制造復(fù)合材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明的制造復(fù)合材料的方法使用了粘合劑來(lái)將不同的纖維材料層（2）固定在正確的位置。所述方法進(jìn)一步包括步驟：在用包含充當(dāng)所述粘合劑的溶劑的組分的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕所述粘合劑的過(guò)程中，所述粘合劑被至少部分溶解。所述粘合劑可以為具有可以與熱固性樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)的熱塑性粘合劑。優(yōu)選地，為了最佳相容性，所述粘合劑可以由與熱固性樹(shù)脂相同的基體樹(shù)脂制成。此外，所述粘合劑也可以用來(lái)降低例如用于使用半真空操作的材料，例如纖維組件（2），的滲透性。
【專利說(shuō)明】制造復(fù)合材料的方法
[0001]本發(fā)明涉及制造復(fù)合材料，例如風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，的方法。其進(jìn)一步涉及使用粘合劑來(lái)臨時(shí)固定增強(qiáng)材料。粘合劑也可以用來(lái)降低纖維材料的組件(package)的滲透率。
[0002]為了獲得用粗紗或織物形式的纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的最佳性能，纖維的鋪層(layup)是關(guān)鍵。導(dǎo)致纖維的褶皺或移位的纖維的無(wú)意移動(dòng)會(huì)對(duì)最終的層壓板性能有嚴(yán)重影響，并可以導(dǎo)致層壓板的昂貴的維修或廢棄。
[0003]尤其是在大型模具中，其中以預(yù)定的順序施加大量的纖維增強(qiáng)材料，纖維的局部移位的風(fēng)險(xiǎn)很高，除非連續(xù)地固定新的層。而且，如果移動(dòng)模具或模具中的插入物是必要的，則移位的風(fēng)險(xiǎn)很高。
[0004]目前，為了確保主要是織物的適當(dāng)?shù)姆胖茫瑢?duì)于每個(gè)新的層往往將這些縫合到一起以形成更穩(wěn)定的纖維組件。然而這是非常勞動(dòng)密集的并且在一些情況下織物的縫合可能非常困難或不可能進(jìn)行，因?yàn)槠湟罂椢锉恢辽俨糠值靥崞鹨哉_地使用縫合設(shè)備。此外，縫合負(fù)面地影響織物的纖維結(jié)構(gòu)，并由此導(dǎo)致非最優(yōu)的材料性能。
[0005]或者，可以將織物的夾持裝置放置在模具這一側(cè)，然后其可以用來(lái)夾持織物的每個(gè)新的層。這往往需要使用過(guò)量的織物，其應(yīng)隨后被切掉并會(huì)在一定程度上也導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)的破裂。這種夾持方法只能用在模具的邊緣附近。
[0006]由于目前可用的粘合劑會(huì)干擾在被粘合劑覆蓋的區(qū)域中的纖維的隨后潤(rùn)濕，并且由于粘合劑和用來(lái)生產(chǎn)所述復(fù)合材料零件的熱固性材料之間的差的相容性，目前可用的粘合劑還將負(fù)面地影響材料性能，粘合劑用于固定目的的用途有限。
[0007]已知的反應(yīng)性熱熔粘合劑可用于各種目的，并往往主要基于與空氣中的水分反應(yīng)的聚氨酯，但是也有基于乙基醋酸乙烯酯共聚物的粘合劑。這種粘合劑不能被結(jié)合在隨后施加的熱固性樹(shù)脂中。
[0008]在US7271202 B2中公開(kāi)了反應(yīng)性熱熔膠組合物，其具有優(yōu)良的粘附力和固化性能。該組合物與自由基交聯(lián)引發(fā)劑一起包含在乙烯-丙烯酸共聚物，和乙烯-甲基丙烯酸共聚物，和/或乙烯-丙烯酸甲基丙烯酸三元共聚物中。
[0009]Saertex生產(chǎn)了可以用來(lái)將纖維織物粘附到模具或者其它纖維織物的膠帶，其可在商標(biāo)名Saerfix下市售獲得。也可以將該膠帶預(yù)施加至來(lái)自制造商的織物。如在公開(kāi)的發(fā)明中，還在纖維浸濕過(guò)程中將該膠帶結(jié)合到熱固性樹(shù)脂基質(zhì)中，而對(duì)機(jī)械性能沒(méi)有負(fù)面影響。
[0010]然而，這種膠帶確實(shí)有一些限制。粘合表面的幾何形狀受限于簡(jiǎn)單的幾何形狀，其必須裁成一定的形狀。由于膠帶具有粘合表面，直到使用，所述表面必須用載體材料覆蓋，在施加之前必須移除所述載體材料并丟棄。貯存期是有所限制的。這種膠帶是相對(duì)昂貴的。這種膠帶的自動(dòng)鋪層將相當(dāng)困難。
