纖維增強的塑料復(fù)合材料及其制造方法、原材料和用途
【專利摘要】本發(fā)明涉及纖維增強的塑料復(fù)合材料，其包含基質(zhì)材料(1)、用于增強基質(zhì)材料(1)的許多纖維和用于提高纖維增強的塑料復(fù)合材料的斷裂韌性的至少一種熱塑性添加劑材料(2)，其中所述熱塑性添加劑材料(2)溶解在基質(zhì)材料(1)中。熱塑性添加劑材料(2)起初，即溶解在基底材料中之前，可以是粉末或顆粒形式的。另外，本發(fā)明涉及適用于纖維增強的塑料復(fù)合材料的塑料復(fù)合原材料和制造纖維增強的塑料復(fù)合材料的方法。最后，本發(fā)明還涉及包含纖維增強的塑料復(fù)合材料的風(fēng)力渦輪機部件。
【專利說明】纖維增強的塑料復(fù)合材料及其制造方法、原材料和用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用許多纖維增強的塑料復(fù)合材料。另外，本發(fā)明涉及塑料復(fù)合原材料 和制造纖維增強的塑料復(fù)合材料的方法。本發(fā)明最后還涉及風(fēng)力渦輪機部件，所述部件包 含纖維增強的塑料復(fù)合材料。

【背景技術(shù)】
[0002] 纖維增強的塑料復(fù)合材料用于各種技術(shù)產(chǎn)品，如汽車、儲槽和風(fēng)力渦輪機葉片。纖 維增強的塑料復(fù)合材料包含基質(zhì)材料和增強該基質(zhì)材料的纖維。纖維通常非常適合增強該 基質(zhì)材料，因為纖維，如玻璃纖維、碳纖維、天然纖維或其它纖維具有高強度和高剛性。纖維 可能呈粗紗束或織物形式或無規(guī)取向纖維形式。這些纖維通常位于并固定在基質(zhì)材料中。
[0003] 纖維增強的塑料復(fù)合材料的一個優(yōu)點因此在于其相對剛性。但是，纖維增強的塑 料復(fù)合材料的一個缺點和問題在于由于本身脆性的基質(zhì)材料的性質(zhì)，其相對脆性。
[0004] 為了確保由纖維增強的塑料復(fù)合材料制成的物體的充足強度和斷裂韌性，迄今通 常簡單地將該物體增大至避免疲勞裂紋的程度。但是，簡單的更厚物體需要更多材料和更 多勞力。因此最終物體的成本提高。另外，考慮到制造該物體所需的材料量，簡單增大該物 體不是可持續(xù)的策略。
[0005] 因此迫切需要提供具有提高的斷裂韌性的纖維增強的塑料復(fù)合材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 通過獨立權(quán)利要求實現(xiàn)這一目的。從屬權(quán)利要求描述了本發(fā)明的有利擴展和改 良。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明，提供了纖維增強的塑料復(fù)合材料，其包含基質(zhì)材料、用于增強所述基 質(zhì)材料的許多纖維和用于提高纖維增強的塑料復(fù)合材料的斷裂韌性的至少一種熱塑性添 加劑材料。該熱塑性添加劑材料溶解在基質(zhì)材料中。
[0008] 復(fù)合體，也稱作復(fù)合材料或組合材料，是由兩種或更多種具有不同物理和/或化 學(xué)性質(zhì)的獨立材料制成的材料。在合并所述獨立材料時，產(chǎn)生具有與所述獨立材料不同的 特性的復(fù)合材料。所述獨立材料在所述復(fù)合材料的最終結(jié)構(gòu)內(nèi)保持分離和相異。
[0009] 復(fù)合材料的實例包括復(fù)合建筑材料如水泥或混凝土、增強塑料如纖維增強的聚合 物、金屬復(fù)合材料或陶瓷復(fù)合材料。復(fù)合材料的另一實例是金屬陶瓷，其是包含陶瓷和金屬 的復(fù)合材料。
[0010] 纖維增強的塑料復(fù)合材料是用纖維增強的塑料復(fù)合材料。
[0011] 纖維增強的塑料復(fù)合材料可通過固化包含塑料復(fù)合原材料和許多纖維的混合物 制造。該塑料復(fù)合原材料可包含基底材料和用于提高纖維增強的塑料復(fù)合材料的斷裂韌性 的至少一種熱塑性添加劑材料。
[0012] 術(shù)語"基質(zhì)材料"因此是指固化的基底材料，即硬化后的基底材料。
[0013] 此外，基質(zhì)材料可以部分或完全包封纖維以保護它們免受切斷和切口，這些會降 低纖維的強度。最后，基質(zhì)材料的另一重要用途是向纖維傳遞力。
