由纤维增强复合材料构成的成形制品的制作方法

由纤维增强复合材料构成的成形制品的制作方法
【专利摘要】本发明的目的是提供一种在形状方面具有自由度的轻量成形制品，其由含有增强纤维和热塑性树脂的纤维增强复合材料构成。本发明涉及一种在各向同性方面出色的、包括纤维增强复合材料的成形制品，在所纤维增强述复合材料中不连续的增强纤维在平面内是各向同性的并且在热塑性树脂中二维取向。成形制品的特征在于增强纤维束（A）由式（1）所定义的临界单纤维数的增强纤维构成。成形制品的特征还在于增强纤维束（A）与增强纤维总量的比率为20vol%以上并小于90vol%，并且增强纤维束（A）中增强纤维的平均数量（N）满足式（2）：临界单纤维数=600/D--（1）；0.7×104/D2<N<1×105/D2--（2）；其中，D是增强纤维的平均纤维直径（μm）。
【专利说明】由纤维增强复合材料构成的成形制品
【技术领域】
[0001]本发明涉及在形状方面具有自由度的轻量成形制品，其由含有增强纤维和热塑性树脂的纤维增强复合材料构成。本发明还涉及优选地可用于电气和电子设备的外壳、汽车部件、医疗设备部件、飞机部件、建材和通用工业部件中的成形制品。本发明还涉及以高生产率生产所述成形制品的方法。
【背景技术】
[0002]近年中，在各种领域例如电气和电子设备、汽车、医疗设备、飞机、建材和通用工业部件中，与减轻重量相关的需求逐渐增加，在其中使用的外壳和部件要求减轻重量并具有高刚性。通过对铝合金或镁合金辊轧板进行压制而获得的成形制品或通过对其进行模铸而获得的成形制品，用作这样的薄壁高刚性外壳和构件。此外，已经使用通过对装填有玻璃纤维或碳纤维的纤维增强复合材料进行注射模制而获得的成形制品，以及通过注射模制将纤维增强复合材料板与热塑性树脂整合在一起而获得的成形制品。
[0003]铝合金和镁合金在强度和刚性方面出色，但是在可成型性方面有限，因此难以在单一基材中形成复杂形状。此外，金属构件(特别是镁合金)具有耐腐蚀性不良的问题。金属构件的表面被空气中的湿气或使用者汗水中包含的湿气和盐所腐蚀，导致出现外观不佳。有鉴于此，专利文献I提出了一种用于生产外壳的方法，所述方法包括向由镁合金构成的整个构件涂布树脂层的涂布步骤，以及将构件和树脂制部件一体模制的模制步骤。这种方法能够形成复杂形状并提供耐腐蚀性。然而，步骤变得复杂，此外，铝合金、镁合金和树脂的比强度相对于铁来说高，但是当与后文中描述的纤维增强复合材料相比时低。因此，在可获得的重量减轻方面存在限度。
[0004]纤维增强复合材料 在比强度和比刚度方面出色，此外在耐腐蚀性方面出色，因此被广泛用于上述应用中。具体来说，通过对装填有玻璃纤维或碳纤维的纤维增强复合材料进行注射模制而获得的成形制品 ，由于在形状方面的高自由度和高生产率而被广泛使用。然而，由于保留在成形制品中的纤维的长度短，在需要高强度和刚度的应用中仍存在问题。另一方面，用连续纤维强化的纤维增强复合材料在比强度和比刚度方面特别出色，因此主要被用于需要高强度和刚度的应用中。然而，所述纤维增强复合材料与树脂和通过注射模制获得的纤维增强复合材料相比，在形状方面的自由度低，并且通过单一基材难以形成复杂形状。此外，由于纤维增强复合材料通过将大量增强纤维以编织形式层堆来生产，因此存在着生产率低的问题。专利文献2提出了一种组合成形制品，其中将树脂构件接合到由含有增强纤维、特别是连续纤维的片构成的板状构件的外部边缘处。这种构造能够获得具有复杂形状的成形制品。然而，由于所述成形制品通过多个步骤来生产，因此难以称得上生产率高。此外，使用连续纤维的纤维增强复合材料一般通过使用压热釜对被称为预浸料坯的材料加热和加压2小时以上来获得，在所述预浸料坯中，将增强纤维基材预先用热固性树脂浸溃。近年中，已提出了 RTM模制方法，所述方法包括将没有用树脂浸溃的增强纤维基材置于模具中，随后在模具中倾倒热固性树脂，并极大缩短了模制时间。然而，即使在使用RTM模制方法的情形中，模制一个部件也需要10分钟以上的时间，生产率没有得到改善。
[0005]因此，使用热塑性树脂代替常规的热固性树脂作为基质的纤维增强复合材料，吸引了注意力。然而，与热固性树脂相比，热塑性树脂一般具有高粘度。因此，存在着用树脂浸溃纤维基材的时间长，以及因此在模制前花费的时间变长的问题。
[0006]作为解决这些问题的技术，提出了一种被称为热塑性冲压成型(TP-SMC)的技术。这种技术是一种模制方法，其包括将事先用热塑性树脂浸溃的切割的纤维加热至树脂的熔点以上或可流动温度以上，并将切割的纤维导入模具的一部分中，将模具立即关闭，流化模具中的纤维和树脂，从而获得产品形状，然后进行冷却以形成成形制品。通过使用事先用树脂浸溃的纤维，这种技术能够在约I分钟的短时间段内进行模制。专利文献3和4描述了用于生产切割的纤维束和模制材料的方法。那些方法是使用被称为SMC或可冲压片材的模制材料的方法。在这样的热塑性冲压成型中，使纤维和树脂能够在模具中流动，因此存在着不能生产薄壁产品以及纤维取向被扰乱，使其难以控制的问题。
[0007]专利文献I JP-A-2010-147376
[0008]专利文献2 JP-A-2010-131804
[0009]专利文献3 JP-A-2009-114611
[0010]专利文献4 JP-A-2009-114612

【发明内容】

[0011]本发明待解决的问题
[0012]本发明中待解决的问题是以高生产率提供成形制品，所述成形制品是薄壁且轻量的，具有高刚性和出色的表面外观，并具有复杂的三维形状。
[0013]解决问题的手段
[0014]作为为解决上述问题而进行的深入调查的结果，本发明人完成了本发明。鉴于上述，本发明涉及一种由在热塑性树脂中含有不连续增强纤维的纤维增强复合材料构成的成形制品，其中所述成形制品中含有的所述增强纤维具有各自由下式(I)所定义的临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)，其与所述成形制品中增强纤维总量的比率为20vol%以上并小于90vol%，并且所述增强纤维束(A)中所述增强纤维的平均数量(N)满足下式(2):
[0015]临界单纤维数=600/D (I)
[0016]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (2)
[0017]其中D是所述增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
[0018]本发明的优点
[0019]根据本发明，能够通过简单的方法，以高生产率生产薄壁且轻量，具有高刚性和出色的表面外观，并具有复杂的三维形状的成形制品。在本发明中，甚至能够通过一体模制来获得具有复杂三维形状的成形制品。通过本发明，优选地能够提供用于电气和电子设备的外壳。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是本发明的第一种实施方式的透视图。[0021]图2是本发明的第二种实施方式的透视图。
[0022]图3是本发明的第二种实施方式的三视图(横截面视图)。
[0023]图4是在本发明的第一种实施方式中，水平部与直立部的接合部。
[0024]图5是在本发明的第一种实施方式中，水平部与直立部的接合部的层结构的截面观察照片。
[0025]参考标记列表
[0026]I 水平部
[0027]IA水平部(存在部分凹凸、焊珠)
[0028]IB水平部(通孔)
[0029]IC水平部(存在板厚度的变化)
[0030]2 直立部
