混合型玻璃纤维碳纤维热塑性复合物的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 根据美国法典第35篇第119(e)条的规定，本申请要求提交于2013年6月18日且当 前未决的美国临时申请61/836264的优先权，其全文以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及复合结构、制备该复合结构的方法以及最终用途的制品，所述复合结 构具有被聚酰胺树脂浸渍的由碳纤维制成的纤维材料和由玻璃纤维制成的纤维材料。
【背景技术】
[0004] 为了代替金属零件以减轻重量和降低成本并同时保持相当的或更优的机械性能， 开发了基于复合材料的结构，这些复合材料具有包含纤维材料的聚合物基质。随着对此领 域关注度的日益增长，已设计了纤维增强的塑性复合结构，原因在于其具有由纤维材料和 聚合物基质的组合而产生的优异物理特性，并且这些纤维增强的塑性复合结构已用于多种 最终用途应用。已开发了多种制造技术来改善聚合物基质对纤维材料的浸渍，从而优化复 合结构的特性。
[0005] 在要求很高的应用中，例如机动车和航空航天应用中的结构零件，由于复合材料 具有重量轻、高强度和耐温性的独特组合，因此是所期望的。
[0006] 可使用热固性树脂或热塑性树脂作为聚合物基质来获得高性能复合结构。基于热 塑性的复合结构相对于基于热固性的复合结构表现出若干优点，包括通过施热和施压而可 再成型或再加工的能力。此外，制备复合结构所需的时间由于不需要固化步骤而降低，并且 它们具有增加的回收利用可能性。
[0007]在热塑性树脂中，聚酰胺尤其充分适于制造复合结构。因为热塑性聚酰胺组合物 具有良好的机械特性、耐热性、抗冲击性和耐化学品性，并且人们可方便灵活地将其模塑成 多种不同复杂度与精细度的制品，因此期望将热塑性聚酰胺组合物用于各种不同的应用 中，包括汽车用的零件、电气/电子零件、家用电器和家具。
[0008] 为了改进复合结构和集成的复合结构的制造方法并且使纤维材料的混合或浸渍 更容易、更快和均匀，已经开发了多种方法以降低聚合物基质的熔体粘度。由于具有低熔体 粘度，聚合物组合物流动更快，因此更易于加工。通过降低聚合物基质的熔体粘度，可缩短 达到期望混合程度所需的时间，从而提高总体制造速度，从而导致产量提高。
[0009] 然而，使用低熔体粘度的聚酰胺组合物来改善或加速纤维材料的混合或浸渍，可 导致复合结构因不良的机械和热老化特性而在高要求应用如机动车领域中不理想。
[0010]包含由碳纤维制成的纤维材料的复合结构尤其引人关注，这是因为所述碳纤维赋 予所述材料非常良好的机械特性。但是，使用热塑性聚合物对碳纤维制成的纤维材料的浸 渍可以特别具有挑战性。对于由碳纤维制成的具有高基重的纤维材料而言尤其如此。这通 常是由于碳纤维具有小纤维尺寸和巨大的每束纤维数的事实造成的，但也是由于碳纤维的 低极性导致的与诸如聚酰胺这样的极性聚合物的轻度不相容所造成的。
[0011] 因此，仍需要包含树脂组合物的复合结构，所述树脂组合物可快速并且有效的浸 渍由碳纤维制成的纤维材料，并且其中所述复合结构表现出良好的机械特性。
【发明内容】
[0012] 本文公开并且受权利要求书保护的是一种复合结构，其包含：
[0013] a)两个或更多个由碳纤维制成的纤维材料层，其具有大于或等于150g/m2的基重， [0014] b)-个或多个由玻璃纤维制成的纤维材料层，其具有大于或等于200g/m2的基重， 和
[0015] c)聚酰胺树脂组合物，
[0016] 其中由碳纤维制成的纤维材料和由玻璃纤维制成的纤维材料被聚酰胺树脂组合 物浸渍，并且其中所述复合结构的各个外层为由碳纤维制成的纤维材料层a)。
[0017] 优选地，所述聚酰胺树脂组合物中的聚酰胺树脂选自PA6; PA11; PA12; PA4，6; PA6， 6;PA，10;PA6，12;PA10，10;PA6T ;PA6I，PA6I/6T;PA66/6T;PAMXD6;PA6T/DT 以及它们的共聚 物和共混物。
