Способ изготовления внутреннего слоя с интегрированными мостиковыми волокнами для панелей из композитных материалов, получаемая панель и устройство

Изобретение относится к способу изготовления внутреннего слоя с интегрированными мостиковыми волокнами, к внутреннему слою, к панели из композиционного материала и к устройству для изготовления внутреннего слоя. Согласно способу размещают лист из легкого материала, наносят мостиковые волокна, по меньшей мере, на одну сторону листа и вводят мостиковые волокна во внутренний слой. Изобретение обеспечивает повышение механических свойств изделий. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Настоящее изобретение касается способа изготовления внутреннего слоя с интегрированными мостиковыми волокнами для изготовления композитных панелей.

Изобретение касается также получаемых таким образом панелей и устройства для их изготовления.

Такие панели образованы известным образом из внутреннего слоя из легкого материала типа пены, при этом внутренний слой с обеих сторон покрыт двумя поверхностными слоями.

Эти поверхностные слои соединены с каждой из сторон внутреннего слоя. Они представляют собой слои, которые придают панели механические свойства вследствие увеличения момента инерции из-за расстояния между ними.

Каждый из поверхностных слоев жестко соединен с внутренним слоем. Промышленность разрабатывает панели из композитного материала с улучшенными механическими свойствами путем подавления явлений, ухудшающих эти свойства вследствие расслаивания и разрыва сердцевины внутреннего слоя.

Таким образом, следует использовать совместимые материалы для осуществления этой связи и компенсации плохих механических свойств внутреннего слоя.

Действительно, каждый поверхностный слой выполнен в виде пластины из волокон, утопленных в полимере.

Следует предусматривать совместимость между используемым полимером и упомянутой пеной.

Однако механические свойства панелей, полученные таким образом, являются ограниченными, и имеется возможность весьма значительно их улучшить.

Действительно, при определенных усилиях, в частности при изгибе, наблюдается отслаивание одного из поверхностных слоев вследствие разъединения этого поверхностного слоя от внутреннего слоя.

Следовательно, для увеличения сопротивления расслаиванию и извлечения максимальной пользы из полного сопротивления панели предложены усовершенствования.

Известно, таким образом, выполнение мостиков между двумя поверхностными слоями.

Такие мостики выполняются с помощью отверстий во внутреннем слое так, чтобы полимер затекал через эти отверстия в процессе изготовления поверхностных слоев.

Однако если это является усовершенствованием, то улучшение механических свойств является недостаточным.

Вследствие этого было предложено соединять поверхностные слои с внутренним слоем путем пропускания волокон, по меньшей мере, одного из поверхностных слоев, или насквозь через внутренний слой, если задействован один из поверхностных слоев, либо частично насквозь или либо частично, либо полностью насквозь, если задействованы оба поверхностных слоя.

Таким образом, полимер может перемещаться вдоль волокон, проходящих полностью или частично насквозь и образовывать, таким образом, между двумя поверхностными слоями мостики, которые также выполнены из композитного материала.

Европейский патент ЕР 1686210 описывает композитную панель, которая содержит внутренний слой с двумя волокнистыми поверхностными слоями, причем эти волокнистые поверхностные слои связаны с внутренним слоем отвержденным связующим веществом и связующие волокна, выходящие, по меньшей мере, из одного из поверхностных слоев, были введены, в частности, перпендикулярно, в промежуточный объем между двумя поверхностными слоями, т.е. во внутренний слой. Этот документ описывает также устройство, которое позволяет непрерывно и одновременно изготовить поверхностный слой с каждой стороны внутреннего слоя и обеспечить прохождение части волокон этих поверхностных слоев насквозь или нет внутреннего слоя путем прокалывания.

Заявка на патент FR 2921076 предлагает усовершенствование упомянутого выше патента.

В этой заявке предусматривается, что, по меньшей мере, часть связующих волокон, погруженных, по меньшей мере, из одного из двух поверхностных слоев, имеет, по меньшей мере, одну наклонную ориентацию, относительно, по меньшей мере, одного из двух поверхностных слоев.

Таким образом, два поверхностных слоя связаны между собой мостиками, образованными волокнами, выходящими из этих двух поверхностных слоев.

Недостатком таких панелей является выбор волокон. Действительно, понятно, что волокна, из которых образованы поверхностные слои, необязательно подходят для другого использования, а именно прохождения сквозь полимер и «мостикования» поверхностных слоев. Действительно, природа, диаметр, длина, тип волокон, образующих поверхностные слои, не обеспечивают достаточные механические свойства или возможность достаточно быстрого проникания, что является основными параметрами. Наконец, не только волокна выбраны одного типа, но и прокалывание может оказаться неподходящим, когда толщина каждого из поверхностных слоев или плотность изменяются. Таким образом, комбинации являются весьма ограниченными. Существует потребность в продукции с высокой механической прочностью, в повышенных скоростях изготовления панелей, а также в улучшенной способности полимеров к проникновению.

