Термопластичный препрег, содержащий непрерывные и длинные волокна

Термопластичный препрег, содержащий непрерывные и длинные волокна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Родственные заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США № 61/357301, поданной 22 июня 2010 г., полное содержание которой включено в настоящий документ посредством данной ссылки.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Армированные композитные материалы (или «препреги») традиционно изготавливали из волокон (используя, например, углеродные или стеклянные волокна), которые пропитывали полимерной матрицей. Термореактивные полимеры (например, ненасыщенный сложный полиэфир, эпоксид, или полиимид) часто использовали в качестве матрицы, в частности, в приложениях, где требуется высокий уровень прочности. Одна проблема препрегов, изготавливаемых из термоотверждающихся полимеров, однако, заключается в том, что они, в основном, являются хрупкими и обладают неудовлетворительной ударопрочностью. Кроме того, часто хранение препрегов оказывается затруднительным вследствие непродолжительного срока хранения полимера. В попытке решения этих проблем в последнее время предпринимаются усилия в целях разработки термопластичных препрегов. Один такой препрег изготавливают из термопластичного полимера и однонаправленно выровненных непрерывных волокон. Такой препрег имеет превосходные характеристики в отношении модуля упругости и прочности в направлении оси волокна. Однако поскольку такие препреги обладают анизотропными механическими свойствами, для использования препрега требуется множество слоев, которые ориентированы в различных направлениях. Это неизбежно приводит к увеличению стоимости и толщины изготавливаемого в результате изделия. Другие попытки решения проблемы, связанной с термоотверждающимися препрегами, включают использование термопластичного полимера и штапелированных волокон, изготавливаемых нарезкой однонаправленно выровненных нитей. Хотя такие препреги проявляют улучшенные изотропные прочностные свойства, максимальная объемная доля армирующего волокна является, в основном, низкой, что приводит к относительно неудовлетворительным значениям модуля упругости и прочности. Кроме того, трудно регулировать механические свойства препрега посредством изменения объема таких штапелированных волокон.

Таким образом, в настоящее время существует потребность в способе изготовления термопластичных препрегов, который обеспечивает селективное регулирование их механических свойств в зависимости от конкретного приложения. Существует также потребность в термопластичных препрегах, которые обладают изотропными механическими свойствами.

Сущность изобретения

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения описан термопластичный препрег, включающий множество непрерывных волокон, которые, в основном, ориентированы в продольном направлении, и множество статистически распределенных длинных волокон, причем, по меньшей мере, некоторые из них ориентированы под углом относительно продольного направления. Непрерывные волокна составляют от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 80 мас.% препрега, и длинные волокна составляют от приблизительно 2 мас.% до приблизительно 35 мас.% препрега. Препрег также включает полимерную матрицу, которая содержит один или более термопластичных полимеров, и в которую внедрены непрерывные волокна и длинные волокна, причем термопластичные полимеры составляют от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 80 мас.% препрега. Соотношение максимального напряжения при растяжении препрега в продольном направлении и максимального напряжения при растяжении препрега в поперечном направлении составляет от приблизительно 1 до приблизительно 40.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения описан способ изготовления термопластичного препрега. Данный способ включает направление непрерывных волокон и длинных волокон в экструзионное устройство и направление термопластичного исходного материала в экструзионное устройство, где исходный материал включает, по меньшей мере, один термопластичный полимер. Непрерывные волокна, длинные волокна и термопластичный полимер экструдируют через пропиточную фильеру, получая экструдат, в котором непрерывные волокна перемешаны с длинными волокнами и внедрены в матрицу из термопластичного полимера.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения описан способ изготовления термопластичного препрега. Данный способ включает направление непрерывных волокон и термопластичного исходного материала в экструзионное устройство, где исходный материал включает, по меньшей мере, один термопластичный полимер. Непрерывные волокна и исходный материал экструдируют через пропиточную фильеру, получая экструдат, в котором непрерывные волокна внедрены в матрицу термопластичного полимера. После этого длинные волокна вводят к экструдат, получая композит.

