КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ИЗ СПЛОШНОГО ЛИНЕЙНОГО ПРОФИЛЯ Российский патент 2016 года по МПК B29C70/52 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Сплошные профили часто изготавливают путем пултрузии одной или более армированных волокнами лент через фильеру, которая формирует из лент желательную конфигурацию. Ленты могут содержать однонаправленно выровненные непрерывные волокна, внедренные в полимерную матрицу. Поскольку профили содержат непрерывные волокна, ориентированные в машинном (продольном) направлении, они часто имеют хорошую прочность на растяжение в машинном направлении. К сожалению, однако максимальная степень прочности на растяжение, которая может быть достигнута, часто оказывается ограниченной вследствие затруднительной обработки материалов, имеющих очень высокую степень прочности. Таким образом, в настоящее время существует потребность в сплошном профиле, который имеет превосходную прочность на растяжение и который можно изготавливать относительно эффективным и простым способом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения создан конструктивный элемент, содержащий сплошной линейный профиль. Сплошной линейный профиль содержит первый компонент, образованный из уплотненного многослойного материала, состоящего из лент, каждая из которых содержит множество непрерывных волокон, которые по существу ориентированы в продольном направлении, и полимерную матрицу, которая содержит один или более термопластичных полимеров, и в которую внедрены непрерывные волокна. Непрерывные волокна составляют от приблизительно 40 мас.% до приблизительно 90 мас.% ленты, и термопластичные полимеры составляют от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 60 мас.% ленты. Модуль изгиба составляет приблизительно 10 ГПа или более.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения создан способ изготовления сплошного линейного профиля, содержащий обеспечение множества отдельных лент, каждая из которых содержит множество непрерывных волокон по существу ориентированных в продольном направлении, и полимерную матрицу, которая содержит один или более термопластичных полимеров, и в которую внедрены непрерывные волокна, причем непрерывные волокна составляют от приблизительно 40 мас.% до приблизительно 90 мас.% ленты, и термопластичные полимеры составляют от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 60 мас.% ленты. Ленты нагревают температуры до температуры размягчения полимерной матрицы или выше нее. Нагретые ленты протягивают через первую фильеру для уплотнения лент друг с другом и образования многослойного материала и через вторую фильеру для формования многослойного материала. Формованный многослойный материал охлаждают для изготовления сплошного профиля.

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, на которых изображено следующее:

фиг.1 представляет схематичный вид 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 трубного соединения и запорного канала 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 схематичный вид одного варианта осуществления пултрузионной системы, которую можно использовать в настоящем изобретении;

фиг.4 представляет перспективный вид одного варианта осуществления пултрузионной фильеры, которую можно использовать в системе на фиг.3;

фиг.5 представляет вид поперечного сечения одного варианта осуществления сплошного профиля согласно настоящему изобретению;

фиг.6 представляет вид поперечного сечения еще одного варианта осуществления сплошного профиля согласно настоящему изобретению; и

фиг.7 представляет вид поперечного сечения еще одного варианта осуществления сплошного профиля согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определения

При использовании в настоящем документе термин «профиль», как правило, означает одноосно ориентированное изделие. Профиль может иметь широкое разнообразие форм поперечного сечения, таких как квадратная, прямоугольная, круглая, эллиптическая, треугольная, I-образная, C-образная, U-образная, J-образная, L-образная и т.д.

При использовании в настоящем документе термин «линейный», как правило, означает форму поперечного сечения, которая является, в основном, одинаковой по всей длине профиля.

При использовании в настоящем документе 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 8 мм, в некоторых вариантах осуществления приблизительно 15 мм или более и в некоторых вариантах осуществления, приблизительно 20 мм или более.

При использовании в настоящем документе термин «прерывистые волокна», как правило, означает волокна, нити, пряжу или пучки, которые не являются непрерывными. Такие волокна, как правило, имеют длину, составляющую приблизительно 8 мм или менее. Например, прерывистые волокна могут включать короткие или длинные волокна. «Длинные волокна», как правило, представляют собой волокна, имеющие длину, составляющую от приблизительно 0,5 до приблизительно 8 мм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,8 до приблизительно 6 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 5 мм. «Короткие волокна», как правило, представляют собой волокна, имеющие длину, составляющую приблизительно 0,5 мм или менее, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,4 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,3 мм.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее описание представляет собой лишь описание примерных вариантов осуществления и не предназначено для ограничения более широких аспектов настоящего изобретения.

Вообще говоря, настоящее изобретение относится к конструктивному элементу для использования в разнообразных устройствах, таких как окна, двери, обшивочные панели, палубные и напольные покрытия и т.д. Конструктивный элемент содержит сплошной линейный профиль, изготовленный из множества соединенных лент, каждая из которых включает однонаправленно выровненные непрерывные волокна, внедренные в термопластичную полимерную матрицу. Непрерывные волокнистые ленты ламинируют друг с другом во время пултрузии, образуя цельный сплошной профиль, обладающий очень высокой прочностью на растяжение.

