制造复合材料的方法

制造复合材料的方法
【专利摘要】本发明的制造复合材料的方法使用了粘合剂来将不同的纤维材料层（2）固定在正确的位置。所述方法进一步包括步骤：在用包含充当所述粘合剂的溶剂的组分的热固性树脂润湿所述粘合剂的过程中，所述粘合剂被至少部分溶解。所述粘合剂可以为具有可以与热固性树脂发生反应的官能团的热塑性粘合剂。优选地，为了最佳相容性，所述粘合剂可以由与热固性树脂相同的基体树脂制成。此外，所述粘合剂也可以用来降低例如用于使用半真空操作的材料，例如纤维组件（2），的渗透性。
【专利说明】制造复合材料的方法
[0001]本发明涉及制造复合材料，例如风力涡轮机转子叶片，的方法。其进一步涉及使用粘合剂来临时固定增强材料。粘合剂也可以用来降低纤维材料的组件(package)的渗透率。
[0002]为了获得用粗纱或织物形式的纤维增强的复合材料的最佳性能，纤维的铺层(layup)是关键。导致纤维的褶皱或移位的纤维的无意移动会对最终的层压板性能有严重影响，并可以导致层压板的昂贵的维修或废弃。
[0003]尤其是在大型模具中，其中以预定的顺序施加大量的纤维增强材料，纤维的局部移位的风险很高，除非连续地固定新的层。而且，如果移动模具或模具中的插入物是必要的，则移位的风险很高。
[0004]目前，为了确保主要是织物的适当的放置，对于每个新的层往往将这些缝合到一起以形成更稳定的纤维组件。然而这是非常劳动密集的并且在一些情况下织物的缝合可能非常困难或不可能进行，因为其要求织物被至少部分地提起以正确地使用缝合设备。此外，缝合负面地影响织物的纤维结构，并由此导致非最优的材料性能。
[0005]或者，可以将织物的夹持装置放置在模具这一侧，然后其可以用来夹持织物的每个新的层。这往往需要使用过量的织物，其应随后被切掉并会在一定程度上也导致纤维结构的破裂。这种夹持方法只能用在模具的边缘附近。
[0006]由于目前可用的粘合剂会干扰在被粘合剂覆盖的区域中的纤维的随后润湿，并且由于粘合剂和用来生产所述复合材料零件的热固性材料之间的差的相容性，目前可用的粘合剂还将负面地影响材料性能，粘合剂用于固定目的的用途有限。
[0007]已知的反应性热熔粘合剂可用于各种目的，并往往主要基于与空气中的水分反应的聚氨酯，但是也有基于乙基醋酸乙烯酯共聚物的粘合剂。这种粘合剂不能被结合在随后施加的热固性树脂中。
[0008]在US7271202 B2中公开了反应性热熔胶组合物，其具有优良的粘附力和固化性能。该组合物与自由基交联引发剂一起包含在乙烯-丙烯酸共聚物，和乙烯-甲基丙烯酸共聚物，和/或乙烯-丙烯酸甲基丙烯酸三元共聚物中。
[0009]Saertex生产了可以用来将纤维织物粘附到模具或者其它纤维织物的胶带，其可在商标名Saerfix下市售获得。也可以将该胶带预施加至来自制造商的织物。如在公开的发明中，还在纤维浸湿过程中将该胶带结合到热固性树脂基质中，而对机械性能没有负面影响。
[0010]然而，这种胶带确实有一些限制。粘合表面的几何形状受限于简单的几何形状，其必须裁成一定的形状。由于胶带具有粘合表面，直到使用，所述表面必须用载体材料覆盖，在施加之前必须移除所述载体材料并丢弃。贮存期是有所限制的。这种胶带是相对昂贵的。这种胶带的自动铺层将相当困难。
[0011]在US2010/0029155 Al中公开了粘合剂涂覆的织物，其适用于复合材料。粘合剂涂覆的织物在至少一个向外的表面上涂覆有丙烯酸酯粘合剂。在US2007/0023975A1中记述了使用厌氧粘合剂制造纤维增强的模塑制品和纤维垫的方法。[0012]目的和解决方案
本发明的第一个目的是提供制造复合材料的改进的方法，其减少了使用的纤维层的褶皱或移位的发生。本发明的第二个目的是提供一种在渗透性材料中获得压力差的方法。
[0013]通过根据权利要求1要求保护的制造复合材料的方法解决了第一个目的。通过根据权利要求17要求保护的在渗透性材料中获得压力差的方法解决了第二个目的。从属权利要求定义了本发明的进一步改进。
[0014]本发明的制造复合材料的方法包括借助于具有可以与热固性树脂反应的官能团的粘合剂来固定至少一个纤维材料层的步骤。所述方法进一步包括在用热固性树脂润湿所述粘合剂过程中至少部分地溶解所述粘合剂的步骤，其中所述热固性树脂包含充当所述粘合剂的溶剂的组分。例如，在用热固性树脂润湿所述粘合剂过程中所述粘合剂可被完全溶解，其中所述热固性树脂包含充当所述粘合剂的溶剂的组分。