Другие отличительные особенности и аспекты настоящего изобретения представлены ниже более подробно.

Краткое описание чертежей

Полное и достаточное для воспроизведения раскрытие настоящего изобретения, включающее наилучший способ его осуществления для специалиста в данной области техники представлено более конкретно в остальной части описания, включая ссылки на сопроводительные чертежи, в числе которых:

фиг. 1 представляет схематичную иллюстрацию одного варианта осуществления пропиточной системы для использования в настоящем изобретении;

фиг. 2A представляет вид поперечного сечения пропиточной фильеры, показанной на фиг. 1;

фиг. 2B представляет покомпонентный вид одного варианта осуществления коллектора в сборе и запорный канал для пропиточной фильеры, которую можно использовать в настоящем изобретении;

фиг. 2C представляет перспективный вид одного варианта осуществления пластины, по меньшей мере, частично определяющей пропиточную зону, которую можно использовать в настоящем изобретении;

фиг. 3 представляет поперечный вид поперечного сечения одного варианта осуществления препрега, изготовленного с помощью системы на фиг. 1;

фиг. 4 представляет вид продольного сечения препрега, изображенного на фиг. 3;

фиг. 5 представляет схематичную иллюстрацию одного варианта осуществления пултрузионной системы, которую можно использовать для изготовления профиля из препрега согласно настоящему изобретению;

фиг. 6 представляет поперечный вид поперечного сечения еще одного варианта осуществления препрега, изготовленного согласно настоящему изобретению;

фиг. 7 представляет вид продольного сечения препрега, изображенного на фиг. 6;

фиг. 8 представляет схематичную иллюстрацию еще одного варианта осуществления пропиточной системы для использования в изготовлении препрега согласно настоящему изобретению;

фиг. 9 представляет поперечный вид поперечного сечения одного варианта осуществления препрега, изготовленного с помощью системы на фиг. 8;

фиг. 10 представляет вид продольного сечения препрега, изображенного на фиг. 9; и

фиг. 11 представляет вид поперечного сечения одного варианта осуществления профиля, который можно изготавливать в соответствии с настоящим изобретением.

Повторное использование условных обозначений в настоящем описании и чертежах предназначено для представления одинаковых или аналогичных деталей или элементов настоящего изобретения.

Подробное описание представительных вариантов осуществления

Обычный специалист в данной области техники должен понимать, что настоящее обсуждение представляет собой лишь описание примерных вариантов осуществления и не предназначено в качестве ограничения более широких аспектов настоящего изобретения.

Вообще говоря, настоящее изобретение относится к препрегу, который содержит множество однонаправленно выровненных непрерывных волокон, внедренных в термопластичную полимерную матрицу. В дополнение к непрерывным волокнам, препрег также содержит множество длинных волокон, которые соединены с непрерывными волокнами таким образом, что они статистически распределяются в термопластичной матрице. В результате, по меньшей мере, некоторые длинные волокна оказываются ориентированными под углом (например, под прямым углом) относительно направления непрерывных волокон.

Несмотря на такую ориентацию, длинные волокна могут, как правило, улучшать механические свойства препрега в поперечном направлении (например, прочность), и, таким образом, получается более изотропный материал. Хотя уникальные изотропные препреги представляют собой один аспект настоящего изобретения, следует понимать, что данное требование не является обязательным. По существу, одна отличительная особенность настоящего изобретения представляет собой возможность изменения механических свойства препрега в зависимости от целевого применения путем селективного регулирования определенных технологических параметров, таких как тип используемых длинных волокон, тип используемых непрерывных волокон, концентрация длинных волокон, концентрация непрерывных волокон, используемый термопластичный полимер (полимеры) и т.д.

Далее разнообразные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно.