[0011]在US2010/0029155 Al中公開(kāi)了粘合劑涂覆的織物，其適用于復(fù)合材料。粘合劑涂覆的織物在至少一個(gè)向外的表面上涂覆有丙烯酸酯粘合劑。在US2007/0023975A1中記述了使用厭氧粘合劑制造纖維增強(qiáng)的模塑制品和纖維墊的方法。[0012]目的和解決方案
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供制造復(fù)合材料的改進(jìn)的方法，其減少了使用的纖維層的褶皺或移位的發(fā)生。本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種在滲透性材料中獲得壓力差的方法。
[0013]通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1要求保護(hù)的制造復(fù)合材料的方法解決了第一個(gè)目的。通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求17要求保護(hù)的在滲透性材料中獲得壓力差的方法解決了第二個(gè)目的。從屬權(quán)利要求定義了本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)。
[0014]本發(fā)明的制造復(fù)合材料的方法包括借助于具有可以與熱固性樹(shù)脂反應(yīng)的官能團(tuán)的粘合劑來(lái)固定至少一個(gè)纖維材料層的步驟。所述方法進(jìn)一步包括在用熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕所述粘合劑過(guò)程中至少部分地溶解所述粘合劑的步驟，其中所述熱固性樹(shù)脂包含充當(dāng)所述粘合劑的溶劑的組分。例如，在用熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕所述粘合劑過(guò)程中所述粘合劑可被完全溶解，其中所述熱固性樹(shù)脂包含充當(dāng)所述粘合劑的溶劑的組分。
[0015]所述復(fù)合材料可以例如為風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片。使用具有可以與熱固性樹(shù)脂反應(yīng)的官能團(tuán)的粘合劑具有以下優(yōu)點(diǎn)，即，使用的粘合劑隨后可以被結(jié)合到生成的層壓板中，而不負(fù)面地影響層壓板性能。
[0016]可以將所述至少一個(gè)纖維材料層固定到模具的表面或固定到其它層，例如，固定到其它的纖維材料其它層。如前面所述，在制造復(fù)合材料的過(guò)程中通過(guò)使用粘合劑來(lái)固定纖維材料的層，可以避免可能導(dǎo)致纖維的褶皺或移位的纖維的無(wú)意移動(dòng)。這提高了最終層壓板或復(fù)合材料的質(zhì)量和性能。此外，可以避免層壓板的昂貴的維修或廢棄。
[0017]優(yōu)選地，可以使用熱塑性或熱固性粘合劑。例如，可以使用包含不飽和基體樹(shù)脂的粘合劑。有利地，粘合劑可以包含具有不飽和鍵的低聚物的基體樹(shù)脂。例如，可以使用包含不飽和聚酯和/或乙烯基酯(例如，基于雙酚A的乙烯基酯)的粘合劑。
[0018]市售的粘合劑通常基于熱塑性或熱固性材料。通常將熱塑性粘合劑加熱至熔點(diǎn)以上并施加到待結(jié)合的材料，然后其被放在一起。然后可以通過(guò)凝固所述熱塑性塑料來(lái)獲得粘合。這是一個(gè)相對(duì)迅速的過(guò)程并可以用簡(jiǎn)單的設(shè)備進(jìn)行。然而，用在具有熱固性樹(shù)脂的增強(qiáng)的層壓板的制造中時(shí)，已知的熱塑性材料將僅在很小程度上與用來(lái)潤(rùn)濕層壓板或用來(lái)注入所述層壓板的樹(shù)脂相容，導(dǎo)致差的機(jī)械性能。用熱固性材料隨后潤(rùn)濕纖維也會(huì)受到可能充當(dāng)所述纖維上的涂層的熱塑性材料的負(fù)面影響。
[0019]熱固性粘合劑通常由兩種或更多種組分構(gòu)成，它們?cè)谑┘又安痪没旌?。隨著時(shí)間和，在一些情況下，升高的溫度，可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并且可能形成固體結(jié)構(gòu)。形成的結(jié)構(gòu)往往非常堅(jiān)硬，并且如果用作用于保持織物的粘合劑則可能形成會(huì)負(fù)面地影響整個(gè)層壓板性能的子結(jié)構(gòu)。這種粘合劑往往還需要更長(zhǎng)的工作時(shí)間。熱固性粘合劑往往是基于環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯的。
