TW201306054A - 以連續纖維強化之熱塑棒 - Google Patents

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Abstract

本發明提供複合棒，其用於各種應用，例如電纜(例如，高電壓傳輸電纜)、電力臍管(power umbilical)、繫繩、繩索及多種其他結構構件。該棒包括核心，該核心係由複數根包埋於熱塑性聚合物基質內之單向配向之纖維粗紗形成。本發明者已發現，可藉由選擇性控制浸漬製程，亦及藉由在棒之成型及定型以及最終棒幾何形狀之校準期間控制賦予粗紗之壓縮程度來顯著改良熱塑性聚合物基質浸漬粗紗之程度。此經充分浸漬之棒具有極小之空隙分率，從而產生極佳強度性質。值得注意的是，棒中無需不同纖維類型即可達成期望強度性質。

Description

以連續纖維強化之熱塑棒
以纖維強化之複合棒已在多種應用中作輕質結構強化件。舉例而言，電力臍管通常用於在海面與位於海底上之設備之間傳輸流體及/或電信號。該等臍管通常包括一或多個以捆形式收集之管及電導體/導線、至少部分地圍繞該等管及導體/電線及在二者之間佈置之填充材料及包封該等管、導體/電線及填充材料之保護性鞘。為幫助增強該等臍管，人們以試圖使用拉擠成形碳纖維棒作為單獨承載元件。然而，該等棒之顯著問題係其依靠熱固性樹脂(例如，乙烯基酯)來幫助達成期望強度性質。熱固性樹脂在製造期間難以使用且不具有與其他材料形成層之良好黏合特性。在其他類型應用中，人們已試圖自熱塑性聚合物形成棒。例如，頒予Bryant等人之美國專利第2005/0186410號闡述試圖將碳纖維包埋於熱塑性樹脂中以形成電子傳輸電纜之複合核心。令人遺憾的是，Bryant等人注意到此等核心因纖維之不充分潤濕而展示缺陷及幹斑，從而導致耐久性及強度差。該等核心之另一問題係熱塑性樹脂不能在高溫下操作。
因此，目前需要由熱塑性材料形成且仍能夠達成具體應用所要求之期望強度、耐久性及溫度性能的以纖維強化之棒。
根據本發明之一實施例，揭示在縱向方向上延伸之複合 棒。該棒具有核心，該核心含有複數根熱塑性浸漬粗紗，該等粗紗包含在縱向方向上定向之連續纖維及包埋該等纖維之熱塑性基質。該等纖維具有大於約1,000兆帕/克/米之極限抗拉強度與每單位長度質量之比率。連續纖維佔該核心的約25 wt.%至約80 wt.%且熱塑性基質佔該核心的約20 wt.%至約75 wt.%。該等粗紗大致對稱分佈於核心之縱向中心周圍。
根據本發明之另一實施例，揭示形成複合棒之方法。該方法包含用熱塑性基質浸漬複數根粗紗且使該等粗紗固結以形成條帶，其中該等粗紗係自連續纖維形成，該等連續纖維實質上在縱向方向上定向且具有大於約1,000兆帕/克/米之極限抗拉強度與每單位長度質量之比率。連續纖維佔該條帶的約25 wt.%至約80 wt.%且熱塑性基質佔該條帶的約20 wt.%至約75 wt.%。該條帶具有約3%或更小之空隙分率。將條帶加熱至熱塑性基質之軟化溫度或更高之溫度並牽引經過至少一個成型模具以將條帶壓縮並定型成預成型件。將該預成型件冷卻以形成棒。
下文將更詳細闡述本發明之其他特徵及態樣。
說明書之其餘部分(包括參照附圖)更具體地闡述本發明之完整授權揭示內容(包括其對於熟習此項技術者之最佳模式)。
熟習此項技術者應瞭解，本論述僅為例示性實例之說明，且並非意欲限制本發明之更廣態樣。
概言之，本發明係關於複合棒，其用於各種應用，例如電纜(例如，高電壓傳輸電纜)、電力臍管、繫繩、繩索及多種其他結構構件。該棒包括核心，該核心由複數根包埋於熱塑性聚合物基質內之單向配向之纖維粗紗形成。本發明者已發現可藉由選擇性控制浸漬製程，亦及藉由在棒之成型及定型以及最終棒幾何形狀之校準期間控制賦予粗紗之壓縮程度來顯著改良熱塑性聚合物基質浸漬粗紗之程度。此充分浸漬棒具有極小之空隙分率，從而產生極佳強度性質。值得注意的是，可無需針對棒中之不同纖維類型達成期望強度性質。
本文所用術語「粗紗」通常係指一捆或一束個別纖維。粗紗中所包含之纖維可經扭轉或可為平直的。儘管在個別或不同粗紗中可使用不同纖維，但通常期望該等粗紗中之每一者含有單一纖維類型以最小化使用具有不同熱膨脹係數之材料之任何不利影響。粗紗中所用連續纖維相對於其質量具有高程度抗拉強度。舉例而言，纖維之極限抗拉強度通常為約1,000至約15,000兆帕(「MPa」)，在一些實施例中，約2,000 MPa至約10,000 MPa，且在一些實施例中，約3,000 MPa至約6,000 MPa。即使纖維具有相對較輕重量(例如每單位長度質量為約0.1克/米至約2克/米)，仍可達成該等抗拉強度，在一些實例中，約0.4克/米至約1.5克/米。每單位長度質量與抗拉強度之比率因此可為約1,000兆帕/克/米(「MPa/g/m」)或更大，在一些實例中，約4,000 MPa/g/m或更大，且在一些實施例中，約5,500 MPa/g/m至約20,000 MPa/g/m。該等高強度纖維可為(例如)金屬纖維、玻璃纖維(例如，E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、S1-玻璃、S2-玻璃等)、碳纖維(例如，非晶形碳、石墨碳或經金屬塗佈之碳等)、硼纖維、陶瓷纖維(例如，氧化鋁或二氧化矽)、芳族聚醯胺纖維(例如，由E.I.duPont de Nemours,Wilmington,Del.出售之Kevlar®)、合成有機纖維(例如，聚醯胺、聚乙烯、對伸苯基、對苯二甲醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯及聚苯硫醚)、及各種其他已知用於強化熱塑性組合物之天然或合成無機或有機材料。碳纖維尤其適於用作連續纖維，其通常具有在約5,000 MPa/g/m至約7,000 MPa/g/m範圍內之抗拉強度與質量之比率。連續纖維通常具有約4微米至約35微米之標稱直徑，且在一些實施例中，約5微米至約35微米。每一粗紗中所含纖維數量可為恆定或針對各粗紗有所不同。通常，粗紗含有約1,000根纖維至約100,000根個別纖維，且在一些實施例中，約5,000至約50,000根纖維。
可使用多種熱塑性聚合物中之任一者來形成包埋連續纖維之熱塑性基質。適用於本發明之熱塑性聚合物可包括(例如)聚烯烴(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚對苯二甲酸丁二酯(「PBT」))、聚碳酸酯、聚醯胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(「PEEK」))、聚醚醯亞胺、聚伸芳基酮(例如，聚苯二酮(「PPDK」))、液晶聚合物、聚芳硫醚(例如，聚苯硫醚(「PPS」)、聚(聯苯硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(聯苯硫 醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烴聚合物、四氟乙烯聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚縮醛、聚胺基甲酸酯、聚碳酸酯、苯乙烯系聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(「ABS」))等。
