Армированный волокнами композитный материал

Армированный волокнами композитный материал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к армированному волокнами композитному материалу, образованному из армирующих волокон и термопластического полимера, который является тонкостенным и превосходным по механическим свойствам и может обеспечивать изотропный формованный продукт.

Уровень техники

Армированный волокнами композитный материал, в котором углеродные волокна, арамидные волокна, стеклянные волокна или подобные используются в качестве армирующих волокон, широко применяется для структурных материалов самолетов, транспортных средств или подобного или, в обычной промышленности и спорте, для теннисных ракеток, ручек клюшек для гольфа и рыболовных удилищ, с использованием его высокой удельной прочности и высокой удельной упругости. Формы применяемых в нем армирующих волокон могут включать в себя тканое полотно, изготовленное с использованием непрерывных волокон, UD лист, в котором волокна натянуты и выровнены однонаправлено, беспорядочный лист, сделанный с использованием коротких волокон, нетканое волокно и подобное.

Обычно в случае ткани, изготовленной из непрерывных волокон, или UD листа и подобного применяют этапы составного наслаивания, такого как наслаивание при разных углах, например 0/+45/-45/90, вследствие анизотропии волокон и/или дополнительно плоскосимметричное наслаивание для предотвращения деформации формованного продукта. Это один из факторов, которые увеличивают стоимость армированного волокнами композитного материала.

Таким образом, при предварительном использовании изотропной беспорядочной основы может быть получен относительно недорогой, армированный волокнами композитный материал. Беспорядочный мат может быть получен способом распыления (способ сухого получения), в котором распыление только резаных армирующих волокон или распыление резаных волокон вместе с термоотверждаемым полимером выполняют одновременно в форму, или способом производства бумаги (мокрый способ) с добавлением предварительно порезанных, армирующих волокон в водную суспензию, содержащую связующее, с последующим изготовлением бумаги. Способ сухого получения требует относительно небольшое устройство и, таким образом, позволяет получать беспорядочный мат с меньшей стоимостью.

В способе сухого получения часто используют способ резки непрерывных волокон и одновременного распыления резаных волокон и применяют, главным образом, вращающийся резак. Однако когда интервал между лезвиями резака расширяют, чтобы увеличить длину волокна, частота резания снижается и, таким образом, приводит к прерывистому выпуску волокон из резака. По этой причине возникает локальная неоднородность массы волокон на единицу площади в мате. Особенно когда делают мат с низкой массой волокон на единицу площади, существует проблема в том, что неоднородность по толщине становится существенной и, таким образом, вид поверхности ухудшается.

Между тем, другим фактором, который увеличивает стоимость армированного волокнами композитного материала, является длительное время, требуемое для формования. Обычно армированный волокнами композитный материал получают путем нагрева и прессования материала, называемого препрег, с помощью автоклава в течение 2 часов или больше, где препрег предварительно получают путем пропитки армирующего волокнистого базового материала термоотверждаемым полимером. Недавно был предложен способ RTM формования, в котором армирующий волокнистый базовый материал, не пропитанный полимером, помещают в форму и туда наливают термоотверждаемую смолу. Это существенно сокращает время формования. Однако, даже хотя RTM способ принят, время, требуемое для формования одной детали, составляет 10 минут или больше.

Поэтому центром внимания стал композитный материал, использующий в качестве матрицы термопластическую смолу вместо обычной термоотверждаемой смолы. Однако термопластическая смола обычно имеет более высокую вязкость, чем термоотверждаемая смола, и, таким образом, имеет проблему в том, что время для пропитки волокнистого базового материала расплавленной смолой является длительным и, в результате, период времени до формования удлиняется.

