通過真空注射-壓縮-模塑制造熱塑性復(fù)合物部件的方法、用于實施該方法的設(shè)備以及所 ...的制作方法
【專利說明】通過真空注射-壓縮-模塑制造熱塑性復(fù)合物部件的方法、 用于實施該方法的設(shè)備以及所得到的部件
[0001] 本發(fā)明涉及用于制造結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)復(fù)合物部件的特定方法，包括在保持處于真 空下的閉合的兩部分式模具中通過注射-壓縮進(jìn)行特定的模塑，此外，本發(fā)明涉及用于實 施所述制造方法的特定設(shè)備、由此得到的結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)部件、以及所述方法的特定用途，例 如，與"模內(nèi)"裝配法組合。
[0002] 用于由負(fù)載有長增強纖維的反應(yīng)性組合物制造模塑復(fù)合物部件的現(xiàn)有方法通常 需要在從模具移出后的再加工和修整操作，從而增高了用于最終部件的循環(huán)時間且顯著地 降低了生產(chǎn)率，此外還存在這樣的事實：部件的孔隙率仍然相對地高，從而影響這些部件在 其使用時的機(jī)械性能水平。具體地說，在機(jī)動車輛部件的情況下，模塑部件必須能夠經(jīng)受住 在電泳條件下的處理且無任何問題。
[0003] 本發(fā)明提出通過提供新的方法來消除這些缺點，所述新的方法特別地經(jīng)由采用用 于實施該方法的新的設(shè)備。
[0004] 因此，所要解決的問題在于結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)的最終復(fù)合物部件的快速制造，所述最 終復(fù)合物部件在從模具移出后無需用于修整的再加工和/或機(jī)械加工操作且具有良好的 機(jī)械強度，而且，允許使用具有在模塑溫度下的低于50Pa. s、優(yōu)選低于5Pa. s且更優(yōu)選低于 IPa. s的熔體粘度的反應(yīng)性熱塑性預(yù)聚物。更特別地，在機(jī)動車輛部件的情況下，所述部件 必須能夠通過電泳且無任何特別的困難或問題。
[0005] 本發(fā)明的解決方案提出了注射-模塑設(shè)備系統(tǒng)，其包括兩部分式模具，一個是固 定的且另一個是活動的并且由能壓縮的密封物分開，從而形成在真空下無泄漏的模腔。這 允許液態(tài)樹脂的快速注射并使得能夠無需存在通氣孔，由此使得能夠避免形成需要在從模 具移出部件后進(jìn)行機(jī)械加工操作的澆口：其為這樣的方法，所述方法允許獲得"凈形狀的" 模塑部件且完全無需針對其最終用途的修整或機(jī)械加工。
[0006] 在已經(jīng)將樹脂注射到所述模具中之后，所述模具的兩個表面可彼此相對移動。這 允許壓緊由熔融樹脂+纖維構(gòu)成的組合并且最終使得能夠獲得具有非常低的孔隙度的復(fù) 合物，由此給模塑部件提供了良好的機(jī)械強度。借助于額外的減壓（相當(dāng)于施加至模具表 面的壓力約為1毫巴、特別地低于1毫巴）來實施該壓縮。
[0007] 未經(jīng)壓緊（即未經(jīng)壓縮）的無泄漏的模腔允許材料的容易的緩慢移動，減少了注 射時間，這是本發(fā)明的主要優(yōu)點。由模具的閉合導(dǎo)致的所述壓緊或壓縮（在所產(chǎn)生的減壓 的影響下）確保了所述模腔的完全填充以及所述材料相對于所述增強物的橫向緩慢移動 這兩者，所有這些在空腔中均處于約1毫巴、特別地低于1毫巴的壓力下。所述模具具有在 真空下的無泄漏的閉合且不含通氣孔而且通過注射設(shè)備經(jīng)由位于靜態(tài)混合器頭部的出口 的水平處的進(jìn)料器直接進(jìn)料，如下面針對注射系統(tǒng)所描述的。