通常選擇熱塑性基質之性質以在使用期間達成棒之加工性與性能之期望組合。舉例而言，熱塑性基質之熔體黏度通常足夠低以使聚合物可充分浸漬纖維並定型成棒組態。就此而言，熔體黏度通常介於約25至約2,000帕斯卡-秒(「Pa-s」)之間，在一些實施例中，50 Pa-s至約500 Pa-s，且在一些實施例中，約60 Pa-s至約200 Pa-s，此係在針對熱塑性聚合物所用操作條件下(例如，約360℃)測定。同樣，當該棒欲用於高溫下時，使用具有相對較高熔融溫度之熱塑性聚合物。舉例而言，該等高溫聚合物之熔融溫度可介於約200℃至約500℃之間，在一些實施例中，約225℃至約400℃，且在一些實施例中，約250℃至約350℃。
在本發明中，聚芳硫醚尤其適於作為具有期望熔融黏度之高溫基質。舉例而言，聚苯硫醚係半結晶樹脂，其通常包括由以下通式代表之重複單體單元：
在聚合物中，此等單體單元通常佔重複單元的至少80莫耳%，且在一些實施例中，至少90莫耳%。然而，應瞭 解，聚苯硫醚可含有額外重複單元，例如頒予Gotoh等人之美國專利第5,075,381號中所述，出於所有目的，該案之全文特此以引用方式併入本文中。當使用時，該等額外重複單元通常佔聚合物的不超過約20莫耳%。市售高熔體黏度聚苯硫醚可包括彼等以商標名FORTRON®自Ticona有限責任公司(Florence,Kentucky)購得者。該等聚合物可具有約285℃之熔融溫度(根據ISO 11357-1、2、3測定)及在310℃下約260帕斯卡-秒至約320帕斯卡-秒之熔體黏度。
根據本發明，通常使用擠出器件以使熱塑性基質浸漬粗紗。此外，擠出器可有助於能夠將熱塑性聚合物施加至纖維之整個表面。浸漬粗紗亦具有極低空隙分率，從而有助於增強其強度。舉例而言，空隙分率可為約6%或更少，在一些實施例中，約4%或更少，在一些實施例中，約3%或更少，在一些實施例中，約2%或更少，在一些實施例中，約1%或更少，且在一些實施例中，約0.5%或更少。可使用熟習此項技術者熟知之技術來量測空隙分率。舉例而言，可使用」樹脂燒盡」測試來量測空隙分率，其中將樣品置於烘箱中(例如，在600℃下保持3小時)以燒盡樹脂。然後可量測剩餘纖維之質量以計算重量及體積分率。可根據ASTM D 2584-08實施該「燒盡」測試以測定纖維及熱塑性基質之重量，然後可基於以下公式使用其來計算「空隙分率」：V f =100 *(ρ t -ρ c )/ρ t 其中， V f 係空隙分率(以百分比表示)；ρ c係複合物之密度，如使用已知技術量測，例如使用液體或氣體比重計(例如，氦比重計)；ρ t係複合物之理論密度，如藉由以下公式測定：ρ t =1/[W f /ρ f +W m /ρ m ]ρ m係熱塑性基質之密度(例如，在適當結晶度下)；ρ f 係纖維之密度；W f 係纖維之重量分率；且W m 係熱塑性基質之重量分率。
另一選擇為，可根據ASTM D 3171-09藉由以化學方式溶解樹脂來測定空隙分率。「燒盡」及「溶解」方法尤其適於玻璃纖維，其通常耐熔融及化學溶解。在其他情形下，然而，可根據ASTM D 2734-09(方法A)基於熱塑性聚合物、纖維及條帶(或帶)之密度間接計算空隙分率，其中可藉由ASTM D792-08方法A來測定密度。當然，亦可使用習用顯微鏡設備、或藉由使用電腦斷層(CT)掃描設備(例如Metrotom 1500(2k×2k)高解析檢測器)來估算空隙分率。
參照圖3，其顯示此擠出器件之一實施例。更具體而言，該裝置包括擠出機120，其含有安裝於桶122內部之螺桿軸124。將加熱器130(例如，電阻加熱器)安裝於桶122外部。在使用期間，將熱塑性聚合物原料127經由進料斗126供應至擠出機120。在桶122內部，藉由螺桿軸124輸送熱塑性原料127並藉由桶122內部之摩擦力及加熱器130加熱。在加熱後，原料127經由桶凸緣128離開桶122並進入 浸漬模具150之模具凸緣132。
將連續纖維粗紗142或複數根連續纖維粗紗142自捲軸144供應至模具150。通常在浸漬前可使粗紗142間隔某一距離，例如至少約4毫米，且在一些實施例中，至少約5毫米。可在模具內部藉由安裝於模具150中或其周圍之加熱器133進一步加熱原料127。模具通常在足以引起熱塑性聚合物熔融及浸漬之溫度下操作。通常，模具之操作溫度高於熱塑性聚合物之熔融溫度，例如在約200℃至約450℃之溫度下。當以此方式處理時，連續纖維粗紗142包埋於聚合物基質中，該聚合物基質可為自原料127處理得到之樹脂214(圖4)。然後自浸漬模具150擠出混合物，產生擠出物152。
壓力感測器137(圖4)感測浸漬模具150附近壓力以允許在超過擠出速率時藉由控制螺桿軸124之旋轉速度或給料機之進給速率來施加控制。即，壓力感測器137係定位於浸漬模具150附近以使得可操作擠出機120以遞送正確量之樹脂214用於與纖維粗紗142相互作用。在離開浸漬模具150後，擠出物152或浸漬纖維粗紗142可進入可選預定型或引導區段(未顯示)，之後進入於兩個毗鄰輥190之間形成之輥隙。儘管可選，但輥190可有助於將擠出物152固化成條帶(或帶)形式，以及增強纖維浸漬並擠出任何多餘空隙。除輥190以外，亦可使用其他定型器件，例如模具系統。藉由安裝於輥上之履帶162及164來牽引所得固結條帶156。履帶162及164亦自浸漬模具150牽引擠出物152並使 其經過輥190。若需要，可在區段171處纏繞固結條帶156。概言之，該等條帶相對較薄且通常具有約0.05毫米至約1毫米之厚度，在一些實施例中，約0.1毫米至約0.8毫米，且在一些實施例中，約0.2毫米至約0.4毫米。
在浸漬模具內，通常期望使粗紗142橫穿浸漬區250以使聚合物樹脂214浸漬粗紗。在浸漬區250中，通常可藉由浸漬區250中所產生之剪切及壓力迫使聚合物樹脂橫向經過粗紗，從而顯著增強浸漬度。在自高纖維含量之條帶形成複合物時此尤其有用，例如約35%重量分率(「Wf」)或更大，且在一些實施例中，約40% Wf或更大。通常，模具150將包括複數個接觸表面252，例如至少2個、至少3個、4至7個、2至20個、2至30個、2至40個、2至50個、或更多個接觸表面252，以對粗紗142產生足夠滲透度及壓力。儘管接觸表面252之具體形式可改變，但其通常可具有曲線表面，例如彎曲突齒、棒等。接觸表面252通常亦由金屬材料製成。
圖4顯示浸漬模具150之剖視圖。如所顯示，浸漬模具150包括歧管總成220、閘門通路270及浸漬區250。提供歧管總成220以供聚合物樹脂214流經其中。舉例而言，歧管總成220可包括一個通道222或複數個通道222。提供至浸漬模具150之樹脂214可流經通道222。
如圖5中所顯示，通道222之一些部分可為曲線，且在例示性實施例中，通道222沿中心軸224對稱定向。此外，在一些實施例中，該等通道可為複數個分支流道222，其可 包括第一分支流道組232、第二分支流道組234、第三分支流道組236及(若需要)更多分支流道組。每一組可包括2個、3個、4個或更多個自前一組中之流道222或自初始通道222分支出之流道222。
分支流道222及其對稱定向通常使樹脂214均勻分佈，使得離開歧管總成220並塗佈粗紗142之樹脂214之流實質上均勻分佈於粗紗142上。此合意地使粗紗142大致均勻浸漬。
此外，在一些實施例中，歧管總成220可界定出口區域242，出口區域通常至少涵蓋樹脂214離開之通道或流道222之下游部分。在一些實施例中，通道或流道222安置於出口區域242中之至少一部分在樹脂214之流動方向244上具有增加之面積。當樹脂214流經歧管總成220時，該增加之面積允許樹脂214之擴散及進一步分佈，從而進一步允許樹脂214實質上均勻分佈於粗紗142上。
