TWI538808B - Method and apparatus for manufacturing thermoplastic composite sheet - Google Patents

Description

熱塑性複合材料板材之製造方法及其裝置

本發明係關於一種複合材料板材，尤其是關於一種熱塑性複合材料板材之製造方法及其裝置。

所謂複合材料(composite materials)係指兩種或兩種以上不同材質，以適當方式加以結合之新材料，而此複合材料具有比單一材質更為優秀之性能。一般來說，複合材料是由基體與增強材所組成，其中增強材是複合材料中主要的承力部分，尤其是關於彎曲、拉伸與衝擊等機械性能等的力學承受來源，而基體則是將增強材黏合成一整體，構成複合材整體形狀以及並扮演應力傳導的作用。

在一般以熱塑性樹脂作為基體之複合材料中，樹脂與增強材(例如：玻璃纖維)必須經過加熱的熔融過程，使樹脂含浸在纖維中，之後進行加壓，最後再經過冷卻步驟將該複合材料固化成型。由於加熱、加壓過程中，必須藉由加壓帶與板材接觸使擠壓出所欲之厚度，所以加壓帶於熱壓過程中必須緊貼著加工中之複合板材，因此為使加工固化後之複合板材順利脫模，該加壓帶必須具備離型效果。

習知用於加壓帶上之脫模材質，主要為塗佈有聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)之紡織纖維布，而其中之聚四氟乙烯即是提供離型效果之組成。然而，在生產熱塑性複合材料之加壓過程中，卻無可避免地會將紡織纖維布之花紋轉印至所製備的複合材料表面上，一方面產生額外之紋路，另一方面則使其表面不具平整性，因而必須進一步經過表面處理，始能在其表面上進行印刷或塗裝等後續工序。

另一方面，製造過程中所需之高壓擠板，雖然能改進表面平整性的問題，然而，高壓卻會導致複合板材厚度之規格改變，而超出厚度的公差範圍；也會使基材及補強材的纖維比例及體積比例超出設計範圍，對後續製程或裝配產生干涉無法量產及影響產品物性的問題。

本發明之目的在於提供一種具有優良離型效果之熱塑性複合材料板材之製造方法，使能在熱塑性複合材料板材之製造過程中順利脫模。

本發明之次一目的在於提供一種能夠產生優良表面之熱塑性複合材料板材之製造方法，使所製造出之熱塑性複合材料板材表面平整，可以直接印刷或塗裝等後續工序。

本發明之再一目的在於提供一種能夠產生厚度規格一致化之熱塑性複合材料板材之製造方法，經由均勻給力，可以避免因為加壓過程中所造成厚度公差值超出的問題。

為了達成前述之目的，本發明將提供一種熱塑性複合材料板材之製造方法，其步驟包括：提供一基體與至少一增強材；將該基體與該增強材疊合後輸送進入一等容設計之熔融成型裝置；於該熔融成型裝置中藉由表面墊覆有一矽膠薄膜之一加壓帶進行加熱與加壓處理；以及進行冷卻處理。

在一實施例中，所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該矽膠薄膜包括一呈粗糙而用於傳動之傳動面以及一呈光滑而接觸板材之加工面。該矽膠薄膜之厚度可為0.2~0.5mm，但並不以此為限，可依照所欲施壓之大小以及複合材料材質，選用適當厚度之矽膠薄膜。

在另一實施例中，所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該矽膠薄膜之該加工面進一步設置有3~5μm深度之咬花，以使樹脂流動性更佳，並增加其呼吸性。

在另一實施例中，所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該加壓之條件可為5~25Kg/cm²，但並不以此為限，可依照所欲施壓之複合材料材質及所欲厚度而加以調整。

在一實施例中，所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該增強材可選自玻璃纖維、硼纖維、陶瓷纖維、金屬纖維、聚對苯二甲醯對苯二胺(p-phenylene terephthalamides,PPTA)，也就是芳綸纖維(Aramid fiber)、碳纖維、超高相對分子量聚乙烯纖維(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMW-PE)、聚苯並噁唑纖維(Poly(p-phenylene benzobisoxazole,PBO)、2，5-二羥基-1，4-苯撐吡啶並二咪唑(poly(2,6-diimidazo(4,5-b：4’5’-e)pyridinylene-1,4(2,5-dihydroxy)phenylene,PIPD)、聚酯纖維、棉、麻或紙，但並不以此為限。該基體則可選自：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、ABS樹酯、尼龍(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚碸(PSU)、聚苯碸(PPS)、聚醚醯亞胺(PEI)、聚醚碸(PES)、聚醯亞胺(PI)以及聚醯胺醯亞胺(PAI)所組成之群組，亦並不以此為限。

