ТЕКСТИЛЬНАЯ ПОДЛОЖКА, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ИЗ АРМИРУЮЩИХ ВОЛОКОН Российский патент 2019 года по МПК D04H1/541 

Изобретение относится к текстильной подложке, изготовленной из армирующих волокон, для производства предварительных заготовок из композитного материала, которая содержит волокнистый композит или однонаправленный тканый материал, состоящий по меньшей мере из одного плоского слоя комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, которые соединены поперечными нитями, где нетканый материал из термопластичного полимерного материала расположен по меньшей мере на одном плоском слое комплексных армирующих нитей и приклеен к плоскому слою комплексных армирующих нитей.

Волокнистые композиты, изготовленные из армирующих волокон или нитей, в частности, также в виде однонаправленных тканых материалов, давно известны на рынке. Эти волокнистые композиты или однонаправленные тканые материалы широко использовали для производства композитных частей, которые в некоторых случаях имели сложные структуры. На промежуточном этапе во время изготовления таких композитных частей, волокнистые предварительные заготовки сначала изготавливали из волокнистых композитов или однонаправленных тканых материалов, где предварительные заготовки, состоявшие из текстильных полуфабрикатов в виде двухмерных или трехмерных структур, изготовленных из армирующих волокон, форма которых уже могла близко соответствовать форме готовой части. Для вариантов осуществления волокнистых предварительных заготовок этого типа, которые состоят по существу только из армирующих волокон и для которых доля матричного материала, требующегося для изготовления части, все еще в большой степени отсутствует, пригодный матричный материал вводят в волокнистую предварительную заготовку на дополнительных этапах посредством пропитки или инжекции, или также посредством приложения разрежения. Впоследствии матричный материал термофиксируют, как правило, при повышенных температурах и давлениях для формирования готового компонента. Известные способы пропитки или инжекции матричного материала в этом случае заключаются в так называемом способе литьевого формования (ЛФ), или в способах, родственных ему, например, в способе литьевого прессования полимера (ЛПП), в способе литьевого прессования полимера с помощью вакуума (ЛППВ), в способе пропитки пленочным связующим (ППС), в способе пропитки жидким связующим (ПЖС) или в способе пропитки связующим с использованием инструментальной системы для гибкого производства (ПСИИСГП).

Для производства волокнистых предварительных заготовок, волокнистые композиты или однонаправленные тканые материалы могут быть уложены один поверх другого в несколько слоев без матричного материала в форму или пресс-форму, приспособленную для изготовления части, до достижения требуемой толщины. В других случаях несколько слоев волокнистых композитов или тканых материалов могут быть сначала расположены один поверх другого и соединены вместе для формирования сухого многоосевого композита, например, посредством сшивания нитями. Армирующие волокна отдельных слоев могут быть расположены параллельно друг другу или поочередно перекрещиваться. Обычно углы в многоосевых композитах принимаются равными 0°, 90°, плюс или минус 25°, плюс или минус 30°, плюс или минус 45° или плюс или минус 60°; и структуру выбирают таким образом, чтобы в результате получалась структура, симметричная относительно направления, принятого за 0°. Эти многоосевые композиты могут быть затем легко дополнительно обработаны для получения предварительных заготовок.

Во многих случаях многоосевые композиты содержат термопластичный полимерный компонент с относительно низкой температурой плавления, например, в виде швейных нитей или в виде дополнительного полимерного материала, нанесенного на комплексные армирующие нити. Во время изготовления предварительной заготовки, она может быть армирована и, следовательно, стабилизирована посредством плавления этого полимерного компонента и последующего охлаждения.

Использование композитов, изготовленных из комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, или из однонаправленных тканых материалов, обеспечивает возможность изготовления частей из волокнистых композитов, которые могут быть выборочно приспособлены к нагрузкам, действующим на часть во время применения, и, следовательно, обладающую высокой прочностью в соответствующих направлениях действия нагрузок. Использование многоосевых композитов также обеспечивает возможность достижения низких удельных весов посредством приспособления плотностей волокон и углов расположения волокон относительно направлений действия нагрузок, присутствующих в части.

Для изготовления предварительных заготовок важно, чтобы используемые исходные материалы, например, композиты, изготовленные из комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, или однонаправленные тканые материалы, а также многоосевые композиты, изготовленные из них, обладали достаточными стабильностью и формуемостью для обеспечения удобного обращения с ними и их драпируемости.

В Европейском патенте EP 1352118A1, например, раскрыты многоосевые композиты, для которых слои армирующих волокон удерживают вместе с помощью расплавляемых швейных нитей, чем обеспечивают хорошую формуемость многоосевых композитов, посредством нагрева выше температуры плавления швейных нитей, и стабилизацию формы во время последующего охлаждения. Для этого часто используют швейные нити, изготовленные из термопластичных полимеров, например, из полиамида или полиэфира, как раскрыто, например, в документе EP 1057605.

Полуфабрикат для предварительной заготовки из композитного материала описан в документе US 2005/0164578, где упомянутый полуфабрикат, содержащий по меньшей мере один слой, изготовленный из тканого материала из армирующих волокон, в котором волокна интегрированы по меньшей мере в одном из слоев, посредством которых стабилизируют предварительную заготовку, путем подвергания волокон воздействию повышенной температуры, которые растворяются в матричной смоле, вводимой позже для изготовления композитной части. В документе WO 02/16481 также раскрыты структуры, изготавливаемые из армирующих волокон, например, для предварительных заготовок, где структуры содержат гибкие полимерные элементы, которые, например, вводят в виде волокон между армирующими волокнами или в виде швейных нитей, с помощью которых соединяют армирующие волокна друг с другом. Гибкие полимерные элементы состоят из материала, растворимого в используемом, затвердевающем, матричном материале.

