НЕТКАНЫЙ МАТ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ФИБРОКОМПОЗИТ Российский патент 2008 года по МПК D04H1/48 D21H13/22 

Изобретение относится к нетканым матам, которые используются как полуфабрикаты, содержащим высококачественный термопласт в качестве плавких волокон и армирующие волокна, а также к способу изготовления такого нетканого мата и к изготовленным из него фиброкомпозитам.

Изготовление нетканых материалов влажным способом в типовых режимах работы известно из бумажного производства. Один из таких способов описан в работе "Nonwovens", Viley-VCH, Viley-VCH Press, Weinheim 2000, со стр.235 и далее. Способ заключается в том, что волокна диспергируют в воде и затем путем фильтрации на ленте из проволочной сетки образуют непрерывный нетканый материал, после чего производят прессование, сушку и сматывание в рулон полученного нетканого полотна.

Такие способы используются по существу для бумажного производства, например для изготовления бумаги из синтетического волокна, бумаги для чайных пакетиков, бумаги для воздушных фильтров и папиросной бумаги.

Таким образом, известный способ применяется только для изготовления специальной бумаги или специальных технических нетканых материалов в качестве конечного продукта.

Известны формованные изделия, образованные из плавких волокон и армирующих волокон. Формованное изделие, описанное в ЕР 0774343 А1, содержит сердцевинный слой, выполненный из плавких волокон и армирующего волокна, и покровный слой. Однако сказано, что это формованное изделие может использоваться только в области, указанной в этом документе. Формованное изделие согласно ЕР 0774343 А1 фактически не обладает требуемыми свойствами в отношении плотности и прочности и, таким образом, имеет ограниченную область применения.

Целью изобретения является создание нового нетканого мата, который пригоден как полуфабрикат для изготовления фиброкомпозитов с высокой плотностью. Целью изобретения является также создание способа изготовления нетканого мата такого типа. Способ должен быть достаточно гибким в отношении используемых компонентов и достижения обусловленных ими свойств.

Указанная цель достигается в нетканом мате по п.1 формулы изобретения, в способе изготовления нетканого мата по п.20 формулы и в фиброкомпозите по п.27 формулы. Предпочтительные варианты описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению предложен нетканый мат, содержащий по меньшей мере одно первое волокно из высококачественного термопласта в качестве плавкого волокна и по меньшей мере одно второе волокно в качестве армирующего волокна, выполненное из высококачественного материала. Отдельные волокна в нетканом мате скреплены с помощью связующего. Для изобретения важно, чтобы в нетканом мате плавкие волокна были меньшей длины, чем армирующее волокно. В нетканом мате содержание плавкого волокна составляет 30-90 мас.%, а содержание армирующего волокна 10-70 мас.%.

В результате того, что длина плавкого волокна меньше, чем армирующего волокна, достигается гомогенное смешивание волокон двух типов, так что при последующей обработке полуфабриката обеспечивается гомогенное распределение армирующего волокна в фиброкомпозите. Ориентация волокон в слое может быть изотропной и/или анизотропной.

В способе согласно изобретению предпочтительно, чтобы плавкое волокно было длиной 0,1-30 мм, более предпочтительно 2-6 мм, а особенно предпочтительно 2,5-3 мм. Кроме того, необходимо обеспечить одинаковую, насколько это возможно, длину волокон, чтобы можно было получить как можно более высокую гомогенность распределения плавких волокон в нетканом мате. Армирующее волокно из высококачественного материала тоже может иметь длину 0,1-30 мм, но, как указано в п.1 формулы, его длина всегда должна быть больше длины плавкого волокна. Подходящая длина армирующего волокна составляет 6-18 мм, особенно предпочтительно 6-12 мм. Для армирующего волокна тоже нужно обеспечить, чтобы длина волокон была по возможности одинаковой.

Согласно изобретению в качестве плавких волокон могут использоваться все известные волокна из высококачественного термопласта. Примерами могут служить волокна из простого полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), поли-п-фениленсульфида (ПФС), простого полиэфиримида (ПФИ) или простого полиэфирсульфона (ПЭС) и/или их смесей.

В качестве армирующих волокон можно использовать волокна из высококачественных материалов, например волокна из полибензооксазола (ПБО), полиимида (ПИ), полибензимидазола (ПБИ), металлические волокна, стекловолокна, арамидные волокна, углеродные волокна, керамические волокна, натуральные волокна и/или их смеси.

