用于形成三維物體的多層化紡織品材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于三維產(chǎn)品的材料，其具有非常低的重量和改進(jìn)的拉伸強(qiáng)度。 技術(shù)背景
[0002] 多年以來，需要開發(fā)更輕和更結(jié)實(shí)的材料，來改進(jìn)許多工業(yè)領(lǐng)域中的品質(zhì)、安全和 效率，包括但不限于航天、汽車、航海、服裝、體育用品、光纖、工業(yè)安全裝置、軍事和法律行 動、和電子產(chǎn)品。
[0003] 從二十世紀(jì)五十年代以來，在開發(fā)高性能纖維中已經(jīng)取得了眾多的突破，該纖 維在一定的重量分?jǐn)?shù)時具有數(shù)倍于鋼的強(qiáng)度。這樣的高性能纖維的例子包括但不限于 聚酯纖維（例如在商品名Dacron?'下銷售的產(chǎn)品），尼龍纖維，芳酰胺纖維（例如在商 品名Kevlar?，Techora?:和Twaron?'下銷售的產(chǎn)品），碳纖維，超高分子量聚乙稀 ("UHMWPE"）（例如在商品名Ceran?, Dyneema?:和Spectra?下銷售的產(chǎn)品），液晶聚 合物（"^^"）（例如在商品名乂6(^1^11@下銷售的產(chǎn)品）和（聚（對亞苯基-2,6-苯并雙 噁唑））（"PB0"）（例如在商品名Zy丨on?下銷售的產(chǎn)品）和聚萘二甲酸乙二醇酯PEN纖維 (例如在商品名Pentex?·下銷售的產(chǎn)品）。多年以來，這些高性能纖維已經(jīng)被用于織造和 非織造排列中（woven and non-woven arrangements)，來形成多層化復(fù)合材料和層合的結(jié) 構(gòu)。
[0004] 例如W02012/018959描述了在織造構(gòu)造中使用高性能纖維的問題。具體的，該織 造方法導(dǎo)致了纖維中的褶皺，其引起應(yīng)力集中和磨損點(diǎn)，這明顯降低了織物的強(qiáng)度和長期 性能。
[0005] US5333568也描述了織造構(gòu)造的褶皺問題，同時還描述了增強(qiáng)的非織造層合體，其 使用了單向擠出的纖維的增強(qiáng)片，在其中該增強(qiáng)片形成了層合到聚酯膜外層上的一個或多 個的單帶（uni-tape)。該纖維經(jīng)由彈性聚合物基質(zhì)均勻的植入到所述單帶中。該高性能纖 維的低彈性確保了層合體在纖維定向的方向上所施加的負(fù)荷下不發(fā)生拉伸。雖然耐拉伸性 對于應(yīng)用例如航行來說是一個關(guān)鍵的參數(shù)，在這里層合體必須是撓性的（flexible)，在負(fù) 荷下不變形，但是當(dāng)該層合體用于需要一些材料變形來形成三維物體的方法中時，這樣的 耐拉伸性是有問題的。
[0006] 在許多情況中，US5333568中所述的材料是用夾入到兩個聚酯外層之間的兩層或 者四層UHMWPE纖維來制造的，其中該纖維是以不同的重量在非偏斜（0° /90° )和偏斜 (0° /90° /+45° /-45° )構(gòu)造中成層的。已經(jīng)與UHMWPE纖維層一起使用的其他外層材 料包括彈性熱固性聚合物（例如氨基甲酸酯和有機(jī)硅），熱塑性體（例如尼龍），低密度聚 乙烯，聚丙烯，熱塑性聚氨酯和熱熔粘結(jié)劑（例如聚烯烴和聚酰胺）。
[0007] 雖然具有非常低的重量和高拉伸強(qiáng)度，但是這些材料具有起皺、噪音、令人不快的 紋理和缺乏彈性和柔軟性的問題。簡言之，該材料具有起皺塑料袋的外觀和感覺。此外，在 使用中，該材料經(jīng)常缺乏接縫強(qiáng)度，縫合剪切強(qiáng)度，細(xì)絲強(qiáng)度，耐UV性和可拉伸性。例如圖I 和2顯示了由US5333568中所述的材料形成的鞋子28。如這些圖中所示，當(dāng)將US5333568 中所述的材料置于鞋楦頭上來形成三維鞋面26時，所述材料不能在鞋楦頭上拉伸來產(chǎn)生 三維鞋面形狀。此外，該材料必須多處切割和縫紉，來形成鞋面26所需的圓形形狀。
[0008] US5935678描述了一種處于片形的層合體結(jié)構(gòu)，具有第一和第二陣列（first and second arrays)的高性能、單向定向的纖維束。該第二陣列的纖維束是相對于第一陣列的 纖維束以一定角度交叉布層的。聚合物膜位于第一和第二交叉布層陣列的纖維束中，來將 該第一和第二陣列的纖維束結(jié)合在一起。這種設(shè)計提供了一種剛性結(jié)構(gòu)，用作彈道層合體 結(jié)構(gòu)（a ballistic laminate structure)，但是當(dāng)該層合體用于需要一些材料變形來形成 三維物體的方法中時，是有問題的。
