Мультиаксиальное многослойное нетканое полотно, содержащее полимерный нетканый материал

Авторы патента:


Мультиаксиальное многослойное нетканое полотно, содержащее полимерный нетканый материал
Мультиаксиальное многослойное нетканое полотно, содержащее полимерный нетканый материал

 


Владельцы патента RU 2562490:

ТОХО ТЕНАКС ОЙРОПЕ ГМБХ (DE)

Изобретение относится к многослойному нетканому полотну из нескольких слоев комплексных армирующих нитей, между которыми расположен слой из нетканого термопластичного полимерного материала. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение драпируемости полотна и стабильности его формы после формования в преформу, увеличение проницаемости при пропитывании матричной смолой, а также повышение прочности и ударной вязкости полученного из полотна конструктивного элемента. Технический результат достигается многослойным нетканым полотном из расположенных друг над другом слоев из расположенных параллельно комплексных армирующих нитей. Причем многослойное нетканое полотно на слоях и/или между слоями из комплексных армирующих нитей имеет слой из нетканого материала из термопластичного полимерного материала. Причем нетканый материал содержит первый и второй полимерные компоненты, температуры плавления которых находятся ниже температуры плавления или разложения армирующих нитей. При этом первый полимерный компонент имеет более низкую температуру плавления, чем второй полимерный компонент. Первый полимерный компонент растворим в матричной смоле на основе эпоксида, сложного эфира цианата или бензоксацина или в смеси данных матричных смол, а второй полимерный компонент нерастворим в такой матричной смоле. 2 н. и 13 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к многослойному нетканому полотну по меньшей мере из двух расположенных друг над другом слоев из комплексных армирующих нитей, причем данное полотно на слоях и/или между слоями из комплексных армирующих нитей имеет по меньшей мере один слой из нетканого материала из термопластичного полимерного материала.

Многослойное нетканое полотно из армирующих волокон или нитей известно на рынке уже давно. При этом применяют большое количество мультиаксиальных полотен, которые имеют строение из нескольких расположенных друг над другом слоев нитей, причем слои нитей состоят из множества расположенных параллельно друг другу армирующих нитей. Слои нитей таким образом лежат друг над другом, что армирующие волокна слоев расположены параллельно друг другу или попеременно перекрещиваются. Угол может устанавливаться практически любой. Однако обычно в мультиаксиальном полотне угол между волокнами слоев устанавливают 0°, 90°, плюс или минус 25°, плюс или минус 30°, плюс или минус 45° или плюс или минус 60°, и строение выбирают таким образом, что относительно направления нулевого градуса получается симметричное строение.

Полотна, такие как упомянутые мультиаксиальные полотна, по причине их строения можно применять в частности для изготовления комплексных структур. При этом многослойное нетканое полотно без матричного материала кладут в форму, и полотно принимает ее очертания. Благодаря этому получают так называемую преформу, в которую затем необходимый для получения комплексного конструктивного элемента матричный материал вносят наливанием или впрыскиванием, также с применением вакуума. Известными способами являются так называемый Liquid Molding (LM-способ) или близкие с ними способы такие как, например, Resin Transfer Molding (RTM), Vakuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), Resin Film Infusion (RFI), Liquid Resin Infusion (LRI) или Resin Infusion Flexible Tooling (RIFT).

Полученные из подобных полотен из армирующих волокон волокнистые комплексные конструктивные элементы исключительно пригодны для того, чтобы непосредственно противодействовать действующим в направлении нагрузки конструктивного элемента силам и вместе с этим способствовать прочности. При этом подбор в мультиаксиальном многослойном нетканом полотне плотности волокон и угла между волокнами к имеющимся в конструктивном элементе направлениям действия нагрузки позволяет получить небольшой удельный вес.

Расположенные друг над другом слои нитей могут быть с помощью большого числа расположенных друг около друга и проходящих параллельно друг другу образующих петли швейных нитей или нитей для трикотажа соединены друг с другом и фиксированы относительно друг друга, так что таким образом мультиаксиальное полотно стабилизируется. Швейные нити или нити для трикотажа образуют при этом направление нулевого градуса мультиаксиального полотна. Такие мультиаксиальные многослойные нетканые полотна можно получить, например, с помощью обычных основовязальных машин или вязально-прошивных машин, например с помощью известных специалистам LIBA-машин или машин Karl Mayer. С помощью швейных нитей или нитей для трикотажа соединенное мультиаксиальное многослойное нетканое полотно и его получение описаны, например, в DE 10252671 C1, DE 19913647 В4, WO 98/10128 или ЕР 0361796 А1.