[0031]2A直立部(侧壁)
[0032]2B直立部(肋)
[0033]2C直立部(凸台)
[0034]2D直立部(支架)`
[0035]2E直立部(铰链)
[0036]3 接合部
[0037]4 层(X)，其中增强纤维在平面内各向同性且二维取向
[0038]5 层(Y)，其中增强纤维在水平部和直立部中连续取向
[0039]6 层(Z)，其中增强纤维在平面内非各向同性并且在水平部和直立部中不连续取向
【具体实施方式】
[0040]本发明涉及一种由纤维增强复合材料构成的成形制品，所述纤维增强复合材料由热塑性树脂和其中含有的不连续的增强纤维构成。下面对本发明的成形制品的实施方式进行描述，但是本发明不限于那些实施方式。
[0041][增强纤维]
[0042]对构成成形制品的纤维增强复合材料中的增强纤维没有特别限制。优选地使用选自碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维的至少一种。在需要强度和刚性的应用中，优选地使用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维，更优选地使用碳纤维。在需要导电性的应用中，优选地使用碳纤维，更优选地使用涂覆有金属例如镍的碳纤维。在需要电磁波传输的应用中，优选地使用芳纶纤维、玻璃纤维和聚酯纤维，并且就电磁波传输与强度之间的平衡而言，更优选地使用芳纶纤维和玻璃纤维。在需要抗冲击性的应用中，优选地使用芳纶纤维和聚酯纤维。那些纤维可以组合使用，增强纤维的类型可以根据成形制品的部分进行选择，并且成形制品可以被模制成不同增强纤维堆叠的状态。
[0043][热塑性树脂]
[0044]构成本发明的成形制品的纤维增强复合材料中存在的热塑性树脂的量，优选为每100重量份的增强纤维50至1，000重量份。热塑性树脂的量更优选地为每100重量份的增强纤维55至500重量份，还更优选地为每100重量份的增强纤维60至300重量份。[0045]对构成成形制品的热塑性树脂没有特别限制。选自氯乙烯树脂、偏氯乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈-苯乙烯树脂(AS树脂)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(ABS树脂)、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺6树脂、聚酰胺11树脂、聚酰胺12树脂、聚酰胺46树脂、聚酰胺66树脂、聚酰胺610树月旨、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚对苯二甲酸丁二酯树脂、聚萘二甲酸丁二酯树脂、聚丙烯酸酯树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂、聚乳酸树脂的至少一种树脂以及选自这些树脂的两种以上的混合物(树脂组合物)，是优选的。作为树脂组合物，更优选的是选自聚碳酸酯树脂和聚酯树脂的组合物、聚碳酸酯和ABS树脂的组合物、聚苯醚树脂和聚酰胺树脂的组合物、聚酰胺树脂和ABS树脂的组合物以及聚酯树脂和尼龙树脂的组合物中的至少一种。
[0046]功能性填充剂和添加剂，可以以不损害本发明的目的的量包含在纤维增强复合材料中。其实例包括有机/无机填充剂、阻燃剂、抗UV剂、颜料、脱膜剂、软化剂、增塑剂和表面活性剂，但不限于此。具体来说，在电子和电气设备应用和汽车应用中，有时需要高阻燃性。因此，优选地在热塑性树脂中包含阻燃剂。常规阻燃剂可以在本发明中用作阻燃剂，并且对所使用的阻燃剂没有特别限制，只要它能够为本发明的热塑性组合物提供阻燃性即可。阻燃剂的具体实例包括磷阻燃剂、氮阻燃剂、硅酮阻燃剂、有机碱金属盐、有机碱土金属盐和溴阻燃剂。那些阻燃剂可以单独或其两种以上组合使用。就物理性质、可成形性和阻燃性的平衡而言，阻燃剂的含量优选为每100质量份的树脂I至40质量份，更优选地I至20质量份。
[0047][成形制品中包含的增强纤维]
[0048]本发明的成形制品中包含的增强纤维的特征在于，由式(I)所定义的临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)与成形制品中增强纤维总量的比率为20vol%以上并小于90vol%:
[0049]临界单纤维数=600/D (I)
[0050]其中D是单增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
[0051]在成形制品中，单纤维或各自由低于临界单纤维数的增强纤维构成的纤维束，作为除增强纤维束(A)之外的增强纤维而存在。
[0052]也就是说，本发明的成形制品的特征在于，各自由根据平均纤维直径而定义的临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束的量，为20vol%以上并小于90vol%，换句话说，以特定比例包含通过控制打开程度而获得的由特定数量以上的单增强纤维构成的增强纤维束，以及除增强纤维束之外的其他打开的纤维。
[0053]在增强纤维束(A)与增强纤维总量的比率小于20vol%的情形中，存在着获得具有出色的表面外观的成形制品的优点，但是难以获得具有出色的机械性质的成形制品。在增强纤维束(A)的比率为90vol%以上时，纤维的缠结部分的厚度局部变厚，并且无法获得薄壁的成形制品。增强纤维束的比率更优选地为30vol%以上并小于80vol%。
[0054]成形制品的特征还在于各自由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)中增强纤维的平均数量(N)满足下式(2):
[0055]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (2)
[0056]其中D是增强纤维的平均纤维直径(μ m)。[0057]尤其是，各自由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)中增强纤维的平均数量(N)小于6X104/D2。
[0058]具体来说，在成形制品中的增强纤维是碳纤维并且碳纤维的平均纤维直径为5至7 μ m的情形中，临界单纤维数为86至120，并且在碳纤维的平均纤维直径为5 μ m的情形中，纤维束中纤维的平均数量为大于280并小于4，000。尤其是，纤维的平均数量优选地为600至2，500，更优选地为600至1，600。在碳纤维的平均纤维直径为7 μ m的情形中，纤维束中纤维的平均数量为大于142并小于2，040。尤其是，纤维的平均数量优选地为300至1，500，更优选地为300至800。
[0059]在增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)小于0.7X104/D2的情形中，获得具有高纤维体积含量(Vf)的成形制品变得困难。在增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为IXlOVD2以上的情形中，在成形制品中可能局部形成厚的部分，其易于引起空隙。当打算获得Imm以下的薄壁成形制品时，使用简单分条的纤维引起单位面积纤维重量的大的不均匀性，无法获得良好的物理性质。此外，当所有纤维被打开时，可能容易获得更薄的成形制品，但是纤维的缠结增加，并且不能获得具有高纤维体积含量的成形制品。通过在成形制品中包含各自由式(I)所定义的临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)和处于个体单纤维状态或由低于临界单纤维数的增强纤维构成的增强纤维(B)，可以获得具有高物性表征率(development rate of physical properties)的薄壁成形制品。本发明的成形制品可以具有各种不同厚度，并且能够优选地获得厚度为约0.2至1_的薄壁成形制品。
