縫合單向或多軸向增強材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及縫合單向或多軸向增強材料以及制備縫合單向或多軸向增強材料的方法。本發(fā)明的所述縫合單向增強材料(2，4)可用于需要高質量和強度的所有此類應用。本發(fā)明的所述縫合單向或多軸向增強材料包括橫向布置的薄型分立流道形成裝置(6)，以確保在橫向于單向粗紗方向的方向上良好的樹脂流動性。
【專利說明】縫合單向或多軸向增強材料及其制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及縫合單向或多軸向增強材料以及制備縫合單向或多軸向增強材料的方法。本發(fā)明的縫合單向或多軸向增強材料可用于通常需要增強材料的所有此類應用，尤其是使用真空灌注技術或樹脂傳遞模塑(RTM)技術以將樹脂分布在模具中的此類應用。本發(fā)明的縫合單向或多軸向增強材料尤其適用于制造風力機葉片、輪船以及通常需要縱向形式的所有此類結構。

【背景技術】
[0002]當使用各種纖維例如玻璃、碳和芳綸纖維以及亞麻、大麻、黃麻、洋麻、玄武巖和其他天然纖維等制造復合材料產品和層合產品，以用于制造例如輪船、汽車和風力機部件時，例如，該制造過程從制備合適的纖維增強材料如織造結構或針織結構開始，這些纖維增強材料可具有單向或多軸向取向。然后，將所述結構放置在用于制造中間產品或最終產品的模具中。模具自然地具有最終產品的形狀，這意味著形狀有時可能非常復雜，并且當將增強材料放入模具中時需要對增強材料進行大量適形調整。通常，將若干層(最多至數(shù)十層)增強材料彼此層疊地置于模具中，并且將與硬化劑或不飽和聚酯樹脂或乙烯基酯混合的熱固性樹脂(如環(huán)氧樹脂)引入模具中以形成纖維增強復合材料制品。樹脂也可以是熱塑性的，如PA(聚酰胺)或CBT(環(huán)聚對苯二甲酸丁二醇酯)等。實踐表明，當最終產品必須抵抗高機械負載時，可以通過縫合保持在一起的單向增強材料是其制造中優(yōu)先選擇。此類單向增強材料由通常稱為增強纖維的粗紗或絲束制成。
[0003]單向增強材料通常由一層或多層增強粗紗形成。多軸向增強材料由兩層或更多層增強粗紗形成，其中一個層中的粗紗為單向的，而相鄰層的粗紗成一定角度，通常為45、60或90度。增強材料的構造取決于目標面積重量和粗紗的特克斯數(shù)量。例如，如果需要高單位面積重量，則在其制造中使用厚粗紗(例如，具有無堿玻璃2400特克斯)，而如果需要具有低單位面積重量的增強材料，則使用薄粗紗(例如，采用無堿玻璃纖維，600特克斯)。
[0004]最終產品，即固化的層合結構可由多個此類單向或多軸向增強材料制成，制造方法為根據(jù)層合構造承受的負載將各增強材料層布置為使得在最終產品中每個層的粗紗是平行的或一些層以其他方向取向，或者首先制造若干層單向增強材料的織物，使得相鄰層的粗紗形成一定角度，然后將如此形成的織物用于最終產品的制備。根據(jù)其中不同纖維取向的數(shù)量，此類織物被稱為雙軸向、三軸向、四軸向等的織物。
[0005]因為紗只沿一個方向延伸，所以單向增強材料在性質上固有地不穩(wěn)定。為了能夠處理單向增強材料，必須用合適的方式將其粗紗彼此錨定或結合。原則上，現(xiàn)有技術已知兩種用于此目的的不同機械方法。
[0006]一種方法是通過縫合(例如經編)固定粗紗?？p合紗形成針織圈，即線跡，其將實際的增強粗紗保持在增強材料中的適當位置。根據(jù)已知的經編技術，線跡由刺穿一層或多層增強纖維的各種針織元件(例如針)形成。線跡可形成若干熟知的圖案，例如鏈或經向斜紋等?？p合紗通常為但不一定為厚度為約34分特至約167分特并包含幾十條長絲(通常例如24或48條長絲)的卷曲變形的或未卷曲變形的聚酯(聚對苯二甲酸乙二醇酯)長絲紗。
[0007]另一種機械方法是使用編織技術以將縱向經紗和輕質緯紗錨定在其相應的位置中。就緯紗而言，已使用無涂層的紗和帶熱熔涂層的紗兩者。加熱和冷卻之后，熱熔粘合劑已賦予增強材料相當大的穩(wěn)定性。然而，編織替代形式不再被視為是有利的，因為增強紗在與緯紗交叉時形成扭結，從而導致應力集中以及比針織形式更低的機械性能。已發(fā)現(xiàn)，熱熔粘合劑紗會在基體固化中產生局部干擾，從而在業(yè)界不再受青睞。通常，緯紗為復絲紗，無論它們是不是熱熔紗，在受壓時都會變平。
[0008]通過各種熱塑性粘合劑將單向粗紗粘合在一起的化學方法也已經被推向市場。然而，主要由于樹脂滲透性、處理剛度和潤濕距離方面的問題，沒有在更大的范圍考慮使用這些增強材料和方法。
[0009]縫合增強材料是熟知的，并且它們具有一些良好的特性。首先，它們的橫向穩(wěn)定性好，因為盡管縫合紗主要縱向延伸，但其形成為單向粗紗賦予增強材料所需的完整性的此類圖案(例如經向斜紋)。其次，所述增強材料易于定位在模具中(即，使增強材料沿循模具的輪廓)，因為如果適當選擇縫合參數(shù)，如線跡長度、針間距和紗張力(僅舉幾個為例)，則縫合增強材料通常非常柔軟。
[0010]然而，線跡的使用也會導致問題。當用樹脂灌注縫合增強材料疊堆(即，所謂的預成型件)時可以看到該問題。樹脂在纖維束中的分配慢得出奇，并且在兩個方向上不均勻，即，與增強纖維平行的方向和橫向于增強纖維的方向。上述發(fā)現(xiàn)是令人驚奇的，因為乍一看，縫合增強材料似乎包括三維流道。圍繞一束粗紗收緊的線跡打開穿過增強材料的流道。另外，在縫合紗與增強材料表面平行的方向上，粗紗被壓在一起，使得形成增強材料表面上的流道。并且還在粗紗方向上，線跡的繃緊形成增強材料表面上的縱向流道。原本預期的是，當將增強材料彼此重疊地置于模具中時，該增強材料疊堆將包括三維流道網(wǎng)絡，其將確?？焖贅渲鲃雍蜐B透以及該增強材料疊堆的快速潤濕。然而，如上所述，事實并非如此。主要原因是，在開始將樹脂進料到模具中之前，模具中的增強材料疊堆受到壓縮。壓縮使增強材料受力而彼此壓貼，使得當增強材料的線跡不是垂直地一個直接在另一個之上而是位置隨機時，增強材料的線跡之間的“自由”粗紗(意指未受線跡壓縮的粗紗)被壓在相鄰增強材料的線跡之上。因此，增強材料表面方向上的流道或多或少完全充滿“自由”粗紗，從而有效地防止樹脂在增強材料表面方向上的流動。對于縫合紗為Z方向的線跡部分而言，流道保留在疊堆中，也許稍小，但仍存在。然而，由于增強材料表面方向上的流道基本上關閉，所以Z方向上的流道保持充滿空氣，這是非常難以移除的。這容易導致最終產品中存在氣泡，從而自然降低最終產品的質量和強度性能。
[0011]由于良好的樹脂滲透性對于模塑工藝的實際執(zhí)行是至關重要的，因此通常通過在將樹脂進料到模具中時利用壓差來加速。通常的做法是應用真空灌注技術或樹脂傳遞模塑(RTM)技術，以遍及模具中的增強材料層來分布樹脂。然而，有時盡管采用各種措施，如真空和/或提高的進料壓力，但小氣腔往往仍留在增強材料中，從而顯著降低層合物的強度性能。形成氣腔的主要原因是增強材料中的粗紗緊靠彼此緊固定位，使得其樹脂滲透性在增強材料粗紗的橫向方向和縱向方向上以及Z方向上都受到限制。考慮到上文所述，應當研究改善增強材料疊堆中氣體的移除并提高增強材料的樹脂滲透性的新方法。
[0012]提高增強材料滲透性的一種方法是為增強材料提供樹脂流道，該流道允許樹脂在增強材料中快速流動。在現(xiàn)有技術中，有可能會發(fā)現(xiàn)在增強材料中或增強材料疊堆中的增強材料之間布置樹脂流道的許多方法。然而，據(jù)了解，此類流道的使用不是很有效，因為在灌注階段施加的真空往往會使粗紗從鄰近區(qū)域或增強材料偏移或拉出，并且甚至會偏移其位置而填充流道/腔體。