如圖4及5中所進一步圖解說明，在流經歧管總成220後，樹脂214可流經閘門通路270。閘門通路270定位於歧管總成220與浸漬區250之間，且用以供來自歧管總成220之樹脂214流動，從而使樹脂214塗佈粗紗142。因此，經由(例如)出口區域242離開歧管總成220之樹脂214可進入閘門通路270並流經其中，如所顯示。
如圖4中所顯示，在離開模具150之歧管總成220及閘門通路270後，樹脂214接觸正橫穿模具150之粗紗142。如上文所論述，由於樹脂214分佈於歧管總成220及閘門通路 270中，故樹脂214可實質上均勻塗佈粗紗142。此外，在一些實施例中，樹脂214可碰撞在粗紗142中之每一者之上表面、或粗紗142中之每一者之下表面、或粗紗142中之每一者之上表面及下表面二者上。對粗紗142之初始碰撞使樹脂214進一步浸漬粗紗142。
如圖4中所顯示，經塗佈粗紗142在運動方向282上橫穿浸漬區250，該浸漬區經組態以使樹脂214浸漬粗紗142。舉例而言，如圖4及圖6中所顯示，在浸漬區中，粗紗142橫跨接觸表面252上方。粗紗142對接觸表面252之碰撞產生足以使樹脂214浸漬粗紗142之剪切及壓力，藉此塗佈粗紗142。
在一些實施例中，如圖4中所顯示，浸漬區250界定於兩個間隔開之對置板256與258之間。第一板256界定第一內表面257，而第二板258界定第二內表面259。接觸表面252可界定於第一內表面257及第二內表面259二者上，或僅界定於第一內表面257及第二內表面259中之一者上，或可自該等表面延伸。圖6圖解說明第二板258及其上各接觸表面，該等接觸表面形成此等實施例之浸漬區250之至少一部分。在例示性實施例中，如圖4中所顯示，接觸表面252可交替地界定於第一表面257及第二表面259上，使得粗紗交替地碰撞在第一表面257及第二表面259上之接觸表面252上。因此，粗紗142可以波形、曲折或正弦型路徑通過接觸表面252，從而增強剪切。
粗紗142橫跨接觸表面252之角254通常可足夠高以增強 剪切，但未高至產生過大的會破壞纖維之力。因此，舉例而言，角254可在介於約1°與約30°之間之範圍內，且在一些實施例中，介於約5°與約25°之間。
在替代實施例中，浸漬區250可包括複數根針(未顯示)，每一根針具有接觸表面252。該等針可靜止、自由旋轉或以旋轉方式驅動。在其他替代實施例中，如期望或需要，接觸表面252及浸漬區250可包含用於使樹脂214浸漬粗紗142之任何適宜形狀及/或結構。
為進一步促進粗紗142之浸漬，亦可使其在存於浸漬模具內時保持在張力下。每根粗紗142或每束纖維之張力可(例如)介於約5牛頓至約300牛頓之間，在一些實施例中，約50牛頓至約250牛頓，且在一些實施例中，約100牛頓至約200牛頓。
如圖4中所顯示，在一些實施例中，出料(land)區280可在粗紗142之運動方向282上定位於浸漬區250之下游。粗紗142可在橫穿出料區280之後離開模具150。如圖4中所進一步顯示，在一些實施例中，面板290可毗連浸漬區250。面板290通常經組態以計量來自粗紗142之過量樹脂214。因此，面板290中粗紗142橫穿之孔可經定徑，以使當粗紗142橫穿其中時，孔徑使得自粗紗142去除過量樹脂214。
上文所顯示及闡述之浸漬模具僅為可用於本發明之各種可能組態中之一者。在替代實施例中，舉例而言，可將粗紗引入相對於聚合物熔體之流動方向以一角度定位之十字頭模具中。當粗紗移動穿過十字頭模具並達到聚合物離開 擠出機桶之點時，迫使聚合物與粗紗接觸。此十字頭模具擠出機之實例闡述於(例如)頒予Moyer之美國專利第3,993,726號、頒予Chung等人之美國專利第4,588,538號；頒予Augustin等人之美國專利第5,277,566號；及頒予Amaike等人之美國專利第5,658,513號中，出於所有目的，該等案件之全文特此以引用方式併入本文中。亦應瞭解，亦可使用任一其他擠出機設計，例如雙螺桿擠出機。此外，亦可視情況使用其他組份來幫助纖維之浸漬。舉例而言，在某些實施例中可使用「氣噴嘴」總成來幫助將具有個別纖維之粗紗(其可各自含有至多24,000根纖維)均勻分散於合併束之整個寬度上。此可幫助達成強度性質之均勻分佈。此總成可包括以大致垂直方式衝擊於穿過出口埠之移動粗紗上的壓縮空氣或另一氣體之供給。然後可將分散粗紗引入浸漬用模具中，例如上文所述。
不論使用何種技術，均使連續纖維在縱向方向(圖3之系統之機器方向「A」)上定向以增強抗拉強度。除纖維定向以外，亦控制拉擠成形製程之其他態樣以達成期望強度。舉例而言，在固結條帶中使用相對較高百分比之連續纖維以提供高強度性質。舉例而言，連續纖維通常佔該條帶的約25 wt.%至約80 wt.%，在一些實施例中，約30 wt.%至約75 wt.%，且在一些實施例中，約35 wt.%至約60 wt.%。同樣，熱塑性聚合物通常佔該條帶的約20 wt.%至約75 wt.%，在一些實施例中，約25 wt.%至約70 wt.%，且在一些實施例中，約40 wt.%至約65 wt.%。最終棒中之纖維及 熱塑性基質之百分比亦可在上文所述範圍內。
如上文所述，可在定型成期望棒組態之前將粗紗固結成一或多個條帶形式。當隨後壓縮此條帶時，粗紗可以大致均勻方式分佈於該棒之縱向中心周圍。此均勻分佈增強該棒之整個長度上強度性質(例如，撓曲模數、極限抗拉強度等)之一致性。當使用時，將基於棒之期望厚度及/或橫截面面積及強度以及條帶自身性質來改變用於形成棒之固結條帶之數量。然而，在大多數情形下，條帶之數量為1至20，且在一些實施例中，2至10。每一條帶中所用粗紗之數量可同樣改變。然而，該條帶通常將含有2至10根粗紗，且在一些實施例中，3至5根粗紗。為幫助達成最終棒中之粗紗之對稱分佈，有益地使其在條帶內彼此間隔開相同距離。參照圖1，舉例而言，顯示固結條帶4之一實施例，其含有三(3)根在x方向上彼此等距間隔之粗紗5。然而，在其他實施例中，可期望將粗紗組合，以使粗紗之纖維大致均勻分佈於整個條帶4中。在此等實施例中，粗紗可能彼此通常無法區分。參照圖2，舉例而言，顯示固結條帶4一實施例，其含有經組合以使纖維大致均勻分佈之粗紗。
亦小心地控制使粗紗定型之特定方式以確保可形成具有足夠壓縮度及強度性質之棒。參照圖7，舉例而言，其顯示形成棒之系統及方法之一具體實施例。在此實施例中，首先在紗架20上以纏繞捲裝形式提供兩個條帶12。紗架20可為退繞紗架，其包括提供有水平旋轉心軸22之框架，每 一心軸支撐一捲裝。尤其若期望在纖維中產生扭轉，例如當在一步式組態中使用粗纖維時，亦可使用放線(pay-out)紗架。亦應瞭解，條帶之形成亦可與棒之形成串聯。在一實施例中，舉例而言，可將圖3中離開浸漬模具150之擠出物152直接供應至用於形成棒之系統。亦可使用張力調整器件40來幫助控制條帶12之張度。器件40可包括入口板30，該入口板位於平行於紗架20之旋轉心軸22及/或垂直於輸入條帶之垂直面中。張力調整器件40可含有以錯列組態佈置之圓柱形桿41，以使條帶12在此等桿上方及下方通過以界定波形圖案。可調節桿之高度以改變波形圖案之振幅並控制張力。