[0060]能够优选地通过对由增强纤维和热塑性树脂构成的无序毡进行压力模制来生产成形制品。成形制品中增强纤维的打开状态基本上维持在无序毡中的状态。，可以通过控制无序毡中的增强纤维束(A)的比率和无序毡中增强纤维束(A)中的增强纤维的平均数量(N)来适合地调整成形制品中包含的增强纤维，以便使成形制品中增强纤维束(A)的比率和成形制品中的增强纤维束(A)中增强纤维的平均数量(N)处于上述范围内。用于在无序毡的增强纤维中控制增强纤维束(A)的比率与其中的增强纤维的平均数量的优选方法，在下文中描述。
[0061]本发明的成形制品中包含的增强纤维是不连续纤维。成形制品中包含的纤维的平均纤维长度优选地为5至100mm。由含有具有一定纤维长度的增强纤维的纤维增强复合材料构成的成形制品，可以通过下面描述的用于生产本发明的成形制品的优选方法来提供。成形制品不仅表现出静态强度和刚性，而且在长时间段内表现出对冲击负载和疲劳负载的良好物理性质。此外，即使在模制具有复杂形状的成形制品的情形中，增强纤维的取向也难以被扰乱，增强纤维在平面中二维取向，维持各向同性变得可能。增强纤维的平均纤维长度优选地为10至100mm,更优选地为15至100mm,还更优选地为15至80mm,并且进一步优选地为20至60mm。
[0062]本发明的成形制品包括成形制品的一部分用单向材料等增强的情形。在在除了由热塑性树脂和其中包含的不连续增强纤维构成的纤维增强复合材料(主要部分)之外还具有包含单向材料层的强化层的情形中，上述包含在成形制品中的增强纤维的定义涉及所述主要部分，不包括由单向材料等制成的强化层。
[0063][成形制品]
[0064]成形制品优选地具有水平部以及在相对于水平部的纵向方向上延伸的直立部。直立部可能不严格具有直角，只要直立部在相对于水平部的纵向方向上延伸即可，并且在本发明的目的不受损害的程度上可以具有用于确保任选角或拔模角的角度。在这种情形中，水平部与直立部之间的角度优选地为30至90°，更优选地为40至85°。可以在本发明的目的不受损害的程度上，在水平部与直立部之间添加任选的倒角和曲度。对倒角和曲度的大小没有特别限制。在倒角的情形中，优选地使用C0.2至10mm，在曲度的情形中，优选地使用 R0.2 至 10mm。
[0065]在成形制品的用途具有产品的外板功能，例如外壳或板形构件的情形中，多个直立部优选地存在于水平部的同一侧表面上。
[0066][水平部]
[0067]在本发明的成形制品中，水平部是指基本上具有平面表面并构成直立部的底座的部分，其一个实例包括外壳或板型构件的顶棚或底壁。水平部并非必需具有完全平面的表面，并且可以存在部分地凹凸或焊珠。对凹凸和焊珠的高度和宽度没有特别限制。所述高度理想地为构成底座的水平部的厚度的0.5至10倍。水平部可以具有通孔，用于通气、螺栓紧固、布线等。在这种情形中，孔可以使用冲剪机等，在成形制品的模制同时在模具中形成，并且也可以通过作为后加工的钻孔、冲压、切割等来形成。对水平部的厚度没有特别限制。所述厚度优选地为0.2至5_，更优选地为I至3_。水平部的厚度并非必需是均匀的，可以局部增加或减小。在这种情形中，对厚度增加和减小的范围没有特别限制。相对于构成底座的水平部的厚度，所述范围优选地为30至300%，更优选地为50至200%。所述厚度可以阶梯式地改变，并且可以以锥度或曲度连续改变。从避免应力集中的观点来看，厚度优选连为续地改变。
[0068][直立部]
[0069]在本发明的成形制品中，直立部是指在水平部同一侧的纵向方向上延伸的部分，其实例包括外壳或板型构件的侧壁、肋、凸台、支架和铰链。对直立部的高度没有特别限制。所述高度优选地为I至300mm，更 优选地为5至100mm。直立部的高度并非必需是均匀的，并且可以局部增加或减小。对直立部高度的增加和减小的范围没有特别限制，并且相对于最大高度，优选地为10至90%，更优选地为20至80%。对直立部的厚度没有特别限制。所述厚度可以与水平部的厚度相同或不同。与水平部相比，由于在许多情形中要求直立部具有更复杂的形状，因此直立部的厚度优选地为0.2至100mm，更优选地为I至50mm。直立部的厚度并非必需是均匀的，并且可以局部增加或减小。在这种情形中，对所述厚度增加或减小的范围没有特别限制。相对于直立部的基础厚度，所述范围优选地为20至500%，更优选地为50至200%。所述厚度可以阶梯式地改变，并且也可以以锥度或曲度连续改变。从避免应力集中的观点来看，厚度优选连续地改变。直立部优选地在本发明的目的不受损害的程度上具有用于确保模具拔模角的角度。模具的拔模角优选地为I至45°，更优选地为5至10°。在直立部是凸台或支架的情形中，可以将金属部件例如螺丝或螺母插入模制在其内部。直立部可能存在部分凹凸和焊珠。在这种情形中，应该指出可以确保模具的拔模角。直立部可以具有通孔，用于通气、螺栓紧固、布线等，可以使用冲剪机形成孔，并且可以通过作为后加工的钻孔、冲压、切割等来形成孔。
[0070][成形制品的层构造]
[0071]水平部和直立部优选地具有层(X)，其中增强纤维在平面内各向同性并且二维取向，以便获得薄壁且轻量、具有高刚性并具有出色外观的成形制品，这是本发明的目的。在本发明中，术语“在平面内各向同性并且二维取向”是指构成纤维增强复合材料的增强纤维的纤维轴的主要取向方向在纤维增强复合材料的切向表面中，并且在其平面中相互成直角的两个方向上测量的拉伸模量的值中，通过用较大值除以较小值获得的比率不超过2。纤维轴的主要取向方向存在于在纤维增强复合材料的切向表面中这一事实，可以通过在观察纤维增强复合材料的横截面时，纤维增强复合材料中的增强纤维排列成层形式来证实。
[0072]进一步优选地，水平部与直立部之间的接合部具有选自下列的至少两种层:层(X)，其中增强纤维在平面中各向同性并且二维取向；层(￥)，其中增强纤维在水平部和直立部中连续取向；以及层(Z)，其中增强纤维在平面中不是二维取向的，并且在水平部和直立部中不是连续取向的。对各层的比例没有特别限制。在具有简单形状的薄壁产品的情形中，(X)和(Y)的比例增加，(Z )的比例减小。在具有复杂形状的厚产品的情形中，(X)和(Y)的比例减小，(Z)的比例增加。在前一种情形中，在水平部的厚度中(X)和(Y)的比例优选地分别为I至45%。在后一种情形中，在水平部的厚度中(X)和(Y)的比例优选地为I至30%。这能够确保水平部与直立部之间的接合部的强度。此外，在薄壁部分中可以实现轻量和高刚性，并且在具有大厚度的部分中可以实现能够形成三维复杂形状的纤维流动，同时最低限度地确保在平面中各向同性的层(X)，并且增强纤维是三维取向的。为了在成形制品内部获得所述层(X)、(Y)和(Z)的比例，重要的是成形制品中包含的增强纤维包括各自由下式
(I)所定义的临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)，其与成形制品中的增强纤维总量的比率为20vol%以上并小于90vol%，并且增强纤维束(A)中增强纤维的平均数量(N)满足下式(2)。此外，更优选地，平均纤维长度为5至100mm，以便即使在具有复杂形状的成形制品中也能确保增强纤维在平面中各向同性并且二维取向的层。
