本申請為申請日是2014.01.29、申請?zhí)柺?01480018702.0、發(fā)明創(chuàng)造名稱是“纖維模塑預(yù)制件合成物及用于預(yù)制件形成的方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請主張序列號為61/757,913、申請日為2013年1月29日的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)，據(jù)此，其內(nèi)容通過引用的方式并入。

本發(fā)明通常涉及纖維增強性熱固性預(yù)制件而且，更具體地說，涉及一種用于在纖維預(yù)制件中控制纖維沉淀的方法和設(shè)備。

背景技術(shù)：

纖維填充器是很有代表性地添加至一熱固性樹脂如那些用于片狀模塑料(smc)或團狀模塑料(bmc)中以提供一系列的用于合成產(chǎn)品的可調(diào)節(jié)特征。填充器常規(guī)地添加以減少產(chǎn)品成本，更改提前加工好的負載樹脂粘度，控制產(chǎn)品收縮，控制表面光潔度、密度、可燃性、導(dǎo)電性、耐化學(xué)性、產(chǎn)生的熱固性配方的強度。微粒填充料代表性的數(shù)量占從0–80％總重量百分比及典型的粒子填充料尺寸從0.1到50微米。除了顆粒填料，纖維填充物通常出現(xiàn)在熱固性樹脂配方中以提供相對于顆粒填充料的合成產(chǎn)品的增強的強度。纖維填料傳統(tǒng)上包括玻璃、碳、聚酰亞胺、聚酯、聚酰胺和天然纖維如棉、絲、麻。當加強限位在固化聚合物基質(zhì)中隨機定向時有最佳的三維強度。

由于纖維增強熱固性樹脂具有吸引人的特性在于高強度重量比和形成壓力的表面構(gòu)造的能力，片狀模塑料長期以來被認為是在汽車和航空航天應(yīng)用替代金屬體組件。雖然曾多次嘗試開發(fā)模型來創(chuàng)建預(yù)先形成，這些通常依賴于從以需要的預(yù)制件形狀為輪廓的屏上的懸浮液中捕捉纖維的過程，緊隨其后的是為了形成預(yù)制件形狀的二次干燥。熱塑性粘結(jié)劑已被用于和加熱一起設(shè)定纖維為預(yù)制件形狀。然后預(yù)加工進行可選的修剪和浸漬活性樹脂通過反應(yīng)注射成型過程形成一個復(fù)合的產(chǎn)品。一模塑技術(shù)詳述如美國專利4,849,147。一上升屏幕預(yù)加工過程和設(shè)備提供例如美國專利6,086,720。

為了獲得質(zhì)量可靠的用于汽車和其他高嚴格度的應(yīng)用的產(chǎn)品，所述的纖維預(yù)成型有片對片成分和在預(yù)制件的不同區(qū)域的統(tǒng)一的纖維密度是很重要的。典型地，預(yù)制件傾向于在靠近邊緣處積累過多的纖維，而中心地區(qū)往往是纖維不足。纖維密度的不均勻性以及一定程度的不良纖維優(yōu)先定位是由于在預(yù)制件成型屏和纖維位置的預(yù)制件設(shè)置接觸之間的纖維運動。玻璃纖維在觀察到有一個纖維聚合度在懸浮液中的公稱角度導(dǎo)致形成一個定向的纖維叢在預(yù)制件中，這些朝向聚合的趨勢對于其他類型的纖維例如碳纖維和纖維素類纖維更為明顯。隨著不同技術(shù)被開發(fā)，懸浮液預(yù)制件與有限的形成粗加工、不均勻性的纖維密度問題仍存在。

因此，存在一需要用于纖維漿合成物和裝置來實現(xiàn)更大程度的在懸浮液派生預(yù)制件的纖維密度一致性。也存在需要形成具有比通過水槽浸入屏幕模具獲得的更大的吞吐量的預(yù)制件的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

懸浮液預(yù)制件合成物包括數(shù)個有平均纖維長度和纖維直徑的纖維；一分散劑分子或單體有通式(r¹)2-c＝n-r²或r³-吡咯烷，(r¹)2-c＝n-r²或r³-吡咯烷，其中r¹在每個實例是獨立h，c1-c6烷基，c1-c6烯基，并且c1-c6烷基具有取代基，取代基為h，oh，cooh，nh2，nhc1-c6烷基或r¹在兩個實施例中都滿足形成一5或6成員的環(huán)形結(jié)構(gòu)；r²為c1-c6烷基，oh，并且c1-c6烷基有取代基，所述的取代基為h，oh，cooh，nh2，nh(c1-c6烷基)；或r¹和r²結(jié)合形成一5或6成員的環(huán)形結(jié)構(gòu)且r³是h、c1-c6烷基、c1-c6羧基、c1-c6羥基，或c1-c6氨基。以及一溶劑形成所述的數(shù)個纖維和所述的分散劑的懸浮液。

