本发明总体上涉及一种浸渍有热塑性材料的纤维，以及这种纤维在形成拉挤制品中的用途。
背景技术：
在许多行业中，人们正不断努力地减轻制品的重量。在许多情况下，这是通过选择与现有材料或结构相比具有较低密度和/或较薄截面的材料实现的。其结果是有可能削弱结构，因而需要加强结构或使用其他结构增强件。
由于这些轻量化的努力，通常使用聚合材料。这些聚合材料通常被模制、挤压或拉挤，以保持低重量和高强度。然而，当尝试拉挤具有连续纤维组分的热塑性塑料时，会遇到各种重大挑战。通常，热塑性塑料在熔融状态下具有相对较高的粘度，这使得浸渍纤维束和润湿各个纤维丝非常困难。此外，在拉挤过程中，可将树脂作为未反应反应物的混合物或作为分开的多组分料流引入，且所述多组分料流当在拉挤工艺的起始处附近合并时发生反应。这些预反应进料流通常具有非常低的粘度，因此有助于连续纤维束的浸渍和润湿。这种润湿过程发生在拉挤模具内部，其一旦完成，就必须进行化学反应，以产生高分子量的热塑性树脂或交联树脂。所有这些都必须在拉挤模具中发生。该反应的速率对模具长度有影响，并导致停留时间对加工速率的限制。最后，大多数拉挤工艺可生产出用于低温应用的制品，其要求使用玻璃化转变温度(tg)低于200℃的热固性树脂(例如，聚酯、乙烯基酯、聚氨酯和环氧树脂)，或玻璃化转变温度tg或熔融温度(tm)低于200℃的热塑性塑料。
因此，期望形成兼具纤维和热塑性组分的轻质拉挤制品，其中无需在模具中发生纤维的润湿，其中无需在模具中发生化学反应，并且其中所得制品可用于高温应用(例如，温度超过200℃的应用)。
发明概要
本教导满足了上述一个或多个需求，且考虑了改进的结构和方法，这些结构和方法可有利地用于形成包含纤维组分和热塑性组分的拉挤制品。
本文的教导通过利用已经被热塑性树脂预浸渍的连续纤维丝束克服了上述挑战。因此，润湿过程已经完成(或基本完成)。此外，使用这种预浸渍的纤维无需在拉挤模具内发生实质性的额外化学反应。因此，由于必要的化学反应而对加工速率没有限制。此外，由于纤维预先用树脂浸渍，所以可以选择具有高温特性的树脂，例如tg或tm在200℃以上的树脂。这样，通过该工艺生产出的制品的tg或tm可高于200℃，因此这些制品具有有用的高温暴露或使用温度，这些温度在许多应用中都是有益的。
本文的教导提供了一种拉挤制品，其包括在拉挤制品中的纤维相和在拉挤制品中的热塑性相，且在拉挤该拉挤制品之前热塑性相浸渍在纤维相内。所述拉挤制品可用于形成适于用作挡板和/或结构增强件的载体的至少一部分。纤维相可包含玻璃纤维。热塑性相的玻璃化转变温度(tg)和/或熔融温度(tm)高于150℃，甚至高于200℃。热塑性相可包含聚酰胺(pa，例如尼龙6和尼龙66)、聚丙烯(pp)、聚苯硫醚(pps)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚醚醚酮(peek)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯中的一种或多种，或其任何组合。所述纤维相可包含长度至少约1mm的多个纤维。
本文的教导进一步提供了一种拉挤制品，其包含多个包括玻璃纤维和热塑性纤维的混合纤维，其中所述拉挤制品形成适于用作挡板和/或结构增强件的载体的至少一部分。
本文的教导也旨在将本文所述制品用作运输车辆的挡板和/或结构增强件的载体的插入件。本发明还公开了将本文所述制品用作机动车辆的挡板和/或结构增强件的载体的一部分，其中载体支承可活化聚合材料，该可活化聚合材料适于在预定活化条件下发泡并粘附到运输车辆的一部分上。
技术实现要素：