I. Непрерывные волокна

Термин «непрерывные волокна», как правило, означает волокна, нити, пряжу или пучки (например, пучки волокон), имеющие длину, которая, в основном, ограничена только длиной изделия. Например, такие волокна могут иметь длину, составляющую более чем приблизительно 25 мм, в некоторых вариантах осуществления приблизительно 50 мм или более и в некоторых вариантах осуществления, приблизительно 100 мм или более. Непрерывные волокна можно изготавливать из любого традиционного материала, известного в технике, такой как металлические волокна; стеклянные волокна (например, стекло E, стекло A, стекло C, стекло D, стекло AR, стекло R, стекло S1, стекло S2), углеродные волокна (например, графит), борные волокна, керамические волокна (например, из оксида алюминия или диоксида кремния), арамидные волокна (например, Kevlar®, который продает фирма E. I. duPont de Nemours (Вилмингтон, штат Делавэр)), синтетические органические волокна (например, полиамид, полиэтилен, парафенилен, терефталамид, полиэтилентерефталат и полифениленсульфид) и другие разнообразные натуральные или синтетические неорганические или органические волокнистые материалы, известные для армирования термопластичных композиций. Стеклянные волокна и углеродные волокна являются наиболее желательными для использования в непрерывных волокнах. Такие волокна часто имеют номинальный диаметр, составляющий от приблизительно 4 до приблизительно 35 мкм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 9 до приблизительно 35 мкм. Волокна могут быть скрученными или прямыми. Если это желательно, волокна могут находиться в форме пучков (например, пучков волокон), которые содержат волокна одного типа или волокна различных типов.

Отдельные пучки могут содержать различные волокна, или, в качестве альтернативы, каждый пучок может содержать волокна определенного типа. Например, в одном варианте осуществления определенные пучки могут содержать непрерывные углеродные волокна, в то время как другие пучки могут содержать стеклянные волокна. Число волокон, содержащихся в каждом пучке, может быть постоянным или изменяться при переходе от одного пучка к другому. Как правило, пучок может содержать от приблизительно 1000 волокон до приблизительно 50000 отдельных волокон и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2000 до приблизительно 40000 волокон.

II. Длинные волокна

При использовании в настоящем документе термин «длинные волокна», как правило, означает волокна, нити, пряжу или пучки, которые не являются непрерывными и, как правило, имеют длину, составляющую от приблизительно 0,5 до приблизительно 25 мм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,8 до приблизительно 15 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 12 мм. Длинные волокна можно изготавливать из любого материала, придавая им любую форму и/или размер, как описано выше по отношению к непрерывным волокнам. Стеклянные волокна и углеродные волокна являются наиболее желательными для использования в качестве длинных волокон.

III. Термопластичная матрица

Можно использовать любой из разнообразных термопластичных полимеров для изготовления термопластичных матриц, в которые внедрены непрерывные и длинные волокна. Подходящие термопластичные полимеры для использования в настоящем изобретении могут включать, например, полиолефины (например, полипропилен, сополимеры пропилена и этилена и т.д.), сложные полиэфиры (например, полибутилентерефталат (PBT)), поликарбонаты, полиамиды (например, Nylon™), простые полиэфиркетоны (например, простой полиэфирэфиркетон (PEEK)), простые полиэфиримиды, полиариленкетоны (например, полифенилендикетон (PPDK)), жидкокристаллические полимеры, полиариленсульфиды (например, полифениленсульфид (PPS)), фторсодержащие полимеры (например, сополимер политетрафторэтилена и перфторметилвинилэфира, перфторалкоксиалкановый полимер, тетрафторэтиленовый полимер, сополимер этилена и тетрафторэтилена и т.д.), полиацетали, полиуретаны, поликарбонаты, стирольные полимеры (например, сополимер акрилонитрила бутадиена и стирола (ABS)) и т.д. ABS представляет собой наиболее подходящий термопластичный полимер.