[0020]通常，可以通過(guò)使不飽和酸與乙二醇一起反應(yīng)以形成包含不飽和鍵的低聚物的基體樹(shù)脂來(lái)制備所述不飽和聚酯和乙烯基酯樹(shù)脂，如可以在本發(fā)明的方法的上下文中使用的。低聚物為短鏈聚合物。在期望的反應(yīng)已經(jīng)發(fā)生之后，為了獲得要求的熱固性樹(shù)脂性能，可以將仍然熱的基體樹(shù)脂在苯乙烯中稀釋。如果基體樹(shù)脂沒(méi)有被稀釋，其往往是具有類似熱塑性的性能的固體，例如其可以被熔融，但其仍然包含通過(guò)隨后的自由基固化反應(yīng)獲得熱固性所需的活性化學(xué)基團(tuán)或不飽和鍵。
[0021]由于所述基體樹(shù)脂根據(jù)溫度可以被熔融和再新凝固，其可以用作如前所述的熱塑性粘合劑。這可能是有利的，因?yàn)榕c基于熱固性樹(shù)脂的苯乙烯結(jié)合使用這樣一種粘合劑實(shí)現(xiàn)了所述粘合劑和所述熱固性樹(shù)脂之間的理想的相容性。
[0022]優(yōu)選地，在用包含苯乙烯的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕所述粘合劑過(guò)程中所述粘合劑可以被苯乙烯溶解。在用所述包含苯乙烯的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕過(guò)程中，粘合劑被苯乙烯溶解，并且，由于所述粘合劑中的活性基團(tuán)，在固化反應(yīng)過(guò)程中所述粘合劑被結(jié)合到熱固性層壓板中，而不危及層壓板的性能。
[0023]通常，所述粘合劑可被熔融和噴涂或以其它方式施加到纖維材料層。由此，在所述粘合劑再凝固之前，可以定位下一纖維材料層。或者，通過(guò)以熔融或固體形式預(yù)先施加，所述粘合劑可以以固體形式存在于基材上，并在鋪設(shè)隨后的增強(qiáng)層之前不久熔融。
[0024]通常，可以應(yīng)用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)來(lái)制造所述復(fù)合材料。優(yōu)選地，包含相同的或化學(xué)上相似的基體樹(shù)脂的粘合劑可用作用來(lái)制造所述復(fù)合材料的樹(shù)脂。這使得將所述粘合劑結(jié)合到生成的層壓板中，而不負(fù)面地影響層壓板性能。在用包含苯乙烯的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕粘合劑過(guò)程中，所述粘合劑可以被苯乙烯溶解。此外，在粘合劑和樹(shù)脂中可以使用相同的或相似的低聚物。通過(guò)在粘合劑和樹(shù)脂中使用相同的或相似的低聚物，確保了兩種材料之間的相容性。
[0025]本發(fā)明不限于VARTM，也可以包括其它復(fù)合材料制造方法。
[0026]化學(xué)上相似的基體樹(shù)脂具有相同的化學(xué)性能。這意味著它們可以形成均質(zhì)的混合物并能夠在固化反應(yīng)過(guò)程中一起反應(yīng)。
[0027]可以通過(guò)以較少的量添加不同的其它組分來(lái)調(diào)節(jié)基體樹(shù)脂的性能以滿足工藝和材料要求。這些添加劑可以包括，但不限于，反應(yīng)抑制劑、反應(yīng)催化劑、軟化劑和除了所述基體樹(shù)脂之外的其它聚合物組合物。例如，可以使用包含其中添加了至少一種其它組分的基體樹(shù)脂的粘合劑。有利地，可以使用包含其中添加了至少一種反應(yīng)抑制劑和/或至少一種反應(yīng)催化劑和/或至少一種軟化劑和/或除了基體樹(shù)脂之外的至少一種其它聚合物組合物的基體樹(shù)脂的粘合劑。
[0028]此外，可以借助于粘合劑降低纖維材料層的滲透性。這意味著先前記述的粘合劑的施加可用于限制包含若干纖維材料層的纖維組件的滲透性。通過(guò)比可以透過(guò)纖維層補(bǔ)充空氣更快地移除空氣，這可以進(jìn)一步用來(lái)在施加的粘合劑的區(qū)域的一側(cè)產(chǎn)生半真空。通常，可以用于降低纖維材料層的滲透性的粘合劑可以具有與前面記述的可用于固定所述纖維材料層的粘合劑相同的性質(zhì)。
[0029]本發(fā)明的在可滲透材料中獲得壓力差的方法包括以下步驟:借助于粘合劑部分密封可滲透材料，和由于該借助于粘合劑的部分密封，在所述可滲透材料的區(qū)域的一側(cè)比可透過(guò)滲透材料補(bǔ)充空氣更快地移除空氣。可滲透材料可以包括若干纖維材料層或纖維材料組件，因?yàn)槿缜八銎淇捎脕?lái)制造復(fù)合材料。此外，所述粘合劑可以具有與前面連同本發(fā)明的制造復(fù)合材料的方法所述的粘合劑相同的性能。
[0030]本發(fā)明的制造復(fù)合材料的方法使用粘合劑來(lái)將纖維的不同層固定在正確的位置。所述粘合劑可以為具有可以與熱固性樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)的熱塑性粘合劑。優(yōu)選地，為了最佳相容性，所述粘合劑可以由與熱固性樹(shù)脂相同的基體樹(shù)脂制成。另外，所述粘合劑也可以用來(lái)降低例如用于使用半真空操作的材料(例如纖維組件)的滲透性。
