Мат с произвольной ориентацией волокон и формованный продукт из армированного волокном композитного материала

Мат с произвольной ориентацией волокон и формованный продукт из армированного волокном композитного материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к мату с произвольной ориентацией волокон для использования в качестве промежуточного материала для формованных продуктов из армированного волокном композитного материала, в котором термопластичная смола используется в качестве матрицы, и к формованному продукту из армированного волокном композитного материала, полученному из мата с произвольной ориентацией волокон.

Предпосылки создания изобретения

Маты с произвольной ориентацией волокон, которые являются изотропными, используются в качестве армированных волокном композитных материалов, в которых углеродные волокна, арамидные волокна, стеклянные волокна или подобное используются как армирующие волокна, с точки зрения формуемости и простоты переработки. Указанные маты с произвольной ориентацией волокон могут быть получены, например, способом напыления (сухой способ), в котором резаные армирующие волокна выдуваются в формующую фильеру либо отдельно, либо одновременно с термоотверждающейся смолой, либо способом (мокрый способ), в котором армирующие волокна, которые были предварительно нарезаны, вводятся в суспензию, содержащую связующее, и указанная смесь формуется в лист бумагоделательным способом.

Как средство улучшения механических свойств композитного материала известно увеличение степени Vf объемного содержания армирующих волокон. В случае матов с произвольной ориентацией волокон, в которых используются резаные волокна, однако, трудно увеличить степень объемного содержания армирующих волокон ввиду наличия волокон, ориентированных в трехмерных направлениях, значительного переплетения волокон и т.п. Кроме того, в случае использования матов с произвольной ориентацией волокон трудно обеспечить то, чтобы армирующие волокна имели достаточную прочность, т.к. волокна являются прерывными, по сравнению со случаем, когда используются непрерывные волокна, и имеется проблема в том, что в полученном формованном продукте степень проявления прочности армирующих волокон является низкой до 50% теоретического значения. В непатентном документе 1 указан композитный материал, полученный из мата с произвольной ориентацией углеродных волокон, в котором термоотверждающаяся смола используется в качестве матрицы. В данном композитном материале степень проявления прочности составляет около 44% теоретического значения.

В случае традиционных композитных материалов, использующих термоотверждающуюся смолу в качестве матрицы, формованные продукты получают из промежуточных материалов, называемых препрегами, которые получают пропиткой армированного волокном материала термоотверждающейся смолой заранее, нагреванием и прессованием промежуточных материалов в течение 2 ч или более с использованием автоклава. В последние годы был предложен метод центробежного формования (RTM), в котором материал, содержащий армирующее волокно, не пропитанный термоотверждающейся смолой, укладывается в форму, и затем вливается термоотверждающаяся смола, и достигается заметное снижение времени формования. Однако, даже при использовании метода центробежного формования 10 мин или более длительный период требуется для формования каждого компонента.

Соответственно, композитные материалы, полученные с использованием термопластичной смолы в качестве матрицы вместо термоотверждающейся смолы, заслуживают внимания.

Формование термопластичной штамповкой (TP-SMC) с использованием термопластичной смолы в качестве матрицы (патентный документ 1) представляет собой способ, который содержит нагревание рубленых волокон, заранее пропитанных термопластичной смолой, при или выше температуры плавления, введение нагретых волокон в часть полости формы, немедленное смыкание формы, и затем волокнам и смоле позволяют течь в форме с получением в результате формы продукта с последующим охлаждением и формованием. В данном способе формование может осуществляться в короткий период времени около 1 мин при использовании волокон, заранее пропитанных смолой. Такая технология представляет собой способы, использующие формующиеся материалы, называемые как SMC, или используются штампующиеся листы. Термопластичная штамповка имеет проблемы, например, в том, что, поскольку волокна и смола должны течь в форме, тонкостенные продукты не могут быть получены, и ориентация волокон является неупорядоченной и трудной для регулирования.

