树脂基复合结构及其制造方法与流程

本发明是关于一种复合结构及其制造方法；更特别言之，本发明是关于一种具有环氧树脂-碳纤维复合材料及可与此环氧树脂-碳纤维复合材料完全熔融的热熔融材料的树脂基复合结构及其制造方法。

背景技术：

环氧树脂-碳纤维复合材料已被广泛使用于各种工业，此是因其具有例如：轻量、高刚性以及高机械强度等优越的材料性质。已知此种环氧树脂-碳纤维复合材料需经一压模固化制程以得到最终的产品(例如：自行车车架、自行车零组件或交通载具本体等)。然而，此种复合材料中，当经过压模固化制程后，通常伴随表面缺陷的产生。此表面缺陷经常导致不良的产品外观以及产品的功能失效。图1是绘示以已知压模固化制程所制成的一预浸布200的数种表面缺陷的示意图。已知以环氧树脂-碳纤维复合材料所制成的预浸布200，当经过压模固化制程后，经常形成数种表面缺陷。例如于图1中，可看到孔洞210以及不均匀表面220的形成，此是肇因于压模固化制程中，环氧树脂与模具间的空气被锁住而无法排出。再者，于压模固化制程后，残留的离型剂230亦导致针孔状缺陷240的产生。因此，后续必须执行相当耗时的缺陷移除制程，例如：补土步骤、磨修步骤及喷涂底漆步骤等，且补磨作业需要往复多次始能达成对外观均匀度的要求。另外一种方式是将一排气层于压模固化制程前覆盖于预浸布200上以协助排气，通常选取碳丝纤维或玻璃纤维材质作为此排气层。然而，此种材质可能因空孔率过高而无法排除被锁住于其内的空气，致使表面缺陷仍然存在，甚至难以进行后续加工。后续亦出现有以树脂转注成型(rtm)等方法来确保环氧树脂-碳纤维复合材料的均匀表面的形成。然而，此种方法提供了过多树脂(树脂含量常在40～60％)，虽然在产品外观有较优良的品质，但是不利于制造要求轻量化的环氧树脂-碳纤维复合材料的产品(期望树脂含量小于35％)。再者，无论是在树脂转注成型或是以预浸布200压模固化的方法中，皆需要离型剂230的使用，于执行压模固化制程后，残留的离型剂230以及杂质经常仍形成于产品的表面上，致使后续的物理或化学的缺陷移除制程仍无法省略，而此缺陷移除制程仍伴随有造成产品表面损坏的可能性。因此，仍需要发展无须离型剂230及额外的缺陷移除制程，即可形成高品质的表面外观的新颖的材料及制造方法。

技术实现要素：

本发明是提供一种树脂基复合结构及其制造方法，此是使用新颖的热熔融材料与预浸布熔融而形成树脂基复合结构。此种树脂基复合结构具有无缺陷的平滑表面，且无须后续复杂的缺陷移除制程。

于本发明一实施方式中，揭示一种树脂基复合结构的制造方法，其包含：准备一预浸布，其中预浸布包含一环氧树脂-碳纤维复合材料；覆盖一热熔融材料于预浸布的一表面上；以及执行一压模固化制程以令热熔融材料与预浸布熔融，压模固化制程包含：于一第一温度加热以令热熔融材料熔化、软化以及完全与预浸布熔融；及于一第二温度加热热熔融材料以固化热熔融材料而形成树脂基复合结构；其中第一温度小于第二温度。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，第一温度的范围可由70℃至150℃。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，第二温度的范围可由120℃至180℃。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，于压模固化制程中，热熔融材料于室温下为固态，于第一温度后由固态转换成胶态，而于第二温度后由胶态转换成固态。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，热熔融材料的一黏度随第一温度升高至第二温度而降低。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，还包含：于压模固化制程前，执行一热预压制程以将热熔融材料压合于预浸布的表面。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，还包含：控制热熔融材料与预浸布的环氧树脂的一浸渍比例以控制树脂基复合结构的一透气度。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，还包含：控制热熔融材料的一厚度以控制树脂基复合结构的一硬度。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，热熔融材料的厚度被控制于一面积克重范围内以增加树脂基复合结构的硬度，其中面积克重范围为5g/m²至30g/m²。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，热熔融材料可由一树脂基高分子化合物制成。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，热熔融材料可由一聚酰胺共聚物、一聚酯共聚物或一苯氧树脂制成。

于上述实施方式的树脂基复合结构的制造方法中，还包含：使用树脂基复合结构制成一自行车车架或一自行车零组件。

于本发明另一实施方式中，揭示一种树脂基复合结构，其包含一预浸布以及一热熔融材料。预浸布包含一环氧树脂-碳纤维复合材料。热熔融材料与预浸布熔融。其中热熔融材料于一第一温度时被熔化、软化以及完全与预浸布熔融，于一第二温度时被固化形成树脂基复合结构，且第一温度小于第二温度。