Скорости также важны, как и разнообразие потребностей, так что было бы интересным иметь возможность располагать внутренними слоями, подготовленными с одной стороны, и поверхностными слоями, подготовленными предварительно или выполненными на месте, при этом возможны многочисленные комбинации.

Одним из объектов настоящего изобретения, кроме всего прочего, является предложение способа изготовления внутреннего слоя, содержащего предварительные связи, предназначенного для приема, по меньшей мере, одного поверхностного слоя для формирования панели с высокой механической прочностью и с весьма высоким сопротивлением расслаиванию.

Объектом изобретения является также внутренний слой, полученный этим способом, панель, выполненная на основе этого внутреннего слоя, а также устройство для ее изготовления.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг. 1А-1D изображают виды структур, иллюстрирующих способ изготовления по настоящему изобретению внутреннего слоя с усилительными нитями,

- фиг. 2А и 2В изображают два вида двух панелей, выполненных на основе внутреннего слоя, полученного в соответствии со способом,

- фиг. 3 схематично изображает устройство для изготовления внутреннего слоя по настоящему изобретению.

Способ по настоящему изобретению описан со ссылкой на структуру по фиг. 1. Этот способ включает этап А, в соответствии с которым берут лист 10, который образует внутренний слой 11 и выполнен из легкого материала, например твердой пены с плотностью 30 кг/м³, для обеспечения последовательности операций. Этот лист из легкого материала представляет собой, известным образом в простом примере, пластину параллелепипедной формы в несколько сантиметров высотой. Под пластиной понимают монолитную пластину или выполненную пластину из одного или нескольких материалов. Затем на этапе В этот внутренний слой принимает, по меньшей мере, один тип мостиковых волокон 12, по меньшей мере, на одной стороне, в данном случае на верхней стороне внутреннего слоя. Эти мостиковые волокна расположены на поверхности без какого-либо связующего элемента.

В дальнейшем в описании под «волокном» понимают независимо однонитевые волокна, многонитевые волокна, либо нити.

Далее в описании речь пойдет об одном типе мостиковых волокон, но могут использоваться различные типы одновременно.

Эти мостиковые волокна 12 могут быть получены, например, путем множественных срезов непрерывных нитей так, чтобы получались волокна заданной длины. Существуют резаки, позволяющие изготавливать такие участки волокон на месте.

Мостиковые волокна 12 размещаются на поверхности в количестве, по меньшей мере, равном потребностям мостикования. В данном случае эти мостиковые волокна наносятся в избыточном количестве.

Эти мостиковые волокна предназначены для мостикования и могут быть, например, выбраны и среди нитей в форме пучков волокон с небольшим номером от 6 до 30 мкм, и пучков, которые являются нитями с большим номером от 30 до 10000 текс.

Упомянутые волокна связаны таким образом, что отрезание этой нити оставляют связанными концы волокон.

Мостиковая нить может быть выполнена путем обвивания упомянутого пучка волокон с помощью соединительной нити той же структуры или структуры, отличающейся от материала, образующего волокна пучка, путем, например, спиральной навивки этой соединительной нити вокруг упомянутого пучка.

Эта обвитая нить имеет значительные преимущества, в частности, для обеспечения контроля количества введенных волокон и улучшения, таким образом, проникновения полимера при его использовании для изготовления панелей, как будет указано ниже. Кроме того, такая обвитая нить позволяет изготовить качественные мостиковые нити. В процессе этапа С предусмотрено обеспечение введения мостиковых волокон 12 так, чтобы пересекать или частично пересекать внутренний слой.

Известным и используемым в промышленности методом для изготовления таких изделий является прокалывание.

Прокалывание заключается в прокалывании иглами внутреннего слоя 11. Каждая игла содержит профилированный конец, предназначенный для введения мостиковых волокон в направлении хода иглы и удаления иглы без удаления мостиковых волокон. Предусмотрено также, что мостиковые волокна частично проникают во внутренний слой или полностью проходят через внутренний слой, пересекая его и становясь пересекающими.

Эти мостиковые волокна нити могут быть введены перпендикулярно относительно плоскости, образованной поверхностью 18 внутреннего слоя 11, на которую наносятся мостиковые волокна 12, но эти волокна могут быть введены по наклонной относительно этой поверхности 18, причем угол может быть положительным или отрицательным, либо одна их часть с положительным углом, и другая часть с отрицательным углом внутри одного и того же внутреннего слоя.

Угол изменяется между 45° и 90°.

Понятно, что мостиковые волокна могут быть введены по заданному рисунку.

