单向纤维增强的连续卷层制造技术

一种单层半成品网状物(G)，其由单向取向的连续纤维增强并具有移动方向，所述网状物包括含有至少60重量％的选自聚酰胺、聚烯烃及其混合物的一种或更多种的热塑性聚合物的基质，所述网状物包括以周期性间隔出现的重叠的纤维增强的半成品网状物片段的熔接缝，其中纤维增强的半成品网状物片段的纤维层重叠，其中半成品网状物在熔接缝区域的厚度至少与半成品网状物的其他区域的厚度的算术平均值精确相同，并且其中熔接缝区域的宽度在移动方向上大于1mm至8mm，其中熔接缝区域以外的区域的半成品网状物的厚度为0.01mm至0.40mm，并且其中单向取向的连续纤维与移动方向围成预定角度，所述预定角度的值大于0°至90°；及其制造方法和在制造多层复合材料和/或有机片材中的应用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单向纤维增强的连续卷层
技术介绍
专利技术涉及一种单向连续(continuous)纤维增强的半成品网状物，特别是作为连续(endless)卷层，其中，连续纤维呈现出偏离移动方向的限定取向(所谓的X°卷带)。本专利技术还涉及一种制造根据本专利技术的X°卷带和连续卷层的方法，及其在制造多层复合材料，例如有机片材中的应用，并且涉及多层复合材料，所述多层复合材料包括至少一个由根据本专利技术的半成品网状物制成的层。一段时间以来，目前能够兼具高机械稳定性和轻量的有机片材已经被用作金属片材的替代品，特别是汽车和飞机制造中的金属片材的替代品。有机片材由例如德国Brilon的Bond-LaminatesGmbH提供，名为和德国Ludwigshafen的BASFSE提供，为有机片材是纤维-基质半成品，通常由嵌入热塑性基质中的纤维织物或纤维纱组成。由于有机片材的拉伸和压缩性能以及机械和热学性能与金属板材不同，是各向异性的并取决于纤维，特别是短纤维或纤维织物的取向，所述短纤维或纤维织物以无序分散方式而被嵌入到热塑性基质中。然而，连续纤维切实提供了特别的机械稳定性。已经提出了制造作为有机片材组分的半成品网状物的方法，其中将纤维和基质材料放置在基底网状物上，然后在随后的步骤中进行连接(例如，EP3077308A1)。或者，有机片材制成的的组件已知通过以下制造：切割所谓的0°卷带的片段，即带状网状物的片段，该带状网状物使用在移动方向上平行排列并嵌入热塑性树脂基体中的平行连续纤维；和在特定成型压具和/或层压工具中将这些片段一层压一层地放置得到多层，然后在热压下进行层压。因此，有机片材是一种多层复合材料，其中各层对应于纤维增强的半成品网状物/带或如适用的，非纤维增强的半成品网状物/带。尽管它们的生产成本相对较高，但是由于不同的片段层可以表现出纤维增强的不同取向，所以可以获得在部件的预定方向上具有预定拉伸力以及热和机械性能的有机片材。在本专利技术的意思范畴内，“移动方向”与带的网状物的主方向(或主网状物的方向)同义。因此，0°卷带(0°-UD-卷带，0-卷带，0°-UD-带，0°-带，0-带)的纤维呈现出基本以平行于带的移动方向而延展。相比之下，有机片材可以通过层压多个预制半成品网状物/带而以一种特别通用、可变和特别经济的方式制造，其中，待层压的半成品网状物/带各自包含热塑性基体，所述热塑性基体优选由相同的塑性树脂或相容的热塑性树脂制成，和增强纤维，所述增强纤维在半成品网状物/带内基本平行取向。为了使半成品网状物/带中各向异性的特性可在平面的多个方向上实现，可以层压由带组成的层，所述带具有不同取向的纤维。那么有机片材由例如高达10个或更多个层组成，所述层已由具有至少两种不同纤维取向的半成品网状物/带切割而成。如果半成品网状物/带中的纤维密度不受较大波动的影响，则可以高精度地评估和预测层或不同层的复合材料的(机械)性质。拉伸载荷、刚度、强度和热膨胀性能尤其取决于纤维密度。为了提高这些参数的质量公差、可预测性和可评估性，半成品纤网状物/带因此不应表现出任何不规则或周期性重复出现的“瑕疵”，该瑕疵显示出明显较低的纤维密度。用单向连续纤维增强的单层半成品网状物的最简单示例是上述0°-UD-卷带(UD＝单向)，其中平行排列的连续纤维嵌入热塑性基质中并基本上完全平行于移动方向取向。WO2012/123302A1中尤其描述了这样的0°UD卷带及其制造。除了0°卷带以外，所谓的X°-UD-卷带(或X°-卷带和/或X-卷带、X°-带，X°-UD-带、X-带)也是已知的，即同样包含相互平行排列并嵌入在热塑性基质中的连续纤维的带，但其中纤维方向相对于移动方向形成不为0°的角。该角通常为大于0°至90°的角度值。因此，90°-UD-卷带(90°-卷带、90-卷带，等)包含彼此平行且完全垂直于移动方向延伸的纤维。已知可以使用0°-UD-卷带来制造X°-卷带。