В препреге можно использовать одну или множество термопластичных матриц. Например, в одном варианте осуществления, длинные волокна сначала предварительно пропитывают первой термопластичной матрицей, например, таким образом, как будет описано ниже, и после этого охлаждают и штапелируют, получая гранулы, у которых длина составляет приблизительно 25 мм или менее. Эти гранулы можно затем соединять с непрерывными волокнами, когда их пропитывают второй термопластичной матрицей. Таким образом, в данном варианте осуществления длинные волокна фактически внедряются в две термопластичные матрицы. Первая термопластичная матрица, используемая для длинных волокон, может быть такой же или отличной от второй термопластичной матрицы. В качестве альтернативы, первая термопластичная полимерная матрица, используемая для предварительного пропитывания длинных волокон, может представлять собой единственную термопластичную матрицу, присутствующую в препреге. В еще одном варианте осуществления длинные волокна не подвергают предварительному пропитыванию и просто соединяют с непрерывными волокнами, при этом они одновременно пропитываются термопластичной матрицей.

IV. Изготовление препрега

Как указано выше, препрег изготавливают, как правило, таким образом, чтобы можно было статистически распределять длинные волокна. Это можно осуществлять разнообразными способами. В одном конкретном варианте осуществления, например, длинноволокнистые термопластичные гранулы можно загружать в бункер экструзионного устройства и после этого смешивать в расплаве с непрерывными волокнами. Давление и сила процесса экструзии обеспечивает желательную статистическую ориентацию длинных волокон в изготавливаемом в результате препреге. Рассмотрим фиг. 1, представляющую один вариант осуществления экструзионного устройства, которое можно использовать для пропитывания волокон термопластичным полимером. Более конкретно, данное устройство включает экструдер 120, содержащий ходовой винт 124, установленный внутри барабана 122. Нагреватель 130 (например, электрический резистивный нагреватель) установлен снаружи барабана 122. Во время использования термопластичный полимерный исходный материал 127 поступает в экструдер 120 через бункер 126. В данном конкретном варианте осуществления исходный материал 127 также содержит длинные волокна. Длинные волокна могут, например, составлять от приблизительно 5 мас.% до приблизительно 60 мас.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 50 мас.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20 мас.% до приблизительно 40 мас.% исходного материала. В качестве альтернативы, исходный материал 127 может не содержать длинных волокон, и такие волокна можно загружать в другом месте (не показано на чертеже), например, после бункера 126 и/или через другие загрузочные отверстия.

Независимо, термопластичный исходный материал 127 направляется внутрь барабана 122 ходовым винтом 124 и нагревается силами трения внутри барабана 122 и нагревателем 130. После нагревания исходный материал 127 выходит из барабана 122 через фланец 128 барабана и поступает на фланец 132 пропиточной фильеры 150. Непрерывный волоконный пучок 142 или множество непрерывных волоконных пучков 142 поступают с бобины или бобин 144 в фильеру 150. Пучки 142 перед пропитыванием, как правило, остаются разделенными определенным расстоянием, составляющим, например, по меньшей мере, приблизительно 4 мм и в некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, приблизительно 5 мм. Исходный материал 127 можно дополнительно нагревать внутри фильеры, используя нагреватели 133, установленные внутри или вокруг фильеры 150. Фильера, как правило, работает при температурах, которые являются достаточными, чтобы обеспечивать плавление термопластичного полимера и соответствующее пропитывание. Как правило, рабочие температуры фильеры превышают температуру плавления термопластичного полимера, представляя собой, например, температуры от приблизительно 200°C до приблизительно 450°C. При обработке таким способом непрерывные волоконные пучки 142 оказываются внедренными в полимерную матрицу, которая может представлять собой полимер 214 (фиг. 2A), полученный переработкой исходного материала 127. Смесь затем экструдируют из пропиточной фильеры 150, получая экструдат 152.