[0009] US2013/0219600描述了一種多層非織造織物材料，其包含芳酰胺/聚乙烯纖維 的兩個或者四個非織造纖維片，用樹脂和/或填料浸漬，并且以不同的角度定向，其用于制 造防護(hù)服。這種成層的非織造織物層沒有粘合或者膠合在一起，作為提供用于防護(hù)服的撓 性材料的一種方式。雖然這種設(shè)計提供了用于防護(hù)服所必需的撓性，但是這種設(shè)計類似于 US5333568中所教導(dǎo)的撓性設(shè)計，和因此當(dāng)層合體用于需要一些材料變形來形成三維物體 的方法中時，也不提供所必需的彈性。此外，因?yàn)樵摽椢飳記]有粘合或者膠合在一起，因此 該材料具有最小的（如果有的話）分層強(qiáng)度。
[0010] 因此，期望提供一種非織造多層化復(fù)合材料和/或?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)，其中每個層包含單 向的高性能纖維，其提供了非常低重量的材料，具有高拉伸強(qiáng)度和一些彈性，以使得該結(jié)構(gòu) 可以用于需要一些材料變形來形成三維物體的方法中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本專利中所用的術(shù)語"發(fā)明"、"該發(fā)明"、"這個本發(fā)明"和"本發(fā)明"目的是寬泛的 指代本專利和下面的專利權(quán)利要求的全部主題。含有這些術(shù)語的表述應(yīng)當(dāng)理解為不限于這 里所述的主題或者不用于限制下面的專利權(quán)利要求的含義或者范圍。本專利所覆蓋的本發(fā) 明的實(shí)施方案是通過下面的權(quán)利要求來定義的，而非本
【發(fā)明內(nèi)容】
。本
【發(fā)明內(nèi)容】
是本發(fā)明不 同的方面的高度概述，并且介紹了一些概念，其進(jìn)一步描述在下面的【具體實(shí)施方式】中。本發(fā) 明內(nèi)容不打算確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵的或者本質(zhì)的特征，也不打算孤立的用于確定 所要求保護(hù)的主題的范圍。該主題應(yīng)當(dāng)通過參考本專利的整個申請文件適當(dāng)?shù)牟糠?、任?或者全部的附圖和每個權(quán)利要求來理解。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，用于形成三維物體的多層化材料包含至少三個非織 造纖維層。在其他實(shí)施方案中，該用于形成三維物體的多層化材料包含三個非織造纖維層。
[0013] 每個纖維層包含多個單向定向的纖維，其中該至少三個非織造纖維層的第一層中 的纖維相對于該至少三個非織造纖維層的另一層中的纖維形成了-25°到-65°的角度， 和該至少三個非織造纖維層的第二層中的纖維相對于該至少三個非織造纖維層的另一層 中的纖維形成了+25°到+65°的角度。該多層化材料包含彈性性能，其允許該多層化材料 通過在三維模具上拉伸該多層化材料而變形，來形成三維物體。
[0014] 在一些實(shí)施方案中，該多層化材料還包含至少一個外層，其粘附到該至少三個非 織造纖維層的一層的側(cè)面上。該基質(zhì)材料可以進(jìn)一步包含第二外層，其粘附到該至少三個 非織造纖維層的另一層的側(cè)面上。至少一個外層可以由熱塑性聚氨酯形成，并且包含絲網(wǎng) 印刷體。
[0015] 在其他實(shí)施方案中，該多層化材料還包含至少一個熱塑性聚氨酯外層，其粘附到 該至少三個非織造纖維層中一層的側(cè)面上。該基質(zhì)材料可以進(jìn)一步包含第二熱塑性聚氨酯 外層，其粘附到該至少三個非織造纖維層的另一層的側(cè)面上。至少一個該熱塑性聚氨酯外 層可以包含絲網(wǎng)印刷體。
[0016] 該基質(zhì)材料可以由選自下面的材料形成：熱塑性聚氨酯，其他聚氨酯，有機(jī)硅 (silicone)，乙稀丙稀二稀，聚氯乙稀，熱塑性彈性體，聚乳酸，聚酰胺和聚乙稀。
[0017] 在一些實(shí)施方案中，該至少三個非織造纖維層的第一層中的纖維相對于該至少三 個非織造纖維層的另一層中的纖維形成了-30°到-60°的角度，和該至少三個非織造纖 維層的第二層中的纖維相對于該至少三個非織造纖維層的另一層中的纖維形成了 +30°到 +60°的角度。在其他實(shí)施方案中，該至少三個非織造纖維層的第一層中的纖維相對于該 至少三個非織造纖維層的另一層中的纖維形成了-40°到-50°的角度，和該至少三個非 織造纖維層的第二層中的纖維相對于該至少三個非織造纖維層的另一層中的纖維形成了 +40°到+50°的角度。
[0018] 根據(jù)一些實(shí)施方案，該纖維是由選自下面的材料形成的：超高分子量聚乙烯，其他 聚乙稀，聚醋，尼龍，玄武巖，芳酰胺（aramid)，碳，聚合物/碳復(fù)合材料，液晶聚合物和