В качестве способа для решения указанных проблем предложен способ, называемый термопластическим штампующим формованием (ТР-SMC). Это способ формования, в котором штапелированное волокно, пропитанное термопластической смолой, заранее нагревают до точки плавления полимера или больше, или температуры плавления полимера или больше, и помещают в часть формы и немедленно закрывают форму. В данном способе волокнам и смоле позволяют протекать в форму, принимая форму продукта, с последующим охлаждением с образованием формованного продукта. В данном способе, так как используют волокна, заранее пропитанные смолой, можно формовать за короткое время, около 1 минуты. Способ изготовления пучка штапелированного волокна и формующего материала раскрывается в патентных документах 1 и 2. Однако описанный способ применяет формующий материал, называемый SMC или штампуемый лист. В таком термопластическом штампующем формовании волокна и смола сильно растекаются внутри формы, и, таким образом, ориентация волокон нарушается. В случае беспорядочного мата, использующего резаные волокна, недостаток изотропии вызывается однонаправленной ориентацией волокон. В результате, величина развития физических свойств изотропного материала снижается из-за однонаправленной ориентации, вызванной протеканием смолы и армирующих волокон. Также, при формовании в форме необходимо изучать сопровождающее течение армирующих волокон и полимерной матрицы, особенно, температуру формования и структуру формования, чтобы обеспечить стабильность в направлении толщины и плоскостном направлении формованного продукта. Таким образом, существует проблема в том, что трудно подстраивать производственные условия при массовом производстве, а также трудно изготавливать тонкостенный продукт. Между тем, для композитного материала, использующего термопластическую смолу, предложена технология, в которой длинноволокнистую гранулу, которая содержит армирующие волокна, подвергают инжекционному формованию. Однако длинноволокнистая гранула также имеет ограничение на длину гранулы. Кроме того, существует проблема в том, что армирующие волокна в термопластической смоле режутся при перемешивании и, таким образом, длина армирующих волокон может не сохраняться. Также, способ формования путем такого инжекционного формования имеет проблему в том, что армирующие волокна ориентируются, и, таким образом, может не достигаться изотропия.

Также в качестве средства для тонкостенного продукта без протекания волокон предлагается способ изготовления препрега, в котором тонкий лист изготавливают из армирующих волокон с помощью способа производства бумаги, и затем данный тонкий лист пропитывают смолой (патентный документ 3). В способе производства бумаги, поскольку армирующие волокна равномерно диспергированы в дисперсионной жидкости, армирующие волокна находятся в виде одиночных волокон.

(Патентный документ 1) японская выложенная патентная публикация № 2009-114611

(Патентный документ 2) японская выложенная патентная публикация № 2009-114612

(Патентный документ 3) японская выложенная патентная публикация № 2010-235779

Сущность изобретения

Решаемые проблемы

Задачей настоящего изобретения является обеспечить армированный волокном композитный материал, образованный с помощью армирующих волокон и термопластической смолы, который является тонкостенным и превосходным по механическим свойствам и может обеспечивать изотропный формованный продукт. Кроме того, в армированном волокном композитном материале настоящего изобретения армированный волокном композитный материал имеет особые вязкоупругие свойства, и, таким образом, армирующие волокна и полимер матрицы могут протекать на заданном уровне внутри формы, так что формованный продукт может быть получен пространственно точно.

Средство решения проблем

Чтобы получить изотропный формованный продукт, который является тонкостенным и превосходным по механическим свойствам, были проведены обширные исследования. В результате было обнаружено, что, когда армированный волокном композитный материал имеет особые вязкоупругие свойства, термопластический полимер матрицы может легко пропитываться, и полимер матрицы и армирующие волокна могут протекать на заданном уровне, так что однонаправленная ориентация армирующих волокон может подавляться во время формования. Настоящее изобретение было сделано на основе этих открытий. То есть армированный волокном композитный материал настоящего изобретения, образованный с помощью армирующих волокон со средней длиной волокна от 5 мм до 100 мм и термопластической смолы, в котором в tanδ′, который представляет вязкоупругие свойства, определенный формулами (1) и (2), среднее значение tanδ′ в интервале от -25°С от точки плавления полимера матрицы до +25°С от точки плавления полимера матрицы удовлетворяет следующей формуле (3).

tanδ=G″/G′, (1)

tanδ′=Vf×tanδ/(100-Vf), (2)

0,01≤tanδ′≤0,2 (3)

(где G′ представляет модуль накопления (Па) армированного волокном композитного материала, G″ обозначает модуль потерь (Па) армированного волокном композитного материала и Vf обозначает объемную долю (%) армирующих волокон в армированном волокном композитном материале).