Датчик давления 137 (фиг.1) измеряет давление около пропиточной фильеры 150, позволяя регулировать скорость экструзии путем изменения скорости вращения ходового винта 124 или скорости поступления материала из подающего устройства. То есть датчик давления 137 расположен около пропиточной фильеры 150 таким образом, что экструдер 120 может в процессе работы направлять правильное количество полимера 214 для взаимодействия с волоконными пучками 142. После выхода из пропиточной фильеры 150, экструдат 152 или пропитанные волоконные пучки 142 могут поступать в необязательную предварительно формирующую или направляющую секцию (не показана на чертеже) перед поступлением в зажим, образованный между двумя прилегающими роликами 190. Хотя это не является обязательным, ролики 190 могут способствовать соединению экструдата 152 с образованием ленты (или пленки), а также улучшать пропитывание волокон и устранять любые избыточные поры. В дополнение к роликам 190, можно также использовать другие формовочные устройства, такие как фильерная система. Полученную в результате соединенную ленту 156 протягивают, используя конвейеры 162 и 164, установленные на ролики. Конвейеры 162 и 164 протягивают экструдат 152 из пропиточной фильеры 150 и через ролики 190. Если это желательно, соединенную ленту 156 можно сворачивать в секции 171. Вообще говоря, ленты являются относительно тонкими и, как правило, имеют толщину, составляющую от приблизительно 0,05 до приблизительно 1 мм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,8 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,2 до приблизительно 0,4 мм.

Внутри пропиточной фильеры, как правило, желательно, чтобы пучки 142 проходили через пропиточную зону 250 для пропитывания пучков полимерной смолой 214. В пропиточной зоне 250 полимерную смолу можно продавливать, в основном, в поперечном направлении через пучки, используя усилие сдвига и давление, создаваемое в пропиточной зоне 250, что значительно повышает степень пропитывания. Это является особенно полезным для изготовления композита из лент с высоким содержанием волокон (W_f), например, составляющим приблизительно 35 мас.% или более и в некоторых вариантах осуществления приблизительно 40 мас.% или более. Как правило, фильера 150 содержит множество контактных поверхностей 252, в том числе, например, по меньшей мере, 2, по меньшей мере, 3, от 4 до 7, от 2 до 20, от 2 до 30, от 2 до 40, от 2 до 50 или большее число контактных поверхностей 252, чтобы обеспечивать достаточную степень проникновения и давления на пучки 142. Хотя их конкретная форма может изменяться, контактные поверхности 252, как правило, имеют криволинейную форму, такую как дуга, изогнутая ветвь и т.д. Кроме того, контактные поверхности 252, как правило, изготавливают из металлического материала.

Фиг. 2A представляет вид поперечного сечения пропиточной фильеры 150. Как показано на чертеже, пропиточная фильера 150 включает коллектор в сборе 220, запорный канал 270 и пропиточную зону 250. Коллектор в сборе 220 предназначен для прохождения через него полимерной смолы 214. Например, коллектор в сборе 220 может включать канал 222 или множество каналов 222. Полимер 214, вводимый в пропиточную фильеру 150, может проходить через каналы 222.

Как представлено на фиг. 2B, некоторые части каналов 222 могут быть криволинейными, и в примерных вариантах осуществления каналы 222 имеют симметричную ориентацию относительно центральной оси 224. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления каналы могут представлять собой множество разветвленных литников 222, которые могут включать первую разветвленную литниковую группу 232, вторую группу 234, третью группу 236, а также, если это желательно, большее число разветвленных литниковых групп. Каждая группа могут включать 2, 3, 4 или большее число литников 222, ответвляющихся от литников 222 в предшествующей группе или от исходного канала 222.

Разветвленные литники 222 и их симметричная ориентация, как правило, способствуют равномерному распределению полимера 214, таким образом, что поток полимера 214, который выходит из коллектора в сборе 220 и покрывает пучки 142, в основном, равномерно распределяется по пучкам 142. Это, как правило, обеспечивает желательное равномерное пропитывание пучков 142.

Кроме того, коллектор в сборе 220 может в некоторых вариантах осуществления определять выпускную область 242, которая, как правило, соединяет, по меньшей мере, расположенную ниже по потоку часть каналов или литников 222, из которых выходит полимер 214. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, часть каналов или литников 222, расположенных в выпускной области 242, имеют увеличивающуюся площадь в направлении потока 244 полимера 214. Увеличение площади способствует диффузии и дальнейшему распределению полимера 214 по мере протекания полимера 214 через коллектор в сборе 220, что, в свою очередь, обеспечивает, в основном, равномерное распределение полимера 214 по пучкам 142.