В противоположность традиционному мнению, авторы настоящего изобретения обнаружили, что тщательное регулирование определенных аспектов процесса пултрузии может способствовать простому изготовлению таких высокопрочных профилей без неблагоприятного воздействия на пултрузионное устройство. Далее разнообразные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно.

Непрерывные волокна, используемые в настоящем изобретении, можно формировать из любого известного традиционного материала, такого 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 особенно 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.

Можно использовать любой из разнообразных термопластичных полимеров для изготовления термопластичной матрицы, в которую внедрены непрерывные 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. Полибутилентерефталат (PBT) представляет собой наиболее подходящий термопластичный полимер.

Непрерывные волокнистые ленты согласно настоящему изобретению изготавливают, как правило, используя экструзионное устройство, с помощью которого непрерывные волокна внедряют в термопластичную матрицу. Помимо прочего, данное экструзионное устройство повышает способность термопластичного полимера покрывать всю поверхность волокон. Полученная в результате лента также имеет очень низкую пористость, что способствует повышению прочности ленты. 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 D 2584-08 Американского общества специалистов по испытанию материалов 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 D 3171-09 Американского общества специалистов по испытанию материалов. 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 D 2734-09 Американского общества специалистов по испытанию материалов (способ A), причем плотности можно определять в соответствии со стандартом D792-08 Американского общества специалистов по испытанию материалов (способ A). Разумеется, пористость можно также оценивать, используя традиционное микроскопическое оборудование.

На фиг.1 представлен 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. 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.2A) 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 пропитанный 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 может 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 трубное соединение 220, запорный канал 270 и пропиточную зону 250. Трубное соединение 220 предназначено для прохождения через него полимерной смолы 214. Например, трубное соединение 220 может включать канал 222 или множество каналов 222. Полимер 214, вводимый в пропиточную фильеру 150, можно 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 может 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 трубного соединения 220 и покрывает пучки 142, в основном, равномерно распределяется по пучкам 142. Это, как правило, обеспечивает желательное равномерное пропитывание пучков 142.

Кроме того, трубное соединение 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 трубное соединение 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 трубное соединение 220 полимер 214 может проходить через запорный канал 270. Запорный канал 270 находится между трубным соединением 220 и пропиточной зоной 250 и предназначен для протекания полимера 214 из трубного соединения 220 таким образом, что полимер 214 покрывает пучки 142. Таким образом, полимер 214, выходящий из трубного соединения 220, например, через выпускную область 242, может поступать в запорный канал 270 и протекать через него, как показано на чертеже.

После выхода из трубного соединения 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 трубном соединении 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 25, 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 используемой технологии, непрерывные волокна ориентируют в продольном направлении (машинное направление «A» в системе на фиг.1), чтобы увеличить прочность на растяжение. Помимо ориентации волокон, другие аспекты ленты и процесса пултрузии также регулируют для достижения желательной прочности. Например, относительно высокое процентное содержание непрерывных волокон можно использовать в ленте для обеспечения улучшенных прочностных свойств. Например, непрерывные волокна, как правило, составляют от приблизительно 40 мас.% до приблизительно 90 мас.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 50 мас.% до приблизительно 85 мас.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 55 мас.% до приблизительно 75 мас.% ленты. Аналогичным образом, термопластичный полимер (полимеры), как правило, составляют от приблизительно 10 мас.% до приблизительно 60 мас.%, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 15 мас.% до приблизительно 50 мас.% и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 25 мас.% до приблизительно 45 мас.% ленты.

Кроме того, профиль также изготавливают путем сочетания множества непрерывных волокнистых лент, которые ламинируют друг с другом, чтобы получать прочную целостную структуру, имеющую желательную толщину. Число используемых лент может изменяться в зависимости от желательной толщины и прочности профиля, а также природы самих лент. Однако в большинстве случаев число лент составляет от 2 до 40, в некоторых вариантах осуществления от 3 до 30 и в некоторых вариантах осуществления от 4 до 25.

Конкретный способ, с помощью которого ленты соединяют друг с другом и подвергают формованию, также тщательно регулируют, чтобы обеспечить изготовление высокопрочных профилей можно изготавливать без неблагоприятного воздействия на пултрузионное устройство. Например, рассмотрим фиг.3, представляющую один конкретный вариант осуществления системы и способа для изготовления сплошного профиля. В данном варианте осуществления, множество лент 12 первоначально находятся в свернутой упаковке на шпулярнике 20. Шпулярник 20 может представлять собой размоточный шпулярник, который включает раму, снабженную горизонтально вращающимися шпинделями 22, каждый из которых поддерживает упаковку. Можно также использовать смоточный шпулярник, в частности, если желательно обеспечить скручивание волокон. Следует также понимать, что ленты можно также изготавливать в процессе изготовления профиля. В одном варианте осуществления, например, экструдат 152, выходящий из пропиточной фильеры 150 на фиг.1, можно непосредственно устанавливать в систему, используемую для изготовления профиля. Можно также использовать регулирующее натяжение устройство 40, чтобы способствовать регулированию степени натяжения лент 12. Устройство 40 может включать впускную пластину 30, которая находится в вертикальной плоскости параллельно вращающимся шпинделям 22 шпулярника 20. Регулирующее натяжение устройство 40 может содержать цилиндрические штанги 41, расположенные в шахматном порядке, таким образом, что ленты 12 проходят над и под этими штангами, определяющими волнообразную форму. Высоту штанг можно регулировать для изменения амплитуды волнообразной формы и регулирования натяжения.