Согласно документу DE 19809264A1, адгезивные нетканые материалы, изготовленные из термопластичных полимеров, могут быть введены между слоями из армирующих волокон структур из волокнистых композитов, раскрытых в данном документе, для волокнистых предварительных заготовок, где слои сшиты вместе. Благодаря использованию этих нетканых материалов, скрепленных посредством термосклеивания, структуры из волокнистых композитов могут быть сформированы простым способом, путем нагрева до температуры, выше температуры плавления полимера, составляющего эти нетканые материалы, в виде трехмерных структур, которые сохраняют их форму после охлаждения, практически без возникновения сил, понуждающих к возврату в исходное состояние.

Документ EP 1473132 содержит в качестве предметов изобретения многоосевые композиты и способ изготовления упомянутых многоосевых композитов, а также предварительные заготовки, изготавливаемые из многоосевых композитов. Многоосевые композиты в данном документе содержат промежуточные слои, изготовленные из термопластичных волокон, проложенные между слоями, изготовленными из армирующих волокон, уложенных однонаправленно, где промежуточные слои могут быть неткаными материалами, изготовленными из бикомпонентных волокон, или гибридными неткаными материалами, изготовленными из различных волокон, смешанных вместе. Полимер, из которого сформированы промежуточные слои, должен быть совместимым с матричной смолой, вводимой позже в предварительную заготовку. Особенно пояснено, что промежуточные слои должны быть проницаемыми для матричной смолы во время пропитки смолой и должны защищать армирующие слои во время и после пропитки смолой. В случае использования эпоксидных смол, нетканые материалы изготавливают из полиамидных волокон. Нетканые материалы могут быть соединены со слоями, изготовленными из армирующих волокон, вязально-прошивным способом или посредством скрепления термосклеиванием.

В документе EP 1705269 раскрыт термопластичный волокнистый материал, изготовленный из полигидроксиэфира, который, например, может быть использован, в случае формирования многоосевых композитов, изготовленных из армирующих волокон, как, например, нетканый материал, между слоями, изготовленными из армирующих волокон. При применении тепла, полигидроксиэфир становится вязким и клейким, так, что может быть достигнута фиксация армирующих волокон в определенном геометрическом положении до их внедрения в матрицу. Полигидроксиэфирый волокнистый материал затем позже растворяется полностью в матричном материале при температуре, выше его температуры стеклования.

Композиты, изготовленные из множества слоев армирующих волокон, описанные в документе US 2006/0252334, содержат, например, нетканые материалы, изготовленные из полимерных волокон, между армирующими слоями, для повышения ударной прочности частей, изготовленных из этих композитов. Эти полимерные волокна должны быть, таким образом, растворимыми в матричной смоле, благодаря чему, согласно утверждениям, имеющимся в документе US 2006/0252334, обеспечивается более равномерное распределение полимера, составляющего эти волокна, в матричной смоле, в сравнении с расплавляемыми, нерастворимыми термопластами.

Так как полимерные волокна для композитов, раскрытых в документах US 2006/0252334 и EP 1705269, являются растворимыми в матричном материале и, как результат, растворяются во время пропитки композитов матричной смолой, то надежная фиксация армирующих слоев на этой стадии изготовления части является не достаточно гарантированной.

Описания подложек в виде однослойных композитов, изготовленных из комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, или в виде однослойных однонаправленных тканых материалов, которые пригодны для изготовления волокнистых предварительных заготовок, также обнаружены в патентной литературе. Например, в документе EP 1408152 описана подложка в виде однонаправленного тканого материала, в котором комплексные армирующие нити, расположенные однонаправленно и параллельно друг другу, переплетены вместе вспомогательными нитями, проходящими в направлении, поперечном к комплексным армирующим нитям. Вспомогательные нити могут быть углеродными волокнами, стекловолокнами или органическими волоками, например, арамидными, полиамидными, полипарафениленбензобисоксазольными (ПБО), поливинилацетатными (ПВА) или полиэтиленовыми волокнами. Подложки, описанные в документе EP 1408152, могут также содержать адгезивный компонент, например, изготовленный из нейлона или полиэфира, или из затвердевающей смолы, например, эпоксидной, фенольной или ненасыщенной полиэфирной смолы. Кроме того, первый и второй компоненты смолы прикреплены к комплексным нитям однонаправленного тканого материала. Второй компонент смолы обладает более высокой температурой плавления или температурой начала текучести, чем первый компонент смолы.

В документе EP 2233625 раскрыты подложки в виде однослойных композитов, изготовленных из армирующих волокнистых нитей, расположенных рядом друг с другом, которые имеют изогнутый контур и в которых армирующие волокнистые нити удерживают вместе с помощью вспомогательных нитей, которые перекрещены с армирующими волокнистыми нитями в виде уточных нитей. Нейлоновые нити или стеклонити предпочтительно используются в качестве вспомогательных нитей, где стеклонити особенно предпочтительны, так как они не усаживаются. Смола, в которой основным компонентом является термопластичный полимер, может быть нанесена на подложку в виде точек, линий, прерывистых форм или в виде нетканого материала, и приклеена к подложке для стабилизации изогнутой формы.