Как далее проиллюстрировано на фиг. 2A и 2B, после протекания через коллектор в сборе 220 полимер 214 может проходить через запорный канал 270. Запорный канал 270 находится между коллектором в сборе 220 и пропиточной зоной 250 и предназначен для протекания полимера 214 из коллектора в сборе 220 таким образом, что полимер 214 покрывает пучки 142. Таким образом, полимер 214, выходящий из коллектора в сборе 220, например, через выпускную область 242, может поступать в запорный канал 270 и протекать через него, как показано на чертеже.

После выхода из коллектора в сборе 220 и запорного канала 270 фильеры 150, как представлено на фиг. 2A, полимер 214 вступает в контакт с пучками 142, которые проходят через фильеру 150. Как обсуждалось выше, полимер 214 может, как правило, равномерно покрывать пучки 142 вследствие распределения полимера 214 в коллекторе в сборе 220 и запорном канале 270. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления полимер 214 может попадать на верхнюю поверхность каждого из пучков 142 или на нижнюю поверхность каждого из пучков 142, или одновременно на верхнюю и нижнюю поверхности каждого из пучков 142. Первоначальное попадание на пучки 142 обеспечивает дальнейшее пропитывание пучков 142 полимером 214.

Как представлено на фиг. 2A, покрытые пучки 142 проходят в поточном направлении 282 через пропиточную зону 250, которая предназначена для пропитывания пучков 142 полимером 214. Например, как представлено на фиг. 2A и 2C, пучки 142 проходят над контактными поверхностями 252 в пропиточной зоне. Попадание пучков 142 на контактную поверхность 252 создает усилие сдвига и давление в достаточной степени, чтобы пропитывать пучки 142 полимером 214, который покрывает пучки 142.

В некоторых вариантах осуществления, как представлено на фиг. 2A, пропиточная зона 250 определена между двумя отделенными друг от друга противоположными пластинами 256 и 258. Первая пластина 256 определяет первую внутреннюю поверхность 257, в то время как вторая пластина 258 определяет вторую внутреннюю поверхность 259. Контактные поверхности 252 можно определять на площади или за пределами обеих (первой и второй) внутренних поверхностей 257 и 259 или только на одной из первой и второй внутренних поверхностей 257 и 259. Фиг. 2C иллюстрирует вторую пластину 258 и разнообразные контактные поверхности на ней, которые образуют, по меньшей мере, часть пропиточной зоны 250 согласно этим вариантам осуществления. В примерных вариантах осуществления, как представлено на фиг. 2A, контактные поверхности 252 можно определять поочередно на первой и второй поверхностях 257 и 259 таким образом, что пучки поочередно попадают на контактные поверхности 252 на первой и второй поверхностях 257 и 259. Таким образом, пучки 142 могут проходить контактные поверхности 252 по пути волнообразного, извилистого или синусоидального типа, что увеличивает усилие сдвига.

Угол 254, под которым пучки 142 проходят через контактные поверхности 252, может быть, как правило, достаточно высоким, чтобы увеличивать усилие сдвига, но не настолько высоким, чтобы вызывать чрезмерные силы, которые приведут к разрушению волокон. Таким образом, например, угол 254, может находиться в интервале от приблизительно 1° до приблизительно 30° и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5° до приблизительно 25°.

В альтернативных вариантах осуществления пропиточная зона 250 может включать множество стержней (не показаны на чертежах), причем каждый стержень имеет контактную поверхность 252. Стержни могут быть неподвижными, свободно вращающимися или приводимыми во вращательное движение. В следующих альтернативных вариантах осуществления контактные поверхности 252 и пропиточная зона 250 могут представлять собой любые подходящие формы и/или структуры для пропитывания пучков 142 полимером 214, насколько это является желательным или необходимым.