[0013]EP-A1-1491323公開了一種包括單向增強材料線和橫向加固線的增強材料結構。加固線以間隔方式分布在一層增強材料線上。加固線可以具有熱塑性材料，使得通過熔合或軟化將加固線緊固于增強材料線并賦予增強材料其所需的橫向穩(wěn)定性。為了確保足夠的注入樹脂的毛細作用引流，為縱向增強材料線的層提供縱向引流線，這些縱向引流線因此彼此平行并且平行于增強材料線。引流線以間隔方式布置在增強材料線的層中。引流線可由具有足夠毛細作用的纖維覆蓋的玻璃纖維形成，例如棉纖維或纖維素纖維，以便排出注入的樹脂。引流線的另一種選擇是在每條增強材料線上纏繞單絲。從而形成螺旋狀樹脂流道。因此，很顯然，增強材料中的流道是在增強材料的縱向方向上形成的。
[0014]實際上，這意味著要制造的產品越長，用樹脂浸潰最終產品就越復雜，并且至少耗時。實際上，考慮通過縱向浸潰來經濟地浸潰長度為50米或更長的風力機葉片的翼梁帽是不可能的。自然地，存在以例如2米的間隔在葉片的整個長度上布置樹脂注入物的可能性，但這是一種復雜且耗時的方法，因此非常昂貴。
[0015]EP-B1-1667838討論了在由多個基本上平行的、共軸對齊的絲束組形成的復合材料織物中形成流道，所述絲束組中的每一者均具有一個或多個絲束，其中所述絲束組的一部分包含兩個或更多個絲束。計劃通過將絲束組中絲束之間的間距布置成小于相鄰絲束組之間的間距來確保樹脂在織物內的流動。因此，相鄰絲束組之間的間距應形成所需的流道。此類流道應允許樹脂流經織物，尤其在絲束方向上，即產品的縱向方向上。
[0016]然而，隨著最終產品的長度的增加，必須理解的是，在某一點處，浸潰在縱向方向上達到其實際極限，即，所謂的潤濕距離，之后必須認真考慮其他方法。另外，實際實驗表明，流道在灌注階段施加真空時將被來自附近區(qū)域的粗紗填充，或者層合結構隨著增強粗紗中的局部扭結而變成波紋狀的，從而降低機械強度。
[0017]US-A-5, 484，642討論了可用于通過一般的注塑成型技術制備復合材料層合制品的紡織物增強材料。該增強的材料(即層合結構)通過以下方法制成:將具有紡織物增強材料的層疊堆布置在形狀對應于要制造的制品形狀的模具中，并且在模具閉合之后，將樹脂注入到模具中。紡織物增強材料可以是包括單向薄片的織造或非織造來源。增強層的橫向穩(wěn)定性通過編織、針織或縫合或者通過使用橫向粘合線或紗來實現(xiàn)。紡織物增強材料疊堆的至少一個層在其中具有可使樹脂管道(即流道)在至少一個方向上延伸以便于樹脂在注入期間流動的結構。管道可位于材料的縱向方向和/或橫向方向上。上述美國專利的背后的主要理念是通過使增強紗的一部分變得更能承受由于模具閉合和真空導致的壓縮來確保織物具有良好的樹脂流動性。這通常通過向增強紗的一部分添加捻度或通過在碳纖維絲束周圍纏繞聚酯復絲紗來實現(xiàn)。然而，這個概念的缺點是，在正常的增強紗中，放置了大量相對較大的紗，在層合負載條件下，其表現(xiàn)完全不同于增強材料中的其余紗。這主要是因為影響紗在負載下的彈性性能的通常非常高的捻度(260TPM)。另外，高捻度阻止或減慢了樹脂在這些紗內部的滲透。這導致非均勻層合結構，其中紗的一部分以不同方式承載負載。這最終會增加靜態(tài)尤其是動態(tài)負載條件下過早層合失效的風險。
[0018]值得指出的是，該美國專利文獻的實例5教導了形成橫向流道的方法，即在整個材料上布置由覆蓋有260捻回數(shù)每米的聚酯線的3K(3000條長絲)碳線形成的緯紗，從而在覆蓋的線周圍形成螺旋推進的流道。這可以得到良好的樹脂流動，但260ΤΡΜ是極其高的捻度，并且根據(jù)現(xiàn)有知識水平，對層合特性具有非常負面的影響。改善樹脂到增強材料疊堆中的浸潰的一種熟知的方法是在模具中，在疊堆的底部和頂部放置塑料稀松布或其他助流劑材料，通過該助流劑材料樹脂快速鋪展到增強材料的整個頂部和底部表面區(qū)域上。浸潰和固化之后，費力地從層合物中移除稀松布。使用稀松布的目的自然是將樹脂快速引入模具的整個區(qū)域，使得樹脂在增強材料疊堆中的Z方向浸潰能夠盡可能快地開始。然而，疊堆越厚，用樹脂浸透疊堆越慢。例如，在風力機葉片中，翼梁帽的橫截面幾乎為正方形，從而樹脂難以到達疊堆的中心。
[0019]還已知的是，有時在使用單向增強材料(尤其是織造形式)時，可以在橫向方向上添加一些輔助的或另外的紗，以提高橫向穩(wěn)定性或改善樹脂流動特性。通常紗上涂有熱熔材料或其他熱塑性材料并且紗具有玻璃纖維或聚酯(例如，加捻的玻璃長絲束-每束通常具有60或更多條長絲，每條長絲具有10-15 μ m的直徑)，并且在帶涂層形式中，特克斯數(shù)通常為100-200特克斯。紗的熱塑性涂層在編織之后是熔融的，由此其在結合紗和粗紗的空隙體積中流動，并因此將經粗紗和緯紗粘合在一起。熱塑性涂層通常由PA(聚酰胺)或EVA (乙烯-醋酸乙烯)類型的材料形成，這些材料的熔化溫度通過蠟狀物質或通過一些其他合適的方法降低。因此，熱塑性涂層通常與灌注樹脂基體發(fā)生沖突，因為緊鄰增強紗附近的粘合劑相對量局部非常高，導致層合物中具有局部弱化的區(qū)域。具有膠的玻璃或聚酯長絲橫向于粗紗保持在粗紗上并在灌注或相似過程之前賦予增強材料橫向處理穩(wěn)定性。樹脂不會到達實際纖維表面，因為纖維涂有熱塑性材料。
[0020]在單向增強材料中使用此類輔助的或另外的紗會增加不必要的重量并可能導致局部纖維扭曲，這本身是不期望的效應。此外，橫向增強纖維(即，例如以90、60或45度方向取向的纖維)在這些纖維(通常為玻璃纖維)在單向構造的軸向負載過程中斷裂時也會形成微裂紋，由這些微裂紋可產生更嚴重的將破壞最終產品穩(wěn)定性的疲勞裂紋。后一個問題的原因是玻璃纖維紗的斷裂伸長率顯著低于橫向方向上基體的斷裂伸長率這一事實。并且當復絲玻璃纖維紗或粗紗經受真空壓縮壓力時變形，失去其原來的圓形橫截面，使得它們的橫截面在壓力下為橢圓形或甚至扁平(如圖1b所示)。作為結果，復絲紗形式的各個長絲側向移動，實際上導致形成橢圓形或扁平橫截面。當涂層在加熱加壓階段熔化時，涂有熱塑性材料的紗的表現(xiàn)相似，導致交叉點處的扁平形式。
[0021]換句話講，現(xiàn)有技術建議，一方面，使用復絲在橫向于增強粗紗方向的方向上布置流道，另一方面，使用以橫向方向布置的復絲紗用于一些其他目的，例如用膠水粘合粗紗或用作線跡。
[0022]首先，現(xiàn)有技術加捻線或紗，即用于形成橫向流道的復絲具有約0.35-0.45mm的直徑(施加壓縮之前)。在進行的測試中，層合物通過如下方式形成:將兩個1200g/m2增強材料層的疊堆(在增強材料之間具有上述尺寸的橫向線)放置在模具中，使疊堆經受真空，用樹脂進行灌注，并允許層合物硬化。據(jù)了解，在灌注階段，當增強材料層被施加的真空壓縮時，復絲線的橫截面變?yōu)闄E圓形或扁平的。當將該增強材料的潤濕距離與沒有橫向布置的紗的增強材料的潤濕距離進行比較時，據(jù)了解，其根本沒有改變或改善或者改變實際上不顯著。原因將稍后更詳細地討論。
[0023]自然地，還可以認為，在橫向于增強材料粗紗的縱向方向的方向上延伸的縫合紗或相應的線可形成橫向樹脂流道。然而，應當了解，除了上文已討論的線跡的使用中所涉及的問題外，相同的扁平化趨勢也適用于線跡和縫合紗。
[0024]具有熱熔緯紗的增強材料約20年前就已投入市場，但它們沒有成功通過強度測試(既未通過靜態(tài)測試，亦未通過拉伸測試)。另外，此類增強材料的塑性成形性能較差。實際上，不可能將此類增強材料用于風力機葉片的翼梁帽層合物的制備，因為翼梁帽具有雙凹造形，而這種類型的增強材料不能彎曲至雙凹造形。