可在進入固結模具之前在烘箱45中對條帶12實施加熱。可使用任一已知類型烘箱(例如紅外烘箱、對流烘箱等)來實施加熱。在加熱期間，可使條帶中之纖維單向定向以優化熱暴露並在整個條帶上維持均勻加熱。加熱條帶12之溫度通常足夠高以將熱塑性聚合物軟化至條帶可黏合在一起之程度。然而，該溫度不高至破壞材料之完整性。該溫度可(例如)介於約100℃至約500℃之間，在一些實施例中，約200℃至約400℃，且在一些實施例中，約250℃至約350℃。舉例而言，在一具體實施例中，使用聚苯硫醚(「PPS」)作為聚合物，且將條帶加熱至PPS熔點(其為約285℃)或以上。
在加熱後，將條帶12提供至固結模具50，該固結模具將其一起壓縮成預成型件14，而且使其配向並形成棒之初始 形狀。舉例而言，如圖7中通常顯示，引導條帶12在方向「A」上自入口53至出口55穿過模具50之流動通路51。通路51可具有各種形狀及/或大小中之任一者以達成棒組態。舉例而言，通道及棒組態可為圓形、橢圓形、拋物線等。在模具50內，通常將條帶維持在條帶中所用熱塑性基質之熔點或更高之溫度以確保充分固結。
可藉由使用具有一或多個區段之模具50來達成條帶12之期望加熱、壓縮及定型。舉例而言，儘管本文未詳細顯示，但固結模具50可具有多個區段，該等區段一起作用以將條帶12壓縮並定型成期望組態。舉例而言，通路51之第一區段可為錐形區，其在材料流入模具50中時首先使材料定型。該錐形區入口處之橫截面面積通常大於其出口處。舉例而言，通路51之錐形區入口處橫截面面積可比錐形區出口處橫截面面積大約2%或更大，在一些實施例中，約5%或更大，且在一些實施例中，約10%至約20%。儘管如此，但在錐形區內流動通路之橫截面通常逐漸並平滑地變化使得可維持經過模具之複合物材料之平衡流動。定型區亦可位於錐形區之後，其壓縮材料並使其大致均勻地流經其中。定型區亦可將材料預定型成類似於棒之中間形狀，但通常具有較大橫截面面積以允許熱塑性聚合物在加熱時膨脹，以最小化在模具50內阻塞之風險。定型區亦可包括一或多個賦予預成型件定向變化之表面特徵。定向變化迫使材料重新分佈，從而達成纖維/樹脂在最終形狀中之更均勻分佈。此亦降低在模具中可引起樹脂燃燒之死點之風 險。舉例而言，通路51之定型區之橫截面面積可比預成型件14之寬度大約2%或更大，在一些實施例中，約5%或更大，且在一些實施例中，約10%至約20%。模具出料區亦可在定型區之後以充當通路51之出口。可將定型區、錐形區及/或模具出料區加熱至熱塑性基質之玻璃轉變溫度或熔點或更高之溫度。
若需要，亦可使用第二模具60(例如，校準模具)將預成型件14壓縮成棒之最終形狀。當使用時，有時期望使預成型件14在離開固結模具50之後並在進入可選第二模具60之前短暫冷卻。此使固結預成型件14在系統中進一步前進之前保持其初始形狀。通常，冷卻使棒之外部溫度降低至低於熱塑性基質之熔點溫度以最小化並實質上防止在棒之外表面上發生熔體破裂。然而，棒之內部區段可保持熔融以確保在棒進入校準模具主體中時壓縮。如業內已知，可藉由使預成型件14簡單暴露於環境氣氛(例如，室溫)或使用活性冷卻技術(例如，水浴或空氣冷卻)來達成該冷卻。在一實施例中，舉例而言，將空氣吹至預成型件14上(例如，利用風環)。然而，在此等階段之間之冷卻通常在短時間段內發生以確保預成型件14仍足夠軟以進一步經定型。舉例而言，在離開固結模具50後，可在進入第二模具60之前將預成型件14暴露於周圍環境僅約1秒至約20秒，且在一些實施例中，約2秒至約10秒。在模具60內，通常將預成型件保持在低於條帶中所用熱塑性基質之熔點之溫度下，使得可維持棒之形狀。儘管上文所提及者為單一模 具，但應瞭解，模具50及60實際上可由多個個別模具(例如，面板模具)形成。
因此，在一些實施例中，可利用多個個別模具60將材料逐漸定型成期望組態。模具60係串聯放置，並使材料尺寸逐漸減小。該等逐漸減小允許在各步驟期間或其之間收縮。
舉例而言，如圖9至12中所顯示，第一模具60可包括一或多個入口62及相應出口64，如所顯示。可在模具60中納入任一數量入口62及相應出口64，例如四個(如所顯示)、一個、兩個、三個、五個、六個或更多個。在一些實施例中，入口62可為大致卵形或圓形。在其他實施例中，入口62可具有彎曲矩形形狀，即具有彎角之矩形形狀或具有較長直側壁及較短彎曲側壁之矩形形狀。此外，出口64可為大致卵形或圓形定型，或可具有彎曲矩形形狀。在一些利用卵形入口之實施例中，入口62可具有在介於約3：1與約5：1之間之範圍內之長軸長度66與短軸長度68之比率。在一些利用卵形或圓形入口之實施例中，出口64可具有在介於約1：1與約3：1之間範圍內之長軸長度66與短軸長度68之比率。在利用彎曲矩形形狀之實施例中，入口及出口可具有介於約2：1與約7：1之間之長軸長度66與短軸長度66之比率(縱橫比)，其中出口64之比率小於入口62之比率。
在其他實施例中，第一模具60之入口62之橫截面面積與相應出口64之橫截面面積的比率可在介於約1.5：1與6：1之間之範圍內。
第一模具60因此提供聚合物浸漬纖維材料向相對類似於所得棒之最終形狀之形狀的大致平滑轉變，在例示性實施例中，其具有圓形或卵形橫截面。後續模具(例如第二模具60及第三模具60，如圖9中所顯示)可提供材料尺寸之進一步逐漸減小及/或變化，以使材料之形狀轉化成棒之最終橫截面形狀。此等後續模具60可同時使材料定型並冷卻。舉例而言，在一些實施例中，可將每一後續模具60維持在低於先前模具之溫度下。在例示性實施例中，將所有模具60維持在高於該材料之軟化點溫度之溫度下。
在其他例示性實施例中，由於(例如)要求適當冷卻及固化，故可期望具有相對較長出料區長度69之模具60，其對達成期望棒形狀及大小至關重要。相對較長出料區長度69降低壓力並提供向期望形狀及大小之平滑轉變，且具有最小空隙分率及弓形特徵。在一些實施例中，舉例而言，模具60之出口64處出料區長度69與出口64處長軸長度66之比率可在介於約0與約20之間之範圍內，例如介於約2與約6之間。
根據本發明揭示內容使用校準模具60提供材料橫截面之逐漸變化，如所論述。在例示性實施例中，此等逐漸變化可確保所得產物(例如棒或其他適宜產物)具有大致均勻之纖維分佈及相對最小之空隙分率。
應瞭解，如各種應用所期望或需要，可利用任一適宜數量模具60使材料逐漸形成具有任一適宜橫截面形狀之輪廓。
除使用一或多個模具以外，亦可使用其他機構來幫助將預成型件14壓縮成棒形狀。舉例而言，在固結模具50與校準模具60之間、在不同校準模具60之間及/或在校準模具60進一步壓縮預成型件14之後在將其轉化成其最終形狀之前可使用成型輥90(如圖12中所顯示)。該等輥可具有任一組態，例如夾輥、重疊輥等，且可為垂直(如所顯示)或水平輥。視輥90組態而定，輥90之表面可經機械加工以賦予預成型件14最終產物(例如棒、輪廓或其他適宜產物)之尺寸。在例示性實施例中，輥90之壓力應為可調節的以優化最終產物之品質。
在例示性實施例中，輥90(例如至少接觸該材料之部分)可具有大致平滑表面。舉例而言，在許多實施例中，期望相對較硬之拋光表面。舉例而言，該等輥之表面可由相對平滑之鉻或其他適宜材料形成。此允許輥90處理預成型件14而不會損壞或不合意地改變預成型件14。舉例而言，該等表面可防止該材料黏附至輥，且該等輥可賦予該等材料平滑表面。
在一些實施例中，控制輥90之溫度。此可藉由加熱輥90自身或藉由將輥90置於溫度受控環境中來達成。