[0015]所述复合材料可以例如为风力涡轮转子叶片。使用具有可以与热固性树脂反应的官能团的粘合剂具有以下优点，即，使用的粘合剂随后可以被结合到生成的层压板中，而不负面地影响层压板性能。
[0016]可以将所述至少一个纤维材料层固定到模具的表面或固定到其它层，例如，固定到其它的纤维材料其它层。如前面所述，在制造复合材料的过程中通过使用粘合剂来固定纤维材料的层，可以避免可能导致纤维的褶皱或移位的纤维的无意移动。这提高了最终层压板或复合材料的质量和性能。此外，可以避免层压板的昂贵的维修或废弃。
[0017]优选地，可以使用热塑性或热固性粘合剂。例如，可以使用包含不饱和基体树脂的粘合剂。有利地，粘合剂可以包含具有不饱和键的低聚物的基体树脂。例如，可以使用包含不饱和聚酯和/或乙烯基酯(例如，基于双酚A的乙烯基酯)的粘合剂。
[0018]市售的粘合剂通常基于热塑性或热固性材料。通常将热塑性粘合剂加热至熔点以上并施加到待结合的材料，然后其被放在一起。然后可以通过凝固所述热塑性塑料来获得粘合。这是一个相对迅速的过程并可以用简单的设备进行。然而，用在具有热固性树脂的增强的层压板的制造中时，已知的热塑性材料将仅在很小程度上与用来润湿层压板或用来注入所述层压板的树脂相容，导致差的机械性能。用热固性材料随后润湿纤维也会受到可能充当所述纤维上的涂层的热塑性材料的负面影响。
[0019]热固性粘合剂通常由两种或更多种组分构成，它们在施加之前不久混合。随着时间和，在一些情况下，升高的温度，可能发生化学反应并且可能形成固体结构。形成的结构往往非常坚硬，并且如果用作用于保持织物的粘合剂则可能形成会负面地影响整个层压板性能的子结构。这种粘合剂往往还需要更长的工作时间。热固性粘合剂往往是基于环氧树脂或聚氨酯的。
[0020]通常，可以通过使不饱和酸与乙二醇一起反应以形成包含不饱和键的低聚物的基体树脂来制备所述不饱和聚酯和乙烯基酯树脂，如可以在本发明的方法的上下文中使用的。低聚物为短链聚合物。在期望的反应已经发生之后，为了获得要求的热固性树脂性能，可以将仍然热的基体树脂在苯乙烯中稀释。如果基体树脂没有被稀释，其往往是具有类似热塑性的性能的固体，例如其可以被熔融，但其仍然包含通过随后的自由基固化反应获得热固性所需的活性化学基团或不饱和键。
[0021]由于所述基体树脂根据温度可以被熔融和再新凝固，其可以用作如前所述的热塑性粘合剂。这可能是有利的，因为与基于热固性树脂的苯乙烯结合使用这样一种粘合剂实现了所述粘合剂和所述热固性树脂之间的理想的相容性。
[0022]优选地，在用包含苯乙烯的热固性树脂润湿所述粘合剂过程中所述粘合剂可以被苯乙烯溶解。在用所述包含苯乙烯的热固性树脂润湿过程中，粘合剂被苯乙烯溶解，并且，由于所述粘合剂中的活性基团，在固化反应过程中所述粘合剂被结合到热固性层压板中，而不危及层压板的性能。
[0023]通常，所述粘合剂可被熔融和喷涂或以其它方式施加到纤维材料层。由此，在所述粘合剂再凝固之前，可以定位下一纤维材料层。或者，通过以熔融或固体形式预先施加，所述粘合剂可以以固体形式存在于基材上，并在铺设随后的增强层之前不久熔融。
[0024]通常，可以应用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)来制造所述复合材料。优选地，包含相同的或化学上相似的基体树脂的粘合剂可用作用来制造所述复合材料的树脂。这使得将所述粘合剂结合到生成的层压板中，而不负面地影响层压板性能。在用包含苯乙烯的热固性树脂润湿粘合剂过程中，所述粘合剂可以被苯乙烯溶解。此外，在粘合剂和树脂中可以使用相同的或相似的低聚物。通过在粘合剂和树脂中使用相同的或相似的低聚物，确保了两种材料之间的相容性。
[0025]本发明不限于VARTM，也可以包括其它复合材料制造方法。
[0026]化学上相似的基体树脂具有相同的化学性能。这意味着它们可以形成均质的混合物并能够在固化反应过程中一起反应。