Армированный волокном композитный материал предпочтительно может быть получен путем формования беспорядочного мата, в котором армирующие волокна, включенные в композитный материал, имеют особую степень рыхления. В беспорядочном мате, который имеет армирующие волокна, имеющие особую степень рыхления, доля пучков армирующих волокон (А), образованных из армирующих волокон с критическим числом одиночных волокон или больше, заданным формулой (4), относительно полного количества армирующих волокон в мате составляет 20% об. или больше и меньше чем 90% об. и среднее число волокон (N) в пучках армирующих волокон (А) удовлетворяет следующей формуле (5).

Критическое число одиночных волокон=600/D, (4)

0,7×10⁴/D²<N,1×10⁵/D² (5)

(где D представляет средний диметр волокна (мкм) одиночных армирующих волокон).

Эффект изобретения

Посредством армированного волокнами композитного материала настоящего изобретения может быть обеспечен формованный продукт с превосходной видимой поверхностью с высокой размерной точностью. Здесь высокая размерная точность указывает, что формованный продукт может быть сформован с требуемой толщиной и формованное изделие может быть получено в соответствии с формой шаблона. В особенности, размер толщины формованного продукта сильно зависит от свойств материала, таких как прочность на разрыв или прочность на изгиб, и, в итоге, становится критическим фактором, который определяет, может ли быть изготовлен формованный продукт в виде структурного тела согласно желаемым величинам. Таким образом, велик эффект того, что формованный продукт согласно желаемым величинам может быть получен с использованием армированного волокнами композитного материала настоящего изобретения.

Также, когда армированный волокном композитный материал настоящего изобретения используют для формования, формованное изделие может быть тонким и изотропным, и свойства, следующие форме, могут быть обеспечены в сложной трехмерной форме. Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения может быть использован в качестве заготовки для различных типов структурных элементов, например внутренней плиты, внешней плиты и конструктивных элементов транспортного средства, различных электрических продуктов, рамы и корпуса машины.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематичный вид, изображающий этап резки пучка волокон.

Фиг.2 представляет собой схематичный вид, изображающий переднюю сторону и поперечное сечение вращающегося спирального резака.

Фиг.3 представляет собой схематичный вид, изображающий переднюю сторону и сечение вращающегося резака, разделяющего волокна.

Фиг.4 показывает результаты измерения tanδ′ в армированном волокнами композитном материале из примера 1.

Фиг.5 показывает результаты измерения tanδ′ в армированном волокнами композитном материале из примера 2.

Фиг.6 показывает результаты измерения tanδ′ в армированном волокнами композитном материале из сравнительного примера 1.

Лучший вариант осуществления изобретения

Далее будут последовательно описаны типичные варианты осуществления настоящего изобретения.

[Армированный волокном композитный материал]

Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения образован с помощью армирующих волокон со средней длиной волокна от 5 мм до 100 мм и термопластической смолы, где упругий компонент является, по существу, доминирующим в деформационных свойствах композитного материала.

Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения отличается тем, что в tanδ′, который представляет вязкоупругие свойства, определенном следующими формулами (1) и (2), среднее значение tanδ′ в интервале от -25°С от точки плавления полимера матрицы до +25°С от точки плавления полимера матрицы удовлетворяет формуле (3).

tanδ=G″/G′, (1)

tanδ′=Vf×tanδ/(100-Vf), (2)

0,01≤tanδ′≤0,2 (3)

(где G′ представляет модуль накопления (Па) армированного волокном композитного материала, G″ представляет модуль потерь (Па) армированного волокном композитного материала и Vf обозначает объемную долю (%) армирующих волокон в армированном волокном композитном материале).

