纤维增强的塑料复合材料及其制造方法、原材料和用途
【专利摘要】本发明涉及纤维增强的塑料复合材料，其包含基质材料(1)、用于增强基质材料(1)的许多纤维和用于提高纤维增强的塑料复合材料的断裂韧性的至少一种热塑性添加剂材料(2)，其中所述热塑性添加剂材料(2)溶解在基质材料(1)中。热塑性添加剂材料(2)起初，即溶解在基底材料中之前，可以是粉末或颗粒形式的。另外，本发明涉及适用于纤维增强的塑料复合材料的塑料复合原材料和制造纤维增强的塑料复合材料的方法。最后，本发明还涉及包含纤维增强的塑料复合材料的风力涡轮机部件。
【专利说明】纤维增强的塑料复合材料及其制造方法、原材料和用途
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用许多纤维增强的塑料复合材料。另外，本发明涉及塑料复合原材料 和制造纤维增强的塑料复合材料的方法。本发明最后还涉及风力涡轮机部件，所述部件包 含纤维增强的塑料复合材料。
【背景技术】
[0002] 纤维增强的塑料复合材料用于各种技术产品，如汽车、储槽和风力涡轮机叶片。纤 维增强的塑料复合材料包含基质材料和增强该基质材料的纤维。纤维通常非常适合增强该 基质材料，因为纤维，如玻璃纤维、碳纤维、天然纤维或其它纤维具有高强度和高刚性。纤维 可能呈粗纱束或织物形式或无规取向纤维形式。这些纤维通常位于并固定在基质材料中。
[0003] 纤维增强的塑料复合材料的一个优点因此在于其相对刚性。但是，纤维增强的塑 料复合材料的一个缺点和问题在于由于本身脆性的基质材料的性质，其相对脆性。
[0004] 为了确保由纤维增强的塑料复合材料制成的物体的充足强度和断裂韧性，迄今通 常简单地将该物体增大至避免疲劳裂纹的程度。但是，简单的更厚物体需要更多材料和更 多劳力。因此最终物体的成本提高。另外，考虑到制造该物体所需的材料量，简单增大该物 体不是可持续的策略。
[0005] 因此迫切需要提供具有提高的断裂韧性的纤维增强的塑料复合材料。
【发明内容】
[0006] 通过独立权利要求实现这一目的。从属权利要求描述了本发明的有利扩展和改 良。
[0007] 根据本发明，提供了纤维增强的塑料复合材料，其包含基质材料、用于增强所述基 质材料的许多纤维和用于提高纤维增强的塑料复合材料的断裂韧性的至少一种热塑性添 加剂材料。该热塑性添加剂材料溶解在基质材料中。
[0008] 复合体，也称作复合材料或组合材料，是由两种或更多种具有不同物理和/或化 学性质的独立材料制成的材料。在合并所述独立材料时，产生具有与所述独立材料不同的 特性的复合材料。所述独立材料在所述复合材料的最终结构内保持分离和相异。
[0009] 复合材料的实例包括复合建筑材料如水泥或混凝土、增强塑料如纤维增强的聚合 物、金属复合材料或陶瓷复合材料。复合材料的另一实例是金属陶瓷，其是包含陶瓷和金属 的复合材料。
[0010] 纤维增强的塑料复合材料是用纤维增强的塑料复合材料。
[0011] 纤维增强的塑料复合材料可通过固化包含塑料复合原材料和许多纤维的混合物 制造。该塑料复合原材料可包含基底材料和用于提高纤维增强的塑料复合材料的断裂韧性 的至少一种热塑性添加剂材料。
[0012] 术语"基质材料"因此是指固化的基底材料，即硬化后的基底材料。
[0013] 此外，基质材料可以部分或完全包封纤维以保护它们免受切断和切口，这些会降 低纤维的强度。最后，基质材料的另一重要用途是向纤维传递力。
