NO323688B1 - En herdet kompositt omfattende ikke-strukturgivende termoplastiske fibere og fremgagnsmate for produksjon av kompositter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en kompositt og en fremgangsmåte for produksjon av kompositter.

Komposittmaterialer omfatter generelt en oppstilling av forsterkende fibere i en harpiksmatrise. Industrisegmenter som i dag anvender komposittstrukturer, for eksempel luftfartsindustrien, anvender hovedsaklig konvensjonelle ensrettede og stoffbaserte prepreger. Slike prepreger dannes ved å produsere en ensrettet glassfiberbunt av forsterkende fibere, trekke fibrene gjennom et bad av smeltet harpiksmateriale og deretter tørke harpiksen. Prepregen blir deretter gitt en ønsket form, lastet inn i en støpeform som stenges og varmes opp for å herde harpiksen.

Over de siste fem til syv årene har det vokst frem en alternativ teknologi for å produsere komposittdeler, som generelt betegnes flytende kompositt støping. I flytende komposittstøping lastes et tørt fibrøst forsterkningsmateriale inn i en støpeform eller et verktøy, og harpiksen injiseres eller fylles inn i fibrene og herdes.

Forsterkningsmaterialet betegnes et "fiberemne", en betegnelse som er velkjent-for fagmannen og refererer til en enhet av tørre fibere som utgjør den forsterkende komponenten i en kompositt i en form som er egnet for anvendelse i en flytende komposittstøpingsprosess. Et fiberemne er typisk en enhet av forskjellige tekstilformer, så som stoff, flettverk eller matter som er skreddersydd eller formet etter behov, og klargjøres i en egen operasjon før den plasseres inn i eller på støpeverktøyet.

Teknikker for flytende komposittstøping, så som RTM (resin-transfer-moulding), SCRIMP (composite resin injection moulding or vacuum infusion) - metodene, ansees av mange som løsningen på problemet med å produsere komposittdeler i en rekke vanskelige situasjoner, så som store primærstrukturer for luftfartsapplikasjoner og store strukturgivende komponenter for selvbevegende kjøretøy. Fordelene som teknikker for flytende komposittstøping ansees å tilveiebringe fremfor konvensjonelle prepreger er mindre etterlatenskaper, kortere produksjonstid (eng. lay-up time), uavhengighet av produksjonsprosessen og bedre holdbarhet.

Flytende komposittstøping har imidlertid sine egne problemer, spesielt når den endelige anvendelsen krever høy seighet (eng. toughness) og der kontrollen over herdesyklustiden er kritisk.

Strukturgivende deler må for de fleste anvendelser utvise en høy grad av seighet, noe som spesielt gjelder for primærkomponenter for luftfartsindustrien. Løsningen for å oppnå høy seighet for en luftfartskvaiitet kompositt har tradisjonelt vært å seiggjøre matrisen - vanligvis ved å introdusere et hjelpestoff i en andre fase, så som en termoplastisk polymer, til grunnmatrisen av epoksyharpiks.

Forskjellige f remgangsmåter har vært anvendt for å tilføre et termoplastisk materiale i harpiksen. Det termoplastiske materialet kan blandes med den ikke-reagerende termoherdede harpiksen ved opphøyet temperatur for å skape en ureagert smeltemasse i én fase. En begrensning ved denne fremgangsmåten er den mengden av termoplast som kan tilføres for å øke seigheten. Det anvendes termoplast med høy molekylvekt, men når denne løses opp i harpiksen, så øker blandingens viskositet betydelig. Prosessen med å injisere harpiksen inn i de forsterkende fibrene krever imidlertid at harpiksens reologiske egenskaper, viskositet og elastisitet, er slik at harpiksen infiltreres gjennom hele stoff-fiberemnet. Dette er essensielt dersom den resulterende komposittstrukturen skal være fri for hulrom og en ønsker å unngå lange injeksjonstider og høye injeksjonstemperaturer. Konvensjonelle seiggjorte epoksyer er ekstremt viskøse systemer, hvilket betyr at det er nødvendig med høye trykk og omfattende verktøy og at det er nødvendig å varme opp harpiksen og vanskelig å avpasse herdetiden og injeksjonsfyllsyklusene.

Termoplast kan også tilføres i form av en kontinuerlig fast film som plasseres mellom to lag av fiber. I slike prosesser betegnes laget av termoplast generelt som det innskutte laget. En prosess av denne typen er beskrevet i den europeiske patentsøknaden 0327142, som beskriver en kompositt som omfatter et fast kontinuerlig lag av et termoplastisk materiale som er plassert mellom to lag av fiber som er impregnert med termoherdende harpiks. Under oppvarming forblir de termoherdende lagene og de innskutte lagene som separate lag.

Et problem med denne fremgangsmåten med innskutt lag er at den faste termoplastiske filmen ikke løser seg opp i harpiksen under

varmeprosesseringstrinnet. Som følge av dette, selv om den endelige kompositten kan utvise den ønskede økningen av seighet, finnes det en svak grenseflate mellom harpiks og termoplastisk materiale. Den svake grenseflaten mellom det

innskutte laget og matrisen kan forårsake dårlig oppsprekkingsstyrke mellom lagene, spesielt ved eksponering for et fuktig miljø.