Перед поступлением в соединительную фильеру ленты 12 нагревают в печи 45. Нагревание можно осуществлять, используя печь любого известного типа, такую как инфракрасная печь, конвекционная печь и т.д. Во время нагревания волокна однонаправленно ориентируют, чтобы оптимизировать воздействие тепла и обеспечивать равномерное нагревание всего профиля. Температура, до которой нагревают ленты 12, как правило, является достаточно высокой для размягчения термопластичного полимера до такой степени, чтобы ленты можно было соединять друг с другом. Однако эта температура не является настолько высокой, чтобы разрушать целостность материала. Данная температура может составлять, например, от приблизительно 80°C до приблизительно 250°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 90°C до приблизительно 200°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 100°C до приблизительно 150°C. В одном конкретном варианте осуществления, например, в качестве полимера используют сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS), и ленты нагревают до уровня или выше температуры плавления ABS, которая составляет приблизительно 105°C. В еще одном варианте осуществления в качестве полимера используют полибутилентерефталат (PBT), и ленты нагревают до уровня или выше температуры плавления PBT, которая составляет приблизительно 224°C.

После нагревания ленты 12 направляют в соединительную фильеру 50 для соединения друг с другом в многослойный материал 14, а также для выравнивания и изготовления первоначальной формы профиля. Как представлено на фиг.4, например, ленты 12 проходят через канал 51 фильеры 50 в направлении «A». Канал 51 может иметь любые из разнообразных форм и/или размеров для создания конфигурации профиля. Желательно, чтобы размер (ширина и/или высота) канала 51 несколько превышал размер многослойного материала 14, чтобы обеспечить расширение термопластичного полимера при нагревании для сведения к минимуму риска скопления материала внутри фильеры 50. Например, ширина канала 51 может превышать приблизительно на 2% или более, в некоторых вариантах осуществления приблизительно на 5% или более и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10% до приблизительно 20% ширину многослойного материала 14. Аналогичным образом, высота канала 51 может превышать приблизительно на 2% или более, в некоторых вариантах осуществления приблизительно на 5% или более и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 10% до приблизительно 20% ширину многослойного материала 14. Внутри фильеры 50 ленты, как правило, содержат при температуре на уровне или выше температуры плавления термопластичной матрицы, используемой в лентах, чтобы обеспечить достаточное соединение.

Если это желательно, можно также использовать вторую фильеру 60 (например, калибровочную фильеру), которая сжимает многослойный материал 14 и придает окончательную форму профилю.

В случае его использования, как правило, желательно, чтобы многослойный материал 14 оставляли для непродолжительного охлаждения после выхода из соединительной фильеры 50 и перед поступлением в необязательную вторую фильеру 60. Это позволяет соединенному многослойному материалу 14 сохранять свою первоначальную форму перед дальнейшим прохождением через систему. Такое охлаждение можно осуществлять путем простого выдерживания многослойного материала 14 в окружающей атмосфере (например, при комнатной температуре) или путем использования способов активного охлаждения (например, водяной бани или воздушного охлаждения), которые известны в технике. В одном варианте осуществления, например, воздух продувают на многослойный материал 14 (используя, например, кольцевой зазор для подачи воздуха). Однако охлаждение между этими стадиями, как правило, осуществляют в течение непродолжительного периода времени, чтобы обеспечить сохранение многослойным материалом 14 достаточной мягкости для дальнейшего формования. Например, после выхода из соединительной фильеры 50 многослойный материал 14 можно выдерживать в окружающей среде лишь в течение периода, составляющего от приблизительно 1 до приблизительно 20 секунд и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2 до приблизительно 10 секунд, перед поступлением во вторую фильеру 60. Внутри фильеры 60, многослойный материал, как правило, содержат при температуре ниже температуры плавления термопластичной матрицы, используемой в ленте, таким образом, чтобы могла сохраняться форма профиля.

Хотя выше описаны одиночные фильеры, следует понимать, что фильеры 50 и 60 могут в действительности состоять из множества отдельных фильер (например, фильер с передними пластинами).