[0014] 所述许多纤维可包含玻璃纤维，例如纺织玻璃纤维。所述许多纤维还可包含通过 聚丙烯腈纤维、浙青树脂或人造丝在高温下的碳化制成的碳纤维。最后，所述许多纤维还可 包含芳族聚酰胺纤维。
[0015] 该基质材料可包含热塑性基质材料。热塑性添加剂材料和热塑性基质材料在下文 中也简称为热塑性材料。
[0016] 热塑性材料，也被称作热软化性塑料材料，其是在特定温度以上变柔韧或可模制 并在冷却时恢复固态，即刚性态的材料。换言之，热塑性材料在热能影响下变得可逆地可锻 或可变形。
[0017] 该纤维增强的塑料复合材料的提高的断裂韧性意味着提高的抗裂性-相对于 现有技术状况-这随后意味着由该改进的纤维增强的塑料复合材料制成的物体的提高 的抗疲劳性-相对于现有技术状况。热塑性添加剂材料起初，即溶解在基底材料中之前， 可以是粉末或颗粒形式的。
[0018] 该热塑性添加剂材料可包含聚合物。聚合物包含许多单体并排列在聚合物链中。 单体也可以被描述为是化学键合到其它分子上以形成聚合物的分子。
[0019] 许多聚合物链可通过物理键和/或化学键，例如共价键、范德华键、静电键和/或 氢键互相连接。
[0020] 在热塑性添加剂材料溶解在基底材料中之前，该热塑性添加剂材料有利地以化学 共价键的网络排列。在溶解后，共价键溶解且该热塑性添加剂材料可能以单聚合物链形式 排列。
[0021] 包含具有热塑性添加剂材料的纤维增强的塑料复合材料的物体与包含无热塑性 添加剂材料的纤维增强的塑料复合材料的另一物体相比具有几个重要的优点： -与现有技术状况相比，借助该热塑性添加剂材料改进基质材料和因此该物体的断裂 韧性； -与现有技术状况相比改进该物体的疲劳性质，例如抗疲劳性； -该物体可能比现有技术状况更轻； -与现有技术状况相比可以更便宜地制造该物体； -与现有技术状况相比可以提高该物体的阻尼，因为在该热塑性材料中耗散更多能 量。
[0022] 物体可以完全由含热塑性添加剂材料的纤维增强的塑料复合材料制成。但是，如 果该物体只有一部分或一区段包含所述含热塑性添加剂材料的纤维增强的塑料复合材料， 也是有利的。含热塑性添加剂材料的区段或部分可以被选为是需要高结构阻尼或由添加溶 解的热塑性添加剂材料获得的其它性质的区域。降低的阻尼可能是有利的，因为其可降低 固有振荡，也称作本征振荡。
[0023] 在第一个实施方案中，该热塑性添加剂材料包含聚合物。
[0024] 该热塑性添加剂材料特别可以包含许多聚合物链。
[0025] 在另一实施方案中，该基质材料是热固性材料，特别是热固性聚合物。
[0026] 热固性材料，也称作热凝物，是不可逆固化的材料。可以通过热、通过化学反应或 通过辐射，如电子束加工进行固化。热固性材料的基底材料在固化前可以是液体和/或可 锻的。其还可以设计为模制成最终形状。一旦固化，热固性材料不可逆硬化。
[0027] -般而言，材料无法同时具有热塑性材料和热固性材料的性质。
[0028] 对许多物体和许多操作条件而言，耐久和非弹性的基质材料是有利的。希望该热 固性基质材料在固化后保持刚性并且无法再熔融或变形。
[0029] 在另一实施方案中，该基质材料包含选自聚酯、聚氨酯、生物聚合物和树脂，特别 是环氧树脂的至少一种材料。
[0030] 环氧树脂，也称作聚环氧化物，是含有环氧基的反应性预聚物和/或聚合物。环氧 树脂可以通过催化均聚与自身交联，或与一系列共反应物，包括多官能胺、酸、酚、醇和硫醇 交联。