附圖說明

本發(fā)明進一步結(jié)合以下附圖詳述，目的是表示本發(fā)明的某些方面，但不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明的產(chǎn)生纖維預(yù)制件的一創(chuàng)造性系統(tǒng)設(shè)備的示意的部分縱向剖面圖；并且

圖2為圖1中描述的創(chuàng)造性系統(tǒng)的離心機的橫向剖視圖。

具體實施方式

本發(fā)明實用性地提供一用于熱固性樹脂合成物模塑的預(yù)制件以加工形成一系列的模塑的和纖維增強的產(chǎn)品。這樣的產(chǎn)品有很多方面的應(yīng)用如車輛配件如床線、車身組件、修邊、內(nèi)部組件、和車底組件；建筑學(xué)組件如修邊和門，船舶組件如船體，修邊和駕駛艙零件；以及相似的結(jié)構(gòu)在航天航空設(shè)置中。已被證實通過依賴一新穎的懸浮液合成物，一新穎的離心過程，或者其結(jié)合創(chuàng)造出質(zhì)量上等的預(yù)制件相比于常規(guī)技術(shù)下有更大的吞吐量。更驚人的發(fā)現(xiàn)是抑制在纖維接觸模具或纖維已經(jīng)在模具上就位的時間，以及所述的纖維在設(shè)置的位置的時間之間的纖維運動提供了一個相對于現(xiàn)有的懸浮技術(shù)更優(yōu)越的纖維均勻性和隨機取向。本發(fā)明有助于低廢料產(chǎn)生，工件形狀和纖維材料的方法靈活性。

要理解在提供了值的范圍的實例中，范圍不僅旨在涵蓋范圍的終點值，還有范圍的中間值也顯式地包含在范圍和因范圍的最后有效數(shù)字而變化。舉例來說，一范圍1至4意思是包括1-2，1-3，2-4，3-4，和1-4。

在本發(fā)明的一個實施例中，懸浮液的形成包括具有給定直徑已經(jīng)削減到預(yù)定長度的纖維來源；所述的纖維和添加劑在溶劑中。所述的添加劑包括一分散劑，微粒填充料以促進干燥，粘結(jié)劑，或其組合物。一創(chuàng)造性的懸浮液通過常規(guī)預(yù)加工系統(tǒng)應(yīng)用或與一創(chuàng)造性的離心預(yù)加工系統(tǒng)一起使用。

一創(chuàng)造性的懸浮液的溶劑主要只取決于使用性能和與模塑材料，纖維，懸浮液添加劑的兼容性。這里使用的溶劑解釋性地有水，c1-c12醇類、甲苯、(c1-c6烷基)-c1-c6酯、(c1-c6)2c＝o酮、以及其易混合的組合物。為了滿足揮發(fā)性有機化合物(voc)和廢物處理的限制，在確定的創(chuàng)造性實施例中，所述的懸浮液為水溶性的。如下述的詳細說明，也提供了一種擁有溶劑循環(huán)的獨立的懸浮液以避免溶劑voc內(nèi)容和處理的擔憂。

創(chuàng)造性的一懸浮液合成物中使用的纖維包括玻璃；碳棒；聚酰亞胺；多元酯；聚酰胺和天然纖維如麻，藤，竹，黃麻，稻草，絲綢，稻草屑，堅果殼，谷物外皮，草，棕櫚樹葉，椰殼；以及其組合物。預(yù)制件形成使用的纖維標準常規(guī)長度范圍是0.05至5厘米(cm)。纖維直徑優(yōu)選地基于商業(yè)來源在大范圍變化，其中玻璃纖維的常規(guī)直徑為0.03至0.5毫米(mm)；碳纖維的常規(guī)直徑為0.005至0.1mm；以及天然纖維的常規(guī)直徑為0.01至0.3mm。更優(yōu)選地超出上述常規(guī)范圍的纖維直徑存在且被確定為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