Чтобы дополнительно способствовать пропитыванию пучков 142, их можно также содержать под натяжением во время их пребывания в пропиточной фильере. Это натяжение может составлять, например, от приблизительно 5 до приблизительно 300 Н, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50 до приблизительно 250 Н и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100 до приблизительно 200 Н на пучок 142 или жгут из волокон.

Как представлено на фиг. 2A, в некоторых вариантах осуществления, направляющая зона 280 может быть расположена после пропиточной зоны 250 в направлении движения 282 пучков 142. Пучки 142 могут проходить через направляющую зону 280 перед выходом из фильеры 150. Как дополнительно представлено на фиг. 2A, в некоторых вариантах осуществления, передняя пластина 290 может примыкать к пропиточной зоне 250. Передняя пластина 290 предназначена, как правило, для отделения избыточного полимера 214 из пучков 142. Таким образом, отверстия в передней пластине 290, через которые проходят пучки 142, могут иметь такой размер, чтобы при прохождении через отверстия пучков 142 размер отверстий приводил к отделению избытка полимера 214 из пучков 142.

Пропиточная фильера, представленная и описанная выше, представляет собой лишь одну из разнообразных возможных конфигураций, которые можно использовать в настоящем изобретении. В альтернативных вариантах осуществления, например, волокна можно вводить в поперечную фильеру, которая расположена под углом относительно направления потока расплава полимера. Когда волокна проходят через поперечную фильеру и достигают точки, в которой полимер выходит из барабана экструдера, полимер приводят в контакт с волокнами. Кроме того, следует понимать, что можно также использовать экструдер любой другой конструкции, такой как двухвинтовой экструдер. Более того, можно также необязательно использовать другие компоненты, чтобы способствовать пропитыванию волокон. Например, устройство типа «газовая струя» можно использовать в определенных вариантах осуществления, чтобы способствовать равномерному распределению отдельных волокон в пучке или жгуте, каждый из которых может содержать вплоть до 24000 волокон, по всей ширине соединенного жгута. Это способствует достижению равномерного распределения прочностных свойств в ленте. Такое устройство может включать подачу сжатого воздуха или другого газа, который попадает, как правило, в перпендикулярном направлении на движущиеся волоконные жгуты, которые проходят через выходные отверстия. Распределенные волоконные пучки можно затем вводить в фильеру для пропитывания таким способом, как описано выше.

Независимо от используемого способа, по меньшей мере, некоторые длинные волокна в препреге ориентированы под углом относительно продольного направления, в котором ориентированы непрерывные волокна (машинное направление «A» системы на фиг. 1). Например, приблизительно 10% или более, в некоторых вариантах осуществления приблизительно 20% или более и в некоторых вариантах осуществления приблизительно 30% или более волокон могут быть ориентированы под углом относительно продольного направления непрерывных волокон. Этот угол может составлять, например, от приблизительно 10° до приблизительно 120°, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20° до приблизительно 110°C и в одном варианте осуществления приблизительно 90°. Например, рассмотрим фиг. 3-4, где представлен один вариант осуществления препрега 200, который содержит множество длинных волокон 220, ориентированных под разнообразными углами относительно продольного направления «L», в котором ориентированы непрерывные волокна 240. Помимо прочего, угол ориентации способствует регулированию поперечной прочности препрега.

Кроме того, относительное процентное содержание длинных волокон и непрерывных волокон в препреге также способствует регулированию прочностных свойств. Для достижения хорошего баланса между прочностью на растяжение и поперечной прочностью, соотношение массы непрерывных волокон и массы длинных волокон, как правило, регулируют в интервале от приблизительно 0,2 до приблизительно 10, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,4 до приблизительно 5 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,5 до приблизительно 5. Например, непрерывные волокна могут составлять от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 80 мас.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20 мас.% до приблизительно 70 мас.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 40 мас.% до приблизительно 60 мас.% препрега. Аналогичным образом, длинные волокна могут составлять от приблизительно 2 мас.% до приблизительно 35 мас.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 мас.% до приблизительно 30 мас.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 25 мас.% препрега. Содержание термопластичного полимера (полимеров) может составлять от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 80 мас.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20 мас.% до приблизительно 70 мас.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 40 мас.% до приблизительно 60 мас.% препрега.