[0018] 优选地，所述聚酰胺树脂组合物中的聚酰胺树脂具有大于或等于15,000g/mol的 重均分子量，并且更优选地，具有大于或等于25，000g/m 〇l的重均分子量。
[0019] 优选地，由碳纤维制成的纤维材料为单向无褶织物或织造织物，并且由玻璃纤维 制成的纤维材料为织造织物。优选地，由碳纤维制成的纤维材料层为由具有大于或等于12， 〇〇〇单丝数(f i lament)的丝束大小的碳纤维制成的织物。
[0020] 在第二方面，本发明提供由本发明复合结构制成的制品。
[0021] 在又一方面，本发明公开并且要求保护制造本发明复合结构的方法。
[0022] 制备本发明的复合结构的方法包括以下步骤：
[0023] a)提供两个或更多个由碳纤维制成的纤维材料层，其具有大于或等于150g/m2的 基重，
[0024] b)提供一个或多个由玻璃纤维制成的纤维材料层，其具有大于或等于200g/m2的 基重，以及
[0025] c)以膜或粉末形式提供聚酰胺树脂组合物，其中将所述聚酰胺组合物置于由碳纤 维制成的纤维材料层和由玻璃纤维制成的纤维材料层之间，
[0026] d)在热和压力下，使所述纤维材料层被所述聚酰胺树脂组合物浸渍，
[0027] e)使所述复合结构冷却，并且随后回收所述复合结构。
【具体实施方式】
[0028]
[0029] ^说明书通篇所用，短语"约为"和"为或约为"旨在表示所述量或数值可为指定 值或围绕指定值的其它值。所述短语旨在表达根据本发明的类似的值产生了相同的结果或 效果。
[0030] 如本文所用，术语"纤维材料"是指为本领域技术人员已知的任何适宜的垫、织物 或幅材形式的材料。用于形成纤维材料的纤维或股线互相连接（即至少一根纤维或股线接 触至少一根其它纤维或股线以形成连续材料)或彼此接触，以形成连续的垫、幅材或类似结 构。
[0031 ]如本文所用，术语纤维层"基重"是指所述干纤维层的每单位面积重量。
[0032] 纤维束中的单丝数用于定义碳纤维的丝束大小。常见大小包括12,000(12k)单丝/ 丝束，或50,000(50k)单丝/丝束。
[0033] 如本文所用，术语"浸渍"是指聚酰胺树脂组合物流入纤维材料的孔腔和空隙空间 中。
[0034] 复合结构
[0035] 本发明的复合结构提供了良好的机械特性，特别是挠曲模量和挠曲强度，并且由 于碳纤维制成的纤维材料的更快浸渍，它们可以以高性价比的方式获得。
[0036]本发明复合结构包含：
[0037] a)两个或更多个由碳纤维制成的纤维材料层，其具有大于或等于150g/m2的基重，
[0038] b)-个或多个由玻璃纤维制成的纤维材料层，其具有大于或等于200g/m2的基重， 和
[0039] c)聚酰胺树脂组合物，
[0040] 其中由碳纤维制成的纤维材料和由玻璃纤维制成的纤维材料被聚酰胺树脂组合 物浸渍，并且其中所述复合结构的各个外层为由碳纤维制成的纤维材料层a)。
[0041] 在本发明的一个方面，所述复合结构包含以聚酰胺树脂组合物浸渍的三个纤维材 料层，其具有以下的布置：
[0042]-一个由碳纤维制成的纤维材料层(a)，其具有大于或等于150g/m2的基重，
[0043]- 一个由玻璃纤维制成的纤维材料层(b)，其具有大于或等于200g/m2的基重，
[0044] --个由碳纤维制成的纤维材料层(a)，其具有大于或等于150g/m2的基重。
[0045] 在本发明的另一个方面，所述复合结构包含以聚酰胺树脂组合物浸渍的五个纤维 材料层，其具有以下的布置：
[0046] --个由碳纤维制成的纤维材料层(a)，其具有大于或等于150g/m2的基重，
[0047]-三个由玻璃纤维制成的纤维材料层(b)，其具有大于或等于200g/m2的基重，
[0048]--个由碳纤维制成的纤维材料层(a)，其具有大于或等于150g/m2的基重。
[0049] 在本发明的另一个方面，所述复合结构包含以聚酰胺树脂组合物浸渍的六个纤维 材料层，其具有以下的布置：
[0050] -两个由碳纤维制成的纤维材料层(a)，其具有大于或等于150g/m2的基重，
[0051]-两个由玻璃纤维制成的纤维材料层(b)，其具有大于或等于200g/m2的基重，<