[0025]其次，已經考慮具有橫向玻璃纖維紗的增強材料，其中玻璃纖維紗具有熱塑性涂層。在此類增強材料中，帶涂層的紗的直徑為大約0.30-0.35_，而在加壓和涂層熔化或移除時芯紗的直徑或事實上Z方向厚度為大約0.04-0.06mm。這些帶熱塑性涂層的紗與無涂層的紗(例如縫合紗)相比的差別在于，在將這些紗粘合到實際增強材料的粗紗上時，即涂層熔化時，紗在接觸點改變其形狀(壓縮減小了紗的Z方向厚度)，從而形成局部流動限制。換句話講，在帶涂層的紗未被壓縮的點，其直徑保持在初始水平，但在壓縮點，直徑/厚度降至甚至低于芯紗的直徑，即，紗的芯因壓縮而變平。使用帶涂層的紗涉及的另一個問題是紗是剛性的并且相對較厚，由此使粗紗的方向急劇地局部偏離其直線方向，即，迫使粗紗彎曲并形成扭結，從而產生之前已有所討論并將在該段落稍后討論的問題。使用帶涂層的紗的另一個問題是涂層聚合物本身，因為其通常與樹脂不相容，因此會污染層合物并在增強材料中形成弱化點。現(xiàn)在層合物由增強材料層形成，其中每個層由帶涂層的橫向玻璃纖維紗粘合，以賦予穩(wěn)定性。據(jù)了解，增強材料疊堆的潤濕距離大多是合格的。但是，當因而具有橫向玻璃纖維紗(其直徑或厚度在約0.35mm和約0.04_之間變化)的層合物經受疲勞測試時，據(jù)了解，在開始拉伸-拉伸疲勞測試之后很快就觀察到層合物的微裂紋。當仔細檢查層合物，尤其是微裂紋時，據(jù)了解，在增強材料粗紗與帶涂層的橫向紗的接合處發(fā)現(xiàn)微裂紋。明顯懷疑形成微裂紋的原因是在粗紗中形成彎曲或扭結的線的局部直徑較大。另外，熱熔紗(即，也稱芯紗)在受熱時是可壓縮的，由此形成局部變平區(qū)域，這減小了流道的橫截面，因此在灌注階段阻礙樹脂流動。
[0026]作為進一步開發(fā)最佳單向增強材料的起點是其中與處理穩(wěn)定性相關的問題已得到解決的縫合增強材料。本發(fā)明的縫合增強材料的處理穩(wěn)定性是極佳的，因為將橫向拉伸的縫合紗/纖維布置在增強材料上以便賦予材料沿橫向方向的穩(wěn)定性，從而確保了增強材料的柔韌性。因此，本發(fā)明的縫合單向或多軸向增強材料(例如)不需要橫向雙組分線或粗紗來確保產品的橫向穩(wěn)定性，從而還消除了因粗纖維在粗紗中形成彎曲而導致在最終產品中形成弱化點以及在應力條件下產品出現(xiàn)微裂紋的風險。
[0027]然而，實踐表明，現(xiàn)在縫合增強材料具有若干問題區(qū)域，例如:
[0028]-縫合單向或多軸向增強材料至少在產品為長件物體時具有有限的樹脂滲透性，以及
[0029]-在單向粗紗的長絲之間的氣泡或干燥區(qū)域易于保持在縫合增強材料的疊堆中且無法移除，甚至在真空灌注中亦是如此，由此其可甚至進一步大大降低最終產品的強度。
[0030]
[0031]提供以下示例性解釋是為了便于理解討論本發(fā)明的說明書和權利要求書中頻繁使用的某些術語。提供這些解釋是為了方便并不旨在限制本發(fā)明。
[0032]面積重量-每單位面積的單層干燥增強材料織物的重量(質量)。
[0033]粘合劑-各種形式的聚合物材料,如粉末、膜或液體。粘合劑可由一種或若干種具有不同化學特征或物理特性(如剛度、熔點、聚合結構、玻璃化轉變溫度等)的單獨的粘合劑制成。粘合劑用于將纖維結構固定在一起，以形成纖維網(wǎng)并最終形成增強材料。合適的粘合劑為熱塑性環(huán)氧樹脂、共聚酯、雙酚不飽和聚酯或它們的混合物，僅舉幾個例子。
[0034]織物-由通常稱為線或紗的天然或人造纖維網(wǎng)構成的柔性織造材料?？椢锢缤ㄟ^編織、針織、鉤編、打結、針刺或將纖維按壓在一起(氈)而形成。
[0035]層合物-可通過使用合適的樹脂和硬化劑混合物浸潰一層或多層增強材料并通過化學反應或溫度下降使其硬化而構造的材料。層合物為纖維增強結構，由通過細纖維(例如玻璃、碳、芳綸等)增強的基體制成。該基體可以是環(huán)氧樹脂、熱固性塑料(最常見的為環(huán)氧樹脂、聚酯或乙烯基酯)或熱塑性材料。玻璃纖維增強材料的常見最終用途包括輪船、汽車部件、風力機葉片等。
[0036]基體-將增強材料粘合在一起以形成復合材料的材料。復合材料使用特別配制的聚合物，如熱固性環(huán)氧樹脂、乙烯基酯或不飽和聚酯樹脂以及酚醛樹脂或熱塑性樹脂(參見“聚合物”)，僅舉幾個例子。
[0037]單絲-由單條連續(xù)長絲構成的紗，其中長絲通常由合成材料制成，如聚酰胺(尼龍)、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯等。
[0038]復絲-由多條連續(xù)長絲構成的紗或線，其中長絲通常由合成材料制成，如聚酰胺(尼龍)、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚對苯二甲酸丁二酯醇等。特別地，與本發(fā)明有關的是，復絲是指一束長絲，它們可以為加捻的或未加捻的并且沒有彼此粘合，但除非大量加捻，否則在經受壓縮時可側向移動。
[0039]聚合物-通常包括(例如)均聚物、共聚物，例如嵌段、接枝、無規(guī)和交替共聚物、三元共聚物等以及它們的共混物和改性形式。另外，除非另有特別限制，否則術語“聚合物”包括材料的所有可能的幾何構型。這些構型包括例如全同立構、間同立構和無規(guī)對稱。
[0040]增強材料-由增強纖維構成的纖維網(wǎng)，其中通過合適的方式將纖維彼此錨定。通常被制造為連續(xù)纖維網(wǎng)。存在若干種制造單向或多軸向或無規(guī)取向的增強材料的方法，例如通過機織、針織、編織和縫合等紡織物加工技術或通過用合適的粘合劑粘合。
[0041]增強纖維-在復合材料的制造中與基體一起使用的纖維。該纖維通常為人造纖維，如玻璃(包括所有其變型形式)、碳(以及所有其變型形式)或芳綸，其可以用作連續(xù)長絲和非連續(xù)纖維。還已經使用了多種天然纖維，如劍麻、亞麻、黃麻、可可、洋麻、大麻或玄武巖，僅舉幾個例子。
[0042]樹脂傳遞模塑(RTM)-具有兩個模具表面的工藝，通常通過該工藝在低粘度和低或高壓力下將樹脂泵送到通常包含干燥增強材料預成型件的閉合模具模組中，即，將樹脂灌注到預成型件中并制備纖維增強的復合材料部件。
[0043]粗紗-長而窄的無捻連續(xù)纖維束或長絲束，尤其是玻璃纖維束。在本申請中與絲束同義，由此纖維的選擇不僅包括玻璃纖維，還包括碳、玄武巖和芳綸纖維，更通常為人造連續(xù)纖維。
[0044]粗紗組或絲束組-緊密間隔的一個或多個絲束或粗紗。
[0045]縫合紗-由24或48條單獨的長絲形成的紗，其中長絲由卷曲變形的聚酯(texturise polyester)制成。通常用于制造單向增強材料的縫合紗通常具有76或110分特的線性質量密度。單獨的長絲的直徑通常為5-10 μ m。
[0046]特克斯數(shù)-紗的線性質量密度的SI計量單位，并被定義為每1000米的質量(克)。特克斯更可能在加拿大和歐洲大陸使用，但在美國和英國，旦尼爾更常用。單位代碼為“tex”。與人造合成纖維有關的最常用的單位實際上為分特，縮寫為dtex，其為每10，000米的質量(克)。
[0047]紡織物-具有一層或多層(這些層由單向或多向的線形成)的各種類型的制品(包括片材、網(wǎng)、織物和墊)的一般定義。
[0048]熱塑性-暴露于熱時可熔合、軟化，而冷卻至室溫時通?；謴椭疗湮窜浕癄顟B(tài)的聚合物。熱塑性材料包括例如聚氯乙烯、一些聚酯、聚酰胺、多氟烴、聚烯烴、一些聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、己內酰胺、乙烯與至少一種乙烯基單體的共聚物(如，聚(乙烯-醋酸乙烯酯)、纖維素酯和丙烯酸類樹脂。
[0049]熱固性-不可逆固化的聚合物材料?？梢酝ㄟ^加熱(通常高于200攝氏度)、通過化學反應(例如，雙組分環(huán)氧樹脂)或輻照(例如電子束處理)進行固化。
