专利名称：：碳和玻璃纤维增强的组合物的制作方法
技术领域：
：本教导涉及一种增强复合基板，更特别地，涉及一种碳和玻璃纤维增强的复合基板。
背景技术：
：机动车制造商在不断地寻找减少车辆整体重量，而不损害强度、耐久性和安全问题的方法。各种类型的聚合物基材料已经用于生产机动车部件，包括典型的比重为约1.9的片状模塑料(下文中称为"SMC")，其较之具比重为约7.8的所谓金属和金属合金部件重量通常更轻。这些聚合物基材料可成型为比目前使用的片状金属部件略轻的车身部件，而仍旧保持可接受水平的强度和耐久性。然而，随着燃料成本的增加和对甚至进一步减少车辆重量的期望的增加，人们对在SMC中利用相对高成本、高强度、低重量的碳纤维以满足这些需求的兴趣越来越大。找到合适的组合物，即能够有效且节约成本地制造，并且还表现既高强度又低重量以满足对表现出低重量、高强度和良好外观的有成本竞争力部件的需要的组合物将是有益的。
发明内容本教导涉及增强复合基板，该复合基板由约50wt^的树脂和约50wt^的强化纤维组成。用于该复合基板的强化纤维可包含以40:60的重量比存在的碳纤维和玻璃纤维，所述碳纤维是具有约一英寸的平均纤维长度的12K丝束碳纤维。本公开内容还公开一种包含约50wt^强化纤维和约50wt^热固性树脂的片状模塑料，所述强化纤维由约40wt^的碳纤维和约60wt^的玻璃纤维组成。所采用的碳纤维可以是具有约一英寸的平均纤维长度的12K丝束纤维，并且所述碳纤维和玻璃纤维应随机地分布在所述片状模塑料中。本公开的片状模塑料的拉伸强度大于约170MPa，本公开的片状模塑料的拉伸模量大于约20GPa，并且本公开的片状模塑料的比重小于约1.60。本文还公开一种形成复合材料结构件的方法提供约1英寸长的玻璃纤维和约1英寸长的12K丝束碳纤维，然后形成玻璃纤维和碳纤维随机分布的垫，并且使热固性树脂与所述垫接触以形成树脂处理的垫。然后，压实所述树脂处理的垫以形成未硬化的片，所述片随后被模制并切割成期望的形状和尺寸，最后硬化形成复合材料结构件。通过该方法制成的复合材料结构件能表现大于约170MPa的拉伸强度、大于约20GPa的拉伸模量和小于约1.60的比重。包括附图以提供对本公开的进一步理解。附图并入本说明书中并构成其一部分。附图示出本公开的各种实施方案，并与详细描述一起用于解释本公开的原理。在附图中图1是挠性模量与碳纤维重量百分比的关系的曲线图；图2是拉伸强度与碳纤维重量百分比的关系的曲线图，以及图3是生产方法的示意图。具体实施例方式本公开教导一种由约50wt^的树脂和约50wt^的强化纤维组成的增强复合基板，其中所述强化纤维可以是以40:60的重量比存在的碳纤维和玻璃纤维，并且所述碳纤维可以是具有约一英寸的平均长度的12K丝束纤维。根据本教导的增强复合基板可表现出大于约170MPa的拉伸强度、大于约20GPa的拉伸模量和小于约1.60的比重。所述增强复合基板中采用的树脂可选自热固性树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚硅氧烷树脂及其混合物。特别优选的是热固性树脂。感兴趣的一种配方是乙烯基酯和聚酯树脂的组合，尤其是含有刚性类型乙烯基酯组分的混合物。本公开的增强复合基板中采用的纤维可包含标准屈服玻璃纤维(standardyieldglassfiber)和PAN("聚丙烯腈")基碳纤维。所述强化纤维可以随机分布，包括非织造纤维。可采用标准SMC复合工艺来生产本公开的增强复合基板，其中在顶部和底部的树脂处理的载体片进料之间具有被切碎并输入到两个载体片之间纤维。然而，必须要小心以保证两种纤维类型(玻璃纤维和碳纤维)均匀且随机分布在整个纤维网中。所述增强复合基板可用作用于机动车的车身部件，例如扰流器、挡风玻璃框(surround)、支持构件、门板、引擎罩板、机箱板、车厢、中闸组合件、车顶拱形支持件或格栅网体。