[0073]临界单纤维数=600/D (I)
[0074]0.7X104/D2〈N〈1 X105/D2 (2)
[0075]其中D是增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
[0076]在如上所述多个直立部存在于水平部的同一平面侧处的成形制品中，其中增强纤维在平面中各向同性并二维取向的层(X)优选连续地存在于水平部面朝直立部的平面上。通过这种构造，不仅获得薄壁、轻量并具有高刚度的成形制品，而且可以改进对应于产品外板的部分的表面外观。这种层构造进一步优选地能够通过在下文中描述的压力模制中控制模制条件来获得。
[0077]为了改进成形制品的表面外观，可以将装饰膜附着于水平部和/或直立部的外表面侧。装饰膜的实例包括具有形成于其上的所需装饰图案例如文字、图形或图案的转移箔、绘画标签和绘画膜。将装饰膜的装饰图案转移到成形制品表面或装饰膜自身粘附或融合的方法是公知的。在这种情形中，可以在装饰膜与成形制品之间形成用于包埋成形制品的表面凹凸的层。装饰膜可以作为后处理来粘附，也可以事先放置在模具中，用于与纤维增强复合材料一起压制和一体模制。
[0078]在大负载作用于成形制品的情形中，可以用单向材料增强水平部和/或直立部的一部分。在这种情形中，优选地将单向材料布置在成形制品的外表面上，并且从在模制期间抑制翘曲的观点来看，进一步优选地将单向材料布置在成形制品的前后表面两者上，以形成夹心结构。对单向材料的厚度没有特别限制。相对于由无序毡形成的纤维增强复合材料的厚度来说，所述厚度优选地为5至100%，更优选地为10至50%。对成形制品中包含的增强纤维束和增强纤维的平均纤维长度的限制，是对不包括例如单向材料部分的成形制品的主要部分的限制。
[0079]单向材料是指长度为IOOmm以上的连续增强纤维以一个方向在热塑性树脂中排列的材料。热塑性树脂的类型可以与纤维增强复合材料中包含的热塑性树脂相同或不同。在本发明中使用的单向材料可以是通过将大量连续的增强纤维堆叠而获得的材料，也可以是多轴编织物，其中将通过将连续增强纤维束造型成片状并将所述片以变化的角度堆叠而获得的材料(多轴编织物基材)，用缝线例如尼龙线、聚酯线或玻璃纤维线，通过将缝线穿过堆叠体的厚度方向，并在堆叠体的前侧面和后侧面之间沿着表面方向往复来缝合。在单向材料中，热塑性树脂的量优选地为每100重量份的增强纤维50至1，000重量份。热塑性树脂的量更优选地为每100重量份的增强纤维55至500重量份，还更优选地为60至300重量份。[0080][无序毡]
[0081]对用于生产本发明的成形制品的方法没有特别限制。成形制品优选地通过对由增强纤维和热塑性树脂构成的无序毡进行压力模制来获得。用于获得成形制品的无序毡由纤维长度为5至IOOmm的增强纤维和热塑性树脂构成，并且增强纤维的单位面积纤维重量优选地为25至3，000g/m2，各自由下式(I)所定义的临界单纤维数以上的单增强纤维构成的增强纤维束(A)与毡中增强纤维总量的比率为20vol%以上并小于90vol%，并且增强纤维束(A)中增强纤维的平均数量(N)满足下式(2):
[0082]临界单纤维数=600/D (I)
[0083]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (2)
[0084]其中D是增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
[0085]在无序毡的平面中，增强纤维不以特定方向取向，并且以随机方向分散和排列。无序毡是平面内各向同性的材料。在由所述无序毡获得成形制品的情形中，无序毡中增强纤维的各向同性即使在成形制品中也得以维持。能够通过从无序毡获得成形制品，并测定在彼此成直角的两个方向上的拉伸模量的比率，来定量评估无序毡和由其获得的成形制品的各向同性。对于在获得的成形制品中两个方向上的拉伸模量值来说，当用较大值除以较小值获得的比率不超过2时，评估为是各向同性的。当所述比率不超过1.3时，评估为在各向同性方面出色。
[0086]无序毡中增强纤维的单位面积纤维重量在25至3，000g/m2范围内。无序毡可以用作预浸料坯，并且可以根据所需模制来选择各种不同的单位面积纤维重量。
[0087]无序毡中的增强纤维是不连续的，并且其平均纤维长度优选地为5至100mm。本发明的成形制品的特征在于含有长度大到一定程度的增强纤维，并且能够产生增强功能。纤维长度用平均纤维长度来表示，所述平均纤维长度通过在获得的无序毡中测量增强纤维的纤维长度来确定。用于测量平均纤维长度的方法包括使用游标卡尺将随机抽取的100根纤维的纤维长度测量至Imm单位，并获得其平均值的方法。
[0088]无序毡中增强纤维的平均纤维长度优选地为10至100mm，优选地为15至100mm，更优选地为15至80mm，还更优选地为20至60mm。在后文中描述的用于切割增强纤维的优选方法中，在通过将增强纤维切割成固定长度以生产无序毡的情形中，平均纤维长度近似等于纤维段的长度。
[0089]在无序毡中，优选地，各自由式(I)所表示的临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)与无序毡的增强纤维总量的比率为20vol%以上并小于90vol%:
[0090]临界单纤维数=600/D (I)
[0091]其中D是增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
[0092]在无序毡中，单纤维或由低于临界单纤维数的增强纤维构成的纤维束，作为无序毡中除增强纤维束(A)之外的增强纤维而存在。
[0093]无序毡优选地以特定比例含有由根据平均纤维直径而定义的临界单纤维数以上的单增强纤维构成的增强纤维束的量为20vol%以上并小于90vol%，也就是说，增强纤维的打开程度受到控制并且纤维束由特定数量以上的增强纤维构成的增强纤维束，以及所述增强纤维束之外的打开的增强纤维。
[0094]当增强纤维束(A)与增强纤维总量的比率小于20vol%时，存在着当模制无序毡时获得具有出色表面外观的复合材料的优点，但是难以获得具有出色机械性质的纤维增强复合材料。当增强纤维束(A)的比率为90vol%以上时，增强纤维的缠结部分的厚度局部增加，并且无法获得薄壁产品。增强纤维束(A)的比率更优选地为30vol%以上并小于80vol%。通过例如控制打开步骤中吹入的空气的压力，可以获得20至小于90vol%的增强纤维束的量。此外，也可以通过调整将要经历切割步骤的纤维束的尺寸，例如通过调整束的宽度和单位宽度的单纤维数，来控制所述比率。具体来说，实例包括通过铺展等加宽纤维束的宽度，然后进行切割步骤的方法，以及在切割步骤之前提供分条步骤的方法。此外，实例还包括使用其中布置有许多短刀片的所谓分离刀来切割纤维束的方法，以及分条并同时切割的方法。优选的条件将在纤维打开步骤的部分中描述。`
[0095]各自由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)，优选地满足下式(4):
[0096]0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (4)