[0050]線-一體長絲、紗的加捻束。
[0051]絲束-在復合材料行業(yè)中，絲束為連續(xù)長絲的無捻束，并且它是指人造纖維，尤其是碳纖維(也稱為石墨)。絲束用它們包含的纖維數(shù)量來命名，如12K絲束包含約12000條纖維。在本文中與粗紗同義。
[0052]橫向處理穩(wěn)定性-防止單向增強材料變形或被撕成碎片的力。當將增強材料定位在模具中的另一增強材料頂部并沿橫向于其縱向方向的方向移動增強材料時需要這種橫向處理穩(wěn)定性。
[0053]單向(UD)增強材料-其中所有粗紗或絲束均在相同的方向上(在這種具體情況下為縱向方向)延伸的增強材料，但UD-增強材料也可為橫向的，即以90°方向取向。這些粗紗在現(xiàn)有技術UD增強材料中通常通過縫合并且通常使用一些另外的輕質短切原絲層或連續(xù)復絲紗層將粗紗保持在一起，以防止它們被撕裂形成束；或者通過編織結合，其中緯紗賦予穩(wěn)定性。緯紗也可以是帶熱熔涂層的。將粗紗或絲束結合在一起的另一種方法是使用粘合劑，例如熱塑性或熱固性粘合劑。另外，在該情況下，可以使用上述另外的穩(wěn)定層。
[0054]真空灌注-使用單面模具使最終產品成形的工藝。下側為剛性模具，上側為柔性膜或真空袋。當向模具腔體施加真空/抽吸時，空氣從腔體中逸出，然后允許樹脂通過抽吸(或者通過在進料側用小超壓提供額外的幫助-輕型RTM所特有的特征)進行灌注，以完全潤濕增強材料并消除層合物結構中的所有氣隙。
[0055]潤濕距離-流動前沿的位置或者實際上測量的從樹脂進入增強材料疊堆的位置到當前位置的距離。
[0056]紗-長的連續(xù)長度、通常加捻的復絲，適用于紡織物的制備、縫紉、鉤編、針織、機織、縫合、刺繡和編繩。紗可由連續(xù)或非連續(xù)的天然纖維或合成纖維制成。
[0057]Z方向-垂直于層或層疊堆平面的方向，即厚度方向。


【發(fā)明內容】

[0058]本發(fā)明的一個目的是為上文所討論問題中的至少一個提供解決方案。
[0059]本發(fā)明的另一目的是開發(fā)在橫向于增強長絲取向的方向上具有極佳樹脂滲透性的新型單向或多軸向縫合增強材料。
[0060]本發(fā)明的另一目的是開發(fā)具有出色能力的新型單向或多軸向縫合增強材料，以允許空氣在真空處理/脫氣過程中從增強材料疊堆逸出并隨后在橫向于增強長絲取向的方向上用樹脂潤濕疊堆。
[0061]本發(fā)明的另一目的是加快單向或多軸向增強材料的制備。
[0062]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，通過使用橫向取向的薄型分立裝置形成與縫合單向或多軸向增強粗紗相連的流道，以便在橫向于單向或多軸向粗紗方向的方向上布置自由流動區(qū)域，該區(qū)域既可供空氣從增強材料逸出，也可供樹脂有效浸潰或潤濕產品，從而確保本發(fā)明的增強材料所需的樹脂滲透性以及所需的從該增強材料中移除空氣。
[0063]通過下述縫合單向或多軸向增強材料解決現(xiàn)有技術問題中的至少一個并且實現(xiàn)所述目的中的至少一個:該縫合單向或多軸向增強材料用于通過樹脂傳遞模塑工藝和真空灌注模塑工藝之一制造纖維增強復合材料，該縫合單向或多軸向增強材料包含至少一層布置在增強材料中的連續(xù)單向粗紗，該粗紗通過縫合彼此結合，并設置有在用樹脂潤濕增強材料疊堆時促進樹脂在橫向于單向粗紗方向的方向上流動的裝置，其中浸潰促進裝置為用于形成樹脂流道的薄型分立裝置，該薄型分立流道形成裝置橫向于單向或多軸向粗紗布置，薄型分立流道形成裝置至其側面形成從縫合單向或多軸向增強材料的一個邊緣延伸至其相對邊緣的流道。
[0064]使用制備用于纖維增強復合材料的縫合單向或多軸向增強材料的方法以類似的方式解決現(xiàn)有技術問題中的至少一個并實現(xiàn)所述目的中的至少一個，該方法包括以下步驟:
[0065]a)單向并排鋪設連續(xù)粗紗，以形成至少一個層，
[0066]b)至少在所述層的連續(xù)粗紗上在橫向于單向粗紗方向的方向上鋪設薄型分立流道形成裝置，
[0067]c)將薄型分立流道形成裝置和連續(xù)粗紗彼此縫合，以形成增強材料。
[0068]本發(fā)明的縫合單向或多軸向增強材料的其他特性特征及其制造方法公開于所附的專利權利要求書中。
[0069]使用本發(fā)明，可以實現(xiàn)以下優(yōu)點中的至少一些
[0070]-將縫合單向或多軸向增強材料的滲透性提高至促進良好的樹脂流動的水平；
[0071]-潤濕產品的同時，剩余的空氣從產品逸出，使得實際上，浸潰之后產品的UD-長絲之間未留下氣泡或干燥區(qū)域；
[0072]-樹脂沿橫向方向推進的距離大大增加，在進行的實驗中增加到至少2.5倍；
[0073]-浸潰所需的時間大大縮短，在進行的實驗中，縮短到使用現(xiàn)有技術增強材料所需時間的至少六分之一，
[0074]-針對縫合結構的現(xiàn)有技術厚流生成結構(thickflow generating structure)的缺點被最小化；
[0075]-與化學干擾相關的缺點被最小化；以及
[0076]-最終產品具有極佳的強度和疲勞性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0077]在下文中，結合附圖更詳細地討論了本發(fā)明的縫合單向或多軸向增強材料及其制備方法，其中:
[0078]圖1a和Ib示意性地示出了薄型分立流道形成裝置(在這種情況下為單絲)與復絲紗在壓縮下在兩個增強材料或兩層粗紗之間的行為的比較；
[0079]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的縫合單向或多軸向增強材料的制備工藝；
[0080]圖3a_3d示出了用結合在一起的一束單絲替代分立的單絲的各種選擇；以及
[0081]圖4考慮到樹脂在橫向方向上的流動距離對現(xiàn)有技術縫合增強材料與本發(fā)明的兩種縫合增強材料進行比較。

【具體實施方式】
[0082]在上文中，討論了有關結合增強材料的樹脂的橫向流道布置方式的四個不同事實。首先，由于熱塑性材料與基體材料不相容，所以不希望使用帶熱塑性涂層的紗。其次，如果線在模具中經受真空所致壓縮后具有0.35-0.4mm的Z方向厚度，則其太厚，由此最終產品在動態(tài)負載下產生微裂紋的風險高。第三，沒有涂層的復絲線在壓縮下變平或變?yōu)闄E圓形，從而破壞樹脂流動性。第四，實際上，長件增強物體(例如風力機葉片的翼梁帽)的制造在沒有有效方法將樹脂布置成在直角方向上(即橫向于單向增強材料粗紗的方向上)在增強材料疊堆(即所謂的預成型件)中流動和浸潰的情況下是不可能進行的。由于上述事實，測試使用橫向薄型分立裝置來形成直徑小得多的樹脂的流道，并將最終的層合物與使用橫向復絲形成的現(xiàn)有技術層合物進行比較，橫向復絲的主要任務是賦予增強材料橫向穩(wěn)定性。這里必須了解的是，短語“用于形成流道的薄型分立裝置”或“薄型分立流道形成裝置”包括但不限于單絲，如圖3a-3d中所更詳細地討論。還可以考慮復絲以在縫合增強材料層之間形成樹脂流道。經過包括潤濕距離和疲勞測試兩者的比較在內的廣泛測試后，了解到橫向布置的薄型分立流道形成裝置的直徑的最佳范圍在10ym和200μπι之間，優(yōu)選地在130μπι和170μπι之間。然而，在使用輕的增強材料的情況下，可以使用稍小的直徑，即低至70 μ m,而在使用特別重的增強材料的類似方式中，可以使用最大至300 μ m的直徑。就與直徑有關的上述討論以及本說明書中稍后進行的有關直徑的各種討論而言，必須了解的是，如果單絲或薄型流道形成裝置一定程度地可壓縮，那么直徑應被視為是指單絲或薄型流道形成裝置的Z方向尺寸。測試顯示，樹脂非?？焖俚亓魅肭惑w內并將所有殘留的空氣從其在真空處理階段和開始灌注之前被截留的地方擠走。當將具有薄型分立流道形成裝置(具有170 μ m的Z方向厚度)的增強材料層疊堆的潤濕距離與沒有橫向流道的現(xiàn)有技術層合物的潤濕距離進行比較時，觀察到本發(fā)明疊堆的潤濕距離為至少6倍。另外，當允許如此形成的層合物硬化時，測試其疲勞性能并與沒有橫向流道的現(xiàn)有技術層合物的疲勞性能進行比較，觀察到本發(fā)明的層合物的疲勞性能實際上與現(xiàn)有技術層合物相當。在一些層合物中，甚至比現(xiàn)有技術層合物的疲勞性能更佳?？赡芴岣咂谛阅艿奈ㄒ辉蚴窃谡婵展嘧㈦A段更好地從增強材料疊堆(即所謂預成型件)中移除了空氣。因此，潤濕距離增加到至少6倍，而根本不必犧牲層合物的強度性能。