Termoplastisk materiale kan også tilføres i pulverform. Et eksempel på denne teknikken er beskrevet i den europeiske patentsøknaden 0274899, der det termoplastiske materialet enten tilføres harpiksen før prepregen klargjøres eller strøs over prepregens overflate.

Anvendelse av pulver skaper et problem i det at det er vanskelig å sikre at det tilveiebringes en jevn fordeling av pulver i harpiksen. Det er derfor en ujevn fordeling av pulver i det termoplastiske materialet, med det resultat at kompositten vil ha områder med forskjellig seighet. Videre er ikke innlemmelse av termoplastisk materiale i pulverform i harpiksen egnet for flytende komposittstøpingsteknikker fordi harpiksens viskositet øker når partiklene tilsettes den, i henhold til Newtons teori, med de medfølgende ulempene som er beskrevet ovenfor.

Uansett om den pulverformige termoplasten tilsettes harpiksen eller prepregen, er den mengden som kan tilføres begrenset. Dette er således også den seighetsøkende effekten, og for å oppnå en rimelig økning av seigheten må det i alminnelighet anvendes kostbar strukturgivende termoplast.

Det har vært foreslått, i den japanske patentsøknaden 6-33329, å inkludere termoplast i form av fibere. Denne søknaden beskriver en forsterkende fiberblanding som omfatter 99,80 vekt% karbonfibere eller grafittfibere og 1-20 vekt% av termoplastisk harpiks. Denne fremgangsmåten er kun beskrevet som nyttig i en konvensjonell prepregteknikk.

En god kompositt er en som utviser en kombinasjon av fysiske egenskaper som er spesielt velegnet for en spesifikk anvendelse. De fysiske egenskapene til komposittproduktet bestemmes av, blant annet, de fysiske egenskapene til matrisematerialet av solidifisert harpiks og det strukturgivende materialet samt uniformiteten i fordelingen av matrisematerialet og det strukturgivende materialet i kompositten. Best resultater oppnås når matrisematerialet er i tett kontakt med alt det strukturgivende materialet.

Det er derfor ønskelig at harpiksmaterialet i matrisen har en slik konsistens (viskositet) at det dekker (fukter) alt det strukturelle materialet og, om nødvendig, fyller mellomrommene som dannes i det strukturelle materialet. Uniform fukting er spesielt vanskelig å oppnå dersom det strukturelle materialet har en kompleks struktur, for eksempel når det er et fiberemne, eller dersom forholdet mellom matrisemateriale og støtte er spesielt lavt.

Matrisematerialets viskositet affekteres av antallet av og typen hjelpestoffer. Det problemet oppstår derfor at, selv om et flytende eller gelatisert matrisemateriale som omfatter ett eller flere hjelpestoffer kan inneha passende fysiske egenskaper når det er størknet, viskositeten til det flytende eller gelatiserte matrisematerialet kan være for høy til å oppnå en jevn fordeling av dette rundt støttematerialet, spesielt dersom støtten er kompleks. Dette resulterer i et komposittprodukt som ikke innehar de forventede fysiske egenskapene.

Normalt, for å oppnå en god kombinasjon av egenskaper, vil et komposittmateriale bestå av et antall bestanddeler. For en prepreg av luftfarts-kvalitet vil det typisk være et høyt ytende, forsterkende fiberemne kombinert med en kompleks, polymer harpiksmatriseblanding. Denne matriseblandingen består normalt av en termoherdende epoksyharpiks blandet med forskjellige hjelpestoffer. Disse hjelpestoffene øker seigheten til den grunnleggende harpiksen. Slike systemer har komplekse strømningskarakteristikker, og selv om de på en enkel måte kan kombineres med fibere i en prepreg form, er deres nytteverdi for andre produksjonsteknikker begrenset. For eksempel kan et forsøk på å anvende en slik kompleks harpiks i en injeksjons- eller harpiksoverføringsprosess i et komplekst fiberemne resultere i utfiltrering av hjelpestoffene og et ikke-uniformt produkt.

Det er derfor behov for en fremgangsmåte for produksjon av kompositter som overkommer de ovennevnte problemene, spesielt for store komplekse strukturer.

EPA 0539 996 beskriver et stoff for laminering eller støping som omfatter forsterkende fibere så som karbonfibere og gam av polyeter- og/eller ketonharpiks med høy og lav molekylvekt. Ved påføring av varme smelter garnet med lav molekylvekt og strømmer inn i gapene mellom fibrene og garnet med høy molekylvekt.

Ifølge et første aspekt ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en kompositt som omfatter en første strukturgivende komponent og en andre komponent, der den første strukturgivende komponenten omfatter strukturgivende fibere og et seighetsøkende hjelpestoff som omfatter ikke-strukturgivende fibere av et første termoplastisk materiale og den andre komponenten omfatter et andre termoplastisk materiale, idet den strukturgivende komponenten er et stoff som dannes av de strukturgivende fibrene og de ikke-strukturgivende termoplastiske fibrene, idet stoffet omfatter ikke-strukturgivende termoplastiske fibere som er i fiberform i den endelige kompositten, og idet det første og det andre termoplastiske materialet er forskjellige, kjennetegnet ved at den andre komponenten er en matrisekomponent som dannes ved å injisere den strukturgivende komponenten med en flytende harpiks som omfatter det andre termoplastiske materialet.