[0014] 所述許多纖維可包含玻璃纖維，例如紡織玻璃纖維。所述許多纖維還可包含通過 聚丙烯腈纖維、浙青樹脂或人造絲在高溫下的碳化制成的碳纖維。最后，所述許多纖維還可 包含芳族聚酰胺纖維。
[0015] 該基質(zhì)材料可包含熱塑性基質(zhì)材料。熱塑性添加劑材料和熱塑性基質(zhì)材料在下文 中也簡稱為熱塑性材料。
[0016] 熱塑性材料，也被稱作熱軟化性塑料材料，其是在特定溫度以上變?nèi)犴g或可模制 并在冷卻時恢復(fù)固態(tài)，即剛性態(tài)的材料。換言之，熱塑性材料在熱能影響下變得可逆地可鍛 或可變形。
[0017] 該纖維增強的塑料復(fù)合材料的提高的斷裂韌性意味著提高的抗裂性-相對于 現(xiàn)有技術(shù)狀況-這隨后意味著由該改進的纖維增強的塑料復(fù)合材料制成的物體的提高 的抗疲勞性-相對于現(xiàn)有技術(shù)狀況。熱塑性添加劑材料起初，即溶解在基底材料中之前， 可以是粉末或顆粒形式的。
[0018] 該熱塑性添加劑材料可包含聚合物。聚合物包含許多單體并排列在聚合物鏈中。 單體也可以被描述為是化學(xué)鍵合到其它分子上以形成聚合物的分子。
[0019] 許多聚合物鏈可通過物理鍵和/或化學(xué)鍵，例如共價鍵、范德華鍵、靜電鍵和/或 氫鍵互相連接。
[0020] 在熱塑性添加劑材料溶解在基底材料中之前，該熱塑性添加劑材料有利地以化學(xué) 共價鍵的網(wǎng)絡(luò)排列。在溶解后，共價鍵溶解且該熱塑性添加劑材料可能以單聚合物鏈形式 排列。
[0021] 包含具有熱塑性添加劑材料的纖維增強的塑料復(fù)合材料的物體與包含無熱塑性 添加劑材料的纖維增強的塑料復(fù)合材料的另一物體相比具有幾個重要的優(yōu)點： -與現(xiàn)有技術(shù)狀況相比，借助該熱塑性添加劑材料改進基質(zhì)材料和因此該物體的斷裂 韌性； -與現(xiàn)有技術(shù)狀況相比改進該物體的疲勞性質(zhì)，例如抗疲勞性； -該物體可能比現(xiàn)有技術(shù)狀況更輕； -與現(xiàn)有技術(shù)狀況相比可以更便宜地制造該物體； -與現(xiàn)有技術(shù)狀況相比可以提高該物體的阻尼，因為在該熱塑性材料中耗散更多能 量。
[0022] 物體可以完全由含熱塑性添加劑材料的纖維增強的塑料復(fù)合材料制成。但是，如 果該物體只有一部分或一區(qū)段包含所述含熱塑性添加劑材料的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 也是有利的。含熱塑性添加劑材料的區(qū)段或部分可以被選為是需要高結(jié)構(gòu)阻尼或由添加溶 解的熱塑性添加劑材料獲得的其它性質(zhì)的區(qū)域。降低的阻尼可能是有利的，因為其可降低 固有振蕩，也稱作本征振蕩。
[0023] 在第一個實施方案中，該熱塑性添加劑材料包含聚合物。
[0024] 該熱塑性添加劑材料特別可以包含許多聚合物鏈。
[0025] 在另一實施方案中，該基質(zhì)材料是熱固性材料，特別是熱固性聚合物。
[0026] 熱固性材料，也稱作熱凝物，是不可逆固化的材料?？梢酝ㄟ^熱、通過化學(xué)反應(yīng)或 通過輻射，如電子束加工進行固化。熱固性材料的基底材料在固化前可以是液體和/或可 鍛的。其還可以設(shè)計為模制成最終形狀。一旦固化，熱固性材料不可逆硬化。
[0027] -般而言，材料無法同時具有熱塑性材料和熱固性材料的性質(zhì)。
[0028] 對許多物體和許多操作條件而言，耐久和非彈性的基質(zhì)材料是有利的。希望該熱 固性基質(zhì)材料在固化后保持剛性并且無法再熔融或變形。
[0029] 在另一實施方案中，該基質(zhì)材料包含選自聚酯、聚氨酯、生物聚合物和樹脂，特別 是環(huán)氧樹脂的至少一種材料。
[0030] 環(huán)氧樹脂，也稱作聚環(huán)氧化物，是含有環(huán)氧基的反應(yīng)性預(yù)聚物和/或聚合物。環(huán)氧 樹脂可以通過催化均聚與自身交聯(lián)，或與一系列共反應(yīng)物，包括多官能胺、酸、酚、醇和硫醇 交聯(lián)。
[0031] 共反應(yīng)物被稱作硬化劑或固化劑，且交聯(lián)反應(yīng)可以被稱作固化。環(huán)氧樹脂的優(yōu)點 是其有利的機械性質(zhì)、耐高溫性和高的耐化學(xué)性。此外，環(huán)氧樹脂可以容易地獲得。
