专利名称：增加多孔纤维增强的热塑性片材膨松性的方法
技术领域：
本发明一般地涉及多孔纤维增强的热塑性聚合物片材，和更特别地涉及与已知的多孔纤维增强的热塑性聚合物片材相比，具有增加的膨松性能的多孔纤维增强的热塑性聚合物片材。
背景技术：
在美国专利Nos.4978489和4670331中公开了多孔纤维增强的热塑性片材，且在产品制造工业中，由于容易将纤维增强的热塑性片材模塑成为制品，因而用于许多和各种应用上。已知的技术，例如热冲压、压塑和热成形成功地用于由纤维增强的热塑性片材形成制品。
在一些工业，例如机动车工业中，需要由单位面积重量低于已知产品的多孔纤维增强的热塑性片材形成的产品。实现它的一种方式是降低多孔纤维增强的热塑性片材的厚度。然而，厚度降低还通常产生产品强度和韧度的下降。而且有时要求特定的厚度。
发明内容
一方面提供具有增加的膨松性能的多孔纤维增强的热塑性片材的制造方法。该方法包括添加平均长度为约5毫米-约50毫米的增强纤维和添加热塑性树脂粉末颗粒到搅拌的含水泡沫体中，形成分散的混合物，层铺增强纤维和热塑性树脂颗粒的分散混合物到载体结构上，排空水，形成网幅(web)，使一部分增强纤维产生z-轴取向，加热该网幅到高于热塑性树脂的玻璃化转变温度，并将该网幅压成预定厚度，形成孔隙量为约1％-约95％的多孔热塑性复合片材。
另一方面，提供具有增加的膨松性能的多孔纤维增强的热塑性片材。该多孔纤维增强的热塑性片材包括与热塑性树脂粘结在一起的多根增强纤维。增强纤维的平均长度为约5毫米-约50毫米，并且至少约5wt％的增强纤维按z-轴取向作用取向。纤维增强的热塑性复合片材的孔隙量为约1％-约95％。
图1是根据本发明的一个实施方案的复合塑性片材的示意图。
图2是具有摆动叉齿(oscillating tine)的网前箱(headbox)的示意图。
图3是水力缠结装置的示意图。
具体实施例方式
以下将详细地描述具有增加的膨松性能的多孔纤维增强的热塑性片材的制造方法。该方法包括使一部分增强纤维，至少约5wt％的增强纤维产生z-轴取向。x-y平面包括片材的宽度和长度，而z-轴方向则包括片材的厚度。在用相同的增强纤维负载形成比已知的热塑性片材大的厚度过程中，增加z-轴方向上增强纤维的数量使得增加膨松性或者片材的膨胀。
参考附图，图1是例举的复合热塑性片材10的截面示意图，它包括具有第一表面14和第二表面16的多孔芯12。在一些可供替代的实施方案中，表皮和/或阻挡层18粘结到第一表面14和/或第二表面16上。
由开孔结构制成的网幅形成芯12，所述开孔结构由至少部分地通过一种或更多种热塑性树脂22保持在一起的增强纤维20的无规交叉形成，其中多孔芯12的孔隙量范围一般为芯12的总体积的约5％至约95％，和尤其约30％至约80％。在另一实施方案中，多孔芯12由至少部分通过一种或更多种热塑性树脂22保持在一起的增强纤维20的无规交叉形成的开孔结构制成，其中约40％-约100％的开孔结构是开放的且允许空气和气体流经其中。在一个实施方案中，芯12的密度为约0.1gm/cc-约1.8gm/cc，和在另一实施方案中，为约0.3gm/cc-约1.0gm/cc。使用已知的制造工艺，例如湿法成网工艺、气流成网工艺、干混工艺、梳理和针织工艺和制造非织造产品所使用的其它已知的工艺来形成芯12。这样的制造工艺的结合也是有用的。
芯12包括约20％-约80wt％平均长度为约5毫米至约75毫米的增强纤维20，和约20％-约80wt％全部或者基本上全部未凝固的纤维状或粒状热塑性材料，其中重量百分数基于芯12的总重量计。在另一实施方案中，芯12包括约30％-约55wt％的增强纤维20。在另一实施方案中，芯12包括平均长度为约5毫米至约50毫米的增强纤维20，和在另一实施方案中，为约5毫米至约25毫米。合适的增强纤维包括，但不限于，金属纤维、金属化的无机纤维、金属化的合成纤维、玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、无机纤维、芳族聚酰胺纤维及其混合物。此外，可使用天然增强纤维，例如南非槿麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、大麻纤维、纤维素纤维、剑麻纤维、椰纤维及其混合物。