本公开还教导了片状模塑料。所述片状模塑料可包含约50wt^的强化纤维和约50wt^的热固性树脂，所述纤维是约40wt^的碳纤维和约60wt^的玻璃纤维。所述碳纤维可以是具有约一英寸的平均纤维长度的12K丝束纤维。在所述片状模塑料中，所述碳纤维和玻璃纤维可随机地分布在片状模塑料中，并且所述片状模塑料的拉伸强度可大于约170MPa，所述片状模塑料的拉伸模量可大于约20GPa，并且所述片状模塑料的比重可小于约1.60。在片状模塑料中所采用的热固性树脂可包括选自乙烯基酯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚硅氧烷树脂及其混合物中的至少一种。本公开的片状模塑料可包含玻璃纤维，如标准屈服玻璃纤维。片状模塑料中包含的碳纤维可以是例如，PAN基碳纤维。这些强化纤维可以是非织造纤维，但是在一些情况下，可加入织造纤维，这取决于期望的最终产品的性质和制造方面的考虑因素。本文还提出了一种形成复合材料结构件的方法提供约1英寸长的玻璃纤维，提供约l英寸长的12K丝束碳纤维，并将它们形成为随机分布的玻璃和碳纤维的垫。可以使热固性树脂与所述垫接触，以形成树脂处理的垫，然后压实所述树脂处理的垫，以形成未硬化的片。然后模制所述未硬化的片并将其切割成期望的形状和尺寸，最后使所述未硬化的片硬化以形成所述复合材料结构件。所述复合材料结构件可具有大于约170MPa的拉伸强度、大于约20GPa的拉伸模量和小于约1.60的比重。在本公开的方法中，所述热固性树脂可以是包含选自乙烯基酯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚硅氧烷树脂及其混合物中的至少一种的树脂组合物。一种通常优选的配方是乙烯基酯和聚酯树脂的组合，尤其是含有刚性类型乙烯基酯组分的混合物。所教导的方法可制备由约50wt^的碳纤维和玻璃纤维，以及约50wt^的热固性树脂组成的复合材料结构件。所述碳纤维和所述玻璃纤维可以以约40:60的重量比存在于所述复合材料结构件中。在本方法中，所述碳纤维可以是PAN基碳纤维，并且所采用的玻璃纤维可包含标准屈服玻璃纤维。通过所公开的方法生产的复合材料结构件可包括用于机动车的车身板件，例如扰流器、挡风玻璃框、支持构件、门板、引擎罩板、机箱板、车厢、中闸组合件、车顶拱形支持件或格栅网体。已发现，在当前教导的方法中，通过控制纤维类型、纤维浓度、树脂类型和树脂浓度的关键因素，可以在所得复合材料的物理性质方面得到出乎意料的结果。具体地，在纤维与树脂重量分布为50:50的组合物中，碳纤维对玻璃纤维的40:60的比例(其中碳纤维是大约一英寸长的12K丝束)，提供了具有期望的拉伸模量、拉伸强度和比重特性的复合材料。组成投入的该选择提供具有出乎意料的性质组合的所得材料，即，具有低比重的高强度特性。图3显示用于生产根据本公开的复合基板的改进标准SMC生产线的部分。将底部载体片供料(A)到其中树脂通过树脂进料器(D)施加到顶部侧的线路中。将碳纤维和玻璃纤维的供应(B)供料到切割器以切割成大约1英寸长的束，并随后分布到树脂处理的底部载体片的整个顶面。图3中未显示的是树脂处理的顶部载体片，其被施加到分布的碳纤维和玻璃纤维的顶部侧，然后压实所述材料，以形成未硬化的SMC片。玻璃纤维和碳纤维的同时切割和添加至载体片可导致纤维之间的分布和其在整个载体片上的分布更均匀。切割纤维的铺设过程中的线路速度能影响碳纤维和玻璃纤维的分布品质，以为纤维垫提供极少的缺陷和平整、均匀的树脂到纤维的分布。其他能影响制成片品质的因素是在硬化之前施加到未硬化SMC片的压实压力。本领域技术人员将认识到在实施本公开方法和根据本公开生产所述材料要考虑的因素。为了增加对于气候和化学暴露的抵抗性，特别优选某些树脂，包括例如环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂和这些树脂的改性混合物。对于其他应用，如外部车身板件，优选酚醛树脂和苯并噁嗪树脂，其原因是它们具有优异的阻燃性和耐热性。一种合适的树脂是可从QuantumComposite(BayCity，Michigan)以商品名AMC-8590得到的增韧乙烯基酯树脂基组合物.本文的玻璃纤维是指纤维状玻璃，各种被称为E-玻璃、C-玻璃、S-玻璃和主要由二氧化硅组成的纤维。在大约5到20iim范围内的合适纤维直径是本发明和组合物中通常可接受的。典型地，具有20g/m2到400g/m2重量的玻璃纤维是合适的。硬化的结构件的拉伸模量和拉伸强度可根据ASTMD-638测试协议中提出的程序来测量。固化的结构件的挠性强度和挠性模量均可根据ASTMD-790测试协议中提出的程序来测量。材料的比重可根据ASTMD-792测试协议中提出的程序来测量。实施例实验过程使用乙烯基酯/聚酯50:50的共混物，制备了九种不同的样品，改变树脂与强化纤维的量，并且改变作为强化纤维的玻璃纤维与碳纤维的比例，如下表1中所述。玻璃纤维是标准一英寸长的玻璃纤维，而碳纤维是一英寸长的12K丝束纤维。根据ASTMD-790测试协议测试所制备样品的硬化试样的挠性模量。模量与组合物中存在的碳纤维百分数之间的关系的结果示于图1中。根据ASTMD-638测试协议测试所制备样品的硬化试样的拉伸强度。拉伸强度与组合物中存在的碳纤维的百分数之间的关系的结果示于图2中。结果表明，含有约50wt%树脂和约50wt%强化纤维的组合物(所述强化纤维由重量比为40:60的碳纤维和玻璃纤维组成)，出乎意料地同时满足了比重、挠性模量和拉伸强度的需要。图1和2显示了来自表1中列出的前七种配方的测试结果。实心数据点代表实际测试数据，而空心数据点是基于用不同比重的类似配方获得的结果的估计。本文引用的所有出版物、文章、论文、专利、专利公开以及其他参考文献在此为所有目的被整体并入本文。尽管前面的描述是针对本教导的优选的实施方案，应注意，其他变化和修改对本领域技术人员将是明显的，并且可以在不背离本教导的精神和范围的情况下做出这些变化和修改。提出实施例是为了提供本教导的更完整的理解。所陈述以阐述本教导原理的具体技术、条件、材料和报道的数据是示例性的，并且不应被解释为对本教导范围的限制。前面对本教导各种实施方案的详细描述已经为示例和描述目的被提供。其不是穷举性的，或将本教导限制于所公开的具体实施方案。许多修改和变化对本领域技术人员将是明显的。实施方案是为了最好地解释本教导的原理和他们的实际引用而被选择和描述的，由此使本领域技术人员能够针对各种实施方案理解本教导，并且各种改良适于计划的特定用途。本教导的范围意图受权利要求书及其等同方案限定。表17<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求一种增强复合基板，包含约50wt％的树脂；和约50wt％的强化纤维，其中所述强化纤维包含以40∶60的重量比存在的碳纤维和玻璃纤维，并且所述碳纤维包含具有约一英寸的平均纤维长度的12K丝束纤维。2.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述增强复合基板的拉伸强度大于约170MPa。3.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述增强复合基板的拉伸模量大于约20GPa。4.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述增强复合基板的比重小于约1.60。5.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述树脂包括选自热固性树脂、乙烯基酯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚硅氧烷树脂及其混合物中的至少一种。6.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述玻璃纤维包括标准屈服玻璃纤维。7.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述碳纤维包括PAN基碳纤维。8.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述强化纤维包括非织造纤维。9.根据权利要求1所述的增强复合基板，其中所述增强复合基板包括用于机动车的车身板件。10.—种片状模塑料，包含约50wt%的强化纤维，所述强化纤维包含约40wt%的碳纤维和约60wt%的玻璃纤维，和约50wt^的热固性树脂；禾口其中所述碳纤维包括具有约一英寸的平均纤维长度的12K丝束纤维，所述碳纤维和玻璃纤维随机地分布在所述片状模塑料中，所述片状模塑料的拉伸强度大于约170MPa，所述片状模塑料的拉伸模量大于约20GPa，并且所述片状模塑料的比重小于约1.60。11.根据权利要求io所述的片状模塑料，其中所述热固性树脂包括选自乙烯基酯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚硅氧烷树脂及其混合物中的至少一种。12.根据权利要求IO所述的片状模塑料，其中所述玻璃纤维包括标准屈服玻璃纤维。13.根据权利要求10所述的片状模塑料，其中所述碳纤维包括PAN基碳纤维。14.根据权利要求10所述的片状模塑料，其中所述强化纤维包括非织造纤维。15.—种形成复合材料结构件的方法，包括提供约1英寸长的玻璃纤维，提供约1英寸长的12K丝束碳纤维，形成随机分布的玻璃纤维和碳纤维的垫，使热固性树脂与所述垫接触，以形成树脂处理的垫；压实所述树脂处理的垫，以形成未硬化的片；模制所述未硬化的片并将其切割成期望的形状和尺寸；使所述未硬化的片硬化以形成所述复合材料结构件，其中所述复合材料结构件的拉伸强度大于约170MPa，所述复合材料结构件的拉伸模量大于约20GPa，并且所述复合材料结构件的比重小于约1.60。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述碳纤维包括PAN基碳纤维。17.根据权利要求15所述的方法，其中所述热固性树脂包括树脂组合物，所述树脂组合物包括选自乙烯基酯树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、氨基树脂、环氧树脂、聚硅氧烷树脂及其混合物中的至少一种。18.根据权利要求15所述的方法，其中所述复合材料结构件包含约50wt%的碳纤维和玻璃纤维，以及约50wt^的热固性树脂。19.根据权利要求15所述的方法，其中所述碳纤维和所述玻璃纤维以约40:60的重量比存在于所述复合材料结构件中。20.根据权利要求15所述的方法，其中所述复合材料结构件包括用于机动车的车身板件。21.根据权利要求15所述的方法，其中所述玻璃纤维包括标准屈服玻璃纤维。全文摘要本发明提供一种增强复合基板，由约50wt％的树脂和约50wt％的强化纤维的组合物制成，所述强化纤维是以40∶60的重量比存在的约一英寸长的12K丝束碳纤维和玻璃纤维。碳纤维和玻璃纤维应被随机地分布在增强复合基板中。该增强复合基板的拉伸强度大于约170MPa，拉伸模量大于约20GPa，并且比重小于约1.60。文档编号C08L101/00GK101747648SQ200910253949公开日2010年6月23日申请日期2009年12月9日优先权日2008年12月10日发明者詹姆斯·P·瑞安申请人:本田技研工业株式会社