強的熱塑性復(fù)合片材的孔隙量為約1％-約95％。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的復(fù)合塑性片材的示意圖。
圖2是具有擺動叉齒(oscillating tine)的網(wǎng)前箱(headbox)的示意圖。
圖3是水力纏結(jié)裝置的示意圖。
具體實施例方式
以下將詳細地描述具有增加的膨松性能的多孔纖維增強的熱塑性片材的制造方法。該方法包括使一部分增強纖維，至少約5wt％的增強纖維產(chǎn)生z-軸取向。x-y平面包括片材的寬度和長度，而z-軸方向則包括片材的厚度。在用相同的增強纖維負載形成比已知的熱塑性片材大的厚度過程中，增加z-軸方向上增強纖維的數(shù)量使得增加膨松性或者片材的膨脹。
參考附圖，圖1是例舉的復(fù)合熱塑性片材10的截面示意圖，它包括具有第一表面14和第二表面16的多孔芯12。在一些可供替代的實施方案中，表皮和/或阻擋層18粘結(jié)到第一表面14和/或第二表面16上。
由開孔結(jié)構(gòu)制成的網(wǎng)幅形成芯12，所述開孔結(jié)構(gòu)由至少部分地通過一種或更多種熱塑性樹脂22保持在一起的增強纖維20的無規(guī)交叉形成，其中多孔芯12的孔隙量范圍一般為芯12的總體積的約5％至約95％，和尤其約30％至約80％。在另一實施方案中，多孔芯12由至少部分通過一種或更多種熱塑性樹脂22保持在一起的增強纖維20的無規(guī)交叉形成的開孔結(jié)構(gòu)制成，其中約40％-約100％的開孔結(jié)構(gòu)是開放的且允許空氣和氣體流經(jīng)其中。在一個實施方案中，芯12的密度為約0.1gm/cc-約1.8gm/cc，和在另一實施方案中，為約0.3gm/cc-約1.0gm/cc。使用已知的制造工藝，例如濕法成網(wǎng)工藝、氣流成網(wǎng)工藝、干混工藝、梳理和針織工藝和制造非織造產(chǎn)品所使用的其它已知的工藝來形成芯12。這樣的制造工藝的結(jié)合也是有用的。
芯12包括約20％-約80wt％平均長度為約5毫米至約75毫米的增強纖維20，和約20％-約80wt％全部或者基本上全部未凝固的纖維狀或粒狀熱塑性材料，其中重量百分數(shù)基于芯12的總重量計。在另一實施方案中，芯12包括約30％-約55wt％的增強纖維20。在另一實施方案中，芯12包括平均長度為約5毫米至約50毫米的增強纖維20，和在另一實施方案中，為約5毫米至約25毫米。合適的增強纖維包括，但不限于，金屬纖維、金屬化的無機纖維、金屬化的合成纖維、玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、無機纖維、芳族聚酰胺纖維及其混合物。此外，可使用天然增強纖維，例如南非槿麻纖維、黃麻纖維、亞麻纖維、大麻纖維、纖維素纖維、劍麻纖維、椰纖維及其混合物。
在例舉的實施方案中，平均長度為約5mm-約75mm的增強纖維20與熱塑性粉末顆粒，例如聚丙烯粉末一起添加到可含有表面活性劑的攪拌的含水泡沫體中。攪拌各組分充足的時間，在含水泡沫體內(nèi)形成增強纖維20和熱塑性粉末的分散混合物。然后在任何合適的載體結(jié)構(gòu)，例如線網(wǎng)上層鋪分散的混合物，然后通過形成網(wǎng)幅的線網(wǎng)排空水。為了增加芯12的膨松能力，將一部分增強纖維20以z-軸方向取向。z-軸方向是指增強纖維20在芯12的x-y平面以外取向。x-y平面包括芯12的寬度和長度，而z-軸方向則包括芯12的厚度。增強纖維20的其余部分典型地基本上平行于芯12的x-y平面。
在一個實施方案中，利用機械作用，使一部分增強纖維在z-軸方向上取向，可使用任何合適的機械作用，例如平行于芯12的z-軸前后擺動的叉齒。圖2是例舉的具有擺動叉齒32的網(wǎng)前箱30的示意圖。網(wǎng)前箱30包括將增強纖維和熱塑性粉末顆粒的含水泡沫體/淤漿36導(dǎo)向支持結(jié)構(gòu)38，例如長網(wǎng)造紙機線材上，形成網(wǎng)幅40的閘門34。使用吸收箱42，從淤漿36中除去水，形成網(wǎng)幅40。擺動叉齒32使一部分增強纖維20產(chǎn)生z-軸取向，允許網(wǎng)幅40更大的膨松性。
