[发明专利]制造用热塑性聚合物预浸渍的纤维材料的方法

说明书

本发明涉及制造用热塑性聚合物预浸渍的纤维材料的方法。

术语“纤维材料”意在表示织物、毡或者无纺布，其为条、片、编织物(辫)、粗纱或者碎片的形式。它包括一种或者多种纤维的集合体。当纤维是连续纤维(长纤维)时，其集合体构成织物。当纤维是短纤维时，其集合体构成毡或者无纺布。

更具体地，可引入纤维材料的组成中的纤维为碳纤维、玻璃纤维、基于聚合物的纤维、或者植物纤维，其单独使用或者作为混合物使用。

具体地，这样的预浸渍纤维材料预期用于制造轻质复合材料，所述轻质复合材料用于制造具有三维结构且具有良好机械强度和良好耐热性的性质的机械零件，且其能够释放静电荷，即与机械、航空和航海、及电子学领域中的零件制造相容的性质。

预浸渍纤维材料也称为复合材料。它们包括由纤维(称为增强纤维)和基质构成的纤维材料，所述基质由浸渍聚合物构成。该基质的第一个作用是使增强纤维保持紧凑形状和给予最终产物所需的形状。这样的基质尤其用于保护增强纤维免受磨损和侵蚀性环境，以控制外观和消散纤维之间的电荷。该基质的作用对于复合材料的长期强度(特别是关于疲劳和蠕变)是重要的。

已知的实践是使用用树脂预浸渍的耐熔织物产生绝热基质，以提供经受高温的机械设备的热保护，如可为在航空或者机动车领域中的情况。可提及欧洲专利No 0 398 787，其描述了包括耐熔织物的热保护层，所述层意在保护冲压式喷气发动机的燃烧室的圆柱外壳。除了制造该热保护层的复杂性之外，嵌在该层中的耐熔织物仅起到热屏障的作用。

数年来，也已经利用复合纤维资源以制造尤其是各种航空或者机动车零件。这些复合纤维(其特征在于良好的热机械强度和良好的耐化学性)由形成框架的丝状增强物构成，其意在分布拉伸、挠曲或者压缩强度应变，在一些情况中对材料赋予化学保护和对其给予形状。

可参考例如专利申请FR 2918081，其描述了用含有热塑性聚合物的复合聚合物基质浸渍连续纤维的方法。为了改善增强纤维的浸渍，所述文件教导使用在所述热塑性基质中的碳纳米管(CNT)的分散剂和增塑剂，由此改变它的玻璃化转变温度Tg。

由这些经涂布的纤维制造复合材料零件的方法包括多种技术，例如接触成型、喷射成型、高压釜包模成形或者低压成型。

一种用于制造中空零件的技术是被称为长丝缠绕的技术，其在于用树脂浸渍干纤维，然后将它们卷绕在心轴上，所述心轴由框架形成并具有适合于待制造零件的形状。随后将通过卷绕得到的零件通过加热固化。意在制造片或者壳的另一种技术在于用纤维浸渍织物，然后在模具中压缩它们以使得到的层叠的复合材料强化(consolidate)。

为了制造包含纤维增强物的聚合物材料，通常使用上浆(sizing)步骤，其在于在纤维上沉积热塑性聚合物的膜。因此，文件US 4 541 884中所述的制造预浸渍材料的方法包括以下作为纤维涂布步骤：使纤维连续经过含有有机溶剂如二苯甲酮的热塑性聚合物的熔融浴，该溶剂使得可调节熔融混合物的粘度和提供纤维的良好涂布。然后将用聚合物预浸渍的纤维形成(例如，切割)成条，然后置于压机下，用于制造结构零件，然后在高于聚合物熔点的温度下加热以提供材料的内聚和特别是聚合物对纤维的粘附。

取决于聚合物的化学性质，加热温度可升至高于250℃、和甚至高于320℃的温度，所述温度远高于溶剂的沸点，导致溶剂的突然离开，造成在零件中的缺陷和因此造成方法缺乏重现性以及使操作者处于危险中的爆炸风险。

为了避免使用有机溶剂，申请人已经发现了在专利申请WO 2011/030052中描述的解决方案，其构成最接近的现有技术。该文件描述了用由第二系列纤维构成的热塑性聚合物浸渍包括第一系列纤维(称为增强纤维)的纤维材料的方法。所述方法在于：使两个系列的纤维接触，然后在高于浸渍聚合物熔点的温度下加热纤维。因此，该方法要求包括第一系列纤维的纤维材料的熔点Mp高于构成第二系列纤维的浸渍聚合物的熔点，以避免在加热期间降解。

不管迄今为止用于浸渍纤维材料的解决方案(包括采用由专利申请WO 2011/030052组成的现有技术中所述的解决方案)，申请人注意到，迄今为止，纤维材料的浸渍仍然是难以实施的步骤。这是因为，如果纤维材料的纤维(称为增强纤维)没有适当地浸渍，那么它们在通过高的且至少等于热塑性基质的熔点的温度下加热而形成复合材料时降解。随着其发生，不良浸渍的纤维产生其降解并且该降解随后导致在复合材料中的缺陷。