[0032] 生物聚合物由活生物體產(chǎn)生。生物聚合物包含共價鍵合形成更大結(jié)構(gòu)的單體單 元。生物聚合物包括例如多核苷酸，如核糖核酸（RNA)或脫氧核糖核酸（DNA)、多肽和多糖。
[0033] 在另一實施方案中，該基質(zhì)材料包含熱塑性基質(zhì)材料，特別是丙烯腈丁二烯苯乙 烯和/或尼龍。
[0034] 該熱塑性基質(zhì)材料可以是固體、可熔的熱塑性材料。該熱塑性基質(zhì)材料可熔以使 其能與纖維共混。
[0035] 在另一實施方案中，該熱塑性添加劑材料包含聚乙烯醇縮丁醛（PVB)和/或聚對 苯二甲酸乙二醇酯（PET)。
[0036] PVB例如用于層壓安全玻璃，其用于例如汽車擋風(fēng)玻璃。PVB可以是強韌和延性 的。這有利并有益于由纖維增強的塑料復(fù)合材料制成的物體。
[0037] 在一個優(yōu)選實施方案中，熱塑性添加劑材料的重量與基質(zhì)材料的重量的比率選自 0.0005至0.2的范圍，特別是0.001至0. 1的范圍。
[0038] 換言之，熱塑性添加劑材料可以以基質(zhì)材料，例如熱固性樹脂的重量的0. 05重 量％至20重量％添加。
[0039] 因此，熱塑性添加劑材料相對于基質(zhì)材料的特定百分比可限定該液體塑料復(fù)合原 材料的粘度。另外，熱塑性添加劑材料相對于基質(zhì)材料的百分比也可用于校準和設(shè)定纖維 增強的塑料復(fù)合材料，例如固化樹脂的機械性質(zhì)。
[0040] 在另一實施方案中，基質(zhì)材料的重量與熱塑性添加劑材料的重量的比率選自 0. 0005至0. 2,特別是0. 001至0. 1的范圍。
[0041] 在熱塑性添加劑材料的主要組分中0. 05%至20%的基質(zhì)材料重量在制造上可能相 對困難和麻煩，但其在特定操作條件下可能可行和有利。
[0042] 在另一實施方案中，所述許多纖維包含纖維材料。該纖維材料包含超過50 Gpa，特 別超過70 Gpa的彈性模量，和/或該基質(zhì)材料包含低于5 Gpa，特別低于3 Gpa的彈性模 量。
[0043] 彈性模量，也稱作彈性的模量或楊氏模量，是物體或物質(zhì)在受力時的彈性（S卩非永 久）變形傾向的數(shù)學(xué)描述。材料越剛性，其彈性模量越高。因此，彈性模量描述拉伸彈性或 由該材料制成的物體在沿其軸施加相反的力時沿該軸變形的傾向。彈性模量因此被定義為 拉伸應(yīng)力/拉伸應(yīng)變比。
[0044] 以其彈性模量表示的纖維材料的剛性可優(yōu)選小于500 Gpa，特別小于300 Gpa。
[0045] 本發(fā)明還涉及塑料復(fù)合原材料。該塑料復(fù)合原材料包含基底材料和用于提高纖維 增強的塑料復(fù)合材料的斷裂韌性的熱塑性添加劑材料。熱塑性添加劑材料溶解在基底材料 中。
[0046] 因此，該塑料復(fù)合原材料安排并準備用于轉(zhuǎn)化成纖維增強的塑料復(fù)合材料，因此 其適用于制造纖維增強的塑料復(fù)合材料。如果例如基底材料包含樹脂并固化該樹脂，則該 樹脂在固化后被稱作基質(zhì)材料。
[0047] 在一個優(yōu)選實施方案中，該基底材料包含至少一種類型的液體熱固性樹脂。
[0048] 液體熱固性樹脂具有易得和易加工的優(yōu)點。此外，液體熱固性樹脂非常適合作為 熱塑性添加劑材料的溶劑。
[0049] 在另一優(yōu)選實施方案中，該塑料復(fù)合原材料包含固化劑。
[0050] 固化是指聚合物材料通過聚合物鏈的交聯(lián)增韌或硬化?？梢酝ㄟ^固化劑有益地影 響固化過程。使用固化劑的優(yōu)點是例如固化過程的良好可控性和與無固化劑的固化過程相 比可能更穩(wěn)定和更平穩(wěn)的固化過程。
[0051] 如果基底材料重量的90重量％，特別是95重量％硬化，基底材料可以被認為固化。
[0052] 在另一實施方案中，該塑料復(fù)合原材料安排并準備用于制造纖維增強的塑料復(fù)合 材料，所述纖維增強的塑料復(fù)合材料包含基質(zhì)材料、至少一種纖維和熱塑性添加劑材料。此 夕卜，該塑料復(fù)合原材料包含至少一種用于使基質(zhì)材料和/或熱塑性添加劑材料與纖維偶聯(lián) 的偶聯(lián)劑。