Здесь выражение “упругий компонент является, по существу, доминирующим в деформационных свойствах композитного материала” означает, что в термической деформации композитного материала безразмерное отношение G″/G′ для некоторой объемной доли армирующих волокон, включенных в композитный материал, составляет не больше чем 0,2, где G″ показывает вязкий компонент, определяющий параметры течения материала, т.е. модуль потерь композитного материала, а G′ показывает компонент, определяющий параметры сохранения формы материала, т.е. модуль накопления композитного материала.

[Армирующие волокна в армированном волокном композитном материале]

Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения отличается тем, что он включает в себя армирующие волокна, которые являются длинными до некоторой степени и, таким образом, могут демонстрировать армирующую функцию. Длина волокна армирующих волокон выражается средней длиной волокна, которая получается путем измерения длины волокна армирующих волокон в армированном волокном композитном материале. Это может быть способ измерения средней длины волокна, в котором, после удаления смолы в печи при 500°С в течение около 1 часа, длины 100 произвольно отобранных волокон измеряют с точностью до 1 мм, используя штангенциркуль с нониусом или лупу, и получают их среднее значение.

В армированном волокнами композитном материале настоящего изобретения средняя длина волокна армирующих волокон находится в интервале от 5 мм до 100 мм, предпочтительно от 10 мм до 100 мм, более предпочтительно от 15 мм до 100 мм и еще более предпочтительно от 15 мм до 80 мм. Более того, интервал от 20 мм до 60 мм является предпочтительным.

В предпочтительном примере изготовления композитного материала, описанном ниже, когда армирующие волокна режут на фиксированную длину, чтобы изготовить беспорядочный мат, средняя длина волокна армирующих волокон в беспорядочном мате и композитном материале является почти такой же, как длина резаных волокон.

Данный композитный материал пригоден в качестве препрега для формования, и его плотность может быть выбрана различной согласно требуемой форме продукта. Масса волокон на единицу площади для армирующих волокон в композитном материале предпочтительно находится в интервале от 25 г/м² до 4500 г/м².

Предпочтительно, в армирующих волокнах в армированном волокном композитном материале существуют пучки армирующих волокон (А), образованные армирующими волокнами с критическим числом одиночных волокон или больше, заданным формулой (4), армирующие волокна в одиночной форме и пучки волокон, имеющие число одиночных волокон меньше критического числа одиночных волокон.

Критическое число одиночных волокон=600/D (4)

(где D представляет средний диаметр волокна (мкм) одиночных армирующих волокон).

В армирующих волокнах в армированном волокнами композитном материале доля пучков армирующих волокон (А) относительно суммарного количества волокон в армированном волокнами композитном материале предпочтительно составляет 20% об. или больше и меньше чем 90% об. Эта доля более предпочтительно составляет 30% об. или больше и меньше чем 90% об.

В армирующих волокнах в армированном волокнами композитном материале среднее число волокон (N) в пучках армирующих волокон (А) предпочтительно удовлетворяет следующей формуле (5).

0,7×10⁴/D²<N<1×10⁵/D² (5)

(где D представляет средний диаметр волокна (мкм) одиночных армирующих волокон).

В особенности, среднее число волокон (N) в пучках армирующих волокон (А), образованных армирующими волокнами с критическим числом одиночных волокон или больше, предпочтительно меньше чем 6×10⁴/D².

Армированный волокном композитный материал предпочтительно может быть изготовлен путем пресс-формования беспорядочного мата, который содержит армирующие волокна и термопластическую смолу. Степень рыхления армирующих волокон в армированном волокнами композитном материале, по существу, сохраняется, как в беспорядочном мате. В армирующих волокнах в армированном волокнами композитном материале доля пучков (А) армирующих волокон и среднее число волокон (N) в пучках (А) армирующих волокон предпочтительно могут регулироваться, чтобы находиться внутри вышеуказанного интервала, путем регулирования доли пучков (А) армирующих волокон в беспорядочном мате и среднего числа волокон (N) в пучках (А) армирующих волокон в беспорядочном мате. Предпочтительный способ регулирования доли пучков (А) армирующих волокон в беспорядочном мате и среднего числа волокон будет описан ниже.

