专利名称：用于制造纤维增强聚合物复合材料的增强纤维束的制作方法
用于制造纤维增强聚合物复合材料的增强纤维束相关申请的交叉引用本专利申请要求2007年10月4日提交的美国临时专利申请No. 60/977，507的优 先权权益。本申请因此引入临时申请No. 60/977，507的全部内容供参考。本发明的领域本发明涉及短切(short-cut)有机增强纤维束，它适合于以体积或重量计量加入 到用于生产纤维增强聚合物复合材料的配混过程中。本发明的背景无机纤维如玻璃常常用作在热塑性和热固性聚合物复合材料中的增强纤维。玻璃 增强纤维改进复合材料的模量，强度和热挠曲温度。然而这些脆性纤维导致较低的断裂伸 长率和较低的冲击强度，尤其在低温下。在热塑性聚合物的典型树脂配混操作中，玻璃纤维 (1. 5到3mm短切或连续长丝粗纱)与热塑性聚合物在配混用的挤出机中进行混合。对于长 丝粗纱的情况，该挤出机用作将脆性玻璃粗纱断裂成小的长度的设备。合成有机聚合物纤维和/或天然纤维素型纤维也能够用作聚合物复合材料中的 增强材料并用于改进复合材料的冷抗冲击性。例如，PCT已出版的专利申请WO 02/053629 描述了可挤出和可模塑的聚合物复合物，它含有热塑性聚烯烃基质，其中PET增强纤维和 滑石填料分散在该基质中。PET纤维的包含已表明改进该模塑复合物的冷冲击强度。冲击 强度的提高不需要在增强纤维和聚烯烃基质聚合物之间的粘合。短切高强度聚合物纤维能够通过切断高强度工业纱，和将这些压缩成捆束来生 产。然而，当加工者尝试将这些短切纤维计量加入到配混挤出机中时，纤维有趋势一起团 聚，在配混的树脂中导致不均勻的纤维含量和弱的纤维分布。弱的分布会导致模塑复合材 料的较差物理性能和表观。例如，美国专利No. 3，639，424描述可挤出和可模塑的聚丙烯和聚乙烯组合物，有 短切聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)增强纤维分散在其中。该‘424专利指出与玻璃纤维不 同，其它合成聚合物纤维不会很好地分散在聚合物中但倾向于以纤维堆积物的形式团聚， 导致纤维在模塑产品中的分散的不均勻性。已出版的美国专利申请No. 2006/0261509 (Lustiger)举例说明了将短切聚酯纤 维计量加入到配混挤出机中的难处。正如本申请所指出，重力或振动进料器典型地被用于 将聚合物、填料和添加剂计量加入并传输到配混挤出机中。这些进料器可有效地传输粒料 或粉末，但不是特别适合于传输短切聚合物纤维，因为短切纤维倾向于团聚或搭桥，导致进 入到配混过程中的不一致的进给速率。为了克服这一问题，本申请建议将聚酯的连续线条 直接量加入到配混挤出机中，在其中线条借助于挤出机螺杆的作用被断裂。尽管这一途径 对于脆纤维如玻璃可以成功地使用，但是聚酯增强纤维的高柔韧性(即高纤维强度和伸长 率)会带来困难，因为在高处理量配混过程中挤出机螺杆既不完全地又不均勻地断裂纤维 线条。美国专利No. 6，202，947 (Matsumoto等人)提供另一个途径来计量添加增强纤维，其中丝束切割装置位于配混挤出机的进料口。切割装置速度被调节以输出必要量的纤维到挤出机中。然而，需要对进料斗和排料装置进行改进以容纳此类纤维。本发明的概述根据本发明，用于聚合物复合材料的短切合成有机或纤维素型天然增强纤维是以 一种形式提供的，它能够通过使用普通的体积或重量计量设备均勻地加入到配混过程中。 在包括单螺杆或双螺杆挤出机或双臂间歇式混合机的使用的配混方法中，在配混过程中此 类增强纤维分散并均勻分布在基质树脂中。在这里使用的，合成纤维是指从有机聚合物生 产或获得的合成纤维并且具体地说包括碳纤维。此外，在这里使用的，纤维素型天然增强纤 维应该包括纱形成用的天然的韧皮纤维、叶纤维或种子纤维。
该增强纤维是以短切纤维束(cut fiber bundle)的形式提供的，有整理组合物涂 覆该纤维并且在各个短切纤维束内的纤维之间形成不牢固的纤维间粘结。该整理剂提供纤 维间内聚力并且提高该束的体积密度使得短切纤维束的物料(mass)能够通过体积(体积 损失)型或重量(重量损失)型螺杆送料设备均勻地进料并且从该螺杆送料设备流向配混 过程中。经过在配混过程中与基质聚合物的混合，非牢固的粘结将破裂并且短切纤维束崩 解成分散在基质聚合物中的单独的单根纤维。在本发明的一个理想的实施方案中，提供了用于制造纤维增强聚合物复合材料的 组合物。该组合物包括短切纤维束的物料，基本上全部的纤维束具有在约3和15mm之间的 长度且该该束的物料具有至少16磅/立方英尺的平均堆积密度。