[0097]其中D是增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
[0098]为了使增强纤维束(A)中的纤维平均数量(N)在上述范围之内，可以在后面描述的优选生产方法中，通过调整将要经历切割步骤的纤维束的尺寸、例如束的宽度或单位宽度的单纤维数量来控制纤维的平均数量(N)。具体来说，实例包括通过铺展等加宽纤维束的宽度，并对束进行切割步骤的方法，以及在切割步骤之前提供分条步骤的方法。此外，可以将纤维束在切割的同时进行分条。
[0099]可以通过例如纤维打开步骤中吹入的空气的压力来调节切割的纤维束的打开程度，以控制增强纤维束(A)中单增强纤维的平均数量(N)。优选的条件将在纤维打开步骤和切割步骤的部分中描述。
[0100]具体来说，在构成无序毡的碳纤维的平均纤维直径为5至7 μ m的情形中，临界单纤维数为86至120，并且在碳纤维的平均纤维直径为5 μ m的情形中，纤维束中的纤维平均数量在大于280至小于4，000的范围内。尤其是，纤维的平均数量优选地为600至2，500，更优选地为600至1，600。在碳纤维的平均纤维直径为7 μ m的情形中，纤维束中的纤维平均数量在大于142至小于2，040的范围内。尤其是，纤维的平均数量优选地为300至1，500，更优选地为300至800。[0101]在增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为0.7 X IOVD2以下的情形中，出现难以获得具有高纤维体积含量(Vf)的复合材料的情况。此外，在增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为IXlOVD2以上的情形中，可能局部形成具有大厚度的部分，其易于引起空隙。在打算获得厚度为1mm以下的薄壁复合材料的情形中，使用仅仅简单分条的纤维引起大的单位面积纤维重量的不均匀性，无法获得良好的物理性质。此外，在所有纤维被打开的情形中，可以容易地获得较薄产品，但是纤维的缠结增加，无法获得具有高纤维体积含量的产品。利用其中同时存在各自由式(I)所定义的临界单纤维数以上的单纤维构成的增强纤维束(A)以及处于单纤维状态或少于临界单纤维数的增强纤维(B)的无序毡，可以获得具有出色物理性质的薄无序毡。本发明的无序毡可以具有各种不同厚度。使用其作为预制物，能够优选地获得厚度为约0.2至Imm的薄壁成形制品。
[0102]本发明的无序毡含有固体热塑性树脂，并且形成用于获得纤维增强复合材料的预制物。在无序毡中，热塑性树脂优选地以纤维形式和/或颗粒形式存在。无序毡的特征在于，增强纤维和纤维形式和/或颗粒形式的热塑性树脂以混合状态存在，不必使增强纤维和树脂在模具中流动，并且在模制时可以容易地进行树脂的浸溃。热塑性树脂优选地采取纤维形式或颗粒形式。热塑性树脂的种类可以为两种以上，并且纤维形式的热塑性树脂与颗粒形式的热塑性树脂可以组合使用。
[0103]在纤维形式的情形中，细度优选地为100至5，000dtex，更优选地为1,000至2，OOOdtex，其平均长度优选地为0.5至50mm，更优选地为I至10mm。
[0104]在颗粒形式的情形中，优选的示例形式为球形形式、条带形式或圆柱形式例如球粒。在球形形式的情形中，优选地可以列举完美圆形或椭圆形或例如卵形形状的回转体。在球形形式的情形中，平均粒径优选地为0.01至1，000 μ m,更优选地为0.1至900 μ m,还更优选地为I至800μπι。尽管对粒径分布没有特别限制，但出于获得更薄成形制品的目的，狭窄的分布是更为优选的。然而，可以使用通过诸如分类的操作获得的所需粒径分布。
[0105]在条带形式的情形中， 优选的是柱状形式例如球粒、棱柱形式或鳞片形式。通过将薄膜切割成狭窄形式而获得的条带形式也是优选的。在这种情形中，条带可以具有一定程度的纵横比，但是优选长度在与纤维形式的情形中相同的范围内。
[0106][生产无序毡的方法]
[0107]在本发明中使用的无序毡优选地通过下列步骤I至3来生产:
[0108]1.切割增强纤维的步骤；
[0109]2.将切割的增强纤维导入管中，并通过向纤维吹入空气来打开纤维束的步骤；以及
[0110]3.铺展打开的增强纤维，并同时对纤维连同纤维形式或颗粒形式的热塑性树脂一起进行抽吸，涂布增强纤维和热塑性树脂，并固定增强纤维和热塑性树脂的步骤。
[0111]下面详细地描述每个步骤。
[0112][切割步骤]
[0113]切割增强纤维的方法，具体来说是使用刀切割增强纤维的切割步骤。所述刀优选地是旋转切割机等。
[0114]为了获得所需的纤维束尺寸，优选地使用具有略窄的股宽度的束作为待切割的纤维束。或者，优选地将增强纤维在纵向上切割，以减小股宽度。在这种情形中，优选地使用具有垂直于纤维方向的刀片和平行于纤维方向的刀片的切割机，将纤维束切割成特定纤维长度，并同时将纤维素在纵向上分拆。
[0115]所使用的旋转切割机优选地是具有特定角度的螺旋刀或纤维分离刀。
[0116][纤维打开步骤]
[0117]纤维打开步骤具体来说是通过将切割的增强纤维导入管中并向纤维吹入空气，从而打开纤维束的步骤。纤维打开的程度可以通过空气的压力等来适合地控制。在纤维打开步骤中，优选地将空气以1，000m/sec、更优选地5至500m/sec的风速，从压缩空气吹出孔直接吹向纤维束，从而可以更完全地打开增强纤维。具体来说，在增强纤维通过的管中形成多个直径约为1mm的孔，从外部施加约0.2至0.8MPa的压力，并将压缩空气直接吹向纤维束，从而可以容易地打开纤维束。
[0118][涂布步骤]
[0119]涂布步骤是将打开的增强纤维铺展，同时对纤维连同纤维形式或颗粒形式的热塑性树脂一起进行抽吸，并同时喷撒增强纤维和热塑性树脂的涂布步骤。优选地将打开的增强纤维和纤维形式或颗粒形式的热塑性树脂同时涂布在板上，特别是在设置在纤维打开装置的下部处的透气板上。
[0120]在涂布步骤中，供应的热塑性树脂的量优选地为每100重量份的增强纤维50至1,000重量份。
[0121]增强纤维和纤维形式或颗粒形式的热塑性树脂优选地被喷撒成二维取向。为了涂布打开的纤维并同时将它们二维取向，涂布方法以及随后的固定方法是重要的。增强纤维的涂布方法优选地使用具有圆锥形状等的锥形管。在圆锥管中，空气在管中扩散以降低流速，并且向增强纤维提供旋转力。锥形`管中的打开的增强纤维优选地可以利用文丘里效应来铺展和喷撒。
[0122]优选地将增强纤维和热塑性树脂喷撒在具有抽吸装置的可移动透气板上，用于随后的固定步骤。
[0123]增强纤维和热塑性树脂优选地被均匀喷撒在无序毡中。
[0124][固定步骤]
[0125]涂布和固定步骤可以同时进行。固定步骤是对涂布的增强纤维和热塑性树脂进行固定的步骤。优选地通过从透气板下部进行空气抽吸来固定纤维。与增强纤维一起喷撒的热塑性树脂，在热塑性树脂是纤维形式时通过空气抽吸来固定，并且即使在颗粒形式的情形中也与增强纤维一起被固定。
[0126]通过从下部经过透气板进行抽吸，可以获得高度二维取向的毡。可以通过使用产生的负压抽吸热塑性树脂，并进一步通过在管中产生的扩散通量，使颗粒形式或纤维形式的热塑性树脂与增强纤维容易地混合。能够在相对短的时间段内利用热塑性树脂浸溃获得的无序毡，这是因为由于热塑性树脂存在于增强纤维附近，因此在浸溃步骤中热塑性树脂移动的距离短。将与所使用的基质树脂的材料相同的透气无纺织物预先放置在固定部，并且可以将增强纤维和颗粒喷撒到无纺织物上。
[0127]涂布和固定步骤同时进行，也就是说，可以在涂布的同时进行固定。
