由不同聚合物材料组成的结构构件的制作方法

背景技术：

1、本发明总体上涉及连接在一起以形成结构构件的聚合物，并且更具体地涉及一种连接不同聚合物的方法以及通过连接不同聚合物形成的结构构件。

2、众所周知，可以使用多种技术连接聚合物。用于连接聚合物的常用方法可以分为三个主要类别：机械紧固、黏合剂和溶剂黏合、以及焊接。被连接的组件的构成可以限制可用于连接的方法。

3、使用具有不连续表面的轻质芯作为结构构件的基础存在许多挑战。由轻质芯和表皮材料制成的结构构件，诸如夹层板，在本质上是协同的，因为组合结构提供了超过每个单独组件的机械益处。实现其协同性能的关键在于在力可以从一个组件传递到另一个组件的界面处的强且可靠的附接。建立和确保界面被适当地附接可能是困难的并且是关键的，因为仅小百分比的材料实际接触以形成界面。此外，轻质芯材料的不连续表面存在粘附挑战。芯表面受到外部污染，甚至受到来自自身的污染，因为表面孔在处理和储存期间破裂并产生灰尘。

4、在由在每一侧面上由增强的热塑性表皮覆盖的低密度热塑性芯组成的夹层板结构构件的实例中，该热塑性表皮可以通过诸如熔融(焊接)或黏合剂黏合的方法而附接至该芯上。在旨在熔融在一起的结构中，芯和表皮材料典型地必须是相同或基本上相似的热塑性材料以确保相容性并且产生强的界面。例如，聚丙烯蜂窝芯与基于聚丙烯的表皮材料相匹配。在另一实例中，聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)泡沫芯可以与基于pet的表皮材料配对，如在https://www.avient.com/products/advanced-composites/continuous-fiber-compo site-panels/hammerhead-marine-composite-panels中找到的站点中所披露的。将这两种类似的热塑性塑料熔融在一起提供了在界面处的高强度黏合。强界面是两种相容的热塑性塑料在熔融状态下的分子缠结的结果。虽然使用相同的热塑性材料可以产生最强的可能界面，但是加工也是有挑战性的。由于两种材料具有基本相同的熔点，因此在加工期间，随着施加压力，芯可能容易过热并失去其结构一致性。如果板受热不足，则表皮和芯在界面处无法完全熔融，导致缺乏足够的分子缠结以及弱的黏合，经历表皮从芯的分层。最终结果是加工窗口非常窄，其中，板被加热到足以固结，但不会太多以致于在压力下失去其结构。使用此类型的板或其他结构构件的任何后处理诸如热成形的加工温度窗口类似地窄。尽管存在这些显著的加工挑战，但大多数商业供应商目前仍将芯和表皮材料相匹配，因为这提供最好的界面可靠性和粘附性保证。这些材料和该方法的显著挑战仍然存在。

5、由其他商业制造商使用的另一种方法是使用黏合剂来将表皮黏合至芯，这使得能够在表皮和芯中使用不同的材料。然而，黏合剂在结构中增加了额外的层，导致重量和成本增加，并且加工复杂性增加。黏合剂层的施加在制造期间可能需要特殊设备和的额外的处理步骤。黏合剂层产生额外的界面，该界面可能过早地使结构分离和失效。此外，由于低的表面能，许多热塑性材料可能难以粘附地黏合。为了实现可靠的黏合，昂贵的、复杂的和潜在危险的表面制备程序或底漆可能是必要的。黏合剂黏合还可能由于污染或不充分的固化条件而受损。即使可以实现可靠的黏合，黏合剂层也使得热成型和其他后处理更加困难。黏合剂在加热时不允许表皮-芯界面滑动，这显著限制了结构在没有翘曲的情况下热成型的能力。还可能的是，来自后处理的热量可能使黏合剂降解，从而导致差的粘附和分层。

6、在另一加工方法中，使用具有比表皮更高的熔点的芯允许在使用层压或熔融表皮以附接至该芯上时更可靠的加工。表皮熔融并且加压的同时，芯保持固体并且在尺寸上稳定。随着表皮在压力下固化，在芯和表皮已经接合的界面处产生机械黏合。虽然在界面处没有化学键合或吸引，但是这种机械黏合可以提供一定程度的粘附。然而，这种类型的界面是不可靠的并且因此很少用于商业产品中。为了增加芯与熔融表皮之间的机械相互作用，可以使用高压。然而，由于芯的易碎、易脆的性质，这引入了在加工期间压碎芯的风险，因此削弱了整体结构。可以采用额外的热塑性材料或在表皮-芯界面处富含树脂的表面以产生与芯材料的额外机械相互作用。然而，这增加了制造复杂性并且增加了材料成本和重量，同时在分子水平上在芯与表皮之间不提供化学相容性改进。