本教导通过本文描述的改进装置和方法满足了上述一个或多个需求。在本文中给出的说明和例示旨在使本领域的其它技术人员熟知其教导、原理和实际应用。本领域技术人员可以以其多种形式来适应和应用这些教导，这样可最适合于特定用途的要求。因此，所阐述的本教导的特定实施方式并不旨在穷举或限制本教导。所以，本教导的范围不应参考上述说明来确定，而应参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同方案的全部范围来确定。所有文章和参考文献(包括专利申请和出版物)的公开内容均出于所有目的通过引用并入本文。从以下权利要求中获得的其他组合也是可能的，这些权利要求也通过引用并入本书面说明中。
本文的教导提供了一种非常快速地生产轴对称单向连续纤维复合材料的方法。这取决于预浸渍纤维束的可用性。可通过加热的模具将多个这些纤维束拉伸至使其中所含树脂软化和/或熔化的温度，以便结合模具的设计和形状将它们固结至所需的形状和纤维体积分数。
预浸渍纤维束的实施例可从fibrtecinc.公司(德克萨斯州亚特兰大(atlanta，tx))商购获得。纤维束可包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和玄武岩纤维中的一种或其任何组合，它们浸渍有聚酰胺(pa，例如尼龙6和尼龙66)、聚丙烯(pp)、聚苯硫醚(pps)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚醚醚酮(peek)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或其任何组合。纤维体积分数的范围为约40wt％至约60wt％。
用于挤压本文所述制品的纤维/树脂混合物的另一实施例是混合纤维树脂产品，例如由concordiamanufacturing，llc公司(罗德岛考文垂(coventry，rhodeisland))制造和销售的那些产品。这样的混合纤维将未上胶的连续长丝碳纤维和未上胶的连续长丝热塑性纤维混合制成纱线。
本文的教导提供了一种用于软化和熔化预浸渍或混合的热塑性/增强纤维束且随后将这些纤维固结成期望形状的方法。因此，这就排除了同时浸渍、反应和固结纤维树脂系统所增加的复杂性。消除这种复杂性可获得高生产率，使生产率仅受熔化和固结纤维树脂系统所需时间的限制。这继而可获得比常规拉挤工艺高得多的生产率，并且使可以加工的可能树脂/纤维组合的数量更多。
作为本文教导的另一益处，处于熔融状态的热塑性塑料的粘度通常过高，以至于其不能充分地浸渍在典型的拉挤工艺中遇到的大量纤维。因此，预浸渍纤维限制了对该步骤的需要。此外，生产大多数热塑性塑料所需的时间、温度和压力的化学反应要求不能与标准拉挤工艺为促进这些材料的原位聚合而提供的狭窄的时间、温度和压力的处理窗口很好地吻合。因此，本文的教导简化了拉挤工艺，并提供了一种用于产生各种热塑性/增强结合的手段。与汽车行业特别相关的是基于高温热塑性塑料(tg或tm高于175℃)的拉挤连续纤维拉挤制品，该制品可用于高温环境(例如，发动机罩下)或经得起装配线烤箱(例如，电子涂层或烤漆炉烘烤)，而不会显著丧失其特性或尺寸。
本文的教导进一步描述了如下操作：在将拉挤制品从拉挤模具中取出之后立即将该制品冷却，以及实施可能的后烘烤、后成形、形成附件、添加粘合剂或任何其他后拉挤工艺。
本文的教导涉及可以是复合制品的拉挤制品。该拉挤制品可适于用作运输车辆中的挡板和/或结构增强件的一部分。拉挤制品的形式可使其适合用作面板结构。拉挤制品的形式可使其适合用作建筑材料、家具材料、体育用品(例如，雪屐、滑雪板、自行车、球棒、网球拍等)或保护装置材料(例如，警察盾牌、装甲车面板等)。本文中任何拉挤制品的纤维拉挤材料可包含单相或可包含至少两相。例如，它可包含分布相以及在其内分布有分布相的基质相。拉挤制品中的分布相可包含细长形状(例如，该形状的主要尺寸与次要尺寸之间的比例至少为2∶1)的纤维、板状物、片状物、须状物或其任何组合的多个片区。对于这里使用的纤维，可用于分布相中的纤维的形式是随机分布、编织物、无纺布垫、多个大致轴向排列的纤维(例如，丝束)、多个轴向交织的纤维(例如，纱线)或其任何组合。因此，多个单纤维可相对于彼此处于大致有序的关系(例如，根据预定图案)中。