Betegnelsen "strukturgivende fiber", som anvendt her, er ment å omfatte fibere som øker styrken til den endelige kompositten, så som glass eller karbonfibere, og som derfor har en elastisitetsmodul som er større enn 50 GPa.

Betegnelsen "ikke-strukturgivende fiber", som anvendt her, er ment å omfatte fibere som ikke er tilveiebragt for å øke styrken til den endelige kompositten, ettersom de har en elastisitetsmodul som er lavere enn 40 GPa. Kjente forsterkende fibere som er laget av materialer så som Kevlar er således ikke ikke-strukturgivende fibere innenfor terminologien som anvendes i denne søknaden.

Kompositten anvender en termoplastisk harpiks som matrise. Det termoplastiske materialet kan forventes å inneha god bestandighet mot kjemikalier og høy seighet i den endelige delen. For å oppnå en lav viskositet, noe som vil være ønskelig dersom den termoplastiske harpiksen skal være injiserbar, kan det imidlertid være nødvendig å redusere harpiksens molekylvekt. Seigheten til et termoplastisk materiale er tett knyttet til dets molekylvekt, slik at en reduksjon av molekylvekten vi! resultere i redusert seighet. Det foreslås derfor at, i tillegg til anvendelse av en termoplastisk matrise, kompositten seiggjøres ytterligere ved innlemmelse av termoplastiske fibere i fiberemnet.

Alternativt vil formen av den forsterkende komponenten gjøre det mulig å redusere seiggjøringsbehandlingen som skal gis matriseharpiksen, slik at det kan anvendes systemer med lav viskositet. Med andre ord kan, ved å effektuere seiggjøring av kompositten via fibrene, molekylvekten til den termoplastiske harpiksen gjøres lavere, slik at den kan ha en lavere viskositet. Dette gjør det mulig å impregnere store deler under rimelige trykk, med lett og billig bearbeiding og kontrollerbare sykiustider. Videre kan det inkluderes en betydelig større mengde seighetsøkende hjelpestoff uten å kompromittere noen av prosesserbarhetsaspektene ved flytende komposittstøpingsteknikker.

De termoplastiske fibrene kan produseres av et termoplastisk materiale som tilsvarer det for matrisen, men som har høyere molekylvekt for å øke seigheten. Alternativt kan fibrene produseres av et forskjellig termoplastisk materiale.

Det kan også anvendes kombinasjoner av termoplastiske fibere for å oppnå en blanding av optimale egenskaper. Komposittens egenskaper vil avhenge av matrisens mekaniske egenskaper, de ekstra termoplastiske fibrene og bindingen i grenseflatene mellom komponentene.

Med seighet menes evnen til å motstå oppsprekking, som kan manifestere seg i evnen til å dempe slag. En slik evne kan måles med dertil egnede slagtester, som vil være velkjente for fagmannen. Termoplastiske polymerer er kjent for å øke evnen til å dempe slagenergi i strukturgivende kompositter. Ved en passende dannelse av stoffet kan de spres over hele den endelige kompositten og tilveiebringe en homogen slagfasthet.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for å produsere en kompositt, omfattende de trinn å danne et stoff av strukturgivende fibere og ikke-strukturgivende fibere av et første termoplastisk materiale for å tilveiebringe en strukturgivende komponent, injisere en flytende harpiks som omfatter et andre termoplastisk materiale inn i den strukturgivende komponenten for å tilveiebringe en matrisekomponent og herde matrisekomponenten, der det første og det andre termoplastiske materialet er forskjellige og der den flytende harpiksen injiseres ved en temperatur som er slik at den endelige kompositten omfatter ikke-strukturgivende termoplastiske fibere i fiberform.

Hybridmetoden for produksjon av fiberemner for flytende komposittstøping omfatter det å integrere den mekanismen som tilveiebringer seiggjøringen i de nye tekstilfiberemnene heller enn at den er i form av et hjelpestoff i en termoherdende harpiks. Nettoresultatet er at de bedrede egenskapene oppnås uten å kompromittere systemenes bearbeid barnet. Dette gir også fordeler for produksjonen, og i tillegg til å tilveiebringe en seigere del forenkler det også produksjonsprosessen og gir mulighet for kortere produksjonstider og således bedre utnyttelse av verktøyene. Dette har den ytterligere fordelen at det potensielt kan redusere det mest kostbare elementet av et nytt komposittprogram: forhåndsinvesteringen som er nødvendig for å oppnå masseproduksjon, og gir således potensial for en mindre kostbar igangsetting av et nytt produktprogram.

Det seighetsøkende hjelpestoffet er fortrinnsvis et termoplastisk materiale hvis latente smeltevarme kan absorbere en andel av harpiksens varme, men som, når herdingen er fullført, returnerer til sin faste tilstand uten tap av seiggjøirngsevne. Alternativt kan den termoplastiske harpiksen og det termoplastiske hjelpestoffet være valgt for å muliggjøre absorpsjon av noe av herdeenergien ved smelting eller faseendring av hjelpestoffet.

Injeksjon av lavviskositets harpikser kan redusere injeksjonsfyllandelen av prosesseringssyklusen. Det er imidlertid også ønskelig å redusere den resterende syklustiden. Ved å anvende veldig varme lavviskositets harpikser kan injeksjonsfyllandelen akselereres, men risikoen er at det skapes en lang avkjølingssyklus - spesielt for tykke deler, hvilket vil kunne lede til en forringet, forvridd eller skadet ferdig del.