基本上全部的短切纤维 束包括许多的基本上彼此平行地取向的并且让它们的末端彼此同等延伸的相同长度的合 成或纤维素型天然纤维。基本上全部的该纤维束也包括整理组合物，它涂覆该纤维并在各 短切纤维束内形成可提供纤维间内聚力的非牢固的纤维间粘结。由整理组合物所实现的该 非牢固的纤维间粘结作用允许短切纤维束的物料被体积型(体积损失)或重量型(重量损 失)螺杆送料设备均勻地输送到还含有基质聚合物的配混螺杆挤出机中。在配混螺杆挤出 机中经与基质聚合物混合之后，非牢固的粘结能够破裂和该短切纤维束能够崩解成分散在 热塑性基质聚合物中的单独的单根纤维。短切纤维束的该物料是可流动的并且可经由体积 型(体积损失)或重量型(重量损失)螺杆送料设备以一种均勻性进料，该均勻性使得螺杆 送料设备优选要求不大于约士 10%的在螺杆RPM上的变化或不大于约士 10%的在进给速 $ (feed rate) ±白勺;gfi胃胃(weight variation)白勺(no more than abouta±10% change in screw RPM or of a+10% weight variation in the feedrate)。在本发明的附加方面，提供制造含纤维的组合物的方法，它用于与聚合物基质 配混从而进一步形成纤维增强的聚合物复合材料。该方法包括以下步骤使用在纤维股 (strand)内形成非牢固的长丝间粘结的整理组合物来涂覆许多的合成复丝股或纤维素基 天然纤维纱线或粗纱的股；将粘结的长丝的股切成具有在约3和15mm之间的长度的短切 纤维束，其中各短切纤维束含有许多的非牢固粘结的纤维；并形成单个短切纤维束的流动 性物料，从而得到具有至少16磅/立方英尺的平均堆积密度的纤维束物料。在单独的操作 中，短切纤维束的流动性物料能够沉积在体积型(体积损失)或重量型(重量损失)螺杆 送料设备的进料斗中，该送料设备与配混过程实现物料传输连通。该配混过程能够通过使 用单螺杆或双螺杆挤出机或双臂间歇式混合机例如Sigma浆叶混合器来进行。基质聚合物 也被送到配混过程中。短纤维束的流动性物料能够与提供纤维间内聚力的整理组合物一起 经由螺杆送料设备被输送到配混过程中，这样非牢固地粘结的短切纤维束被螺杆送料设备均勻地输送到配混过程。经过在配混过程中的混合，非牢固的粘结破裂并且该短切纤维束 崩解成分散在基质聚合物中的单独的单根纤维。优选地，短切纤维束的流动性物料的进料 步骤包括以一种均勻性进送短切纤维束，该均勻性使得螺杆送料设备要求不大于士 10%的 在螺杆RPM上的变化或不大于士 10%的在进料速率上的重量差异的变化。优选该复丝股各自含有100到400根的具有5-22分特/每根长丝的线性质量的 连续长丝。该涂覆能够通过如下来进行引导复丝股通过含有液体整理组合物的涂覆站，在 涂覆站将液体整理组合物施涂到连续复丝股上，和用整理组合物浸渍各个复丝股，然后干 燥该整理组合物从而在复丝股内形成非牢固的长丝间粘结。干燥步骤适宜地包括让涂覆过 的复丝股受热以干燥整理组合物。在一个理想的实施方案中，干燥步骤包括引导涂覆过的 复丝股在一系列的加热滚筒上通过，和短切步骤包括将涂覆的复丝股直接从一系列的加热 滚筒引导到切割机设备并且将复丝股切断成短切纤维束。在另一个实施方案中，烘箱替换 加热干燥滚筒。该整理组合物优选以基于涂覆复丝股的总重量的约0. 5_10wt%的量施涂，并且优 选地包括水性热塑性乳液，后者通过加热被干燥。在一个特定的实施方案中，该方法包括从线轴架(creel)设备中抽出许多的聚对 苯二甲酸乙二醇酯聚合物的复丝股，各股包括约100到400根的具有5-22分特/每根长丝 的线性质量的连续长丝。许多的复丝股从线轴架设备输送到并通过涂覆站，热塑性聚合物 的水性乳液形式的整理组合物因此被施涂于复丝股上。在这之后将涂覆的复丝股输送到干 燥站并加热该股以便让该整理组合物干燥并在各股内形成非牢固的长丝间粘结。该复丝股 然后从干燥站引入到切断站，在这里该复丝股被切断成具有在约3和15mm之间的长度的短 切纤维束，各短切纤维束含有许多的非牢固粘结的纤维。具有至少16磅/立方英尺的平均 堆积密度的所形成短切纤维束是作为短切纤维束的流动性物料被收集的并且被包装以便 整装运输(bulk shipment)。该纤维随后沉积在体积型(体积损失)或重量型(重量损失) 螺杆送料设备的进料斗中，该送料设备连接到单螺杆或双螺杆挤出机或双臂间歇式混合机 中以进行配混过程。该配混过程也输入热塑性基质聚合物如聚丙烯或热固性基质聚合物如 乙烯基酯。短纤维束的流动性物料能够与提供纤维间内聚力的整理组合物一起经由螺杆送 料设备被输送到配混用的螺杆挤出机中，这样非牢固粘结的短切纤维束被螺杆送料设备均 勻地输送到配混用的螺杆挤出机中。在配混用的单螺杆或双螺杆挤出机中或在双臂间歇式 混合机中混合之后，非牢固的粘结破裂，然后该短切纤维束崩解成分散在基质聚合物中的 单独的单根纤维。附图简述在用一般术语描述本发明之后，现在参见附图，它不一定按比例描绘，并且其中