热塑性基质与纤维相的重量比为约1∶10至约100∶1(例如，可以为约1∶5至约10∶1，约1∶3至约5∶1，约1∶2至约2∶1)。
可形成为分布相的纤维材料可包括有机材料、无机材料或其组合。该材料可以是一种自然存在的材料(例如，橡胶、纤维素、剑麻、黄麻、大麻或一些其他自然存在的材料)。它可以是合成材料，例如聚合物(该聚合物可以是同聚物、共聚物、三元共聚物、混和物或其任何组合)。它可以是碳源材料(例如，碳纤维、石墨、石墨烯等)。由此，分布相中的纤维可选自(有机或无机)矿物纤维(例如，诸如e玻璃、s玻璃、b玻璃之类的玻璃纤维)、聚合物纤维(例如，芳族聚酰胺纤维、纤维素纤维等)、碳纤维、金属纤维、天然纤维(例如，农产品衍生物)或其任何组合。多个细长纤维可大致相互平行。可以将它们编织。可以将它们缠绕。纤维的集合可以是织造的和/或非织造的。
纤维材料可包括多个长度至少约1cm、3cm甚至5cm或更长的纤维。纤维的平均直径可以为约1μm至约50μm(例如，约5μm至约25μm)。在纤维上可能有合适的施胶涂层。纤维在每层或纤维插入件中的重量百分比通常可至少约为20％、30％、40％甚至50％。纤维在每层或纤维插入件中的重量百分比通常可低于约90％、80％甚至约70％。举例来说，纤维在每层或纤维插入件中的重量百分比可以为约50％至约70％。纤维的重量含量可以根据astmd2584-11确定。纤维可包含如本文所述的可重整热塑性聚合材料。
纤维可以以一定量和/或分布的形式存在，以便当与聚合物基质材料的对应性能单独相比时，具有更高的极限拉伸强度、伸长率、弯曲模量、抗压模量等机械性能，从而增强拉挤制品。
可以理解，根据本教导，各种合适的拉挤型材都是可能的。这些型材可包括一纵轴。这些拉挤型材可相对于该纵轴对称或不对称。拉挤型材可包括一个或多个纵向排列的筋。拉挤型材可包括一个或多个横向延伸的凸缘。拉挤型材可包括平坦部分和弯曲部分。拉挤型材可具有一个或多个外表面。拉挤型材可具有一个或多个内表面。
本教导还设想了一种根据本教导可用于挤压操作的可能制造系统。将用于形成基础聚合材料体的原料输送到与挤压机相关联的料斗中。挤压机可具有模具，原料经过该模具后可形成成形的主体型材(例如，挤压型材)。可将成形的主体型材冷却(例如，通过真空冷却器)到期望的温度(例如，低于该材料的软化点，以使其保持其成形状态)。进料系统可将纤维材料输送(例如，通过辊)到用于施加基质材料的合适装置(例如，辊涂机)中，以限定拉挤的纤维材料。在这种装置中，用于形成聚合物基质的材料与纤维材料接触。可采用用于限定纤维拉挤材料形状的适当装置，例如成形辊、热压机或其他适当的挤压和/或拉挤成形装置。成形辊或其它合适的装置还可用于帮助将纤维拉挤材料与成形基体型材连接起来。
可将所得的整体拉挤件冷却(例如，通过冷却槽)。可选地，如果要将所得的整体拉挤制品用作挡板和/或结构增强应用的载体，则可通过输送装置(例如，拉动或推动装置)推进该整体拉挤制品。可通过挤压机(例如，十字头挤压机)将可活化材料(例如，聚合物热活化密封剂、声学泡沫材料和/或结构增强材料)施加在拉挤物上。此后，可使用合适的切割装置(例如，移动式切割锯)切割所得制品(在其上具有或不具有可活化材料)。例如，原料可以是加热至约260℃的玻璃填充