Патентный документ 2 предлагает в качестве средства улучшения механических свойств и изотропии формованного продукта из армированного волокном композитного материала технологию, в которой углеродные волокна равномерно диспергируются в форме единственного волокна с избежанием в результате нарушения в том, что смолообогащенные части образуются в пространствах между пучками волокон, или в том, что смола не может пропитать внутренние части пучков волокон, давая в результате непропитанные части, а поэтому улучшать механические свойства и изотропию продукта.

Перечень ссылок

Патентные документы

Патентный документ 1: Японский патент № 4161409

Патентный документ 2: Опубликованная Международная заявка

WO 2007/097436

Непатентные документы

Непатентный документ 1: Composites, Part A (2007),

pp. 755-770

Краткое описание изобретения

Проблемы, решаемые изобретением

Однако, в прототипе, описанном выше, не были сделаны исследования по формованному продукту из армированного волокном композитного материала, который даже по механической прочности имеет превосходный предел прочности при растяжении и имеет высокую степень проявления прочности относительно теоретической прочности.

Целью настоящего изобретения является создание формованного продукта из армированного волокном композитного материала, который является изотропным и имеет превосходную механическую прочность, и маты с произвольной ориентацией волокон для использования в качестве его промежуточного материала. В частности, изобретение предусматривает создание формованного продукта из армированного волокном композитного материала, который представляет собой формованный продукт из армированного волокном композитного материала, полученный из мата с произвольной ориентацией волокон, и в котором мат армирующих волокон, введенный в него, имеет небольшую неравномерность толщины, является равномерным по механической прочности и имеет превосходный предел прочности при растяжении и высокую степень проявления прочности.

Средство решения проблем

Авторами изобретения установлено, что формованный продукт из армированного волокном композитного материала, который является превосходным в плане механической прочности, его изотропии и проявления механической прочности, может быть обеспечен матом с произвольной ориентацией волокон, который содержит как термопластичную смолу, так и прерывные армирующие волокна, имеющие определенные значения среднемассовой ширины волокна, коэффициент дисперсии волокон по средней ширине и среднемассовой толщины волокна. Изобретение является, таким образом, выполненным. Более конкретно, авторами изобретения установлено, что при регулировании армирующих волокон так, чтобы они были небольшими и одинаковыми по ширине волокна, армирующие волокна могут быть плотно введены в мат с произвольной ориентацией волокон, и может быть обеспечен формованный продукт из армированного волокном композитного материала, который является равномерным и имеет превосходную механическую прочность и высокую степень проявления прочности.

А именно, предметом настоящего изобретения является мат с произвольной ориентацией волокон, который содержит армирующие волокна, имеющие среднюю длину волокна 3-100 мм, и термопластичную смолу, в котором армирующие волокна удовлетворяют последующим положениям i)-iii), и формованный продукт из армированного волокном композитного материала, полученный формованием мата с произвольной ориентацией волокон.

i) Армирующие волокна имеют среднемассовую ширину (Ww) волокна, которая удовлетворяет следующему уравнению (1):

0 мм<(Ww)<2,8 мм (1)

ii) Армирующие волокна имеют коэффициент дисперсии (Ww/Wn) по средней ширине волокна, который составляет 1,00 или более и 2,00 или менее.

iii) Армирующие волокна имеют среднемассовую толщину волокна, которая является меньше среднемассовой ширины (Ww) волокна.

Полезные эффекты изобретения

Согласно настоящему изобретению в мате с произвольной ориентацией волокон, содержащем термопластичную смолу и армирующие волокна, введенные армирующие волокна имеют определенное распределение по ширине волокна. А именно, мат с произвольной ориентацией волокон по изобретению содержит армирующие волокна, которые являются небольшими и одинаковыми по ширине волокон и являются превосходными в плане проявления армирующей функции волокон, является гомогенным и имеет превосходную механическую прочность. Кроме того, мат с произвольной ориентацией волокон по изобретению является изотропным, поскольку волокна не являются вытянутыми в определенном направлении в плоскости, и показывает превосходную формуемость при использовании в качестве промежуточного формуемого материала.