На полученный в результате профиль можно также наносить покровный слой для улучшения внешнего вида профиля и/или его защиты от воздействия окружающей среды. Например, рассмотрим фиг.3, представляющую такой покровный слой, который можно наносить, используя экструдер, ориентированный под любым желательным углом, для введения термопластичного полимера в покровную фильеру 72. Полимер могут содержать любой подходящий термопластичный полимер, известный в технике, который является, в основном, совместимый с термопластичным полимером, который используют для изготовления профиля. Подходящие покровные полимеры могут включать, например, акриловые полимеры, поливинилхлорид (PVC), полибутилентерефталат (PBT), ABS, полиолефины, сложный полиэфиры, полиацетали, полиамиды, полиуретаны и т.д. Хотя покровный полимер, как правило, не содержит волокон, он может, тем не менее, содержать другие добавки для улучшения конечных свойств профиля. Дополнительные материалы, используемые на данной стадии, могут включать материалы, которые не являются подходящими для внедрения в содержащие непрерывные волокна или длинные волокна слои. Например, может оказаться желательным добавление пигментов в композитную структуру для уменьшения трудоемкости конечной обработки формованных изделий, или может оказаться желательным добавление огнезащитных материалов в композитную структуру для улучшения характеристик огнестойкости формованных изделий. Поскольку многие дополнительные материалы являются термочувствительными, чрезмерное количество тепла может привести к их разложению и выделению летучих газов. Таким образом, если термочувствительный дополнительный материал подвергают экструзии с пропитывающим полимером в условиях высокой температуры, это может привести к полному разложению данного дополнительного материала. Дополнительные материалы могут включать, например, минеральные армирующие материалы, смазочные материалы, огнезащитные материалы, пороо6разователи, пенообразователи, устойчивые к ультрафиолетовому излучению материалы, термостабилизаторы, пигменты и их сочетания. Подходящие минеральные армирующие материалы могут включать, например, карбонат кальция, диоксид кремния, слюду, глины, тальк, силикат кальция, графит, тригидрат оксида алюминия, феррит бария и их сочетания.

Хотя это не представлено подробно в настоящем документе, покровная фильера 72 может включать разнообразные отличительные особенности, известные в технике, которые способствуют достижению желательного нанесения покровного слоя. Например, покровная фильера 72 может включать входное направляющее устройство, которое выравнивает поступающий профиль. Покровная фильера может также включать нагревательный механизм (например, нагретую пластину), которая предварительно нагревает профиль перед нанесением покровного слоя, чтобы способствовать обеспечению соответствующего соединения.

После необязательного покрытия формованное изделие 15 подвергают конечному охлаждению, используя охлаждающую систему 80, которая известна в технике. Охлаждающая система 80 может представлять собой, например, вакуумное калибровочное устройство, включающее один или более блоков (например, алюминиевых блоков), которые полностью окружают профиль, в то время как вакуум протягивает горячую форму относительно стенок в процессе ее охлаждения. В калибровочное устройство можно подавать охлаждающую среду, такую как воздух или вода, чтобы отверждать профиль в правильной форме.

Вакуумные калибровочные устройства, как правило, используют при изготовлении профиля. Однако даже если вакуумное калибровочное устройство не используют, как правило, желательно охлаждать профиль после его выхода из покровной фильеры (или соединительной или калибровочной фильеры, если не наносят покрытие). Охлаждение можно осуществлять, используя любую технологию, известную в технике, такую как вакуумный водяной резервуар, охлаждающий воздушный поток или воздушная струя, охлаждающая рубашка, внутренний охлаждающий канал, охлаждающие каналы с циркулирующей текучей средой и т.д. Независимо, температуру, при которой охлаждают материал, обычно регулируют для достижения оптимальных механических свойств, допустимых отклонений размеров изделий, хорошей технологичности и привлекательного внешнего вида композита. Например, если температура охлаждающего устройства является чрезмерно высокой, материал может набухать в данном устройстве и прерывать процесс. Для полукристаллических материалов чрезмерно низкая температура может аналогичным образом приводить к чрезмерно быстрому охлаждению материала и не обеспечивать полную кристаллизацию, в результате чего ухудшаются свойства механической и химической стойкости композита. Можно использовать множество охлаждаемых фильерных секций с независимым регулированием температуры для достижения оптимального баланса технологических и эксплуатационных характеристик. В одном конкретном варианте осуществления, например, используют вакуумный водяной резервуар, в котором поддерживают температуру, составляющую от приблизительно 0°C до приблизительно 30°C, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1°C до приблизительно 20°C и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 2°C до приблизительно 15°C.

Как будет понятно, температуру профиля во время его прохождения через любую секцию системы согласно настоящему изобретению можно регулировать, обеспечивая оптимальное производство и желательные свойства конечного композита. Любые или все секции устройства могут представлять собой имеющие терморегуляторы электрические патронные нагреватели, охлаждающие устройства с циркулирующей текучей средой и т.д., или любые другие регулирующие температуру устройства, известные специалистам в данной области техники.

На фиг.3 показано протягивающее устройство 82, расположенное после охлаждающей системы 80, которое протягивает готовый профиль 16 через систему для конечного калибрования композита. Протягивающее устройство 82 может представлять собой любое устройство, которое способно протягивать профиль через технологическую систему при желательной скорости. Типичные протягивающие устройства включают, например, гусеничные протягивающие устройства и поршневые протягивающие устройства. Если это желательно, можно также использовать одну или более калибровочных фильер (не показаны на чертежах). Такие фильеры содержат отверстия, которые вырезаны точно по форме профиля и калиброваны, начиная формой, превышающей номинальный размер, и заканчивая формой готового профиля. Когда профиль проходит через данное устройство, предотвращается любое возможное отклонение или оседание, и он возвращается обратно (периодически) к своей правильной формой. После калибрования профиль можно разрезать согласно желательной длине, используя режущее устройство (не показано на чертежах), такое как отрезная пила, способная осуществлять поперечные разрезы.