[0008] 真空的存在、嵌入物的不存在以及樹脂+纖維的組合的最終壓緊的可能性使得能 夠僅注射所需要的且足以制得部件的樹脂量，這是所述方法的節(jié)約的原因而且這是本發(fā)明 方法的額外的優(yōu)點。
[0009] 壓緊的可能性還使得能夠使用在熔融狀態(tài)下比通常用于"LCM〃（復(fù)合物液態(tài)模 塑）法例如RTM中的熱固性樹脂更粘的熱塑性樹脂（典型地為l-50Pa. s，相比于用于熱固 性RTM的低于IPa. s)。此外，用于（通過減壓）閉合所述模具的壓力使得能夠使用由制造 成本更低的較輕且更實用的材料制成的模具。
[0010] 所述樹脂注射系統(tǒng)允許使用雙組分反應(yīng)體系且由兩個單獨的網(wǎng)絡(luò)組成，在所述網(wǎng) 絡(luò)中，兩種配混料彼此獨立地循環(huán)且因此沒有時間限制（無貯存期）。此外，該系統(tǒng)具有由 機(jī)械系統(tǒng)控制的靜態(tài)混合腔室（例如靜態(tài)混合器的頭部腔室），允許所述兩種成分剛好在 注射到所述模具中之前以低于2分鐘、優(yōu)選低于1分鐘、更特別地低于10秒的混合時間進(jìn) 行快速混合。顯然，根據(jù)所述雙組分體系的反應(yīng)性來調(diào)節(jié)在注射到所述模具中之前的在靜 態(tài)混合器頭部中的停留時間（雙組分混合時間），以避免在注射到特定的模塑系統(tǒng)中之前 在所述混合物中發(fā)生聚合和凝結(jié)。
[0011] 該系統(tǒng)允許使用反應(yīng)性熱塑性預(yù)聚物（特別是半芳族或半脂環(huán)族聚酰胺）以及鏈 增長劑，這是用于獲得具有良好機(jī)械性質(zhì)的部件的手段，因為在所述預(yù)聚物與鏈增長劑的 反應(yīng)之后所形成的最終聚合物將具有高的Tg。在一個優(yōu)選形式中，所述聚合物是半結(jié)晶的 且具有高于200°c、優(yōu)選高于220°C的結(jié)晶溫度，這允許模塑部件通過電泳處理。
[0012] 此外，采用具有高Tg的聚酰胺（HT PA)以及在高溫（典型地180°C _400°C、優(yōu)選 200°C -300°C )下操作的注射工藝使得能夠使用典型地具有低于5分鐘、優(yōu)選低于2分鐘、 甚至更優(yōu)選低于1分鐘的聚合的快速反應(yīng)體系，并最終降低模塑循環(huán)時間。
[0013] 所述系統(tǒng)使得能夠使用由長度對直徑的L/D長徑比大于1000且優(yōu)選大于2000的 長增強纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的預(yù)成型件。
[0014] 預(yù)浸漬有樹脂（熔融聚合物）的預(yù)成型件的重疊模塑（overmolding)是可行的， 以便能夠制造具有例如固定標(biāo)簽或嵌入物的復(fù)雜形狀的部件。重疊模塑中所用的聚合 物（具有粒料形式）優(yōu)選地負(fù)載有例如由玻璃或碳制成的短或長的增強纖維（L/D低于 1000)，而且，其具有與用于浸漬連續(xù)纖維網(wǎng)絡(luò)的樹脂（或雙組分反應(yīng)性組合物）相同的化 學(xué)性質(zhì)（或者與用于浸漬連續(xù)纖維網(wǎng)絡(luò)的樹脂（或雙組分反應(yīng)性組合物）相容）。具體地 說，所述重疊模塑聚合物是化學(xué)和物理相容的，以便提供重疊模塑部件與包含連續(xù)纖維的 復(fù)合物部件之間的良好粘合，而且，在其中使用半結(jié)晶樹脂制造包含連續(xù)長纖維的復(fù)合物 部件的情況下，確保了所述復(fù)合物+重疊模塑部件的組合通過電泳。
[0015] 相比于當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明由于其獨創(chuàng)性而具有如下所列的相關(guān)優(yōu)點：