因此，例如，EP2377673A2、EP0740996A1、US5,766,725或DE101012111761A1均描述了方法，其中将0°-UD-卷带的部分彼此相邻放置在网状物基底上，即，在已经存在的热塑性纤维网状物上，并且进行层压，使得各部分的纤维继续平行，但相对于网状物基底的移动方向以大于0°直至90°的角取向。在以这种方式制造的带中，该带不为单层且至少两层，带的机械强度以及将0°-UD-卷带的部分彼此连接需要稳定的网状物基底。以这种方式制造的网状物较厚、弹性差、缠绕性能差，纤维密度较低，尤其在整个厚度上不均匀。已经描述了在不使用部分连接到的网状物基底情况下，使用0°-UD-卷带的部分来制造单层X°-卷带的方法。EP3243641A1描述了一种方法，其中将0°-UD-卷带的部分齐平(“邻接”)，即彼此邻接，放置在可以沿新的带方向移动的“工作台”上，然后熔接，从而形成X°-卷带。EP3243641A1明确强调了0°-UD-卷带邻接放置，以避免得到的X°-卷带变形。所有这些已知方法的共同之处在于，在通过熔接方法将其连接之前，各部分邻接放置，其中，在邻接处，熔接过程中液化的热塑性基质材料流入邻接处之间的空间中。邻接边缘处的不规则可能是由于不同的切割刀片和/或其切边或由于其他影响导致的，这不可避免地导致在熔接缝区域出现不期望的缺陷和/或不期望的网状物收缩或变薄。同样地，当各部分邻接放置时，在将它们熔接之前，不可能将它们理想地无间隙地装配在一起。因此，当在熔接过程中分散热塑性基质材料时，不可避免地在熔接缝处形成一个区域，在该区域中，增强纤维的密度和/或含量以及由此纤维的比重低于网状物的其它区域和/或低于熔接缝以外的其他区域的算术平均值。这带来两个缺点：一方面，由于没有足够的热塑性树脂来封闭每个间隙并由此获得均匀的纤网状物厚度，进而损害了所制造的X°-卷带在移动方向上的机械稳定性；另一方面，不可避免地且以周期性重复的间隔(即在熔接缝处)出现区域，在该区域中增强纤维的含量(可以以移动方向上的单位长度的纤维重量来测定)低于网状物熔接缝以外的其他区域的纤维含量的算术平均值，甚至包括实际上没有任何纤维成分的部分。这是不利的，尤其是在是将生产的X°-卷带意在用作有机片材的层的背景下是不利的，其中非常强调各向异性的力学性能和热性能的可评估性和可预测性。然而，可预见性和可评估性的前提是具有广泛的一致性，或至少具有尽可能连续的增强纤维的最小密度和/或最小含量。表现出较低纤维含量和/或纤维重量和/或纤维密度的重复区域在有机片材中引起不期望的和无法评估的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决一个或多个现有技术的上述难点。因此，本专利技术的明确目的是避免这样的缺陷。同时，本专利技术的目的是提供单层X°-UD-卷带，该卷带在其熔接区域中，在移动方向上具有足够的机械稳定性和强度。本专利技术的另一个目的是提供制造根据本专利技术的X°-卷带的方法，其特征在于特定的速度、质量和效率。所提及的目的和现有技术的缺点中的至少一个并且优选地一个以上通过单层半成品网状物解决，该网状物由单向取向的连续纤维增强并呈现移动方向，所述网状物包括含有至少60重量％的选自聚酰胺、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单层半成品网状物，所述网状物由单向取向的连续纤维增强并呈现移动方向，所述网状物包括含有至少60重量％的选自聚酰胺、聚烯烃及其混合物的一种或更多种的热塑性聚合物的基质，所述网状物包括以周期性间隔出现的重叠的纤维增强的半成品网状物片段的熔接缝，其中纤维增强的半成品网状物片段的纤维层重叠，其中半成品网状物在熔接缝区域的厚度至少与半成品网状物的其他区域的算术平均值精确相同，并且其中熔接缝区域的宽度在移动方向上大于1mm至8mm，并且其中熔接缝区域以外的区域的半成品网状物的厚度为0.01mm至0.40mm，并且其中单向取向的连续纤维与移动方向围成预定角度，所述预定角度的值α为大于0°至90°。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181030 EP 18203382.91.单层半成品网状物，所述网状物由单向取向的连续纤维增强并呈现移动方向，所述网状物包括含有至少60重量％的选自聚酰胺、聚烯烃及其混合物的一种或更多种的热塑性聚合物的基质，所述网状物包括以周期性间隔出现的重叠的纤维增强的半成品网状物片段的熔接缝，其中纤维增强的半成品网状物片段的纤维层重叠，其中半成品网状物在熔接缝区域的厚度至少与半成品网状物的其他区域的算术平均值精确相同，并且其中熔接缝区域的宽度在移动方向上大于1mm至8mm，并且其中熔接缝区域以外的区域的半成品网状物的厚度为0.01mm至0.40mm，并且其中单向取向的连续纤维与移动方向围成预定角度，所述预定角度的值α为大于0°至90°。