En veldig hurtig syklus kan affekteres uten å risikere urimelige

utkjølingstider dersom det anvendes semi-krystallinske termoplastiske fibere som seighetsøkende hjelpestoff. Varme fra avkjølingen av den termoplastiske matrisen kan anvendes for å generere krystallsmelting med fibrene. Den latente varmen fra krystallsmelting vil absorbere den overskytende energien og således akselerere avkjølingssyklusen og sikre at den skjer med uniform hastighet i hovedandelen av produktet, og med det eliminere risikoen for at det skal oppstå forvrengninger i delen. Valg av seighetsøkende fibere med passende krystallsmeltetemperaturer gjør at syklustiden kan minimeres uten risiko for skade på kompositten. De semi-krystallinske fibrene selv vil ganske enkelt reverteres til sin originale tilstand ved avkjøling, og prosessen vil ikke påvirke den endelige seigheten til delene.

Foretrukne seighetsøkende hjelpestoffer omfatter: polypropylen, nylon 6, 6, styren-butadien, butadien, polyeterimid, polyetylketon, PET, polyetersulfon.

Volumprosenten av det seighetsøkende hjelpestoffet i den endelige kompositten er fortrinnsvis større enn 2%, mer foretrukket større enn 5% og mest foretrukket større enn 10%.

Volumprosenten av det seighetsøkende hjelpestoffet i den endelige kompositten er fortrinnsvis ikke større enn 50%, mer foretrukket ikke større enn 40% og helst ikke større enn 30%. Det er spesielt foretrukket at volumprosenten av seighetsøkende hjelpestoff i den endelige kompositten ikke overstiger 25%.

Volumprosenten av strukturgivende fibere i stoffet er fortrinnsvis minst 65%. Minimumsverdien på 65% sikrer at det er nok strukturgivende fibere til å tilveiebringe den nødvendige styrken. Andelen av seighetsøkende fibere, det vil si de termoplastiske fibrene, er imidlertid høy, spesielt sammenliknet med kjente fremgangsmåter der termoplastisk materiale tilføres i partikkelform, slik at seiggjøringseffekten er forholdsmessig mye større enn den som oppnås med disse kjente fremgangsmåtene.

Smeltetemperaturen til det seighetsøkende hjelpestoffet er fortrinnsvis ikke den samme som smeltetemperaturen til harpikskomponenten. Den kan være mellom 80 og 350°, mer foretrukket mellom 100 og 250°, men det endelige valget vil avhenge av egenskapene til det underliggende matrisematerialet.

Det at kompositten kan produseres ved anvendelse av lavviskositets harpiks vil implisitt øke hastigheten med hvilken en støpeform kan fylles. Problemet med å styre harpiksens syklustider er imidlertid fortsatt til stede. En nøkkelfaktor under injeksjon av termoplastisk harpiks er imidlertid alltid å sikre at harpiksen fyller støpeformen og fukter forsterkningen fullstendig før den herder. Fylltiden og herdetiden er imidlertid relatert til hverandre, og harpiksen begynner å herde så fort den forlater injeksjonsporten, og denne prosessen fortsetter gjennom hele injeksjonssyklusen.

I en alternativ fremgangsmåte separeres injeksjons- og herdetrinnene i prosessen ved å innlemme den termoplastiske harpiksen for matrisen i fast form i fiberemnet. Harpiksen kan være i fiber- eller partikkelform. Dette har den fordelen at påføring av varme er alt som trengs for at matriseharpiksen skai flyte og gjennomfukte delen, og dette vil lette produksjonsprosessen ytterligere.

En ytterligere foretrukket egenskap er anvendelsen av en tekstilduk som del av et laminat ved at det klemmes mellom lag av den strukturgivende komponenten. Duken har fortrinnsvis større absorbsjonsrate enn det ene eller de flere strukturgivende lagene, enten som følge av at den er så tynn eller som følge av den naturlige absorbsjonsevnen eller strukturen til dukens materiale, eller eventuelt en kombinasjon av disse faktorene. Følgelig, i enkelte utførelsesformer, er det foretrukket at en duk er tilveiebragt klemt mellom de strukturgivende lagene og utgjør en mekanisme for å øke filtreringsraten av harpiks inn i strukturen. Tjenlig, med denne mekanismen, kan harpiksen være preferenstelt rettet inn i senteret av tykkere strukturer enn det som hittil har vært mulig.

Ved anvendelse av en fibrøs duk, oppnås en fordelaktig seighet og hindring av delaminering med fiber-brodannende effekt. Duken omfatter imidlertid fortrinnsvis et seighetsøkende hjelpestoff innlemmet deri for ytterligere å øke komposittens seighet. En ser for seg at duken også kan omfatte termoplastiske fibere som et seighetsøkende hjelpestoff. Det er imidlertid spesielt foretrukket at, dersom dukene lages på samme måte som en lager papir, det seighetsøkende hjelpestoffet tilføres i partikkelform, ettersom dette er spesielt velegnet for anvendelse i papirproduksjonsprosessen.

Matriseharpiksen er fortrinnsvis et termoplastisk materiale med lav viskositet, for eksempel EMS Chemie Grilamid Polyamide 12.