[0053] 為了增強力從纖維傳遞至基質(zhì)材料，可以將偶聯(lián)劑施加到纖維表面上。這一過程 被稱作纖維的施膠。
[0054] 在一個優(yōu)選實施方案中，偶聯(lián)劑包含硅烷。
[0055] 本發(fā)明還涉及風(fēng)力渦輪機部件，特別是風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片，其包含如上所述的 纖維增強的塑料復(fù)合材料。
[0056] 對風(fēng)力渦輪機部件的要求是充滿挑戰(zhàn)的。所述部件應(yīng)該例如堅固、耐久和價格實 惠。本發(fā)明的纖維增強的塑料復(fù)合材料非常有益于風(fēng)力渦輪機部件。風(fēng)力渦輪機部件包括 吊艙、復(fù)合塔和特別是風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片。已提到的纖維增強的塑料部件的優(yōu)點，如提高 的斷裂韌性、改進的疲勞性質(zhì)、輕重量，對風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片而言特別重要和有益。
[0057] 最后，本發(fā)明涉及制造纖維增強的塑料復(fù)合材料的方法。該纖維增強的塑料復(fù)合 材料包含熱塑性添加劑材料。該方法包括提供包含許多纖維和塑料復(fù)合原材料的混合物， 其中通過將熱塑性添加劑材料溶解在基底材料中獲得所述塑料復(fù)合原材料，并固化所述混 合物。
[0058] 該纖維增強的塑料復(fù)合材料特別適用于風(fēng)力渦輪機，優(yōu)選適用于風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子 葉片。
[0059] 固化可包括紫外線輻射和電子束輻射或施熱。固化更具體包括用40°C至300°C的 溫度熱處理。這種熱處理可以對基底材料施用2小時至10小時。例如，該混合物可以在 60°C下固化6小時。
[0060] 從下文描述的實施方案的實例中可看出本發(fā)明的上文規(guī)定的方面和其它方面，并 參照實施方案的實例作出解釋。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0061] 現(xiàn)在參照附圖僅舉例描述本發(fā)明的實施方案，其中： 圖1:顯示固化的熱固性樹脂的空間骨架； 圖2:顯示含有化學(xué)溶解的熱塑性添加劑材料的固化熱固性樹脂的空間骨架；且 圖3:顯示含有偶聯(lián)劑的單纖維。
[0062] 附圖中的圖解是示意性的。
[0063] 參照圖1，顯示充當纖維增強的塑料復(fù)合材料的基質(zhì)材料1的固化熱固性樹脂的 特殊骨架。該熱固性樹脂包含多個聚合物鏈，包括第一聚合物鏈10、第二聚合物鏈11和第 三聚合物鏈12。第二聚合物鏈11通過第一交聯(lián)21與第一聚合物鏈11連接。另外，第二聚 合物鏈11通過第二交聯(lián)22與第三聚合物鏈12連接。如圖1中可以看出，所述多個聚合物 鏈形成特殊骨架并互相鍵合。
[0064] 所述多個聚合物鏈的各聚合物鏈包含多種單體。所述多種單體的單體可包含反應(yīng) 性官能團。例如，在圖1中，第一單體包含第一自由基末端23。
[0065] 在圖2中，顯示含有化學(xué)溶解的熱塑性添加劑材料2的固化熱固性樹脂的特殊骨 架，該固化熱固性樹脂充當纖維增強的塑料復(fù)合材料的基質(zhì)材料。聚合物鏈仍通過交聯(lián)鍵 合在一起。另外，可以看出，化學(xué)溶解的熱塑性添加劑材料2合并并附著到固化熱固性樹脂 上。
[〇〇66] 最后，圖3顯示被固化熱固性樹脂包裹的纖維3的剖視圖。充當偶聯(lián)劑4的膠料 分子連接并附著到纖維3的外周上。在這一實例中，膠料分子包含硅烷。
【權(quán)利要求】