[0031]實(shí)施方案 本發(fā)明的上面定義的方面和進(jìn)一步的方面從下文記述的實(shí)施方案的實(shí)施例將變得顯而易見(jiàn)，并參考實(shí)施方案的實(shí)施例解釋。下文將參考實(shí)施方案的實(shí)施例更詳細(xì)地記述本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。
[0032]本發(fā)明的進(jìn)一步特征、性能和優(yōu)點(diǎn)將從以下記述的實(shí)施方案連同附圖變得清楚。所有特征有利地是分離的或彼此結(jié)合的。
[0033]圖1示意地顯示了用于制造復(fù)合材料的模具的剖視圖。
[0034]現(xiàn)在將參考圖1記述本發(fā)明的實(shí)施方案。
[0035]首先，將簡(jiǎn)要記述通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)制造風(fēng)力渦輪轉(zhuǎn)子葉片的方法。其包括以下步驟:
將若干層放在第一模具部件中。然后，將若干芯部部件和至少一個(gè)抗剪腹板放在所述第一模具部件中。然后，將若干纖維材料層放到所述芯部部件和抗剪腹板上。然后，可以將第二模具部件放到所述芯部部件和所述纖維材料上，使得第一模具殼和第二模殼相互連接形成封閉的腔。為了將樹(shù)脂注入該封閉的模腔內(nèi)，施加真空到所述封閉的模腔，樹(shù)脂被吸入所述模殼和所述芯部部件之間的空間中。在讓樹(shù)脂凝固之后可以移除所述模殼和芯部部件。
[0036]圖1示意地顯示了模具I的剖視圖。若干纖維織物或纖維材料層2彼此疊置地位于模具I的內(nèi)表面4上。在將不同的層2鋪設(shè)到彼此上的過(guò)程中，將層2彼此粘合來(lái)固定。為了使所述層彼此粘合，使用了粘合劑。
[0037]模具I包括兩個(gè)邊緣5和6。將粘合劑施加到層2的靠近邊緣5或6的區(qū)域。
[0038]所使用的粘合劑為具有可以與熱固性樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)的熱塑性粘合劑。所述粘合劑基于不飽和聚酯或乙烯基酯，例如，基于雙酚A的乙烯基酯。熔融所使用的粘合劑并在施加所述纖維層之后在粘合劑再凝固之前將其噴涂到纖維層2的表面上或噴涂到模具I的內(nèi)表面4上。該熔融的粘合劑的凝固將纖維層結(jié)合到所述表面。通過(guò)相對(duì)于熔融溫度來(lái)施加溫度，可以在某種程度上控制施工時(shí)間(open time)。粘合作用僅是暫時(shí)的，因?yàn)樵谧⑸錁?shù)脂的過(guò)程中所述粘合劑被部分或完全溶解，粘合作用被取消。
[0039]例如在真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑(VARTM)方法中，粘合劑被用熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕，其中所述熱固性樹(shù)脂包含充當(dāng)所述粘合劑的溶劑的組分。由此所述粘合劑被部分或全部溶解。所使用的基體樹(shù)脂可能在苯乙烯中不被稀釋并具有類似熱塑性的性能，其意味著，其可以被熔融，但其仍然包含通過(guò)隨后的自由基固化反應(yīng)獲得熱固性所需的活性化學(xué)基團(tuán)(不飽和鍵)。將熱塑性粘合劑與苯乙烯基熱固性樹(shù)脂結(jié)合。用包含苯乙烯的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕所述熱塑性粘合劑。在用包含苯乙烯的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕過(guò)程中，所述粘合劑被苯乙烯溶解，并且，由于粘合劑中的活性基團(tuán)，在固化反應(yīng)過(guò)程中其被結(jié)合到熱固性層壓板中，而不犧牲層壓板性能。通過(guò)在所述粘合劑中使用與所述樹(shù)脂中相同或相似的低聚物，確保了兩種材料之間的相容性。
[0040]可以應(yīng)用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑。借助于使用的粘合劑，降低了纖維組件2的滲透性。這可以用來(lái)通過(guò)比透過(guò)纖維組件2補(bǔ)充空氣更快地移除空氣在施加的粘合劑的區(qū)域的一側(cè)獲得半真空。
[0041]可以通過(guò)以較少的量添加不同的其它組分來(lái)調(diào)節(jié)基體樹(shù)脂的性能以滿足工藝和材料要求。這些添加劑可以包括，但不限于，反應(yīng)抑制劑、反應(yīng)催化劑、軟化劑和除了所述基體樹(shù)脂之外的其它聚合物組合物。