[0027]可以通过以较少的量添加不同的其它组分来调节基体树脂的性能以满足工艺和材料要求。这些添加剂可以包括，但不限于，反应抑制剂、反应催化剂、软化剂和除了所述基体树脂之外的其它聚合物组合物。例如，可以使用包含其中添加了至少一种其它组分的基体树脂的粘合剂。有利地，可以使用包含其中添加了至少一种反应抑制剂和/或至少一种反应催化剂和/或至少一种软化剂和/或除了基体树脂之外的至少一种其它聚合物组合物的基体树脂的粘合剂。
[0028]此外，可以借助于粘合剂降低纤维材料层的渗透性。这意味着先前记述的粘合剂的施加可用于限制包含若干纤维材料层的纤维组件的渗透性。通过比可以透过纤维层补充空气更快地移除空气，这可以进一步用来在施加的粘合剂的区域的一侧产生半真空。通常，可以用于降低纤维材料层的渗透性的粘合剂可以具有与前面记述的可用于固定所述纤维材料层的粘合剂相同的性质。
[0029]本发明的在可渗透材料中获得压力差的方法包括以下步骤:借助于粘合剂部分密封可渗透材料，和由于该借助于粘合剂的部分密封，在所述可渗透材料的区域的一侧比可透过渗透材料补充空气更快地移除空气。可渗透材料可以包括若干纤维材料层或纤维材料组件，因为如前所述其可用来制造复合材料。此外，所述粘合剂可以具有与前面连同本发明的制造复合材料的方法所述的粘合剂相同的性能。
[0030]本发明的制造复合材料的方法使用粘合剂来将纤维的不同层固定在正确的位置。所述粘合剂可以为具有可以与热固性树脂发生反应的官能团的热塑性粘合剂。优选地，为了最佳相容性，所述粘合剂可以由与热固性树脂相同的基体树脂制成。另外，所述粘合剂也可以用来降低例如用于使用半真空操作的材料(例如纤维组件)的渗透性。
[0031]实施方案 本发明的上面定义的方面和进一步的方面从下文记述的实施方案的实施例将变得显而易见，并参考实施方案的实施例解释。下文将参考实施方案的实施例更详细地记述本发明，但本发明并不限于此。
[0032]本发明的进一步特征、性能和优点将从以下记述的实施方案连同附图变得清楚。所有特征有利地是分离的或彼此结合的。
[0033]图1示意地显示了用于制造复合材料的模具的剖视图。
[0034]现在将参考图1记述本发明的实施方案。
[0035]首先，将简要记述通过真空辅助树脂传递模塑(VARTM)制造风力涡轮转子叶片的方法。其包括以下步骤:
将若干层放在第一模具部件中。然后，将若干芯部部件和至少一个抗剪腹板放在所述第一模具部件中。然后，将若干纤维材料层放到所述芯部部件和抗剪腹板上。然后，可以将第二模具部件放到所述芯部部件和所述纤维材料上，使得第一模具壳和第二模壳相互连接形成封闭的腔。为了将树脂注入该封闭的模腔内，施加真空到所述封闭的模腔，树脂被吸入所述模壳和所述芯部部件之间的空间中。在让树脂凝固之后可以移除所述模壳和芯部部件。
[0036]图1示意地显示了模具I的剖视图。若干纤维织物或纤维材料层2彼此叠置地位于模具I的内表面4上。在将不同的层2铺设到彼此上的过程中，将层2彼此粘合来固定。为了使所述层彼此粘合，使用了粘合剂。
[0037]模具I包括两个边缘5和6。将粘合剂施加到层2的靠近边缘5或6的区域。
[0038]所使用的粘合剂为具有可以与热固性树脂发生反应的官能团的热塑性粘合剂。所述粘合剂基于不饱和聚酯或乙烯基酯，例如，基于双酚A的乙烯基酯。熔融所使用的粘合剂并在施加所述纤维层之后在粘合剂再凝固之前将其喷涂到纤维层2的表面上或喷涂到模具I的内表面4上。该熔融的粘合剂的凝固将纤维层结合到所述表面。通过相对于熔融温度来施加温度，可以在某种程度上控制施工时间(open time)。粘合作用仅是暂时的，因为在注射树脂的过程中所述粘合剂被部分或完全溶解，粘合作用被取消。
[0039]例如在真空辅助树脂传递模塑(VARTM)方法中，粘合剂被用热固性树脂润湿，其中所述热固性树脂包含充当所述粘合剂的溶剂的组分。由此所述粘合剂被部分或全部溶解。所使用的基体树脂可能在苯乙烯中不被稀释并具有类似热塑性的性能，其意味着，其可以被熔融，但其仍然包含通过随后的自由基固化反应获得热固性所需的活性化学基团(不饱和键)。将热塑性粘合剂与苯乙烯基热固性树脂结合。用包含苯乙烯的热固性树脂润湿所述热塑性粘合剂。在用包含苯乙烯的热固性树脂润湿过程中，所述粘合剂被苯乙烯溶解，并且，由于粘合剂中的活性基团，在固化反应过程中其被结合到热固性层压板中，而不牺牲层压板性能。通过在所述粘合剂中使用与所述树脂中相同或相似的低聚物，确保了两种材料之间的相容性。
