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CN108367509B - 浸渍遮蔽物 - Google Patents

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CN108367509B
CN108367509B CN201680072827.0A CN201680072827A CN108367509B CN 108367509 B CN108367509 B CN 108367509B CN 201680072827 A CN201680072827 A CN 201680072827A CN 108367509 B CN108367509 B CN 108367509B
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Abstract

浸渍遮蔽物以及增强纤维预浸渍连续和不连续热固性和热塑性材料的模压成型方法。遮蔽物在预浸渍过程(基于热熔体或溶剂的过程)内，即在成膜或层合阶段内被并入各种所选择的树脂中。遮蔽物有助于改善视觉部件品质，减少纤维分裂，并在必须存在不相容材料的应用中提供隔离材料。

Description

浸渍遮蔽物
相关申请的交叉引用
本申请是要求于2015年12月14日提交的美国临时申请第62/266,987号的优先权的PCT国际专利申请。以上申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及并入制造部件例如汽车部件时进行模压成型的预浸渍材料中的遮蔽物层。
背景技术
对各种塑料材料进行模制是用于为各种应用创建部件的常用方法。传统上，碳纤维复合材料具有关于表面上的纤维线和树脂富集区域的已知表面问题，导致对部件进行模制后再加工以满足外观和品质标准。缺陷包括在涂漆表面上可见的纤维通读(readthrough)，尤其是表面上的树脂富集区域。在较高的温度下，例如在模压成型期间，由于在升高的温度下树脂膨胀并且碳纤维收缩，基体内的线性热膨胀差系数增加了通读可见度。树脂富集区域通常由模压成型过程期间预浸料的分裂(例如纤维束分裂)引起。“预浸料”通常是用树脂预浸渍的增强材料。
过去已使用浸渍片材来形成模制部件。然而，目前，复合材料供应商供应干的浸渍遮蔽物，但未以本申请的创造性方式进行组装，或者用于如本申请所阐述的用于碳纤维连续预浸渍材料的新制造方法。
一个常见的问题是能够从模具中提供待进行涂漆的“A”级表面(所有碳处理都需要表面准备工作以使其为A级做好准备)。碳纤维的表面和准备和再加工是昂贵的，并且增加了为汽车以该材料模制的制品的成本高昂性质。此外，材料、部件几何形状和处理可能会在主题独特的模压成型方法中造成额外的缺陷。
典型的已知模压成型方法包括层片(ply)的预浸料组堆叠，其中各个层片具有0°层片取向或90°层片取向。一些体系还包括干遮蔽物，其具有显著的缺点，例如不可用于三维(3D)部件等。预浸料堆叠体被切割成平面二维(2D)预浸料坯。预浸料坯被预成型为期望部件的大体形状并放在芯工具上。腔工具在芯工具中的坯上关闭，并且在工具处于加热温度范围(即150℃)下时施加合模力(即900kN至11000kN)以形成部件。
然而，如果预浸料的完整性弱，则在施加合模力时会产生裂缝。这些裂缝还与顶层片上的纤维取向一致。预浸料层合件内的纤维桥连和应力在部件几何形状发生显著变化的区域中尤其是在直壁和尖锐边界(sharp radii)处复合。这导致这些区域中的通读增加。通常，预浸料的品质越差，树脂富集区域越严重并且导致通读—在具有更复杂几何形状的区域中尤其如此。另一个问题是，当在压缩期间施加热时，纤维洗脱(washout)产物和裂缝将进一步分离。此外，当市售碳纤维材料(例如50K连续碳纤维丝束等)开始具有丝束质量变化时，这影响纤维铺展和纤维束在预浸料内交织的能力。差的纤维交织可能造成裂缝或以其他方式损害预浸渍体的完整性。
