专利名称：低树脂量定向纤维带的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于传递成型工艺中成型的干纤维预成型件的装配，更具体地，涉及低树脂量定向纤维带，其可在装配成型的预成型件时处置及弯折。
在复合材料制品制造时，典型的是把多个定向干纤维层装配成与制品的形状相配合的形状。干纤维层的组件已知为一种“预成型件”，其可随后放入模中。随后把树脂注入模中渗入纤维之间，注出复合材料零件。制造复合材料零件的这种方法称为“树脂传递成型”(RTM)。
在这种方法中，难以结合一层定向纤维，因为在预成型件装配中没办法把干定向纤维保持就位。也难以把纤维放在预成型件中，因为它们倾向分离。如果有人成功地把一层干定向纤维放在预成型件中，在注射树脂时，纤维也容易分离及移动，因而使零件强度降低，难以保持零件与零件之间的一致性。
为解决这些问题，使用了树脂量为约35％的预浸定向纤维带。虽然其足够把纤维保持在一起，但这种纤维带不允许树脂渗入，并且在纤维带与邻近的层之间形成边界层。这是不可接受的，因为它提供了可能分层及使零件大致的部位。因此，继续在研究一种定向纤维带，其可弯折及处置以便与预成型件形状适应，其有足够的粘聚性防止纤维分离而在注射树脂时又允许树脂完全渗入。
为实现本发明的这些和其它目的，本发明提供了一种定向纤维带，包括多根定向纤维，设在纤维两侧的一对柔性薄膜，薄膜由树脂制成，树脂量足以把纤维保持定位，但是低于会明显阻止树脂渗透的量。薄膜放在多根纤维的上面及下面把纤维夹在中间。薄膜不会渗入纤维之间的间隙，通过表面接触及一些渗透固定住纤维。
最好，把多根定向纤维放在一对树脂薄膜之间，提供一纤维带，相对树脂及纤维的总量，具有总的树脂量为约1-20％重量，优选地为3-15％重量。在这种树脂量下，纤维带可处置及弯折包在成型的轮廓表面，与预成型件配合，而没有明显的纤维移动。在这种树脂量下，薄膜不会阻碍以后的树脂渗入，而可以熔化及与注射入的树脂混合使定向树脂完全结合在零件中。但是树脂量超过20％，会阻止渗入树脂，而低于1％，粘聚性不足以把纤维固定在一起。这里用的术语“薄膜”表示柔性可相容的树脂材料的连续及均匀层。
下面通过附图及实施例说明本发明，附图中
图1是本发明的纤维带的横剖面图；图2是成形本发明的纤维带的方法的示意图；图3是示出把本发明的纤维带结合在一个预成型件中的视图；图4是沿图3中4-4剖切的剖面图，示出定向纤维带与纤维板的组合件。
参见图1，按照本发明制造的定向纤维带1包括多根基本成平行地设置的纤维2，该带1有上薄膜膜3及下薄膜4，它们使纤维保持在平行或定向的方向。下薄膜放在可脱开层5上。薄膜必须与可脱开层有足够的粘结力以允许把纤维带成型为具体的轮廓形状、但是用手的压力可将其从可脱开层上取下来而不会对薄膜损坏或使纤维分开。
柔性的薄膜也必须有足够的粘聚性，以允许可以切割纤维带、把带放在预成型件中及移去可脱开层而不会弄乱定向纤维的方向，但是使用的树脂量必须最少以促进在注射成型时树脂渗入纤维之间的空隙中。
各薄膜由可与选择的注射成型相容的树脂制成。例如，环氧树脂可以使用，只要其配方配成可在室温提供薄膜，并且在中等的温度增加时其是可软化的，而不会过早地固化。当然也可用其它的成膜树脂。其它的适合的树脂包括聚酰胺、特别是双马来酸酰亚胺树脂、聚氰酸酯树脂、乙烯基酯树脂、苯并环丁烯树脂等。
合适的树脂及硬化剂混合物的实例包括如Dow化学公司制的Tactix123环氧树脂或3M公司制的PR500树脂的环氧树脂混合物，它们各可以形成薄膜。最好，如果用PR500，它们以与也由3M公司制造的如PT500的另一种树脂混合。PT500树脂帮助调节薄膜的粘性及可以按照需要改变。例如，已用PR500/PT500为80/20的混合物。另一种可用于形成薄膜的树脂是1，1’-MDA双马来酸酰亚胺(BMI)树脂，这是由Cytec化学公司制造的5250-4RTMBMI的领域中已知的。