[0083]下一個實驗是測試線(即復絲)是否可用于形成流道。由于在早期的實驗中了解至|J，布置Z方向厚度或直徑為170 μ m的薄型分立流道形成裝置(即，單絲)不會降低最終層合物的疲勞性能，所以實驗首先旨在找到需要哪種類型的復絲紗來確保在壓縮下其Z方向尺寸與早期實驗中的薄型分立流道形成裝置的Z方向尺寸大致相同。換句話講，在增強材料層之間放置此類復絲不會在壓縮時迫使粗紗相隔太遠，不會遠于早期實驗的薄型分立流道形成裝置。因此，明顯的是，層合物的強度和疲勞性能不會由于線的厚度而降低。
[0084]緊接著，據(jù)了解，增強材料疊堆(即所謂的預成型件)的潤濕距離基本上保持在現(xiàn)有技術層合物的低水平，即包含除了線跡根本沒有橫向線或紗的增強材料疊堆的層合物。
[0085]圖1a和圖1b示意性地示出了本發(fā)明的薄型分立流道形成裝置(在這種情況下為單絲)與復絲紗在真空灌注工藝壓縮下在兩個增強材料或兩層粗紗之間的行為的橫截面比較。圖1a示出了兩個重疊的增強材料2和4的橫截面，它們各自由通過橫向縫合方式(不可見的)縫合在一起形成層的粗紗束制成，兩者間具有與單向粗紗成直角布置的單絲6。圖1b示出了相同的增強材料2和4，它們由通過橫向縫合方式縫合在一起形成層的粗紗束制成，兩者間具有與粗紗成直角布置的復絲紗8。圖1a顯示，單絲仍推動或保持增強材料2和4的粗紗隔開，使得在增強材料2和4之間至單絲6側面形成打開的流道10。圖1b顯示，增強材料2和4的粗紗以與圖1a相同的方式被推開，S卩，具有橫向單絲或復絲的兩種增強材料的厚度是相同的。然而，可以看到，推動或保持粗紗隔開所需的復絲紗8具有完全不同的尺寸和橫截面積。復絲紗8在壓縮下已變?yōu)闄E圓形或變平，使得實際上在復絲紗8側面不存在真實的流道12。
[0086]原因是復絲紗由幾十或幾百條單獨的長絲制成，每條長絲具有5-10 μ m的直徑。當復絲紗在模具中經受壓縮壓力時，即，在真空灌注階段，復絲紗的長絲被迫側向移動，使得復絲紗的Z方向尺寸為復絲的表面初始直徑的一部分，即使其在加捻時亦是如此。捻度通常非常低，大約20-40捻回數(shù)每米，因為重要的是，樹脂也能夠在加捻紗的長絲之間滲透，以避免干斑。根據(jù)所進行的測試，了解到復絲(即，在0.5巴的加壓(與0.95巴的灌注加壓相比較小)下厚度為130μπι的聚酯紗)具有1120分特的分特數(shù)，而具有130μπι類似直徑的單絲在壓縮和無壓縮的情況下具有低得多的分特數(shù)167。與單絲的分特數(shù)相比，玻璃纖維紗在相同的條件下可以具有約18倍的分特數(shù)。這意味著，考慮到樹脂流動，側向移動的每條單絲使復絲側面處腔體的橫截面減小，使得通道橫截面最終實際上微不足道。這阻止樹脂流經這些空隙或通道。
[0087]具有大約150ΤΡΜ(ΤΡΜ =捻回數(shù)每米)或更大的高捻度的紗可以有效地抵抗真空壓縮效應。然而，它們在復合材料最終用途中是不受青睞的，因為其緩慢和不完全的樹脂滲透性并且由于其纖維為線圈形式，所以與相鄰的無捻粗紗相比，在拉伸負載下具有不利的彈性響應。此外，加捻紗的性質為剛性的，從而在增強單向粗紗中形成扭結。當使用加捻紗時，它們的捻度通常相對較低，即大約20-40TPM，因為重要的是，樹脂能夠在加捻紗的長絲之間滲透。
[0088]同樣的現(xiàn)象也適用于在粗紗束周圍收緊的線跡，由此紗原來的圓形橫截面形狀變?yōu)闄E圓形或甚至扁平的“帶狀”，使得帶的厚度為大約5-40 μ m。
[0089]圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的縫合單向或多軸向增強材料的制備工藝。縫合單向或多軸向增強材料的制造如下進行。首先將單向粗紗從包裝22中拉出然后根據(jù)目標面積重量將其并排布置或以彼此受控的距離布置而形成單向粗紗(優(yōu)選地為但不一定為玻璃纖維或碳纖維絲束或芳綸纖維以及亞麻、大麻、黃麻、劍麻、可可、洋麻、玄武巖或其他天然纖維)的均勻層20。從現(xiàn)在開始，單詞“粗紗”用于指單向增強材料的制造中使用的所有此類絲束、粗紗、纖維等。因此粗紗并排布置成一層或多層粗紗。
[0090]然后將層20引導至設備24，橫向于層的行進方向在層上引入或鋪設薄型分立流道形成裝置。本發(fā)明的薄型分立流道形成裝置具有70-300 μ m,優(yōu)選地100-200 μ m,更優(yōu)選地130-170 μ m之間的直徑。在這一階段，必須了解的是，流道形成裝置必須被選擇為使得即使流道形成裝置一定程度地可壓縮，流道形成裝置在灌注階段中被壓縮時的Z方向尺寸為大約70-300 μ m,優(yōu)選地100-200 μ m,更優(yōu)選地在130-170 μ m之間。如果灌注樹脂-固化劑混合物的粘度在室溫下為200-350mPas的水平，那么該直徑或Z方向厚度是理想的。如果粘度與該粘度明顯不同，則可能有必要調整流道形成裝置之間的距離或其直徑/Z方向厚度。此處必須廣義地理解單詞“橫向的”，因為薄型分立流道形成裝置的方向與相對于單向纖維網(wǎng)的粗紗成直角的方向之間的角度可在±45度之間，即-45度至+45度，即薄型分立流道形成裝置的方向偏離層的單向粗紗方向至少±45度。可以在‘24’處使用熟知的多軸向制造機器的紗走車系統(tǒng)將薄型分立流道形成裝置布置在層20上，即，使用在層上橫向來回行進的工具依次將一定數(shù)量的薄型分立流道形成裝置鋪設到層上。例如，可以用具有薄型分立流道形成裝置進料布置方式的伺服線性移動機械手為鋪設提供便利。
[0091]鋪設薄型分立流道形成裝置的另一種可能的方法是在‘24’處在與層大致成直角的平面中將轉輪布置在層周圍，由此轉輪將薄型分立流道形成裝置纏繞在層周圍。通過使用轉輪，將薄型分立流道形成裝置同時布置在層的頂部表面和底部表面上。當使用將薄型分立流道形成裝置纏繞在層周圍的此類應用時，必須確保薄型分立流道形成裝置不會使粗紗在層的側面彎曲從而使其變窄。因此，必須適當?shù)卣{整薄型分立流道形成裝置的緊密度，并且優(yōu)選地必須在薄型分立流道形成裝置應用和縫合之間布置用于防止彎曲的裝置。該裝置可以是(例如)導軌，該導軌沿著層20的邊緣從將薄型分立流道形成裝置纏繞在層周圍并位于導軌外的設備延伸直至下一個工藝步驟(即縫合26)。
[0092]本發(fā)明的有利特征是將薄型分立流道形成裝置以筆直平行形式鋪設在層上，即薄型分立流道形成裝置直線地和均勻地從層的一個邊緣延伸至其相對邊緣，換句話講，例如，薄型分立流道形成裝置不會形成通常存在于針織圖案中的圈。薄型分立流道形成裝置在整個單向增強粗紗上基本上筆直的(即直線和平的)形式確保樹脂在增強材料邊緣之間的流動時間最短，因為兩點之間直線最短。不論薄型分立流道形成裝置的實際位置如何，它們都以規(guī)則間隔布置，即在增強材料兩側彼此之間的橫向距離或間距約2-50mm，優(yōu)選地5-25mm，更優(yōu)選地約10-20mm。必須根據(jù)樹脂粘度和層的克重優(yōu)化精確距離。由于后面的縫合操作，薄型分立流道形成裝置可以局部側向偏移，導致兩個薄型分立流道形成裝置可并排平放的局部區(qū)域。