于上述实施方式的树脂基复合结构中，热熔融材料可由一树脂基高分子化合物制成。

于上述实施方式的树脂基复合结构中，热熔融材料可由一聚酰胺共聚物、一聚酯共聚物或一苯氧树脂制成。

于上述实施方式的树脂基复合结构中，热熔融材料的一型态可为一不织布、一编织布或一薄膜。

于上述实施方式的树脂基复合结构中，热熔融材料可与一短纤维复合材料混合形成不织布。

于上述实施方式的树脂基复合结构中，热熔融材料可由一热塑性材料制成。

于上述实施方式的树脂基复合结构中，热熔融材料于室温下为固态，于第一温度后由固态转换成胶态，而于第二温度后由胶态转换成固态。

于上述实施方式的树脂基复合结构中，热熔融材料的一黏度随第一温度升高至第二温度而降低。

附图说明

图1是绘示以已知压模固化制程所制成的一预浸布的数种表面缺陷的示意图；

图2a是绘示依据本发明一实施例的树脂基复合结构的制造方法的流程示意图；

图2b是绘示依据本发明另一实施例的树脂基复合结构的制造方法的流程示意图；

图3是绘示以图2a或图2b的制造方法所制成的一种树脂基复合结构的示意图；

图4a是绘示于图2a或图2b的制造方法中所使用的热熔融材料的结构示意图；

图4b是绘示图4a中的热熔融材料的结构的显微放大示意图；

图5是绘示热熔融材料及预浸布的黏度于压模固化制程中随温度变化的比较图；

图6a是绘示以树脂基复合结构所制成的自行车车架于未执行压模固化制程前的外观示意图；

图6b是绘示图6a中的自行车车架于执行压模固化制程后的外观示意图；

图7a是绘示一碳纱覆盖于一预浸布上于未执行压模固化制程前的示意图；

图7b是绘示图7a中的碳纱于执行压模固化制程后与预浸布熔融的示意图；

图7c是绘示本发明的热熔融材料覆盖于一预浸布上于未执行压模固化制程前的示意图；以及

图7d是绘示图7c中的热熔融材料于执行压模固化制程后与预浸布熔融的示意图。

具体实施方式

于下列的描述中，将参照所附附图说明本发明的具体实施例。许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，这些实务上的细节不应该用以限制本发明。亦即，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示。

请参照图2a。图2a是绘示依据本发明一实施例的树脂基复合结构的制造方法的流程示意图。本发明所揭示的树脂基复合结构的制造方法，包含：步骤s101、步骤s102及步骤s103。步骤s101是准备一预浸布，其中预浸布包含一环氧树脂-碳纤维复合材料。步骤s102是覆盖一热熔融材料于预浸布的一表面上。步骤s103是执行一压模固化制程以令热熔融材料与预浸布熔融，其中压模固化制程包含：于一第一温度加热以令热熔融材料熔化、软化及完全与预浸布熔融；以及于一第二温度加热热熔融材料以固化热熔融材料而形成一树脂基复合结构。

请参照图2b。图2b是绘示依据本发明另一实施例的树脂基复合结构的制造方法的流程示意图。本发明所揭示的另一种树脂基复合结构的制造方法，包含：步骤s201、步骤s202、步骤s203及步骤s204。步骤s201是准备一预浸布，其中预浸布包含一环氧树脂-碳纤维复合材料。步骤s202是覆盖一热熔融材料于预浸布的一表面上。步骤s203是执行一热预压制程以将热熔融材料压合于预浸布的表面。步骤s204是执行一压模固化制程以令热熔融材料与预浸布熔融，其中压模固化制程包含：于一第一温度加热以令热熔融材料熔化、软化及完全与预浸布熔融；以及于一第二温度加热热熔融材料以固化热熔融材料而形成树脂基复合结构。于上述图2a及图2b所揭示的树脂基复合结构的制造方法中，第一温度小于第二温度。