Армирующие волокна, которые образуют армированный волокнами композитный материал, предпочтительно имеют, по меньшей мере, один тип, выбранный из группы, состоящей из углеродного волокна, арамидного волокна и стеклянного волокна. Они могут быть использованы в комбинации. Среди них углеродное волокно является предпочтительным с точки зрения обеспечения композитного материала, который является легким и превосходным по прочности. В случае углеродного волокна средний диаметр волокна предпочтительно находится в интервале от 3 мкм до 12 мкм и более предпочтительно от 5 мкм до 7 мкм.

Что касается армирующих волокон, предпочтительно используют волокна, добавленные с клеящим агентом. Клеящий агент предпочтительно используют в количестве от более чем 0 частей до 10 частей по массе в расчете на 100 частей по массе армирующих волокон.

[Термопластическая смола в армированном волокнами композитном материале]

Нет особых ограничений на тип термопластической смолы, которая составляет армированный волокнами композитный материал, и ее примеры могут включать винилхлоридный полимер, винилиденхлоридный полимер, винилацетатный полимер, поливиниловый спирт, полистирольный полимер, акрилонитрил-стирольный полимер (AS полимер), акрилонитрил-бутадиен-стирольный полимер (ABS полимер), акрильный полимер, метакрильный полимер, полиэтилен, полипропилен, полимер полиамид 6, полимер полиамид 11, полимер полиамид 12, полимер полиамид 46, полимер полиамид 66, полимер полиамид 610, полиацетальный полимер, поликарбонатный полимер, полиэтилентерефталатный полимер, полиэтиленнафталатный полимер, полибутилентерефталатный полимер, полибутиленнафталатный полимер, полиарилатный полимер, полифениленэфирый полимер, полифениленсульфидный полимер, полисульфоновый полимер, полиэфирсульфоновый полимер, полиэфирэфиркетоновый полимер, полилактоновый полимер и так далее. Среди них предпочтительным является, по меньшей мере, один тип, выбранный из группы, состоящей из полимера полиамид 6 и полипропилена. Эти термопластические смолы могут быть использованы в одиночку или в комбинации из двух или более из них.

Термопластическая смола находится в армированном волокнами композитном материале в количестве предпочтительно от 50 частей до 1000 частей по массе в расчете на 100 частей по массе армирующих волокон. Более предпочтительно, термопластическая смола присутствует в количестве от 55 частей до 500 частей по массе в расчете на 100 частей по массе армирующих волокон и еще более предпочтительно термопластическая смола присутствует в количестве от 60 частей по массе до 300 частей по массе в расчете на 100 частей по массе армирующих волокон.

В армированном волокнами композитном материале объемная доля армирующих волокон (Vf), определяемая следующей формулой (7), предпочтительно составляет от 5% до 80%.

Объемная доля армирующих волокон (Vf)=100 × объем армирующих волокон/(объем армирующих волокон + объем термопластической смолы) (7)

Объемная доля армирующих волокон (Vf) отражает состав армирующих волокон и термопластической смолы, включенных в армированный волокнами композитный материал, то есть формованный продукт, образованный с помощью армированного волокнами композитного материала. Когда объемная доля армирующих волокон меньше чем 5%, армирующий эффект может быть недостаточно выражен. Также, когда данное содержание больше чем 80%, существует возможность, что в армированном волокнами композитном материале легко возникает пустота, и физические свойства формованного продукта могут быть ухудшены. Более предпочтительно, когда объемная доля армирующих волокон составляет от 20% до 60%.

В одном примере конкретного способа вычисления указанной объемной доли армирующих волокон (Vf), значения массы армирующих волокон и термопластической смолы получают путем удаления термопластической смолы из образца формованного продукта и преобразовывают в объемы, используя плотности соответствующих компонентов, и величины объемов подставляют в вышеприведенную формулу.