Следовательно, формованный продукт из армированного волокном композитного материала, полученный из мата с произвольной ориентацией волокон по настоящему изобретению, имеет превосходную механическую прочность и является превосходным в плане его изотропии. Указанный формованный композитный материал отсюда является используемым в качестве различных составляющих элементов, таких как внутренние панели, наружные панели, и составляющих элементов для транспортных средств, рам и корпусов различных видов электрических продуктов или машин или подобного.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлена схема, которая показывает пример способа резки с использованием дискового ножа.

На фигуре 2 представлена схема, показывающая вид спереди и поперечное сечение одного примера предпочтительного дискового ножа.

На фигуре 3 представлена схема, которая показывает предпочтительный пример способов расширения/разделения волокон.

Варианты осуществления изобретения

Здесь варианты настоящего изобретения описываются в последовательности. Здесь далее хотя термин «вес» часто используется в отношении настоящего изобретения, «вес» в каждом случае означает «масса».

Настоящее изобретение относится к мату с произвольной ориентацией волокон, который содержит армирующие волокна, имеющие среднюю длину волокна 3-100 мм, и термопластичную смолу, в котором армирующие волокна удовлетворяют последующим положениям i)-iii).

i) Армирующие волокна имеют среднемассовую ширину (Ww) волокна, которая удовлетворяет следующему уравнению (1):

0 мм<(Ww)<2,8 мм (1)

ii) Армирующие волокна имеют коэффициент дисперсии (Ww/Wn) по средней ширине волокна, который определен как отношение среднемассовой ширины (Ww) волокна к среднечисленной ширине (Wn) волокна, которое составляет 1,00-2,00.

iii) Армирующие волокна имеют среднемассовую толщину волокна, которая является меньше среднемассовой ширины (Ww) волокна.

Среднемассовая ширина (Ww) волокна армирующих волокон, содержащихся в мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения, может быть определена с использованием следующего уравнения (5) по его ширине (далее иногда выражена как ширина волокна, или W_i) и массе (далее иногда выраженному как масса волокна, или w_i) каждого из достаточно большого числа армирующих волокон, извлеченных из мата с произвольной ориентацией волокон (предпочтительно, 200-1000 волокон, более предпочтительно, 300-1000 волокон, например, 300 волокон, извлеченных из куска мата с произвольной ориентацией волокон, вырезанного размером 100 мм × 100 мм) и общей массе w извлеченных армирующих волокон.

Ww=Σ(W_i×w_i/w) (5)

В уравнении (5) i представляет собой натуральное число от 1 до числа армирующих волокон, извлеченных из мата с произвольной ориентацией волокон.

Что касается мата с произвольной ориентацией волокон по настоящему изобретению, как показано в уравнении (1), среднемассовая ширина (Ww) волокна армирующих волокон является меньше 2,8 мм и, предпочтительно, меньше 2,0 мм. Среднемассовая ширина (Ww) волокна составляет, предпочтительно, больше 0,1 мм и меньше 2,0 мм, т.е. является представленной следующим уравнением (2):

0,1 мм<Ww<2,0 мм (2)

Более предпочтительно, она составляет больше 0,2 мм и меньше 1,6 мм, даже более предпочтительно, больше 0,2 мм и меньше 1,4 мм, и, особенно предпочтительно, больше 0,3 мм и меньше 1,2 мм. В том случае, когда среднемассовая ширина (Ww) волокна армирующих волокон составляет 2,8 или более, указанные армирующие волокна не являются небольшими и являются поэтому трудными для плотного введения в мат с произвольной ориентацией волокон. Отсюда имеются случаи, когда маты с произвольной ориентацией волокон имеют проблему в том, что проявление свойств (прочности) является плохим, и маты с произвольной ориентацией волокон имеют ухудшенную гомогенность. Отсутствует конкретный нижний предел для среднемассовой ширины (Ww) волокна армирующих волокон. Однако, в случае расширения и разделения армирующих волокон для того, чтобы снизить Ww до исключительно малого значения, имеется возможность получения, например, трудностей регулирования отношения распределения волокон по ширине.

В мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения коэффициент дисперсии по средней ширине волокна (Ww/Wn), определенный как отношение среднемассовой ширины волокна (Ww) к среднечисленной ширине волокна (Wn) содержащихся армирующих волокон, составляет 1,00 или более и 2,00 или менее и, предпочтительно, 1,30 или более и 1,95 или менее, более предпочтительно, 1,40 или более и 1,90 или менее. В случаях, когда указанный коэффициент дисперсии по средней ширине волокна (Ww/Wn, далее часто сокращенное просто до «коэффициент дисперсии») составляет 1,00 или более и 2,00 или менее, армирующие волокна являются одинаковыми по ширине волокна и обеспечивают мат с произвольной ориентацией волокон, который имеет улучшенную гомогенность, и у которого степень проявления прочности является выше. Тем не менее, нижний предел Ww/Wn составляет 1 по определению. За исключением, например, случая, когда армирующие волокна являются полностью раскрытыми в единичные волокна, необходимо для получения армирующих волокон, в которых Ww/Wn составляет строго 1, осуществлять работу, такую как способ, в котором армирующие волокна, иные, чем желательные, отсортировываются, или работу по точному регулированию и фиксированию ширины волокна заранее, с получением в результате чрезвычайно затруднительных способов получения. Однако, мат с произвольной ориентацией волокон, в котором Ww/Wn=1, является более предпочтительным, с точки зрения гомогенности. С точки зрения легкости переработки и сортирования армирующих волокон, коэффициента дисперсии по средней ширине волокна (Ww/Wn) составляет, предпочтительно, выше 1, более предпочтительно, 1,30 или выше.

Здесь среднемассовая ширина волокна (Ww) рассчитывается по следующему уравнению (4) после извлечения достаточно большого числа (I) армирующих волокон из мата с произвольной ориентацией волокон указанным выше образом относительно среднемассовой ширины волокна (Ww), измерения ширины волокна W_i каждого из указанных волокон и расчета значения Wn:

W_n=ΣW_i/I (4)

Армирующие волокна, содержащиеся в мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения, имеют среднемассовую толщину волокна, которая является меньше среднемассовой ширины волокна (Ww). Среднемассовая толщина волокна составляет, желательно, 1/5 или менее, предпочтительно, 1/10 или менее, более предпочтительно, 1/20 или менее, даже более предпочтительно, 1/50 или менее среднемассовой ширины волокна (Ww). В случае, когда среднемассовая толщина волокна армирующих волокон является равной среднемассовая ширина волокна (Ww), указанные армирующие волокна нежелательно ориентируются не только в направлениях плоскости, но также в направлении толщины, и имеется возможность возникновения проблемы в том, что переплетения волокон делают трудным увеличение отношение объемного содержания армирующих волокон.

В настоящем изобретении из размеров в двух направлениях, иных, чем продольное направление армирующего волокна, более короткий размер называется как «толщина», а другой размер называется как «ширина». В случае, когда размеры, соответственно, в двух перпендикулярных направлениях в поперечном сечении, которое является перпендикулярным к продольному направлению армирующего волокна, являются равными друг другу, размер по любому из двух направлений принимается за ширину армирующего волокна, а размер в другом направлении принимается за толщину армирующего волокна.

Среднемассовая толщина волокна армирующих волокон, содержащихся в мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения, составляет, предпочтительно, 0,01 мм или более и 0,30 мм или менее, более предпочтительно, 0,02 мм или более и 0,20 мм или менее, даже более предпочтительно, 0,03 мм или более и 0,15 мм или менее, особенно предпочтительно, 0,03 мм или более и 0,10 мм или менее. Пока среднемассовая толщина волокна армирующих волокон составляет 0,01 мм или более, нет необходимости осуществлять расширение до чрезвычайно большой ширины, и результирующая неравномерность толщины волокна склонна быть незначительной. С точки зрения пропитки термопластичной смолой в качестве матрицы, предпочтительно, среднемассовая толщина волокна армирующих волокон должна составлять 0,30 мм или менее.