[0031] 共反应物被称作硬化剂或固化剂，且交联反应可以被称作固化。环氧树脂的优点 是其有利的机械性质、耐高温性和高的耐化学性。此外，环氧树脂可以容易地获得。
[0032] 生物聚合物由活生物体产生。生物聚合物包含共价键合形成更大结构的单体单 元。生物聚合物包括例如多核苷酸，如核糖核酸（RNA)或脱氧核糖核酸（DNA)、多肽和多糖。
[0033] 在另一实施方案中，该基质材料包含热塑性基质材料，特别是丙烯腈丁二烯苯乙 烯和/或尼龙。
[0034] 该热塑性基质材料可以是固体、可熔的热塑性材料。该热塑性基质材料可熔以使 其能与纤维共混。
[0035] 在另一实施方案中，该热塑性添加剂材料包含聚乙烯醇缩丁醛（PVB)和/或聚对 苯二甲酸乙二醇酯（PET)。
[0036] PVB例如用于层压安全玻璃，其用于例如汽车挡风玻璃。PVB可以是强韧和延性 的。这有利并有益于由纤维增强的塑料复合材料制成的物体。
[0037] 在一个优选实施方案中，热塑性添加剂材料的重量与基质材料的重量的比率选自 0.0005至0.2的范围，特别是0.001至0. 1的范围。
[0038] 换言之，热塑性添加剂材料可以以基质材料，例如热固性树脂的重量的0. 05重 量％至20重量％添加。
[0039] 因此，热塑性添加剂材料相对于基质材料的特定百分比可限定该液体塑料复合原 材料的粘度。另外，热塑性添加剂材料相对于基质材料的百分比也可用于校准和设定纤维 增强的塑料复合材料，例如固化树脂的机械性质。
[0040] 在另一实施方案中，基质材料的重量与热塑性添加剂材料的重量的比率选自 0. 0005至0. 2,特别是0. 001至0. 1的范围。
[0041] 在热塑性添加剂材料的主要组分中0. 05%至20%的基质材料重量在制造上可能相 对困难和麻烦，但其在特定操作条件下可能可行和有利。
[0042] 在另一实施方案中，所述许多纤维包含纤维材料。该纤维材料包含超过50 Gpa，特 别超过70 Gpa的弹性模量，和/或该基质材料包含低于5 Gpa，特别低于3 Gpa的弹性模 量。
[0043] 弹性模量，也称作弹性的模量或杨氏模量，是物体或物质在受力时的弹性（S卩非永 久）变形倾向的数学描述。材料越刚性，其弹性模量越高。因此，弹性模量描述拉伸弹性或 由该材料制成的物体在沿其轴施加相反的力时沿该轴变形的倾向。弹性模量因此被定义为 拉伸应力/拉伸应变比。
[0044] 以其弹性模量表示的纤维材料的刚性可优选小于500 Gpa，特别小于300 Gpa。
[0045] 本发明还涉及塑料复合原材料。该塑料复合原材料包含基底材料和用于提高纤维 增强的塑料复合材料的断裂韧性的热塑性添加剂材料。热塑性添加剂材料溶解在基底材料 中。
[0046] 因此，该塑料复合原材料安排并准备用于转化成纤维增强的塑料复合材料，因此 其适用于制造纤维增强的塑料复合材料。如果例如基底材料包含树脂并固化该树脂，则该 树脂在固化后被称作基质材料。
[0047] 在一个优选实施方案中，该基底材料包含至少一种类型的液体热固性树脂。
[0048] 液体热固性树脂具有易得和易加工的优点。此外，液体热固性树脂非常适合作为 热塑性添加剂材料的溶剂。
[0049] 在另一优选实施方案中，该塑料复合原材料包含固化剂。
[0050] 固化是指聚合物材料通过聚合物链的交联增韧或硬化。可以通过固化剂有益地影 响固化过程。使用固化剂的优点是例如固化过程的良好可控性和与无固化剂的固化过程相 比可能更稳定和更平稳的固化过程。