Как только часть мостиковых нитей введена во внутренний слой, избыточное количество мостиковых волокон удаляется (фиг. 1D).

Получают также внутренний слой с мостиковыми волокнами, расположенными, по меньшей мере, на одной его стороне и, по меньшей мере, частично введенными во внутренний слой.

В соответствии с вариантом изобретения можно также предусмотреть переворот пластины второй стороной 20 вверх для размещения избытка мостиковых волокон, как на стороне 18.

Эти мостиковые волокна, в свою очередь, введены с помощью игл во внутренний слой 11 частично или проходят насквозь.

Как только необходимые мостиковые волокна введены, не введенный излишек удаляется со внутреннего слоя. В этом случае мостиковые волокна проходят насквозь обеих сторон и частично введены с двух сторон.

Таким же образом без всякой разницы размещение мостиковых волокон, прокалывание и удаление излишков могут осуществляться с обеих сторон одновременно. Мостиковые волокна на поверхности, ориентированной вниз, могут временно удерживаться, например, вуалью в процессе введения.

С целью упрощения в нижеследующем описании представлен пример воплощения, в соответствии с которым берут внутренний слой 10 с мостиковыми волокнами, которые полностью проходят сквозь внутренний слой, выходящие из каждой из двух сторон и которые выходят из двух поверхностей 18 и 20 внутреннего слоя 10, см. фиг. 2В.

Однако на фиг. 2А представлен другой пример со слоем мостиковых волокон на одной поверхности, где волокна проходят насквозь или частично входят во внутренний слой.

Также в этом примере выбран один тип мостиковых нитей.

Полученный таким образом внутренний слой 11 с расположенными в нем мостиковыми волокнами готов для изготовления панели 22.

Такая панель на каждой из сторон 18, 20 имеет слой волокон 24. В соответствии с первым вариантом воплощения слой волокон 24 на поверхностном слое изготовлен предварительно и помещен на каждую сторону, при этом образованный таким образом трехслойный сэндвич помещается далее в форму, внутрь которой поступает полимер через несколько отверстий для обеспечения хорошего распределения по всей поверхности панели.

Форма обычно нагревается для обеспечения более быстрой полимеризации полимера.

Можно также использовать другие технологии, например предварительно пропитанные полимером волокна, которые следует нагреть для хорошего распространения полимера с последующей его полимеризацией.

Выбор технологии не критичен и зависит от предполагаемого использования и имеющихся материалов.

В соответствии со вторым вариантом воплощения волокна 24 поверхностного слоя нанесены на обе поверхности и удерживаются на месте вуалью, которая обеспечивает также прекрасное состояние полученной поверхности после вынимания из формы.

Выступающие концы мостиковых волокон в первом или втором вариантах размещаются в слое волокон поверхностного слоя 24.

Полимер в обоих случаях распределяется и проникает внутрь волокон поверхностного слоя и проникает также в мостиковые волокна, которые он также смачивает, обеспечивая, таким образом, композитные мостики волокно/полимер между волокнами поверхностного слоя обеих сторон.

Волокна поверхностного слоя выбираются в зависимости от механических свойств, состояния получаемой поверхности, качества пропитки полимером, тогда как мостиковые волокна выбираются в зависимости от их способности к прокалыванию, их механической прочности, их пригодности к отрезанию, их способности к обеспечению правильного проникания полимера.

В представленном выше в качестве примера варианте воплощения получают панель с внутренним слоем, двумя поверхностными слоями с обеих сторон упомянутого внутреннего слоя и с мостиками между двумя поверхностными слоями.

Полученная таким образом панель является особенно предпочтительной, так как она полностью оптимизирована в зависимости от применения. Отмечается также, что способ изготовления по настоящему изобретению является предпочтительным при изготовлении различных внутренних слоев при наличии только одного типа внутреннего слоя, при этом изготовитель панелей может использовать различные типы волокон для поверхностного слоя и даже комбинации различных типов волокон. Эти волокна поверхностного слоя могут также выдерживать поверхностное прокалывание только с внутренним слоем без какого либо механического напряжения с последующим погружением в полимер и полимеризацией.

В этом случае такое прокалывание не играет никакой роли для мостикования, а скорее выполняет функцию «сшивки». Для выполнения вертикального прокалывания внутреннего слоя мостиковыми волокнами по настоящему изобретению предложено устройство, которое содержит:

- пункт 26 подачи листов 10 из легкого материала,

- пункт 28 нанесения мостиковых волокон на каждый лист,

- пункт 30 прокалывания,

- пункт 32 угловой ориентации пункта подачи листов относительно пункта прокалывания,

- пункт 34 удаления не вколотых волокон в случае их наличия,

- пункт 36 удаления полученных внутренних слоев 11 с интегрированными мостиковыми волокнами.