在另一實施方案中，使用在具有于網(wǎng)幅處導(dǎo)引的預(yù)定圖案的多個水的射流的水力纏結(jié)器，使增強纖維在z-軸方向上取向。增加在z-軸方向上而非x-軸方向或者y-軸方向上增強纖維的數(shù)量，芯12可膨松或者膨脹成所需的預(yù)定厚度。從網(wǎng)幅上抽空來自水力纏結(jié)工藝的任何過量的水。圖3是例舉的水力纏結(jié)裝置50的示意圖。水力纏結(jié)裝置50包括在網(wǎng)幅40處導(dǎo)引的至少一個水的射流52(示出了兩處)，以使一部分增強纖維產(chǎn)生z-軸取向，允許網(wǎng)幅40更大的膨松性。真空轉(zhuǎn)鼓54除去在網(wǎng)幅40處通過水的射流52導(dǎo)引的水。篩選帶(sievebelt)56位于網(wǎng)幅40和真空轉(zhuǎn)鼓54之間。篩選帶56通過輥58驅(qū)動。驅(qū)動輥60使網(wǎng)幅40移動通過真空轉(zhuǎn)鼓54。水力纏結(jié)裝置可商購于例如Fleissner GmbH，Egelsbach，德國。
在另一實施方案中，使用高稠度的網(wǎng)前箱，形成網(wǎng)幅，所述網(wǎng)幅在z-軸方向上使一部分增強纖維取向。典型地在結(jié)合高稠度造紙原料的造紙工藝中，使用高稠度的網(wǎng)前箱。已發(fā)現(xiàn)，可使用在含水泡沫體中的增強纖維和熱塑性粉末的分散混合物內(nèi)產(chǎn)生微型紊流的高稠度的網(wǎng)前箱，使一部分增強纖維產(chǎn)生z-軸取向。高稠度的網(wǎng)前箱可商購于Metso Corporation，Helsinki，芬蘭。
z-軸取向纖維的含量取決于復(fù)合材料的組成，所需的膨松性和該復(fù)合材料的應(yīng)用。在一個實施方案中，z-軸方向的纖維含量為至少約5％，在另一實施方案中，為約20％-約50％，和在另一實施方案中，為至少約50％，其中百分數(shù)為重量百分數(shù)。
干燥網(wǎng)幅并加熱到高于熱塑性粉末的軟化溫度。然后冷卻網(wǎng)幅并擠壓成預(yù)定厚度，產(chǎn)生孔隙量為約5％-約95％的復(fù)合片材。
加熱網(wǎng)幅到高于芯12內(nèi)熱塑性樹脂22的軟化溫度，用以基本上軟化塑性材料，并擠壓通過一個或更多個凝固裝置，例如壓延輥、雙層皮帶層壓機、定位壓機(indexing press)、多日光壓機(multipledaylight press)、高壓釜以及層壓并凝固片材和織物所使用的其它這種裝置，以便塑性材料可流動并潤濕纖維。設(shè)定在凝固裝置內(nèi)的凝固元件之間的間隙為小于未凝固網(wǎng)幅并大于若網(wǎng)幅充分凝固時網(wǎng)幅的尺寸，于是允許網(wǎng)幅膨脹，并在穿過輥之后，保持基本上可滲透。在一個實施方案中，設(shè)定間隙比若網(wǎng)幅充分凝固時的網(wǎng)幅尺寸大大約5％-約10％的尺寸。充分凝固的網(wǎng)幅是指充分壓縮且基本上不含孔隙的網(wǎng)幅。充分凝固的網(wǎng)幅具有小于5％的孔隙量且具有可以忽略不計的開孔結(jié)構(gòu)。在可供替代的實施方案中，可在未凝固的卷輥或者未凝固的窄片內(nèi)制造網(wǎng)幅。然后再加熱未凝固的網(wǎng)幅或片材，并在隨后的時間和/或位置處使用常規(guī)的IR干燥器、常規(guī)干燥器、壓延機輥、間歇式壓機和雙層壓機等凝固。
粒狀塑性材料可包括短的塑料纖維，其中包括所述塑料纖維，以提高在制造過程中網(wǎng)幅結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力。通過利用網(wǎng)幅結(jié)構(gòu)內(nèi)塑性材料的熱特性來影響粘結(jié)。充分地加熱網(wǎng)幅結(jié)構(gòu)，引起熱塑性組分在其表面處熔融到相鄰的顆粒和纖維上。