水基懸浮液中疏水纖維的使用在本發(fā)明中被大力推廣，包括一分散劑有助于分拆否則會產(chǎn)生隨機的和獨立的分散纖維包括小分子或有分子量小于500原子質(zhì)量單位并且有通式為(r¹)2-c＝n-r²或r³-吡咯烷的單體，其中r¹在每個實例是獨立h，c1-c6烷基，c1-c6烯基，并且c1-c6烷基具有取代基，取代基為h，oh，cooh，nh2，nhc1-c6烷基；或r¹在兩個例子中都包括形成一5或6成員的環(huán)形結(jié)構(gòu)；r²是c1-c6烷基，oh，并且c1-c6烷基具有取代基，取代基為h，oh，cooh，nh2，nhc1-c6烷基；或r¹和r²結(jié)合形成一5或6成員的環(huán)形結(jié)構(gòu)并且r³是h，c1-c6烷基，c1-c6羧基，c1-c6羥基，或c1-c6氨基?？胺Q典范的分子分散劑包括咪唑啉、胍類、肟類和脯氨酸。典范的聚合分散劑包括聚合咪唑啉例如美國專利3,288,707中詳述的含有基于2-乙烯基咪唑啉。一現(xiàn)有常規(guī)的分散劑在總懸浮液合成物占重量百分比的0.01至1％。

用于天然纖維素纖維的分散劑包括一常規(guī)離子表面活性劑，或者一配套離子電荷的膠質(zhì)填充料。這樣的填充料解釋性地包括硅膠，碳酸鈣，云母，黏土，以及其組合物。膠質(zhì)填充料常規(guī)直徑在存在于懸浮液的天然纖維直徑的0.001和3倍之間。

為了促進一快速粘度構(gòu)型隨著所述的溶劑從一創(chuàng)造性的懸浮液中移除，在確定的實施例中提供了一聚合粘合劑。所述的粘合劑限制了纖維在模具表面懸浮液除去水或其他溶劑以干燥的力作用下遷移的能力。這里使用的結(jié)合劑在水基懸浮液中解釋性地包括木質(zhì)素磺酸鹽；蛋白質(zhì)例如白蛋白；聚乙二醇和特別是分子量為600至1000之間的那些；聚乙烯醇，果膠和烷基化的纖維素，以及其組合物。用于疏水懸浮液的結(jié)合劑解釋性地包括聚乙烯吡咯烷酮，聚苯乙烯，以及其組合物。一結(jié)合劑典型地占懸浮液總重量的大于1％。

一創(chuàng)造性的懸浮液在部分實施例中也包括在熱輻浴照下的預(yù)制件速干的填充料。常規(guī)smc的導(dǎo)熱系數(shù)大約為0.3至0.7w/m-k；玻璃和天然纖維也有低導(dǎo)熱系數(shù)。這里使用的高導(dǎo)熱系數(shù)填充料解釋性地包括數(shù)值為8-70w/m-k(pan)和20-1000w/m-k(pitch)的碳纖維，氮化鋁260w/m-k，氮化硼300w/m-k，石墨600w/m-k，或炭黑，氧化鋁，或者其組合物。優(yōu)選地是碳纖維基懸浮液已經(jīng)有高導(dǎo)熱系數(shù)值并且不需要添加主要纖維至懸浮液中。這也是顯然的所述的二元填充物的包含物傾向于增加合成smc的密度如此以至在應(yīng)用中全部產(chǎn)品密度最小化，這樣的填充物在有限的數(shù)量下使用。順磁性特征的合成填充劑在纖維基質(zhì)層中允許所述的預(yù)制件通過改良的纖維浸透性和快速固化周期的感應(yīng)加熱來快速加熱。所述的順磁性特征避免了預(yù)制件超過順磁性顆粒的居里溫度的過熱現(xiàn)象。釓和cro2的順磁性填充料的居里溫度為292和386開爾文，分別各自或結(jié)合用于促進自我限制感應(yīng)加熱。一創(chuàng)造性的懸浮液中高導(dǎo)熱系數(shù)填充物或順磁性填充物占懸浮液總重量百分比的0.0001至1％。

在部分實施例中一創(chuàng)造性的懸浮液還包括額外的添加劑以促進懸浮液的操作和儲存。這樣的額外添加劑包括螯合劑，抗菌劑，消泡劑，抗靜電劑，以及其組合物。這樣的額外添加劑，如果存在，一常規(guī)的單獨存在懸浮液中占總懸浮液配方總重量的0.00001至0.01。