Хотя согласно документу EP 2233625 уже созданы подложки, обладающие связанностью и хорошей стабильностью даже при изогнутых контурах, тем не менее существует потребность в подложках, обладающих повышенной стабильностью и, в то же самое время, высокой драпируемостью, пригодных для использования автоматического способа изготовления и автоматической переработки в предварительные заготовки.

Лежащая в основе цель настоящего изобретения заключается, таким образом, в создании подложек данного типа. Дополнительной целью является создание подложек, основанных на армирующих волокнах, обладающих хорошей стабильностью размеров после формования в предварительные заготовки, а также хорошей проницаемостью во время пропитки матричными смолами. В то же самое время, компоненты, изготовленные из этих композитов, должны обладать высокими прочностными свойствами, в частности, при применении давления, и высокой ударной прочностью.

Цель достигают посредством использования текстильной подложки, изготовленной из армирующих волокон для изготовления предварительных заготовок из композитного материала, содержащих однонаправленный композит, состоящий по меньшей мере из одного плоского слоя комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, где:

- комплексные армирующие нити, расположенные рядом друг с другом, соединены вместе с помощью поперечных нитей; и

- нетканый материал из термопластичного полимерного материала расположен по меньшей мере на одном плоском слое комплексных армирующих нитей и приклеен к плоскому слою комплексных армирующих нитей;

где подложка отличается тем, что поперечные нити имеют структуру «сердцевина-оболочка», где первый компонент, составляющий оболочку, и второй компонент, составляющий сердцевину, первый компонент обладает более низкой температурой плавления, чем второй компонент; первый компонент является расплавляемым, термопластичным, полимерным материалом, а комплексные армирующие нити, расположенные рядом друг с другом, соединены вместе с помощью первого компонента поперечных нитей посредством скрепления термосклеиванием.

В контексте настоящего изобретения под однонаправленным композитом понимают структуру, состоящую по меньшей мере из одного плоского слоя комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, в котором все армирующие нити ориентированы в одном направлении. В данных однонаправленных композитах армирующие нити соединены вместе с помощью поперечных нитей посредством скрепления термосклеиванием, где поперечные нити проходят над или под плоским слоем комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, и уложены над или под соответствующим слоем, и могут быть прикреплены к армирующим нитям слоя. Комплексные армирующие нити, расположенные рядом и параллельно друг другу, могут также быть переплетены вместе тканым или трикотажным способом с использованием поперечных нитей, и, в то же самое время, могут быть соединены с помощью поперечных нитей посредством термосклеивания. Однонаправленные композиты данной текстильной подложки, таким образом, также содержат однонаправленные тканые материалы, в которых все армирующие нити также ориентированы в одном направлении. В этих однонаправленных тканых материалах армирующие нити, расположенные параллельно друг другу и составляющие слой, в каждом случае соединены друг с другом посредством цепочек ненатянутых связующих нитей, проходящих по существу в направлении, поперечном к армирующим нитям. Такие однонаправленные тканые материалы описаны, например, в документах EP 0193479B1, EP 0672776 или EP 2233625. Однонаправленные композиты предпочтительно содержат один плоский слой комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу.

Данные текстильные подложки обладают высокой стабильностью против сдвига армирующих нитей друг относительно друга, как в продольном направлении армирующих нитей, так и в направлении, поперечном к армирующим нитям. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что нетканый материал из термопластичного полимерного материала приклеен к слою комплексных армирующих нитей. С другой стороны, благодаря поперечным нитям со структурой «сердцевина-оболочка» обеспечивается дополнительная стабилизация, так как благодаря первому компоненту, составляющему оболочку и изготовленному из расплавляемого, термопластичного, полимерного материала, обладающего более низкой температурой плавления, чем второй компонент, составляющий сердцевину, обеспечивается в результате соединение вместе комплексных армирующих нитей, расположенных рядом друг с другом, посредством скрепления термосклеиванием.

В то же самое время, сердцевинный компонент с более высокой температурой плавления придает подложке достаточную поперечную стабильность относительно возможной усадки и относительно возможному удлинению даже при более высоких температурах, возникающих, например, во время термофиксации матричных смол во время изготовления частей из композитного материала, из предложенной в изобретении текстильной подложки.

Данная текстильная подложка очень пригодна для изготовления волокнистых предварительных заготовок, в которых несколько слоев текстильной подложки наложены один на другой согласно требованиям, предъявляемым к прочности части из композитного материала, окончательно изготовленной и уложенной, например, в форму или пресс-форму. С точки зрения обеспечения хорошей драпируемости данной текстильной подложки, волокнистые предварительные заготовки с изогнутыми контурами могут быть также изготовлены этим способом. Слои текстильной подложки, уложенные один на другой, могут быть затем соединены вместе, т.е. скреплены, например, с помощью нетканого материала или компонента оболочки поперечных нитей посредством кратковременного повышения температуры и последующего охлаждения таким образом, чтобы была получена стабильная и податливая волокнистая предварительная заготовка.

Как уже было пояснено, первый компонент, составляющий оболочку поперечных нитей, обладает более низкой температурой плавления, чем второй компонент, составляющий сердцевину. Температура плавления первого компонента поперечных нитей предпочтительно находится в диапазоне от 70° до 150°С, а более предпочтительно - в диапазоне от 80° до 120°С. Первый компонент может быть полимером или полимерной смесью, температура плавления которых находится в указанном диапазоне. Особенно предпочтительно, чтобы первый компонент был изготовлен из гомополимера полиамида или coполимера полиамида, или из смеси гомополимеров полиамида и/или coполимеров полиамида. Из этих полимеров особенно пригодны: полиамид 6; полиамид 6,6; полиамид 6,12; полиамид 4,6; полиамид 11; полиамид 12 или полимер на основе полиамида 6/12.