[0040]可以应用真空辅助树脂传递模塑。借助于使用的粘合剂，降低了纤维组件2的渗透性。这可以用来通过比透过纤维组件2补充空气更快地移除空气在施加的粘合剂的区域的一侧获得半真空。
[0041]可以通过以较少的量添加不同的其它组分来调节基体树脂的性能以满足工艺和材料要求。这些添加剂可以包括，但不限于，反应抑制剂、反应催化剂、软化剂和除了所述基体树脂之外的其它聚合物组合物。
【权利要求】
1.制造复合材料的方法， 包括借助于具有可以与热固性树脂发生反应的官能团的粘合剂来固定至少一个纤维材料层(2)的步骤， 其特征在于 在用包含充当所述粘合剂的溶剂的组分的热固性树脂润湿所述粘合剂的过程中，所述粘合剂被至少部分溶解。
2.根据权利要求1的所述方法， 其特征在于 所述复合材料为风力涡轮机转子叶片。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法， 其特征在于 将所述至少一个纤维材料层固定到模具(I)的表面或固定到其它层(2)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于， 使用热塑性和/或热固性粘合剂。
5.根据权利要求 1-4中任一项所述的方法，其特征在于， 使用包含不饱和基体树脂的粘合剂。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法,其特征在于， 使用包含具有不饱和键的低聚物的基体树脂的粘合剂。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于， 使用包含聚酯和/或乙烯基酯的粘合剂。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于 在所述粘合剂再凝固之前，熔融和/或喷涂所述粘合剂至纤维材料层(2)并定位纤维材料层⑵。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于 应用真空辅助树脂传递模塑来制造所述复合材料。
10.根据权利要求9所述的方法， 其特征在于 使用包含与用来制造所述复合材料的树脂相同或化学上相似的基体树脂的粘合剂。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于 在用包含苯乙烯的热固性树脂润湿所述粘合剂过程中所述粘合剂被苯乙烯溶解。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于 在所述粘合剂和所述树脂中使用相同或相似的低聚物。
13.根据权利要求1-12 中任一项所述的方法，其特征在于 使用包含基体树脂的粘合剂，所述基体树脂中添加了至少一种其它组分。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于 使用包含基体树脂的粘合剂，所述基体树脂中添加了至少一种反应抑制剂和/或反应催化剂和/或软化剂和/或除了所述基体树脂之外的其它聚合物组合物。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其特征在于 借助于所述粘合剂降低所述纤维材料层(2)的渗透性。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于 通过比透过所述纤维材料层(2)补充空气更快地去除空气，在所述施加的粘合剂的区域的一侧产生半真空。
17.在可渗透材料(2)中获得压力差的方法， 包括步骤: 借助于粘合剂部分密封所述可渗透材料(2)，和 由于该借助于所述粘合剂的部分密封，在所述可渗透材料的区域的一侧比透过所述可渗透材料补充空气更快地去除空气。
【文档编号】B29C70/48GK103889690SQ201280052258
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年10月15日 优先权日:2011年10月27日
【发明者】P.凯贝伦 申请人:西门子公司