Посредством регулирования разнообразных параметров, которые упомянуты выше, можно изготавливать профили, обладающие очень высокой прочностью. Например, профили могут проявлять относительно высокий модуль изгиба. Термин «модуль изгиба», как правило, означает соотношение напряжения растяжения при деформации изгиба (выраженное как сила на единицу площади) или склонность материала к изгибу. Его определяют по наклону кривой зависимости деформации от напряжения, построенной в результате испытания методом трехточечного изгиба (например, в соответствии с процедурой A стандарта D790-10 Американского общества специалистов по испытанию материалов или стандарта 178 Международной организации по стандартизации). Например, профиль согласно настоящему изобретению может проявлять модуль изгиба, составляющий от приблизительно 10 ГПа или более, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0 до приблизительно 80 ГПа, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 20 до приблизительно 70 ГПа и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 30 до приблизительно 60 ГПа. Кроме того, максимальная прочность на изгиб (также известная как модуль разрыва или сопротивление изгибу) может составлять приблизительно 250 МПа или более, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 300 до приблизительно 1000 МПа и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 325 до приблизительно 700 МПа. Термин «максимальная прочность на изгиб», как правило, означает максимальное напряжение, достигаемое на кривой зависимости деформации от напряжения, построенной в результате испытания методом трехточечного изгиба при комнатной температуре (например, в соответствии с процедурой A стандарта D790-10 Американского общества специалистов по испытанию материалов или стандарта 178 Международной организации по стандартизации). Он представляет собой способность материала выдерживать приложенное напряжение до разрыва.

Профиль может также иметь очень низкую пористость, например, составляющую приблизительно 3% или менее, в некоторых вариантах осуществления приблизительно 2% или менее и в некоторых вариантах осуществления приблизительно 1% или менее. Пористость можно определять таким образом, как описано выше, например, используя испытание на выжигание полимера в соответствии со стандартом D 2584-08 Американского общества специалистов по испытанию материалов.

Один вариант осуществления профиля, изготовленного описанным выше способом, представлен более подробно на фиг.5 как элемент 516. Профиль 516 имеет, как правило, прямоугольную форму и состоит из непрерывного волокнистого компонента 514, который образован из множества ламинированных лент. Покровный слой 519 также проходит вокруг периметра непрерывного волокнистого компонента 54 и определяет внешнюю поверхность профиля 516. Толщина поперечного сечения (T) непрерывного волокнистого компонента 514 можно выбирать стратегически, чтобы способствовать достижению определенной прочности для профиля. Например, непрерывный волокнистый компонент 514 может иметь толщину, которая составляет от приблизительно 0,5 до приблизительно 40 мм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 20 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 до приблизительно 10 мм. Аналогичным образом, ширина поперечного сечения (W) может составлять от приблизительно 1 до приблизительно 50 мм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 до приблизительно 40 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 5 до приблизительно 30 мм. Толщина покровного слоя 519 зависит от целевой функции изделия, но составляет, как правило, от приблизительно 0,01 до приблизительно 5 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 0,02 до приблизительно 1,5 мм. Суммарная толщина или высота поперечного сечения профиля 516 может также составлять от приблизительно 0,5 до приблизительно 45 мм, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1 до приблизительно 25 мм и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 4 до приблизительно 5 мм.

Как будет понятно, конкретный профиль согласно описанному выше варианту осуществления представляет собой просто пример из многочисленных конфигураций, которые становятся возможными в результате настоящего изобретения. В отношении разнообразных возможных конфигураций профиля, следует понимать, что дополнительные слои материала можно использовать в дополнение к тем, которые описаны выше. В определенных вариантах осуществления, например, может оказаться желательным изготовление многокомпонентного профиля, в котором один компонент состоит из имеющего более высокую прочность материала, и другой компонент состоит из имеющего меньшую прочность материала.

Такие многокомпонентные профили могут оказаться особенно полезными для увеличения суммарной прочности без требования необходимости более дорогостоящих высокопрочных материалов для всего профиля. Имеющие менее и/или более высокую прочность компоненты можно изготавливать из ленты (лент), которые содержат непрерывные волокна, внедренные в термопластичную матрицу. Как правило, соотношение предельного напряжения на растяжение (при комнатной температуре) волокон, используемых для изготовления высокопрочного материала, и волокон, используемых для изготовления имеющего низкую прочность материала, составляет от приблизительно 1,0 до приблизительно 3,0, в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,2 до приблизительно 2,5 и в некоторых вариантах осуществления от приблизительно 1,4 до приблизительно 2,0. При использовании материалов, имеющих такую разность значений прочности, часто оказывается желательным, чтобы высокопрочный материал был распределен, в основном, симметрично относительно центра поперечного сечения профиля. Такое симметричное распределение позволяет предотвратить изгибание или другие механические проблемы, которые могут возникать во время пултрузии вследствие различий в значениях прочности материалов.

