纳米粒子挤拉成型加工助剂制造技术

本发明专利技术描述了包括经表面改性的二氧化硅纳米粒子和经表面改性的方解石纳米粒子的纳米粒子作为挤拉成型法的加工助剂的用途。所述方法包括将含有树脂和所述纳米粒子的树脂体系与连续纤维组合、挤拉成型该组合，以及将所述树脂至少部分固化。所述方法适合使用多种树脂和纤维，并可用于在固定纤维体积填充下降低拉引力，增加纤维体积填充，或者上述两者。本发明专利技术也描述了由这些方法制得的挤拉成型部件以及具有高纤维体积填充的挤拉成型部件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米粒子挤拉成型加工助剂
本公开涉及挤拉成型加工助剂。具体来讲，本公开描述了纳米粒子（包括表面改性的纳米粒子）、加工助剂和这种纳米粒子在挤拉成型过程中的用途。
技术实现思路
简而言之，在一方面，本公开提供了一种形成经纤维增强的聚合物复合材料的方法，所述方法包括用包含液体树脂和纳米粒子的树脂体系浸渍连续纤维，将经树脂浸渍的纤维拉引通过模具，以及在所述模具中将树脂体系至少部分固化（例如交联）。在一些实施例中，所述方法还包括将经树脂浸渍的纤维拉引通过预成形机，以及压实所述纤维。合适的纤维包括芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维和碳纤维。合适的树脂包括可交联树脂，如环氧树脂、乙烯基酯树脂和聚酯树脂。在一些实施例中，所述纳米粒子包含芯部和与所述芯部相连的至少一个表面改性剂，例如，包含二氧化硅芯部和共价结合至所述芯部的表面改性剂的二氧化硅纳米粒子，以及包含方解石芯部和与所述芯部离子相连的表面改性剂的方解石纳米粒子。在一些实施例中，所述纳米粒子包括经反应性表面改性的纳米粒子，所述经反应性表面改性的纳米粒子包含芯部和与所述芯部相连的反应性表面改性剂，其中将树脂固化包括使树脂与反应性表面改性剂反应。在一些实施例中，形成经纤维增强的聚合物复合材料所需的拉引力与在相同条件但无纳米粒子的情况下形成同样的经纤维增强的聚合物复合材料所需的拉引力相比降低至少30%。在一些实施例中，在比基本线速度大至少20%的线速度下形成经纤维增强的聚合物复合材料所需的拉引力小于在基本速度且无纳米粒子情况下形成同样的经纤维增强的聚合物复合材料所需的拉引力。在另一方面，本公开提供了一种根据前述权利要求中任一项所述的方法制得的挤拉成型的经纤维增强的聚合物复合材料。在又一方面，本公开提供了一种挤拉成型的经纤维增强的聚合物复合材料，其包含嵌入树脂体系中的连续纤维，所述树脂体系包含经固化的树脂和纳米粒子。在一些实施例中，所述挤拉成型的经纤维增强的聚合物复合材料包含至少66体积%的连续纤维。在一些实施例中，所述连续纤维包括石墨纤维和/或玻璃纤维。本公开的上述
技术实现思路
并不旨在描述本专利技术的每一个实施例。本专利技术的一个和多个实施例的细节还在下面的描述中示出。本专利技术的其他特征、目标和优点根据描述和权利要求将显而易见。附图说明图1示出了一个示例性的挤拉成型过程。图2示出了一个示例性的挤拉成型的经纤维增强的聚合物复合材料。图3为含有纳米粒子的挤拉成型部件的SEM图像。图4为含有纳米粒子的挤拉成型部件的另一SEM图像。具体实施方式一般来讲，“挤出”涉及将材料推送通过配备一个或多个加热螺杆的圆筒，以及在材料通过例如模具而离开圆筒之前进行混合，所述一个或多个加热螺杆提供大量的剪切力。相比之下，在“挤拉成型”过程中，材料被拉引通过模具。挤拉成型法常用于形成具有均匀横截面的连续的经纤维增强的聚合物复合材料。在典型的挤拉成型过程中，连续纤维和树脂被拉引通过加热模具，在所述加热模具中复合材料部件成形，且树脂硬化。所得的经纤维增强的聚合物复合材料可随后被冷却，并切削至所需长度以制得挤拉成型部件。示例性的挤拉成型部件包括杆件、柱子、柄部、棒材、管材、横梁（例如I形梁）、甲板、箭杆、撑条等。一个示例性的挤拉成型过程示于图1中。纤维105的卷轴104支承于例如经轴架102上。每个纤维105常常为一束纤维，例如丝束或粗纱。尽管未显示，但纤维也可作为含有连续和/或不连续纤维的垫提供。在一些实施例中，纤维与另外的纤维层，例如连续原丝毡106组合。当纤维被拉引通过导向装置110时，它们如特定的挤拉成型部件所需而排列和分布。然后纤维105进入树脂浴120，在所述树脂浴中所述纤维由树脂体系130饱和或“润湿”。当离开所述树脂浴时，纤维进入预成形机140，在所述预成形机中饱和平坦的纤维片材被预成形，且在称为“压实”的过程中，过量树脂被去除。在一些实施例中，可在树脂浴之后施用连续原丝毡和/或面纱，以例如改进挤拉成型部件的强度和/或表面性质。一般来讲，当添加的面纱从预成形机140中的饱和纤维中挤出时，其由过量树脂的一部分饱和。在一些实施例中，可将预热器，例如射频预热器设置于预成形机140和模具150之间，以升高温度并降低树脂的粘度。在排列和压实之后，经树脂浸渍的纤维准备经过成型模具150。一般来讲，模具被精确机加工，使得纤维和树脂压实以符合所需的成品横截面。模具150通常在一个或多个区域中加热，以提供固化或者硬化树脂体系所需的温度分布。因此，当树脂和纤维经过加热模具时，树脂固化并经历体积减少。在一些实施例中，可不存在预成形机，且任何面纱的压实和饱和在模具的入口处发生。另外，由于材料未预成型，因此材料向它们最终形状的转化在模具内发生。在固化之后，挤拉成型的经纤维增强的聚合物(“FRP”)复合材料160离开模具，在其进入“夹持器”部分170之前，可将其冷却或者处理。已使用多种夹紧方式来将材料连续拉引通过挤拉成型模具，包括例如履带175、液压夹具、往复式拉引块等。