[0128]上述用于生产无序毡的优选方法能够提供具有二维取向的无序毡，其中长轴三维取向的纤维的比例低。[0129][压力模制]
[0130]对用于模制本发明的成形制品的方法没有特别限制。所述方法优选地包括将无序毡或通过压制无序毡而获得的板状预浸料坯作为基材布置在模具中，并对基材进行压力模制。
[0131]尤其是，将所述基材布置成使得下式(5)的装料率为25至100%，并进行压力模制。
[0132]装料率=IOOX基材面积(mm2)/模具空腔投影面积(mm2) (5)
[0133]其中模具空腔投影面积是指拔模方向上的投影面积。
[0134]在成形制品的水平部中需要高物理性能和表面外观的情形中，装料率优选地为80至100%。当装料率低于80%时，无法在水平部中确保增强纤维在平面中各向同性并且二维取向的层(X)的区域增加，并且物理性能和表面外观的物性表征率倾向于降低。当装料率超过100%时，在成形制品的边缘处产生毛刺，并且在后加工中必需通过机械加工等进行修剪。因此，不仅过程变得复杂，而且产生材料损失。当装料率为80至100%时，可以以高生产率生产轻量成形制品，并且在水平部中确保了增强纤维在平面中各向同性并且二维取向的层(X)，而不发生材料损失和麻烦的修剪。
[0135]具体来说，成形制品可以通过下述步骤I)，然后通过下述步骤2)或2’)来生产:
[0136]I)将无序毡中的热塑性树脂在压力下熔化，将所述热塑性树脂浸溃在增强纤维束和增强纤维的单纤维之间的空间中，然后冷却，并获得板状预浸料坯；
[0137]2)将所述板状预浸料坯加热至热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变点以上，使预浸料坯的形状与待获得的成形 制品的形状相匹配，并将单个预浸料坯或层堆的预浸料坯导入到维持在低于热塑性树脂的熔点或低于其玻璃化转变点下的模具中，随后压制，然后冷却，这是所谓的冷压加工；以及
[0138]2’)将所述板状预浸料坯导入模具中，在将温度升高至热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变点以上的同时进行压力模制，并将模具冷却至低于热塑性树脂的熔点或低于其玻璃化转变点，这是所谓的热压加工。
[0139]在步骤I)中，可以将多个无序毡层堆以获得所需的厚度和单位面积纤维重量，并且可以对层堆体进行压制。
[0140]实施例
[0141]通过实施例对本发明进行进一步具体描述，但本发明不限于所述实施例。
[0142]I)无序毡中的增强纤维束的分析
[0143]增强纤维束(A)与毡中增强纤维的总量的比率如下获得。
[0144]将无序毡切割成IOOmmXlOOmm的尺寸，并测量厚度(Ta)和重量(Wa)。
[0145]用镊子将纤维束从切割开的毡中全部抽出，并按照每种直径进行分类。在本实施例中，纤维束使用约0.2mm的直径为单位进行分类。
[0146]测量并记录每种类别的长度(Li )、重量(Wi )和纤维束数量(I)。对于小到不能使用镊子抽出的程度的纤维束来说，其重量(Wk)最后作为整体测量。在这种情形中，使用可以测量至1/1，OOOg的天平。具体来说，在增强纤维是碳纤维的情形中以及纤维长度短的情形中，纤维束的重量小，测量变得困难。在这样的情形中，将分类的多个纤维束合在一起并
测量其重量。
[0147]在测量后，进行下列计算。通过下列公式，从所使用的增强纤维的细度(F)获得单个纤维束的纤维数量(Ni)。[0148]Ni=Wi/ (LiXF)
[0149]增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)通过下列公式确定:
[0150]Ν=ΣΝ?/Ι
[0151]单个增强纤维束的体积(Vi)和增强纤维束(A)与全部增强纤维的比率(VR)，使用增强纤维的纤维比重(P )，通过下列公式来获得:
[0152]Vi=Wi/P
[0153]VR=XVi/VaX100
[0154]其中Va是切割的毡的体积，并且Va=IOOX 100 X Ta。
[0155]2)成形制品中增强纤维束的分析
[0156]将成形制品在熔炉中，在500°C下加热约I小时以除去树脂，并进行与在上面描述的无序毡中的方法相同的测量。
[0157]3)成形制品中纤维取向的分析
[0158]在模制复合材料之后，通过在成形板的任意方向和与所述方向垂直的方向的基础上进行拉伸试验以测量拉伸模量，并通过用拉伸模量测量值中的较大值除以其中的较小值以获得比率(Εδ )，来证实纤维的各向同性。当弹性比率接近I时，材料具有出色的各向同性。
[0159]4)成形制品中包含的增强纤维的平均纤维长度的分析
[0160]获得的成形制品中包含的增强纤维的平均纤维长度如下来获得。将成形制品在熔炉中，在500°C下加热约I小时以除去树脂。使用小型放大镜，将随机抽取的100增强根纤维的长度测量到Imm的单位并记录。从测量的所有增强纤维的长度(Li)，通过下列公式来获得平均纤维长度(La)。
[0161]La=X Li/100
[0162]参比例I
[0163]将碳纤维(TENAX (注册商标)碳纤维STS40-24KS (纤维直径:7 μ m，抗张强度:4，OOOMPa),由Toho Tenax C0.，Ltd.生产)在打开的同时切割成20mm的长度，并以300g/min的进料速率导入到锥形管中。将空气吹向锥形管中的碳纤维以部分地打开纤维束，并将碳纤维喷撒在设置于锥形管出口的下部处的台子上。将干法切割成2mm的PA66纤维(T5尼龙，1400dtex,由 Asahi Kasei Fibers Corporation 生产)作为基质纤维，以 500g/min 的速率供应到锥形管，并与碳纤维同时进行喷撒。由此获得厚度约为4mm，其中混合有平均纤维长度为20mm的碳纤维和PA66的无序毡。观察无序毡中增强纤维的形式。结果，增强纤维的纤维轴几乎平行于平面，并且增强纤维在平面内随机散布。检查获得的无序毡的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为20mm,由式(3)所定义的临界单纤维数为86，毡中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为35%，并且增强纤维束(A)中增强纤维的平均数量(N)为240。
[0164]使用加热至280°C的压力机，将无序毡在2.0MPa压力下加热5分钟，以获得厚度为
0.8mm的成形板。
[0165]获得的成形板的纤维体积含量约为30vol%。
[0166]参比例2[0167]将碳纤维(TENAX (注册商标)碳纤维MS60-12K (平均纤维直径:5 μ m，纤维宽度6mm),由Toho Tenax C0., Ltd.生产)切割成30mm的长度,并以I, 000g/min的进料速率导入到锥形管中。将空气吹向锥形管中的碳纤维以部分地打开纤维束，并将碳纤维喷撒在设置于锥形管出口的下部处的台子上。将冷冻粉碎成平均粒径约为1mm的PC树脂(PANLITE(注册商标)L-1225L,由Tei jin Chemicals Ltd.生产)作为基质纤维，以3，OOOg/min的速率供应到锥形管，并与碳纤维同时进行喷撒。由此获得厚度约为10_，其中混合有平均纤维长度为30mm的碳纤维和PC的无序毡。观察无序毡中增强纤维的形式。结果，增强纤维的纤维轴几乎平行于平面，并且增强纤维在平面内随机散布。检查获得的无序毡的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为30mm，由式(3)所定义的临界单纤维数为120，毡中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为80%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为1，000。使用加热至300°C的压力机，将无序毡在