На фиг.6 представлен один вариант осуществления сплошного многокомпонентного профиля 600, который содержит первый «высокопрочный» компонент 620 и второй «низкопрочный» компонент 640. В данном варианте осуществления каждый компонент состоит из множества лент, которые содержат непрерывные волокна, внедренные в термопластичную полимерную матрицу. Непрерывные волокна низкопрочного компонента 640 могут представлять собой, например, стеклянные волокна (например, стекло E), в то время как непрерывные волокна высокопрочного компонента могут представлять собой углеродные волокна. Как представлено на фиг.6, высокопрочный компонент 620 расположен таким образом, что он прилегает к верхней поверхности и нижней поверхности низкопрочного компонента и, следовательно, симметрично распределяется относительно центра поперечного сечения «C» профиля 600. Такой профиль 600 можно изготавливать, используя способы, известные специалистам в данной области техники. Например, верхние и нижние ленты, разматываемые со шпулярника 20 (фиг.3), могут представлять собой углеродные волокнистые ленты, в то время как центральные ленты могут представлять собой стеклянное волокнистые ленты. Все ленты можно после этого ламинировать и одноосно ориентировать, получая желательную форму, как представлено и описано в настоящем документе.

Фиг.7 представляет еще один вариант осуществления многокомпонентного профиля 700, который содержит высокопрочный компонент 720 и низкопрочный компонент 740. В данном конкретном варианте осуществления высокопрочный компонент (например, углеродная волокнистая лента) находится в центральной области профиля 700 и распределятся вокруг центра «C». Низкопрочный компонент 740 (например, стеклянная волокнистая лента), аналогичным образом, распределяется вокруг периферии высокопрочного компонента 720.

Следует понимать, что настоящее изобретение ни в какой степени не ограничено вариантами осуществления, которые описаны выше. Например, профили могут содержать другие разнообразные компоненты в зависимости от желательного применения. Дополнительные компоненты можно изготавливать из непрерывной волокнистой ленты, такой как лента, описанная в настоящем документе, а также использовать другие типы материалов. В одном варианте осуществления, например, профиль может содержать слой прерывистых волокон (например, короткие волокна, длинные волокна и т.д.) для повышения его поперечной прочности. Прерывистые волокна можно ориентировать таким образом, чтобы, по меньшей мере, некоторые волокна находились под углом относительно направления, в котором вытянуты непрерывные волокна.

Как указано выше, профили согласно настоящему изобретению можно использовать в качестве конструктивных элементов для широкого разнообразия применений, включающих окна, палубные доски, поручни, перила, кровельные панели, доски обшивки, цокольные доски, трубы, ограждения, столбы, осветительные мачты, дорожные знаки, придорожные направляющие столбики и т.д. В окнах, например, можно использовать один или более конструктивных элементов, которые содержат линейные профили согласно настоящему изобретению. Например, окно может включать раму, переплет и остекление, как описано в патенте США № 6260251 (Guhl), который во всей своей полноте включен в настоящий документ посредством данной ссылки для всех целей. Раму можно изготавливать из четырех отдельных элементов рамы, в то время как оконный переплет можно изготавливать из четырех отдельных элементов переплета. Если это желательно, профили согласно настоящему изобретению можно использовать в любом оконном компоненте, но они могут оказаться особенно желательными для использования в изготовлении всех или некоторых из элементов рамы и/или элементов переплета.

Настоящее изобретение можно лучше понять при рассмотрении следующих примеров.

Пример 1

Сначала изготавливали двадцать одну непрерывную волокнистую ленту, используя экструзионную систему, которая, в основном, описана выше и представлена на фиг.1-2. Пучки из стеклянных волокон (стекло E, 2200 текс (2,2 г/м)) использовали в качестве непрерывных волокон в каждой отдельной ленте, содержащей три (3) волоконных пучка. Термопластичный полимер, используемый для пропитывания волокон, представлял собой полибутилентерефталат, у которого температура плавления составляет приблизительно 224°C. Каждая лента содержала 65,6 мас.% стеклянных волокон и 34,4 мас.% PBS. У полученных в результате лент толщина составляла от 0,2 до 0,4 мм, и пористость составляла менее чем 1%.

После изготовления двадцать одну ленту направляли на пултрузионную линию, работающую при скорости 15 фут/мин (7,62 см/с). Перед соединением ленты нагревали в инфракрасной печи (уровень мощности 445). Нагретые ленты затем поступали в соединительную фильеру, такую как фильера, описанная выше и представленная на фиг.3. Фильера содержала имеющий прямоугольную форму канал, где принятые ленты соединяли друг с другом, образуя при этом первоначальную форму профиля. Внутри фильеры ленты находились при температуре, составлявшей приблизительно 227°C, которая незначительно превышает температуру плавления полибутилентерефталатной матрицы. После соединения полученный в результате многослойный материал охлаждали в течение непродолжительного времени, используя воздушное кольцевое/туннельное устройство, которое подавало окружающий воздух при давлении 8,5 фунт/дюйм² (58,57 кПа). Многослойный материал затем пропускали через зажим, образованный между двумя роликами, и затем в калибровочную фильеру для конечного формования. Внутри калибровочной фильеры многослойный материал находился при температуре, составлявшей приблизительно 177°C. Полученное в результате изделие затем направляли на ряд калибровочных блоков (или фильер) для придания им конечной сплошной прямоугольной формы и охлаждали, используя резервуар с водой, температура которой составляла приблизительно 7°C. Профиль имел толщину 5,87 мм и ширину 19,94 мм.