Тем не менее, среднемассовая толщина t волокна армирующих волокон может быть определена при измерении толщины t_i волокна и определении массы w_i волокна каждого из всех извлеченных армирующих волокон при проведении такой же операции, как показано выше в отношении среднемассовой ширины волокна (Ww), и дополнительном определении общей массы w извлеченных армирующих волокон и затем расчете значения t с использованием следующего уравнения (7):

t=Σ(t_i×w_i/w) (7)

В плоскости мата с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения армирующие волокна не ориентированы в определенном направлении, но расположены дисперсными в произвольных направлениях. Мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения является промежуточным материалом, имеющим изотропию в плоскости. В формованном продукте, полученном переработкой мата с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения, изотропная характеристика армирующих волокон в мате с произвольной ориентацией волокон сохраняется. При получении формованного продукта из мата с произвольной ориентацией волокон и определении отношения модулей упругости при растяжении в двух направлениях, перпендикулярных друг другу, изотропные свойства мата с произвольной ориентацией волокон и формованного продукта, полученного из мата с произвольной ориентацией волокон, могут быть оценены количественно. В случаях, когда отношение, полученное делением большего значения на меньшее значение из значений модулей упругости при растяжении в двух направлениях в формованном продукте, полученном из мата с произвольной ориентацией волокон, не превышает 2, данный формованный продукт рассматривается как изотропный. В случаях, когда указанное отношение не превышает 1,3, данный формованный продукт рассматривается как имеющий превосходную изотропию.

Как описано выше, мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения состоит из введенных армирующих волокон, имеющих определенные среднемассовую ширину волокна, коэффициент дисперсии по средней ширине волокна и среднемассовую толщину волокна, и термопластичной смолы. Предпочтительно, мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения содержит мат армирующих волокон, образованный армирующими волокнами, и термопластичную смолу. Термин «мат армирующих волокон» в изобретении означает плоское тело (в форме мата), которое состоит из прерывных армирующих волокон и не содержит термопластичную смолу в качестве матрицы. Матом армирующих волокон согласно изобретению может быть мат, в котором армирующие волокна содержат проклеивающее вещество или связующее, используемое в небольшом количестве в процессе формования мата. Предпочтительно, матом армирующих волокон может быть мат, в котором армирующие волокна ориентированы произвольно в направлениях плоскости, и продольное и поперечное направления в плоскости по существу аналогичны друг другу по свойствам материала.

Тип армирующих волокон специально не ограничивается, и армирующие волокна могут быть одного типа или смесью двух или более типов.

Что касается формы термопластичной смолы в мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения, мат с произвольной ориентацией волокон может содержать мат армирующих волокон, который содержит термопластичную смолу в форме порошка, волокон, комков или подобного, или может быть матом, в котором мат армирующих волокон скрепляется термопластичной смолой как матрицей, или может быть матом, в котором термопластичная смола в форме листа, пленки или подобного помещается или наслаивается на мат армирующих волокон. Термопластичная смола мата с произвольной ориентацией волокон может находиться в расплавленном состоянии.

Разумеется, что в случаях, когда мат армирующих волокон, введенный в мат с произвольной ориентацией волокон изобретения, исследуется с определением среднемассовой ширины (Ww) волокна, коэффициент дисперсии волокна по ширине (Ww/Wn) и подобного, указанные значения могут рассматриваться как значения для мата с произвольной ориентацией волокон.

Мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения как таковой может непосредственно использоваться как предварительно отформованная заготовка для получения формованного продукта из армированного волокном материала (далее просто указывается как «формованный продукт»), имеющего конечную форму. Альтернативно, мат с произвольной ориентацией волокон может использоваться таким образом, что пропитывается термопластичной смолой при нагревания или подобного с получением препрега, и данный препрег используется для получения формованного продукта, имеющего конечную форму. Мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения содержит препрег, который пропитан термопластичной смолой.

Здесь термин «формованный продукт, имеющий конечную форму» означает формованный продукт, полученный прессованием и нагреванием либо мата с произвольной ориентацией волокон, либо формованной плиты из него, которые не подвергаются дополнительному нагреванию или прессованию (т.е. дополнительному формованию) для расплавления термопластичной смолы в качестве матрицы и приданию другой формы или толщины.