[0016] -熔體模塑過程，其因此適用于熱塑性材料，而且，其是快速的，因為其允許使用預(yù) 聚物，這限制了聚合步驟的持續(xù)時間且不對由單體開始的工藝導(dǎo)致的殘留單體內(nèi)容物造成 任何問題，其避免了后固化或者過分的聚合時間，這還允許在聚合結(jié)束前從模具中移出，特 別地用于具有高熔點的半結(jié)晶預(yù)聚物、優(yōu)選聚酰胺。此外，所述過程是快速的，因為注射系 統(tǒng)在高溫下操作且允許使用HT PA型的預(yù)聚物：該類型的預(yù)聚物具有快速的聚合動力學(xué)， 因為其在高溫下聚合且此外所得的聚合物具有高的Tg，這使得能夠獲得復(fù)合物的良好機(jī)械 性質(zhì)，而且，該類型的預(yù)聚物優(yōu)選是半結(jié)晶的且具有高于200°C的結(jié)晶溫度，從而，允許所模 塑的復(fù)合物部件通過電泳。當(dāng)前不存在該類型的過程。
[0017] -熱塑性模塑和重疊模塑過程，使得能夠獲得在從模具移出后無需修飾的最終部 件，同時地，所述最終部件具有復(fù)雜的形狀和良好的機(jī)械耐受性，而且，其使得能夠僅使用 所需要的（預(yù)先測定的）且足以浸漬所述纖維的樹脂量。當(dāng)前不存在該類型的過程。
[0018] 更具體地說，本發(fā)明的解決方案更特別地關(guān)注機(jī)動車輛領(lǐng)域中的在通過電泳的條 件下具有耐受性的部件、更特別是復(fù)雜部件，且可更具體地涉及復(fù)雜部件，例如，根據(jù)機(jī)動 車輛工業(yè)中所用的常用術(shù)語的汽車"白車身"。門、發(fā)動機(jī)和車體將與該部件相連，所述部 件組合了復(fù)合物及金屬。其實際上是組合了復(fù)合物及金屬的裝配物，因此，其耐受通過電泳 的處理。
[0019] 采用本發(fā)明方法和/或本發(fā)明所描述的設(shè)備獲得的本發(fā)明部件的最終用途更具 體地涉及在以下領(lǐng)域中的應(yīng)用：機(jī)動車輛工業(yè)、道路運輸（卡車）、鐵路工業(yè)、海運工業(yè)、航 空、風(fēng)力、太陽能（熱）工業(yè)（包括太陽能發(fā)電站）、航天工業(yè)、光電、建筑工業(yè)和土木工程、 城市設(shè)施及設(shè)備、標(biāo)志物、體育、以及休閑。
[0020] 因此，本發(fā)明的第一個主題涉及用于加工或制造所述結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)復(fù)合物部件的 特定方法，包括以下步驟：在不具有通氣孔的處于真空下的特定模具中沉積纖維狀增強物， 然后，通過注射并使用具有用于所述兩種組分中的每一種的兩個室且在靜態(tài)混合器中混合 所述組分的特定的注射設(shè)備，經(jīng)由在所述增強物上注射處于熔融狀態(tài)的基于熱塑性預(yù)聚物 的雙組分反應(yīng)性組合物，在真空下填充所述模具，在填充之后為額外的減壓，其允許通過施 加于所述模具的兩個部分上的壓力并且通過壓縮分隔所述模具的兩個部分的密封物來壓 緊所注射的材料，且最終地，從模具移出所述部件且無需任何額外的修整或機(jī)械加工。
[0021] 本發(fā)明的第二個主題涉及這樣的特定設(shè)備，其包括組合于本發(fā)明的該同一設(shè)備中 的特殊的注射設(shè)備和特殊的模塑設(shè)備，且允許實施作為本發(fā)明的第一個主題的所述方法。
[0022] 本發(fā)明還涵蓋這樣的結(jié)構(gòu)或半結(jié)構(gòu)復(fù)合物部件，其能夠借助于本發(fā)明的方法獲 得，特別地，在從模具移出后不具有修整處理。實際上，當(dāng)從模具移出時，該部件不具有需要 對其進(jìn)行額外的機(jī)械加工和修整的與通氣孔相關(guān)的澆口，這是因為，由于所述系統(tǒng)在真空 下操作，因此，該方法使用不具有通氣孔的模具。
[0023] 最后，本發(fā)明涵蓋本發(fā)明方法的用途，在此