图1是说明根据本发明的短切纤维束的物料的透视图，该纤维束适合通过使用普 通的重量型(重量损失)或体积型(体积损失)螺杆送料机被均勻地输送到配混过程中；图2是短切纤维束中的一个的放大透视图；图3是根据本发明的另一个实施方案的短切纤维束的放大透视图；图4A和4B是分别地举例说明生产短切纤维束的装置的俯视图和立面图；图5是生产纤维增强的聚合物复合材料的典型配混螺杆挤出机的示意图；图6是纤维流动性试验器的示例；和
图7是显示了在实施例2中进行的试验的纤维进给速率的变化和最大进料机速度 的百分数。本发明的详细说明本发明现在参考附图来更完全地描述，其中显示了本发明的一些但非全部的实施方案。实际上，本发明能够以许多不同的形式实施并且不应该认为限于这里所述的实施方 案。相反地，提供这些实施方案以使公开内容(程度)满足可适用的法律要求。相同的编 号指几个附图的相同元件。本发明涉及纤维增强聚合物复合材料的领域，该复合材料包括基质聚合物和均勻 地分散在基质聚合物内的增强纤维。基质聚合物能够是热塑性聚合物(例如，聚烯烃，聚 酯，聚酰胺，聚丙烯酸脂，聚碳酸酯或聚醚酮，其中聚丙烯是优选的)。基质聚合物还可以是 热固性聚合物(例如，聚酯，乙烯基酯聚合物，或环氧聚合物)。如下面更充分描述，该增强 纤维能够是从有机聚合物或天然纤维素基纤维生产或获得的合成纤维，并且最初以连续长 丝复丝股、粗纱或纱线的形式生产并转化成所述的短切纤维束。从有机聚合物生产的合成 纤维的例子包括聚酯，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)， 聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚联苯甲酸乙二醇酯(PEBB)， 聚乳酸(PLA)以及其它类似聚合物，液晶聚合物，人造纤维，乙酸纤维素，三乙酸纤维素，聚 酰胺如尼龙6和尼龙6，6，但不排除其它尼龙，聚酮，聚醚酮，丙烯酸聚合物类，芳族聚酰胺 类，或它们的共混物。从有机聚合物衍生的合成纤维的例子也包括碳纤维和部分地氧化的 聚丙烯腈纤维。天然纤维素基纤维的例子包括韧皮纤维(亚麻，大麻，黄麻，苎麻)，叶子(剑 麻，马尼拉麻)，和种子纤维(棉纱，木棉)。优选，增强纤维的熔化温度应该是比基质聚合 物的加工温度高至少30°C。在优选的实施方案中该基质聚合物是聚丙烯，和增强纤维是聚 酯，优选聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和更优选具有至少55cN/tex的韧性的高韧性PET纤 维。该增强纤维是以一种形式提供的，该形式使得通过使用普通的体积型(体积损 失)或重量型(重量损失)计量设备被均勻地加入到配混过程中，在配混过程中还分散并 均勻分布在基质树脂中。体积和重量计量设备，和尤其体积型和重量型螺杆送料机，是可 /AW^fjjiJitlSi Ji^Acrison International, AccuRate/Schenck, Brabender, K-Tron, Hapman 禾口 Stock 公司。该增强纤维是以短切纤维束的形式提供的，其中用整理组合物涂覆该纤维并在各 短切纤维束内形成非牢固的纤维间粘结。该术语“非牢固性粘结”指暂时或临时的纤维间 粘结。它为短切纤维束提供纤维间内聚力，这样短切纤维束的疏松物料或堆积物(Pile)能 够被体积损失型或重量损失型螺杆送料设备均勻地输送到配料过程中。然而，在配混过程 中与基质聚合物掺混之后，非牢固的粘结会破裂，例如，大部分和优选基本上全部的非牢固 的粘结会破裂，并且该短切纤维束崩解成分散在基质聚合物中的单独的单根纤维。从短切 纤维束的崩解得到的单根纤维当然在长度上不比纤维束本身的长度更长。优选，基本上全 部此类单根纤维将具有与纤维束(这些单根纤维从纤维束崩解得到)的长度相同的长度。短切纤维束包括许多的基本上彼此平行地取向的并且让它们的末端彼此作同等 延伸的相同长度的合成有机纤维。整理组合物涂覆该纤维并且在各短切纤维束内形成非牢 固的纤维间粘结。各短切纤维束具有在约3和15mm之间、优选在约6到12mm之间的长度。优选，各短切纤维束含有100到400根的单根纤维。当由这里所述的纤维流动性测试程序 (Fiber Flowability Test procedure)测量时，该短切纤维束，当利用重力和没有压缩的 情况下沉积时，形成具有至少16磅/立方英尺、更优选地至少20磅/立方英尺的平均堆积 密度。相反，未施胶的短切纤维具有显著更低的堆积密度，典型地大约10-14磅/立方英尺。