Как отмечено выше, нетканый мат согласно изобретению выполнен так, что отдельные волокна соединены вместе посредством связующего. Сами волокна находятся в таком же положении, в каком они были сначала, и связаны друг с другом связующим только в точках пересечения или в точках контакта. Наличие такой структуры нетканого мата имеет важное значение, поскольку при последующем изготовлении композитного материала не должно происходить растягивания армирующих волокон и/или образования гомогенной смеси.

Само связующее может действовать физически и/или путем склеивания.

Если используется связующее, действующее физически, то соединение достигается зажимом/зацеплением волокон связующим. Поэтому в качестве связующих могут использоваться нити, волокнисто-пленочные связующие и/или волокнистые связующие.

Преимущество такого связующего в том, что его по существу не нужно удалять из системы при последующей обработке давлением и температурой; он остается в конечном материале, что позволяет регулировать свойства последнего.

Связующие, обеспечивающие соединение при плавлении (термосоединение), выбираются так, что их точка плавления ниже точки плавления плавкого волокна, благодаря чему достигается соединение.

Согласно изобретению в качестве таких связующих можно использовать соединения на основе поливинилового спирта (ПВС), поливинилацетата (ПВА), сополимера этилена и винилацетата (СЭВА), полиакрилата, полиуретана (ПУ), смол, например меламиновой смолы или фенольной смолы, полиолефинов, например полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), ароматических полиамидов (арамидов) и их сополимеров.

Связующее может представлять собой дисперсию или иметь вид нитей, волокнисто-пленочных связующих или иметь волокнистую структуру. При использовании связующего такого типа геометрия может изменяться в отношении соотношения длина/ширина/высота, при этом отношение каждого отдельного параметра к каждому другому параметру находится в диапазоне от 1:1 до 1:100000.

Нетканый мат согласно изобретению может дополнительно содержать добавки. Добавки могут использоваться для регулирования свойств нетканого мата и, следовательно, свойств изделия, впоследствии изготовленного из нетканого мата. Согласно изобретению можно использовать добавки, которые влияют на электропроводность, теплопроводность, фрикционные свойства, теплостойкость, ударную вязкость, прочность или сопротивление истиранию. Добавки такого рода могут быть, например, в виде волокон, нитей, волокнисто-пленочных связующих или целлюлозы. Добавки могут представлять собой волокна или порошок ПТФЭ, волокна ПИ, арамидные волокна, углеродные волокна или металлический, керамический и/или органический порошок. Особенно предпочтительны углеродные нановолокна. Поэтому нетканый мат может служить функциональным слоем.

Существенным является тот факт, что нетканый мат согласно изобретению имеет очень малую основную массу. Ему также присуща высокая однородность листового материала по толщине в продольном и поперечном направлениях. Благодаря используемым армирующим и плавким волокнам, имеющим указанное содержание, нетканый мат может иметь основную массу 8-400 г/м², предпочтительно 50-150 г/м², и плотность 30-500 кг/м³, предпочтительно 100-200 кг/м³. Толщина нетканого мата согласно изобретению предпочтительно составляет 0,1-4 мм, особенно предпочтительно 0,5-2 мм. Малая основная масса позволяет создавать очень тонкие формованные изделия при последующем прессовании.

Нетканый мат согласно изобретению может быть выполнен так, что по меньшей мере на одну его наружную сторону наложена плоская подкладка. Преимущество такого мата состоит в том, что эта подкладка может быть выполнена, например, как функциональный слой, который при последующей обработке полуфабриката и получении из него конечного продукта, может дополнительно выполнять специальные функции, обеспечивая, например, электропроводность или клеящую способность. Плоская подкладка может быть выполнена в виде тканой ткани, платированного полотна, бумаги или нетканого материала. Согласно еще одной альтернативе нетканого мата, по меньшей мере два нетканых мата расположены один над другим, т.е. дополнительный нетканый мат служит плоской подкладкой и образуется композит из двух нетканых матов.

Изобретение относится также к способу изготовления описанного выше нетканого мата. Согласно этому способу в диспергирующем агенте, предпочтительно воде, диспергируют плавкое волокно и армирующее волокно, и на ленте из проволочной сетки образуют непрерывный нетканый материал путем фильтрации и последующего прессования и сушки. Во время диспергирования и/или во время образования нетканого материала можно добавить связующее.