В качестве способа удаления термопластической смолы из образца формованного продукта просто и предпочтительно может быть использован способ, использующий удаление сжиганием (термическим разложением), когда армирующие волокна представляют собой неорганические волокна, такие как углеродные волокна или стеклянные волокна. В этом случае массу достаточно высушенного образца формованного продукта взвешивают и затем обрабатывают, используя электрическую печь или подобное, при 500°С-700°С в течение от 5 до 60 минут, чтобы сжечь составляющую термопластическую смолу. Армирующие волокна, оставшиеся после сгорания, оставляют остывать в сухой атмосфере и взвешивают, чтобы вычислить массы соответствующих компонентов.

В качестве способа удаления термопластической смолы из образца формованного продукта есть другой предпочтительный способ, в котором используют химический материал, способный легко разлагать или растворять термопластическую смолу, так что термопластическая смола может быть удалена путем разложения или растворения. Более конкретно, взвешивают массу образца формованного продукта, сформованного в тонкий кусок, имеющий площадь от 1 см² до 10 см², и затем химический материал, способный растворять или разлагать термопластическую смолу, может быть использован, чтобы извлечь растворенный в ней компонент. Потом остаток промывают и сушат и затем взвешивают, чтобы вычислить массы соответствующих компонентов. Например, в случае, когда термопластическая смола представляет собой полипропилен, полипропилен может быть растворен с использованием нагретого толуола или ксилола. В случае, когда термопластическая смола представляет собой полиамид, полиамид можно разложить, используя нагретую муравьиную кислоту. Когда смола представляет собой поликарбонат, поликарбонат можно растворить, используя хлорированный углеводород.

Когда армированный волокном композитный материал получают из беспорядочного мата, отношение величины подачи (в расчете на массу) армирующего волокна к смоле при изготовлении беспорядочного мата можно рассматривать как массовое отношение содержания армирующего волокна к содержанию смолы в беспорядочном мате.

[Другие агенты]

Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения может включать в себя различные типы волокнистых и не волокнистых наполнителей, сделанных из органического волокна или неорганического волокна, или добавки, такие как огнезащитный состав, анти-УФ агент, пигмент, освобождающий агент, смягчающий агент, пластификатор или поверхностно-активное вещество, в пределах, которые не вредят задаче настоящего изобретения.

[Характеристика текучести армированного волокном композитного материала]

На этапе нагрева внутри формы во время формования удерживание материала внутри интервала текучести на заданном уровне оказывает предпочтительное влияние на сдерживание скорости развития физических свойств армирующего волокна анизотропного материала и точность размеров продукта. Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения отличается тем, что в tanδ′, который демонстрирует вязкоупругие свойства, заданном формулами (1) и (2), средняя величина tanδ′ в интервале от -25°С от точки плавления матричного полимера до +25°С от точки плавления матричного полимера удовлетворяет следующей формуле (3).

tanδ=G″/G′, (1)

tanδ′=Vf×tanδ/(100-Vf) (2)

(где G′ представляет модуль накопления (Па) армированного волокном композитного материала, G″ обозначает модуль потерь (Па) армированного волокном композитного материала и Vf представляет объемную долю (%) армирующих волокон в армированном волокном композитном материале).

0,01≤tanδ′≤0,2. (3)

Здесь G′ представляет упругую составляющую материала, а G″ представляет вязкую составляющую. При свойствах материала, имеющих и вязкую составляющую, и упругую составляющую, tanδ′ показывает, в виде отношения вязкой составляющей и упругой составляющей, поведение, когда материал деформируется нагрузкой, и показывает, какая из вязкой составляющей и упругой составляющей проявляется в качестве доминирующего поведения. Когда влияние вязкости больше, tanδ имеет большее значение. Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения отличается тем, что, в интервале от -25°С от точки плавления матричного полимера до +25°С от точки плавления матричного полимера, tanδ′, который показывает вязкоупругие свойства, является, по существу, постоянным. Кроме того, армированный волокном композитный материал настоящего изобретения предпочтительно удовлетворяет формуле (3) даже в интервале от -25°С от точки плавления матричного полимера до +35°С от точки плавления матричного полимера.

