[发明专利]具有改进模量的复合材料部件

说明书

公开了一种高模量复合材料部件，其包含聚合物树脂和多个高性能单向玻璃纤维。所述高性能单向玻璃纤维具有至少89GPa的弹性模量以及至少4000MPa的拉伸强度，根据ASTM D2343‑09。所述复合材料部件包含不超过88％的纤维重量分数(FWF)以及至少60GPa的弹性模量，根据ASTM D7205。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年2月26日提交的美国临时专利申请第62/981,760号的优先权和所有权益，通过引用将其整体公开完全并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及复合材料部件，更具体地涉及由高性能玻璃纤维构成的高模量复合材料部件，例如用于混凝土的加强筋(“增强筋”)。

背景技术

混凝土是最常见的建筑材料之一。它用于各种结构，例如桥梁、墙壁、地板、建筑支撑物、道路和跑道等。混凝土具有优异的抗压强度，但是具有很差的拉伸强度。因此，如果混凝土结构将承受拉伸应力，例如由弯曲载荷产生的那些应力，则几乎总是需要加强混凝土结构。传统上，通过将金属(通常以钢筋的形式)纳入混凝土中来提供这种加强，以便改善混凝土结构的拉伸强度。

至少在某些应用中，混凝土结构中的钢筋存在许多缺点。例如，当暴露于水和盐时，钢筋会随着时间推移而腐蚀。随着钢腐蚀，由于锈层的形成，它往往会膨胀，这导致混凝土开裂和混凝土结构衰败。因此，人们试图采用至少部分由非金属材料制成的筋代替钢筋。例如，已经开发了包括嵌入连续纤维的热固性树脂的挤拉复合加强材料。

纤维加强的复合材料(例如复合增强筋)典型包括嵌入树脂基质(例如聚合物，如不饱和聚酯或环氧乙烯基酯)中的纤维加强材料(例如玻璃纤维、聚合物纤维或碳纤维)。纤维加强材料典型包括纱线或丝束(它们各自都包括大量纤维或纤丝)以及一个或多个纤维垫或纤维网。

此类纤维加强复合材料通常是通过拉挤工艺生产，并且具有线性或均匀轮廓。传统的拉挤工艺涉及从加强材料的来源拉拔一束加强材料，通过使加强材料通过开放式槽中的树脂浴来润湿和浸渍纤维(优选地用热固性聚合物树脂)，将树脂润湿和浸渍的纤维束牵引通过成型模具以便排列纤维束并将其操控成适当的横截面构造，并在模具中固化树脂，同时保持纤丝上的张力。

一些纤维加强的复合材料，例如增强筋(rebar)，需要耐腐蚀，并且传统上使用耐腐蚀性玻璃纤维(或E-CR玻璃纤维)制造。E-CR型玻璃纤维是一类铝硅酸盐玻璃，其表现出高的耐水性、耐酸性和耐碱性。已知E-CR玻璃是无硼的改性E-玻璃组合物，其具有较高的耐酸腐蚀性，包含铝硅酸钙和约1％的碱金属氧化物。在需要强度、导电性和耐酸腐蚀的情况下典型使用E-CR玻璃。

无硼E-CR玻璃纤维的一个例子以商标(Owens Coming,Toledo,Ohio,USA)出售。这样的无硼纤维(公开于美国专利US 5,789,329并且通过引用将其整体并入本文)与含硼的E玻璃相比提供了工作温度的显著改善。E-CR玻璃纤维属于ASTM对用于一般用途的E-玻璃纤维的定义。

为了使复合材料部件成为目前的钢解决方案的可行替代，该复合材料部件必须表现出提高的模量和优异的碱腐蚀耐受性。

近期，已开发出一类玻璃纤维，称为高性能玻璃纤维，其关注于改善玻璃的力学性能。与传统的E玻璃纤维相比，高性能玻璃纤维具有更高的强度和刚度。弹性模量(与“杨氏模量”可互换)是纤维刚度的量度，定义了施加到材料的应力与该材料所产生的应变之间的关系。刚性材料具有高的弹性模量，并且在弹性载荷下其形状仅发生轻微变化。柔性材料具有低的弹性模量并且显著改变其形状。特别地，对于一些产品，刚度对模制和性能是至关重要的。