2.0MPa压力下加热5分钟，以获得厚度为3_的成形板。
[0168]获得的成形板的纤维体积含量约为20vol%。
[0169]参比例3
[0170]将玻璃纤维(EX-2500 (平均纤维直径:15μπι，纤维宽度:9mm)，由Asahi GlassC0., Ltd.生产)切割成50mm的长度，并以1，200g/min的进料速率导入到锥形管中。将空气吹向锥形管中的碳纤维以部分地打开纤维束，并将碳纤维喷撒在设置于锥形管出口的下部处的台子上。将干法切割成2mm的PA66纤维(T5尼龙，1400dtex,由Asahi Kasei FibersCorporation生产)作为基质纤维，以1，300g/min的速率供应到锥形管,并与碳纤维同时进行喷撒。由此获得厚度约为6mm,其中混合有平均纤维长度为50mm的碳纤维和PA66的无序毡。观察无序毡中增强纤维的形式。结果，增强纤维的纤维轴几乎平行于平面，并且增强纤维在平面内随机散布。检查获得的无序毡的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为50_，由式(3)所定义的临界单纤维数为40，毡中增强纤维束(A)与 纤维总量的比率为60%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为60。使用加热至280°C的压力机，将无序毡在2.0MPa压力下加热5分钟，以获得厚度为1.6mm的成形板。
[0171]获得的成形板的纤维体积含量约为30vol%。
[0172]参比例4
[0173]将碳纤维(TENAX (注册商标)碳纤维STS40-24KS (纤维直径:7 μ m，抗张强度:4，000MPa)，由Toho Tenax C0.，Ltd.生产)在打开的同时切割成20mm的长度，并以300g/min的进料速率导入到锥形管中。将不向锥形管中的碳纤维吹入空气，将碳纤维喷撒在设置于锥形管出口的下部处的台子上。将干法切割成2mm的PA66纤维(T5尼龙，1400dtex,由Asahi Kasei Fibers Corporation生产)作为基质纤维，以500g/min的速率供应到维形管，并与碳纤维同时进行喷撒。由此获得厚度约为1_，其中混合有平均纤维长度为20_的碳纤维和PA66的无序毡。检查获得的无序毡的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为20_，由式(3)所定义的临界单纤维数为86，毡中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为100%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为 24，000。
[0174]使用加热至280°C的压力机，将无序毡在2.0MPa压力下加热5分钟，以获得厚度为0.8mm的成形板。
[0175]获得的成形板的纤维体积含量约为30vol%。
[0176]实施例1
[0177]将在参比例I中制备并在IR烤箱中加热至280°C的7块成形板层堆，并将得到的层堆体布置在具有图1中示出的形状并设定到120°C的模具的水平部上，使得装料率为90%，并在15MPa压力下进行压力模制。通过截面观察(10倍放大)可以证实，获得的成形制品是其中树脂和纤维一直填充到直立部末端的成形制品。测量成形制品的水平部和直立部的拉伸模量。结果，通过用在彼此垂直的两个方向上测量的拉伸模量值中的较大值除以较小值而获得的比率(Εδ )为1.05，并且可以证实各向同性得以维持。此外，对直立部的根部进行截面观察(10倍放大)。结果如图5中所示，可以证实存在增强纤维在平面内各向同性且二维取向的层(X)，增强纤维在水平部和直立部中连续取向的层(Y)，以及增强纤维在平面内非二维取向并且在水平部和直立部中不连续取向的层(Z)。检查获得的成形制品的水平部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为20mm，由式(I)所定义的临界单纤维数为86，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为35%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为240。同样地，检查直立部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，由式(I)所定义的临界单纤维数为86，平均纤维长度(La)为19mm，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为40%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为230。
[0178]实施例2
[0179]将在参比例2中制备并在IR烤箱中加热至300°C的2块成形板层堆，并将得到的层堆体布置在具有图1中示出的形状并设定到150°C的模具的水平部上，使得装料率为85%，并在15MPa压力下进行压力模制`。通过截面观察(10倍放大)可以证实，获得的成形制品是其中树脂和纤维一直填充到直立部末端的成形制品。测量成形制品的水平部和直立部的拉伸模量。结果，通过用在彼此垂直的两个方向上测量的拉伸模量值中的较大值除以较小值而获得的比率(Εδ )为1.07，并且可以证实各向同性得以维持。此外，对直立部的根部进行截面观察(10倍放大)。结果与实施例1类似，可以证实存在增强纤维在平面内各向同性且二维取向的层(X)，增强纤维在水平部和直立部中连续取向的层(Y)，以及增强纤维在平面内非二维取向并且在水平部和直立部中不连续取向的层(Z )。检查获得的成形制品的水平部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为29mm，由式(I)所定义的临界单纤维数为120，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为80%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为1，000。同样地，检查直立部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，由式(I)所定义的临界单纤维数为86，平均纤维长度(La)为28mm，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为80%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为950。
[0180]实施例3