此外，在一些實施例中，可在輥90上提供表面特徵92。當預成型件14穿過輥時，表面特徵92可在一或多個方向上引導及/或控制該預成型件。舉例而言，可提供表面特徵92以防止預成型件14在穿過輥90時自身褶疊。因此，表面特徵92可在相對於機器方向A之交叉機器方向以及在相對 於機器方向A之垂直方向上引導並控制預成型件14之變形。因此可在預成型件14在機器方向A上穿過輥90時在交叉機器方向上將其推到一起，而非自身褶疊。
在一些實施例中，可提供與輥相連之張力調整器件。此等器件可與輥一起利用以在機器方向、交叉機器方向及/或垂直方向上將張力施加至預成型件14以進一步引導及/或控制預成型。
若期望，所得棒亦可施加有覆蓋層以使其免受環境條件或改良耐磨性。仍參照圖7，舉例而言，可經由以任一期望角度定向以將熱塑性樹脂引入覆蓋模具72之擠出機來施加此覆蓋層。適用於該覆蓋層之熱塑性聚合物可包括(例如)聚烯烴(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚對苯二甲酸丁二酯(「PBT」))、聚碳酸酯、聚醯胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(「PEEK」))、聚醚醯亞胺、聚伸芳基酮(例如，聚苯二酮(「PPDK」))、液晶聚合物、聚芳硫醚(例如，聚苯硫醚(「PPS」)、聚(聯苯硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(聯苯硫醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烴聚合物、四氟乙烯聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚縮醛、聚胺基甲酸酯、聚碳酸酯、苯乙烯系聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(「ABS」))、丙烯酸系聚合物、聚氯乙烯(PVC)等。
當用於某些應用(例如電子傳輸電纜)時，覆蓋層可有助於防止電流反應。在該等實施例中，通常期望覆蓋材料具 有至少約1千伏/毫米(kV/mm)之介電強度，在一些實施例中，至少約2 kV/mm，在一些實施例中，約3 kV/mm至約50 kV/mm，且在一些實施例中，約4 kV/mm至約30 kV/mm，例如根據ASTM D149-09測定。尤其適宜之高介電強度覆蓋層材料可包括聚酮(例如，聚醚醚酮(「PEEK」))、聚硫醚(例如，聚芳硫醚)或其混合物。
儘管決非必須，但覆蓋層通常可不含連續纖維。即，覆蓋層可含有小於約10 wt.%連續纖維，在一些實施例中，約5 wt.%或更少連續纖維，且在一些實施例中，約1 wt.%或更少連續纖維(例如，0 wt.%)。然而，覆蓋層可含有其他用於改良核心之最終性質之添加劑。在此階段所用之添加劑材料可包括彼等不適於納入連續纖維材料中者。舉例而言，可合意地添加顏料以減少精整勞動，或可合意地添加阻燃劑以增強棒之阻燃特徵。由於多種添加劑材料為熱敏性，故過量的熱可導致其分解並產生揮發性氣體。因此，若在高加熱條件下將熱敏性添加劑材料與浸漬樹脂擠出，結果可能為添加劑材料完全降解。添加劑材料可包括(例如)礦物增強劑、潤滑劑、阻燃劑、起泡劑、發泡劑、耐紫外光劑、熱穩定劑、顏料及其組合。適宜礦物增強劑可包括(例如)碳酸鈣、二氧化矽、雲母、黏土、滑石、矽酸鈣、石墨、矽酸鈣、三水氧化鋁、亞鐵酸鋇及其組合。
儘管本文未詳細顯示，但覆蓋模具72可包括業內已知之各種特徵來幫助達成覆蓋層之期望施加。例如，覆蓋模具72可包括使輸入棒配向之進入引導件。覆蓋模具亦可包括 加熱機構(例如，加熱板)，其在施加覆蓋層之前預先加熱棒以幫助確保充分黏合。在覆蓋後，然後使用如業內已知之冷卻系統80來最終冷卻定型部件15。冷卻系統80可為(例如)包括一或多個塊(例如，鋁塊)之定徑系統，該等塊在冷卻棒且抵靠其壁向外真空牽引熱定型件時完全囊封棒。可將冷卻介質(例如空氣或水)供應至定徑機以使棒以正確形狀固化。
即使不使用定徑系統，亦通常期望在棒離開覆蓋模具(或若未施加覆蓋，則固結或校準模具)之後將其冷卻。可使用任一業內已知技術來實施冷卻，例如水箱、冷空氣流或空氣噴嘴、冷卻夾套、內部冷卻通道、冷卻流體循環通道等。不論如何，均通常控制冷卻材料之溫度以達成最佳機械性質、部件尺寸公差、良好加工性及美學上令人愉悅之複合物。例如，若冷卻站之溫度過高，則材料可能在工具中溶脹並阻礙製程。對於半結晶材料，溫度過低同樣可導致材料過快冷卻且不允許完全結晶，因此危害複合物之機械性質及耐化學性質。可利用多個具有獨立溫度控制之冷卻模具區段來賦予加工性與性能屬性之最佳平衡。在一具體實施例中，舉例而言，水箱係在約0℃至約30℃之溫度下使用，在一些實施例中，約1℃至約20℃，且在一些實施例中，約2℃至約15℃。
若需要，亦可(例如)在覆蓋後使用一或多個定徑塊(未顯示)。該等塊含有切割成精確棒形狀之開口，其係自起初過大之棒形狀漸變至最終棒形狀。當棒穿過其中時，消除 其移動或下垂之任何傾向，且將其推回(重複地)至其正確形狀。定徑後，可在切割站(未顯示)將棒切割成期望長度，例如使用能夠實施橫截面切割之截斷鋸，或可以連續製程將棒纏繞於捲軸上。然後棒之長度將限於纖維束之長度。
應瞭解，可控制棒在前進經過本發明系統之任一區段時之溫度，以產生最佳製造及期望最終複合物性質。可利用電柱加熱器(electrical cartridge heater)、循環流體冷卻等或熟習此項技術者已知之任一其他溫度控制器件對總成區段中之任一者或全部實施溫度控制。
仍參照圖7，牽引器件82係定位於冷卻系統80下游以牽引精整棒16經過系統用於複合物之最終定徑。牽引器件82可為任一能夠以期望速率牽引棒經過該處理系統之器件。典型牽引器件包括(例如)履帶式牽引機及柱復式牽引機。
由上文所述方法形成之棒之一實施例作為元件516更詳細地顯示於圖8中。如所圖解說明，棒516具有大致圓形形狀且包括由一或多個固結條帶形成之核心514。「大致圓形」通常意味著棒之縱橫比(高度除以寬度)通常為約1.0至約1.5，且在一些實施例中，為約1.0。由於選擇性控制用於浸漬粗紗及形成固結條帶之製程以及對該條帶進行壓縮及定型之製程，故棒可具有沿其整個長度上相對均勻分佈之熱塑性基質。此亦意味著連續纖維係以大致均勻方式分佈於棒516之縱向中心軸「L」周圍。如圖8中所顯示，舉例而言，核心514包括包埋於熱塑性基質528內之連續纖維 526。纖維526係大致均勻分佈於縱向軸「L」周圍。應瞭解，圖8中僅顯示一些纖維，且棒將通常含有實質上更大數量之均勻分佈纖維。
覆蓋層519視情況圍繞核心514之周邊延伸並界定棒516之外表面。可策略性地選擇核心514之橫截面厚度(「T」)來幫助達成特定強度。舉例而言，核心514可具有約0.1毫米至約40毫米之厚度(例如，直徑)，在一些實例中，約0.5毫米至約30毫米，且在一些實施例中，約1毫米至約10毫米。覆蓋層519之厚度取決於部件之預期功能，但通常為0.01毫米至約10毫米，且在一些實施例中，約0.02毫米至約5毫米。無論如何，棒之總橫截面厚度或高度通常介於約0.1毫米至約50毫米之間，在一些實例中，約0.5毫米至約40毫米，且在一些實施例中，約1毫米至約20毫米。儘管棒之長度可實質上連續，但棒之長度實際上通常受上面將纏繞並儲存其之線軸或連續纖維之長度限制。舉例而言，長度通常介於約1000米至約5000米之間，但當然可能為甚至更大長度。