Fibrene kan være kontinuerlige eller diskontinuerlige. Dersom de er diskontinuerlige, så som de som produseres ved strekkbryting (eng. stretch breaking), vil de bli anvendt i form av et kontinuerlig gam som er laget av de diskontinuerlige fibrene.

Stoffet for den strukturgivende komponenten kan være flettet eller ikke-flettet, og kan omfatte et hybridgam, dvs. strukturgivende fibere og seighets-økende fibere flettet i et hybridgam, eller stoffet kan omfatte strukturgivende gam og seighetsøkende gam blandet i ett enkelt stoff.

Det grunnleggende konseptet med å anvende hybridgam kan varieres betydelig. Det er mulig å erstatte alt gam i et tekstil med et hybridgam, eller alternativt å erstatte et utvalg. Videre kan et stort fiberemne omfatte soner med konvensjonelt eller seiggjort stoff avhengig av behovet for delen. Dette gir en prosessringsfordel i det at ett enkelt harpikssystem kan anvendes for en stor del, men komposittes egenskaper kan variere lokalt med hensyn til seighet og temperaturbestandighet - slik at enkeltskuddstøping av komplekse strukturer nå blir enklere.

Komposittens egenskaper kan varieres i stor grad ved å tilveiebringe fiberemnet i forskjellige former. For eksempel, med et flettet stoff, vil mønsteret i hvilket de strukturgivende fibrene og de termoplastiske fibrene innrettes ha en effekt på komposittens generelle oppførsel. Anvendelse av en strukturell forsterkning i form av et tekstil gir derfor et allsidig produkt.

Utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet ytterligere med henvisning til de etterfølgende eksemplene og de vedlagte figurene, der: Figur 1a skjematisk viser en lamellær kompositt ifølge foreliggende oppfinnelse; Figur 1b viser det øvre laget av den lamellære kompositten i figur 1a, med et skjematisk vist slagutsatt område; Figur 1c skjematisk viser konstruksjonen av det øvre laget av den lamellære kompositten i figur 1a; Figur 1d viser et uttrukket skjematisk snitt av en flytesone 2 vist i figur 1 b; Figur 2a viser en hybridduk som er klemt mellom to strukturgivende lag i et laminat; Figur 2b viser en mulig konstruksjon av hybridduken i figur 2a; Figur 2c viser en alternativ konstruksjon av hybridduken i figur 2a; Figur 3 viser absorbert energi som funksjon av volumandel multiplisert med tykkelse for forskjellige eksempler; og Figurene 4 til 6 viser plott av slagbestandighet som funksjon av tykkelse multiplisert med volumandel for fibere for en kompositt 1 som er laget kun av glassfiber (figur 4), glassfiber og polypropylenfiber (figur 5) og glassfiber og polyamidfiber (figur 6). Figur 1 a viser en kompositt 1 med en lagdelt struktur som omfatter tre identiske, flate rektangulære lag som er lagt oppå hverandre; et øvre lag 3a; et midtre lag 3b; og et nedre lag 3c. Den interne strukturen er vist bedre i figur 1c, som er en uttrukket og forstørret skisse av et område 4. Det uttrukne snittet viser at hvert lag dannes av et hybridstoff som omfatter garn av strukturgivende fibere 5, for eksempel karbonfibere, tilveiebragt mellom garn av termoplastiske fibere som er herdet i en matrise 6 som omfatter termoplast. Figur 1 b og figur 1d viser skjematisk effekten av et slag mot overflaten av det øvre laget 3a. Konkret åpenbarer figur 1 b en serie av diagonale lineære flytesoner fra det teoretiske slaget, og figur 1d viser en uttrukket og forstørret

skisse av en lineær flylesone 2 og avslører at flytesonen svarer til et termoplastisk gam som forløper t komposittlaget.

Figur 2 viser skjematisk en laminær komposittkonstruksjon tilsvarende den i figur 1, men med en hybridduk klemt mellom to tekstillag. Den innklemte duken gjør tekstilkompositten seigere. To alternative konstruksjoner av duken er vist i figurene 2b og c. Figur 2b viser skjematisk konstruksjonen av en blanding av strukturgivende og ikke-strukturgivende fibere og termoplastisk pulver, mens figur 2c viser en enkeltstående konstruksjon av karbonfibere og termoplastisk pulver. I begge tilfeller tilveiebringes motstanden mot delaminering og en viss seighet av fiber-brodannelse mellom tekstillagene og den fibrøse duken. Denne effekten øker imidlertid betydelig ved nærvær av termoplastisk materiale i duklaget.

Men en passende konstruksjon av duken som ligger mellom lagene kan en øke strømningsmengden av harpiks 6 over duken sammenliknet med strømnings-mengden over de øvre og nedre strukturgivende lagene, og således øke mengden av injisert harpiksimpregnering inn i kompositten 1.

Det vil nå bli beskrevet et antall eksempler på en kompositt 1 som har en struktur som den som er vist i figur 1, men som anvender en matrise 6 av en termoherdende harpiks. Eksemplene tjener derfor til å illustrere effekten av å anvende termoplastiske fibere som det seighetsøkende hjelpestoffet, og illustrerer således oppfinnelsen selv om de ikke er helt i overensstemmelse med den.