在图1中，参考数字10通常表示根据本发明的短切纤维束11的物料或堆积物。 在图2中，短切纤维束11的一个是以放大的比例用示意图显示的。各短切纤维束包括许多 的基本上彼此平行地取向的并且让它们的末端13基本上彼此作同等延伸的相同长度的合 成有机纤维12。整理组合物14涂覆该纤维并且在该短切纤维束11内形成非牢固的纤维 间粘结。该整理组合物14沿着短切纤维束的外表面存在并且穿透到纤维束的内部，在许多 的单根纤维之间连接而形成非牢固的纤维间粘结。优选该整理组合物包围和润湿许多的纤 维。该整理组合物是以基于涂层纤维的总重量的约0.5-10wt%，和更优选2-6wt%的量存 在。在所示的实施方案中，短切纤维束的纤维是以通常椭圆形或扁平丝带状横截面的形式 彼此粘附的。本发明的整理组合物和方法生产出短切纤维束，它能够均勻地以重量损失或体积 损失计量方式加入到塑料配混过程中。该纤维具有进料的束完整性(bundle integrity), 然而在混合步骤中很好地分散。该整理组合物应该具有为纤维制造所需要的良好热稳定性 和纤维润滑作用，并且应该既不放出气体也不干扰树脂配混，并且不应该损害最终模塑树 脂复合物的性能。当希望有改进的抗冲击性时，整理组合物不应该促进在纤维和基质树脂 之间的粘合性。该整理组合物优选包括能够呈现溶液或乳液形式的热塑性聚合物。合适的热塑性 聚合物组合物可包括，但不限于，含有聚乙烯醇，聚丙烯酸和丙烯酸酯，聚酯，聚酰胺，热塑 性聚氨酯，淀粉，蜡，聚乙酸乙烯酯，聚硅氧烷组合物，氟化合物或这些中的两种或多种的结 合的热塑性聚合物乳液和溶液。特别优选的整理组合物包括聚丙烯酸，聚酯和热塑性聚氨 酯。该整理组合物还可以含有抗静电添加剂，粘合促进剂或着色剂。该短切纤维束是通过将整理组合物施涂到连续复丝股上和随后切断该股以形成 短切纤维束来生产的。在这里使用的术语“连续复丝股”是指通过许多连续长丝形成的股， 这些连续长丝被集合在一起形成各个股。此类股通常被称为“长丝纱”或“复丝纱”。该股 能够没有捻回但能够含有喷气交缠的长丝。各股或纱优选含有约100到约400根连续长丝， 其中各长丝具有5-22分特/每根长丝的线性质量，其中各股具有约500到8800分特、优选 约1000到4000分特和更优选约1300到3000分特的线性密度。对于天然纤维素型纤维，该 纤维通常首先被转化成低捻度粗纱或加捻纱，它然后按照有机聚合物纤维股的方式加工。整理组合物能够通过使用在其它纺织品加工操作中见到的标准设备来施涂。例 如，该纤维股能够通过使用与在织造制备中通常用于将施胶剂施涂于经纱上的那些方法类 似的上浆法或穿经法来涂覆。含有纺丝的复丝纱(spun multifilament yarm)的筒装、筒 管或轴筒被排列在线轴架上。该纱从筒装、筒管或轴筒中抽出，被引导通过梳子状导纱器形 成经纱片(warp sheet)，然后相继通过涂覆站(在那里施涂该整理组合物)和干燥站如加 热烘箱(在那里整理组合物被干燥)。涂覆站可以例如包括浴，该纱片通过该浴来浸渍。所 涂覆的纱能够采取片的形式并且卷绕到经轴上，或该纱能够各自卷绕成筒装或卷绕到筒管 之上。该穿经方法能够用150-250个的单根纺丝纱在250-500米/每分钟的工艺速度下操作。在后续的步骤中，所涂覆的纱能够退绕和被引导通过切割装置，将纱切成单独的短切纤 维束。如果使用浆纱机，纱线的筒装或筒管能够被退卷(creel)和卷绕到分条整经轴 (section beam)上。多个分条整经轴能够通过浆纱机施胶过程并且卷绕到主经轴(master beam)上。来自一个或多个主经轴的纤维能够一起被切成短切纤维束，然后包装。用这样的 方式，各步骤能够对于速度和生产能力来优化。当该纱由该方法涂覆整理组合物时，两根或 多根相邻接触的纱线可以在干燥步骤中被整理组合物彼此轻微地粘结到一起。当结合在一 起的纱连续地或随后被切割装置切成离散的长度时，所得到的短切纤维束11可以保持结 合，产生两个、三个或更多个结合的短切纤维束的簇。