專利名稱：用連續(xù)長(zhǎng)絲纖維增強(qiáng)的含氟聚合物結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用連續(xù)長(zhǎng)絲纖維增強(qiáng)的含氟聚合物樹(shù)脂基體，尤其是涉及由此樹(shù)脂基體形成的可用于腐蝕性高溫環(huán)境中的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。
盡管大家都知道，含氟聚合物樹(shù)脂在苛刻的化學(xué)環(huán)境中是耐腐蝕的，但是以這些樹(shù)脂為基的增強(qiáng)纖維復(fù)合材料由于其強(qiáng)度低且彎曲模量低，因此實(shí)際上不能作為結(jié)構(gòu)物最終應(yīng)用，也得不到與一般復(fù)合材料等同的機(jī)械性能。因此，人們非常希望提供一種具有高剛度，高強(qiáng)度和耐腐蝕的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，它可在極苛刻的化學(xué)環(huán)境中適用于高溫操作條件。
本發(fā)明的復(fù)合材料包括含氟聚合物或碳氟樹(shù)脂的基體以及作為增強(qiáng)用的連續(xù)長(zhǎng)纖維，連續(xù)的長(zhǎng)纖維最好是沿軸向排列好的碳纖維，含氟聚合物最好是乙烯-四氟乙烯共聚物，纖維對(duì)樹(shù)脂的比率范圍從10%至70%。此外，本發(fā)明還包括由此成型的非平面及平面結(jié)構(gòu)。


圖1至3圖示了用于本發(fā)明成型非平面形狀的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)備。
一種較為理想的成型由連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂基體的前體纖維束的加工方法已在美國(guó)專利4640861中公開(kāi)。其中制取增強(qiáng)的纖維材料的方法是將一排預(yù)熱的拉伸纖維通過(guò)一個(gè)弧形擠出頭，在擠出頭內(nèi)，聚合物流過(guò)經(jīng)紗排，用聚合物將其涂覆。此處將美國(guó)專利4640861引作參考。當(dāng)用含氟聚合物成型這樣一束碳纖維時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在預(yù)熱纖維之前先對(duì)碳纖維進(jìn)行潤(rùn)滑涂層處理是很有用的。
施加基體聚合物的其它技術(shù)包括將粉狀樹(shù)脂噴曬在纖維上接著加熱熔融或者將樹(shù)脂纖維與連續(xù)的長(zhǎng)經(jīng)紗混合，然后加熱熔化樹(shù)脂纖維從而形成基體樹(shù)脂和薄膜的疊層。
可以用各種方法制取復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。因此上面所述的纖維束形成可排成長(zhǎng)絲繞制結(jié)構(gòu)或?qū)⒃S多這類纖維束部分堆疊起來(lái)在壓力下加熱形成不同種類的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
為了形成長(zhǎng)絲纏繞結(jié)構(gòu)，使用了如圖所示的設(shè)備，該設(shè)備已在1987年9月11日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)095，235(共同未決定申請(qǐng))中描述，由多股連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)的含氟樹(shù)脂使用此設(shè)備，可制成上述的長(zhǎng)絲繞制結(jié)構(gòu)。特別是參見(jiàn)圖1至3，本發(fā)明所用的紗線疊鋪頭由數(shù)字10表示，如圖所示它包括一臺(tái)梭架12，梭架上裝有一可靠近和遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)卷芯16的喂料桿14。梭架、喂料桿和卷芯屬于型號(hào)為W60-16由McCleanAndersonofMilwaukee，Wis制作的三軸長(zhǎng)繞纏繞機(jī)并帶有一臺(tái)N-210型計(jì)算機(jī)。安裝在喂料桿上的是紅外加熱器28，加熱的導(dǎo)向板和一個(gè)明火焰加熱器22(圖1)。
當(dāng)梭架12縱向移動(dòng)到卷芯16時(shí)，多股熱塑性樹(shù)脂浸漬的紗線24就從許多供線紗筒26上拉出，紗筒26安裝在引出輥筒子架25上，筒子架25還配有一臺(tái)能施加所希望水平后張力的機(jī)械(圖中未示)，用它可以控制紗筒26的放卷張力，這種機(jī)械例如是由WestCaldwell，NewJersey的CompensatingTensionsControls，Inc制造的型號(hào)為800CO12型張力補(bǔ)償器。