Соответственно, продукт, полученный резкой формованного продукта, который был получен прессованием и нагреванием мата с произвольной ориентацией волокон или подобного, в другую форму, или продукт, полученный истиранием формованного продукта со снижением его толщины или нанесением смолы или подобного на формованный продукт с увеличением его толщины, представляет собой формованный продукт, имеющий конечную форму. Кроме того, использование тепла как средства резки или переработки не рассматривается здесь как нагревание.

В случае, когда формуется мат с произвольной ориентацией волокон, в который термопластичная смола подается в расплавленном состоянии, когда подаваемая термопластичная смола формуется в расплавленном состоянии, формованный продукт может быть получен, например, формованием, включающим только прессование.

Мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения как таковой может подвергаться формованию в качестве предварительно отформованной заготовки или может быть превращен в формованную плиту и затем подвергнут формованию. Масса единицы площади волокна может быть выбрана из широкого интервала согласно желаемому формованию. Однако, масса единицы площади армирующих волокон в мате с произвольной ориентацией волокон составляет, желательно, 25-10000 г/м², предпочтительно, 50-4000 г/м², более предпочтительно, 600-3000 г/м², и даже более предпочтительно, 600-2200 г/м².

Поскольку армирующие волокна, содержащиеся в мате с произвольной ориентацией волокон изобретения, имеют определенные значения среднемассовой ширины волокна, коэффициент дисперсии по средней ширине волокна и среднемассовой толщины волокна, плоскость мата с произвольной ориентацией волокон содержит волокна, которые являются небольшими и одинаковыми по размеру, и мат армирующих волокон, введенный в мат с произвольной ориентацией волокон, имеет исключительно низкую неравномерность толщины. Соответственно, формованный продукт из армированного волокном композитного материала, полученный формованием мата с произвольной ориентацией волокон, является гомогенным и является превосходным в плане проявления свойств армирующих волокон. В качестве показателя неравномерности толщины может быть использован коэффициент вариации CV (%). Один пример методик определения CV (%) толщины мата армирующих волокон, введенного в мат с произвольной ориентацией волокон, показан ниже.

Сначала квадратный пластинчатый образец, имеющий соответствующий размер, например, 100×100 мм, вырезают из мата с произвольной ориентацией волокон, и отделяют от него термопластичную смолу. Указанный мат армирующих волокон помещают в герметичный мешок, который вакуумируют до - 0,09 МПа или мене. На мешок, которым покрыт образец, с интервалом 10 мм наносят метки в виде решетки, и его толщину измеряют микрометром с точностью до 1/1000 мм. Измерения выполняют на пяти линиях x пять рядов, т.е. в 25 точках. Толщину мешка вычитают из каждой измеренной толщины, и рассчитывают среднее значение и стандартное отклонение. Коэффициент вариации CV (%) толщины мата армирующих волокон может быть рассчитан с использованием следующего выражения:

Коэффициент вариации CV (%)=[(стандартное отклонение)/

(среднее значение)]×100 (3)

В том случае, когда термопластичная смола является неспособной отделяться от мата с произвольной ориентацией волокон, делая невозможным определение неравномерности толщины мата армирующих волокон, измерения выполняют после удаления термопластичной смолы путем нагревания таким же образом, как для формованных продуктов из армированного композитного материала, которые будут описаны далее.

Тем не менее, степень неравномерности толщины мата армирующих волокон в мате с произвольной ориентацией волокон сохраняется в отношении армирующих волокон, введенных в формованный продукт из армированного композитного материала, полученный формованием мата с произвольной ориентацией волокон.

Армирующее волокно

Армирующие волокна, содержащиеся в мате, с произвольной ориентацией волокон являются прерывными и характеризуются тем, что армирующая функция может быть проявлена благодаря включению армирующих волокон, которые являются в некоторой степени длинными. Длина волокна выражается как средняя длина волокна, определенная при измерении длин волокна армирующих волокон, содержащихся в полученном мате с произвольной ориентацией волокон. Примеры методов определения средней длины волокна включают в себя метод, в котором длины произвольно извлеченных 100 волокон измеряются штангенциркулем с точностью порядка 1 мм, и определяется среднее значение.