Также предпочтительно, чтобы второй компонент поперечных нитей обладал температурой плавления выше 200°С. Особенно предпочтительно, чтобы второй компонент был изготовлен из стекла или полиэфира, так как эти материалы обладают малой усадкой и малым удлинением при температурах, превалирующих во время изготовления части из композитного материала.

В данной текстильной подложке в качестве армирующих волокон или нитей, обычно используемых для изготовления композитных материалов, армированных волокном, могут быть использованы комплексные армирующие нити. Комплексными армирующими нитями предпочтительно являются углеродные волокна, стекловолокна или арамидные нити, или сильно вытянутые ультравысокомолекулярные (УВМ) полиэтиленовые нити, и особенно предпочтительно - нити из углеродного волокна. В благоприятном варианте осуществления масса комплексных армирующих нитей на единицу площади текстильной подложки (поверхностная плотность) составляет от 50 г/м² до 500 г/м². Особенно предпочтительно масса комплексных армирующих нитей на единицу площади текстильной подложки составляет в диапазоне от 100 г/м² до 300 г/м². Комплексные армирующие нити предпочтительно состоят из 500-50000 элементарных армирующих нитей. Для достижения особенно хорошей драпируемости и особенно равномерного внешнего вида текстильной подложки, комплексные армирующие нити особенно предпочтительно состоят из 6000-24000 элементарных армирующих нитей.

Линейная плотность поперечных нитей предпочтительно ориентирована на количество элементарных армирующих нитей в комплексных армирующих нитях и, следовательно, на линейную плотность комплексных армирующих нитей. В однонаправленных тканых материалах, которые также обычно обладают многослойными структурами, изготовленными из текстильных подложек, чрезмерные линейные плотности поперечных нитей приводят в результате к повышенной волнообразности армирующих нитей. Линейная плотность поперечных нитей должна, таким образом, предпочтительно составлять не более 1/5 линейной плотности комплексных армирующих нитей. Поперечные нити предпочтительно обладают линейной плотностью в диапазоне от 20 дтекс до 400 дтекс, а особенно предпочтительно - в диапазоне от 50 дтекс до 200 дтекс.

Для достижения наименьшей возможной волнообразности, но, в то же самое время, достаточной стабильности текстильной подложки, также предпочтительно, чтобы количество поперечных нитей в продольном направлении комплексных армирующих нитей составляло в диапазоне от 0,3 нити/см до 6 нитей/см. Это количество особенно предпочтительно находится в диапазоне от 0,6 нити/см до 2 нитей/см. Поперечные нити могут также проходить под прямым углом к комплексным армирующим нитям. Однако также можно располагать поперечные нити и комплексные армирующие нити под любыми другими потенциально возможными углами между ними.

Нетканый материал текстильной подложки может быть текстильным материалом, изготовленным из хаотически расположенных коротких резанных волокон, или штапельных волокон, или хаотически уложенного нетканого материала, изготовленного из непрерывных элементарных нитей, которые должны быть скреплены, например, посредством применения нагрева и давления, в результате чего элементарные нити расплавляются в точках контакта и, таким образом, формируется нетканый материал. Как уже было пояснено, с помощью нетканого материала обеспечивают, с одной стороны, соединение комплексных армирующих нитей. В то же самое время, обеспечивают хорошую драпируемость и/или лучшую пропитку матричной смолой волокнистых предварительных заготовок, изготовленных из текстильной подложки. Нетканый материал может, например, также быть стекломатом или матом из углеродных волокон, которые затем прикрепляют к плоскому слою комплексных армирующих нитей посредством адгезива.

Нетканый материал предпочтительно изготавливают из термопластичного полимерного материала. Такие нетканые материалы раскрыты, например, в документах DE 3535272C2, EP 0323571A1, US 2007/0202762A1 или US 2008/0289743A1. При соответствующем выборе термопластичного полимерного материала, нетканый материал может функционировать как компонент для повышения ударной прочности, благодаря чему больше не требуется вводить дополнительные средства для повышения ударной прочности в матричный материал как таковой во время изготовления части из композитных материалов. Нетканый материал должен, таким образом, все еще обладать достаточной стабильностью во время пропитки матричным материалом волокнистых предварительных заготовок, изготовленных из текстильной подложки, но должен предпочтительно расплавляться при температурах последующих операций прессования и/или термофиксации. Термопластичный полимерный материал, составляющий нетканый материал, таким образом, предпочтительно обладает температурой плавления в диапазоне от 80° до 250°С. Подтверждено, что нетканые материалы, изготовленные из полиамида, эффективны для применений, в которых используют эпоксидные смолы в качестве матричных материалов.

В предпочтительном варианте осуществления нетканый материал содержит первый и второй полимерные компоненты, температура плавления которых ниже температуры плавления и разложения второго компонента поперечных нитей, где второй полимерный компонент <нетканого материала> обладает более низкой температурой плавления, чем первый полимерный компонент <нетканого материала>. Первый полимерный компонент особенно предпочтительно является таким компонентом, который нерастворим в эпоксидных смолах, смолах на основе цианатных эфиров или бензоксазиновых матричных смолах или в смесях этих матричных смол. Особенно благоприятным условием является условие, при котором температура плавления первого полимерного компонента по меньшей мере находится на одном уровне с температурой термофиксации матричных смол.