在例举的实施方案中，平均长度为约5mm-约75mm的增强纤维20与热塑性粉末颗粒，例如聚丙烯粉末一起添加到可含有表面活性剂的搅拌的含水泡沫体中。搅拌各组分充足的时间，在含水泡沫体内形成增强纤维20和热塑性粉末的分散混合物。然后在任何合适的载体结构，例如线网上层铺分散的混合物，然后通过形成网幅的线网排空水。为了增加芯12的膨松能力，将一部分增强纤维20以z-轴方向取向。z-轴方向是指增强纤维20在芯12的x-y平面以外取向。x-y平面包括芯12的宽度和长度，而z-轴方向则包括芯12的厚度。增强纤维20的其余部分典型地基本上平行于芯12的x-y平面。
在一个实施方案中，利用机械作用，使一部分增强纤维在z-轴方向上取向，可使用任何合适的机械作用，例如平行于芯12的z-轴前后摆动的叉齿。图2是例举的具有摆动叉齿32的网前箱30的示意图。网前箱30包括将增强纤维和热塑性粉末颗粒的含水泡沫体/淤浆36导向支持结构38，例如长网造纸机线材上，形成网幅40的闸门34。使用吸收箱42，从淤浆36中除去水，形成网幅40。摆动叉齿32使一部分增强纤维20产生z-轴取向，允许网幅40更大的膨松性。
在另一实施方案中，使用在具有于网幅处导引的预定图案的多个水的射流的水力缠结器，使增强纤维在z-轴方向上取向。增加在z-轴方向上而非x-轴方向或者y-轴方向上增强纤维的数量，芯12可膨松或者膨胀成所需的预定厚度。从网幅上抽空来自水力缠结工艺的任何过量的水。图3是例举的水力缠结装置50的示意图。水力缠结装置50包括在网幅40处导引的至少一个水的射流52(示出了两处)，以使一部分增强纤维产生z-轴取向，允许网幅40更大的膨松性。真空转鼓54除去在网幅40处通过水的射流52导引的水。筛选带(sievebelt)56位于网幅40和真空转鼓54之间。筛选带56通过辊58驱动。驱动辊60使网幅40移动通过真空转鼓54。水力缠结装置可商购于例如Fleissner GmbH，Egelsbach，德国。
在另一实施方案中，使用高稠度的网前箱，形成网幅，所述网幅在z-轴方向上使一部分增强纤维取向。典型地在结合高稠度造纸原料的造纸工艺中，使用高稠度的网前箱。已发现，可使用在含水泡沫体中的增强纤维和热塑性粉末的分散混合物内产生微型紊流的高稠度的网前箱，使一部分增强纤维产生z-轴取向。高稠度的网前箱可商购于Metso Corporation，Helsinki，芬兰。
z-轴取向纤维的含量取决于复合材料的组成，所需的膨松性和该复合材料的应用。在一个实施方案中，z-轴方向的纤维含量为至少约5％，在另一实施方案中，为约20％-约50％，和在另一实施方案中，为至少约50％，其中百分数为重量百分数。
干燥网幅并加热到高于热塑性粉末的软化温度。然后冷却网幅并挤压成预定厚度，产生孔隙量为约5％-约95％的复合片材。
加热网幅到高于芯12内热塑性树脂22的软化温度，用以基本上软化塑性材料，并挤压通过一个或更多个凝固装置，例如压延辊、双层皮带层压机、定位压机(indexing press)、多日光压机(multipledaylight press)、高压釜以及层压并凝固片材和织物所使用的其它这种装置，以便塑性材料可流动并润湿纤维。设定在凝固装置内的凝固元件之间的间隙为小于未凝固网幅并大于若网幅充分凝固时网幅的尺寸，于是允许网幅膨胀，并在穿过辊之后，保持基本上可渗透。在一个实施方案中，设定间隙比若网幅充分凝固时的网幅尺寸大大约5％-约10％的尺寸。充分凝固的网幅是指充分压缩且基本上不含孔隙的网幅。充分凝固的网幅具有小于5％的孔隙量且具有可以忽略不计的开孔结构。在可供替代的实施方案中，可在未凝固的卷辊或者未凝固的窄片内制造网幅。然后再加热未凝固的网幅或片材，并在随后的时间和/或位置处使用常规的IR干燥器、常规干燥器、压延机辊、间歇式压机和双层压机等凝固。