Средняя длина волокна армирующих волокон в мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения составляет от 3 мм или более и 100 мм или менее, желательно, 5 мм или более и 80 мм или менее, предпочтительно, 10 мм или более и 80 мм или менее, более предпочтительно, 10 мм или более и 60 мм или менее, даже более предпочтительно, 12 мм или более и 45 мм или менее. Что касается распределения волокон по длине, волокна могут иметь единственную длину или могут быть смесью двух или более типов волокон, различающихся по длине.

В случае, когда армирующие волокна режут с фиксированной длиной предпочтительным способом резки армирующих волокон, который описан далее, и резаные армирующие волокна используются для получения мата с произвольной ориентацией волокон, средняя длина волокна является равной длине резаных волокон.

Армирующие волокна являются, предпочтительно, по меньшей мере, одного типа, выбранного из группы, состоящей из углеродных волокон, арамидных волокон и стеклянных волокон. В качестве армирующих волокон, составляющих мат с произвольной ориентацией волокон, углеродные волокна являются предпочтительными в том, что углеродные волокна могут обеспечить композитные материалы, которые являются легковесными, но имеют превосходную прочность. В качестве углеродных волокон общеизвестными являются полиакрилонитрилсодержащие углеродные волокна (здесь сокращено как ПАН-содержащие углеродные волокна), (нефтяной пек)содержащие углеродные волокна, (каменноугольный пек)содержащие углеродные волокна, вискозосодержащие углеродные волокна, целлюлозосодержащие углеродные волокна, лигнинсодержащие углеродные волокна, фенолсодержащие углеродные волокна, образующиеся в паровой фазе углеродные волокна и т.п. В настоящем изобретении любые из указанных углеродных волокон являются подходящими для использования. Особенно предпочтительными являются ПАН-содержащие углеродные волокна. Один из указанных типов углеродных волокон может использоваться в отдельности, или может использоваться смесь двух или более типов. Армирующие волокна, используемые в мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения, могут быть только углеродными волокнами или могут быть волокнами, которые содержат стеклянные волокна, арамидные волокна или другие волокна с целью, например, придания ударной прочности.

В случае углеродных волокон средний диаметр волокна составляет, предпочтительно, 1-50 мкм, более предпочтительно, 3-12 мкм, даже более предпочтительно, 5-9 мкм, еще даже более предпочтительно, 5-7 мкм.

Предпочтительно, что используемыми углеродными волокнами являются углеродные волокна с адгезированным проклеивающим веществом. Количество проклеивающего вещества составляет, предпочтительно, более 0 мас.ч. и не более 10 мас.ч. на 100 мас.ч. углеродных волокон.

Армирующие волокна в настоящем изобретении могут быть в раскрытом состоянии в форме единичного волокна или могут быть в форме пучков волокон, где каждый выполнен из множества единичных волокон, уложенных вместе, или могут быть в состоянии, в котором единичные волокна сосуществуют с пучками волокон.

Матричная смола

Матричной смолой, содержащейся в мате с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения, является термопластичная смола. Примеры типа термопластичной смолы включают в себя одну или более смол, выбранных из группы, состоящей из винилхлоридных смол, винилиденхлоридных смол, винилацетатных смол, смол поливинилового спирта, полистирольных смол, акрилонитрилстирольных смол (АС-смолы), акрилонитрилбутадиенстирольных смол (АБС-смолы), акриловых смол, метакриловых смол, полиэтиленовых смол, полипропиленовых смол, смол полиамида-6, смол полиамида-11, смол полиамида-12, смол полиамида-46, смол полиамида-66, смол полиамида-610, полиацетальных смол, поликарбонатных смол, полиэтилентерефталатных смол, полиэтиленнафталатных смол, полибутиленнафталатных смол, полибутилентерефталатных смол, полиарилатных смол, полифениленэфирныъх смол, полифениленсульфидных смол, полисульфоновых смол, поли(простой эфир)сульфоновых смол, поли(простой эфир)(простой эфир)кетоновых смол, смол поли(молочной кислоты) и т.п. В настоящем изобретении указанные термопластичные смолы могут использоваться в отдельности или как смесь двух или более из них или могут использоваться после превращения в сополимеры или модификаций.