[0093]然而，必須了解的是，上述討論是指最簡單的增強材料制造方法。基本上，可將該相同的方法應用于自身具有若干單向層的增強材料的制造。如果要制造具有若干層的多軸向增強材料，則將與所述另外的層的數(shù)量一樣多的用于形成新層的另外的裝置和用于將薄型分立流道形成裝置鋪設在新層上的裝置接連布置，所述新層的至少一層具有新的粗紗取向。
[0094]在這種情況下，可將薄型分立流道形成裝置放置在增強材料的頂部表面和/或底部表面上或者其層之間。還可以制造多軸向增強材料，包括具有橫向于實際增強材料纖維延伸的薄型分立流道形成裝置的單向、雙軸向、三軸向和四軸向增強材料。形成所需數(shù)量的層之后，將該組層送至下一個加工階段，即通過縫合結合。
[0095]在結合步驟26中，將該組層(即多軸向纖維網(wǎng))與薄型分立流道形成裝置彼此縫合，以形成具有彼此附連的單向或多軸向增強材料粗紗和橫向薄型分立流道形成裝置的一體的增強材料28。然后在30處將增強材料28卷起，以便交付至顧客。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，將薄型分立流道形成裝置布置在縫合單向或多軸向增強材料中的任何兩個粗紗層之間，即不僅在增強材料的至少頂部表面和/或底部表面上，也在粗紗層之間。換句話講，如果增強材料包括四層粗紗，那么可將薄型分立流道形成裝置定位在每層粗紗之間或第二層與第三層之間，即增強材料的中央。實際上，這意味著鋪設單向粗紗以形成纖維網(wǎng)和鋪設薄型分立流道形成裝置必須按以下順序進行:首先鋪設一層或多層單向粗紗，然后鋪設一組薄型分立流道形成裝置，然后鋪設下一層或多層單向粗紗等。只有在對增強材料和薄型分立流道形成裝置進行所需分層之后，才能通過縫合將各層和薄型分立流道形成裝置結合在一起。
[0096]根據(jù)可適用于上述兩個實施例的本發(fā)明的優(yōu)選的另外的實施例，薄型分立流道形成裝置的縫合和定位，更具體地講，相鄰或鄰近的薄型分立流道形成裝置之間的線跡的長度和距離或間距應被布置為使得至多一個薄型分立流道形成裝置留在線跡內。理論上，這意味著線跡的長度小于鄰近薄型分立流道形成裝置之間的間隙。然而，因為鋪設薄型分立流道形成裝置不一定形成精確直線延伸的薄型分立流道形成裝置，所以線跡長度應明顯小于鄰近薄型分立流道形成裝置之間的間隙。這種預防措施的原因是，如果兩個或更多個薄型分立流道形成裝置位于線跡內，那么縫合紗會將薄型分立流道形成裝置拉到一起(即，并排)，由此與下一個相鄰的薄型分立流道形成裝置的真實間隙對于樹脂的適當灌注而言過長。
[0097]如圖1a示意性所示，在增強材料層2和4之間使用的用于提高增強材料疊堆在橫向方向的樹脂滲透性并移除增強材料層疊堆之間的空氣的薄型分立流道形成裝置6在其兩側以及增強單向粗紗之間形成小流道10。
[0098]本發(fā)明的增強材料疊堆在灌注階段起作用，使得灌注的樹脂將流經橫向于增強粗紗的流道10，然后滲透在各增強材料粗紗或長絲之間，并確?？焖贅渲鲃雍土己玫慕ⅰＴ诠嘧⑦^程中，推進樹脂可將剩余的氣泡沿著增強材料結構內部的室或腔體推至流道并最終推到產品外面。樹脂的推進和空氣的移除均可另外通過以下方式來促進:在使用剛性上部模具的情況下如在RTM或輕型RTM (但很少使用)中在流道的第一端部對樹脂的進料加壓，和/或對流道的相對端部布置真空。
[0099]在增強材料層2和4之間使用的用于提高增強材料疊堆在橫向方向的樹脂滲透性并移除增強材料層疊堆之間的空氣的薄型分立流道形成裝置6在其兩側以及增強單向粗紗之間形成小流道10，如圖1a示意性所示。薄型分立流道形成裝置優(yōu)選地由可具有例如圓形、正方形或橢圓形橫截面或X-橫截面或中空橫截面的聚酰胺(PA)、共聚酰胺或共聚酯(co-PET)單絲形成。薄型分立流道形成裝置也可以是雙組分或多組分裝置。換句話講，由于薄型分立流道形成裝置由合適的聚合物材料通過例如擠出制成，因此薄型分立流道形成裝置的橫截面可實際上被自由選擇以便優(yōu)化樹脂流動性?？紤]到本發(fā)明，有利的是使用形成最大幾何形狀橫截面的此類薄型分立流道形成裝置橫截面或使具有給定體積的兩個重疊層中的增強粗紗之間的距離最大，同時保持非增強材料(單絲聚合物)的量最小。
[0100]用于形成樹脂流道的裝置通常為直徑或Z方向厚度為大約70-300 μ m，優(yōu)選地100-200 μ m，更優(yōu)選地在130-170μπι之間的單條長絲。然而，本發(fā)明的流道形成裝置具有若干其他選擇。流道形成裝置可由一束單絲形成，即，例如3條長絲，也可以是5條或更多條長絲(參見圖3a-3d)，它們被布置為彼此相連，使得在將它們疊放時，增強材料之間留有具有Z方向尺寸的所需間隙。
[0101]一種選擇是使用一束幾條單絲，它們可松散地加捻在一起，使得該束在壓縮下變平。在這種情況下，壓縮后最后該束的厚度對應于每條單絲的直徑，由此每條單絲的直徑優(yōu)選地為大約70-300 μ m，優(yōu)選地100-200 μ m，更優(yōu)選地在130-170 μ m之間。
[0102]另一種選擇是布置多條彼此相連的單絲，使得該束的橫截面在壓縮下保持基本上相同。實際上，根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，這意味著單絲必須彼此緊固，如圖3a_3d所示，由此形成更緊湊的流道形成裝置并且單絲束的縱橫比(寬高比)容易低于2.0。該束單絲可以在其施加階段進行熱處理或噴涂液體粘合劑，使得單絲彼此附連，如圖3a所示，并因此不會在壓縮下移動。也可以將單絲束嵌入合適的涂層材料中，如圖3b所示，或者束中的單絲可以是涂有特定粘合劑的雙組分單絲，如圖3c所示。在所有上述情況下，如果用于粘合單絲的粘合劑與未來層合物的樹脂基體相容，則是有利的。粘合劑材料的另一個必要條件是所得的粘合的流道形成裝置盡可能柔性，以防止在層合物中形成扭結。另外，可使單絲彼此熔合，如圖3d所示。當使用此類粘合的薄型分立流道形成裝置時，形成裝置的直徑或實際上Z方向尺寸為大約70-300 μ m，優(yōu)選地100-200 μ m，更優(yōu)選地在130-170 μ m之間。該形成裝置的實際Z方向尺寸取決于實際增強纖維的滲透性和纖維的直徑。
[0103]因此，為了確保由各個薄型分立流道形成裝置形成的流道相對于薄型分立流道形成裝置帶到增強材料上的異物量盡可能高效，單絲束應盡可能緊湊，這意味著當薄型分立流道形成裝置經受潤濕或浸潰階段中的真空，即壓縮時，其縱橫比(寬/高比)應等于或小于2.0，優(yōu)選地小于1.5，最優(yōu)選地盡可能接近1.0?？v橫比2意味著例如兩條單絲并排布置。
[0104]不論橫向薄型分立流道形成裝置的直徑或具體橫截面或其他結構如何，明顯的是，根據(jù)本發(fā)明，薄型分立流道形成裝置不會賦予增強材料任何特定的橫向穩(wěn)定性，只有通過使用經編技術的線跡或常規(guī)的復絲紗或纖維網(wǎng)形式的無規(guī)取向的紗才能確保穩(wěn)定性。