De mest dramatiske fordelene ved det seighetsøkende hjelpestoffet av termoplastisk fiber vises i komposittenes 1 bedrede slagfasthet. Dette illustreres ofte ved å plotte den absorberte energien i penetrasjonstester som funksjon av volumandelen av fibere multiplisert med tykkelsen - en kombinasjon av parametere som gir en standardkurve for konvensjonelle komposittsystemer uten hensyn tii matrisetype og detaljene i fiberorienteringen (idet det er antatt at fibrene er innrettet hovedsaklig isotropisk i planet eller i verste fall i en 0.90 oppstilling). Standardkurven er funnet å holde for materialer med veldig forskjellige matriser, omfattende sprø kaldherdende harpikser og seige termoplastiske matriser, så som polypropylen. Kompositter 1 med det seighetsøkende hjelpestoffet av termoplastisk fiber utviser en overraskende økning av seigheten, som fremgår av det betydelige avviket fra standardkurven. Dette viser seg også i en større skadefordeling i slagteststykkene.

Eksempel 1

En kompositt 1 ble produsert fra et stoffemne som bestod av glassfibere blandet med polypropylenfibere i et fireakset ikke-krympende stoff. Stoffet ble impregnert med en lavviskositets umettet polyesterharpiks, og laminatet ble herdet ved romtemperatur etterfulgt av en etterherding ved 80°C i samsvar med harpiksieverandørens spesifikasjoner.

Platen var 3 mm tykk og volumandelene av de tre komponentene var som følger: Glassfiber 0,2 v/v;

Polypropylenfiber 0,2 v/v; og

Polyesterharpiks 0,6 v/v.

Laminatet ble utsatt for en slagtest med et fallende objekt for å måle dets energidempning. Det spesifikke testoppsettet som ble anvendt produserer energidempningsresultater for glassfiberkompositter som ligger på en standardkurve som bestemmes av laminatets tykkelse og volumandelen av fiber. Den energien som ble absorbert av laminatet som var produsert av fiberemnet med polypropylenfibere tilsatt som seighetsøkende stoff var 100J.

Til motsetning absorberte et tilsvarende laminat som var produsert fra en identisk polyesterharpiks 0,8 v/v men som var forsterket med et stoff som i sin helhet var laget av glassfiber med en fibelvolumandel på 0,2 v/v og en tykkelse på 3mm i gjennomsnitt omtrent 40J. Dette demonstrerer at tilføring av de termoplastiske fibrene i fiberemnet skaper en betydelig fordel når det gjelder seigheten.

Eksempel 2

En glassfiberepoksy-kompositt ble produsert fra en DGEBA epoksyharpiks (digytcidyleter av bisfenol-A herdet med et herdemidde) av amin [Shell Epikote 828 herdet med Ciba HY932 aromatisk amin]) og et planflettet stoff av E-glassfibere. Stoffet utgjorde omtrent 50 volum% av komposittet. En tilsvarende kompositt ble produsert med samme nivå av stoff, men der stoffkomponenten inneholdt 70 volum% E-glassfibere og 30 volum% av et semi-krystallinsk polymert fiber med en krystallsmeltetemperatur på 210°C.

Komposittene ble produsert ved å impregnere stoffene og sette sammen lag til en tykkelse på 6 cm, og ble herdet i en ovn ved 190°C. Termoelementer innebygget i senteret av laminatet måtte temperaturøkningen i materialene mens de innledningsvis dannet likevekt med ovnstemperaturen, og målte deretter ytterligere temperaturøkninger som følge av den eksoterme herdeprosessen.

Laminatet med kun glassfibere utviste en temperaturøkning som var godt over ovnstemperaturen på 190°C, og som forløp hurtig og nådde en maksimumsverdi på 300°C, hvorpå det ble observert en betydelig forringelse av epoksyen. Laminatet med semi-krystallinske, termoplastiske fibere utviste også en temperaturøkning som følge av den eksoterme herdeprosessen, men når denne temperaturen nådde det termoplastiske fibrets krystall-smeltetemperatur, så opphørte den generelle temperaturøkningen og epoksyharpiksen ble ikke forringet i vesentlig grad.

Eksempel 3

En kompositt 1 av karbonfiber, 3 mm tykk, ble produsert fra et planvevet stoff og en epoksyharpiks (digylcidyleter av bisfenol A herdet med et herdemiddel av amin [Shell Epikote 828 herdet med Ciba HY932 aromatisk amin]). Stoffet inneholdt 70 volum% karbonfiber (Torayca T300) og 30 volum% nylon 6.6 fibre. Stoffet ble impregnert med den flytende epoksyharpiksen og herdet ved romtemperatur i 24 timer, etterfulgt av en etterherding ved 100°C i 4 timer. Det herdede laminatet inneholdt omtrent 50 volumprosent karbonfiber og 21 volum% nylonfiber. De resterende 29% av blandingen var herdet epoksyharpiks. En tilsvarende kompositt ble produsert ved å impregnere et stoff laget utelukkende av karbonfiber. I dette tilfellet utgjorde de planvevede karbonfibrene 50 volum% av kompositten, og epoksyharpiks-matrisen utgjorde de resterende 50 volumprosentene.

Begge laminatene ble utsatt for høyenergi slagtester med fallende objekter. Laminatet som kun omfattet karbonfibere og en epoksymatrise absorberte 50J energi. Laminatet med karbonfiber, nylonfiber og epoksymatrise absorberte 85J.