因此，需要改善的层片布置(layup)和制造部件的方法，所述方法从模具中产生更好的表面，该表面需要较少的表面准备和再加工以满足汽车A级要求，并且减少与当前加工相关的表面准备和成本。
发明内容
本发明一般地涉及浸渍遮蔽物的并入和预浸渍碳纤维的模压成型方法。提供了用于碳纤维预浸渍连续和/或不连续热固性和热塑性材料的模压成型方法的浸渍遮蔽物。这些遮蔽物在预浸渍(基于热熔体或溶剂的过程)的成膜或层合阶段内被并入各种树脂(例如环氧类、聚氨酯、聚酯、乙烯基酯、尼龙6、尼龙6,6等)中。遮蔽物有助于改善视觉品质，减少纤维分裂并在必须存在不相容材料的应用中提供隔离材料。该方法可以用于装饰性外观部件、结构和/或半结构部件。
根据下文提供的详细描述，本发明的其他应用领域将变得明显。应理解，虽然详细描述和具体实例示出了本发明的优选实施方案，但仅旨在用于举例说明的目的，而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，将更全面地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的在第一层片上具有遮蔽物的层片堆叠体的示意图；
图2是根据本发明的遮蔽物位置和层片堆叠体布置的实例的示意图；
图3是示出在部件的A级表面上的纤维桥连的透视图；以及
图4是根据本发明的具有层片和一个或更多个遮蔽物的几种遮蔽物布置构造的示意图。
具体实施方式
以下对优选实施方案的描述本质上仅为示例性的，绝不旨在限制本发明、其应用或用途。
参照附图，本发明一般地涉及并入进行模压成型加工的预浸渍碳纤维中的遮蔽物。至少一个遮蔽物位于层片堆叠体布置构造的适于提供期望的表面品质和任何其他期望的预定特性的任何预定位置。
一般一般地，根据本发明，提供了用于预浸渍碳纤维预浸渍连续和/或不连续热固性和热塑性材料的模压成型加工的浸渍遮蔽物。这些遮蔽物根据应用在预浸渍的过程(基于热熔体或溶剂的过程)内，例如最优选地在成膜或层合阶段内被并入选自诸如树脂如环氧系、聚氨酯、聚酯、乙烯基酯、尼龙6、尼龙6,6等及其组合的各种树脂的树脂中。这些遮蔽物有助于改善视觉品质，减少纤维分裂并在必须存在不相容材料的应用中提供隔离材料。该方法可以用于装饰性外观部件、结构和/或半结构部件。
通常，常规的干遮蔽物是不利的，因为其可以用于2D/平面部件，但不可用于3D轮廓部件。相比之下，根据本发明，浸渍遮蔽物不会使预浸料中的树脂不足并保持树脂分布。浸渍遮蔽物使表面(例如A级表面)平滑并使导致表面再加工的表面缺陷最小化。浸渍遮蔽物还提供了改善加工和降低整体生产成本的潜力。
一般地，本发明提供了并入进行模压成型的预浸渍连续碳纤维材料中的现有现成遮蔽物的独特用途。本发明可以应用于连续和/或不连续纤维以及热固性和/或热塑性材料。遮蔽物材料用天然树脂浸渍并被包含在碳预浸料层中例如碳预浸料层的顶部。遮蔽物可以包含聚酯、芳族聚酰胺、玻璃、碳或其他合适的纤维材料。通常，遮蔽物的面积重量为1GSM(克/平方米)至100GSM。遮蔽物根据应用可以位于层片堆叠体内的单个或多个表面中和/或以任何合适的方向取向。
在一个实施方案中，提供了碳纤维增强塑料，在另一个实施方案中，提供了聚酯遮蔽物。根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用多于一种遮蔽物材料、类型、尺寸、在各堆叠体布置中的取向和位置。
现在参照图1，一般地，根据一个优选实施方案，提供了一般地以10示出的层片堆叠体，其包括至少一个可操作地并入第一层片18例如顶部A级表面中的浸渍遮蔽物12，形成以14一般地示出的预浸料层。第一层片18是0度(0°)层片取向。层片堆叠体还包括具有预定层片取向，优选地具有预定交替或半交替层片取向模式的多个额外的预浸料层片(或“子层片”)。图1描绘了包括相对于第一层片18具有90°取向的第二层片20(或第二子层片)和具有0°取向的第三层片22(或第三子层片)的子层片。还描绘了具有0°和90°取向的额外的预浸料子层片20、22。因此，在图1所阐述的实例中，层片堆叠体10包括以以下顺序堆叠并取向的浸渍遮蔽物12加上6个层片：遮蔽物/0°/90°/0°/0°/90°/0°。虽然示出了总共6个层片，但应理解，根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用更多或更少的层片。
第一层片18具有树脂膜，所述树脂膜被调节以确保总共40％RW(40％树脂重量)被施加至预浸料和遮蔽物12二者以避免多个子层片20、22堆叠体中的树脂不足。优选地，树脂含量为40％，然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想更大或更小的树脂含量。
第一层片18具有190克/平方米(GSM)的纤维面积重量(FAW)，遮蔽物12具有20 GSMFAW。然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想更大或更小的FAW。
各子层片20、22(第二层片20、第三层片22和其余3个子层片20、22)具有190 GSMFAW和40％RW。然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想更大或更小的FAW和RW。通常，“FAW”描述产品的纤维含量。此外，各子层片20、22具有317 GSM的条件面积重量(CAW)的产品重量。然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想更大或更小的CAW。通常，“CAW”是总树脂重量加纤维面积重量(描述了产品的总重量，测量单位通常为克/平方米)。
预浸料层14具有40％RW和350 GSM CAW。然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想更大或更小的RW和CAW。
遮蔽物12的类型/材料具有适于与所选择的提供合适的预定期望特性的基体一起配制的预定品质。
用于本发明的特别优选的遮蔽物类型是可从TFP,Schenectady,NY获得的OptiveilTM TFP 20202A(12gsm或17gsm)。这是一种具有短切纤维(例如纤维是碳、玻璃、芳族聚酰胺、聚酯、热塑性塑料和金属涂覆碳等纤维类型)的轻质遮蔽物，并且包含有机粘合剂。面积重量通常为2g/m2至34g/m2。或者，用于本发明的材料是可从Owens
Figure BDA0001693151000000051
Toledo,Ohio获得的OCVTM M524-ECR20A(20 GSM)或OCVTM M524-ECR30A(30gsm)。这些是通过改性丙烯酸树脂结合的玻璃纤维遮蔽物。二者都包括具有13μ至18mm玻璃纤维的
Figure BDA0001693151000000052
丙烯酸树脂至少与聚乙烯、聚丙烯、环氧类、乙烯基酯和聚酯树脂相容。M524-ECR20A的面积重量通常为19g/m2至25g/m2，典型地为22g/m2，粘合剂含量通常为7％至11％，典型地为9％，厚度通常为0.2mm至0.26mm，典型地为0.23mm，以及透气率(在100Pa下)通常为7250l/m2秒至8950l/m2秒，典型地为8100l/m2秒。M524-ECR30A的面积重量通常为27g/m2至33g/m2，典型地为30g/m2，粘合剂含量通常为9％至11％，典型地为10％，厚度通常为0.29mm至0.37mm，典型地为0.33mm，以及透气率(在100Pa下)通常为5670l/m2秒至7040l/m2秒，典型地为6400l/m2秒。然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想其他合适的遮蔽物类型。
遮蔽物材料可以是具有交联苯乙烯丙烯酸类的聚酯或通过改性丙烯酸树脂结合的玻璃纤维。然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想其他合适的遮蔽物材料。
优选地，树脂是基于环氧的树脂体系，然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想基于乙烯基酯、聚酯、聚氨酯或任何其他合适树脂的替代树脂体系。
基于环氧的树脂体系包含固化剂或者用于增韧或用于任何其他期望预定特性的其他添加剂。在加热期间，树脂和固化剂引发反应。
其他填料、添加剂和组分可以以少量包含在内，前提是它们不影响本发明的期望特性。
虽然设想用环氧材料预浸渍的碳纤维，但根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用诸如Kevlar、Glass、Bassalt等的不同的纤维或诸如乙烯基酯、聚酯、PA6、PA66等的树脂。对于制造部件，不限于模制，可以设想其他方法。也可以设想适用于制造部件的其他材料。制造的部件可以更小或更大。可以设想单个或以多种取向堆叠的材料平片。平片可以被压制成3D形状或轮廓。材料片也可以是纯质的，拼接的，具有局部增厚区域(例如额外的材料修补块)。
应理解，根据应用，期望的预定特性和要求，至少一个遮蔽物层可以位于任何替代位置和/或多个遮蔽物层用于多个位置。作为非限制性实例，堆叠体中存在多个层片层，例如六个或更多，并且第一遮蔽物位于层片1和2之间，第二遮蔽物位于层片5和6之间(1是腔/A级表面，6是芯/B级表面)。作为另一个非限制性实例，遮蔽物基本上位于堆叠体的中间，例如位于顶部3个层片与底部3个层片之间。在该实施方案中，使用碳纤维增强塑料遮蔽物。然而，可以设想适用于特定应用的任何其他材料。作为非限制性实例，遮蔽物材料是通过改性丙烯酸树脂结合的玻璃纤维、具有交联苯乙烯丙烯酸树脂的聚酯、碳或其他等。在另一个非限制性实例中，一个遮蔽物在顶部上，另一个遮蔽物在底部上。在另一个实例中，存在至少4个遮蔽物和6个层片，其中遮蔽物在顶部和底部上，在层片1和2之间，以及在层片5和6之间。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想任何替代遮蔽物布置构造，例如遮蔽物位于层片堆叠体内。
现在参照图2，描绘了根据本发明的另一些实施方案的层片堆叠体的三个实例。实例1示出了一般地以100示出的预浸料层片堆叠体，其包括在第一层片104(堆叠体100中的顶层片)的A级表面上的至少一个浸渍遮蔽物102。第一层片104具有0°取向。第二层片在第一层片104下方并具有90°取向。预浸料子层片3至6具有0°或90°取向，例如如实例1示出的，形成以下：遮蔽物/0°/90°/0°/0°/90°/0°。虽然示出了总共6个层片并且描绘了取向，但应理解，根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用更多或更少的层片和替代取向。
实例2并入了多个遮蔽物；2号层片和6号层片上的遮蔽物。根据应用，在预浸料层片之间，例如如实例2中，例如在底层片正上方和在顶层片正下方，并入额外的遮蔽物对锚固纤维是有效的。这使得纤维移动更少并显著改善表面品质。实例2示出了一般地以200示出的层片堆叠体，其具有至少两个遮蔽物(第一遮蔽物202a和第二遮蔽物202b)。层片1至6具有0°或90°取向，例如如实例2示出的，形成以下：0°/遮蔽物/90°/0°/0°/90°/遮蔽物/0°。虽然示出了总共6个层片并且描绘了取向，但应理解，根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用更多或更少的层片和替代取向。