【權(quán)利要求】
1.制造復(fù)合材料的方法， 包括借助于具有可以與熱固性樹(shù)脂發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)的粘合劑來(lái)固定至少一個(gè)纖維材料層(2)的步驟， 其特征在于 在用包含充當(dāng)所述粘合劑的溶劑的組分的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕所述粘合劑的過(guò)程中，所述粘合劑被至少部分溶解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述方法， 其特征在于 所述復(fù)合材料為風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法， 其特征在于 將所述至少一個(gè)纖維材料層固定到模具(I)的表面或固定到其它層(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 使用熱塑性和/或熱固性粘合劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求 1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 使用包含不飽和基體樹(shù)脂的粘合劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法,其特征在于， 使用包含具有不飽和鍵的低聚物的基體樹(shù)脂的粘合劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 使用包含聚酯和/或乙烯基酯的粘合劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 在所述粘合劑再凝固之前，熔融和/或噴涂所述粘合劑至纖維材料層(2)并定位纖維材料層⑵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 應(yīng)用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑來(lái)制造所述復(fù)合材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法， 其特征在于 使用包含與用來(lái)制造所述復(fù)合材料的樹(shù)脂相同或化學(xué)上相似的基體樹(shù)脂的粘合劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 在用包含苯乙烯的熱固性樹(shù)脂潤(rùn)濕所述粘合劑過(guò)程中所述粘合劑被苯乙烯溶解。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 在所述粘合劑和所述樹(shù)脂中使用相同或相似的低聚物。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12 中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 使用包含基體樹(shù)脂的粘合劑，所述基體樹(shù)脂中添加了至少一種其它組分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于 使用包含基體樹(shù)脂的粘合劑，所述基體樹(shù)脂中添加了至少一種反應(yīng)抑制劑和/或反應(yīng)催化劑和/或軟化劑和/或除了所述基體樹(shù)脂之外的其它聚合物組合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 借助于所述粘合劑降低所述纖維材料層(2)的滲透性。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于 通過(guò)比透過(guò)所述纖維材料層(2)補(bǔ)充空氣更快地去除空氣，在所述施加的粘合劑的區(qū)域的一側(cè)產(chǎn)生半真空。
17.在可滲透材料(2)中獲得壓力差的方法， 包括步驟: 借助于粘合劑部分密封所述可滲透材料(2)，和 由于該借助于所述粘合劑的部分密封，在所述可滲透材料的區(qū)域的一側(cè)比透過(guò)所述可滲透材料補(bǔ)充空氣更快地去除空氣。
【文檔編號(hào)】B29C70/48GK103889690SQ201280052258
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月27日
【發(fā)明者】P.凱貝倫 申請(qǐng)人:西門子公司