本發明之另一目的在於提供一種連續性或非連續性生產之熱塑性複合材料板材之製造方法。

在一實施例中，所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，該方法進一步包括捲收，以達成連續性生產的目的，或是進一步包括切割，而適用於預定尺寸之非連續性生產。

本發明之又一目的在於提供一種熱塑性複合材料板材之製造裝置，使能利用於製造出具優良表面之熱塑性複合材料板材。

為了達成前述之目的，本發明將提供一種熱塑性複合材料板材之製造裝置，包括：複數個進料滾輪，至少用以輸送一增強材與至少一基體；一壓板機，用以將該增強材與該基體相疊合；以及一等容設計之熔融成型裝置，該熔融成型裝置包括：一加熱單元；一加壓單元；一冷卻單元；以及一加壓離型單元，設有一加壓帶，該加壓帶表面墊覆有一矽膠薄膜，其中，該加熱單元、該加壓單元與該冷卻單元係透過該加壓帶對該基 體與該加強材進行加熱與加壓處理。

在一實施例中，所述之熱塑性複合材料板材之製造裝置，其進一步設置有一捲收滾輪或切割器。

在另一實施例中，所述之熱塑性複合材料板材之製造裝置，其中該矽膠薄膜包括一呈粗糙而用於傳動之傳動面以及一呈光滑而接觸板材之加工面，且該矽膠薄膜之厚度係0.2~0.5mm，但並不以此為限，可依照所欲施壓之大小以及複合材材質，選用適當厚度之矽膠薄膜。

藉由本發明實施例中，所利用矽膠薄膜之離型效用與光滑表面，能夠製造出具有平整表面而適於直接進行塗裝工序之熱塑性複合材料板材，並進一步藉其緩衝效果，可製造出厚度均一化之熱塑性複合材料板材。

以下將配合圖式進一步說明本發明的實施方式，下述所列舉的實施例係用以闡明本發明，並非用以限定本發明之範圍，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧進料滾輪

11‧‧‧增強材

12‧‧‧基體

20‧‧‧壓板機

30‧‧‧等容設計之熔融成型裝置

31‧‧‧加熱單元

32‧‧‧加壓單元

33‧‧‧冷卻單元

34‧‧‧加壓離型單元

341‧‧‧加壓帶

35‧‧‧矽膠薄膜

351‧‧‧加工面

352‧‧‧傳動面

40‧‧‧捲收滾輪

50‧‧‧切割器

S10‧‧‧提供一基體與至少一增強材

S20‧‧‧疊合

S30‧‧‧輸送進入一等容設計之熔融成型裝置

S40‧‧‧藉由表面墊覆有一矽膠薄膜之一加壓帶

S41‧‧‧加熱加壓

S42‧‧‧冷卻

S50‧‧‧捲收

S60‧‧‧切割

第一圖係本發明第一實施例之步驟流程圖。

第二圖係本發明第二實施例之步驟流程圖。

第三圖係本發明第三實施例之裝置示意圖。

第四圖係本發明第三實施例之局部示意圖。

第五圖係本發明第四實施例之裝置示意圖。

第六圖係本發明第五實施例之裝置示意圖。

請參閱第一圖，該圖係本發明第一實施例之步驟流程圖。本發明第一實施例之熱塑性複合材料板材之製造方法，其步驟包括：步驟S10，提供一基體與至少一增強材；步驟S20，將前述基體與增強材加以疊合；步驟S30，將前述疊合後之基體與增強材輸送進入一等容設計之熔融成型裝置；然後進行步驟S40，藉由表面墊覆有一矽膠薄膜之一加壓帶，進行步驟S41之加熱與加壓處理；最後則以步驟S42，進行冷卻，使該複合材板材固化成型。