Пока эти условия удовлетворяют условиям, описанным выше, полимеры, которые обычно перерабатывают в термопластичные волокна, можно использовать в качестве первого полимерного компонента предпочтительно используемого нетканого материала; к этим полимерам относятся, например: полиамиды, полиимиды, полиамидимиды, полиэфиры, полибутадиены, полиуретаны, полипропилены, полиэфиримиды, полисульфоны, полиэфирсульфоны, полифениленсульфоны, полифениленсульфиды, полиэфиркетоны, полиэфирэфиркетоны, полиариламиды, поликетоны, полифталамиды, полифениленэфиры, полибутилентерефталаты или полиэтилен-терефталаты или coполимеры, или смеси этих полимеров. В качестве первого полимерного компонента нетканого материала особенно предпочтителены гомополимер полиамида или сополимер полиамида, или смесь гомополимеров полиамида и/или coполимеров полиамида. В частности, гомополимером полиамида или coполимером полиамида является полиамид 6; полиамид 6,6; полиамид 6,12; полиамид 4,6; полиамид 11; полиамид 12 или coполимер, основанный на полиамиде 6/12. Первый полимерный компонент нетканого материала предпочтительно обладает температурой плавления в диапазоне от 180° до 250°С.

В благоприятном варианте осуществления второй полимерный компонент нетканого материала обладает температурой плавления в диапазоне от 80° до 140°С. Второй полимерный компонент нетканого материала может быть изготовлен из обычных полимеров, температура плавления которых находится в указанном диапазоне, например, из гомополимеров полиамида или coполимеров с низкой температурой плавления и смесей этих полимеров; полиолефинов, в частности, полиэтиленов [например, из линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтилена высокой плотности (ПЭВП)]; coполиэфиров, этиленвинилацетатов, терполимеров, например, акрилонитрил-бутадиен-стирол coполимеров (АБС) или полигидроксиэфиров.

В предпочтительном варианте осуществления второй полимерный компонент может быть, таким образом, растворимым в эпоксидных смолах, смолах на основе цианатных эфиров или в бензоксазиновых матричных смолах, или в смесях этих матричных смол. В этом случае, кроме того, особенно благоприятно, если второй полимерный компонент является полимером, который вступает в химическую реакцию с эпоксидными смолами, смолой на основе цианатных эфиров или с бензоксазиновыми матричными смолами во время перекрестного сшивания этих матричных смол. Второй полимерный компонент является также особенно предпочтительно полигидроксиэфиром, который полностью растворяется в смоляной системе, особенно - в эпоксидных смолах, смоле на основе цианатных эфиров или в бензоксазиновых смолах, уже во время пропитки этими матричными смолами волокнистой предварительной заготовки, изготовленной из данной текстильной подложки, т.е., например, во время процесса пропитки смолой, и затем образует систему матричной смолы вместе с матричной смолой. Первый полимерный компонент, с другой стороны, как уже было описано, не растворяется в матричной системе и остается в виде отдельной фазы во время и после процесса пропитки смолой, а также после термофиксации матричной системы.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления второй полимерный компонент является нерастворимым в эпоксидных смолах, смоле на основе цианатных эфиров или в бензоксазиновых матричных смолах или в смесях этих матричных смол. В этом случае второй полимерный компонент нетканого материала может быть, например, гомополимером полиамида или coполимером с низкой температурой плавления или их смесью, или полиолефином, в частности, полиэтиленом [например, линейным полиэтиленом низкой плотности (ЛПЭНП), полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП)], coполиэфиром, этиленвинилацетатом или терполимером, например, акрилонитрил-бутадиен-стирол coполимером (АБС).

В нетканых материалах, содержащих первый и второй полимерные компоненты, особенно благоприятно, если температура плавления первого полимерного компонента нетканого материала находится в диапазоне от 180° до 250°С, а температура плавления второго полимерного компонента нетканого материала находится в диапазоне от 80° до 140°С.

Первый полимерный компонент плавится особенно предпочтительно при температуре, выше температуры термофиксации используемой матричной смолы. Таким образом, первый полимерный компонент связывается с матричным материалом, но всегда образует отдельную фазу в термофиксированной матричной смоле. Эта отдельная фаза, образованная первым полимерным компонентом, способствует, во время термофиксации и в последующем компоненте, ограничению распространения трещин и, таким образом, вносит существенный вклад, например, в повышение ударной прочности.

Если нетканый материал содержит первый полимерный компонент с более высокой температурой плавления и второй полимерный компонент с более низкой температурой плавления, то подвижность слоев подложки друг относительно друга может быть достигнута во время изготовления волокнистой предварительной заготовки посредством нагрева до температуры, выше температуры плавления второго полимерного компонента, но ниже температуры плавления первого полимерного компонента. Расплавленный второй компонент нетканого материала функционирует как смазка таким образом, что слои армирующих нитей могут скользить в требуемое положение в предварительной заготовке во время процесса формирования. Во время охлаждения предварительной заготовки второй полимерный компонент затем функционирует как расплавленный адгезив, и с его помощью фиксируются армирующие слои в их положениях.

