[发明专利]纤维增强的聚合复合材料及其制造方法

说明书

本申请为2010年2月11日向中国专利局提交的申请号为2010800071469，发明名称为“纤维增强的聚合复合材料及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

对相关申请的交叉引用

本申请依据35U.S.C.§119(e)要求2009年2月11日提交的美国临时专利申请序号61/151,683的优先权，其全文经此引用并入本文。

发明领域

本发明涉及通过反应性加工技术制成的纤维增强的聚合复合材料。

发明背景

通常在玻璃纤维成形后在其上施加可用于赋予所需性质的施胶组合物。本文所用的术语“施胶组合物”、“胶料”、“粘合剂组合物”、“粘合剂”或“施胶剂”是指在长丝成形后施加到长丝上的涂料组合物并包括例如，初胶料、二次胶料、二次涂料组合物和其它涂料组合物。在一些实施方案中，在长丝成形后立即或在下游加工过程中将施胶组合物施加到长丝上。施胶组合物可通过后继加工步骤为玻璃丝提供保护。

此外，施胶组合物当位于在复合材料和其它产品的制造中增强聚合基质的纤维上时可发挥双重作用。在一些应用中，施胶组合物可提供纤维保护，同时还提供纤维与基质聚合物之间的相容性。例如，织物和无纺织物、垫、粗纱或短切原丝形式的玻璃纤维已用于增强热塑性和热固性树脂。

但是，根据聚合材料的机械和化学性质，将玻璃纤维与聚合材料配混需要相当大量的时间和能量。配混中遇到的困难和低效性可能限制并入聚合材料中的玻璃纤维的量以及所得复合材料的尺寸。例如，热塑性材料常具有高粘度，以致需要延长的时间才能实现玻璃纤维增强材料的可接受的浸渍。此外，在一些情况下，热塑性材料的粘度可能妨碍玻璃纤维增强材料的完全湿透并产生断裂的玻璃长丝和/或原丝，由此损害所得热塑性复合材料的机械性质。

考虑到将热塑性材料与玻璃纤维增强材料配混时遇到的低效性和困难，已开发出反应性加工技术，其中将热塑性聚合前体，如单体施加到玻璃纤维上并随后在模具中或在拉挤或挤出过程中聚合产生玻璃纤维增强的热塑性复合材料。在玻璃纤维存在下通过反应性加工技术形成热塑性聚合材料可避免与配混—其中在与玻璃纤维结合之前形成热塑性聚合材料—相关的一些问题。

但是，热塑性反应性加工技术存在一些缺点。一个缺点在于，此类技术不适用于所有热塑性体系。另外，反应性加工技术未解决与热塑性材料粘度相关的所有问题。反应性加工过程中的热塑性材料胶凝和聚合物粘度的其它提高仍可能限制可接受的玻璃纤维增强材料浸渍。

此外，反应性加工技术对于在聚合过程中引入外来化学物类非常敏感。施加到增强玻璃纤维上的施胶组合物的各种组分例如可能干扰和/或终止反应性加工技术的聚合过程。聚合的干扰或过早终止会产生具有不合意的机械和化学性质的增强复合材料。

因此，在玻璃纤维用于反应性加工技术之前，常常通过施热从玻璃纤维表面上除去施加到玻璃纤维上以在机械加工过程中提供保护的施胶组合物。施胶组合物的除去防止在反应性加工技术过程中存在破坏性化学物类。但是，为除去施胶组合物而加热玻璃纤维在机械上弱化该玻璃纤维，由此妨碍该纤维进一步加工成各种增强几何构造。因此，现有的反应性加工技术仅限于织物布置的玻璃纤维增强材料。玻璃纤维增强材料限制于织物布置使反应性加工不适用于其它复合材料成形技术，如丝绕、拉挤、挤出和编织。

热清洁玻璃纤维也会不利地影响所得增强的聚合复合材料的性质。由于这些缺点，这种玻璃纤维增强的热塑性复合材料的商业生产有限。

概述

本发明的实施方案涉及通过反应性加工技术制造的增强的聚合复合材料中所用的玻璃纤维用的施胶组合物。在经受反应性加工技术时，本发明的施胶组合物的一些实施方案在玻璃纤维增强的聚合复合材料的制造中不干扰或在最低程度上干扰聚合物前体，如单体和/或低聚物的聚合。在一些实施方案中，例如，本发明的施胶组合物在玻璃纤维增强的聚酰胺复合材料的制造中不干扰或在最低程度上干扰内酰胺向聚酰胺的阴离子聚合。

反应性加工技术，在本发明的一些实施方案中，包括通过增强反应注射成型(RRIM)、结构反应注射成型(SRIM)、树脂传递成型(RTM)、真空辅助的树脂传递成型(VARTM)和其它反应性加工技术制造聚合复合材料。反应性加工技术在一些实施方案中还可以包括通过反应性拉挤、反应性挤出、反应性丝绕或编织和其它反应性加工技术制造增强的聚合复合材料。反应性加工技术在本发明的一些实施方案中可以在单步骤中制成玻璃纤维增强的热塑性复合材料，其中聚合材料成形和增强在同一步骤或周期中进行。