[0051] 如果基底材料重量的90重量％，特别是95重量％硬化，基底材料可以被认为固化。
[0052] 在另一实施方案中，该塑料复合原材料安排并准备用于制造纤维增强的塑料复合 材料，所述纤维增强的塑料复合材料包含基质材料、至少一种纤维和热塑性添加剂材料。此 夕卜，该塑料复合原材料包含至少一种用于使基质材料和/或热塑性添加剂材料与纤维偶联 的偶联剂。
[0053] 为了增强力从纤维传递至基质材料，可以将偶联剂施加到纤维表面上。这一过程 被称作纤维的施胶。
[0054] 在一个优选实施方案中，偶联剂包含硅烷。
[0055] 本发明还涉及风力涡轮机部件，特别是风力涡轮机转子叶片，其包含如上所述的 纤维增强的塑料复合材料。
[0056] 对风力涡轮机部件的要求是充满挑战的。所述部件应该例如坚固、耐久和价格实 惠。本发明的纤维增强的塑料复合材料非常有益于风力涡轮机部件。风力涡轮机部件包括 吊舱、复合塔和特别是风力涡轮机转子叶片。已提到的纤维增强的塑料部件的优点，如提高 的断裂韧性、改进的疲劳性质、轻重量，对风力涡轮机转子叶片而言特别重要和有益。
[0057] 最后，本发明涉及制造纤维增强的塑料复合材料的方法。该纤维增强的塑料复合 材料包含热塑性添加剂材料。该方法包括提供包含许多纤维和塑料复合原材料的混合物， 其中通过将热塑性添加剂材料溶解在基底材料中获得所述塑料复合原材料，并固化所述混 合物。
[0058] 该纤维增强的塑料复合材料特别适用于风力涡轮机，优选适用于风力涡轮机转子 叶片。
[0059] 固化可包括紫外线辐射和电子束辐射或施热。固化更具体包括用40°C至300°C的 温度热处理。这种热处理可以对基底材料施用2小时至10小时。例如，该混合物可以在 60°C下固化6小时。
[0060] 从下文描述的实施方案的实例中可看出本发明的上文规定的方面和其它方面，并 参照实施方案的实例作出解释。
【专利附图】
【附图说明】
[0061] 现在参照附图仅举例描述本发明的实施方案，其中： 图1:显示固化的热固性树脂的空间骨架； 图2:显示含有化学溶解的热塑性添加剂材料的固化热固性树脂的空间骨架；且 图3:显示含有偶联剂的单纤维。
[0062] 附图中的图解是示意性的。
[0063] 参照图1，显示充当纤维增强的塑料复合材料的基质材料1的固化热固性树脂的 特殊骨架。该热固性树脂包含多个聚合物链，包括第一聚合物链10、第二聚合物链11和第 三聚合物链12。第二聚合物链11通过第一交联21与第一聚合物链11连接。另外，第二聚 合物链11通过第二交联22与第三聚合物链12连接。如图1中可以看出，所述多个聚合物 链形成特殊骨架并互相键合。
[0064] 所述多个聚合物链的各聚合物链包含多种单体。所述多种单体的单体可包含反应 性官能团。例如，在图1中，第一单体包含第一自由基末端23。
[0065] 在图2中，显示含有化学溶解的热塑性添加剂材料2的固化热固性树脂的特殊骨 架，该固化热固性树脂充当纤维增强的塑料复合材料的基质材料。聚合物链仍通过交联键 合在一起。另外，可以看出，化学溶解的热塑性添加剂材料2合并并附着到固化热固性树脂 上。
[〇〇66] 最后，图3显示被固化热固性树脂包裹的纤维3的剖视图。充当偶联剂4的胶料 分子连接并附着到纤维3的外周上。在这一实例中，胶料分子包含硅烷。
【权利要求】