Когда tanδ′ меньше чем 0,01, модуль накопления G′ армированного волокном композитного материала относительно выше, чем модуль потерь G″, и материал становится жестким материалом, в котором армирующие волокна и матричный полимер никогда не текут во время нагрева. Таким образом, во время нагрева на этапе пресс-формования, свойство материала следовать форме ослабляется, и, таким образом, трудно получить заданную форму продукта. Между тем, когда величина tanδ′ больше чем 0,2, влияние модуля накопления G′ относительно ниже, чем модуля потерь G″, и данный материал позволяет армирующим волокнам и матричному полимеру легко течь во время нагрева. Таким образом, возникает значительная однонаправленная ориентация армирующих волокон. Когда величина tanδ′ составляет от 0,01 до 0,2, можно обеспечить свойство следования в сложную трехмерную форму путем слабой текучести материала в интервале, способном обеспечивать размеры продукта согласно конечной форме продукта из композитного материала.

Средняя величина tanδ′ в интервале от -25°С от точки плавления матричного полимера до +25°С от точки плавления матричного полимера более предпочтительно составляет от 0,02 до 0,15.

Фиг.4 и 5 показывают результаты измерения tanδ′, отражающего вязкоупругие свойства, в одном примере армированного волокном композитного материала настоящего изобретения, в котором армированный волокном композитный материал включает в себя полиамид в качестве матрицы и углеродные волокна в качестве армирующих волокон и объемная доля углеродных волокон составляет 30%. Фиг.4 показывает результаты измерения вязкоупругих свойств (то есть tanδ′) армированного волокном композитного материала, полученного из беспорядочного мата, в котором доля пучков армирующих волокон (А), образованных армирующими волокнами с критическим числом одиночных волокон или больше, заданным формулой (4), составляет 30% об. или больше относительно полного количества волокон в мате. Фиг.5 показывает результаты измерения вязкоупругих свойств (tanδ′) армированного волокном композитного материала, полученного из беспорядочного мата, в котором доля пучков армирующих волокон (А) составляет 70% об. Горизонтальная ось показывает диапазон температуры нагрева вокруг точки плавления (Tm) матричного полимера (в этом примере точка плавления матричного полимера составляет 225°С и температура измерения меняется от 200°С до 260°С). Вертикальная ось показывает величины tanδ′ армированного волокном композитного материала. Как можно видеть из этого, когда доля пучков армирующих волокон (А), образованных армирующими волокнами с критическим числом одиночных волокон или больше, составляет 30% или 70%, армированный волокном композитный материал, полученный из беспорядочного мата, включающего данные пучки армирующих волокон (А), демонстрирует, по существу, стабильные величины tanδ′ в интервале от -25°С от точки плавления матричного полимера до +25°С от точки плавления матричного полимера или в интервале от -25°С от точки плавления матричного полимера до +35°С от точки плавления матричного полимера. То есть армированный волокном композитный материал настоящего изобретения демонстрирует, по существу, стабильные вязкоупругие свойства в широком температурном интервале, который представляет собой интервал от -25°С от точки плавления матричного полимера до +35°С от точки плавления матричного полимера или интервал от -25°С от точки плавления матричного полимера до +35°С от точки плавления матричного полимера и показывает, что данный материал имеет параметры, способные сохранять формуемость материала и размерную точность независимо от температурных условий внутри формы во время формования.

Более конкретно, вязкоупругие свойства могут регулироваться путем выбора доли пучков армирующих волокон (А) в беспорядочном мате в качестве исходного материала для армированного волокном композитного материала или в армированном волокном композитном материале. В особенности, когда доля пучков армирующих волокон (А) составляет от 20% до 40%, особенно от 30% до 40%, материал имеет сравнительно высокое влияние модуля накопления G′ относительно модуля потерь G″, и, таким образом, предполагается, что во время нагрева данного материала в форме армирующие волокна и матричный полимер требуют только легкого протекания для обеспечения формуемости.

Между тем, когда доля пучков армирующих волокон (А) составляет 70% или больше и меньше чем 90%, материал имеет сравнительно низкое влияние модуля накопления G′ относительно модуля потерь G″, и, таким образом, предполагается, что во время нагрева данного материала в форме армирующие волокна и матричный полимер требуют протекания при заданном уровне, чтобы подавить однонаправленную ориентацию армирующих волокон, так что формуемость в сложную форму может гарантироваться только при сохранении изотропности.