[0105]對于薄型分立流道形成裝置的形狀和尺寸及其在增強材料層上的定位，即其彼此之間的橫向距離，考慮到用樹脂對增強材料疊堆進行適當浸潰和潤濕，所有這些特征(除了別的以外)都必須加以仔細考慮。至薄型分立流道形成裝置側面形成的樹脂流道不應過于開放，使得樹脂有時間浸潰到粗紗中而不會從增強材料疊堆的引入樹脂的一側直接流向增強材料疊堆的相對側。自然地，相鄰薄型分立流道形成裝置之間的距離越短，薄型分立流道形成裝置側面的橫向流道可以越開放，即，橫截面越大，反之亦然。要考慮的另一件事是增強材料層的厚度或克重。增強材料層越厚，則用樹脂適當潤濕該層所花費的時間越長。通過本發(fā)明，可以調整增強材料的滲透性，以確保各增強纖維被充分浸潰而不會在纖維之間留下干燥區(qū)域或空隙。然而，不論薄型分立橫向流道形成裝置的直徑或具體橫截面或其他結構如何，薄型分立流道形成裝置都不會賦予增強材料任何實質性的橫向穩(wěn)定性，但就單向或多軸向增強材料而言，只能通過使用線跡來確保穩(wěn)定性。
[0106]根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，用于薄型分立流道形成裝置的聚合物材料的理想特性是材料不會阻滯形成基體的樹脂的固化，或者說對形成基體的樹脂的化學特性、熱特性或機械性能沒有負面影響。在進行的實驗中，使用了聚酰胺(PA)、共聚酰胺或co-PET的薄型分立流道形成裝置。然而，也可以使用以所需方式起作用的其他材料。
[0107]用于薄型分立流道形成裝置的聚合物材料的另一個優(yōu)選的可選特性是該材料至少部分地可溶于樹脂。然而，該溶解性應該很弱或很慢，使得增強材料有時間在薄型分立流道形成裝置“消失”或“塌陷”之前被樹脂浸潰。然而，至少部分地可溶的薄型分立流道形成裝置的優(yōu)點是由薄型分立流道形成裝置形成的通道會不見/消失，并且產品變得甚至比使用不可溶的極薄分立流道形成裝置時更均勻。作為上述變型形式的一個例子，可以提及包括單絲或一束單絲的雙組分薄型分立流道形成裝置結構，其具有特性不同的聚合物材料外層，所述外層可溶于基體材料。外層的溶解性優(yōu)選地被選擇為使得其在樹脂已浸潰增強材料疊堆之后溶于樹脂。該薄型分立流道形成裝置結構的優(yōu)點是薄型分立流道形成裝置芯部分自身可具有70 μ m的直徑，而外層厚度為50 μ m。因此，雙組分薄型分立流道形成裝置的直徑在浸潰時為170 μ m,在外層溶解后只有70 μ m,從而使最終產品中的粗紗變得彼此更靠近。這甚至進一步最大限度地將層合物在薄型分立流道形成裝置與粗紗之間的接合處過早失效的風險降至幾乎為零。
[0108]現(xiàn)有技術已經提出，當帶有熱熔涂層的橫向玻璃纖維紗(例如)用于將單向增強材料粗紗彼此粘合時，玻璃纖維紗的橫向長絲在層合物的橫向負載下可能斷裂并因此形成小的微裂紋。微裂紋可對層合物的靜態(tài)和動態(tài)特性具有不利影響，因為它們可充當更大裂紋的引發(fā)因素，從而導致層合物結構中的可見損壞，并最終升級至整個部件損壞。自然地，同樣的風險也適用于薄型分立流道形成裝置。
[0109]因此，薄型分立流道形成裝置的斷裂伸長率應至少與基體的斷裂伸長率相同。例如，環(huán)氧樹脂基體的斷裂伸長率為約6%，由此薄型分立流道形成裝置的斷裂伸長率應大于6 %，優(yōu)選地為約10%，更優(yōu)選地為約20 %。精確值主要取決于使用的樹脂類型。定義和比較基體和薄型分立流道形成裝置的材料性能的另一種方法是評估其彈性模量。換句話講，為了在所有應用中均正常且可靠地發(fā)揮作用，薄型分立流道形成裝置的彈性模量應較低，優(yōu)選地明顯低于基體材料的彈性模量。由于基體材料(如環(huán)氧樹脂、聚酯或乙烯基酯)的彈性模量為約3GPa，所以薄型分立流道形成裝置的彈性模量應優(yōu)選地為大約2GPa或更小。
[0110]必須要了解的另一件事情是上文所述的使用橫向薄型分立流道形成裝置形成用于浸潰模具中的增強材料疊堆的均勻橫向樹脂流道不僅可以適用于縫合單向或多軸向增強材料，而且適用于所有類型的增強材料，包括但不限于多軸向或織造增強材料等。例如，在織造增強材料中，薄型分立流道形成裝置可用作緯紗，由此當它們在增強材料的頂部表面與底部表面之間行進時，不僅用作橫向于單向增強材料粗紗的方向上的流道，而且用作Z方向上的流道。在這種情況下，薄型分立流道形成裝置優(yōu)選地但不一定被布置為最多至約5條長絲的束，因為緯紗應賦予增強材料其處理穩(wěn)定性。編織中的多軸向機器或緯紗插入系統(tǒng)中使用的常規(guī)的或修改的走車也可用來施用薄型分立流道形成裝置。
[0111]縫合單向或多軸向增強材料在風力機葉片的翼梁帽層合物制造中的上述應用只是此類增強材料所應用于的無數(shù)應用中的一個。本發(fā)明的增強材料最適用于需要具有高機械性能，尤其是疲勞性能以及靜態(tài)特性的縫合單向或多軸向取向的增強材料的情況。然而，應當理解，本發(fā)明的縫合單向或多軸向增強材料可用于使用纖維增強基體的任何應用。
[0112]圖4為示圖，比較了現(xiàn)有技術增強材料的樹脂流動性與本發(fā)明的單向或多軸向增強材料的樹脂流動性，本發(fā)明的單向或多軸向增強材料具有兩種不同設置的薄型分立流道形成裝置。進行實驗以制備三種不同的增強材料。在所有增強材料的制備中，使用相同的單向粗紗、相同的縫合紗和相同種類和類型的線跡。唯一的差別是用通常用于多軸向機器的緯紗走車布置橫向纖維，然后縫合。在參照的現(xiàn)有技術增強材料的制備中，復絲紗(68特克斯，400條長絲，每條具有16 μ m的直徑)以1mm的間距布置并與單向粗紗的方向成+45和-45度角。在根據(jù)本發(fā)明的第一增強材料中，將直徑為170μπι的(CoPET-聚對苯二甲酸乙二醇酯共聚物)單絲形式的薄型分立流道形成裝置布置為與單向粗紗成直角，薄型分立流道形成裝置，即單絲以1mm間距放置。在根據(jù)本發(fā)明的第二增強材料中，將與本發(fā)明的第一增強材料相同的單絲布置為與單向粗紗成直角，單絲以3mm間距放置。
[0113]為了進行實驗，從每種增強材料上切下兩個尺寸相等的增強材料片。在每個實驗中，將兩個類似的片放入下面包括玻璃片的測試模具中，使得塑料膜覆蓋增強材料。通過常用的密封塊(sealing mass)對包裝進行氣密密封。然后使模具經受10分鐘的-0.95巴的真空，以移除空氣，然后在23°C的室溫下將具有300mPas粘度的環(huán)氧樹脂橫向于增強粗紗引入模具中。通過記錄為時間的函數(shù)的樹脂推進的潤濕距離來繪制圖表。
[0114]圖4示出了為時間的函數(shù)的樹脂流經的潤濕距離。最下面的曲線示出了現(xiàn)有技術增強材料中的樹脂流動速度。樹脂推進8cm花費25分鐘。流動前沿位置通常遵循熟知的達西定律，其中位置與時間的平方根成反比。因此存在可能無限接近但永遠不會達到的某個最大值。如果其他參數(shù)(如粘度和溫度)保持恒定，則滲透性差異決定流動前沿的實際距離，即潤濕距離。因為最下面的(現(xiàn)有技術)曲線在25分鐘處幾乎是水平的，所以預期，即使大量增加浸潰時間也不會使浸潰距離增加很多。中間的曲線示出了其中橫向薄型分立流道形成裝置彼此間隔1mm的增強材料中的樹脂流動速度。要推進8cm，樹脂需要4分鐘5秒。換句話講，樹脂流動速度與參照增強材料相比為大約6倍，并且在25分鐘內達到20cm的浸潰/潤濕距離。通過增加潤濕時間，潤濕距離仍然會增加幾厘米。最上面的曲線示出了其中橫向薄型分立流道形成裝置彼此間隔3_的增強材料中的樹脂流動速度。這里，樹脂流動8cm花費了 I分鐘50秒，即樹脂流動速度與參照增強材料相比為13.6倍，在25分鐘內達到約38cm的浸潰距離。通過增加潤濕時間，該距離仍可以增加約10cm。換句話講，所進行的實驗表明，如果需要短浸潰距離，則使用根據(jù)本發(fā)明的薄型分立流道形成裝置使浸潰時間縮短至現(xiàn)有技術增強材料所需時間的約十分之一，或者如果需要長浸潰距離，則使用根據(jù)本發(fā)明的薄型分立流道形成裝置使該距離與現(xiàn)有技術增強材料相比增加至約6倍。