此类簇的几个可能的构型示于图3中 并由参考数字16标明。短切纤维束11的这些结合的簇16能够理想地提高体积密度和改 进短切纤维束的送料性能。该结合的短切纤维束在配混过程的作用下破裂，在配混过程中 让各个短切纤维束的单根纤维分散在树脂基质中。在另一个方法中，该整理组合物能够在生产纱时在在线的纺拉过程中被施涂到纱 上。在这一过程中，各纱各自被纺丝、拉伸、热定形，和以3，000-6, 000米/分钟的最终速度 被卷绕到筒管上。在纤维挤出之后和在将纱卷绕到筒装、筒管或经轴中之前，施涂该整理组 合物和加热干燥。该整理组合物也能够与切断步骤相结合被施涂于纱上。在这种情况下，许多纱线 的末端一起被退卷出来并被送到纤维切割装置。随着该纱向切割装置行进，它们通过涂覆 站(在这里被施涂)，和然后穿过干燥站，之后被输送到切割装置。图4A和4B用示意图显示了生产本发明的短切纤维束的装置的一个可能的布置。 复丝纱32的筒装31布置在线轴架33上。纱32从各筒装中退绕并被合适的导纱器34引 导至涂覆站35。在所示例的实施方案中，涂覆站采取施胶浴的形式。施胶浴包括含有整理 组合物且包括引导辊的敞开容器或盆，这些引导辊经过排列使得行进的纱浸入和牵引通过 整理组合物。该纱然后从涂覆站35前进通过包括一系列的加热干燥罐38的干燥站37，干 燥在纱上的整理组合物。该纱然后引导进入和通过纱切断装置41，在这里各根纱被切成短 长度，形成短切纤维束。该短切纤维束被收集在位于切割装置设备41之下的合适的散装货 箱中。在图5中，典型的双螺杆型配混挤出机是由参考数字50标明的。微粒状切片或粒 料形式的热塑性聚合物经由主要进料料斗51被输送到挤出机的机筒中。第一个和第二个 重量损失型螺杆送料设备52和53连接到挤出机50，以将材料计量加入到挤出机机筒中自 热塑性聚合物粒料的引入处下游的较短距离。本发明的短切纤维束能够被放置于第一个进 料装置52的料斗中，和第二个进料装置53能够用于将其它固体材料，如滑石或其它填料， 引入到挤出机中。另外地，引入短切纤维束和其它固体材料例如滑石的顺序能够颠倒，或各 自能够从单独的进料料斗计量加入，混合在一起，和输送到配混挤出机的单个进口。该螺杆送料设备52和53具有变速螺旋送料器，后者能够被编程来控制原料从进 料斗中输出的进给速率。这一类型的给料设备没有进给硬质材料如聚合物粒料、粉末状填 料和切断玻璃纤维的问题。然而，低密度材料如合成聚合物纤维倾向于“桥连(bridge)”， 即，形成纤维块，其引起纤维流动的间歇性或完全性堵塞。观察表明，桥连能够受到许多因 素影响。这些是平均纤维堆积密度，纤维处置引起的密度损失，绒毛纤维相对于纤维束而言的量，纤维压缩性，束尺寸和束完整性，束与束内聚力，和纤维对金属的光滑度。施涂到短切 纤维束上的所选择的纤维施胶剂的类型和量能够理想地用于改变这些因素中的一个或多 个以得到将形成“流动性物料”的短切纤维束，后者避免桥连和因此能够均勻地经由这一类 型的螺杆送料设备进料。纤维流动件试骑本发明的短切纤维束的流动能力能够通过简单的实验室试验来测量，该试验提供 与在螺杆进料体积型进料机或重力型进料机中所遇到的类似条件。纤维流动性试验装置在 图6中示出并且由具有75mm内径和600mm长度的末端开口的圆柱形管以及具有65mm的外 径、600mm的长度和1000克的重量的圆柱形锤体(ram)组成。该管具有光滑的内表面和可 以适宜地从标称3英寸直径PVC塑料管构造。该锤体可以适宜地从装有直径稍微地低于该 3英寸管的内径的面板的标称2英寸直径PVC塑料管构造。试验程序是如下(1)圆柱形管直立在一个表面上，用300克的散纤维填充该管。 散纤维的代表性簇(tuft)被手工放入该管中。(2)测量在该管中散纤维的高度和计算堆积 密度。(3)通过使用从与管的顶部齐平的高度所释放的1000克锤体的坠落力来捣实该纤维 5次。(4)测量该纤维的捣实高度和计算堆积密度。(5)从硬表面上提升该圆柱形管，让自 由流动性纤维从管的底部掉落出来。(6)测量没有从底部掉落出来的任何纤维的重量。保 留在管中的纤维的质量(g)被称作纤维“滞留量(hold-up)”。“滞留量”还可以表达为最初 纤维装料的百分数。试验装置的基础理论是在螺杆送料设备的进料斗的进料口中的纤维被以上纤维 的重量所压缩。管的75mm直径一般对应于在典型的螺杆送料设备中螺旋送料器装置的螺 纹之间的距离。在试验过程中，纤维被锤体压缩，并且测量整个纤维装料流过该管的能力。 