藉由控制上文所提及各參數，可形成具有極高強度之棒。舉例而言，棒可展示相對較高之撓曲模數。術語「撓曲模數」通常係指在撓曲變形中應力與應變之比率(單位為力/面積)、或材料彎曲之傾向。其係自「三點撓曲」測試(例如ASTM D790-10，程序A，通常在室溫下)產生之應力-應變曲線之斜率測定。舉例而言，本發明之棒可展示約10千兆帕斯卡(「GPa」)或更大之撓曲模數，在一些實 施例中，約12 GPa至約400 GPa，在一些實施例中，約15 GPa至約200 GPa，且在一些實施例中，約20 GPa至約150 GPa。此外，極限抗拉強度可為約300兆帕(「MPa」)或更大，在一些實例中，約400 MPa至約5,000 MPa，且在一些實施例中，約500 MPa至約3,000 MPa。術語「極限抗拉強度」通常係指材料在經拉伸或牽引時在頸縮前可承受之最大應力，且係在室溫下在拉伸測試(例如ASTM D3916-08)產生之應力-應變曲線上達到之最大應力。彈性之拉伸模數亦可為約50 GPa或更大，在一些實例中，約70 GPa至約500 GPa，且在一些實施例中，約100 GPa至約300 GPa。術語「彈性之拉伸模數」通常係指拉伸應力對拉伸應變之比率且係在室溫下拉伸測試(例如ASTM 3916-08)產生之應力-應變曲線之斜率。值得注意的是，亦可將上文所提及複合棒之強度性質維持在相對較寬溫度範圍內，例如約-40℃至約300℃，且尤其為約180℃至200℃。
根據本發明揭示內容製造之棒可進一步具有相對長之撓曲疲勞壽命，且可展示相對較高之殘餘強度。可基於「三點撓曲疲勞」測試(例如ASTM D790，通常在室溫下)測定撓曲疲勞壽命及殘餘撓曲強度。舉例而言，在160牛頓(「N」)或180 N負載下在1×106次循環後，本發明之棒可展示約60千克/平方英吋(「ksi」)至約115 ksi之殘餘撓曲強度，在一些實施例中，約70 ksi至約115 ksi，且在一些實施例中，約95 ksi至約115 ksi。此外，棒可展示相對最小之撓曲強度降低。舉例而言，在三點撓曲疲勞測試後，空隙分 率為約4%或更少(在一些實施例中，約3%或更少)之棒可展示約1%之撓曲強度降低(舉例而言，自最大原始撓曲強度約106 ksi至最大殘餘撓曲強度約105 ksi)。可在疲勞測試之前及之後使用(例如)如上文所論述之三點撓曲測試來測試撓曲強度。
複合棒亦可展示相對較小之「彎曲半徑」，其係棒可彎曲而不斷裂之最小半徑且量測為棒之內部曲率。較小彎曲半徑意味著棒更具撓性且可纏捲於較小直徑繞線管上。此性質亦使得棒更易於在目前使用金屬棒之製程中實施。由於本發明之改良之製程及所得棒，故可達成小於棒之外徑約40倍之彎曲半徑，在一些實例中，其係棒之外徑約1至約30倍，且在一些實施例中，其係棒之外徑約2倍至約25倍，此係在約25℃之溫度下測定。例如，彎曲半徑可小於約15公分，在一些實例中，約0.5公分至約10公分，且在一些實施例中，約1公分至約6公分，此係在約25℃之溫度下測定。
複合棒亦具有極低空隙分率，例如約6%或更少，在一些實施例中，約3%或更少，在一些實施例中，約2%或更少，在一些實施例中，約1%或更少，且在一些實施例中，約0.5%或更少。可以上文所述方式測定空隙分率，例如根據ASTM D 2584-08使用「樹脂燒盡」測試或藉由使用電腦斷層(CT)掃描設備，例如Metrotom 1500(2k×2k)高解析檢測器。
除上文所述參數以外，複合棒亦可展示約10 MPa或更大 之應力參數，在一些實例中，約15 MPa或更大，且在一些實施例中，約20 MPa至約50 MPa。測定應力參數之方法更詳細地闡述於頒予Johnson等人之美國專利第7,093,416號中，出於所有目的，該案件之全文特此以引用方式併入本文中。舉例而言，可量測垂度及溫度並繪製為垂度對溫度之圖形。使用以商標名SAG10(3.0版本更新3.9.7)購自Alcoa Fujikura有限公司(Greenville,SC)之軟體程式可用之Alcoa Sag 10圖解法將所計算曲線擬合至所量測數據。應力參數係SAG10中之擬合參數，標記為「內部鋁應力」，若使用除鋁以外之材料(例如，鋁合金)，則其可經改變以擬合其他參數，且在高溫後拐點方案中，其調節預計圖形上拐點之位置以及垂度之量。在Alcoa Sag 10用戶手冊(2.0版本)中亦提供應力參數之說明。
應瞭解，上文所述具體棒實施例僅舉例說明可能藉由本發明製造之多種設計。在各種可能之棒設計中，應瞭解，可使用除彼等上文所述者以外之其他材料層。在某些實施例中，舉例而言，可合意地形成多組份棒，其中一種組份由較高強度材料形成且另一組份由較低強度材料形成。該等多組份棒尤其可用於增加總強度，而不要求整個棒對更昂貴高強度材料之需要。較低及/或較高強度組份可由含有包埋於熱塑性基質內之連續纖維之條帶形成。
應瞭解，本發明絕不限於上文所述實施例。舉例而言，視期望應用而定，棒可含有各種其他組份。額外組份以及其他類型材料可自連續纖維條帶形成，例如本文所述。在 一實施例中，舉例而言，棒可含有不連續纖維(例如，短纖維、長纖維等)層以改良其橫向強度。不連續纖維可經定向以使纖維之至少一部分相對於連續纖維延伸之方向以一角度定位。
如上文所指示，本發明之棒可用作用於多種應用之結構構件，該等應用包括電纜(例如，高電壓傳輸線)、電力臍管、繫繩、繩索、升管等。舉例而言，本發明之棒可用於形成電子傳輸電纜之所有或部分核心。該等電纜之例示性傳輸電纜設計及複合核心更詳細闡述於頒予Heil等人之美國專利第7,211,319號中，出於所有目的，該案之全文特此以引用方式併入本文中。同樣，棒亦可單獨或以捆形式用於電力臍管中。棒可位於臍管中心或圍繞其周邊分佈。例示性電力臍管設計更詳細地闡述於(例如)頒予Ju等人之美國專利第7,798,234號及頒予Figenschou之第7,754,966號中，出於所有目的，該等案件之全文特此以引用方式併入本文中。
參照以下實例可更好地理解本發明揭示內容。
實例1
首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用碳纖維粗紗(Toray T700SC，其含有12,000根抗拉強度為4,900 MPa且每單位長度質量為0.8克/米之碳絲)，其中每一個別條帶含有4根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係聚苯硫醚(「PPS」)(FORTRON® PPS 205，購自Ticona有限責任公司)，其具 有約280℃之熔點。每一條帶含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為305)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在模具內，條帶保持在約177℃之溫度下。在固結後，然後在1 psi壓力下用供應環境空氣之風環/隧道器件將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約140℃之溫度下。在離開此模具後，用熔點為350℃之聚醚醚酮(「PEEK」)覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有45 wt.%碳纖維、50 wt.% PPS及5 wt.%覆蓋材料。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為約31千兆帕斯卡且撓曲強度為約410 MPa。部件之密度為1.48 g/cm3且空隙含量小於約3%。同樣，彎曲半徑為3.27公分。
