[发明专利]可再循环复合材料及用于制造其的方法和成套工具

说明书

发明技术领域

本发明涉及具有作为加强材料的天然纤维和碳纤维的可再循环复合材料(recyclable composite)。此外，本发明还涉及用于制造这样的可再循环复合材料的方法。最后，本发明涉及可用于执行根据本发明的方法的成套工具。

相关技术描述

复合材料的益处是有许多文件证明的。从体育器材到高性能宇航部件的各种各样的应用使其非常普遍。复合材料的优点是它们具有低重量、极大的强度和高硬度。

碳纤维作为复合材料中的加强材料的使用在很长时间以来是已知的。通常，热塑性塑料或环氧树脂基质或粘结材料用于将纤维粘合在一起。存在制造复合材料的很多方法。如果粘结材料是热塑性塑料，则需要高温和高压来制造复合材料。因此，必须使用复杂且非常昂贵的模具，这也在尺寸上受到限制。单个模具需要比通过真空可得到的更高的压力，因此，将需要在热压器中加热。因此，使用双侧压模(double-sided press mould)是优选的。该方法将提供高的生产量，但用于制造工具的成本很高。

制造复合材料的另一方法是通过湿叠层(wet lamination)。在该方法中，例如碳纤维的逐个层每次铺设一层，且环氧树脂基质在下一层碳纤维被铺设之前滚在每层碳纤维上。第一层纤维通常铺设在工具中或半模具中，以便给复合材料提供期望的形状。当所有的层完成时，整个封装被真空装袋，并放置到炉或热压器中，以便复合材料固化。

当制造复合材料时使用所谓的“预浸料坯”也是已知的。预浸料坯是在它用于层压之前使用基质例如环氧树脂预浸的纤维。这是一种更干净的过程，因为预浸料坯已经是半固化的。与湿叠层比较，这意味着人们可省略将湿环氧树脂滚在纤维上的步骤。这些层靠着工具或模具铺设，被真空装袋，并接着在炉中或在热压器中加热，以固化复合材料。

今天使用的最常见的基于碳纤维的复合材料是碳纤维连同热塑性塑料或环氧树脂。如上所述的，热塑性塑料填料对大规模生产是优选的。说到更复杂的结构，使用环氧树脂作为填料是优选的。使用环氧树脂也将使得在最终产品中获得按体积计较高的纤维含量，即，大约70％而不是大约30-50％成为可能，大约30-50％的纤维含量在使用热塑性塑料时是普遍的。较高的纤维含量当然也将使最终产品坚固得多。代替碳纤维，可使用诸如玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、聚酯纤维、硼纤维等的纤维。

使用天然纤维也是已知的。根据关于环境负荷的正在进行的讨论，这是令人感兴趣的方法。天然纤维的例子是黄麻、大麻、剑麻、亚麻及类似物。为了构造复合材料主体，将天然纤维与热塑性合成材料纤维混合，或直接用热塑性塑料粘合剂浸渍天然材料，并将天然材料预先形成为纤维垫。纤维垫可接着通过在正使用的合成材料的模具温度时在模子中压制而形成期望的形状。使用天然纤维的问题是天然纤维的低的热稳定性，即，它们不能被加热到250℃之上，或它们可能被损坏。为此，使用具有低熔化温度的粘合剂，例如聚丙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯酯等。

US 7,067,443描述了包括热塑性塑料层和热塑性合成材料层的多层复合材料主体，以便制造部件，特别是用于机动交通工具的部件。该发明的基本概念是加强插入物(reinforcing insert)连同天然纤维的使用，以便提高最终产品的强度特性。加强插入物可为聚酯纤维、玻璃纤维或碳纤维。

US 2004/0235376描述了用在交通工具顶棚的层压制品中的结构加强层。顶棚包括碳纤维和天然纤维中的至少一个，且热塑性粘合剂用于将纤维彼此粘在一起。该发明还描述了包括碳纤维的层压材料，该碳纤维具有高于其它复合材料的焚化点的熔点和/或劣化点(degradation point)。这将使包含在复合材料中的碳纤维是可再循环的。层压制品被加热到低于碳纤维的熔点和/或劣化点并高于其它复合材料的焚化点的温度，以将其它复合材料还原到灰烬，并留下碳纤维用于进一步的使用。碳纤维被再循环但为了这么做需要相当大量的能量是确实的。

在上面引用的技术中使用的方法使用压模，以便制造复合材料。结合本发明，这不是优选的方法，因为本发明目的在于制造在低系列中的复杂形状和具有大表面积的物体。即使使用压模制造更复杂的形状和具有大表面积的物体是可能的，制造这样的工具也非常昂贵。