基于钢和聚氨酯的纤维复合材料部件的制备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于钢和聚氨酯的纤维复合材料部件的制备。
[0002] 本文中所述的纤维复合材料部件指的是机器、陆地车辆、飞机、航天器或者船舶、 设备、装置或者仪器的部件，其由相互不可拆开连接的不同材料构成，其中至少一种材料作 为纤维存在，并且至少一种材料作为基体包围纤维。所述纤维复合材料部件在此的形状基 本上由其预定的用途而确定。这意味着纤维复合材料部件实际上可以即装或即用的，并且 (除了较小的修整之外）在安装或使用之前不必经历其它明显的形状改变。
[0003] 本发明所述的纤维复合材料部件包括材料：钢、聚氨酯以及纤维材料。
[0004] 所谓钢指的是其中铁的质量含量大于任何其它所含元素的质量含量的一类铁材 料。其中碳含量为2重量％以下。
[0005] 所谓聚氨酯指的是通过二异氰酸酯与多元醇的反应获得的一类聚合物。经常将其 简称为PU或PUR。
【背景技术】
[0006] 与均质材料制成的部件相比，纤维复合材料部件的生产具有以下特性：即均质材 料通常在生产部件之前就已存在；而纤维复合材料只有在生产真正的纤维复合部件的时候 才会形成。因此纤维复合材料部件的生产始终与相应纤维复合材料的生产直接相关。
[0007] 在"构造"纤维复合材料的时候，始终也要注意以此构成的纤维复合材料部件随后 的负荷，从而按预期通过基体将载荷传导入到纤维之中并且由纤维传递载荷。
[0008] 因此与由均质材料生产部件时相比，生产纤维复合材料部件时的材料科学问题更 加显著得多。
[0009] 当纤维复合材料部件要由更可能是异质材料构成的时候尤其如此，例如当无机碳 纤维应包埋入有机聚合物基体之中并且其还应当额外被金属覆盖层包围的时候。
[0010] 此类纤维复合材料部件有望结合相应单一材料的优点，从而总体上在最低重量下 获得机械强度最高，隔热、减振和耐腐蚀性良好的部件。
[0011] 但是此类部件的生产在技术上要求特别高，因为必须将有机和无机化学、金属加 工和部件的结构性应用的特定的专业知识相结合。
[0012] 尤其要注意聚合物的工业生产刚好在经营组织方面明显有别于金属生产和加工。 因此只有开发一种不仅能适应化工生产、而且也能适应金属加工的操作流程的方法，才能 在工业实践中成功生产基于钢和聚氨酯的纤维复合材料部件。
[0013] 当然现有技术中已有金属有机纤维复合材料部件的很多例子：
[0014] 例如，DE10158491A1公开了一种金属-聚氨酯层压体，所述层压体由两层电镀镀 锌钢板构成，将一层可具有填充和增强材料的聚氨酯布置在所述钢板之间。使得聚氨酯 在所述两个金属板之间固化，从而产生具有高机械强度的板状复合材料部件。这种制备 方法的缺点在于，其始终导致平坦的层压体，其可用性由于其扁平的形状而受到限制。虽 然描述了将层压体弯曲90°并且重新往回弯的剥离试验。但是该成型过程必须伴随提 高的用力，因为聚氨酯在此刻已经热固性固化，由此复合材料部件已经达到其最大强度。 DE10158491A1中没有报道任何关于成型后的层压体是否尺寸稳定并且不会重新变回其原 来的扁平形状的内容。该方法另外也有异氰酸酯/多元醇组分快速反应生成聚氨酯的缺 点，由此必须抓紧时间生产所述复合材料部件。这里涉及的也不是纤维复合材料部件，而是 由金属板和聚合物构成的夹芯体。
[0015] DE19914420A1公开了一种类似结构的钢/PU复合材料部件。但是金属的层厚为 相当大的2~20_，以致于这里涉及不可以如薄的金属板（厚度< 3mm)那样卷绕的厚板。 因此不可使用例如汽车制造行业所用的传统金属板压机加工此类层压体。鉴于这个原因， 其预定用途更确切地说是船舶制造或者桥梁建造。
[0016] 同样对于船舶制造确定的是由W098/21029A1已知的复合材料结构。该结构包括 两个彼此相隔一定距离的外侧钢板，所述钢板形成填充了弹性体聚氨酯的空腔。弹性体消 减金属结构中的振动。但是这里并不涉及纤维复合材料部件。同样地，只有在完成钢结构 之后，才将弹性体引入空腔之中。
[0017] W02009/009207A2公开了一种生产基于金属和热塑性聚氨酯的纤维复合材料部件 的方法。为此，将已经含有纤维的热塑性聚氨酯原料熔融，并且在热作用下将其在金属板之 间压制成形。该方法的优点是纤维复合材料部件也能采用并非扁平的形状，并且所需的操 作步骤少。缺点是纤维作为短纤维形式已经存在于聚氨酯原料中，因此不可能使纤维以随 后的力线通量方向按目标定向。所生产的更确切地说是具有无序的纤维定向的纤维复合材 料部件。