В ЕР 1352118 А1 раскрывается мультиаксиальное многослойное нетканое полотно, у которого слои армирующих волокон держатся вместе с помощью расплавляемых швейных нитей, которые делают возможной хорошую формуемость мультиаксиального многослойного нетканого полотна выше температуры плавления швейной нити и стабилизацию формы при последующем охлаждении. Часто применяют швейную нить из термопластичных полимеров, таких как, например, полиамид или сложный полиэфир, как, например, раскрывается в ЕР 1057605.

В US 2005/0164578 описан полупродукт для композиционного материала - заготовки (преформы), который имеет по меньшей мере один слой из многослойного нетканого полотна из армирующих волокон и у которого в по меньшей мере один слой встроены волокна для стабилизации, которые стабилизируют преформу, когда ее подвергают воздействию повышенной температуры и которые растворяются в применяемой позже для получения комплексного конструктивного элемента матричной смоле. Также в WO 02/16481 раскрывают структуры из армирующих волокон, например, для преформ, при этом данные структуры содержат гибкие полимерные элементы, которые, например, в виде волокон вносят между армирующими волокнами или которые в качестве швейной нити соединяют армирующие волокна друг с другом. Гибкие полимерные элементы состоят из материала, который растворим в применяемом отверждаемом матричном материале.

Согласно DE 19809264 А1 можно между сшитыми друг с другом слоями из армирующих волокон раскрытой в данной работе системы волокнистого многослойного нетканого полотна помещать клеевой нетканый материал из термопластичного полимера. С помощью данного расплавляющегося клеящего нетканого материала можно при нагревании выше температуры плавления образующего данный нетканый материал полимера систему волокнистого многослойного нетканого полотно простым образом формовать в трехмерные структуры, которые после охлаждения практически без восстановления сохраняют форму.

Частично также можно между слоями нитей из армирующих волокон помещать мат из спутанных волокон, или нетканый материал из спутанных волокон, или полотно из штапельного волокна, или мат из штапельного волокна для того, чтобы, например, улучшить пропитываемость полотна, или для того, чтобы, например, улучшить ударную вязкость. Подобные содержащие промежуточные слои в виде матов мультиаксиальные полотна, например, описаны в DE 3535272 С2 или US 2007/0202762, причем для нетканых материалов или матов в DE 3535272 С2 вес единицы поверхности составляет от 100 до 1200 г/м2, а в US 2007/0202762 вес единицы поверхности составляет 40 г/м2 и 161 г/м2.

В ЕР 1473132 объектом является мультиаксиальное многослойное нетканое полотно или способ получения данного мультиаксиального полотна, а также полученные из данного мультиаксиального полотна преформы. Данное мультиаксиальное полотно имеет между слоями из однонаправленно уложенных армирующих волокон промежуточные слои из термопластичных волокон, причем промежуточные слои могут представлять собой нетканый материал из двухкомпонентного волокна или гибридный нетканый материал из смешанных друг с другом различных волокон. Образующий промежуточные слои полимер должен быть совместимым с впрыскиваемой позднее в преформу матричной смолой. В частности, промежуточные слои должны быть проницаемы для матричной смолы при впрыскивании смолы и должны фиксировать усиленные слои во время впрыскивания смолы и после этого. В случае применения эпоксидной смолы нетканый материал образован из полиамидного волокна. Нетканый материал со слоями из армирующих волокон может быть соединен с помощью трикотажных петель или с помощью приклеивания расплавом.

Также в ЕР 1772258 раскрывают многослойную композицию для получения усиленных волокнами полимерных элементов. Данная многослойная композиция имеет слой из нетканого материала с весом единицы поверхности от 100 до 500 г/м2 в качестве основного слоя и по меньшей мере один поверхностный слой из армирующих волокон. Слой нетканого материала представляет собой, например, смесь волокон из несущих волокон и термопластичных связующих волокон, а температура плавления связующих волокон меньше, чем температура плавления несущих волокон. При температурной обработке при температуре выше температуры плавления связующих волокон и ниже температуры плавления несущих волокон согласно ЕР 1772258 достигают термического отверждения слоя нетканого материала и вместе с этим более высокой внутренней прочности и стабильности размеров слоя нетканого материала. Одновременно слой нетканого материала обеспечивает высокую проницаемость при пропитывании матричной смолой.