本文中用于载体的材料可以是聚酰胺、聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯等)、聚碳酸酯、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、环氧基材料、热塑性聚氨酯或其任何组合。可优选使用聚酰胺(例如，聚酰胺6、聚酰胺6，6、聚酰胺9、聚酰胺10、聚酰胺12等)。载体和任何覆盖层和/或插入件的材料可彼此大体相容，因为它们能够在其间形成机械或其他物理互连(例如，微观互连)，以及它们能够在其间形成化学键，或兼而有之。例如，第一和第二材料可在被加热到高于其熔点和/或软化点的温度时熔合在一起(例如，在没有任何粘合剂的情况下)。载体也可使用二次材料包覆成型，该二次材料可以是聚合材料(例如，聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚砜等)或可膨胀的聚合物(例如，结构泡沫或声学泡沫)。
可通过选择性加热(可以是传导加热)将一个或多个结构特征引入到拉挤制品中。根据本教导，可设想可通过选择性加热，使一个或多个组件成为具有一定壁厚的结构的一部分，以将壁厚的至少一部分升温至形成壁的聚合物(例如，如本文所述的聚酰胺，其可以如本文所述例如使用纤维或其他相来增强)的玻璃化转变温度之上。当壁厚的至少一部分的温度高于形成壁的聚合物的玻璃化转变温度时，可选地在压力下使制品与至少局部在加热区内的结构接触。此后，在热量离开加热区时，使形成壁的聚合物冷却，从而将与所述制品接触的所得聚合物冷却到玻璃化转变温度以下。由此产生粘结，其中所述制品通过粘结而附着在所述结构上。在另外施加或未施加粘合剂的情况下，可使用上述方法来形成粘结结合。即，当所述结构的材料被加热升温至高于其tg且随后冷却至低于其tg时，该结构的材料可能将能够直接与所接触的制品形成粘结结合。此外，粘结的强度可能足以无需使用任何紧固件将制品固定到结构上。用于获得上述粘合组件的一种选项可以是采用粘合层，其中该粘合层(例如，厚度小于约5mm、4mm或3mm，且大于约0.05mm、0.1mm或约0.5mm)由本文所述的可重整树脂材料制成。
所述结构的形状可以为多种合适形状中的任何一种。例如，它可以是一细长的梁。它可具有一定的长度，且其沿着该长度的全部或部分可以是实心的。它可具有一定的长度，且其沿着该长度的全部或部分可以是空心的。该结构的壁厚可以从第一暴露表面至通常相对的另一暴露表面测得。其壁厚可至少为约0.5mm、约1mm、约2mm、约5mm、约10mm或约20mm。其壁厚可小于约100mm、小于约80mm、小于约60mm或小于约40mm。
所述结构可具有预定的形状。该形状可包括一个或多个细长部分。该形状可包括一个或多个中空部分。该形状可包括限定至少一个腔的一个或多个壁。该结构可包括多个具有不同形状的部分。该结构可被配置成限定仪表板，该仪表板可以可选地由底层结构支承。该结构可被配置成用于限定在仪表板下面的支架。该结构的面板构造例如可类似于运输车辆(例如，机动车辆)的外部车身或内部装饰板的构造。
所述结构可被配置成用于放置和支承例如用于形成模块的一个或多个制品(例如，运输车辆部件)。作为说明，所述一个或多个制品可选自支架、铰链、闩锁、板、钩、紧固件(例如，螺母、螺栓等)、电动机、部件壳体、线束、排水管、扬声器等。
可以以任何合适的方式进行加热。一种方式可以是采用局部加热。例如，可使用感应加热来选择性地加热上述结构的至少一部分。为了说明这一点，该结构可能由聚合物(例如，本文所述的聚酰胺，其可以如本文所述例如使用纤维或其它相来增强)制成，且将具有壁厚。可使金属物品(其可以是期望附接到结构上的部件)在所需的附接位置靠近(其可以是或不是接触关系)所述结构。可使感应加热装置靠近金属物品，以加热金属物品；在向感应加热装置供电时，金属物品又将加热处于受影响位置的结构。也可采用其它加热装置来进行局部加热。
从开始对结构进行加热到通过上述步骤将制品连接到该结构所经历的时间可能相对较短。例如，该操作所需的时间可少于约1min、少于约30s或少于约15s。它所需的时间可少至约1s、约3s或约5s。