Препрег также имеет очень низкую пористость, которая способствует улучшению механических свойств препрега. Например, пористость может составлять приблизительно 3% или менее, в некоторых вариантах осуществления приблизительно 2% или менее и в некоторых вариантах осуществления приблизительно 1% или менее. Пористость можно измерять, используя способы, хорошо известные специалистам в данной области техники. Например, пористость можно измерять, используя испытание полимера выжиганием, в котором образцы выдерживают в печи (например, при 600°C в течение 3 часов) для выжигания полимера. Затем можно измерять остаточную массу волокон для вычисления массовой и объемной доли. Такое испытание выжиганием можно осуществлять в соответствии со стандартом ASTM D 2584-08 для определения масс волокон и термопластичной матрицы, которые можно затем использовать для вычисления пористости на основании следующих уравнений:

V_f=100•(ρ_t-ρ_c)/ρ_t

где V_f представляет собой пористость в виде процентной доли;

ρ_c представляет собой плотность композита, которую измеряют, используя известные устройства, такие как жидкостной или газовый пикнометр (например, гелиевый пикнометр);

ρ_t представляет собой теоретическую плотность композита, которую определяют, используя следующее уравнение:

ρ_t=1/[W_f/ρ_f+W_m/ρ_m]

где ρ_m представляет собой плотность термопластичной матрицы (например, при соответствующей кристалличности);

ρ_f представляет собой плотность волокон;

W_f представляет собой массовую долю волокон; и

W_m представляет собой массовую долю термопластичной матрицы.

В качестве альтернативы, пористость можно определять путем химического растворения полимера в соответствии со стандартом ASTM D 3171-09. Способы выжигания и растворения являются наиболее подходящими для стеклянных волокон, которые, в основном, являются устойчивыми к плавлению и химическому растворению. Однако в других случаях пористость можно косвенно вычислять на основании плотностей термопластичного полимера, волокон и ленты в соответствии со стандартом ASTM D 2734-09 (способ A), причем плотности можно определять в соответствии со стандартом ASTM D792-08 (способ A). Разумеется, пористость можно также оценивать, используя традиционное микроскопическое оборудование.

Посредством тщательного регулирования разнообразных параметров, которые упомянуты выше, механические прочностные свойства можно изменять в зависимости от желательного применения. В определенных вариантах осуществления, например, желательно, чтобы препрег проявлял относительно изотропные прочностные свойства. Более конкретно, для таких изотропных препрегов соотношение максимального напряжения при растяжении (или предельного напряжения) в продольном направлении и максимального напряжения при растяжении в поперечном направлении составляет, как правило, от приблизительно 1 до приблизительно 40, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 30 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 до приблизительно 20. В определенных вариантах осуществления препрег согласно настоящему изобретению может проявлять максимальное напряжение при растяжении, составляющее в продольном направлении от приблизительно 250 до приблизительно 3000 МПа, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 400 до приблизительно 2500 МПа и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 600 до приблизительно 2000 МПа, и в поперечном направлении от приблизительно 0,5 до приблизительно 50 МПа, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 40 МПа и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 20 МПа.

В вариантах осуществления, которые описаны выше и представлены на фиг. 3-4, длинные волокна поступают в экструзионное устройство во время пропитывание и, таким образом, оказываются перемешанными с непрерывными волокнами и, как правило, распределенными во всем объеме препрега. Однако следует понимать, что такая конфигурация не является обязательной. В определенных вариантах осуществления, например, длинные волокна можно соединять с непрерывными волокнами таким образом, что они образуют отдельные слои. Слои могут быть «недискретными» в том смысле, что, по меньшей мере, некоторые длинные волокна проходят в слой из непрерывных волокон. Один вариант осуществления системы для изготовления такого препрега из недискретных слоев может включать дополнительное уст