粒状塑性材料可包括短的塑料纤维，其中包括所述塑料纤维，以提高在制造过程中网幅结构的内聚力。通过利用网幅结构内塑性材料的热特性来影响粘结。充分地加热网幅结构，引起热塑性组分在其表面处熔融到相邻的颗粒和纤维上。
在一个实施方案中，单独的增强纤维20平均不应当短于约5mm，这是因为较短的纤维通常在最终的模塑制品内没有提供适当的增强。此外，纤维平均不应当长于约50mm，这是因为这种纤维难以在制造工艺中处理。
在一个实施方案中，为了赋予结构强度，增强纤维20的平均直径为约7至约22微米。直径小于约7微米的纤维可容易地气悬浮且可引起环保和安全问题。直径大于约22微米的纤维难以在制造工艺中处理，且在模塑之后不能有效地增强塑料基体。
在一个实施方案中，热塑性材料22至少部分地为颗粒形式。合适的热塑性塑料包括，但不限于，聚烯烃，其中包括聚亚甲基、聚乙烯和聚丙烯，聚苯乙烯、丙烯腈基苯乙烯、丁二烯、聚酯，其中包括聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯和聚对苯二甲酸丙二酯、polybutyleneterachlorate和聚氯乙烯(增塑和未增塑二者)、丙烯酸类树脂，其中包括聚甲基丙烯酸甲酯，和这些材料彼此或者与其它聚合物材料的共混物。其它合适的热塑性塑料包括，但不限于，聚亚芳醚、丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯聚合物、无定形尼龙，以及合金和这些材料彼此或者与其它聚合物材料的共混物。认为可使用不受水的化学进攻且可通过加热充分软化的任何热塑性树脂以使得熔融和/或模塑中没有化学或热分解。
热塑性颗粒不需要过细，但大于约1.5mm的颗粒不令人满意，这是因为它们在模塑工艺过程中不能充分地流动，以产生均匀的结构。使用较大的颗粒可导致当凝固时材料的弯曲模量下降。
尽管用各种具体的实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将意识到本发明在权利要求的精神和范围内可以用变化形式实施。
权利要求
1.具有增加的膨松性能的多孔纤维增强的热塑性片材的制造方法，所述方法包括添加平均长度为约5毫米-约75毫米的增强纤维和热塑性树脂粉末颗粒到搅拌的含水泡沫体中，形成分散的混合物，层铺增强纤维和热塑性树脂颗粒的分散混合物到载体结构上，排空水，形成网幅，使一部分增强纤维产生z-轴取向，加热该网幅到高于热塑性树脂的玻璃化转变温度，和压制该网幅至预定厚度，形成孔隙量为约1％-约95％的多孔热塑性复合片材。
2.权利要求1的方法，其中增强纤维包括至少一种金属纤维、金属化的无机纤维、金属化的合成纤维、玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、无机纤维、芳族聚酰胺纤维、南非槿麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、大麻纤维、纤维素纤维、剑麻纤维和椰纤维。
3.权利要求1的方法，其中热塑性树脂包括至少一种聚烯烃、聚苯乙烯、丙烯腈基苯乙烯、丁二烯、聚酯、polybutyleneterachlorate、聚氯乙烯、聚亚苯醚、聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯聚合物和无定形尼龙。