例如，可在涂覆车辆之前将拉挤制品定位在运输车辆(例如，机动车辆)的空腔内。可活化材料可在接受涂漆车间的烘烤处理期间受热而活化。在可活化材料是热活化、热膨胀材料的应用中，选择和制备包含可活化材料的材料时所涉及的重要考虑因素是材料在发生反应或膨胀以及可能固化时的温度。例如，在大多数应用中，不期望材料在室温下或在生产线环境中的环境温度下发生反应。更典型地，当材料与汽车部件一起在高温或更高的应用能量水平下(例如，在涂料或电子涂层的固化或烘烤步骤中)被处理时，可活化材料在较高的处理温度下(例如，在汽车装配厂中遇到的那些温度)变得具有反应性。虽然在汽车装配操作中遇到的温度可能为约140℃至约220℃(例如约148.89℃至约204.44℃(约300°f至400°f))，但是车身和油漆车间的应用温度通常约为93.33℃(约200°f)或略高。可活化材料在活化之后通常会固化。因此，可活化材料可被加热，然后会膨胀，然后可固化而形成最终的泡沫材料。
根据本教导制造的拉挤制品可具有壁，该壁具有第一表面和通常相对的第二表面。该壁的厚度可以为约0.2mm至约6mm(例如约1.5mm至约4mm)。
如本文所用，除非另有说明，否则本教导设想可以将属(列表)的任何成员从该属中排除，以及/或者可以将马库什分组的任何成员从该分组中排除。
除非另有说明，否则在此列举的任何数值都包括从下限值到上限值的所有值，且以一个单位为增量，只要在任何下限值与任何上限值之间存在至少两个单位的间隔即可。例如，如果成分、性质或过程变量(例如，温度、压力、时间等)的值例如为1至90，优选为20至80，更优选为30至70，则认为中间值(例如，15至85、22至68、43至51、30至32等)也在本说明书的教导范围内。同样，各个中间值也在本教导的范围内。对于小于1的值，根据需要将0.0001、0.001、0.01或0.1视为一个单位。这些仅是具体意图的实施例，并且认为在本申请中以类似的方式明确地陈述了在所列举的最小值与最大值之间所有可能的数值组合。可看出，在本文中表示为“重量份”的量的教导也考虑了以重量百分比表示的相同范围。因此，“在所得组合物的至少‘x’重量份范围内”的表达还考虑了以所得组合物的重量百分比给出的相同所述数量“x”范围的教导。
除非另有说明，否则所有范围都包括两端点以及在这两个端点之间的所有数字。与范围相关的用辞“约”或“近似”适用于范围的两端。因此，“约20至30”旨在涵盖“约20至约30”，且至少包括指定的端点。
包括专利申请和出版物在内的所有文章和参考文献的公开内容出于所有目的通过引用并入本文。术语“由......组成(consisting)”基本上用于描述一组合应包括所确定的元素、成分、组分或步骤，以及不会对组合的基本特征和新特征产生实质影响的其他元素、成分、组分或步骤。术语“包括/包含(comprising)”或“包括/包含(including)”用于描述本文的元素、成分、组分或步骤的组合，其还考虑了由或基本上由这些元素、成分、组分或步骤组成的实施方式。
多个元素、成分、组分或步骤可由单个整合元素、成分、组分或步骤提供。或者，单个整合元素、成分、组分或步骤可分成单独的多个元素、成分、组分或步骤。描述元素、成分、组分或步骤的“一(a或one)”的公开内容并不旨在剔除更多的元素、成分、组分或步骤。
应当理解，上述描述旨在说明而非限制。在阅读了上述说明之后，本领域技术人员也将对除所述实施例之外的其他许多实施方式和许多应用有清楚的了解。因此，本发明的范围不应参照上述说明来确定，而应参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同方案的全部范围来确定。所有文章和参考文献(包括专利申请和出版物)的公开内容均出于所有目的通过引用并入本文。在以下权利要求中对本文公开主题的任何方面的省略都不应被视为是对该主题的放弃，也不应认为本发明人未将这样的主题视为所公开的发明主题的一部分。