實例2
如實例1中所述形成棒，只是未使用覆蓋材料。棒因此 含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。空隙含量小於約1.5%且彎曲半徑為3.86公分。
實例3
首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用碳纖維粗紗(Toray T700SC)，其中每一個別條帶含有4根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係FORTRON® PPS 205。每一條帶含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為305)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在模具內，條帶保持在約343℃之溫度下。在固結後，然後在1 psi壓力下用供應環境空氣之風環/隧道器件將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約140℃之溫度下。在離開此模具後，用熔點為280℃之FORTRON® PPS 320覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有45 wt.%碳纖維、50 wt.% PPS及5 wt.%覆蓋材料。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為 30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為20.3千兆帕斯卡且撓曲強度為約410 MPa。部件之密度為1.48 g/cm3且空隙含量小於約3%。同樣，彎曲半徑為4.37公分。
實例4
首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用玻璃纖維粗紗(來自PPG之TUFRov® 4588，其含有抗拉強度為2599 MPa且每單位長度質量為2.2克/米之E-玻璃長絲)，其中每一個別條帶含有2根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係聚苯硫醚(「PPS」)(FORTRON® 205，購自Ticona有限責任公司)，其具有約280℃之熔點。每一條帶含有56 wt.%玻璃纖維及44 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為330)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在固結後，然後用環境空氣將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約275℃之溫度下。在離開此模具後，用FORTRON® 205覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有50 wt.%玻璃纖維及50 wt.% PPS。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為約18千兆帕斯卡且撓曲強度為約590 MPa。空隙含量小於約0%且彎曲半徑為1.87公分。
實例5
首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用玻璃纖維粗紗(TUFRov® 4588)，其中每一個別條帶含有2根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係熔點為約250℃之耐綸(Nylon)66(PA66)。每一條帶含有60 wt.%玻璃纖維及40 wt.%耐綸66。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以10英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為320)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在固結後，然後用環境空氣將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約170℃之溫度下。在離開此模具後，用耐綸66覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有53 wt.%玻璃纖維、40 wt.%耐綸66及7 wt.%覆蓋材料。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為約19千兆帕斯卡且撓曲強度為約549 MPa。空隙含量小於約0%且彎曲半徑為2.34公分。
實例6
形成三(3)個批次(每批次八(8)個)之具有不同空隙分率值之棒。對於每一棒，首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用碳纖維粗紗(Toray T700SC，其含有12,000根抗拉強度為4,900 MPa且每單位長度質量為0.8克/米之碳絲)，其中每一個別條帶含有4根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係聚苯硫醚(「PPS」)(FORTRON® PPS 205，購自Ticona有限責任公司)，其具有約280℃之熔點。每一條帶含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為305)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在模具內，條帶保持在約177℃之溫度下。在固結後，然後在1 psi壓力下用供應環境空氣之風環/隧道器件將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持 在約140℃之溫度下。在離開此模具後，用熔點為350℃之聚醚醚酮(「PEEK」)覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有45 wt.%碳纖維、50 wt.% PPS及5 wt.%覆蓋材料。
第一批次棒之平均空隙分率為2.78%。第二批次棒之平均空隙分率為4.06%。第三批次棒之平均空隙分率為8.74%。使用CT掃描來實施空隙分率量測。使用Metrotom 1500(2k×2k)高解析檢測器來掃描棒試樣。使用具有低概率閾值之增強分析模式來實施檢測。在掃描試樣之空隙分率後，使用Volume Graphics軟體來解釋來自3D掃描之數據，並計算每一試樣中之空隙含量。
為測定棒之撓曲疲勞壽命及殘餘撓曲強度，根據ASTM D790實施三點撓曲疲勞測試。支撐跨距為2.2英吋且試樣長度為3英吋。在160牛頓(「N」)負載量下測試每一批次之四(4)個棒並在180 N負載量下測試每一批次之四(4)個棒，分別代表棒之原始(靜態)撓曲強度的約50%及55%。在10赫茲(Hz)頻率下經1×106次循環後測試每一試樣。