Во время последующей пропитки волокнистой предварительной заготовки матричной смолой, которую обычно производят при температурах, выше температуры плавления второго компонента, но ниже температуры плавления первого компонента; благодаря более высокой температуре плавления первого полимерного компонента нетканого материала обеспечивается хорошая проницаемость матричной смолы. Если второй полимерный компонент растворим в матричной смоле, как в одном из вариантов осуществления, описанном выше, то этот компонент затем предпочтительно полностью растворяется в матричной смоле, и, таким образом, теряет его идентичность как отдельной фазы относительно матричной смолы. Долю второго полимерного компонента, таким образом, затем следует приписать к матричному материалу, и доля матричной смолы, которой следует пропитывать заготовку, может быть уменьшена на долю второго полимерного компонента. В результате большие объемные доли армирующих волокон могут быть обеспечены в изготавливаемой части, и, следовательно, механическую прочность можно поддерживать на высоком уровне. При температуре термофиксации матричной смолы, т.е. эпоксидной смолы, смолы на основе цианатных эфиров или бензоксазиновой смолы, второй полимерный компонент, в особенно предпочтительном варианте осуществления, вступает в химическую реакцию с термофиксируемой матричной смолой посредством реакций перекрестного сшивания, и, таким образом, становится составной частью гомогенной матрицы.

В случае, если второй полимерный компонент нерастворим в эпоксидных смолах, смоле на основе цианатных эфиров или в бензоксазиновых матричных смолах, или в смеси этих матричных смол, то первый полимерный компонент действует, как это описано выше, как смазка обеспечивающая возможность подвижности слоев подложки друг относительно друга таким образом, что слои армирующих нитей могут скользить в требуемое положение во время формования предварительной заготовки, и при охлаждении предварительной заготовки действует как расплав адгезива, и с его помощью фиксируются армирующие слои в их положении. Во время пропитки матричной смолой и ее последующей термофиксации, ее идентичность в виде фазы, независимой от матричной смолы, сохраняется, однако, таким образом, что в этом случае благодаря второму полимерному компоненту, а также первому полимерному компоненту уменьшается распространение трещин и, таким образом, вносится вклад, например, в повышение ударной прочности.

В предпочтительном случае, в котором нетканый материал содержит первый полимерный компонент с более высокой температурой плавления и второй полимерный компонент с более низкой температурой плавления, он может состоять из смеси однокомпонентных волокон из соответствующих полимерных компонентов, т.е. он может быть гибридным нетканым материалом. Нетканый материал может, однако, также состоять из бикомпонентных волокон, например, из волокон со структурой «сердцевина-оболочка», где сердцевина волокон изготовлена из первого полимерного компонента с более высокой температурой плавления, а оболочка изготовлена из второго полимерного компонента с более низкой температурой плавления. Во время переработки текстильных подложек, содержащих такие гибридные нетканые материалы или бикомпонентные нетканые материалы, в волокнистые предварительные заготовки, при которой также требуется, например, формование текстильных подложек, соответствующее приложение тепла во время формования при температурах, выше температуры плавления компонента нетканого материала с более низкой температурой плавления, но ниже температуры плавления компонента нетканого материала с более высокой температурой плавления, может быть достигнута хорошая формуемость, а после охлаждения - хорошая стабилизация и фиксация сформованного композита. Аналогично нетканому материалу, изготовленному из бикомпонентных волокон, нетканый материал может быть также изготовлен, например, из хаотически уложенной композиции волокон, изготовленных из первого полимерного компонента, где второй полимерный компонент был нанесен на волокна первого полимерного компонента, например, посредством напыления или нанесения в виде покрытия. Нанесение в виде покрытия может быть осуществлено, например, посредством пропитки дисперсией или раствором второго полимерного компонента, где после пропитки жидкую часть дисперсии или растворитель удаляют. Аналогичным образом возможно, чтобы нетканый материал, сформированный из волокон, изготовленных из первого полимерного компонента, содержал второй полимерный компонент в виде мелких частиц, внедренных между волокнами из первого полимерного компонента.

Нетканый материал, содержащий первый и второй полимерные компоненты, предпочтительно является гибридным нетканым материалом, т.е. нетканым материалом, изготовленным из смеси однокомпонентных волокон с отличающимися температурами плавления. Как уже было описано, первый полимерный компонент с более высокой температурой плавления особенно предпочтительно обладает температурой плавления в диапазоне от 180° до 250°С. При таких температурах часть нетканого материала, состоящая из первого полимерного компонента, плавится только при температурах, выше температур, которые, как правило, превалируют во время инжекции матричной смолы. Так как первый полимерный компонент, таким образом, еще не расплавлен при температуре инжекции смолы, в этой фазе гарантированно достигается хорошая стабильность размеров текстильной подложки.

С точки зрения обеспечения характеристик композитных частей, изготавливаемых с использованием данных текстильных подложек, особенно с точки зрения обеспечения их ударной прочности и их матричного содержания, благоприятным условием является такое, при котором нетканый материал содержит первый полимерный компонент в количестве от 60 масс.% до 80 масс.% и второй полимерный компонент в количестве от 20 масс.% до 40 масс.%. Вообще, предпочтительно, чтобы нетканый материал, присутствующий в данной текстильной подложке, обладал поверхностной плотностью (массой единицы площади) в диапазоне от 5 г/м² до 25 г/м²; и особенно предпочтительно - в диапазоне от 5 г/м² до 15 г/м².