[0115]以上實驗清楚地表明了通過使用薄型分立流道形成裝置形成的橫向流道的新型設計所帶來的巨大優(yōu)勢。并且如上所討論，它不僅是顯著提高制備速度的“高速”灌注的問題，而且是非常有效地移除增強材料疊堆中的氣體以確保沒有干燥或半浸潰區(qū)域的無空隙層合物的問題，以及比用于相同目的的現(xiàn)有技術層合物具有更佳強度和疲勞性能的層合物的問題。
[0116]本發(fā)明的增強材料可以與所有類型的灌注方法一起使用，包括但不限于真空灌注、輕型RTM或RTM方法?？梢酝ㄟ^本發(fā)明的增強材料改善其他層合情況，在這些情況中，樹脂浸潰很關鍵或者受到緊密布置的纖維或層合物結構中存在的其他材料，如夾層材料、阻燃材料、填料、顏料等的阻滯，其中樹脂粘度可以極其高。
[0117]本發(fā)明的增強材料可用于預成型件或最終產品(即層合物，例如風力機葉片)的制造。預成型件可通過如下方式由至少兩個增強材料制成:將增強材料彼此層疊地鋪設，使得第一增強材料的薄型分立流道形成裝置面向位于第一增強材料之下或之上的第二增強材料，并且如果需要，使用合適的粘合劑(有時，僅僅加熱增強材料和早前施加以粘合粗紗的粘合劑即已足夠)，以形成預成型件?？蓪蜗蛟鰪姴牧媳舜藢盈B地定位，使得所有增強材料的粗紗是平行的，或者使得第一增強材料的粗紗被布置為與第二增強材料的粗紗成一定角度，從而形成多軸向預成型件。
[0118]層合物可以用類似的方式由本發(fā)明的增強材料或上述預成型件制造而成。在制造層合物的方法中，將至少兩個增強材料或預成型件彼此層疊地鋪設在模具中，使得第一增強材料的薄型分立流道形成裝置面向位于第一增強材料之上的第二增強材料，將覆蓋件定位在增強材料上，將模具閉合，并提供壓差，以從模具中排出空氣，并用樹脂浸潰增強材料。
[0119]另一種選擇是在模具中僅使用一種單向增強材料，使得薄型分立流道形成裝置面向模具的底部和覆蓋件。
[0120]很顯然，本發(fā)明并不限于上文提到的實例，而是可以在本發(fā)明理念范圍內的許多其他不同的實施例中實施。還很顯然的是，只要可行，上述每個實施例中的特征可以結合其他實施例使用。
【權利要求】
1.一種用于通過樹脂傳遞模塑工藝和真空灌注模塑工藝之一制造纖維增強復合材料的縫合單向或多軸向增強材料，所述縫合單向或多軸向增強材料(28)包括至少一層布置在所述增強材料中的連續(xù)單向粗紗，該連續(xù)單向粗紗通過縫合彼此結合，并設置有在用樹脂潤濕增強材料(28)疊堆時促進樹脂在橫向于所述單向粗紗方向的方向上流動的裝置，其特征在于:所述浸潰促進裝置為用于形成樹脂流道的薄型分立裝置￠)，所述薄型分立裝置(6)橫向于所述單向粗紗布置，所述薄型分立流道形成裝置(6)至其側面形成從所述縫合單向或多軸向增強材料(28)的一個邊緣延伸至其相對的邊緣的流道(10)。
2.根據(jù)權利要求1所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述薄型分立流道形成裝置(6)被布置為與所述單向粗紗的方向成直角，或其方向與所述單向粗紗的方向偏離至多45度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述增強材料(2，4，28)由兩層或更多層粗紗形成并且所述薄型分立流道形成裝置(6)被布置在至少兩層粗紗之間或僅布置在所述單向或多軸向增強材料(2，4，28)的頂部表面和/或底部表面上。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述薄型分立流道形成裝置(6)被布置在所述單向或多軸向增強材料(2，4，28)的所述頂部表面和所述底部表面的至少一者上。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述薄型分立流道形成裝置￠)以2-50mm的間距被布置在所述單向或多軸向增強材料(28)上。
6.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述薄型分立流道形成裝置￠)為單絲(6)或彼此結合的一束單絲。
7.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述薄型分立流道形成裝置(6)具有100-200 μ m的直徑。
8.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:每個線跡具有長度，并且相鄰或鄰近薄型分立流道形成裝置(6)之間的距離或間距比所述線跡的長度更長。
9.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述薄型分立流道形成裝置(6)的斷裂伸長率高于最終產品中的周圍基體的斷裂伸長率。
10.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述粗紗為人造纖維或天然纖維，即，如玻璃、碳、芳綸、玄武巖、亞麻、大麻、黃麻、麻的纖維。
11.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的縫合單向或多軸向增強材料，其特征在于:所述薄型分立流道形成裝置(6)在壓縮下具有小于2、優(yōu)選地小于1.5的縱橫比。
12.—種制備用于纖維增強復合材料的縫合單向或多軸向增強材料的方法，所述方法包括以下步驟: a)單向并排鋪設連續(xù)粗紗，以形成至少一個層(20)， b)至少在所述至少一層的所述連續(xù)粗紗上在橫向于所述單向粗紗方向的方向上鋪設薄型分立流道形成裝置(6)， c)將所述薄型分立流道形成裝置(6)和所述連續(xù)粗紗彼此縫合，形成增強材料(28)。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于:在步驟b)中，以一定的角度鋪設所述薄型分立流道形成裝置￠)，其中所述角度與所述單向粗紗方向成直角的方向偏離至多±45 度。
14.一種預成型件，所述預成型件由至少2個根據(jù)權利要求1-11所述的縫合增強材料制造。
15.一種制造由至少2個根據(jù)權利要求1-11所述的縫合增強材料制造的預成型件的方法，其特征在于:彼此層疊地鋪設所述增強材料，使得第一增強材料的所述薄型分立流道形成裝置(6)面向位于所述第一增強材料之下或之上的第二增強材料。
16.根據(jù)權利要求15所述的制造方法，其特征在于:將所述增強材料定位在所述預成型件中，使得第一增強材料的所述粗紗被布置為與第二增強材料的粗紗成一定角度。
17.一種層合物，所述層合物由一個或更多個根據(jù)權利要求1-11所述的縫合增強材料制造。
18.—種制造根據(jù)權利要求1-11所述的縫合增強材料層合物的方法，其特征在于: a)在所述模具中彼此層疊地鋪設至少兩個縫合增強材料，使得第一增強材料的所述薄型分立流道形成裝置(6)面向位于所述第一增強材料之下或之上的所述第二增強材料，或者在所述模具中鋪設一個縫合增強材料， b)將覆蓋件定位在所述一個或多個增強材料上， c)將所述模具閉合， d)提供壓差，用以從所述模具中排出空氣并用樹脂浸潰所述增強材料。
【文檔編號】B29C70/22GK104487234SQ201380038708
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2013年7月15日 優(yōu)先權日:2012年7月20日
【發(fā)明者】伯格斯特雷姆 R. 申請人:阿斯特羅姆公司