В US 2008/0289743 А1 раскрыто мультиаксиальное многослойное нетканое полотно из чередующихся слоев армирующих волокон и нетканого материала из термопластичных волокон в качестве промежуточных слоев, при этом промежуточные слои расположены между усиленными слоями и связаны с ними с помощью трикотажных петель или приклеивания расплавом. В одном варианте осуществления нетканый материал может быть образован из двух или нескольких материалов и вместе с этим быть гибридным нетканым материалом или двухкомпонентным или трехкомпонентным нетканым материалом. Согласно особому варианту осуществления речь может идти о нетканом материале из волокон типа ядро-оболочка с ядром из полиамида и оболочкой из полиуретана. Нетканые материалы служат для того, чтобы фиксировать однонаправленно расположенные армирующие волокна и обеспечить течение смолы во время пропитывания смолой. В предпочтительном варианте осуществления отверждение должно происходить при температуре ниже температуры плавления термопластичных волокон промежуточных слоев.

Недостатком описанных выше структур полотен, соответствующих уровню техники, является относительно высокая доля материала, который не состоит из армирующих волокон и вместе с этим не способствует прочности получаемого в итоге конструктивного элемента. Матричный материал должен относиться к общему количеству армирующих волокон и нетканого материала, так что относительно объема конструктивного элемента получается меньшее содержание армирующих волокон в конструктивном элементе и вместе с этим также меньшая прочность.

В ЕР 1705269 раскрывают термопластичный волокнистый материал из полигидроксиэфира, который, например, в случае мультиаксиального многослойного нетканого полотна из армирующих волокон, например, в качестве нетканого материала может находиться между слоями из армирующих волокон. При воздействии тепла материал из полигидроксиэфира становится вязким и клейким, так что можно достигать фиксации армирующих волокон в определенном геометрическом порядке перед заливкой в матрицу. Полигидроксиэфирный волокнистый материал растворяется позднее при температуре выше температуры стеклования полностью в матричном материале.

В US 2006/0252334 описано полотно из нескольких слоев армирующих волокон, которое для улучшения ударной вязкости полученного из данного полотна конструктивного элемента между усиленными слоями содержит, например, нетканый материал из полимерных волокон. При этом данные полимерные волокна должны быть растворимы в матричной смоле, благодаря чему согласно осуществлению US 2006/0252334 возможно равномерное распределение образующего данные волокна полимера в матричной смоле по сравнению с расплавляемыми, нерастворимыми термопластами.

Так как полимерные волокна полотна согласно US 2006/0252334 и ЕР 1705269 растворимы в матричном материале и, следовательно, растворяются во время пропитывания полотна матричной смолой, не обеспечивается достаточно надежная фиксация усиленных слоев на данной стадии получения конструктивного элемента.

Поэтому существует потребность в многослойном нетканом полотне на основе армирующих волокон, которая имеет хорошую драпируемость и стабильность формы после формования в преформу, а также хорошую проницаемость при пропитывании матричной смолой. Одновременно полученный из данного полотна конструктивный элемент должен обладать высокими показателями прочности, в частности при нагрузке давлением, и высокой ударной вязкостью.

Поэтому в основе данного изобретения лежит задача предоставить подобное полотно.

Данную задачу решают с помощью многослойного нетканого полотна по меньшей мере из двух расположенных друг над другом слоев из расположенных параллельно друг около друга комплексных армирующих нитей, причем данное полотно на слоях и/или между слоями из комплексных армирующих нитей имеет по меньшей мере один слой из нетканого материала из термопластичного полимерного материала, причем нетканый материал содержит первый полимерный компонент и второй полимерный компонент, температуры плавления которых находятся ниже температуры плавления или разложения армирующих нитей, отличающиеся тем, что первый полимерный компонент имеет более низкую температуру плавления, чем второй полимерный компонент, и что первый полимерный компонент растворим в матричной смоле на основе эпоксида, сложного эфира цианата или бензоксацина или в смеси данных матричных смол, а второй полимерный компонент нерастворим в матричной смоле на основе эпоксида, сложного эфира цианата или бензоксацина или в смеси данных матричных смол.

Предпочтительно первый полимерный компонент имеет температуру плавления в диапазоне от 80 до 135°С, а второй полимерный компонент - температуру плавления в диапазоне от 140 до 250°С.

По причине своего особого строения многослойное нетканое полотно по изобретению отличается хорошей драпируемостью и способностью к фиксации слоев полотна в преформе, хорошей проницаемостью при пропитывании матричной смолой, а также тем, что из нее можно получить конструктивные элементы с высокой механической прочностью и с высокой ударной вязкостью. С помощью по меньшей мере одного слоя нетканого материала с комбинацией полимеров по изобретению можно достичь при нагревании до температуры плавления первого полимерного компонента подвижности слоев полотна относительно друг друга. Расплавленный первый компонент нетканого материала действует некоторым образом как смазка, так что слои армирующих нитей в процессе формования в преформу могут скользить, принимая желаемое положение. Затем при охлаждении преформы первый полимерный компонент действует как плавящийся клей и фиксирует усиленные слои в их положении.