Чтобы определить прочностные свойства профиля, трехточечное испытание на изгиб осуществляли в соответствии с процедурой A стандарта D790-10 Американского общества специалистов по испытанию материалов. Радиус опоры и закругления составлял 5 мм, расстояние между опорами составляло 3,68 дюймов (9,35 см), глубина образца составляла 16X, и скорость испытания составляла 0,1 дюйма в минуту (42,3 мкм/с). Полученный в результате модуль изгиба составлял 34,6 ГПа, и прочность на изгиб составляла 546,8 МПа. Плотность изделия составляла 1,917 г/см³, и пористость составляла 0,51%. Кроме того, содержание золы составляло 66,5%.

Пример 2

Сначала изготавливали восемнадцать непрерывных стеклянных волокнистых лент и шесть углеродных волокнистых лент, используя экструзионную систему, которая, в основном, описана выше и представлена на фиг.1-2. Пучки из стеклянных волокон (стекло E, 2200 текс (2,2 г/м)) и пучки углеродных волокон использовали в качестве непрерывных волокон в каждой отдельной ленте, содержащей три волоконных пучка. Термопластичный полимер, используемый для пропитывания волокон, представлял собой полибутилентерефталат, у которого температура плавления составляет приблизительно 224°C. Каждая лента содержала 65,6 мас.% стеклянных волокон и 34,4 мас.% PBS или 50 мас.% углеродных волокон и 50 мас.% PBT. У полученных в результате лент толщина составляла от 0,2 до 0,4 мм, и пористость составляла менее чем 1%.

После изготовления ленты направляли на пултрузионную линию, работающую при скорости 15 фут/мин (7,62 см/с). Перед соединением ленты нагревали в инфракрасной печи (уровень мощности 445). Нагретые ленты затем поступали в соединительную фильеру, такую как фильера, описанная выше и представленная на фиг.3. Фильера содержала имеющий прямоугольную форму канал, где принятые ленты соединяли друг с другом, образуя при этом первоначальную форму профиля. Внутри фильеры ленты находились при температуре, составлявшей приблизительно 227°C, которая незначительно превышает температуру плавления полибутилентерефталатной матрицы. После соединения полученный в результате многослойный материал охлаждали в течение непродолжительного времени, используя воздушное кольцевое/туннельное устройство, которое подавало окружающий воздух при давлении 8,5 фунт/дюйм² (58,57 кПа). Многослойный материал затем пропускали через зажим, образованный между двумя роликами, и затем в калибровочную фильеру для конечного формования. Внутри калибровочной фильеры многослойный материал находился при температуре, составлявшей приблизительно 177°C. Полученное в результате изделие затем направляли на ряд калибровочных блоков (или фильер) для придания им конечной сплошной прямоугольной формы и охлаждали, используя резервуар с водой, температура которой составляла приблизительно 7°C. Профиль имел толщину 5,87 мм и ширину 19,94 мм.

Чтобы определить прочностные свойства профиля, трехточечное испытание на изгиб осуществляли в соответствии с процедурой A стандарта D790-10 Американского общества специалистов по испытанию материалов. Радиус опоры и закругления составлял 5 мм, расстояние между опорами составляло 3,68 дюймов (9,35 см), глубина образца составляла 16X, и скорость испытания составляла 0,1 дюйм/мин (42,3 мкм/с). Полученный в результате модуль изгиба составлял 48 ГПа, и прочность на изгиб составляла 350 МПа.

Эти и другие модификации и варианты настоящего изобретения могут практически осуществлять обычные специалисты в данной области техники, без отклонения от идеи и выхода за пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, следует понимать, что аспекты разнообразных вариантов осуществления могут быть взаимозаменяемыми полностью или частично. Более того, обычные специалисты в данной области техники оценят, что приведенное выше описание представляет собой только пример и не предназначено для ограничения настоящего изобретения, которое дополнительно описано в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к сплошному линейному многослойному профилю, к способу его изготовления и к конструктивному элементу. Сплошной линейный многослойный профиль содержит первый компонент, сформированный из уплотненного многослойного материала, состоящего из отдельных лент, каждая из которых содержит множество непрерывных волокон, ориентированных, по существу, в продольном направлении. Профиль содержит смолистую матрицу, которая содержит один или несколько термопластичных полимеров и в которую внедрены непрерывные волокна. Непрерывные волокна составляют от около 40 мас.% до около 90 мас.% ленты. Термопластичные полимеры составляют от около 10 мас.% до около 60 мас.% ленты. Профиль имеет модуль упругости на изгиб около 10 ГПа или более. Изобретение обеспечивает повышение физико-механических свойств изделий. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Сплошной линейный многослойный профиль, содержащий первый компонент, сформированный из уплотненного многослойного материала, состоящего из отдельных лент, каждая из которых содержит множество непрерывных волокон, ориентированных, по существу, в продольном направлении, и смолистую матрицу, которая содержит один или несколько термопластичных полимеров и в которую внедрены непрерывные волокна, при этом непрерывные волокна составляют от около 40 мас.% до около 90 мас.% ленты, а термопластичные полимеры составляют от около 10 мас.% до около 60 мас.% ленты, при этом профиль имеет модуль упругости на изгиб около 10 ГПа или более.