2.根据权利要求1所述的半成品网状物，其特征在于，
i)熔接缝区域的纤维比重至少是半成品网状物其他区域的纤维比重的1.2倍；和/或
ii)熔接缝区域的半成品网状物的厚度至少是半成品网状物其他区域的算术平均值的1.2倍，但不大于4.0倍；和/或
iii)移动方向上的单位长度的纤维重量在熔接缝区域内，在半成品网状物的所有熔接缝区域计算的算术平均值为半成品网状物其他区域的算术平均值的1.4至2.0倍，优选为1.8至2.0倍；和/或
iv)在半成品网状物的移动方向上，熔接缝区域的宽度大于1mm至6mm，优选大于1.0mm至3mm。


3.根据权利要求1或2所述的半成品网状物，其特征在于，所述熔接缝通过超声熔接制造。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的半成品网状物，其特征在于，所述纤维包括玻璃纤维、聚合物纤维、碳纤维、矿物纤维、无机合成纤维，优选包括玻璃纤维。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的半成品网状物，其特征在于，所述半成品网状物在所述熔接缝区域以外的区域中的厚度为0.15至0.25mm，优选为0.18至0.23mm。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的半成品网状物，其特征在于，所述基质的一种或多种热塑性聚合物由热塑性聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯或其混合物组成。


7.一种连续卷层，所述连续卷层由一个或多个卷绕的权利要求1至6中任一项所述的半成品网状物组成。


8.一种用于制造单向取向的连续纤维增强的单层半成品网状物的方法，所述方法包括以下步骤：
a)引入单层初始半成品网状物，所述网状物在初始半成品网状物的移动方向上由单向取向的连续纤维增强，并且其中所述单向取向的连续纤维嵌入含有至少60重量％的选自聚酰胺、聚烯烃及其混合物的一种或更多种的热塑性聚合物的基质，所述网状物具有两个相对的平行外周边缘，两个相对的平行外周边缘以初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫尔穆特·拜耳，康拉德·麦尔，
申请(专利权)人：普洛夫尔有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE