無序氈和纖維增強復合材料制造技術

本發明專利技術提供一種適于用作用于具有諸如肋的直立部的成型制品的預成型體的無序氈。以無序氈中包含的所有增強纖維計，無序氈包含50至100質量％的纖維長度為3mm以上并且小于5mm的增強纖維，和0至50質量％纖維長度為15mm以上并且50mm以下的增強纖維，并且無序氈滿足特定的基重和特定的開纖程度。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】無序氈和纖維增強復合材料
本專利技術涉及一種用作用于纖維增強復合材料的成形制品的預成型體的無序氈、由該無序氈獲得的成形制品、使用本專利技術的無序氈獲得的纖維增強復合材料以及用于制造該纖維增強復合材料的方法。本專利技術特別涉及一種適于用作用于具有諸如肋的直立部的成形制品預成型體的無序氈。
技術介紹
由于其高比強度和高比彈性，將碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等用作增強纖維的纖維增強材料已經被廣泛用于飛機、機動車輛等的結構材料，一般工業和運動用途例如網球拍、高爾夫球桿和釣竿等。在這些應用中使用的增強纖維的形式包括由連續纖維形成的紡織物、由單向排列的平行纖維構成的UD片、使用切割纖維制造的無序片和無紡織物等。一般來說，由于纖維的各向異性，采用連續纖維的織物或UD片等，被以各種角度例如0/+45/-45/90度堆疊，并且被例如平面對稱堆疊，以防止成形制品翹曲。如此復雜的堆疊步驟是增加纖維增強復合材料的成本的因素之一。因此，通過使用預先成為各向同性的無序氈，能夠獲得相對廉價的纖維增強復合材料。這種無序氈可以通過例如將切割的增強纖維單獨地噴撒或將切割纖維和熱固性樹脂一起同時吹送到成形模具中的噴附方法(干法)，或向含有粘合劑的漿料中添加預先切割的增強纖維，然后進行造紙的方法(濕法)等來獲得。然而，由于設備相對小，所以干式制造方法的使用使得能夠以較低成本獲得無序氈。經常使用的干式制造方法的技術是，使用連續纖維、并且在切割時進行吹送的方法，并且在其中大多使用旋切機。然而，當加寬刀片間距以便加長纖維長度時，降低的切割頻率引起纖維排料的不連續。因此，氈在單位面積纖維重量方面出現局部不均勻，特別是在制造具有低的單位面積纖維重量的氈時，這種厚度不均勻是嚴重的。因此存在氈的表面外觀不良的問題。同時，增加纖維增強復合材料的成本的另一個因素是成型時間長。通常，纖維增強復合材料通過使用壓熱釜對被稱為預浸料坯的材料加熱并加壓2小時以上來獲得，所述預浸料坯通過預先以熱固性樹脂浸潰增強纖維基材來獲得。近年來，已提出了 RTM方法并且已經實現了成型時間的顯著縮短，在該方法中將未以樹脂浸潰的增強纖維基材置于模具中，隨后向其傾倒熱固性樹脂。然而，即使采用RTM方法的情況下，一個部件的成型也必需10分種以上的時間。因此，使用熱塑性樹脂代替常規熱固性樹脂作為基質而獲得的復合材料，已吸引了注意。然而，熱塑性樹脂與熱固性樹脂相比一般具有更高粘度，因此存在以樹脂浸潰纖維基材需要長時間，導致成型前的節拍時間延長的問題。作為解決上述問題的方法，已經提出了被稱為熱塑性沖壓成型(TP-SMC)的方法。這是包括將預先用熱塑性樹脂浸潰的切割的纖維加熱至熔點以上或使樹脂可流動的溫度以上、將其放入到模具的一部分中、將模具立即關閉、使纖維和樹脂能夠在模具中流動從而獲得制品的形狀、隨后冷卻并且成型的方法。在這種技術中，通過使用預先以樹脂浸潰的纖維，能夠在短至約I分鐘的時間內完成成型。存在涉及切割的纖維束和用于制造成型材料的方法的專利文獻I和2。這些方法是利用被稱為SMC或可沖壓片的成型材料的方法。然而，與采用熱固性樹脂作為基質的纖維增強復合材料的情況相比，熱塑性沖壓成型存在由于樹脂分子量不同而導致的粘度高的缺點和由于通過流體化來進行成型，所以需要相對高的成型壓力用于特別是將纖維和樹脂填入諸如肋或凸臺的復雜的形狀的缺點。因此制造大的成形制品必須大量的設備投入和高額的維護成本。引用列表專利文獻專利文獻I JP-A-2009-114611專利文獻2 JP-A-2009-114612
技術實現思路
本專利技術要解決的問題本專利技術的目的是提供:一種無序氈，該無序氈用作纖維增強復合材料的成形制品的預成型體，并且即使在低壓條件下，也能夠利用一體成型由該無序氈獲得具有例如肋或凸臺的直立部的三維復雜形狀；一種由該無序氈獲得的成形制品；使用本專利技術的無序氈獲得的纖維增強復合材料；以及用于制造纖維增強復合材料的方法。另一個目的是提供一種無序氈，由該無序氈能夠獲得具有優異的各向同性的成形制品。解決問題的手段本專利技術已經發現一種由熱塑性樹脂和增強纖維構成的無序氈使得能夠在成型期間控制其可流動性以便適合，所述增強纖維滿足特定的結束或開纖條件并且具有在特定范圍內的纖維長度。本專利技術由此完成。即，本專利技術是包含纖維長度為3?50_的增強纖維并且滿足下列i)至V)的無序氈、由該無序氈獲得的成形制品、使用本專利技術的無序氈獲得纖維增強復合材料、以及制造該復合材料的方法。i)以無序氈中包含的所有的增強纖維計，纖維長度為3mm以上并且小于15mm的增強纖維的含量為50至100質量％，并且以無序氈中包含的所有的增強纖維計，纖維長度為15mm以上并且50mm以下的增強纖維的含量為O至50質量％ ；ii)增強纖維的單位面積纖維重量為25至10，000g/m2 ；iii)增強纖維包括小于臨界單纖維數的增強纖維的單纖維，以及由臨界單纖維數以上的增強纖維構成的增強纖維束(A)，所述臨界單纖維數由下式(I)定義；iv)無序氈中包含的增強纖維束㈧與所有增強纖維的比率為50vOl%以上并且小于99vol% ;并且V)增強纖維束(A)中的平均纖維數量(N)滿足下式(2):臨界單纖維數=600/D (I)1.5 X IO VD2 < N < 3 X 105/D2 (2)(其中，D表示單增強纖維的平均纖維直徑(μπι))。本專利技術的優點本專利技術的無序氈適于用作用于纖維增強復合材料的成形制品的預成型體。由于無序氈在成型期間具有優異的可流動性，所以能夠在相對低的壓力下容易地形成諸如從水平部縱向地延伸的肋或凸臺的、復雜三維形狀的直立部。因此，能夠以最小的必需材料量由本專利技術的無序氈形成制品的形狀，并且能夠省略修邊步驟。因此能夠期望相當量的節省的材料和得到的成本降低。此外，本專利技術的無序氈能夠被用作各種構成部件的預成型體，例如用于機動車輛的內部片材、外部片材和構成部件，各種電氣產品或電器的框架或殼體等?！靖綀D說明】圖1是切割步驟的示意圖。圖2是旋轉分離切割機的示意前視圖和截面圖。圖3是用于說明進刀角度的視圖。圖4是示出具有與纖維方向平行的刀具的切割機的示意圖。圖5示出連續改變刀片間距的旋切機。圖6是用于說明本專利技術的實施例的模具的示意圖。圖7是用于說明本專利技術的實施例的成形制品的實例示意圖。圖8示出在具有凸臺和肋的成形制品中切出測試樣品的部分。參考標記說明I增強纖維2壓緊輥筒3橡膠輥筒4旋切機主體5 刀片6切割的增強纖維7刀片間距8與纖維方向平行的刀片9水平部10 側壁IlA 肋 IIlB 肋 2IlC 肋 312A 凸臺 I12B 凸臺 212C 凸臺 312D 凸臺 413用于拉伸模量測量的樣本被切割出的肋部的部分14用于拉伸模量測量的樣本被切割出的水平部的部分【具體實施方式】[無序氈]本專利技術的無序氈包含纖維長度為3至50mm的增強纖維，并且滿足下列i)至V):i)以無序氈中所有的增強纖維計，纖維長度為3mm以上并且小于15mm的增強纖維的含量為50至100質量％，并且以無序氈中所有的增強纖維計，纖維長度為15mm以上并且50mm以下的增強纖維的含量為O至50質量％ ；ii)增強纖維的單位面積纖維重量為25至10，000g/m2 ；iii)增強纖維包括小于本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種包含增強纖維的無序氈，所述增強纖維具有3至50mm的纖維長度并且滿足下列i)至v)：i)以所述無序氈中包含的所有的所述增強纖維計，纖維長度為3mm以上并且小于15mm的增強纖維的含量為50至100質量％，并且以所述無序氈中包含的所有的所述增強纖維計，纖維長度為15mm以上并且50mm以下的增強纖維的含量為0至50質量％；ii)所述增強纖維的單位面積纖維重量為25至10,000g/m2；iii)所述增強纖維包括由小于臨界單纖維數的所述增強纖維構成的纖維束、單纖維、以及由所述臨界單纖維數以上的所述增強纖維構成的增強纖維束(A)，所述臨界單纖維數由下式(1)定義；iv)所述無序氈中包含的所述增強纖維束(A)與所有的所述增強纖維的比率為50vol％以上并且小于99vol％；并且v)所述增強纖維束(A)中的平均纖維數量(N)滿足下式(2)：臨界單纖維數＝600/D??(1)1.5×104/D2＜N＜3×105/D2??(2)其中，D表示單增強纖維的平均纖維直徑(μm)。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.12.22 JP 2011-2815091.一種包含增強纖維的無序氈，所述增強纖維具有3至50mm的纖維長度并且滿足下列i)至 V):1)以所述無序氈中包含的所有的所述增強纖維計，纖維長度為3mm以上并且小于15mm的增強纖維的含量為50至100質量％，并且以所述無序氈中包含的所有的所述增強纖維計，纖維長度為15mm以上并且50mm以下的增強纖維的含量為O至50質量％ ； ii)所述增強纖維的單位面積纖維重量為25至10，000g/m2； iii)所述增強纖維包括由小于臨界單纖維數的所述增強纖維構成的纖維束、單纖維、以及由所述臨界單纖維數以上的所述增強纖維構成的增強纖維束(A)，所述臨界單纖維數由下式⑴定義； iv)所述無序氈中包含的所述增強纖維束㈧與所有的所述增強纖維的比率為50vol%以上并且小于99vol% ;并且 V)所述增強纖維束(A)中的平均纖維數量(N)滿足下式(2): 臨界單纖維數=600/D (I)1.5 X104/D2 < N < 3 X105/D2 (2) 其中，D表示單增強纖維的平均纖維直徑(μπι)。2.根據權利要求1所述的無序氈， 其中，所述增強纖維是選自碳纖維、芳綸纖維和玻璃纖維中的至少一種纖維。3.根據權利要求1或2所述的無序氈， 其中，以所述無序氈中包含的所有的所述增強纖維計，所述纖維長度為3mm以上并且小于15mm的增強纖維的含量為90至100質量％，并且 以所述無序氈中包含的所有的所述增強纖維計，所述纖維長度為15mm以上并且50mm以下的增強纖維的含量為O至10質量％。4.根據權利要求1至3的任意一項所述的無序氈， 其中，關于所述纖維長度為3mm以上并且小于15mm的增強纖維，由所述臨界單纖維數以上的所述增強纖維構成的增強纖維束(Ab)中的平均纖維數量(Nb)滿足下式(2B): 1.5 X IO Vdb2 < Nb < 3 X 105/Db2 (2B) 其中，Db表示單增強纖維的平均纖維直徑(ym)。5.根據權利要求1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：大坪誠，小永井祐平，
申請(專利權)人：帝人株式會社，
類型：發明
國別省市：日本;JP