Eksemplene 4- 7

Det har vært utført tester med en serie av kompositter 1 med middels volumandeler glassfiber som utviser en slagseighet (energi som absorberes under slag fra et fallende objekt med full penetrasjon) som øker med en faktor 2-3 ganger dersom det inkluderes termoplastiske fibere sammenliknet med de tilsvarende ikke-modifiserte komposittene. Testene har også vist en merkbar mangel på sensitivitet for innskjæringer i åpent hull belastningstester på de samme materialene.

Slagresultatene for to materialer mot to kontroll-prøvestykker er vist i figur 3, og tabell 1 lister materialene som ble testet.

De strukturgivende komponentene 5 omfattet hver et volumforhold på omtrent 50:50 av glass over seighetsøkende hjelpestoff. Figur 3 viser resultatene av slagtestene for eksemplene 4 - 7 i form av et plott av absorbert energi mot tykkelse multiplisert med volumprosent fiber. Slag-standardkurven for SMC (sheet-moulding-composite), GMT (glass-mat-thermoplastics) og prepreg osv. er tatt med for sammenlikning. Den absorberte energien for komposittene som omfatter polypropylen og polyester er betydelig større sammenliknet med tilsvarende kompositter som ikke omfatter seighetsøkende hjelpestoff. Figurene 4 til 6 er plott som viser slagstyrke, det vil si hvor mye energi som dempes under penetrasjon, som funksjon av tykkelsen multiplisert med volumandelen av fibere. Hvert plott viser data fra tre forskjellige termoherdende matriser - to epoksy og én polyester. Det første plottet i figur 4 viser resultatene som ble oppnådd når glassfiber anvendes alene, idet volumandelen av glassfiber i kompositten var mellom 30 og 50%. De andre og tredje plottene i figurene 5 og 6 viser resultatene som ble oppnådd når andelen av glassfiber ble erstattet med polypropylen (figur 5) og polyamid (figur 6). Plottene viser at inklusjon av de termoplastiske polymerene gir betydelige fordeler med tanke på økning av slagstyrken.

Harpiksene som ble anvendt i testene som produserte plottene i figurene 4 til 6 omfattet en umettet isoftalisk polyesterharpiks (UP), Crystic 272 (et produkt fra Scott Bader plc) og to epoksysystemer, hvorav EP1 var en kaldherdende epoksyharpiks (digylcidyleter av bisfenol A herdet med et amin-herdemiddel [Shell Epikote 828 herdet med Ciba HY932 aromatisk amin]) og EP2 var en lav av-én-del-bestående lavviskositets harpiks levert av Cytec-Fibertite, Cycom 823, som ble herdet ved 120°C.

Den eksperimentelle prosedyren i alle disse testene omfattet anvendelse av en instrumentert slagtest med et fallende objekt der et slagobjekt med en halvkuleformig tupp med diameter 20mm slippes ned på et teststykke av kompositten som skal testes. Kompositt-teststykket er en tynn plate, typisk 3mm tykk, med et tverrsnittsareal på 60mm x 60mm som er fritt opplagret på en stålring med innvendig diameter 40mm. Det slagskapende objektet slippes fra en høyde på 1 m, og har nok masse til at den kinetiske energien er tilstrekkelig til at slagobjektet penetrerer helt gjennom testplaten. Testen registrerer kreftene som oppstår under slaget, og den absorberte energien beregnes fra kraft-tid målingene og den målte hastigheten til slagobjektet idet det slår mot teststykket.

Som bemerket i diskusjonen i eksemplene over skaper anvendelsen av termoplastiske fibere innlemmet i harpiksmatrisen en betydelig seiggjøringseffekt. De termoplastiske fibrene tilveiebringer en mekanisme for plastisk deformasjon og flyt som ikke er mulig å oppnå i en umodifisert termoherdende harpiks. Det er nå funnet at den samme mekanismen og således seiggjøringseffekten oppnås i en kompositt 1 som omfatter en matrise som omfatter termoplast, hvilket betyr at effekten primært domineres av fibrene. Dette gjør det mulig å danne en kompositt 1 som omfatter en matrise som omfatter termoplast ved hjelp av en flytende komposittstøpingsteknikk. De ønskede kvalitetene til en termoplastisk matrise, omfattende god bestandighet mot kjemikalier og det at den bidrar til seigheten til den ferdige delen, kan oppnås uten fukteproblemer. Årsaken til dette er at nærværet av de seighetsøkende hjelpestoffene i form av de termoplastiske fibrene i en strukturgivende komponent betyr at det kan anvendes et termoplastisk materiale med lavere molekylvekt for matrisen enn det som ville vært mulig dersom matrisen alene skulle tilveiebringe den nødvendige seigheten. En reduksjon av molekylvekten resulterer i en reduksjon av viskositeten og derfor en enklere impregnering av fiberemnet.

Fiber-termoplasten kan avvike fra matrise-termoplasten med hensyn til molekylvekt, idet det anvendes en termoplast med relativt sett høyere molykylvekt for fibrene og en termoplast med relativt sett lavere molykylvekt for matrisen. Dette kan oppnås ved å anvende to forskjellige typer termoplast eller samme type termoplast, men med to forskjellige molelylvekter. Det skal imidlertid bemerkes at fiber-termoplasten, selv om den har en høyere molekylvekt enn matrise-termoplasten, ikke har en så høy molekylvekt at elastisitetsmodulen er slik at fibrene bidrar til styrken. Det er ikke behov for å anvende materialer så som kevlar eller andre typer strukturgivende termoplast. Termoplast som har lavere elastisitetsmodul, og som derfor er mindre kostbare, vil tilveiebringe den nødvendige seiggjøringseffekten.