Таким образом, возможно обеспечить, в случае необходимости, прокалывание с наклоном в ту или иную сторону от вертикальной оси. Таким образом, наклонные мостиковые волокна 12 хорошо работают, воспринимая, в частности, усилия, когда изготовленная с этими внутренними слоями панель подвергается изгибу, а вертикальные волокна прекрасно работают, уменьшая риски расслаивания. Разумеется, усилия часто комбинируются, и все мостиковые волокна подвергаются этим усилиям.

Пункт подачи содержит сдвоенную конвейерную ленту, расположенную по обеим сторонам пункта прокалывания.

Пункт размещения мостиковых волокон содержит резак, который обеспечивает отрезание нити для образования мостиковых волокон. Способ по настоящему изобретению позволяет получить внутренний слой 11, подготовленный для изготовителей панелей с возможными комбинациями всех элементов, а именно: структуры листа из легкого материала, структуры типа или типов мостиковых волокон и структуры типа или типов волокон поверхностного слоя.

Констатируют также, что возможно определить с высокой точностью количество мостиковых волокон и волокон поверхностного слоя.

Плотность внутренних слоев может быть также выбрана и использована так, что возможно изменять эту плотность от нескольких мостиков на м² до нескольких мостиков на см².

Кроме того, геометрия имплантации мостиков может контролироваться с распределением в шахматном порядке.

Отсюда видно, что способ изготовления внутреннего слоя в соответствии со способом по изобретению позволяет осуществить любые комбинации при изготовлении панели.

Действительно, точное соответствие требованиям исключает повышенного количества усилений, бесполезное использование сырья, превышение веса изготовленных панелей, которые необходимо, например, транспортировать на миллионы километров на груженом ими грузовике. Наконец, такое ограничение в первичных материалах позволяет также уменьшить стоимость и количество материала, перерабатываемого по окончании срока службы.

1. Способ изготовления внутреннего слоя (11) с интегрированными мостиковыми волокнами (12) для композитных панелей, отличающийся тем, что он содержит следующие этапы:
- размещают лист (10) из легкого материала,
- наносят мостиковые волокна (12), по меньшей мере, на одну сторону (18, 20) листа (10) и
- вводят мостиковые волокна (12) во внутренний слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он включает следующие этапы:
- размещают лист (10) из легкого материала,
- наносят мостиковые волокна (12) с избытком, по меньшей мере, на одну сторону (18, 20) листа (10),
- вводят часть этих мостиковых волокон (12) во внутренний слой,
- удаляют неиспользованный излишек мостиковых волокон (12).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения введения мостиковых волокон (12) в лист (10) используют прокалывание.

4. Способ по одному из предыдущих п.п., отличающийся тем, что введение мостиковых волокон (12) является сквозным, при этом каждое мостиковое волокно (12) доступно с обеих сторон внутреннего слоя.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что мостиковые волокна (12) взяты различного типа.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что мостиковые волокна (12) являются отрезками нитей, образованных пучками обвитых волокон.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что мостиковые волокна (12) введены с наклоном относительно поверхностей листа (10) легкого материала.

8. Внутренний слой (11), полученный способом по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит лист (10) легкого материала и мостиковые волокна (12), по меньшей мере, часть из которых выходит, по меньшей мере, на одну поверхность упомянутого листа (10).

9. Внутренний слой (11) по п.8, отличающийся тем, что плотность мостиковых волокон (12) на единицу площади является контролируемой.

10. Внутренний слой (11) по пп.8 или 9, отличающийся тем, что геометрия распределения мостиковых волокон (12) на единицу площади является контролируемой.

11. Панель (22) из композитного материала, образованная внутренним слоем (11) по одному из пп.8-10, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, волокна (24) поверхностного слоя, погруженные в полимерную основу, нанесенную на упомянутый внутренний слой (11), при этом упомянутым полимером пропитаны также мостиковые волокна (12).

12. Панель (22) по п.11, отличающаяся тем, что концы мостиковых волокон (12) погружены в полимерную основу с волокнами (24) поверхностного слоя.

13. Панель (22) по пп.11 или 12, отличающаяся тем, что мостиковые волокна (12) наклонены относительно плоскости внутреннего слоя.

14. Устройство для изготовления внутреннего слоя по одному из пп.11, 12 или 13, отличающееся тем, что оно содержит:
- пункт (26) подачи листов (10) легкого материала,
- пункт (28) нанесения мостиковых волокон на каждый лист,
- пункт (30) прокалывания,
- пункт (32) угловой ориентации пункта (26) подачи листов относительно пункта прокалывания,
- пункт (36) удаления внутренних слоев (11) с интегрированными мостиковыми волокнами.