創(chuàng)造性的一懸浮液用于傳統(tǒng)的預(yù)成型裝置效果好，還提供了一個系統(tǒng)減少了液槽和裝置的封裝同時實現(xiàn)更高的吞吐量和預(yù)成型過程的控制。一創(chuàng)造性的系統(tǒng)如圖1和2所示并以標記10表示。提供一包括常規(guī)纖維懸浮液，或此處詳述的一創(chuàng)造性的懸浮液的液槽12。提供一氣泡14，機械攪拌器16或其組合保證所述的懸浮液在液槽12中均勻并且包括如果存在則良好分散的纖維和填充料。在液槽12中的懸浮液形成一有一至多個排放閥組18和18’的流體通道。所述的排放閥組18和18’有多個開口20和20’開口于閥門22和22’，分別地釋放懸浮液至籃式離心機的內(nèi)部，以標記24表示。優(yōu)選地所述的開口20可以沿著排放閥組18或18’的長度變化尺寸。在確定的實施例中，如從閥組18所示，所述的開口20隨著至閥門22的末梢距離增大而尺寸增大以承擔最接近的開口的壓力下降和由此產(chǎn)生沿著閥組18的長度的懸浮液更均勻的分布。開口20’在閥組18’的有限長度內(nèi)示出以應(yīng)用需要的附加懸浮液來增厚產(chǎn)生預(yù)制件的特殊部分。優(yōu)選地一單獨開口，特別是一延長的開口或一歧管也在這里使用于垂直移動至傳送懸浮液。離心機24有一提籃26安裝至固定腔28內(nèi)。一馬達30同心地安裝于所述的提籃26經(jīng)過一主軸32以減少所述提籃26的旋轉(zhuǎn)運動。所述的提籃26有多個插槽34隔開以適應(yīng)多重旋轉(zhuǎn)平衡的預(yù)加工模具36。所述的模具36可滲透的使得所述的懸浮液溶劑通過于此且保留纖維，填充料，如果存在，以及覆蓋模具表面39的纖維和填充料的添加劑。所述的模具表面39與需要的預(yù)制件有互補的尺寸。一液體通道形成于通過一提籃26外部的模具36的開口20或20’至溶液排水管38。當所述的提籃26在相鄰安裝槽對之間的區(qū)域如圖2所示為固體時，優(yōu)選地在一些實施例中在模具36之間的提籃區(qū)域與排水管38也液體流通。舉例說明當所述的在模具36之間的提籃區(qū)域是固體的，提供一從提籃26的內(nèi)部的纖維排出管40以促進不停留在模具36上的纖維再循環(huán)。

在部分實施例中的系統(tǒng)10，提供一蓄水池42與輸送管44液體流通以允許一添加材料至一模具36中的應(yīng)用。優(yōu)選地所述的添加材料易于在所述的懸浮液程序之前，之中或之后應(yīng)用。應(yīng)用的材料解釋性地包括脫模劑，單獨的粘結(jié)劑，脫水劑，填充料，以及其組合物。優(yōu)選地通過閥門22，22’，和46的控制，其中添加劑和懸浮液的脈沖序列應(yīng)用于一模具36以產(chǎn)生具有深沖壓模具用于高柔軟產(chǎn)品特別需要的控制干燥和強度性能的預(yù)制件。也需要注意所述的蓄水池42中的材料也可應(yīng)用于一僅在模具表面39或模具表面39上預(yù)制件的控制方式，在此應(yīng)用過程中不需要旋轉(zhuǎn)所述馬達30。這有益于限制浪費和促進纖維通過排水管40的循環(huán)。

蓄水池42的材料解釋性地包括一種在懸浮液中除去后和暴露在smc之前預(yù)處理天然纖維素填充料以減少天然纖維素填充料的親水作用從而擦拭所述的填充料以提供與在熱固形式smc或bmc產(chǎn)品上熱固性配方中應(yīng)用的普通的疏水單體和寡聚物更兼容的填充料。通過減少所述的天然纖維素填充料的親水特性，生產(chǎn)這種產(chǎn)品是減少環(huán)境負擔的同時相對于相同的未進行天然纖維素填充料預(yù)處理而成形加工的產(chǎn)品，所述的生成產(chǎn)品的特性得到改善。降低密度通過包括創(chuàng)造性的填充料都大于0.1密度單位和一些實施例中基于替換更高密度無機填料在0.1和0.4單位之間。結(jié)果是，產(chǎn)品在密度1.1至1.5之間易于成形，其中密度單位為克每立方厘米。根據(jù)本發(fā)明，所述的天然纖維素填充料的親水性通過倍半硅氧烷(sq)，異氰酸鹽的預(yù)處理，通過有機酸或有機酸基處理，或其結(jié)合被降低。