1. 纖維增強的塑料復(fù)合材料，其包含 -基質(zhì)材料（1)， -用于增強所述基質(zhì)材料的許多纖維，和 -用于提高纖維增強的塑料復(fù)合材料的斷裂韌性的至少一種熱塑性添加劑材料（2); 其中 -所述熱塑性添加劑材料（2)溶解在所述基質(zhì)材料中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的纖維增強的塑料復(fù)合材料 其特征在于 所述熱塑性添加劑材料（2)包含聚合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2任一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 其特征在于 所述基質(zhì)材料（1)包含熱固性材料，特別是熱固性聚合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 其特征在于 所述基質(zhì)材料（1)包含選自聚酯、聚氨酯、生物聚合物和樹脂，特別是環(huán)氧樹脂的至少 一種材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 其特征在于 所述基質(zhì)材料（1)包含熱塑性基質(zhì)材料，特別是丙烯腈丁二烯苯乙烯和/或尼龍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 其特征在于 所述熱塑性添加劑材料（2)包含聚乙烯醇縮丁醛和/或聚對苯二甲酸乙二醇酯。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 其特征在于 所述熱塑性添加劑材料（2)的重量與所述基質(zhì)材料（1)的重量的比率選自0.0005至 0.2的范圍，特別是0.001至0. 1的范圍。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 其特征在于 所述基質(zhì)材料（1)的重量與所述熱塑性添加劑材料（2)的重量的比率選自0.0005至 〇. 2,特別是0. 001至0. 1的范圍。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料， 其特征在于 所述許多纖維包含纖維材料，所述纖維材料包含超過50 Gpa，特別超過70 Gpa的彈性 模量，和/或所述基質(zhì)材料（1)包含低于5 Gpa，特別低于3 Gpa的彈性模量。
10. 塑料復(fù)合原材料，其包含基底材料和用于提高纖維增強的塑料復(fù)合材料的斷裂韌 性的至少一種熱塑性添加劑材料（2)， 其中 所述熱塑性添加劑材料（2)溶解在基底材料中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的塑料復(fù)合原材料， 其特征在于 所述基底材料包含至少一種類型的液體熱固性樹脂。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或11任一項的塑料復(fù)合原材料， 其特征在于 所述塑料復(fù)合原材料包含至少一種固化劑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10至12任一項的塑料復(fù)合原材料， 其特征在于 -所述塑料復(fù)合原材料安排并準備用于制造纖維增強的塑料復(fù)合材料，所述纖維增強 的塑料復(fù)合材料包含基質(zhì)材料（1)、至少一種纖維和所述熱塑性添加劑材料（2);且 -所述塑料復(fù)合原材料包含至少一種用于使所述基質(zhì)材料和/或所述熱塑性添加劑 材料（2)與所述纖維偶聯(lián)的偶聯(lián)劑（4)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的塑料復(fù)合原材料， 其特征在于 所述偶聯(lián)劑（4)包含硅烷。
15. 風(fēng)力渦輪機部件，特別是風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片部件，其包含根據(jù)權(quán)利要求1至9任 一項的纖維增強的塑料復(fù)合材料。
16. 制造纖維增強的塑料復(fù)合材料的方法， 其中所述纖維增強的塑料復(fù)合材料包含熱塑性添加劑材料（2)，且所述方法包括 -提供包含許多纖維和塑料復(fù)合原材料的混合物，其中通過將所述熱塑性添加劑材料 (2)溶解在基底材料中獲得所述塑料復(fù)合原材料，和 -固化所述混合物。
【文檔編號】C08L55/02GK104059237SQ201410101731
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月19日
【發(fā)明者】E.格羅夫-尼爾森 申請人:西門子公司