於步驟S10中，係依據所欲製造之熱塑性複合材選用適當的基體與增強材。關於增強材可依所需強度、模量、耐磨或耐熱等特性，選用：玻璃纖維、硼纖維、陶瓷纖維、晶須、石綿、金屬纖維、聚對苯二甲醯對苯二胺(PPTA)，也就是芳綸纖維(Aramid fiber)、碳纖維、超高相對分子量聚乙烯纖維(UHMW-PE)、聚苯並噁唑纖維(PBO)、2，5-二羥基-1，4-苯撐吡啶並二咪唑(PIPD)、聚酯纖維、棉、麻或紙，但並不以此為限。

至於基體則可為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS樹酯、尼龍、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚醚醚酮、聚醚酮、聚碸、聚苯碸、聚醚醯亞胺、聚醚碸、聚醯亞胺或聚醯胺醯亞胺，但亦不以此為限。

準備好所需複合之材料後可藉由進料滾輪之配置，決定其各層間疊合之順序，而後進行步驟S20的疊合。疊合後的材料則進一步於步驟S30中送入一等容設計之熔融成型裝置，於其中進行熱壓與固化的處理(步驟S41、S42)。於前述處理步驟中，熔融成型裝置中之加熱單元、加壓單元與冷卻單元，皆係於步驟S40中藉由表面墊覆有一矽膠薄膜之一加壓帶進行之。由於矽膠薄膜所產生之離型效果與緩衝作用，即可製造出具有優良平整表面之複合材料板材之成品。

請繼續請參閱第二圖，該圖係本發明第二實施例之步驟流程圖。為了達成連續性生產熱塑性複合材料板材之目的，可於前述步驟S42之後進一步進行步驟S50，進行捲收，使於適當控制熱壓、固化處理時間後，可直接將成品捲收，而達到捲對捲之連續性生產之目的。若僅欲製造預定 尺寸之複合材料板材亦可將步驟S50替換為步驟S60，而進行切割，製造預定規格大小之板材。

請同時參閱第三、四圖，該二圖係本發明第三實施例之裝置及其局部示意圖。本發明第三實施例，提供了一種熱塑性複合材料板材之製造裝置。該裝置包括：複數個進料滾輪10、一壓板機20與一等容設計之熔融成型裝置30。進料滾輪10上可裝上所欲複合之胚料，再經由壓板機20疊合緊壓，之後透過等容設計之熔融成型裝置30之熱壓成型，即可製造出熱塑性複合材料板材。

進料滾輪10，可依所欲複合材料之數目相應設置，於本實施例中係欲複合「聚碳酸酯-玻璃纖維-聚碳酸酯」，因此分別於各進料滾輪10上裝上增強材11之玻璃纖維布，以及基體12之聚碳酸酯薄膜，並依序由上至下配置。

經由進料滾輪10之輸送可將玻璃纖維布與聚碳酸酯薄膜疊合而進入壓板機20，而將各層抵壓疊合在一起。之後即進一步輸送進入等容設計之熔融成型裝置30進行最重要之熱壓成型過程。等容設計之熔融成型裝置30可分別設有一加熱單元31、一加壓單元32、一冷卻單元33與一加壓離型單元34。其中，加壓離型單元34包括一對板材接觸施壓之加壓帶341。該加壓帶341於本實施例中係塗佈有聚四氟乙烯之紡織纖維布，但並不以此為限。於該加壓帶341上則進一步墊覆以一矽膠薄膜35。

矽膠薄膜35，於本實施例中包括一成光滑狀之加工面351，以及一成粗糙狀之傳動面352。加工面351係面向所欲施壓之板材方向設置，而傳動面352則與聚四氟乙烯紡織纖維布相接觸裝設。為使被加壓之板材表面平整，加工面351係一光滑表面，其可於其上設置3~5μm深度之咬花，以增加熱壓時樹脂之呼吸性。至於傳動面352，則為使與聚四氟乙烯紡織纖維布之摩擦力大，以能順利傳動，可設置為粗糙之表面。矽膠薄膜35之薄膜厚度於本實施例中可為0.2~0.5mm，但並不以此為限，可依照所欲施壓之大小以及基體或增強材之材質，選用適當厚度之矽膠薄膜。