還提供當所述的材料包括外徑在10至40微米之間的中空玻璃微球體時的低密度smc。選擇性的，其他填充料例如穿插著纖維的塑料微粒沉積在模具表面39以提供一大開口容量網(wǎng)狀物以促進smc在此滲透。

另一個材料十分特別適合增強產(chǎn)品的強度包括表面羥基例如天然纖維素，玻璃纖維，并且玻璃微球是結(jié)合親水羥基表面的表面活化劑。所述的表面活化劑在確定的實施例中為烷氧基硅烷其中硅烷與羥基反應(yīng)的功能表面的纖維或微球。所述的用于二氧化硅和玻璃纖維的表面活性劑解釋性地包括：

3-氨丙基三甲氧基硅烷，3-氨基丙基三乙氧基硅烷，3-環(huán)氧丙氧丙基三甲氧基硅烷，3-環(huán)氧丙氧丙基三乙氧基硅烷，(3-環(huán)氧丙氧丙基)雙(三甲基硅氧基)甲基硅烷，(3-環(huán)氧丙氧丙基)甲基二乙氧基硅烷，(3-環(huán)氧丙氧丙基)二乙氧基硅烷，(3-環(huán)氧丙氧丙基)甲基二甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧甲基三乙氧基硅烷，甲基丙烯酰氧甲基丙基三甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧丙基二乙氧基硅烷，甲基丙烯酰氧丙基二甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧丙基甲基二甲氧基硅烷，甲基丙烯酰氧基硅烷，甲氧基甲基三甲基硅烷，3-甲氧基丙基三甲氧基硅烷，3-甲基丙烯酰二甲基氯硅烷，甲基丙烯酰氧丙基甲基二氯硅烷，甲基丙烯酰三氯硅烷，3-異氰酸根合二甲基氯硅烷，3-異氰酸根合三乙氧基硅烷，雙(3-三乙氧基丙基)四硫化物，以及其組合物。在其他實施例中，所述的硅烷表面活化劑包括一個不飽和活性自由基交聯(lián)條件下以共價結(jié)合在中空玻璃微球周圍的smc或bmc基質(zhì)。

在本發(fā)明的其他一些實施例中所述的懸浮液包括一蛋白粘合劑，所述的材料包括戊二醛以增強蛋白交聯(lián)以通過形成蛋白基質(zhì)來建立在二次品材料中預(yù)制件的強度。

本發(fā)明中的部分實施例中，在所述的提籃26的外部區(qū)域和所述的腔28內(nèi)引入一真空吸塵器以促進溶劑穿過所述的模具36。在其他實施例中，提供一烘干機48。所述的烘干機48解釋性地包括一紅外線燈，一熱風排氣總管，一電阻加熱元件，或其組合物。

在使用中，所述的提籃以相對于懸浮液從閥組18或18’釋放的速度旋轉(zhuǎn)以限制纖維在接觸所述的模具表面39后的運動。優(yōu)選的吸塵器抽取外部至所述的提籃26是旋轉(zhuǎn)速度和懸浮液測量的考慮因素。懸浮液從閥組18和閥組18’處測量，如果存在，以建立一預(yù)選的纖維和其他懸浮液添加劑的厚度。其他材料也應(yīng)用于按期望貫穿輸送管44直至一組合需要的預(yù)制件被生產(chǎn)。烘干機48隨后激活以減少所述的預(yù)制件在所述的磨具表面39的溶劑水平至一預(yù)選的強度水平。

在本發(fā)明的部分實施例中，一模具36隨后從所述的提籃26移除并受到額外的處理例如設(shè)置在一從離心機24的遠端的加熱室或清潔。一新模具隨后置于插槽34并生產(chǎn)一批新的預(yù)制件。

在本說明書中提及的任何專利或出版物中在此合并參考至所述的相同程度正如每個獨立出版物是特別地和單獨地提及合并參考。

上述描述是說明特定發(fā)明的實施例的，但并不意味著在實踐上限制。