保留在机筒内的纤维被认为是“桥连”纤维。本发明可以进一步通过下列非限制性实施例来举例说明。实施例1INVISTA T787聚酯纱(1300旦尼尔/192根长丝，7. 5分特/每根长丝；69cN/tex 韧性，26%断裂伸长率)用几种施胶剂以不同的固体含量涂覆，如在表1中所述。该施胶 剂包括Rohm&Haas的Rhoplex B-85丙烯酸乳液，聚乙烯醇施胶剂(DuPont的Elvanol)，丙 烯酸均聚物(Huntsman TextileEffects 的 Syncol F40)，聚酯施胶剂(Seydel-Wooley 的 SeycoFilm 712)，和水性热塑性聚氨酯乳液(Hydrosize的U2-01)。在涂覆后，该纱被切成 标称6mm长度。也生产含有未涂覆的纱的类似短切纤维束的对照样品。针对对照样品和施 胶的样品进行如上所述的试验程序，结果报道在表1中。 表 1
施胶和未施胶的纱线的流动性结果
试原料1初始高堆积堆积密捣实堆积密捣实的堆滞留
验 度，cm密度，度，lb/ft3高度，度，g/cm31积密度，量，g留率
/ 3 g/cmcmlb/ft3
1 未施胶370. 18411.4 170. 39924. 96522%
2 未施胶390. 17410.9 170. 39924. 99833%
3 未施胶360. 18911.8 150. 45328. 2238%
11[00614未施胶35 0.19412. 1150.45328. 224080%[00625未施胶30 0.22614. 1190.35722. 318461%[00636未施胶43 0.1589. 8190.35722. 322073%[00647未施胶39 0.17410. 9180.37723. 512241%[00658施胶3%Rhoplex360.18911.817 0.39924.913846%[0066B-85聚丙烯酸[0067酯[00689細交3%El-ranol33Q20612817Q39924913645%[006985--82 PV0H[007010細交1%I^drosizB38Q1791L116Q4242&519063%[0071U2聚氨酯[007211屬交2%Ifydrosize220.30919.3150.45328.200%[0073U2聚氨酯[007412屬交6%Ifydrosize250.27216.9170.39924 900%[0075U2聚氨酯[007613施胶4%Syncol F4D240.28317.6160.42426.500%[0077聚丙烯酸酯[007814屬交2%聚酯260.26116.3150.45328.200%[0079Seycofilm 712[0080实施例2[0081表1的纤封i样品6，10 和 12被送到位 于 the University of
NorthCarolina-Charlotte ^ the Polymer Center of Excellence。在il^lli亥纤维it过具 有 44mm直径螺旋送料器的 Brabender Flexffall H32-FW79 进料器。样品 12 (6% Hydrosize U2-01)首先通过。约65磅的纤维被加入到进料斗中，进料器螺旋送料器速度被设定在最大 值的50%。在这一速度下，纤维的进给速率是约50磅/小时。该进料器然后根据程序控 制，按照自动化模式来以50磅/小时进给。图7显示了纤维进给速率的变化和纤维装料的 最大进料器速度的％。纤维进料器能够在指标速率的+/_2. 5%之内在螺旋送料器速度的约 +/-10%变化率下输出该纤维。比较起来，纤维样品6和10是蓬松的并且无法通过螺旋送 料器输送。尽管有最大的进料器速度，但没有排出纤维。 得益于在前面的叙述和相关附图中给出的教导，本发明所属技术领域中的技术人 员将进一步想到在这里阐述的本发明的许多改进和其它实施方案。因此，可以理解本发明 不限于所公开的特定的实施方案并且改进和其它实施方案被认为包括在所附权利要求的 范围内。虽然这里使用专用术语，但是它们仅仅是在一般和叙述性的意义上使用，没有限制
意义o
权利要求