При последующем пропитывании композиции многослойного нетканого полотна матричной смолой, которое, как правило, происходит при температурах выше температуры плавления первого компонента, но ниже температуры плавления второго компонента, благодаря высокоплавкому второму полимерному компоненту согласно данному изобретению по меньшей мере один нетканый материал обеспечивает хорошую проницаемость для матричной смолы. Первый полимерный компонент напротив растворим в матричной смоле и теряет таким образом сущность в качестве самостоятельной фазы по отношению к матричной смоле. Поэтому содержание первого полимерного компонента причисляется к содержанию матричного материала и содержание впрыскиваемой матричной смолы может быть уменьшено на содержание первого полимерного компонента. Поэтому можно устанавливать высокое объемное содержание армирующих волокон в получающемся конструктивном элементе и вместе с этим сохранять показатели механической прочности на высоком уровне.

Применяемый в полотне по изобретению нетканый материал может при этом состоять из смеси однокомпонентных волокон с различной температурой плавления, то есть представлять собой гибридный нетканый материал. Однако также нетканый материал может состоять из двухкомпонентных волокон, например из волокон типа ядро-оболочка, при этом ядро волокна образовано из полимера с высокой температурой плавления, а оболочка - из полимера с низкой температурой плавления. Сходным с нетканым материалом из двухкомпонентных волокон может быть также нетканый материал, например, из спутанного слоя, образованный из волокон из двух полимерных компонентов, причем первый полимерный компонент, например, с помощью напыления или с помощью покрытия наносят на волокна второго полимерного компонента. Покрытие может, например, происходить с помощью пропитывания дисперсией или раствором первого полимерного компонента, при этом после пропитывания жидкие компоненты дисперсии или растворителя удаляют. Также возможно, чтобы образованный из волокон второго полимерного компонента нетканый материал содержал первый полимерный компонент в виде мелких, включенных между волокнами второго полимерного компонента частиц. Предпочтительно нетканый материал представляет собой гибридный нетканый материал. При этом предпочтительно, чтобы нетканый материал содержал первый полимерный компонент в количестве от 2 до 40 мас. % и второй полимерный компонент в количестве от 60 до 98 мас. %. Особенно предпочтительно содержание первого полимерного компонента находится в диапазоне от 5 до 35 мас. % и содержание второго полимерного компонента в диапазоне от 65 до 95 мас. %. В следующем предпочтительном варианте осуществления нетканый материал содержит первый полимерный компонент в количестве от 20 до 40 мас. % и второй полимерный компонент в количестве от 60 до 80 мас. %.

При температуре отверждения матричной смолы, то есть эпоксидной смолы, смолы сложного эфира цианата или смолы бензоксацина, в предпочтительном варианте осуществления первый полимерный компонент химически реагирует с отверждаемой матричной смолой в ходе реакции сшивания и становится таким образом частью гомогенной матрицы. Поэтому первый полимерный компонент предпочтительно представляет собой полимер, который может вступать в химическую реакцию сшивания с эпоксидной смолой, смолой сложного эфира цианата или смолой бензоксацина. Особенно предпочтительно первый полимерный компонент представляет собой полигидроксипростой эфир. Подобный полигидроксипростой эфир, например, описан в ЕР 1705269, которая включена в данную работу в виде ссылки.

Согласно данному изобретению второй полимерный компонент имеет более высокую температуру плавления, чем первый полимерный компонент. Предпочтительно второй полимерный компонент плавится при температуре отверждения применяемой матричной смолы или при температуре в области между температурой плавления первого полимерного компонента и температурой отверждения матричной смолы. Таким образом, второй полимерный компонент также связывается с матричным материалом, однако образует в отличие от первого полимерного компонента в отвержденной матричной смоле собственную фазу. Данная, образованная с помощью второго полимерного компонента фаза помогает при отверждении и в позднее полученном конструктивном элементе ограничивать расширение трещин и, например, явно способствует повышению ударной вязкости.