[0181]将在参比例3中制备并在IR烤箱中加热至280°C的成形板，布置在具有图2中示出的形状并设定到120°C的模具的水平部上，使得装料率为99%，并在15MPa压力下进行压力模制。通过截面观察(10倍放大)可以证实，获得的成形制品是其中树脂和纤维一直填充到凸台、肋、框架部等的末端的成形制品。测量成形制品的水平部的拉伸模量。结果，通过用在彼此垂直的两个方向上测量的拉伸模量值中的较大值除以较小值而获得的比率为
1.05，并且可以证实各向同性得以维持。测量成形制品的框架部的拉伸模量。结果，通过用在彼此垂直的两个方向上测量的拉伸模量值中的较大值除以较小值而获得的比率(E δ )为1.07，并且可以证实各向同性得以维持。此外，在框架部分的直立部中进行截面观察(10倍放大)。结果与实施例1类似，可以证实存在增强纤维在平面内各向同性且二维取向的层(X)，增强纤维在水平部和直立部中连续取向的层(Y)，以及增强纤维在平面内非二维取向并且在水平部和直立部中不连续取向的层(Ζ)。检查获得的成形制品的水平部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为50mm,由式(I)所定义的临界单纤维数为40，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为60%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为60。同样地，检查框架部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，由式(I)所定义的临界单纤维数为40，平均纤维长度(La)为48mm，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为58%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为60。
[0182]比较例I
[0183]以与实施例1中相同的方式进行模制，区别在于使用在参比例4中制备的成形板。获得的成形制品是其中可以目测证实直立部中存在纤维流化的成形制品，并测量直立部的拉伸模量。结果，通过用在彼此垂直的两个方向上测量的拉伸模量值中的较大值除以较小值而获得的比率(Εδ )为2.1，并且可以证实各向同性受损。此外，在直立部的根部中进行截面观察(10倍放大)。结果，增强纤维在平面内各向同性且二维取向的层(X)和增强纤维在平面内非二维取向并且在水平部和直立部中不连续取向的层(Z)不存在，而只存在增强纤维在水平部和直立部中连续取向的层(Y)。检查获得的成形制品的水平部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，平均纤维长度(La)为20mm，由式(I)所定义的临界单纤维数为86，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为100%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为24，000。同样地，检查直立部的平均纤维长度(La)、增强纤维束(A)的比率以及纤维平均数量(N)。结果，由式(I)所定义的临界单纤维数为86，平均纤维长度(La)为20mm ，成形制品中增强纤维束(A)与纤维总量的比率为100%，并且增强纤维束(A)中纤维的平均数量(N)为24，000。
[0184]工业实用性
[0185]本发明的成形制品可用于广阔范围，例如电气和电子设备的外壳、汽车部件、医疗设备部件、飞机部件、建材和通用工业部件，并且特别优选地用于电气和电子设备的外壳中。
【权利要求】
1.一种成形制品，该成形制品包含强化复合材料，所述强化复合材料包括包含在热塑性树脂中的不连续增强纤维， 其中，所述成形制品中包含的增强纤维包括增强纤维束(A)，该增强纤维束(A)由式(1)所定义的临界单纤维数以上的所述增强纤维构成，所述成形制品中的所述增强纤维束(A)与所述增强纤维总量的比率为20vol%以上并小于90vol%，并且所述增强纤维束(A)中所述增强纤维的平均数量(N)满足式(2): 临界单纤维数=600/D (1)
0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (2) 其中，D是所述增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
2.根据权利要求1所述的成形制品， 其中，所述成形制品中包含的所述增强纤维的平均纤维长度为5至100mm。
3.根据权利要求1所述的成形制品，包含: 水平部；以及 直立部，该直立部在相对于所述水平部的纵向方向上延伸。
4.根据权利要求3所述的成形制品， 其中，所述水平部是外壳或板形构件的顶棚或底壁。
5.根据权利要求1所述的成形制品， 其中，所述直立部是选自外壳或板形构件的侧壁、肋、凸台、支架和铰链的至少一种构件。
6.根据权利要求3所述的成形制品， 其中，所述水平部和所述直立部各自具有层(X)，在该层(X)中，所述增强纤维在平面中各向同性并且二维取向。
7.根据权利要求3所述的成形制品， 其中，所述水平部与所述直立部之间的接合部具有至少两种选自下列的层:层(X)，其中所述增强纤维在平面中各向同性并且二维取向；层(￥)，其中所述增强纤维在所述水平部和所述直立部中连续取向；以及层(Z)，其中所述增强纤维在平面中不是二维取向的，并且在所述水平部和所述直立部中不是连续取向的。
8.根据权利要求3所述的成形制品， 其中，在所述水平部的同一平面侧处存在多个所述直立部。
9.根据权利要求8所述的成形制品， 其中，所述层(X)连续存在于所述水平部中面向所述直立部的平面上，在所述层(X)中，增强纤维在平面中各向同性并且二维取向。
10.根据权利要求3所述的成形制品，在所述水平部和/或所述直立部中还包含一包括单向材料的层，在所述单向材料中，连续的纤维沿着一个方向布置在所述热塑性树脂中。
11.根据权利要求1所述的成形制品， 其中，所述增强纤维是选自碳纤维、芳纶纤维、聚酯纤维和玻璃纤维的至少一种。
12.根据权利要求1所述的成形制品用作电气和电子设备的外壳的用途。
13.—种生产根据权利要求1所述的成形制品的方法，该方法包括通过对无序毡进行压力模制来获得所述成形制品，其中，所述无序毡包含纤维长度为5至IOOmm的增强纤维和热塑性树脂，所述增强纤维的单位面积纤维重量为25至3，000g/m2，并且所述毡中的包含由下式(3)所定义的临界单纤维数以上的所述增强纤维的增强纤维束(A)与所述增强纤维的总量的比率为20vol%以上并小于90vol%，并且所述增强纤维束(A)中所述增强纤维的平均数量(N)满足下式(4):临界单纤维数=600/D (I) ` 0.7X104/D2〈N〈1X105/D2 (2) 其中，D是所述增强纤维的平均纤维直径(μ m)。
14.根据权利要求13所述的生产成形制品的方法，还包括: 将加热的所述无序毡布置在模具中，使得由式(3)表示的装料率为25至100%;以及 对所述无序毡进行压力模制: 装料率=IOOX基材面积(mm2)/模具空腔投影面积(mm2) (3) 其中，所述模具空腔投影面积是`指`在拔模方向上的投影面积。
【文档编号】B29C43/34GK103502326SQ201180070483
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2011年8月31日 优先权日:2011年2月28日
【发明者】八木穣, 杉山亨, 近藤豊, 谷口路治, 小永井祐平, 古川一光 申请人:帝人株式会社