这些是有用的成膜树脂的举例，因为可使用环氧树脂或BMI树脂制出许多成分，它们在这些系统中是相容的。但是，本专业技术人员可方便地确定其它树脂与专门的树脂系统一起用，本发明不局限于上面已讨论的树脂。
纤维带的树脂量与纤维及树脂总重量比为1％-20％(重量)。这里用的“树脂量”涉及树脂重量除以纤维及树脂的总重量。超过20％的树脂量，会阻止树脂的渗透，而在1％以下，树脂不能保持它们的方向。优选地树脂量为3％-18％，优选的为7％-14％。例如，可以用对纤维的面积重量为228g/m用厚度在10-14g/m2量级的一对薄膜。
重要的考虑是薄膜与纤维结合使得树脂膜有限地渗入定向纤维中。因此，除了在上下表面，基本没有树脂与纤维搀和。这样提高了后注射的树脂渗入纤维之间的间隙中的能力，同时提高了纤维带与复杂形状适应性的柔性。
参照图2，其示出了本发明纤维带的制造。可脱开层10有加在其上成板状的树脂薄膜11。可用商业上可购得的多种材料作可脱开层。例如可以用从3M公司购得的MYLARTM背衬。可以用现有技术中已知的多种工艺制造薄膜11。例如，可通过高温下把树脂浇在可脱开纸上并在冷却后在压送辊之间延展而制成树脂薄膜。
当然，薄膜可以在纤维带制造程序中作为一个整体步骤来形成，或者可另外形成并储存成卷状，在需要时用。
可脱开层10及树脂薄膜11供到传送带12，在那里多根连续的纤维13放在薄膜的顶部。与第一薄膜的同样的方式形成的且有整体可脱开层15的第二薄膜组件14放在纤维中，薄膜与纤维在辊16下穿过时相互接触。辊可以加热开始软化薄膜。组合在一起的薄膜及纤维然后穿过一加热段17，其温度足够使薄膜软化但不熔化。根据薄膜的成分，可用约140-250°F。如果树脂熔化，由于薄膜较薄，会失去粘聚性及均匀性，会发生纤维分离。软化允许表面纤维部分埋在薄膜中，而没有明显的薄膜渗透超出表面纤维。已发现低于约140°F，纤维不与薄膜粘接而会发生分离。最好在这阶段提供进一步的压实，但是这取决于构成的纤维带而定。
随后夹层的组合件通过冷却段18，冷到室温或更低，使薄膜变硬，并使表面纤维和薄膜粘结，形成纤维带19，随后卷到卷筒20上用于储存，最好该区域温度保持在低于室温。另一个卷筒21用来收集从第二薄膜组件14上的可脱开层15。为了使用纤维带，从卷筒20上取下一部分纤维带，切断，切下的段放在预成型件的成型表面。
当然可以明白这是制造这种纤维带的一个方法，也可以用其它方法。例如，用溶剂浇在可脱开纸上，薄膜浇在可脱开纸上等，可用一种幕涂工艺。
参见图3，一个预成型工具22，具有一成型面23，其上放着织物层24。定向纤维带25放在织物层24的上表面上，与成型面23相吻合，可脱开层已撕下及扔掉。在织物层表面上只留下纤维及薄膜。当然，预成型件可完全由定向纤维带制成，织物层的使用取决于制造的零件。
参见图4，剖面图示出在织物层24上的多根定向纤维26，均匀地分布在一对薄膜27、28之间，纤维不分离。
尽管本发明的纤维带树脂量低，但其有足够的稳定性可在结合成或作成预成型件前可运送及处置。
使用纤维的面积重量(FAW)为约228g/m2的石墨纤维，及由80％的PR500/20％的PT500环氧树脂的树脂混合物组成的上下薄膜，用约8-12％(重量)的树脂量来制成单向纤维带。纤维带为12英寸宽，测定出在树脂注射后在固化的8.3mil的每层厚度有55％的层状纤维变形。纤维带具有为了处置及堆放目的的极好的粘性及变形性。在结合在预成型件中后，在成型及固化时定向纤维成为完全与结构成整体。在注射树脂时没有明显的纤维位移，在成型零件中也没有界面层。