Особенно в случаях, когда нетканый материал текстильной подложки содержит только один полимерный компонент с более высокой температурой плавления, т.е., например, содержит только один полимерный компонент, температура плавления которого находится в диапазоне от 180° до 250°С, текстильная подложка в предпочтительном варианте осуществления, кроме того, содержит связующий материал по меньшей мере на одной из поверхностей плоского слоя комплексных армирующих нитей, основным компонентом которого является термопластичный полимер или эпоксидная смола на основе бисфенола A, которая является твердой при комнатной температуре, и которая нанесена прерывисто на плоский слой комплексных армирующих нитей, и приклеена с помощью связующего к комплексным армирующим нитям. Под прерывистым нанесением здесь понимают нанесение, при котором связующий материал нанесен на поверхность в виде точек, линий или некоторым другим способом без создания сплошного слоя связующего материала. Связующий материал предпочтительно используют с концентрацией от 1 масс.% до 5 масс.% от массы единицы площади комплексных армирующих нитей.

В особенно предпочтительном варианте осуществления текстильной подложки, связующий материал основан на порошковом материале, и его наносят в виде точек на плоский слой комплексных армирующих нитей. Это может быть достигнуто посредством рассеивания порошкового связующего материала по поверхности слоя комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, и прикрепления его к поверхности посредством плавления.

Поливинилацетат, поликарбонат, полиацетат, полифениленоксид, полифениленсульфид, полиаллилат, полиэфир, полиамид, полиамидимид, полиимид, полиэфиримид, полисульфон, полиэфир-сульфон, полиэфирэфиркетон, полиарамид, полибензимидазол, полиэтилен, полипропилен или целлюлозацетат могут быть предпочтительно использованы в качестве термопластичных полимеров для скрепления материала.

Температура плавления связующего материала предпочтительно находится в диапазоне от 80° до 120°С. Связующий материал может, таким образом, обладать просто функцией соединения слоев текстильной подложки, уложенных один поверх другого во время изготовления волокнистых предварительных заготовок посредством нагрева до температуры, выше температуры плавления связующего материала, и последующего охлаждения, и прикрепления их друг к другу. Связующий материал может, кроме того, вносить свой вклад в стабилизацию волокнистой предварительной заготовки, если, например, деформация слоев текстильной подложки должна иметь место во время формования волокнистой предварительной заготовки. Наконец, также возможно, однако, чтобы связующий материал был выбран таким образом, чтобы он вносил вклад в улучшение механических свойств части из композитного материала, изготовленной из волокнистой предварительной заготовки, посредством, например, повышения ударной прочности части. Благоприятным условием при этом является такое, при котором связующий материал является термопластичным материалом, обладающим высокой ударной вязкостью, или смесь такого термопластичного полимера с эпоксидной смолой на основе бисфенола A, является твердой при комнатной температуре.

Благодаря особенной структуре данной подложки она отличается тем, что обладает хорошей драпируемостью и гибкостью слоев подложки в волокнистой предварительной заготовке; хорошей проницаемостью во время пропитки матричной смолой во время изготовления части из предварительной заготовки; и тем, что ее можно использовать для изготовления частей с высокими механическими прочностными свойствами и высокой ударной прочностью. Настоящее изобретение, таким образом, относится, в частности, также к волокнистой предварительной заготовке для изготовления части из композитного материала, содержащей текстильную подложку согласно настоящему изобретению.

Соединение комплексных армирующих нитей с поперечными нитями и, в то же самое время, с нетканым материалом и, возможно, со связующим материалом в виде адгезивного соединения, придает текстильной подложке высокую стабильность размеров, так как посредством адгезивных соединений обеспечивают в результате очень хорошее прикрепление комплексных армирующих нитей друг к другу. Этим обеспечивается возможность не только изготовления текстильных подложек, в которых комплексные армирующие нити использованы в распрямленном виде, расположенные рядом и параллельно друг другу, но также текстильных подложек изогнутой формы. Предпочтительный вариант осуществления, таким образом, относится к текстильной подложке, в которой по меньшей мере один плоский слой комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, имеет изогнутый контур, где комплексные армирующие нити расположены параллельно окружному направлению изогнутого контура, где каждая комплексная армирующая нить следует по ее собственной траектории вдоль окружного направления изогнутого контура, и траектории отдельных, комплексных, армирующих нитей имеют общий центр кривизны.

В такой текстильной подложке изогнутой формы или с изогнутым контуром, комплексные армирующие нити проходят параллельно направлению (под углом 0°) вдоль окружного направления изогнутого контура. В противоположность композитам, в которых комплексные армирующие нити расположены рядом и параллельно друг другу и проходят вдоль распрямленных линий, комплексные армирующие нити в текстильных подложках изогнутой формы также расположены рядом и параллельно друг другу, но следуют вдоль различных изогнутых траекторий с общим центром кривизны. Поперечные нити проходят при этом также в направлении, перекрещивающимся с комплексными армирующими нитями и поперечном к комплексным армирующим нитям. Благодаря высокой стабильности размеров и конструкции данных текстильных подложек, в частности, благодаря двухкомпонентной структуре «сердцевина-оболочка» поперечных нитей, эта изогнутая форма также сохраняется во время последующих этапов переработки для изготовления волокнистой предварительной заготовки или части из композитного материала. При этом достигается дополнительная стабилизация текстильных подложек, в которых нетканый материал из термопластичного полимерного материала содержит первый полимерный компонент и второй полимерный компонент, обладающие свойствами, описанными выше.