熱壓過程中，加熱單元31、加壓單元32與冷卻單元33，皆係 透過墊覆有矽膠薄膜35之加壓帶341作用於待處理的板材上。其依序經由加熱單元31之連續加熱讓聚碳酸酯熔融後使玻璃纖維布含浸其中，再以加壓單元32施加壓力使熔融之聚碳酸酯緊密接著，並壓出所需之厚度。最後再藉由冷卻單元33之逐漸降溫，使熔融含浸之聚碳酸酯逐漸固化，同時透過矽膠薄膜35之離型效果、光滑表面以及所產生之緩衝效果，即可製造出具有平整表面、且規格一致不會因加壓而超出厚度公差範圍之聚碳酸酯玻璃纖維複合材板材。其中，加熱單元31加熱之溫度可在150~280℃範圍，加壓單元32之壓力則可為5~25kg/cm²。關於各單元作用之時間、溫度，可依據材料之性質、樹酯的流動性以及導熱係數等來加以調整，因此並不限於前述條件。

請參閱第五、六圖，該二圖係本發明第四、五實施例之示意圖。為了進一步達成連續性生產之目的，可進一步於等容設計之熔融成型裝置30設置一捲收滾輪40，將成型後之複合材板材加以捲收，即可完成捲對捲之連續性生產。另一方面，若欲生產預定規格大小之複合材板材時，則可替換裝設一切割器50，以進行預定尺寸之裁切。

S10‧‧‧提供一基體與至少一增強材

S20‧‧‧疊合

S30‧‧‧輸送進入一等容設計之熔融成型裝置

S40‧‧‧藉由表面墊覆有一矽膠薄膜之一加壓帶

S41‧‧‧加熱加壓

S42‧‧‧冷卻

Claims (8)

1. 一種熱塑性複合材料板材之製造方法，其步驟包括：提供一基體與至少一增強材；將該基體與該增強材疊合後輸送進入一定容設計之熔融成型裝置；於該熔融成型裝置中藉由表面墊覆有一矽膠薄膜之一加壓帶進行加熱與加壓處理；以及進行冷卻處理；其中該矽膠薄膜包括一呈粗糙而用於傳動之傳動面以及一呈光滑而接觸板材之加工面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該矽膠薄膜之厚度係0.2~0.5mm。
3. 如申請專利範圍第2項所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該矽膠薄膜之該加工面進一步設置有3~5μm深度之咬花。
4. 如申請專利範圍第2項所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該加壓之條件係5~25Kg/cm²。
5. 如申請專利範圍第4項所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，該方法進一步進行捲收或切割，而為連續性或非連續性生產。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熱塑性複合材料板材之製造方法，其中該增強材係選自由：玻璃纖維、硼纖維、陶瓷纖維、金屬纖維、聚對苯二甲醯對苯二胺、碳纖維、超高相對分子量聚乙烯纖維、聚苯並噁唑纖維、2，5-二羥基-1，4-苯撐吡啶並二咪唑、聚酯纖維、棉、麻以及紙所組成的群組，而該基體係選自：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS樹酯、尼龍、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚醚醚酮、聚醚酮、聚碸、聚苯碸、聚醚醯亞胺、聚醚碸、聚醯亞胺以及聚醯胺醯亞胺所組成之群組。
7. 一種熱塑性複合材料板材之製造裝置，包括：複數個進料滾輪，至少用以輸送一增強材與至少一基體；一壓板機，用以將該增強材與該基體相疊合；以及一定容設計之熔融成型裝置，設有包括：一加熱單元；一加壓單元；一冷卻單元；以及一加壓離型單元，設有一加壓帶，該加壓帶表面墊覆有一矽膠薄膜，其中，該加熱單元、該加壓單元與該冷卻單元係透過該加壓帶對該基體與該加強材進行加熱與加壓處理；該矽膠薄膜包括一呈粗糙而用於傳動之傳動面以及一呈光滑而接觸板材之加工面，且該矽膠薄膜之厚度係0.2~0.5mm。
8. 如申請專利範圍第7項所述之熱塑性複合材料板材之製造裝置，其進一步設置有一捲收滾輪或切割器。