7、在涂层中使用与交联剂组合的酸改性的聚合物水性分散体来改进装饰性和保护性pet膜的粘附在现有技术中是已知的，诸如美国专利申请号2016/0046104和美国专利号9,636,893。在装饰性或保护性pet膜附接至基底的这些实例中，该涂覆的膜与该基底处于基本上完全的、连续的接触。在这些理想条件下，2016/0046104中报告了良好的粘附结果，剥离粘附强度小于30磅/线性英寸，并且通常不大于约12磅/线性英寸。在美国专利号9,636,893中，通过astm d3359交叉划线胶带粘附试验定量粘附。在这两个参考文献中，没有测量或建议结构改进。

8、美国专利申请2009/0143524已经证明交联涂层可用于改善某些热塑性树脂内的纤维增强体的相容性。这种涂层可以提供机械性能改善，然而，在这种情况下，聚合物与涂覆的纤维完全、连续接触。

9、尽管明确的市场需要改进由不同材料构成的结构构件的机械性能以避免与相同材料结构相关联的固有加工挑战，但现有技术尚未产生针对现有技术中熟知的问题的足够的解决方案。

10、尚未探索或报告使用交联纳米层来改进界面。涉及类似化学物质的现有技术的所有已知实例涉及其中不同材料在界面处100％接触的应用，并且该现有技术不类似于结构应用，尤其是其中界面不连续接触的应用。

技术实现思路

1、本文公开了一种被配置成用于承载载荷的复合结构构件。该构件包括具有至少第一和第二相反的表面的聚合物芯。热塑性聚合物表皮附接至至少第一芯表面，并且所述表皮的化学组成与所述芯不同。交联纳米层，该交联纳米层至少包括反应性组分和热塑性功能组分，被插设在所述表皮与所述芯之间。所述反应性组分共价键合至至少第一芯表面和所述热塑性功能组分。所述热塑性功能组分与所述表皮分子缠结。

2、在一些实施方式中，在所述芯的至少一部分中形成空隙，诸如通过所述芯至少部分地是一种泡沫或所述芯是一种蜂窝结构。在一些实施方式中，所述第一芯表面是连续的。在一些实施方式中，所述第一芯表面是不连续的。

3、所述表皮可以是热塑性聚烯烃。所述表皮可以用热塑性结构或非热塑性结构来增强。所述表皮可以是多层的。

4、所述反应性组分可以选自环氧、异氰酸酯、碳二亚胺、三聚氰胺、和噁唑啉功能聚合物中的一种。所述反应性组分可以是在水性分散体中的噁唑啉功能丙烯酸类聚合物。

5、所述热塑性功能组分可以是羧酸官能化的短链聚烯烃聚合物、共聚物、或低聚物。所述热塑性功能组分可以是氧化的短链聚烯烃聚合物、共聚物或低聚物。

6、所述结构构件可以是夹层板，该夹层板可以具有至少部分地包围的至少一个边缘、杆或i形梁(工形梁，i-beam)等。

7、本文公开了一种制造用于承载载荷的结构构件的方法。所述方法包括将包括至少反应性组分和热塑性功能组分的交联纳米层涂层施加至聚合物芯的至少一个表面上。所述方法进一步包括将所述反应性组分共价键合至所述芯的至少一个表面上以及所述热塑性功能组分上。在一些实施方式中，所述方法进一步包括将在化学组成上与所述芯不相似的热塑性聚合物表皮与所述交联纳米层涂层接触。在一些实施方式中，所述方法进一步包括将所述表皮加热到至少约表皮熔融温度，由此所述热塑性功能组分与所述表皮的分子缠结。

8、一些实施方式包括以下步骤：在朝向所述芯的方向上对所述表皮施加压力以增强所述表皮与所述芯的至少一个表面之间的接触。一些实施方式包括将至少所述表皮冷却至低于所述表皮的熔融温度的步骤。在一些实施方式中，存在在二次处理中重新成形所述结构构件的步骤。

9、本文公开了一种具有第一和第二相反的表面的聚合物芯。至少第一芯表面涂覆有交联纳米层，该交联纳米层包括反应性组分和热塑性功能组分。所述反应性组分共价键合至所述第一芯表面和所述热塑性功能组分。所述热塑性功能组分配置成用于与热塑性聚合物表皮分子缠结，所述热塑性聚合物表皮在化学组成上与所述芯不同并且被放置成与所述第一芯表面接触。在一些实施方式中，空隙形成在所述芯的至少一部分中。