本发明的一目的，是为提供一种新颖材料及制造方法，最终制成一新型态的树脂基复合结构。因此，对材料的选择及制程参数的控制相当重要，将于后续段落说明之。

图3是绘示以图2a或图2b的制造方法所制成的一种树脂基复合结构300的示意图。图3中，热熔融材料100于初始时覆盖于预浸布200的表面上，接续执行一压模固化制程以令热熔融材料100与预浸布200熔融而形成树脂基复合结构300。树脂基复合结构300具有无缺陷、树脂饱满以及平滑的表面，并且无须额外的缺陷移除制程。于图2b实施例中，于执行压模固化制程(步骤s204)前，先执行热预压制程(步骤s203)。此时，热熔融材料100先于初始时覆盖于预浸布200的表面上，接续执行热预压制程，再执行压模固化制程以形成最终的树脂基复合结构300。当执行热预压制程时，将有助于于后续的压模固化制程中排除被锁住的空气，因此可形成更为饱满、无缺陷的树脂基复合结构300。再者，于图2a或图2b实施例中，可透过控制热熔融材料100的制程参数，进而控制树脂基复合结构300的材料特性。举例而言，控制热熔融材料100与预浸布200内的环氧树脂的一浸渍比例，可控制树脂基复合结构300的一透气度。此外，可透过控制热熔融材料100的厚度而控制树脂基复合结构300的一硬度。当热熔融材料100的厚度(以面积克重5g/m²至30g/m²定义之)较薄时，树脂基复合结构300的表面可具有较高的硬度。

图4a是绘示于图2a或图2b的制造方法中所使用的热熔融材料100的结构示意图；图4b是绘示图4a中的热熔融材料100的结构的显微放大示意图。为解决已知环氧树脂-碳纤维复合材料于压模固化制程中，空气被锁住无法释放，而产生表面缺陷的问题，于环氧树脂-碳纤维复合材料上覆盖一层排气层为一种可能的解决方式。然而，迄今仍难以寻得此排气层的合适材料。本发明是揭示一种新颖的热熔融材料100，其可达到相当于此排气层的功效。请一并参照图2a及图2b的实施例。热熔融材料100是属于一种树脂基高分子化合物，其具有特殊材料特性。举例而言，热熔融材料100于室温下为固态，于第一温度后由固态转换成胶态，而于第二温度后再由胶态转换成固态。并且，热熔融材料100的一黏度随着由第一温度升至第二温度而降低。第一温度的范围可由70℃至150℃，更佳为由70℃至100℃。第二温度的范围可由120℃至180℃。换言之，于压模固化制程中，于预浸布200内的环氧树脂开始固化前，热熔融材料100即受热(一般温度范围为70℃至100℃)而由固态转换成胶态；接续热熔融材料100即与预浸布200内的环氧树脂开始熔融。此外，因热熔融材料100的黏度随着由第一温度升高至第二温度而降低，此恰可对应于预浸布200的黏度变化，而使热熔融材料100与预浸布200于树脂基复合结构300固化之前即可完全熔融。因此，第一温度必须控制小于第二温度。据此，热熔融材料100必须选择具特殊材料特性以能符合上述要求。热熔融材料100的特殊材料特性将于后续段落详述之。为能符合上述材料特性，具有低熔点(60℃～120℃)的树脂基热塑性材料，例如聚酰胺共聚物(copa，copolymerofpa)、聚酯共聚物(copes，copolymerofpolyester)、苯氧树脂(phenoxy)或其他具有适当玻璃转化温度(70℃～100℃)的聚醚材料，可能做为热熔融材料100的基础成分。此外，较薄或重量较轻的热熔融材料100将有助于其与预浸布200完全熔融或与预浸布200内的固化剂固化交联，因此可得到高硬度的表面。

于图4a中，可看出热熔融材料100具有可挠性，可与具曲面的预浸布200的表面紧密贴合而有助于更进一步排除热熔融材料100与预浸布200之间的空气。于图4b中，可观察到热熔融材料100具有丝状(veil)的表面型态。热熔融材料100的型态可为一不织布、一编织布或一薄膜。此外，可使用一定比例(例如：50％或其他比例)的短纤维复合材料与热熔融材料100混合而形成不织布。短纤维复合材料的材质可为碳纤维或玻璃纤维。短纤维复合材料因具有可挠性，故有助于令热熔融材料100可贴合于复杂的表面型态(例如：曲面)。于执行压模固化制程后，热熔融材料100可视为形成类似一批覆层于预浸布200的表面上。此时，热熔融材料100的厚度相当均匀且其范围介于5μm到100μm。基于热熔融材料100的特殊材料性质，其于压模固化制程后，可与预浸布200的环氧树脂-碳纤维复合材料完全熔融，且无介面剥离的现象。因此，于其下的预浸布200内含的碳纤维不致外露，而可得到良好的表面外观。此外，以此得到的表面，于形成之后，原始即无缺陷，因此无须后续的缺陷移除制程(例如：补土步骤、磨修步骤及喷涂底漆步骤等)。此外，已知的包含环氧树脂-碳纤维复合材料的预浸布200，于压模固化的温度范围内，具有高度的沾黏性，造成预浸布200与模具间强烈的化学贴合性，因此需要离型剂230以避免将固化后的最终产品与模具脱模时造成不正常的贴合。再者，离型剂230的使用亦常造成压模固化制程上的问题。于本发明中，热熔融材料100为一高分子量的热塑性材料，其于室温时仍保持固态且不具沾黏性(tack-free)，因此无化学贴合性(adhesion)产生。故于前所述的压模固化制程中，仅需使用相当微量的离型剂230或甚至不需使用离型剂230。