Как известно, способ согласно изобретению осуществляется с использованием проходящей по диагонали проволочной сетки.

Связующее предпочтительно добавлять в виде дисперсии. Таким образом, добавление связующего может производиться как во время операции диспергирования, так и во время образования нетканого материала.

Во время диспергирования или во время образования нетканого материала можно также добавлять добавки.

Преимущество способа согласно изобретению заключается в том, что основную массу, плотность и толщину нетканого материала можно регулировать путем изменения состава дисперсии и/или скорости ее подачи к диагональной проволочной сетке и/или скорости перемещения этой сетки. Поэтому можно изготавливать нетканые маты с основной массой 8-400 г/м² и плотностью 30-500 кг/м³. Существенным является то, что гомогенная смесь имеет вид дисперсии и при накоплении этой дисперсии на сетке достигается гомогенное распределение различного типа волокна - плавкого волокна и армирующего волокна. В способе согласно изобретению неожиданно оказалось, что нетканый мат, изготовленный с использованием описанных волокон, имеет отличную стабильность свойств. Поэтому стало возможным осуществлять дальнейшую обработку этого нетканого мата с получением из него конечного продукта.

Чтобы изготовить нетканый мат, который имеет по меньшей мере на одной своей стороне плоскую подложку, предусмотрено, что нетканый материал образуют, помещая на диагональную проволочную сетку листовые материалы. Эти листовые материалы могут быть платированным полотном, тканой тканью или нетканым материалом.

Изобретение также относится к фиброкомпозиту согласно п.27 формулы изобретения.

Фиброкомпозит согласно изобретению отличается тем, что армирующее волокно с содержанием 30-90 мас.% относительно массы композитного материала распределено в материале гомогенно. Ориентация волокна в матрице фиброкомпозита может быть изотропной и/или анизотропной. Длина волокон в фиброкомпозите составляет 0,1-30 мм, предпочтительно 6-18 мм, особо предпочтительно 6-12 мм. Выбирают волокна из высококачественных материалов, известных в данной области техники (см. описание нетканого мата).

Матрица фиброкомпозита согласно изобретению выполнена предпочтительно из высококачественного термопласта. Подходящие материалы указаны выше при описании нетканого мата.

Важным является то обстоятельство, что фиброкомпозит согласно изобретению имеет плотность в диапазоне 0,25-6 г/см³. Было установлено, что плотность, которая может быть достигнута у фиброкомпозитов согласно изобретению, составляет 30-100% от максимальной достижимой плотности, которая вычисляется исходя из плотности отдельных исходных материалов, т.е. армирующих волокон и матрицы. В результате впервые был создан высококачественный материал, сравнимый по своим свойствам с металлами. Поэтому этот материал можно рассматривать как пластмассовый аналог листового металла.

Фиброкомпозит согласно изобретению имеет вид плоской структуры, но он может быть иметь вид пространственной структуры. Толщина фиброкомпозита в виде плоской структуры предпочтительно равна 0,01-0,2 мм.

Фиброкомпозит согласно изобретению может иметь другой функциональный слой, расположенный по меньшей мере на одной его стороне.

Согласно изобретению фиброкомпозит изготовлен предпочтительно путем прессования в нагретом инструменте по меньшей мере одного нетканого мата по меньшей мере по одному из п.п.1-20 формулы изобретения. При этом давление составляет 0,05-15 Н/мм². Плотность изготавливаемого фиброкомпозита можно регулировать путем выбора приложенного давления и используемых армирующих волокон.

Ниже настоящее изобретение описано более подробно со ссылками на примеры изготовления и чертежи, где:

на фиг.1 схематично показано устройство для изготовления нетканого мата;

на фиг.2 и 3 даны изображения фиброкомпозита согласно изобретению, полученные с помощью электронного микроскопа.