在形成纤维增强聚合物复合材料的配混过程中适合与基质聚合物配混的含纤维的组合物，该组合物包括短切纤维束的物料，该物料具有至少16磅/立方英尺的平均堆积密度，和其中基本上全部的所述短切纤维束具有在约3和15mm之间的长度并且包括许多的基本上相同长度的、基本上彼此平行取向的和它们的末端基本上彼此作同等延伸的合成或纤维素型天然纤维，和其中基本上全部的短切纤维束进一步包括整理组合物，该组合物涂覆纤维束内的纤维并且在各短切纤维束内形成非牢固的纤维间粘结以提供纤维间内聚力，该非牢固的纤维间粘结经过配混过程中该纤维束的配混是可破裂的，使得在该过程中该短切纤维束能够崩解成分散在基质聚合物内的单独的单根纤维。
2.权利要求1的组合物，其中该短切纤维束的物料在一定的程度上是可流动的，使得 该纤维束的物料能够经由体积型或重量型螺杆送料设备被均勻地输送到配混过程中。
3.权利要求2的组合物，其中该短切纤维束的物料是在一定程度上可流动的，使得它 可经由体积型螺杆送料设备均勻地进料，其要求不大于约士 10%的在进料器螺杆RPM上的 变化，或可经由重量型螺杆送料设备均勻地进料，其要求在进料过程中不大于约士 10 %的 在重量差异上的变化。
4.权利要求1的组合物，其中该短切纤维束的纤维具有5-22分特的线性质量。
5.权利要求4的组合物，其中该短切纤维束的物料每个短纤维束含有平均约100到 400根纤维。
6.权利要求1的组合物，其中该短切纤维束的纤维是以椭圆形或扁平丝带状横截面的 形式彼此粘附。
7.权利要求1的组合物，其中在该纤维束的物料内的两个或多个该短纤维束被结合在一起。
8.权利要求1的组合物，其中，基于在该短切纤维束内被涂覆的纤维的总重量，该整理 组合物占约0. 5-10wt%。
9.权利要求1的组合物，其中，基于在该短切纤维束内被涂覆的纤维的总重量，该整理 组合物占约2-6wt%。
10.权利要求9的组合物，其中该整理组合物包括水性热塑性聚合物乳液。
11.权利要求10的组合物，其中整理组合物选自于聚乙烯醇，丙烯酸酯，聚丙烯酸，聚 酯，聚酰胺，热塑性聚氨酯，淀粉，蜡，聚乙酸乙烯酯，聚硅氧烷组合物，氟化合物，粘合促进 齐U，和它们的结合物。
12.权利要求1的组合物，其中在该纤维束内的纤维是由选自聚酯，液晶聚合物，聚酰 胺，聚酮，聚醚酮，碳，部分氧化聚丙烯腈，丙烯酸类，芳族聚酰胺，和它们的共混物中的材料 制成的合成纤维。
13.权利要求1的组合物，其中在纤维束内的纤维包括热塑性聚合物纤维，该纤维包括 选自聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸丙二醇酯，聚对苯二甲酸 丁二醇酯，聚联苯甲酸乙二醇酯，聚乳酸，和它们的共混物中的聚酯。
14.权利要求1的组合物，其中在纤维束内的纤维是选自于韧皮纤维，叶纤维，种子纤 维或它们的组合中的天然纤维素型纤维。
15.权利要求14的组合物，其中该纤维束内的纤维选自亚麻纤维，大麻纤维，黄麻纤 维，苎麻纤维，剑麻纤维，马尼拉麻纤维，棉纤维和木棉纤维。
16.适合在配混过程中与热塑性或热固性基质聚合物配混形成纤维增强聚合物复合材 料的含纤维的组合物，该组合物包括短切纤维束的物料，该物料具有至少16磅/立方英尺 的平均堆积密度，和其中基本上全部的短切纤维束具有在约3和15mm之间的长度且每束包 括约100-400根的基本上相同长度的、基本上彼此平行取向的和它们的末端基本上彼此作 同等延伸的聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，和其中基本上全部的短切纤维束进一步包括相当 于该束的约0. 5-10wt %的整理组合物，该组合物选自聚乙烯醇，丙烯酸酯，聚丙烯酸，热塑 性聚氨酯，淀粉，蜡，聚乙酸乙烯酯，聚硅氧烷组合物，氟化合物，粘合促进剂，和它们的结合 物，该整理组合物涂覆该束内的纤维。
17.权利要求16的组合物，其中该整理组合物包括水性热塑性聚合物乳液并且以基于 涂层纤维的总重量的约2-6wt%的量存在于各束中。
18.制造适合于提供最终分散在纤维增强聚合物复合材料中的纤维的增强纤维束的方 法，该方法包括用可在该股内形成非牢固的长丝间粘结的整理组合物来涂覆从合成有机聚合物或纤 维素型天然纤维生产或得到的多个复丝股；将粘结长丝股切断成具有在约3和15mm之间的长度的短切纤维束，各短切纤维束含有 多根的非牢固粘结的纤维；和形成单个短切纤维束的流动性物料，使得该纤维束的物料具有至少16磅/立方英尺的 平均堆积密度。
19.权利要求18的方法，其中该涂覆多个复丝股的步骤包括引导多个复丝股，各股含 有100到400根连续长丝并具有5-22分特/每股的线性质量，通过含有液体整理组合物的 涂覆站，在涂覆站将液体整理组合物施涂到连续复丝股上并用整理组合物浸渍该股，和干 燥该整理组合物以便在股内形成非牢固的长丝间粘结。