请参照图5。图5是绘示热熔融材料100及预浸布200的黏度于压模固化制程中随温度变化的比较图。当由室温(通常为25℃)升至第一温度t1时，热熔融材料100仍保持于固态，不具沾黏性且具有高的透气性。足够低的沾黏性或不具沾黏性可令热熔融材料100于压模固化制程中不致于贴合于模具。此外，固态及高透气性的热熔融材料100有助于排除热熔融材料100与预浸布200于压模固化制程中熔融时所锁住的空气。第一温度通常指热熔融材料100的熔点或玻璃转化温度，其范围可由70℃至150℃，更佳为由70℃至100℃，此随所选用的不同材料而不同。大于第一温度t1后，热熔融材料100开始熔化、软化以及逐渐由固态转变为胶态。当由第一温度t1升高至第二温度t2时，热熔融材料100的黏度逐渐随温度升高而降低。至第二温度t2时，热熔融材料100的黏度降至最低值。第二温度t2为预浸布200的固化温度，其范围可由120℃至180℃，此随所选用的材料的不同而不同。当由第一温度t1至第二温度t2时，预浸布200的黏度亦随之降低，在此范围内，黏度的降低有助于热熔融材料100与预浸布200的完全熔融。因此，于第二温度t2前，热熔融材料100与预浸布200完全熔融。第二温度t2后，完全熔融的热熔融材料100与预浸布200所形成的复合材料开始固化。换句话说，第二温度t2之后，热熔融材料100由胶态转换为固态。最终，于一段固化时间后，即形成树脂基复合结构300。基于本发明中热熔融材料100的特殊材料性质，树脂基复合结构300于固化后即具有无缺陷、平滑的外观而无须于固化后再执行额外的缺陷移除制程。

图6a是绘示以树脂基复合结构300所制成的自行车车架于未执行压模固化制程前的外观示意图。图6b是绘示图6a中的自行车车架于执行压模固化制程后的外观示意图。图6a及图6b展示了图3中的树脂基复合结构300的实际应用例。图6a中，热熔融材料100于初始时被批覆于自行车车架的表面上。此自行车车架是以未固化的预浸布200制成，并且未经过压模固化制程。于图6b中，经过压模固化制程后，热熔融材料100即与预浸布200熔融形成树脂基复合结构300，并最终形成自行车车架。需提及的是，除自行车车架外，其余部分的自行车零组件亦可使用本发明中的树脂基复合结构300制造。当使用热熔融材料100与预浸布200(包含环氧树脂-碳纤维复合材料)结合时，可获得绝佳的刚性-重量比例、平滑的外观以及高的耐久性。需提及的是，已知于制造树脂基复合结构300的自行车车架或自行车零组件的过程中，并未出现过使用如本发明的热熔融材料100者。

图7a是绘示一碳纱101覆盖于一预浸布200上于未执行压模固化制程前的示意图；图7b是绘示图7a中的碳纱101于执行压模固化制程后与预浸布200熔融的示意图；图7c是绘示本发明的热熔融材料100覆盖于一预浸布200上于未执行压模固化制程前的示意图；图7d是绘示图7c中的热熔融材料100于执行压模固化制程后与预浸布200熔融的示意图。图7a至图7d是为应用已知的碳纱101及本发明的热熔融材料100作为批覆于预浸布200上的排气层于压模固化制程前后的外观比较图。图7a中，以已知的碳纱101批覆于预浸布200上形成一复合结构。图7b中，当经过压模固化制程后，此复合结构或可能具有可接受的透气性，但于其表面上，仍可观察到表面缺陷(白点)的产生，此是肇因于被锁住于碳纱101内的空气无法释放所导致。图7c中，以本发明的热熔融材料100批覆于预浸布200上形成一复合结构(即图3实施例中的树脂基复合结构300)。图7d中，当经过压模固化制程后，即产生无缺陷的表面，此是因本发明的热熔融材料100可与预浸布200完全熔融。

综上，本发明是提供热熔融材料100的新用途而可形成树脂基复合结构300。基于此种热熔融材料100的特殊材料性质，当将此树脂基复合结构300应用于自行车制造工业时，轻量、高强度、高耐久性以及优越外观的产品(例如：自行车车架、自行车零组件等)即可被制造出。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。