Syklustiden er nøkkelen i moderne produksjon. Jo raskere et verktøy anvendes, desto større er verktøy utnyttelsen, hvilket reduserer bearbeidingskostnadene og således forhåndsinvesteringen i et produksjonsprogram. Mens kompositten som omfatter en termoplastisk matrise og seighetsøkende hjelpestoff av termoplastisk fiber fortrinnsvis dannes med en flytende komposittstøpingsteknikk, kan verktøyutnyttelsen økes dersom det anvendes en annen teknikk som ikke omfatter et injeksjonstrinn. Én mulighet vil være å kombinere den forsterkende komponenten som består av de strukturgivende og de ikke-strukturgivende fibrene med ytterligere termoplastiske fibere som har et smeltepunkt som er lavere enn de termoplastiske fibrene i deres forsterkende komponent. Hybrid-fiberemnet som inneholder de tre typene fibere: strukturgivende fibere og termoplastiske fibere med høyere og lavere smeltepunkt vil bli varmet opp under trykk for å forårsake at fibrene med lavt smeltepunkt smelter og impregnerer både de strukturgivende fibrene og de seighetsøkende termoplastiske fibrene med høyere smeltepunkt. For å oppnå maksimal effektivitet vil verktøyet bli varmet opp til en temperatur som ligger nær det nedre smeltepunktet før hybrid-f iberemnet anbringes i dette.

Det termoplastiske materialet med lavt smeltepunkt kan alternativt være i pulverform, idet prosesseringen som anvendes i et slikt tilfelle er identisk.

Claims (16)

1. Kompositt (1) omfattende en første strukturgivende komponent (5) og en andre komponent (6), der den strukturgivende komponenten (5) omfatter strukturgivende fibere og et seighetsøkende hjelpestoff som omfatter ikke-strukturgivende fibere av et første termoplastisk materiale og den andre komponenten (6) omfatter et andre termoplastisk materiale, karakterisert ved at de ikke-strukturgivende, termoplastiske fibrene i den strukturgivende komponenten (5) danner en fiberform i det endelige komposittet! (1), der det første og det andre termoplastiske materialet er forskjellige, idet den andre komponenten (6) er en matrisekomponent som er dannet ved å injisere den strukturgivende komponenten (5) med en flytende harpiks som omfatter det andre termoplastiske materialet.

2. Kompositt (1) ifølge krav 1, der det første og det andre termoplastiske materialet har forskjellig molekylvekt.

3. Kompositt (1) ifølge krav 1 eller krav 2, der det første og det andre termoplastiske materialet er forskjellige.

4. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der matrisekomponenten er et termoplastisk materiale med lav viskositet.

5. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der i hvert fall noen av de termoplastiske fibrene er semi-krystallinske.

6. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der volumprosenten av det seighetsøkende hjelpestoffet er større enn 2%, men mindre enn 50%.

7. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der volumandelen av det seighetsøkende hjelpestoffet er større enn 5%, men mindre enn 40%.

8. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der volumandelen av det seighetsøkende hjelpestoffet er større enn 10%, men mindre enn 30%.

9. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der den strukturgivende komponenten (5) er tilveiebragt i form av flere stofflag (3a, 3b, 3c) og der det er tilveiebragt minst én duk mellom et par av vedsidenliggende lag, idet duken omfatter et tynt lag av flettet eller ikke-flettet materiale.

10. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der volumandelen av strukturgivende fibere i stoffet minst er 65%.

11. Kompositt (1) ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, der de strukturgivende og/eller ikke-strukturgivende fibrene er kontinuerlige eller diskontinuerlige.

12. Kompositt (1) ifølge et hvilket som heist av de foregående krav, der stoffet omfatter et hybridgam av flettede, strukturgivende fibere og termoplastiske fibere eller gam av strukturgivende fibere og gam av termoplastiske fibere.

13. Fremgangsmåte for å produsere en kompositt (1), omfattende de trinn å danne et stoff av strukturgivende fibere og ikke-strukturgivende fibere av et første termoplastisk materiale for å tilveiebringe en strukturgivende komponent (5), injisere en flytende harpiks som omfatter et andre termoplastisk materiale inn i den strukturgivende komponenten (5) for å tilveiebringe en matrisekomponent og herde matrisekomponenten, idet det første og det andre termoplastiske materialet er forskjellige og idet den flytende harpiksen injiseres ved en temperatur som er slik at den endelige kompositten omfatter ikke-strukturgivende termoplastiske fibere i fiberform.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, der stoffet innrettes i lag og det tilveiebringes en duk mellom i hvert fall ett vedsidenliggende par av lag før tilføring av det andre termoplastiske materialet, idet duken omfatter et tynt lag av flettet eller ikke-flettet materiale.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, omfattende det å fordele bindemiddel på eller i duken.

16. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 13 til 15, der harpiksinjeksjonsprosessen omfatter overføringsstøping av harpiks eller injeksjonsstøping av komposittharpiks.