4.权利要求1的方法，其中多孔热塑性片材包括约20-约80wt％的增强纤维和约20-约80wt％的热塑性树脂。
5.权利要求1的方法，其中多孔热塑性片材包括约35-约55wt％的增强纤维和约45-约65wt％的热塑性树脂。
6.权利要求1的方法，进一步包括将表皮粘合到多孔热塑性片材的至少部分表面上。
7.权利要求6的方法，其中表皮包括至少一种热塑性膜、弹性膜、金属箔、热固性涂层、无机涂层、纤维基稀松布(fiber based scrim)、非织造织物和织造织物。
8.权利要求1的方法，其中产生z-轴取向包括用以预定图案排列的多个水的射流冲击网幅；和从网幅上排空任何过量的水。
9.权利要求1的方法，其中产生z-轴取向包括采用在z-轴内摆动的多个叉齿牵引一部分增强纤维至z-轴取向作用。
10.权利要求1的方法，其中产生z-轴取向作用包括在网幅的形成过程中，利用高稠度的网前箱。
11.权利要求1的方法，其中产生z-轴取向作用包括产生至少约5wt％按z-轴取向的纤维。
12.权利要求1的方法，其中产生z-轴取向作用包括产生至少约20-约50wt％按z-轴取向的纤维。
13.权利要求1的方法，其中产生z-轴取向作用包括产生至少约50wt％按z-轴取向的纤维。
14.具有增加的膨松性能的多孔纤维增强的热塑性片材，该多孔纤维增强的热塑性片材包括与热塑性树脂粘结在一起的多根增强纤维；所述增强纤维的平均长度为约5毫米-约75毫米，至少约5wt％的所述增强纤维按z-轴方向上取向；所述纤维增强的热塑性复合片材的孔隙量为约1％-约95％。
15.权利要求14的多孔纤维增强的热塑性片材，包括约20-约50wt％按z-轴取向的所述增强纤维。
16.权利要求14的多孔纤维增强的热塑性片材，它包括至少约50wt％按z-轴取向的所述增强纤维。
17.权利要求14的多孔纤维增强的热塑性片材，其中所述增强纤维包括至少一种金属纤维、金属化的无机纤维、金属化的合成纤维、玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、无机纤维、芳族聚酰胺纤维、南非槿麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、大麻纤维、纤维素纤维、剑麻纤维和椰纤维。
18.权利要求14的多孔纤维增强的热塑性片材，其中所述热塑性树脂包括至少一种聚烯烃、聚苯乙烯、丙烯腈基苯乙烯、丁二烯、聚酯、polybutyleneterachlorate、聚氯乙烯、聚亚苯醚、聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、丙烯腈-丙烯酸丁酯-苯乙烯聚合物和无定形尼龙。
19.权利要求14的多孔纤维增强的热塑性片材，其中所述热塑性片材包括约20-约80wt％的所述增强纤维和约20-约80wt％的所述热塑性树脂。
20.权利要求14的多孔纤维增强的热塑性片材，其中所述热塑性片材包括约35-约55wt％的所述增强纤维和约45-约65wt％的所述热塑性树脂。
全文摘要
提供具有增加的膨松性能的多孔纤维增强的热塑性片材的制造方法。该方法包括在搅拌的含水泡沫体中添加平均长度为约5毫米－约50毫米的增强纤维，和热塑性树脂粉末颗粒，形成分散的混合物，层铺增强纤维和热塑性树脂颗粒的分散混合物到载体结构上，排空水，形成网幅，使一部分增强纤维产生z－轴取向，加热该网幅到高于热塑性树脂的玻璃化转变温度，和压制该网幅至预定厚度，形成孔隙量为约1％－约95％的多孔热塑性复合片材。
文档编号B29C70/56GK101073918SQ200710096618
公开日2007年11月21日 申请日期2007年4月19日 优先权日2006年5月19日
发明者C·A·哈珀, C·W·彼得森, V·拉盖文德兰 申请人:阿兹代尔公司