实例3示出了在任一侧上遮蔽物相对于预浸料层的中心位置，这有助于避免静电问题。在任一侧上具有预浸料层也有助于防止纤维桥连。一般地以300示出的层片堆叠体具有基本上位于该堆叠体中心的至少一个遮蔽物302。层片1至6具有0°或90°取向，例如如实例3示出的，形成以下：0°/90°/0°/遮蔽物/0°/90°/0°堆叠体。虽然示出了总共6个层片并且描绘了取向，但应理解，根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用更多或更少的层片和替代取向。
根据本发明的一个实施方案，对于实例1至3，遮蔽物类型是TFP 20202A 12 GSM和/或遮蔽物材料是具有交联苯乙烯丙烯酸类的聚酯。或者，根据本发明的另一个实施方案，遮蔽物类型是TFP 20202A 17 GSM和/或遮蔽物材料是具有交联苯乙烯丙烯酸类的聚酯。或者，根据本发明的又一个实施方案，遮蔽物类型是OCR M524-ECR20A 20 GSM和/或通过改性丙烯酸树脂结合的玻璃纤维。或者，根据本发明的再一个实施方案，遮蔽物类型是OCR M524-ECR30A 30 GSM和/或通过改性丙烯酸树脂结合的玻璃纤维。根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想替代的遮蔽物类型/材料。
优选地，遮蔽物(例如102、202a、202b和/或302)在预浸渍的过程(基于热熔体或溶剂的过程)内，例如最优选地在成膜或层合阶段内适当地并入树脂(例如优选基于环氧的树脂)中。
图2还描绘示出了芯工具(“B”表面)108和腔工具(“A”级表面)110。根据本发明的一个实施方案，提供了预定的预浸料层片堆叠体(例如，实例1、2、3或任何其他预定的合适堆叠体)并使其预成型为期望的形状并放在芯工具108上。腔工具110在预成型的预浸料坯上关闭，施加预定的合模力和预定的工具温度，持续预定时间，以模制部件。优选地，从模具中出来的部件准备好进行涂漆。根据本发明，至少从工具中产生更好的表面，该表面需要较少的表面准备和再加工以满足A级要求，并且减少表面准备和与其相关的成本。一旦准备进行涂漆，如果需要，表面如常规已知的进行涂漆。
图3示出了在部件的A级表面402上的纤维桥连区域400的实例。这是由预浸料完整性低引起的，导致当在模压成型期间施加合模力时产生裂缝。纤维桥连在具有曲率或其他部件几何形状变化的区域中最明显。在顶层片(A级表面302)上，裂缝与该层片的取向(例如0°取向)上的纤维一致。
图4示出了根据本发明的另一些实施方案的额外遮蔽物布置的实例。实例4包括在层片堆叠体的顶部上的遮蔽物并且并入了多个遮蔽物：在顶层片(1号层片)上有遮蔽物，以及在2号层片上有遮蔽物。实例5并入了在2号层片上的遮蔽物。实例6并入了多个遮蔽物(包括在层片堆叠体的顶部上的遮蔽物和在底部上的遮蔽物)：在1号层片上有一个遮蔽物，在2号层片上有一个遮蔽物，在5号层片的底部上有一个遮蔽物，以及在底部(6号层片的底部)上有一个遮蔽物，在5号层片的底部上有一个遮蔽物。实例7并入了多个遮蔽物(包括在层片堆叠体的顶部上的遮蔽物和在底部上的遮蔽物)：在1号层片上有遮蔽物，以及在底部(6号层片的底部)上有遮蔽物。
遮蔽物各自包含12gsm的聚酯。作为实例，在碳纤维预浸料层合过程之前，产生树脂膜并在预定的低热和压力下将各遮蔽物并入树脂膜中。例如，与聚酯层合的这些预浸料层用于以实例4至7中描绘的布置构造产生组合体(kit)。
如实例4至7的表中所示，各层片以0度或90度取向。层片取向0°的各层片的FAW为约190gsm，RAW为约125gsm。层片取向90°的各层片的FAW为约190gsm，RAW为约125gsm。各遮蔽物的FAW为约12gsm，RAW为约12gsm。然而根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想更大或更小的GSM、FAW和/或RAW。