在一個實施方案中，單獨的增強纖維20平均不應(yīng)當短于約5mm，這是因為較短的纖維通常在最終的模塑制品內(nèi)沒有提供適當?shù)脑鰪?。此外，纖維平均不應(yīng)當長于約50mm，這是因為這種纖維難以在制造工藝中處理。
在一個實施方案中，為了賦予結(jié)構(gòu)強度，增強纖維20的平均直徑為約7至約22微米。直徑小于約7微米的纖維可容易地氣懸浮且可引起環(huán)保和安全問題。直徑大于約22微米的纖維難以在制造工藝中處理，且在模塑之后不能有效地增強塑料基體。
在一個實施方案中，熱塑性材料22至少部分地為顆粒形式。合適的熱塑性塑料包括，但不限于，聚烯烴，其中包括聚亞甲基、聚乙烯和聚丙烯，聚苯乙烯、丙烯腈基苯乙烯、丁二烯、聚酯，其中包括聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯和聚對苯二甲酸丙二酯、polybutyleneterachlorate和聚氯乙烯(增塑和未增塑二者)、丙烯酸類樹脂，其中包括聚甲基丙烯酸甲酯，和這些材料彼此或者與其它聚合物材料的共混物。其它合適的熱塑性塑料包括，但不限于，聚亞芳醚、丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯聚合物、無定形尼龍，以及合金和這些材料彼此或者與其它聚合物材料的共混物。認為可使用不受水的化學(xué)進攻且可通過加熱充分軟化的任何熱塑性樹脂以使得熔融和/或模塑中沒有化學(xué)或熱分解。
熱塑性顆粒不需要過細，但大于約1.5mm的顆粒不令人滿意，這是因為它們在模塑工藝過程中不能充分地流動，以產(chǎn)生均勻的結(jié)構(gòu)。使用較大的顆粒可導(dǎo)致當凝固時材料的彎曲模量下降。
盡管用各種具體的實施方案描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到本發(fā)明在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)可以用變化形式實施。
權(quán)利要求
1.具有增加的膨松性能的多孔纖維增強的熱塑性片材的制造方法，所述方法包括添加平均長度為約5毫米-約75毫米的增強纖維和熱塑性樹脂粉末顆粒到攪拌的含水泡沫體中，形成分散的混合物，層鋪增強纖維和熱塑性樹脂顆粒的分散混合物到載體結(jié)構(gòu)上，排空水，形成網(wǎng)幅，使一部分增強纖維產(chǎn)生z-軸取向，加熱該網(wǎng)幅到高于熱塑性樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，和壓制該網(wǎng)幅至預(yù)定厚度，形成孔隙量為約1％-約95％的多孔熱塑性復(fù)合片材。
2.權(quán)利要求1的方法，其中增強纖維包括至少一種金屬纖維、金屬化的無機纖維、金屬化的合成纖維、玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、無機纖維、芳族聚酰胺纖維、南非槿麻纖維、黃麻纖維、亞麻纖維、大麻纖維、纖維素纖維、劍麻纖維和椰纖維。
3.權(quán)利要求1的方法，其中熱塑性樹脂包括至少一種聚烯烴、聚苯乙烯、丙烯腈基苯乙烯、丁二烯、聚酯、polybutyleneterachlorate、聚氯乙烯、聚亞苯醚、聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯聚合物和無定形尼龍。
4.權(quán)利要求1的方法，其中多孔熱塑性片材包括約20-約80wt％的增強纖維和約20-約80wt％的熱塑性樹脂。
5.權(quán)利要求1的方法，其中多孔熱塑性片材包括約35-約55wt％的增強纖維和約45-約65wt％的熱塑性樹脂。
6.權(quán)利要求1的方法，進一步包括將表皮粘合到多孔熱塑性片材的至少部分表面上。
7.權(quán)利要求6的方法，其中表皮包括至少一種熱塑性膜、彈性膜、金屬箔、熱固性涂層、無機涂層、纖維基稀松布(fiber based scrim)、非織造織物和織造織物。
8.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生z-軸取向包括用以預(yù)定圖案排列的多個水的射流沖擊網(wǎng)幅；和從網(wǎng)幅上排空任何過量的水。
9.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生z-軸取向包括采用在z-軸內(nèi)擺動的多個叉齒牽引一部分增強纖維至z-軸取向作用。
10.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生z-軸取向作用包括在網(wǎng)幅的形成過程中，利用高稠度的網(wǎng)前箱。
11.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生z-軸取向作用包括產(chǎn)生至少約5wt％按z-軸取向的纖維。
12.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生z-軸取向作用包括產(chǎn)生至少約20-約50wt％按z-軸取向的纖維。
13.權(quán)利要求1的方法，其中產(chǎn)生z-軸取向作用包括產(chǎn)生至少約50wt％按z-軸取向的纖維。
14.具有增加的膨松性能的多孔纖維增強的熱塑性片材，該多孔纖維增強的熱塑性片材包括與熱塑性樹脂粘結(jié)在一起的多根增強纖維；所述增強纖維的平均長度為約5毫米-約75毫米，至少約5wt％的所述增強纖維按z-軸方向上取向；所述纖維增強的熱塑性復(fù)合片材的孔隙量為約1％-約95％。
15.權(quán)利要求14的多孔纖維增強的熱塑性片材，包括約20-約50wt％按z-軸取向的所述增強纖維。
16.權(quán)利要求14的多孔纖維增強的熱塑性片材，它包括至少約50wt％按z-軸取向的所述增強纖維。
17.權(quán)利要求14的多孔纖維增強的熱塑性片材，其中所述增強纖維包括至少一種金屬纖維、金屬化的無機纖維、金屬化的合成纖維、玻璃纖維、石墨纖維、碳纖維、陶瓷纖維、玄武巖纖維、無機纖維、芳族聚酰胺纖維、南非槿麻纖維、黃麻纖維、亞麻纖維、大麻纖維、纖維素纖維、劍麻纖維和椰纖維。
18.權(quán)利要求14的多孔纖維增強的熱塑性片材，其中所述熱塑性樹脂包括至少一種聚烯烴、聚苯乙烯、丙烯腈基苯乙烯、丁二烯、聚酯、polybutyleneterachlorate、聚氯乙烯、聚亞苯醚、聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯聚合物和無定形尼龍。
19.權(quán)利要求14的多孔纖維增強的熱塑性片材，其中所述熱塑性片材包括約20-約80wt％的所述增強纖維和約20-約80wt％的所述熱塑性樹脂。
20.權(quán)利要求14的多孔纖維增強的熱塑性片材，其中所述熱塑性片材包括約35-約55wt％的所述增強纖維和約45-約65wt％的所述熱塑性樹脂。
全文摘要
提供具有增加的膨松性能的多孔纖維增強的熱塑性片材的制造方法。該方法包括在攪拌的含水泡沫體中添加平均長度為約5毫米－約50毫米的增強纖維，和熱塑性樹脂粉末顆粒，形成分散的混合物，層鋪增強纖維和熱塑性樹脂顆粒的分散混合物到載體結(jié)構(gòu)上，排空水，形成網(wǎng)幅，使一部分增強纖維產(chǎn)生z－軸取向，加熱該網(wǎng)幅到高于熱塑性樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，和壓制該網(wǎng)幅至預(yù)定厚度，形成孔隙量為約1％－約95％的多孔熱塑性復(fù)合片材。
文檔編號B29C70/56GK101073918SQ200710096618
公開日2007年11月21日 申請日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者C·A·哈珀, C·W·彼得森, V·拉蓋文德蘭 申請人:阿茲代爾公司