[发明专利]经由热塑性(甲基)丙烯酸树脂的原位聚合产生的复合材料及其用途

说明书

 

[发明领域]

本发明涉及一种通过热塑性树脂与纤维材料的原位聚合获得的复合材料。

更具体地讲，本发明涉及一种通过热塑性(甲基)丙烯酸树脂和含有长纤维的纤维材料原位聚合获得的聚合物复合材料和其用途，一种用于制备这种复合材料的方法和所制造的包含此聚合物复合材料的机械或结构化零件或制品。

[技术问题]

复合材料为两种或更多种不可混溶材料的宏观组合。复合材料构成形成用于结构的凝聚的连续相的基体材料和为了获得机械性质的具有各种构造的加强材料中的至少一者。

使用复合材料的目的是由该复合材料实现如果单独使用由其单独组分不可获得的性能。因此，明显地由于其相比于均质材料的较佳机械性能(较高抗张强度、较高拉伸模量、较高断裂韧度)和其低密度，复合材料广泛用于若干工业部门，例如，建筑、汽车、航空、运输、休闲、电子和运动。

鉴于商用工业规模中的体积，最重要类别为具有有机基体的复合物，其中基体材料一般为聚合物。聚合物复合材料的主要基体或连续相为热塑性聚合物或热固性聚合物。

热固性聚合物由交联的三维结构组成。该交联通过固化所谓预聚物内部的反应基团而获得。例如，可以通过加热该聚合物链以便永久性地交联和硬化材料获得固化。为了制备聚合物复合材料，预聚物与其他成分(例如，用于颗粒状复合物的玻璃珠或用于纤维复合物的短纤维)混合或其他成分润湿或浸渍(例如织造网)并然后固化。用于热固性聚合物的预聚物或基体材料的例子为不饱和聚酯、乙烯基酯、环氧或酚类材料。

热固性聚合物基体的缺点为其刚度。该基体不能轻易成形为其他形式。一旦该聚合物固化，则形式固定。这还使得难以循环利用热固性复合材料，所述热固性复合材料在水泥厂中被燃烧或被丢弃入废料堆中。

热塑性聚合物由未交联的直链或支链聚合物组成。加热热塑性聚合物以便混合产生复合材料所必要的两种组分并且冷却定形。使用用于制造复合材料的热塑性聚合物时的限制为其熔融状态下的高粘度。仅当热塑性树脂有足够流动性时，才能实现热塑性聚合物对纤维的润湿或恰当浸渍。为了具有热塑性聚合物的低粘度或足够流动性，可以降低链长(分子质量)。然而，过低分子量对复合材料的性能、尤其是机械性质具有消极影响。另一方面，热塑性聚合物的温度可能增加，以便以重要方式降低粘度。因此，连续工作温度相对高（高于200℃），由于牵涉高能量成本，直接影响复合材料的经济性(成本)。另外，如果温度很高，热塑性聚合物往往降解，这对具有高熔点的半结晶热塑性聚合物尤其如此，例如聚酰胺(例如PA6.6)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)或聚苯硫醚(PPS)。这种热诱发降解引起对复合材料的凝聚很重要的聚合物基体的分子量的减小。

浸渍纤维底物的另一方法是在有机溶剂中溶解热塑性聚合物。然而，该方法需要不得不蒸发掉的许多溶剂。在能量和污染方面，使用大量溶剂存在环境问题。

存在对尤其具有连续强化物的热塑性复合物的制备的限制或缺点。需要一种热塑性复合物，其可通过一种就低初始粘度而言如热固性复合物的方法制备，以便浸渍该纤维材料，并且具有较低制备周期时间，具有复杂几何形状并且可成批生产。

本发明的目的为解决上文提及的缺点。

本发明的目的为具有一种可容易制备、可转化和塑造成型的具有令人满意的机械性质的聚合物复合材料，其中聚合物基体具有高分子量。

本发明的另一个目的为具有一种含连续纤维作为强化物的聚合物复合材料，其中可快速和容易(短周期时间)地生产大尺寸物件并且聚合物基体可容易再循环和修复。

本发明另一个目的为具有一种用于获得大尺寸和/或复杂形式的物体的方法，其中将纤维材料恰当和完全润湿，其中可快速生产具有连续纤维的聚合物复合材料。

本发明的另外的目的为具有一种结构零件，其包含具有令人满意的机械性质（例如高刚度和至少15 GPa的模量）的热塑性复合材料。

本发明的另外的目的为在浸渍期间完全、恰当并且以均匀方式润湿纤维底物。纤维润湿的任何缺陷（例如由气泡和空隙引起）降低复合材料的机械性能。

本发明的另一个目的为循环利用不满足品质标准的复合材料或磨损的结构零件。所谓循环利用应理解为回收所用原材料的至少一部分。这意味着研磨和再使用该热塑性聚合物。这还意味着，例如，来自复合材料的热塑性基体的单体可被回收。

[发明背景]现有技术