[Беспорядочный мат]

Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения, который удовлетворяет особым вязкоупругим свойствам и образован с помощью армирующих волокон и термопластической смолы, может быть предпочтительно получен путем формования беспорядочного мата, в котором армирующие волокна удовлетворяют особой степени рыхления. Беспорядочный мат, в котором присутствуют армирующие волокна с особой степенью рыхления, более конкретно, включает армирующие волокна со средней длиной волокна от 5 мм до 100 мм и термопластическую смолу, в которой масса армирующих волокон на единицу площади составляет от 25 г/м² до 3000 г/м², причем пучки армирующих волокон (А), образованные армирующими волокнами с критическим числом одиночных волокон или больше, заданным следующей формулой (4), включены с долей 20% об. или больше и меньше чем 90% об. относительно суммарного количества волокон в мате, и среднее число волокон (N) в пучках армирующих волокон (А) удовлетворяет следующей формуле (5).

Критическое число одиночных волокон=600/D, (4)

0,7×10⁴/D²<N<1×10⁵/D² (5)

(где D представляет средний диаметр волокна (мкм) одиночных армирующих волокон).

В плоскости беспорядочного мата армирующие волокна не ориентированы определенным образом, а диспергированы и расположены в случайных направлениях.

Композитный материал настоящего изобретения является изотропным в плоскости материалом. В формованном продукте с использованием настоящего изобретения может быть получено отношение модулей в двух перпендикулярных направлениях, чтобы количественно оценить изотропию формованного продукта. Когда отношение, полученное делением большего модуля на меньший среди значений модулей в двух направлениях формованного продукта, не превышает 2, данный продукт считается изотропным. Когда отношение не больше чем 1,3, продукт считается имеющим отличную изотропию.

В беспорядочном мате масса армирующих волокон на единицу площади составляет от 25 г/м² до 3000 г/м². Армированный волокном композитный материал настоящего изобретения, полученный из данного беспорядочного мата, применим в качестве препрега, и его масса волокон на единицу площади может быть выбрана различной согласно требуемому формованию.

Беспорядочный мат, который может предпочтительно обеспечивать армированный волокном композитный материал настоящего изобретения, включает в себя, в качестве армирующих волокон, пучки армирующих волокон (А), образованные армирующими волокнами с критическим числом одиночных волокон или больше, заданным следующей формулой (4).

Критическое число одиночных волокон=600/D (4)

(где D представляет средний диаметр волокна (мкм) одиночных армирующих волокон).

В беспорядочном мате, кроме пучков армирующих волокон (А), в качестве армирующих волокон содержатся армирующие волокна в одиночной форме и пучки волокон, имеющие число одиночных волокон меньше чем критическое число одиночных волокон.

Доля пучков армирующих волокон (А) относительно полного количества волокон в мате предпочтительно составляет 20% об. или больше и меньше чем 90% об. Меньший предел количества присутствующих пучков армирующих волокон предпочтительно составляет 30% об. Чтобы количество присутствующих пучков армирующих волокон составляло 20% об. или больше и меньше чем 90% об., в следующем предпочтительном способе изготовления, например, может выполняться управление, с помощью давления или подобного, воздуха, вдуваемого на этапе рыхления волокон. Также управление может выполняться путем регулирования размера пучков волокон, подвергаемых этапу резки, например ширины пучка или числа волокон на ширину. Более конкретно, существует способ расширения ширины пучков волокон с помощью растягивающего средства или подобного и воздействия этапа резки на пучки волокон, или способ обеспечения этапа продольной резки до этапа резки. Альтернативно, существует способ резки пучков волокон с использованием так называемого ножа для разделения волокон, имеющего множество установленных коротких лезвий, или способ одновременного выполнения резки и продольной резки. Предпочтительные условия будут описаны в разделе об этапе рыхления.

Кроме того, в беспорядочном мате, который может предпочтительно