Пример 1. Изготовление нетканого мата

Для примера был изготовлен нетканый материал с наименованием VP00054:

Отрезки ПФС длиной 3 мм81 мас.%Отрезки углеродного волокна длиной 6 мм19 мас.%по отношению к: связующему волокну из ПВА с длиной отрезков 4 мм10 мас.%Основная масса128 г/м²Толщина0,95 ммПлотность0,135 г/см³

Пример 2. Изготовление фиброкомпозита

Из этого нетканого материала были изготовлены плотные фиброкомпозиты:

Однослойное прессование Температура прессования350°СДавление на поверхность3,3 Н/мм²Толщина110 мкмПлотность1,17 г/см³

На фиг.1 схематично показано устройство с диагональной проволочной сеткой, которое использовалось для изготовления нетканого мата согласно изобретению. Устройство 1 содержит проходящую по диагонали проволочную сетку 2 и горизонтальный подающий механизм 3, с помощью которого на проволочную сетку 2 подается дисперсия из плавких волокон и армирующих волокон. Проходящая по диагонали проволочная сетка 2 выполнена так, что делается возможным обезвоживание дисперсии. Для этого предусмотрен соответствующий контейнер-сборник 4. Для регулировки толщины нетканого материала предусмотрено соответствующее регулировочное устройство 5. Дисперсию, содержащую указанные выше волокна, подают по горизонтальному каналу 3 на вращающуюся ленту, которая направляется роликами 6. После подачи дисперсии нетканый материал направляют над сушильным устройством 7, чтобы обеспечить закрепление отдельных волокон связующим. Затем полученный нетканый мат выводят из устройства.

На фиг.2 и 3 показаны изображения фиброкомпозита согласно изобретению, полученные с помощью электронного микроскопа. Фиброкомпозит, изображенный на фиг.2 и 3, представляет собой композитный материал, изготовленный из нетканого мата, содержащего в качестве армирующих волокон стекловолокна, а в качестве плавких волокон волокна из ПФС. Как видно на изображениях на фиг.2 и 3, полученных с помощью электронного микроскопа, армирующее волокно 9 распределено в матрице термопласта гомогенно. На фиг.2 и 3 также видно, что соответствующие волокна фактически не изменились, в частности они не стали короче. Это значительно повышает модуль упругости и в особенности прочность материала на растяжение по сравнению с неармированными пленками термопласта.