1. 纤维增强的塑料复合材料，其包含 -基质材料（1)， -用于增强所述基质材料的许多纤维，和 -用于提高纤维增强的塑料复合材料的断裂韧性的至少一种热塑性添加剂材料（2); 其中 -所述热塑性添加剂材料（2)溶解在所述基质材料中。
2. 根据权利要求1的纤维增强的塑料复合材料 其特征在于 所述热塑性添加剂材料（2)包含聚合物。
3. 根据权利要求1或2任一项的纤维增强的塑料复合材料， 其特征在于 所述基质材料（1)包含热固性材料，特别是热固性聚合物。
4. 根据权利要求1至3任一项的纤维增强的塑料复合材料， 其特征在于 所述基质材料（1)包含选自聚酯、聚氨酯、生物聚合物和树脂，特别是环氧树脂的至少 一种材料。
5. 根据权利要求1至4任一项的纤维增强的塑料复合材料， 其特征在于 所述基质材料（1)包含热塑性基质材料，特别是丙烯腈丁二烯苯乙烯和/或尼龙。
6. 根据权利要求1至5任一项的纤维增强的塑料复合材料， 其特征在于 所述热塑性添加剂材料（2)包含聚乙烯醇缩丁醛和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
7. 根据权利要求1至6任一项的纤维增强的塑料复合材料， 其特征在于 所述热塑性添加剂材料（2)的重量与所述基质材料（1)的重量的比率选自0.0005至 0.2的范围，特别是0.001至0. 1的范围。
8. 根据权利要求1至6任一项的纤维增强的塑料复合材料， 其特征在于 所述基质材料（1)的重量与所述热塑性添加剂材料（2)的重量的比率选自0.0005至 〇. 2,特别是0. 001至0. 1的范围。
9. 根据权利要求1至8任一项的纤维增强的塑料复合材料， 其特征在于 所述许多纤维包含纤维材料，所述纤维材料包含超过50 Gpa，特别超过70 Gpa的弹性 模量，和/或所述基质材料（1)包含低于5 Gpa，特别低于3 Gpa的弹性模量。
10. 塑料复合原材料，其包含基底材料和用于提高纤维增强的塑料复合材料的断裂韧 性的至少一种热塑性添加剂材料（2)， 其中 所述热塑性添加剂材料（2)溶解在基底材料中。
11. 根据权利要求10的塑料复合原材料， 其特征在于 所述基底材料包含至少一种类型的液体热固性树脂。
12. 根据权利要求10或11任一项的塑料复合原材料， 其特征在于 所述塑料复合原材料包含至少一种固化剂。
13. 根据权利要求10至12任一项的塑料复合原材料， 其特征在于 -所述塑料复合原材料安排并准备用于制造纤维增强的塑料复合材料，所述纤维增强 的塑料复合材料包含基质材料（1)、至少一种纤维和所述热塑性添加剂材料（2);且 -所述塑料复合原材料包含至少一种用于使所述基质材料和/或所述热塑性添加剂 材料（2)与所述纤维偶联的偶联剂（4)。
14. 根据权利要求13的塑料复合原材料， 其特征在于 所述偶联剂（4)包含硅烷。
15. 风力涡轮机部件，特别是风力涡轮机转子叶片部件，其包含根据权利要求1至9任 一项的纤维增强的塑料复合材料。
16. 制造纤维增强的塑料复合材料的方法， 其中所述纤维增强的塑料复合材料包含热塑性添加剂材料（2)，且所述方法包括 -提供包含许多纤维和塑料复合原材料的混合物，其中通过将所述热塑性添加剂材料 (2)溶解在基底材料中获得所述塑料复合原材料，和 -固化所述混合物。
【文档编号】C08L55/02GK104059237SQ201410101731
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】E.格罗夫-尼尔森 申请人:西门子公司