Изобретение относится к текстильной подложке, изготовленной из армирующих волокон, для изготовления предварительной заготовки из композитного материала, содержащей однонаправленный композит, состоящий по меньшей мере из одного плоского слоя комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу и соединенных с помощью поперечных нитей, где нетканый материал из термопластичного полимерного материала расположен по меньшей мере на одном плоском слое комплексных армирующих нитей и приклеен к плоскому слою комплексных армирующих нитей. Текстильная подложка отличается тем, что поперечные нити обладают структурой «сердцевина-оболочка», содержащей первый компонент, составляющий оболочку, и второй компонент, составляющий сердцевину, где первый компонент обладает более низкой температурой плавления, чем второй компонент; первый компонент является расплавляемым, термопластичным, полимерным материалом; а комплексные армирующие нити, расположенные рядом друг с другом, соединены вместе с помощью первого компонента поперечных нитей посредством термосклеивания. 2 н. и 13 з.п ф-лы.

1. Текстильная подложка, выполненная из армирующих волокон, для изготовления предварительных заготовок из композитного материала, содержащего однонаправленный композит, состоящий по меньшей мере из одного плоского слоя комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу;

- причем комплексные армирующие нити, расположенные рядом друг с другом, соединены вместе с помощью поперечных нитей; и

- причем на указанном по меньшей мере одном плоском слое комплексных армирующих нитей расположен нетканый материал из термопластичного полимерного материала, который приклеен к плоскому слою комплексных армирующих нитей;

отличающаяся тем, что:

- поперечные нити обладают структурой «сердцевина-оболочка», содержащей первый компонент, составляющий оболочку, и второй компонент, составляющий сердцевину, причем первый компонент обладает более низкой температурой плавления, чем второй компонент; первый компонент является расплавляемым, термопластичным, полимерным материалом; а комплексные армирующие нити, расположенные рядом друг с другом, соединены вместе с помощью первого компонента поперечных нитей посредством термосклеивания.

2. Текстильная подложка по п. 1, отличающаяся тем, что первый компонент поперечных нитей обладает температурой плавления в диапазоне от 70 до 150°С.

3. Текстильная подложка по п. 2, отличающая тем, что первый компонент поперечных нитей является гомополимером полиамида или coполимером полиамида, или смесью гомополимеров полиамида, и/или сополимеров полиамида.

4. Текстильная подложка по одному или более из пп. 1-3, отличающаяся тем, что второй компонент поперечных нитей обладает температурой плавления выше 200°С.

5. Текстильная подложка по п. 4, отличающаяся тем, что второй компонент поперечных нитей является стекловолокном или полиэфирным волокном.

6. Текстильная подложка по одному или более из пп. 1-5, отличающаяся тем, что поперечные нити обладают линейной плотностью в диапазоне от 20 дтекс до 400 дтекс.

7. Текстильная подложка по одному или более из пп. 1-7, отличающаяся тем, что нетканый материал обладает поверхностной плотностью в диапазоне от 5 до 25 г/м².

8. Текстильная подложка по одному или более из пп. 1-7, отличающаяся тем, что нетканый материал содержит первый полимерный компонент, температура плавления которого ниже температуры плавления или разложения второго компонента поперечных нитей, и который не растворим в эпоксидных смолах, смоле на основе цианатных эфиров или в бензоксазиновых матричных смолах, или в смесях этих матричных смол; и второй полимерный компонент, обладающий более низкой температурой плавления, чем первый полимерный компонент.

9. Текстильная подложка по п. 8, отличающаяся тем, что первый полимерный компонент нетканого материала обладает температурой плавления в диапазоне от 180° до 250°С, а второй полимерный компонент нетканого материала обладает температурой плавления в диапазоне от 80° до 140°С.

10. Текстильная подложка по п. 8 или 9, отличающаяся тем, что первый полимерный компонент нетканого материала является гомополимером полиамида или coполимером полиамида, или смесью гомополимеров полиамида и/или coполимеров полиамида.

11. Текстильная подложка по одному или более из пп. 1-10, отличающаяся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере на одной из поверхностей плоского слоя комплексных армирующих нитей связующий материал, основной компонент которого является термопластичным полимером или эпоксидной смолой на основе бисфенола A, которая является твердой при комнатной температуре, и который нанесен прерывисто на плоский слой комплексных армирующих нитей и приклеен к комплексным армирующим нитям.

12. Текстильная подложка по п. 11, отличающаяся тем, что связующий материал обладает температурой плавления в диапазоне от 80 до 120°С.

13. Текстильная подложка по одному или более из пп. 1-12, отличающаяся тем, что комплексные армирующие нити являются углеродным волокном, стекловолокном или арамидными нитями, или сильно вытянутыми ультравысокомолекулярными (УВМ) полиэтиленовыми нитями.

14. Текстильная подложка по одному или более из пп. 1-13, отличающаяся тем, что указанный по меньшей мере один плоский слой комплексных армирующих нитей, расположенных рядом и параллельно друг другу, имеет изогнутый контур, в котором комплексные армирующие нити расположены параллельно окружному направлению изогнутого контура, причем каждая комплексная армирующая нить следует по ее собственной траектории вдоль окружного направления изогнутого контура, и траектории отдельных, комплексных, армирующих нитей имеют общий центр кривизны.

15. Волокнистая предварительная заготовка для изготовления частей из композитного материала, отличающаяся тем, что содержит текстильную подложку по одному или более из пп. 1-14.