专利名称：作为用于线材和缆线的加强件的纤维增强的、热塑性带的制作方法
作为用于线材和缆线的加强件的纤维增强的、热塑性带本发明的背景1.本发明的领域本发明涉及线材和缆线。在一个方面，本发明涉及线材或缆线的加强件而在另一个方面，本发明涉及以纤维增强带的形式的加强件。在还有的另一个方面，本发明涉及用于制造呈纤维增强带的形式的加强件的方法，而还有的在另一个方面，本发明涉及包括纤维增强带加强件的线材和缆线。2.相关现有技术的叙述光导纤维的缆线是一种设计成为光纤提供足够的防护以使其免受不利水平的纵向和横向应力的复杂结构。另外，在光纤的使用寿命中，该结构也提供了的良性的化学和物理环境。在光导纤维的缆线和电力缆线之间的一个根本区别是，在电力缆线中的金属导体负载了在安装和服役条件的期间所产生的拉伸应力的至少一部分。相比之下，光导纤维的缆线所包含的集成在缆线中的加强件明确地将纤维从拉伸和压缩应力中隔离开。当设计光导纤维的缆线和它的零件(包括加强件)时，在必须考虑的许多标准之中，足够的拉伸和压缩强度(能够承受小半径弯曲、容易的纤维加工和缆线安装以及有竞争力的成本只是一小部分的标准。对于光导纤维的缆线，许多类型的设计是可利用的，设计的选择取决于应用。无论什么选择，全部都要求一些类型的加强件在安装和实际使用期间都能够负载缆线的拉伸和压缩应力。如今，在使用中的加强件主要由纤维增强塑料(FRP)(其中如果玻璃纤维是增强材料的话，其亦称玻璃增强塑料(GRP))或者不锈钢制成。传统上，FRP或GRP通过使用一种或多种例如乙烯基酯或环氧的热固性树脂，通过纤维拉挤成型工艺来进行制作，但该工艺的速度是非常限制性的。另外，如今可利用的GRP或FRP/热固性树脂复合材料倾向于具有过大刚性，而且这使得包括这些加强件的光纤缆线的安装变得困难，特别是使得在建筑物附近或沿着繁忙的城市街道(此处缆线的尖锐的弯曲经常是必须的)的该安装变得困难。对于不锈钢和松散的芳族聚酰胺纱，前者是相对昂贵的和重的而后者在制造工艺过程中是难以处理的而且它们在缆线内占了很多空间。长纤维增强的热塑性塑料(LFT)的技术，通过注塑成型工艺来用于制造汽车行业的前面板，并且呈条状或粒料形式的LFT材料以各种纤维和树脂体系来在市场中广泛使用。也将它们定制生产成特定规格。
发明内容
在一个实施方案中，本发明是以纤维增强的热塑性带形式的加强件。在一个实施方案中，该带包括通过使用LFT材料所制造的纤维束，其已经通过挤出机来处理了，这将至少一部分的纵向的取向赋予到纤维上，这进而赋予该带的模量比热塑性树脂本身的模量大，是它的四倍或更高。该带作为在光纤缆线和其他线材和缆线应用中的加强件是有用的。在一个实施方案中，本发明是具有纵轴的纤维增强带，该带包括至少30wt%的纤维和至少2wt%的热塑性树脂，条件是在带中的至少30%的纤维至少部份地沿带的纵轴取向。在一个实施方案中，本发明是制造纤维增强的热塑性带的方法，该方法包括以下步骤(A)制备长纤维热塑性塑料的粒料或条带，其包括至少30%的纤维和至少2wt%的热塑性树脂；(B)从该粒料或条带形成可挤出的物料；以及(C)将该物料挤出形成具有纵向和横向尺寸的带；条件是至少30%的纤维纵向取向。在一个实施方案中，本发明是包括纤维增强带的线材或缆线结构，其中该带包括至少30wt%的纤维和至少2wt%的热塑性树脂，条件是至少30%的在带中的纤维至少部份地沿带的纵轴进行取向。在一个实施方案中，本发明是包括纤维增强带的光纤缆线。本发明支持在LFT材料中的高纤维含量和长纤维长度。在本发明的设计之下，具有各种纤维填充重量的LFT条带(如，4-12毫米(mm)长)，通过使用预定温度分布和模头(die)设计的挤出机进行处理，来生产呈薄带(其厚度典型如低于2mm)形式的复合材料纤维束。