在疲勞測試之前及之後，為測定棒之各別原始及殘餘撓曲強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。記錄在每一負載量下每一批次之平均原始及殘餘撓曲強度。所得第三批次之原始撓曲強度為107 ksi，且所得第三批次之殘餘撓曲強度為75 ksi，因此降低約29%。所得第二批次之原始撓曲強度為108 ksi，且所得第二批次之殘 餘撓曲強度為72 ksi，因此降低約33%。所得第一批次之原始撓曲強度為106 ksi，且所得第一批次之殘餘撓曲強度為105 ksi，因此降低約1%。
熟習此項技術者可實踐本發明之此等及其他修改及變化，此不背離本發明之精神及範疇。另外，應瞭解，各實例之態樣可全部或部分互換。此外，熟習此項技術者應瞭解，上述說明僅為舉例說明，且並非意欲限制本發明，故將在該等隨附申請專利範圍中進一步闡述本發明。
4‧‧‧固結條帶
5‧‧‧粗紗
12‧‧‧條帶
14‧‧‧預成型件
15‧‧‧定型部件
16‧‧‧精整棒
20‧‧‧紗架
22‧‧‧心軸
30‧‧‧入口板
40‧‧‧張力調整器件
41‧‧‧桿
45‧‧‧烘箱
50‧‧‧固結模具
51‧‧‧流動通路
53‧‧‧入口
55‧‧‧出口
60‧‧‧校準模具
62‧‧‧入口
64‧‧‧出口
72‧‧‧覆蓋模具
80‧‧‧冷卻系統
82‧‧‧牽引器件
90‧‧‧成型輥
92‧‧‧表面特徵
120‧‧‧擠出機
122‧‧‧桶
124‧‧‧螺桿軸
126‧‧‧進料斗
127‧‧‧熱塑性聚合物原料
128‧‧‧桶凸緣
130‧‧‧加熱器
132‧‧‧模具凸緣
133‧‧‧加熱器
137‧‧‧壓力感測器
142‧‧‧連續纖維粗紗
144‧‧‧捲軸
150‧‧‧浸漬模具
152‧‧‧擠出物
156‧‧‧固結條帶
162‧‧‧履帶
164‧‧‧履帶
171‧‧‧區段
190‧‧‧輥
214‧‧‧聚合物樹脂
220‧‧‧歧管總成
222‧‧‧通道/分支流道
224‧‧‧中心軸
232‧‧‧第一分支流道組
234‧‧‧第二分支流道組
236‧‧‧第三分支流道組
242‧‧‧出口區域
250‧‧‧浸漬區
252‧‧‧接觸表面
256‧‧‧第一板
257‧‧‧第一內表面
258‧‧‧第二板
259‧‧‧第二內表面
270‧‧‧閘門通路
280‧‧‧出料區
290‧‧‧面板
514‧‧‧核心
516‧‧‧元件/棒
519‧‧‧覆蓋層
528‧‧‧熱塑性基質
L‧‧‧縱向中心軸
圖1係用於本發明之固結條帶之一實施例之透視圖；圖2係用於本發明之固結條帶之另一實施例之剖視圖；圖3係用於本發明之浸漬系統之一實施例之示意圖；圖4係圖3中所顯示浸漬模具之剖視圖；圖5係可用於本發明之浸漬模具之歧管總成及閘門通路之一實施例的分解圖；圖6係可用於本發明之至少部分地界定浸漬區之板之一實施例的透視圖；圖7係可用於本發明之拉擠成形系統之一實施例之示意圖；圖8係本發明之以連續纖維強化之熱塑性棒之一實施例之透視圖；圖9係可根據本發明使用之各種校準模具之一實施例之俯視剖視圖；圖10係可根據本發明使用之校準模具之一實施例之側面 剖視圖；圖11係可根據本發明使用之校準模具之一實施例之一部分的正視圖；且圖12係可根據本發明使用之成型輥之一實施例之正視圖。
在本說明書及圖式中重複使用之參考字符意欲代表本發明之相同或類似特徵或元件。
514‧‧‧核心
516‧‧‧元件/棒
519‧‧‧覆蓋層
528‧‧‧熱塑性基質
L‧‧‧縱向中心軸

Claims (30)

  1. 一種在縱向方向上延伸之複合棒，其中該棒含有包含複數根熱塑性浸漬粗紗之核心，該等粗紗含有在該縱向方向上定向之連續纖維及包埋該等纖維之熱塑性基質，該等纖維具有大於約1,000兆帕(Megapascals)/克/米之極限抗拉強度與每單位長度質量之比率，其中該等連續纖維佔該核心的約25 wt.%至約80 wt.%，且該熱塑性基質佔該核心的約20 wt.%至約75 wt.%，且其中該等粗紗係大致對稱地分佈於該核心之縱向中心周圍。
  2. 如請求項1之複合棒，其中該等連續纖維具有約5,500兆帕/克/米至約20,000兆帕/克/米之極限抗拉強度與每單位長度質量之比率。
  3. 如請求項1之複合棒，其中該等連續纖維係碳纖維。
  4. 如請求項1之複合棒，其中該熱塑性基質包括聚芳硫醚。
  5. 如請求項4之複合棒，其中該聚芳硫醚係聚苯硫醚。
  6. 如請求項1之複合棒，其中該等連續纖維佔該核心的約30 wt.%至約75 wt.%。
  7. 如請求項1之複合棒，其中該核心具有約3%或更小之空隙分率。
  8. 如請求項1之複合棒，其中該棒具有約10千兆帕斯卡(Gigapascals)之最小撓曲模數。
  9. 如請求項1之複合棒，其中該棒具有約300兆帕之最小極限抗拉強度。
  10. 如請求項1之複合棒，其中該棒具有約50千兆帕斯卡之最小彈性拉伸模數。
  11. 如請求項1之複合棒，其中該棒具有約0.5公分至約10公分之彎曲半徑。
  12. 如請求項1之複合棒，其中該核心含有4至20根粗紗。
  13. 如請求項1之複合棒，其中每一粗紗含有約1,000至約50,000根個別連續纖維。
  14. 如請求項1之複合棒，其中該棒具有約0.1毫米至約50毫米之厚度。
  15. 如請求項1之複合棒，其進一步包含環繞該核心之覆蓋層。
  16. 如請求項1之複合棒，其中該棒具有實質上圓形的橫截面形狀。
  17. 一種形成在縱向方向上延伸之複合棒之方法，其中該方法包含：用熱塑性基質浸漬複數根粗紗且使該等粗紗固結形成條帶，其中該等粗紗包含在縱向方向上定向之連續纖維，該等纖維具有大於約1,000兆帕/克/米之極限抗拉強度與每單位長度質量之比率，其中該等連續纖維佔該條帶的約25 wt.%至約80 wt.%，且該熱塑性基質佔該條帶的約20 wt.%至約75 wt.%，其中該條帶具有約3%或更小之空隙分率；加熱該條帶；將該經加熱條帶牽引穿過至少一個成型模具，以將該條 帶壓縮並定型成預成型件；及冷卻該預成型件以形成該棒。
  18. 如請求項17之方法，其中該等連續纖維係碳纖維。
  19. 如請求項17之方法，其中該熱塑性基質包括聚芳硫醚。
  20. 如請求項17之方法，其中該等連續纖維佔該條帶的約30 wt.%至約75 wt.%。
  21. 如請求項17之方法，其中該條帶具有約2%或更小之空隙分率。
  22. 如請求項17之方法，其中使用1至15個個別條帶。
  23. 如請求項17之方法，其中該等條帶係在紅外烘箱內加熱。
  24. 如請求項17之方法，其中該等粗紗係在該條帶中彼此大致等距間隔。
  25. 如請求項17之方法，其中該等粗紗係於擠出器件內浸漬。
  26. 如請求項17之方法，其中該等粗紗係以曲折路徑橫穿該器件。
  27. 如請求項17之方法，其中歧管總成將該熱塑性基質供應至該擠出器件，該歧管總成包含熱塑性基質所流經之分支流道。
  28. 如請求項17之方法，其中當用該熱塑性基質浸漬時，該等粗紗係處於張力下。
  29. 如請求項17之方法，其中將該經加熱條帶牽引穿過固結模具及後續校準模具以壓縮該條帶。
  30. 如請求項17之方法，其中使該預成型件在離開該固結模具之後及在進入該校準模具之前冷卻。
TW101112848A 2011-04-12 2012-04-11 以連續纖維強化之熱塑棒 TWI549140B (zh)

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