使用纤维的面积重量为约228g/m2的石墨纤维，及由5250-4RTM双马来酸酰亚胺树脂构成的上下薄膜，用约8-12％(重量)的树脂量制成定向纤维带。该带为12英寸宽。纤维带有极好的粘性及变形性，容易被把纤维带放入预成型件中的操作者弯折及处置。在注射树脂时没有明显的纤维位移，定向树脂成为完全与结构成整体。
纤维带可用任意可购得的纤维，如玻璃、芳族聚酰胺、石墨、碳化硅纤维或其它的纤维及它们的结合来制造。另外纤维带的尺寸及密度也可以相应地改变，只要保持合适的重量计的树脂量比例。使用本发明的纤维带，可以方便地制出预成型件结合有单向纤维，而不发生纤维分离及扭曲。
虽然已示出及说明了本发明的最佳实施例，但是本专业的技术人员明白在本发明的精神范围内可以作出很多变化及改型。
权利要求
1.一种定向纤维带，包括多根定向纤维，设在纤维的两侧的一对柔性薄膜，薄膜由树脂制成，树脂量足以把纤维保持定位，但是低于会明显阻止树脂渗透的量。
2.按照权利要求1的纤维带，其特征在于所述的柔性薄膜可软化以允许定向纤维部分埋在薄膜中。
3.按照权利要求1的纤维带，其特征在于还包括位于靠近所述的一对薄膜中之一的一个可脱开层。
4.按照权利要求3的纤维带，其特征在于所述的柔性薄膜具有足够的粘性保持附着到可脱开层。
5.按照权利要求1的纤维带，其特征在于所述的柔性薄膜的量为约1-20％重量的树脂量。
6.按照权利要求1的纤维带，其特征在于所述的柔性薄膜的量为约3-18％重量的树脂量。
7.按照权利要求1的纤维带，其特征在于所述的柔性薄膜的量为约7-14％重量的树脂量。
8.按照权利要求1的纤维带，其特征在于所述的纤维由包括玻璃芳族聚酰胺、石墨、碳化硅和它们的组合物中选出的材料制成。
9.按照权利要求1纤维带，其特征在于所述的树脂材料选自环氧、聚酰胺、聚氰酸酯、乙烯基酯、苯并环乙烯及它们的组合物。
10.按照权利要求1的纤维带，其特征在于所述的树脂材料包括至少一种双马来酸酰亚胺树脂。
11.按照权利要求1的纤维带，其特征在于所述的树脂材料包括至少一种环氧树脂。
12.按照权利要求3的纤维带，其特征在于所述的可脱开层由MYLARTM材料制成。
13.一种把定向纤维结合在干纤维预成型件中的方法，包括提供一个定向纤维带，包括多根定向纤维，设在纤维的两侧的一对柔性薄膜，薄膜由树脂制成，树脂量足以把纤维保持定位但是低于会明显阻止树脂渗透的量；把所述的定向纤维带放在预成型的一部分上；和把纤维成型为与预成型件形状符合。
14.一种制造定向纤维带的方法，包括提供多根连续的定向纤维；提供一个第一薄膜，其是柔性的薄膜并由树脂制成；提供一个第二薄膜，其是柔性的薄膜并由树脂制成；把纤维放在第一和第二薄膜之间，在薄膜中的树脂量足以把纤维保持定位，但是低于会明显阻止树脂渗透的量；加热薄膜及纤维使薄膜软化使得纤维与薄膜接触，成为部分埋在薄膜中；和冷却薄膜及纤维使薄膜硬化，形成一个定向纤维带。
全文摘要
低树脂量的定向纤维带(1)，把定向纤维结合在干纤维预成型件中用于树脂传递模成型工艺中。多根定向纤维(2)位于一对树脂柔性薄膜中，把纤维夹在一起而同有明显渗入纤维中。薄膜有足够的粘性保持与可脱开层(5)的接触，但是不会妨碍手的压力把定向纤维带移下。优选地，相对于总的树脂与纤维量，纤维量为1-20％，更优选地为3-18％。在这种纤维量下，纤维带可由预成型件装配者处置并弯折在轮廓表面上，而不会使定向纤维扭曲或分离。另外，低树脂量允许注射树脂渗入纤维的间隙，使定向纤维完全结合在最终零件中。
文档编号B29C70/08GK1164201SQ95196390
公开日1997年11月5日 申请日期1995年10月13日 优先权日1995年10月13日
发明者马丁·P·魏 申请人:陶氏联合技术复合制品有限公司