在所述夹持器部分之后，可使用例如横截锯180将FRP复合材料切削至如成品部件200的所需长度。容易理解挤拉成型法的该一般描述的各种修改。例如，作为在树脂浴中将纤维饱和的替代形式，可在通常称为注射挤拉成型的过程中将树脂注入模具中。一般来讲，纤维从经轴架上退绕，如所需排列和分布，并经过模具。在模具入口附近注射树脂，当将纤维拉引通过树脂注射区域时，纤维被饱和，树脂在模具中固化，制得准备切削成部件的FRP复合材料。示例性的挤拉成型部件300示于图2中。挤拉成型部件300包括纤维305和含有良好分散的纳米粒子340的经固化的树脂330。一般来讲，所有纤维305在挤拉成型部件的长度方向上排列。除了示于图2中的示例性矩形横截面之外，任何已知或所需的横截面也可通过适当设计模具而制得。如同在许多制造过程中一样，需要提高挤拉成型部件的机械性质。通常，制造者试图通过增加部件中的纤维体积分数而实现该目的。然而，如所共知的那样，即使是纤维体积分数的小的增加也可导致拉引力的显著增加，拉引力即将树脂和纤维拉引通过模具所需的力。由于加工速度和通量也是重要的，可获得的最大纤维填充存在明显的实际局限性。一般来讲，复合材料中纤维体积分数越低，由于在模具中固化的过程中树脂的回缩所导致的复合材料部件的体积的降低越大。当所得复合材料部件与模具表面的接触减少时，摩擦降低，需要更小的拉引力。当纤维体积增加时，存在更少的树脂，从而产生更小的回缩，更大的摩擦和更大的拉引力。树脂粘度也影响拉引力。一般来讲，当粘度增加时，需要更大的拉引力。在一些应用中，在树脂进入模具之前，可将树脂部分预热以降低其粘度。本专利技术人已发现，在一些实施例中，在树脂体系中即使包含少量的纳米粒子也可在固定纤维填充下产生拉引力的显著且意料不到的减小。该效果可用于增加纤维体积填充和/或加工速度，而不超过最大期望拉引力。由于已知将纳米粒子添加至树脂体系中会增加粘度且降低回缩，且增加粘度和降低回缩两者一般来讲会增加所需拉引力，因此这些结果更加出乎意料。除了将拉引力保持在一些所需最大值以下之外，还期望保持稳定的拉引力。通常，拉引力的突然增加或甚至逐渐增加表明存在常常在模具的入口处或模具内的加工问题。这可能导致制备中止，因为清洁模具或调节其他变量。加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成经纤维增强的聚合物复合材料的方法，所述方法包括用包含液体树脂和纳米粒子的树脂体系浸渍连续纤维，将经树脂浸渍的纤维拉引通过模具，以及在所述模具中将所述树脂体系至少部分固化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.17 US 61/383,9061.一种形成经纤维增强的聚合物复合材料的方法，所述方法包括用包含液体树脂和纳米粒子的树脂体系浸渍连续纤维，将经树脂浸渍的纤维拉引通过模具，以及在所述模具中将所述树脂体系至少部分固化；其中将所述树脂体系固化包括将所述树脂交联；并且其中所述纳米粒子包括经反应性表面改性的纳米粒子，所述经反应性表面改性的纳米粒子包含芯部和与所述芯部相连的反应性表面改性剂，其中将所述树脂体系固化包括使所述树脂与所述反应性表面改性剂反应，其中所述树脂体系包含环氧树脂和0.5重量％至5重量％的纳米粒子，并且所述经纤维增强的聚合物复合材料包含至少66体积％的所述连续纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述经树脂浸渍的纤维拉引通过预成形机，以及压实所述纤维。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述连续纤维包括选自芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维和碳纤维的纤维。4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述树脂还包括可交联的乙烯酯树脂和可交联的聚酯树脂中的至少一种。5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米粒子包含芯部和与所述芯部相连的至少一种表面改性剂。6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米粒子包括二氧化硅纳米粒子。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述二氧化硅纳米粒子包含二氧化硅芯部和共价结合至所述芯部的表面改性剂。8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米粒子包含方解石纳米粒子。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述方解石纳米粒子包含方解石芯部和与所述芯部离子相连的表面改性剂。10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述树脂体系包含多峰分布的纳米粒子。11.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述树脂体系还包含平均粒度为至少1微米的填料。12.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯廷·L·通霍斯特，埃米莉·S·根纳，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US