一旦材料通过控制带卷绕速度而退出该模头，可获得25%或更多的拉制。该拉制帮助纤维在复合材料中沿纵向进行取向。因为高纤维填充和该取向，LFT复合材料带沿纵向的拉伸模量可以超过单独树脂的模量的四倍。该高模量特征能够让复合材料带作为光纤缆线的合格加强件，这可以帮助降低缆线的夹套或其他防护层的厚度。该带也能够替代光纤缆线中的芳族聚酰胺纱，其是昂贵的而且难以加工。使用LFT纤维束带作为在线材和缆线特别光纤缆线应用中的加强件，相比于常规加强件在线材或缆线中的应用，能够获得一种或多种以下的优点A.轻重量，B.更好的制造效率，因为使用挤出技术，而不是纤维拉挤技术，C.更加紧凑的缆线，因为相比于松散芳族聚酰胺纱，该带能够更紧地在光纤束附近进行包裹，D.额外的抗挤压性，E.可回收性，F.通过将水阻滞剂引入到配方中导致的水阻性，和G.可交联性。本发明的纤维增强带是用于线材和缆线应用中的有效加强件，并且对于目前的在光纤缆线中的FRP/GRP或芳族聚酰胺加强件而言，它们是可行的替代件。
图1是用于制造本发明的复合材料带的双螺杆挤出机的温度和压力分布的示意图。图2是使用60wt%纤维填充量来挤出的本发明的复合材料带的图示。图3是报告了挤出的和模塑的复合材料以及纯树脂的模量的比较的图表。图4是报告了挤出的和模塑的样品的峰值应力的比较的图表。
具体实施例方式定义
除非相反地指出，除非上下文暗示或本领域中存在习惯，否则所有份和百分数都基于重量计，并且所有测试方法都是本公开的申请日现存的。针对美国专利实践的目的，任何引用的专利、专利申请或出版物的内容，通过引用来将它们的全部内容引入(或者通过引用来将它的等同的美国版本如此引入)，特别是引入关于定义(达到在范围上不得与在本公开中具体地提供的任何定义不一致的程度)和在本领域中的公知常识的公开内容。在本公开中的数字范围是近似的，因此，除非另有说明，其可以包括在该范围以外的值。数字范围包括从下限值到上限值(包括该下限值和上限值)的、以一个单位增加的所有值，条件是在任意下限值和任意上限值之间存在至少两个单位的间隔。例如，如果组成、物理或其他性能，例如厚度等等是从100到1，000，则明确地列举了所有单个数值例如100，101，102等等以及子范围例如100到144，155到170，197到200等等。对于含有低于I的数值范围或者含有大于I的分数(例如1. 1、1.5等)的数值范围，酌情认为一个单位是
0.0001，0.001，0.01或0.1。对于含有小于10的单个数(例如1-5)的范围，通常认为一个单位是0.1。这些仅是具体表述内容的示例，且应当认为在本公开内容中清楚地指出了在所列举的最低值与最高值之间所有可能的数值组合。在本公开之内，数字范围尤其用于提供配方的组分的数量，厚度等等。“长丝”和类似术语是指单根、连续的丝状的细长材料，其长度与直径之比大于10。“纤维”和类似术语是指细长的条状的缠结长丝，其一般具有圆形横截面而且长度与直径之比大于10。“缆线”和类似的术语是指至少一根线材或光纤在保护外套或护套内部。通常，缆线是捆束在一起的两根或更多根线材或光纤，其通常在共同的保护外套或护套中。所述外套中的单根线材或纤维可以是裸露的、包覆的或绝缘的。组合缆线可以同时包含电线和光纤。所述缆线等可以设计用于低、中和高电压应用。典型的缆线设计示出在USP5, 246，783，6，496，629 和 6，714，707 中。“带”和类似术语是指不定长度的薄的材料条。典型地，材料条的长度是大于它的宽度或厚度的至少十(10)倍。“至少一部分的纵向取向”和类似术语是指将具有纵向和横向的热塑性带中的一定百分比(典型地至少30%)的纤维，在该带内进行取向，以使得纤维的长度方向与带的纵向具有更高的对准，相比于它具有的与带的横向的对准而言。“纵向”和类似术语是指与材料通过挤出机的前移方向平行的方向。挤出材料的纵向和纵轴具有相同的含义。“横向”和类似术语是指法线方向或垂直于纵向的方向。纤维各种纤维可用于本发明的实践中，包括但不限于，聚烯烃，如聚乙烯和聚丙烯纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、玻璃纤维、石墨纤维、石英纤维、金属纤维、陶瓷纤维、硼纤维、铝纤维以及这些或其他的纤维中的两种或两种以上的组合。典型的可利用的纤维是纱或粗纱(roving),其是在卷轴上的单丝的束。纤维的旦数(denier)可以根据纤维的组成和纤维束所处的应用来变化，但典型地它在400和5，000特(TEX)之间，更典型地在600和3，000特之间，以及还更加典型地在700和2，500特之间。代表性的聚烯烃纤维包括来自Honeywell的SPECTRA 900聚乙烯纤维、DOffXLAtm聚烯烃纤维和TOHO TENAX BESF丨GHT G30-700碳纤维。代表性的玻璃纤维包括 Owens Corning 的 E-玻璃纤维 0C SE 4121 (1200 或 2400 特)，和 John Manville JM473AT (2400 特)、473A (2400 和 1200 特)、PPG 4599 (2400 特)。OC_ SE 4121 是类型为30的单端连续粗纱(Single-End Continuous Roving)系列的一名高级成员。该产品专门设计用于聚丙烯长纤维热塑性塑料的(LFT)应用中。OC SE 4121具有设计成适合于使用Direct-LFT方法的化学性质。玻璃纤维可以使用Manville JM 473AT (1100, 1200或2400特)或来自其他
供应商的相似等级的纤维。Manville JM 473AT是一种STARROV LFTplus的直接粗
纱纤维，和其通过将规定直径的连续玻璃纤维直接卷绕成圆柱形粗纱包来制造。该粗纱的设计用于增强在LFT方法中的聚丙烯聚合物。选择的材料的性能和纤维特征列于表I中。表IManville TM 473AT E-玻璃纤维的所诜择的件能
权利要求
1.具有纵轴的纤维增强带，该带包括至少30wt%的纤维和至少2wt%的热塑性树脂，条件是至少30%的在该带中的纤维至少部份地沿带的纵轴取向。
2.权利要求1的所述的带，其中所述纤维是旦数为400至5，000特的玻璃纤维。
3.权利要求2的所述的带，其中所述树脂是聚烯烃树脂。
4.权利要求3的所述的带，其中所述树脂是聚丙烯树脂。
5.权利要求4的所述的带，其中所述纤维具有4到15mm的长度。
6.制备权利要求1的所述的带的方法，该方法包括下列步骤(A)制备包括至少30%的纤维和至少2wt%的热塑性树脂的长纤维热塑性粒料或条带，(B)从所述粒料或条带形成可挤出的物料和(C)挤出该物料从而形成具有纵向和横向取向的带，条件是至少30%的所述纤维在纵向上取向。
7.权利要求6的方法，其中该挤出用装备有运行在180-230°C的温度的模头的挤出机来进行。
8.权利要求7的方法，其中将所挤出的带进行拉制。
9.线材或缆线结构，其包括作为加强件的权利要求1的所述的带。
10.光纤缆线的形式的权利要求9的线材或缆线。
全文摘要
纤维增强带，其包括纵轴、至少30wt%的纤维和至少2wt%的热塑性树脂，条件是在该带中的纤维的至少30%沿带的纵轴呈至少部份地取向。该带作为用于电线和缆线结构的、特别是光纤缆线结构的加强件是有用的。
文档编号C08K7/14GK103068553SQ201180039013
公开日2013年4月24日 申请日期2011年5月24日 优先权日2010年6月8日
发明者陈波 申请人:联合碳化化学及塑料技术有限责任公司