根据应用，并入额外的遮蔽物将使部件基体的底部上的纤维移动和预浸料裂缝最小化，当至少一个额外的遮蔽物在层片堆叠体的底部上或者接近底层片时尤其如此，例如实例6。这使得A级表面上的通读显著最小化或者消除。此外，如实例6所描绘的，例如，根据应用，在层片堆叠体的顶部上或者接近顶层片额外地并入遮蔽物提供了更平衡的布置。这显著改善了预浸料堆叠体的完整性，显著减少了基体中的纤维移动和裂缝，从而使通读缺陷的外观最小化。
应理解，根据应用，在不脱离本发明的范围的情况下，可以设想额外的布置和遮蔽物构造以及层片和遮蔽物量。
在另一个实施方案中，提供了一种模压成型方法，例如将预浸渍的(pre-impregnated)(“预浸料("pre-preg)”)碳纤维模压成型，其中在预浸渍(通常是基于热熔体或溶剂的过程)的成膜阶段或层合阶段内并入遮蔽物。预浸渍是在各种树脂例如环氧类、聚氨酯、聚酯、乙烯基酯、尼龙6、尼龙6,6等中。
优选地，将遮蔽物并入进行模压成型的预浸渍连续碳纤维材料中。遮蔽物可以应用于连续和/或不连续纤维以及热固性和热塑性材料。通常，遮蔽物材料用天然树脂浸渍并包含在碳预浸料层(或根据应用的替代合适层)的顶部中。遮蔽物可以是聚酯、玻璃、碳或其他合适的材料。此外，通常，遮蔽物的面积重量为1GSM至100GSM。根据应用，遮蔽物可以位于层片堆叠体内的多个表面中或者以任何合适的方向取向。
对本发明的描述本质上仅为示例性的，因此，不脱离本发明的本质的变化旨在在本发明的范围内。这样的变化并不被认为脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于碳纤维预浸渍材料的模压成型方法，包括：
提供至少一个预浸渍第一层片；
在所述第一层片下方提供多个预浸渍子层片，所述第一层片和所述子层片具有0°或90°的预定取向；
提供至少一个浸渍遮蔽物，所述至少一个浸渍遮蔽物被并入所述预浸渍材料的至少一个层片的预定表面中；
将具有所述浸渍遮蔽物的所述预浸渍材料切割和/或预成型成预定形状；以及
在预定的合模压力和温度范围下将预成型件模压成型以形成部件；
其中在所述第一层片和/或所述子层片的不同表面中在预定位置处并入有至少两个浸渍遮蔽物；
其中所述浸渍遮蔽物中的一者位于所述第一层片与第二层片之间，以及所述浸渍遮蔽物中的另一者位于底层片与所述底层片上方的层片之间。
2.根据权利要求1所述的模压成型方法，其中所述至少一个浸渍遮蔽物是通过将遮蔽物在预浸渍的成膜或层合阶段期间被并入树脂中而获得的。
3.根据权利要求2所述的模压成型方法，其中所述树脂选自环氧类、聚氨酯、聚酯、乙烯基酯、尼龙6、尼龙6,6及其组合。
4.根据权利要求2所述的模压成型方法，其中所述预浸渍是基于热熔体或溶剂的过程。
5.根据权利要求1所述的模压成型方法，其中所述浸渍遮蔽物的纤维含量为1克/平方米(GSM)至100GSM的纤维面积重量和/或树脂含量为1GSM至100GSM的树脂面积重量。
6.根据权利要求1所述的模压成型方法，其中所述遮蔽物的纤维含量为12GSM至20GSM，以及树脂含量为12GSM至20GSM，以及所述第一层片和/或所述子层片的纤维面积重量为190GSM。
7.根据权利要求1所述的模压成型方法，其中所述浸渍遮蔽物被并入所述第一层片的顶表面中。
8.根据权利要求7所述的模压成型方法，其中所述浸渍遮蔽物和所述第一层片具有至少40％的树脂重量，其中所述树脂重量防止所述子层片中的树脂不足。
9.根据权利要求7所述的模压成型方法，其中具有所述浸渍遮蔽物的所述第一层片的条件面积重量为350GSM，以及所述子层片的条件面积重量为317GSM。
10.根据权利要求1所述的模压成型方法，其中所述浸渍遮蔽物被并入底层片的底表面中，位于中心，和/或包括被并入层片堆叠体中的另外的位置处的至少一个另外的浸渍遮蔽物。
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