10、本文公开了一种结构构件，该结构构件由轻质芯、一个或多个表皮、以及插设在所述芯与每个表皮之间的交联纳米层组成，该交联纳米层导致所述结构构件的显著的机械改进。所述芯可以包括通过包括的空隙诸如开孔或闭孔泡沫(closed cell foam)、蜂窝或波纹结构而降低密度的刚性聚合物。所述芯优选地由可以具有比所述聚合物表皮的材料低的密度的材料制成。所述芯在与所述表皮的界面处可以是不连续的，使得与所述界面的总面积相比，在平面或其他形状的接触中仅小百分比的芯的材料实际上与每个表皮接触。所述表皮是附接至所述芯的外层。与所述芯材料不同，所述表皮材料是基于热塑性的，并且可以是包括增强体的复合材料。所述交联纳米层共价键合至所述芯材料的不连续表面并且提供与所述表皮材料的分子相容性。

11、所述芯的材料是聚合物的并且可以是热塑性或热固性的，并且可以具有比制成所述表皮的材料更高的软化或熔融温度。所述芯材料可以来自包括以下的组：聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚砜、聚芳醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚氨酯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯丙烯腈、或其他。所述芯可以具有低密度，因为所包含的空隙诸如孔(室)赋予所述芯的至少一部分泡沫或蜂窝结构。所述芯的表面可以是不连续的并且不与所述界面处的表皮材料完全接触。

12、所述一个或多个表皮是由聚合物制成的，该聚合物是热塑性的并且不同于所述芯的聚合物。所述热塑性表皮可以由基于聚烯烃的材料制成。所述表皮材料的软化或熔融温度可以低于所述芯材料的软化或熔融温度。所述热塑性表皮可以包括增强体，诸如玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维或其他。所述增强体可以是连续的或不连续的。所述表皮可以由可以被层压的或以其他方式固结在一起的多个层组成。整个表皮表面基本上是连续的，但可以包括一些孔或切口，作为所述结构构件设计的一部分。

13、所述交联纳米层可以在所述结构构件的制造之前被施加至所述芯的外表面。所述纳米层包括反应性组分和热塑性功能组分。所述交联纳米层共价键合至所述芯并且产生与一个或多个所述表皮的材料分子上相容的表面，如本文详细描述的。所述反应性组分共价键合至所述芯材料和所述功能组分两者上。所述反应性组分可以由环氧、异氰酸酯、碳二亚胺、三聚氰胺、或噁唑啉功能聚合物(其可以是丙烯酸类聚合物)组成。所述热塑性功能组分由改性聚合物、共聚物或低聚物组成，其化学键合至所述反应性组分并提供与所述表皮材料的分子相容性。所述热塑性功能组分是与所述表皮材料的聚合物相同的或基本上相似的聚合物。所述反应性组分和功能组分可以在溶剂或水性混合物中组合，在那里它们反应以形成稳定的分散体。所述交联纳米层可以通过喷涂、浸渍、辊压、或其他涂覆方法施加至所述芯的一个或多个表面。在施加之后，允许该分散体在环境温度或高温下干燥，留下所述交联纳米层保留在所述表面上。

14、本公开中所描述的结构构件的制造可包括芯、一个或多个表皮和交联纳米层。所述交联纳米层包括反应并且共价键合在一起的反应性组分和热塑性功能组分。所述交联纳米层可以首先被施加至所述芯的外表面，所述交联纳米层将在所述芯与所述表皮的界面处，以促进改进的粘附。可以干燥所述交联纳米层以去除或减少溶剂和/或任何水。接下来，可以将所述热塑性表皮和所述芯加热到处于或高于制造所述表皮的材料的熔点且低于制造所述芯的材料的熔点的温度。在组分被加热并且表皮被放置在邻近将要安装它的芯的表面之后，压力可以被施加至熔融的表皮材料上。这可以通过合适的手段，诸如压机或层压机，来产生和增强表皮与已经施加交联纳米层的芯的表面之间的接触。压力的量应限于小于芯材料的抗压强度的值。在高温下，交联纳米层与芯材料的聚合物化学反应并形成共价键，并且交联纳米层的热塑性功能组分与熔融的热塑性表皮的分子缠结。在结构构件被冷却至低于表皮材料的熔融温度之后，纳米层的热塑性功能组分保持与表皮的聚合物分子缠结，并且纳米层变得与热塑性表皮不可区分。

15、这种类型的方法的先前考虑的缺乏可以容易地通过芯表面的潜在不连续性质和交联纳米层本身的后续不连续性来解释。现有技术集中在非结构应用以及不相似材料的界面处于连续接触的情况。在只有5％或更少的芯表面实际上在整个黏合区域与表皮接触的情况下，没有合理预期交联纳米层的应用将导致整体结构中机械性能的显著改善。与本发明相比，现有技术中提到的连续的非结构界面针对它们各自市场和使用领域的显著不同的性能要求，并且不应被认为是类似的。