當(dāng)紗線鋪疊頭相對(duì)于被繞制在卷芯16上的結(jié)構(gòu)移動(dòng)時(shí)，多股熱塑性樹(shù)脂浸漬的紗線24就曝置于輻射加熱器(型號(hào)5535，由Minneapolis，Minnesota的ResearchInc制造)中，在這些加熱器中，熱塑性樹(shù)脂被加熱至其熔融溫度的10℃范圍內(nèi)。紗線股然后穿過(guò)加熱的導(dǎo)向板20。在優(yōu)選的實(shí)施例中，此板是用強(qiáng)陽(yáng)極化拋光的、并用聚四氟乙烯涂復(fù)的鋁制園眼。用電加熱板20a(如型號(hào)為MBIEIJNI的MI加熱板)環(huán)繞導(dǎo)向板，加熱板將熱塑性塑料加熱至其熔融點(diǎn)以上，降解溫度以下，此溫度應(yīng)當(dāng)理解為低于增強(qiáng)纖維的熔點(diǎn)。安裝在喂料桿14頂端的是一個(gè)明火焰加熱器22(一種帶有3號(hào)噴咀的VulcanUniversal丙烷噴燈)，帶材24通過(guò)加熱器上方至卷芯16上的鋪設(shè)位置28，加熱器對(duì)已繞制在卷芯上的部分帶材表面加熱并由此導(dǎo)致加熱卷芯，同時(shí)在長(zhǎng)紗從導(dǎo)向板20移動(dòng)至位置28時(shí)對(duì)其直接進(jìn)行加熱，確保鋪設(shè)位置28上的熔融吻合表面。
圖2中，明火焰加熱器22用紅外加熱器22′(由ResearchInc制造的5535型)取代，圖3中火焰加熱器22用熱空氣噴槍加熱器22″(由Sylvania制造的SerpentineVICHE128767型)取代。
例1將一束具有大約3000長(zhǎng)絲的HerculesAs4連續(xù)石墨長(zhǎng)絲用熔融注射方法將乙烯-四氟乙烯共聚物涂復(fù)至40-60%(體積)的水平。
將2至4個(gè)已涂復(fù)的這些石墨長(zhǎng)絲繞線管安裝到引出輥筒子架上，它具有可控放卷張力的機(jī)械(由CompensatingTensionControlsInc制造的800CO12型張力補(bǔ)償器)。纖維束借助于下游的橢園形旋轉(zhuǎn)卷芯前進(jìn)，并且張力機(jī)械對(duì)每根運(yùn)動(dòng)的纖維束施加大約2000gm的張力。運(yùn)動(dòng)的纖維束然后穿過(guò)下游纖維纏繞機(jī)的“頭”部分。此纏繞機(jī)包括(1)預(yù)熱部分(用紅外加熱器加熱)，它可將纖維束加熱至320℃，接下去是(2)用板式加熱器預(yù)熱至320℃的導(dǎo)向眼，(3)熱空氣加熱源，它緊挨著旋轉(zhuǎn)卷芯(相隔3厘米)并使紗線的溫度保持在320℃，(4)纖維束最終鋪設(shè)在電加熱卷芯上(大約為280℃)。
由計(jì)算機(jī)控制的纏繞機(jī)由預(yù)編程序生產(chǎn)帶有±45°/90°/±45°/90°/±45°/90°纏繞角的6呎長(zhǎng)管子。
完成繞制后，將卷芯和管子冷卻大約1小時(shí)，直至溫度降至100℃左右。這些預(yù)成型結(jié)構(gòu)在腐蝕性的高溫度環(huán)境中是令人滿意的。
例2將例1所制備的涂復(fù)石墨纖維通過(guò)框架纏繞制成1/8″厚的單向復(fù)合材料板。然后將這些板用每個(gè)ASTM測(cè)試方法中的D790進(jìn)行測(cè)試。撓曲強(qiáng)度為55，000PSI，撓曲模量為1.16×107PSI。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料，它包括含氟聚合物樹(shù)脂基體以及用于增強(qiáng)的連續(xù)的長(zhǎng)絲纖維。
2.如權(quán)利要求1的復(fù)合材料，其中所述的連續(xù)纖維是排列好的碳纖維。
3.如權(quán)利要求2的復(fù)合材料，其中所述的含氟聚合物是乙烯-四氟乙烯共聚物。
4.如權(quán)利要求3的復(fù)合材料，其中復(fù)合材料的撓曲模量大于二百萬(wàn)PSI。
全文摘要
一種復(fù)合材料，其中包括一種含氟聚合物樹(shù)脂基體以及用來(lái)增強(qiáng)的連續(xù)的排列好的長(zhǎng)絲纖維，該復(fù)合材料可用于腐蝕性的高溫環(huán)境中。
文檔編號(hào)C08L27/12GK1039431SQ89106400
公開(kāi)日1990年2月7日 申請(qǐng)日期1989年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月20日
發(fā)明者韋恩·弗朗西斯·金泰爾, 哈維路易·克里曼 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司