Количество присутствующей матричной смолы на 100 мас.ч. армирующих волокон составляет, желательно, 10-800 мас.ч., предпочтительно, 20-300 мас.ч., более предпочтительно, 20-200 мас.ч., даже более предпочтительно, 30-150 мас.ч., особенно предпочтительно, 50-100 мас.ч.

Зависимость между содержанием армирующих волокон и содержанием термопластичной смолы может быть выражена также отношением объемного содержания армирующих волокон (далее часто сокращено как Vf), определенным по следующему уравнению:

Отношение объемного содержания армирующих волокон (% об.)=100×[(объем армирующих волокон)/((объем армирующих волокон) +(объем термопластичной смолы))]

Соотношение объемного содержания Vf армирующих волокон и содержания термопластичной смолы, которое выражено в мас.ч. на 100 мас.ч. армирующих волокон, преобразуется при использовании плотности армирующих волокон и плотности термопластичной смолы.

Мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения может содержать любые из различных волокнистых наполнителей, включая органические волокна и неорганические волокна, или неволокнистых наполнителей, и добавки, такие как антипирен, УФ-стабилизатор, пигмент, смазка для форм, мягчитель, пластификатор и поверхностно-активное вещество, если указанные ингредиенты не отклоняются от целей изобретения.

Формованный продукт из армированного волокном композитного материала

Мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения имеет преимущество наличия высокой формуемости, т.к. составляющие армирующие волокна имеют характеристики, описанные выше. Мат с произвольной ориентацией волокон настоящего изобретения может, предпочтительно, использоваться как промежуточный материал для получения формованного продукта из армированного волокном композитного материала.

А именно, настоящее изобретение содержит в качестве одного аспекта изобретения формованный продукт из армированного волокном композитного материала, полученный из мата с произвольной ориентацией волокон.

Предпочтительно, формованный продукт из армированного волокном композитного материала настоящего изобретения содержит армирующие волокна, имеющие среднюю длину волокна 3-100 мм, и термопластичную смолу, где армирующие волокна удовлетворяют следующим положениям i)-iii):

i) армирующие волокна имеют среднемассовую ширину волокна (Ww), которая удовлетворяет следующему уравнению (1):

0 мм<Ww<2,8 мм (1);

ii) армирующие волокна имеют коэффициент дисперсии (Ww/Wn), определенный как отношение среднемассовой ширины волокна (Ww) к среднечисленной ширине волокна (Wn) армирующих волокон, которое составляет 1,00 или более и 2,00 или менее;

iii) армирующие волокна имеют среднемассовую толщину волокна, которая является меньше, чем среднемассовая ширина волокна (Ww).

Толщина формованного продукта из армированного волокном композитного материала настоящего изобретения может регулироваться в соответствующем интервале путем регулирования массы единицы площади содержащихся армирующих волокон и содержания термопластичной смолы.

Тип армирующих волокон, составляющих формованный продукт из армированного волокном композитного материала настоящего изобретения, специально не ограничивается, и его предпочтительные примеры включают в себя волокна, перечисленные выше в разделе «Армирующие волокна» в описании мата с произвольной ориентацией волокон.

Тип смолы, составляющей формованный продукт из армированного волокном композитного материала настоящего изобретения, специально не ограничивается, и его предпочтительные примеры включают в себя смолы, перечисленные выше в разделе «Матричная смола» в описании мата с произвольной ориентацией волокон.

Содержание термопластичной смолы формованного продукта из армированного волокном композитного материала настоящего изобретения на 100 мас.ч. армирующих волокон составляет, желательно, 10-800 мас.ч., предпочтительно, 20-300 мас.ч., более предпочтительно, 20-200 мас.ч., даже более предпочтительно, 30-150 мас.ч., особенно, предпочтительно 50-100 мас.ч., как установлено выше по отношению к количеству термопластичной смолы в мате с произвольной ориентацией волокон.

Форма формованного продукта и