Изобретение относится к нетканому волокнистому мату, который используется в качестве полуфабриката, а также к способу изготовления такого нетканого волокнистого мата и изготовленным из него фиброкомпозитным материалам. Нетканый мат, содержащий по меньшей мере одно первое волокно из термопласта с длиной волокна 0,1-30 мм и содержанием 30-90 мас.% и по меньшей мере одно второе армирующее волокно с длиной волокна 0,1-30 мм и содержанием 10-70 мас.%, имеющее более высокую термостойкость, чем первое волокно. Причем первое волокно и по меньшей мере одно армирующее волокно связаны в точках пересечения или просто в контактных точках посредством связующего с содержанием 1-10 мас.%. При этом длина первого волокна меньше длины армирующего волокна, а основная масса нетканого мата составляет 8-400 г/м². Технический результат заявленных технических решений заключается в улучшении физико-механических показателей полуфабриката и тем самым расширении области его применения. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нетканый мат для использования в качестве полуфабриката, содержащий по меньшей мере одно первое волокно из термопласта с длиной волокна 0,1-30 мм и содержанием 30-90 мас.% и по меньшей мере одно второе армирующее волокно с длиной волокна 0,1-30 мм и содержанием 10-70 мас.%, имеющее более высокую термостойкость, чем первое волокно, отличающийся тем, что первое волокно и по меньшей мере одно армирующее волокно связаны в точках пересечения или просто в контактных точках посредством связующего с содержанием 1-10 мас.%; длина первого волокна меньше длины армирующего волокна, а основная масса нетканого мата составляет 8-400 г/м².2. Нетканый мат по п.1, отличающийся тем, что длина первого волокна составляет 2-6 мм.3. Нетканый мат по п.2, отличающийся тем, что длина первого волокна составляет 2,5-3,5 мм.4. Нетканый мат по п.1, отличающийся тем, что длина армирующего волокна составляет 6-18 мм.5. Нетканый мат по п.4, отличающийся тем, что длина армирующего волокна составляет 6-12 мм.6. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что первое волокно выбрано из группы, включающей: простой полиэфирэфиркетон, поли-п-фениленсульфид, простой полиэфиримид и/или простой полиэфирсульфон и/или их смеси.7. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что армирующее волокно выбрано из группы, включающей: стекловолокна, арамидные волокна, углеродные волокна, керамические волокна, металлические волокна, полиимидные волокна, волокна из полибензоксазола, натуральные волокна и/или их смеси.8. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что связующее выбрано из соединений на основе полиакрилата, поливинилацетата, поливинилового спирта, полиуретана, смол, полиолефинов, ароматических полиамидов или их сополимеров или их смесей.9. Нетканый мат по п.8, отличающийся тем, что связующее выбрано из нитей, волокнисто-пленочных связующих и/или волокнистых связующих, а геометрия изменяется в отношении соотношения длина/ширина/высота, при этом отношение каждого отдельного параметра к каждому другому параметру находится в диапазоне от 1:1 до 1:100000.10. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит добавки.11. Нетканый мат по п.10, отличающийся тем, что добавки выбраны из группы, включающей трибологические добавки, добавки из волокон, нитей, волокнисто-пленочных связующих, целлюлозы, металлического или керамического порошка, органического порошка и/или их смесей.12. Нетканый мат по п.11, отличающийся тем, что в качестве добавок используются волокна или порошок ПТФЭ, волокна ПИ, арамидные волокна, углеродные волокна и/или металлический порошок.13. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что он имеет плотность 30-500 кг/м.14. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что он имеет толщину 0,1-4 мм.15. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что по меньшей мере на одну его наружную сторону наложена плоская подкладка.16. Нетканый мат по п.15, отличающийся тем, что наложена полотнообразная структура в виде тканой ткани, платированного полотна, бумаги или нетканого материала.17. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что он состоит по меньшей мере из двух нетканых матов.18. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что первое волокно и армирующее волокно распределены в мате гомогенно.19. Нетканый мат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что первое волокно и армирующее волокно распределены в мате негомогенно.20. Способ изготовления нетканого мата по меньшей мере по одному из пп.1-19, отличающийся тем, что в диспергирующем агенте, предпочтительно воде, диспергируют первое волокно и армирующее волокно; на проходящей по диагонали ленте из проволочной сетки образуют непрерывный нетканый материал путем фильтрации с последующими прессованием и сушкой нетканого полотна, причем во время диспергирования и/или во время образования нетканого материала добавляют связующее.21. Способ по п.20, отличающийся тем, что связующее добавляют в виде волокон в дисперсию.22. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что добавки вводят в виде волокон или порошков.23. Способ по п.22, отличающийся тем, что добавки вводят или впрыскивают во время диспергирования и/или во время образования нетканого материала.24. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что основную массу и толщину нетканого материала регулируют путем изменения состава дисперсии и/или скорости подачи дисперсии на диагональную проволочную сетку, и/или скорости перемещения последней.25. Способ по п.20 или 21, отличающийся тем, что нетканый материал образуют, помещая листовой материал на диагональную проволочную сетку.26. Способ по п.25, отличающийся тем, что в качестве листового материала используют платированное полотно, тканую ткань или нетканый материал.27. Фиброкомпозит, изготовленный из нетканого мата по п.1, отличающийся тем, что содержит 30-90 мас.% армирующего волокна с длиной 0,1-30 мм, причем армирующее волокно ориентировано анизотропно в матрице материала, имеющего плотность 0,25-6 г/см³.28. Фиброкомпозит по п.27, отличающийся тем, что армирующее волокно выбрано из группы, включающей стекловолокна, арамидные волокна, углеродные волокна, керамические волокна или их смеси.29. Фиброкомпозит по п.27 или 28, отличающийся тем, что матрица содержит термопласт, выбранный из группы, включающей простой полиэфирэфиркетон, поли-п-фениленсульфид, простой полиэфиримид и/или простой полиэфирсульфон.30. Фиброкомпозит по п.27, отличающийся тем, что плотность фиброкомпозита составляет 30-100 мас.% от максимально достижимой плотности, которая вычисляется по плотностям материала матрицы и армирующего волокна.31. Фиброкомпозит по п.27 или 28, отличающийся тем, что он имеет функциональный слой по меньшей мере на одной стороне материала.32. Фиброкомпозит по п.27 или 28, отличающийся тем, что имеет толщину 0,01-1,6 мм.33. Фиброкомпозит по п.27 или 28, отличающийся тем, что он может быть изготовлен путем прессования по меньшей мере двух нетканых матов по меньшей мере по одному из пп.1-20 в нагретом инструменте.34. Фиброкомпозит по п.33, отличающийся тем, что прессование проводилось при давлении 0,05-15 Н/мм².