2. Профиль по п.1, в котором непрерывные волокна включают стеклянные волокна, углеродные волокна или комбинацию из стеклянных и углеродных волокон.

3. Профиль по п.1, в котором термопластичные полимеры включают полиолефин, простой полиэфиркетон, простой полиэфиримид, полиариленкетон, жидкокристаллический полимер, полиариленсульфид, фторсодержащий полимер, полиацеталь, полиуретан, поликарбонат, стирольный полимер, сложный полиэфир, полиамид или их комбинацию.

4. Профиль по п.1, в котором непрерывные волокна составляют от около 50 мас.% до около 85 мас.% ленты.

5. Профиль по п.1, в котором лента имеет коэффициент пустот, равный около 2% или менее.

6. Профиль по п.1, сформированный из от 10 до 30 отдельных лент.

7. Профиль по п.1, имеющий модуль упругости на изгиб от около 30 ГПа до около 60 ГПа.

8. Профиль по п.1, имеющий прочность на изгиб около 250 МПа или более.

9. Профиль по п.1, имеющий прочность на изгиб от около 300 МПа до около 2000 МПа.

10. Профиль по п.1, имеющий коэффициент пустот, равный около 2% или менее.

11. Профиль по п.1, содержащий второй компонент, сформированный из уплотненного многослойного материала, состоящего из отдельных лент, каждая из которых содержит множество непрерывных волокон, ориентированных, по существу, в продольном направлении, и смолистую матрицу, которая содержит один или несколько термопластичных полимеров и в которую внедрены непрерывные волокна, при этом непрерывные волокна второго компонента имеют более высокую прочность на растяжение в продольном направлении, чем непрерывные волокна первого компонента.

12. Профиль по п.11, в котором отношение прочности на растяжение непрерывных волокон второго компонента к прочности на растяжение непрерывных волокон первого компонента в продольном направлении составляет от около 1,2 до около 2,5.

13. Профиль по п.11, в котором второй компонент распределен в основном симметрично относительно центра поперечного сечения профиля.

14. Профиль по п.11, в котором непрерывные волокна второго компонента содержат углеродные волокна, а непрерывные волокна первого компонента содержат стеклянные волокна.

15. Способ изготовления сплошного линейного многослойного профиля по п.1, предусматривающий:
подачу множества отдельных лент, каждая из которых содержит множество непрерывных волокон, ориентированных, по существу, в продольном направлении, и смолистую матрицу, которая содержит один или несколько термопластичных полимеров и в которую внедрены непрерывные волокна, при этом непрерывные волокна составляют от около 40 мас.% до около 90 мас.% ленты, а термопластичные полимеры составляют от около 10 мас.% до около 60 мас.% ленты;
нагрев лент до или выше температуры размягчения смолистой матрицы;
протягивание нагретых лент через первую фильеру для уплотнения лент друг к другу и образования многослойного материала и через вторую фильеру для придания формы многослойному материалу;
охлаждение многослойного материала, которому придали форму, для изготовления сплошного профиля, имеющего модуль упругости на изгиб около 10 ГПа или более.

16. Способ по п.15, в котором непрерывные волокна включают стеклянные волокна, углеродные волокна или комбинацию из стеклянных и углеродных волокон.

17. Способ по п.15, в котором термопластичные полимеры включают полиолефин, простой полиэфиркетон, простой полиэфиримид, полиариленкетон, жидкокристаллический полимер, полиариленсульфид, фторсодержащий полимер, полиацеталь, полиуретан, поликарбонат, стирольный полимер, сложный полиэфир, полиамид или их комбинацию.

18. Способ по п.15, в котором непрерывные волокна составляют от около 50 мас.% до около 85 мас.% ленты.

19. Способ по п.15, в котором лента имеет коэффициент пустот, равный около 2% или менее.

20. Способ по п.15, согласно которому используют от 10 до 30 отдельных лент для изготовления многослойного материала.

21. Способ по п.15, в котором ленты нагревают в инфракрасной печи.

22. Способ по п.15, в котором многослойный материал охлаждают после его выхода из первой фильеры и перед входом во вторую фильеру.

23. Способ по п.15, в котором предусмотрен отжиг, осуществляемый в водяном резервуаре при температуре от около 1°С до около 15°С.

24. Способ по п.15, в котором первая часть лент имеет более высокую прочность на растяжение в продольном направлении, чем вторая часть лент.

25. Способ по п.24, в котором непрерывные волокна первой части включают углеродные волокна и непрерывные волокна второй части включают стеклянные волокна.

26. Способ по п.15, в котором профиль имеет коэффициент пустот, равный около 2% или менее.

27. Способ по п.15, в котором профиль имеет модуль упругости на изгиб, равный около 250 МПа или более.

28. Конструктивный элемент, сформированный из сплошного линейного многослойного профиля по п.1.