20.权利要求19的方法，其中该干燥步骤包括引导涂覆的复丝股通过烘箱或在一系列 的加热滚筒上通过，和其中该切断步骤包括从一系列的加热滚筒直接引导涂覆的复丝股至 切割装置设备并将该股切断成该短切纤维束。
21.权利要求18的方法，其中涂覆步骤包括以基于涂覆的复丝股的总重量的约 0. 5-10wt%的量施涂该整理组合物。
22.提供用于纤维增强聚合物复合材料的增强纤维的方法，该增强纤维是以短切纤维 束的物料的形式提供的，该方法包括从线轴架设备中抽出多个的聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物的复丝股，各股具有5-22 分特/每根长丝的线性质量并每股含有约100-400根连续长丝；将多个复丝股从线轴架设备引导至和通过涂覆站，并将整理组合物作为涂料施涂到 涂覆站内的复丝股上，该整理组合物呈现为选自聚乙烯醇，丙烯酸酯，聚丙烯酸，聚酯，聚酰 胺，热塑性聚氨酯，淀粉，蜡，聚乙酸乙烯酯，和它们的结合物中的热塑性聚合物的水性乳液 形式；让涂覆的复丝股从涂覆站引导到干燥站并在该干燥站内加热该股以便让整理组合物 干燥并在各复丝股内形成非牢固的长丝间粘结；该复丝股从干燥站引导到切断站，并在该切断站内将该股切断成具有在约3和15mm之 间的长度的短切纤维束，各短切纤维束含有许多的非牢固粘结的纤维；和以具有至少16磅/立方英尺的平均堆积密度的物料形式收集该短切纤维束。
23.权利要求22的方法，其中加热该涂覆复丝股的步骤包括引导复丝股在一系列的加 热干燥罐上通过，然后干燥该热塑性聚合物乳液且同时将该股形成为具有丝带状股横截面 的那些股。
24.权利要求23的方法，其中干燥该热塑性聚合物乳液且同时将该股形成为具有丝带 状股横截面的那些股的步骤包括干燥该乳液且同时至少一些的股彼此接触，使得至少一些 的股彼此粘附和结合，和其中将该股切断成短切纤维束的步骤包括将结合的股切断形成结 合的短切纤维束。
25.权利要求22的方法，该方法包括将该短切纤维束的物料引入到体积型或重量型螺 杆送料设备中的附加步骤，和其中该短切纤维束的物料在一定程度上是可流动的，使得它 能够经由该体积型螺杆送料设备均勻地进料，其要求不大于约士 10%的在进料螺杆RPM上 的变化，或经由重量型螺杆送料设备进料，其要求不大于约士 10 %的在进料过程中在重量 差异上的变化。
26.制造纤维增强聚合物复合材料的方法，该方法包括将基质聚合物进送到配混过程 中；将包含权利要求1的组合物的短切纤维束的流动性物料沉积到体积型或重量型螺杆送 料设备的进料斗中，该螺杆送料设备与该配混过程实现物料运输连通；经由该螺杆送料设 备将短切纤维束的流动性物料进送到该配混过程，以一种方式进行该配混过程，该方式要 求在短切纤维束内的纤维间的非牢固粘结发生破裂和该短切纤维束因此崩解成在长度上 不长于该束的长度的单独的单根纤维，该单根纤维分散在基质聚合物中。
27.权利要求26的方法，其中经由该螺杆送料设备将短切纤维束的流动性物料进送到 该配混过程的步骤是均勻地进行的，使得该体积型螺杆送料设备要求不大于士 10%的在进 料螺杆RPM上的变化，或使得重量型螺杆送料设备要求不大于士 10%的在进料过程中在重 量差异上的变化。
28.权利要求26的方法，其中该基质聚合物是热塑性聚合物和该配混过程是在单螺杆 或双螺杆挤出机中进行的。
29.权利要求26的方法，其中该基质聚合物是热固性聚合物和该配混过程是在双臂间 歇式混合机中进行的。
全文摘要
以一种形式提供用于聚合物复合材料中的短切合成或纤维素型天然增强纤维，该形式能够通过使用普通的体积或重量型计量设备均匀地被进送到例如在单螺杆或双螺杆挤出机或双臂间歇式混合机中进行的配混过程中。在进送到配混过程之后，该增强纤维分散并且均匀分布在基质树脂中。该增强纤维是以短切纤维束的形式提供的，其中用整理组合物涂覆该纤维并在各短切纤维束内形成非牢固的纤维间粘结。这会提供在纤维间内聚力，使得短切纤维束能够经由体积损失或重量损失型螺杆送料设备被均匀地进送到配混过程中。在配混过程中与基质聚合物混合之后，该非牢固的粘结发生破裂，并且该短切纤维束崩解成分散在基质聚合物中的单独的单根纤维。还提供了生产短切增强纤维的方法。
文档编号C08J5/06GK101815746SQ200880110190
公开日2010年8月25日 申请日期2008年9月24日 优先权日2007年10月4日
发明者J·A·巴内斯, T·E·施米特 申请人:因维斯塔技术有限公司