[0018] DE102012106206A1公开的夹芯板覆盖明显较大的应用范围。该夹芯板包括两个金 属面板，将含纤维的聚氨酯构成的芯层布置在金属面板之间。该夹芯板的塑性成型能力良 好，甚至可以深拉成为三维车身部件。在此缺点是反应性聚氨酯混合物的配方含水，使得在 加工过程中水蒸气必须从层压体中逸出。如果在此不能成功地完全排出水，恐怕钢板内部 会发生腐蚀。除此之外，所述的聚氨酯组合物还有高反应活性，使得必须在窄的时间窗口内 进行成形。总的来看，根据DE102012106206A1所述的方法是否能以技术和经济的方式生产 钢/PU复合材料部件看起来是有疑问的。
[0019] DE102009001806A1解决高活性聚氨酯混合物加工时间窗口狭窄问题的方式是，通 过采用储存稳定、已初步交联、可以热塑性成型并且在成形之后可以热固性最终交联的预 浸料。所述预浸料（其涂覆了基体材料的纤维机织物或无卷曲织物（gelege))的特殊优点 在于其储存稳定性。这意味着，其可以在初步交联的热塑性状态下以充分长的时间进行存 放和运输。这意味着可以在第一个操作场所生产预浸料，并且可以在另一个离得远的地点 将预浸料成型为成型制品以及其最终交联成为纤维复合材料部件。这就在纤维复合材料 部件的生产组织方面开辟了新的自由度，尤其也开辟了跨越多个操作场所的职能定向的分 工。但是这种储存稳定性预浸料也有缺点，即其仅适合与钢有限程度地层压。尤其它无法 实现足以使得如此制成的层压体能够无损成型的钢/聚合物结合，如随后实施例〇还显示 的那样。
[0020] 尽管如此，迄今为止没有描述一种能够在工业实践中由钢和聚氨酯以经济方式生 产纤维复合材料部件的方法。
【发明内容】
[0021] 本发明的任务在于提供一种这样的方法。
[0022] 通过包括步骤a)至h)的方法解决了这一任务：
[0023] a)提供至少两个钢板；
[0024] b)提供至少一种纺织面料；
[0025] c)提供无水混合物，所述混合物含有
[0026] ?至少一种固化剂，所述固化剂是其NCO官能度至少为2的脲二酮，
[0027] ?至少一种粘结剂，所述粘结剂具有羟基并且其OH官能度为3~6，
[0028] ?以及至少一种具有环氧烷基的助粘结剂；
[0029] d)用所述混合物涂覆纺织面料；
[0030] e)对涂覆有所述混合物的面料施加能量以进行第一次交联反应，在此过程中使得 固化剂、粘结剂和助粘结剂反应生成附着在纺织面料上的热塑性聚合物；
[0031] f)在热作用下将钢板和纺织面料与附着在所述纺织面料上面的热塑性聚合物一 起压制成夹芯体，使得热塑性聚合物在包封纺织面料的同时将钢板相互接合在一起；
[0032] g)将夹芯体成型为成型制品；
[0033] h)对成型制品进行热处理获得纤维复合材料部件，其中热塑性聚合物在第二次交 联反应过程中转变为热固性聚合物。
[0034] 本发明提供这种生产纤维复合材料部件的方法。
[0035] 本发明所述方法的基本构思在于使用一种与制备方法相适应的特殊聚氨酯组合 物，所述聚氨酯组合物可在第一次交联反应过程中转变为热塑性聚合物，随后在第二次交 联反应过程中最终交联成为热固性基体材料。所述热塑性聚合物在此具有在热作用下可比 较容易成型并且在此可良好保证附着在钢板上的优点。由此可以将扁平层压体成型而获得 三维成形件，而金属板不会与聚合物脱离。按照本发明所述，只有在赋形的成型步骤之后， 才进行最终交联成热固性聚合物，从而只有当部件已经具有其最终使用形状的时候，才会 产生部件的高的最终强度。这大大减小成型力以及成型时脱层的危险。
[0036] 本发明的特征因此在于紧密协调所用的化学品与机械加工步骤，以便利用塑料加 工和钢加工中的协同作用。
[0037] 本发明取得成功的关键是选择正确的聚氨酯组合物，其允许分两步交联并且同时 能在钢上实现高附着力。权利要求1中记载了一种合适的混合物，并且在从属权利要求中 将其进一步具体化。
[0038] 所给出的混合物还有能形成具有储存稳定性且不会迅速继续反应的热塑性聚氨 酯的特别的优点。因此可以在下个步骤中进行成型之前存放或者运输经部分交联的夹芯 体。以这种方式可以将制备方法分派给不同的操作场所，由此甚至可以超越公司界限运行 该方法。这是一项很大的组织方面的优点。
[0039] 所给出的混合物也有无水并且由此在生产过程中不会产生干扰性水的工艺技术 优点。不含水也对随后的纤维复合材料部件有好处，因为其不可能有水残留，所述水残留可 能会从内部使得金属板生