В качестве второго полимерного компонента применяемого в многослойном нетканом полотне по изобретению нетканого материала обычно можно применять переработанные в термопластичные волокна полимеры, если они удовлетворяют соответствующим заявке условиям, такими полимерами являются, например, полиамид, полиимид, полиамидимид, сложный полиэфир, полибутадиен, полиуретан, полипропилен, полиэфиримид, полисульфонат, полиэфирсульфонат, полифениленсульфонат, полифениленсульфид, полиэфиркетон, полиэфирэфиркетон, полиариламид, поликетон, полифталамид, полифениленэфир, полибутилентерефталат или полиэтилентерефталат или сополимеры или смеси данных полимеров.

Принимая во внимание упомянутые выше матричные смолы предпочтительно, если второй полимерный компонент представляет собой гомополимер полиамида или сополимер полиамида или смесь из гомополимеров полиамида и/или сополимеров полиамида. Особенно предпочтительными являются гомополимеры или сополимеры полиамида полиамид 6, полиамид 6.6, полиамид 6.12, полиамид 4.6, полиамид 11, полиамид 12 или сополимер на основе полиамида 6/12.

Принимая во внимание усреднение свойств материала по толщине полотна предпочтительно, чтобы у полотна по изобретению между каждыми двумя слоями из комплексной армирующей нити располагался слой нетканого материала. Принимая во внимание свойства полученного из многослойного нетканого полотна по изобретению конструктивного элемента и принимая во внимание по возможности более высокий уровень показателей механических свойств также предпочтительно, чтобы нетканый материал имел вес единицы поверхности в диапазоне от 5 до 25 г/м2. Особенно предпочтительно находится вес единицы поверхности в диапазоне от 6 до 20 г/м2.

В многослойном нетканом полотне по изобретению можно применять в качестве армирующих волокон обычно применяемые для получения усиленных волокнами композиционных материалов армирующие волокна или нити. Предпочтительно в случае комплексной армирующей нити речь идет о нити из углеродного волокна, стекловолокна или о арамидной нити или о сильно вытянутой UHMW-полиэтиленовой нити, и особенно предпочтительно о нити из углеродного волокна.

Принимая во внимание высокий уровень механических свойств получаемого конструктивного элемента предпочтительно, чтобы армирующие нити внутри слоя из комплексных армирующих нитей располагались параллельно друг другу и лежали друг около друга. Этим можно достичь высокой объемной доли волокон и избежать наличия в конструктивном элементе зон с низким содержанием волокон.

В следующем предпочтительном варианте осуществления армирующие нити расположенных друг над другом слоев в направлении взгляда перпендикулярно к поверхности слоев образуют угол друг с другом. Вместе с этим также возможно подбирать направленность армирующих нитей к направлению нагрузки получаемого в дальнейшем конструктивного элемента и обеспечить требуемую прочность в данном направлении нагрузки. При этом предпочтительно, чтобы слои из армирующих нитей таким образом располагались попеременно под определенными углами к направлению нулевого градуса, чтобы получалось симметричное или квазиизотропное строение. Так, многослойное нетканое полотно по изобретению может, например, иметь строение со слоями +45°, -45°, +45° и -45°, то есть внутри отдельных слоев однонаправленно расположенные армирующие нити образуют угол с направлением нулевого градуса +45°, -45°, +45° и -45°. Обычно у подобных мультиаксиальных полотен угол α находится в диапазоне от ±20° до примерно ±80°. Типичными углами α являются ±25°, ±30°, ±45° и ±60°.

Для того чтобы, например, также учитывать дальнейшие направления нагрузки в полученном позднее конструктивном элементе, многослойное нетканое полотно по изобретению включает предпочтительно также слои из комплексной армирующей нити, у которых армирующие нити с направлением нулевого градуса образуют угол 0°, и/или слои, у которых армирующие нити образуют с направлением нулевого градуса угол 90°. Данные слои 0° или 90° находятся предпочтительно между ориентированными под углом слоями. Однако также возможно, например, строение со следующими направленностями: 90°, +30°, -30°, 0° -30°, +30°, 90°, то есть строение, при котором внешние слои образованы из слоев 90°.

У многослойного нетканого полотна по изобретению слои комплексных армирующих нитей могут состоять из заранее изготовленных однонаправленных полотен из комплексных армирующих нитей. В данных однонаправленных полотнах образующие слой расположенные параллельно друг к другу армирующие нити связаны друг с другом с помощью цепочек из неплотных связующих нитей, которые располагаются по существу перпендикулярно к армирующим нитям. Подобные однонаправленные полотна, например, описаны в ЕР 0193479 В1 или в ЕР 0672776, которые включены в данную работу в качестве ссылки.

Для того чтобы у многослойного нетканого полотна по изобретению, в частности, при впрыскивании смолы получить высокую стабильность и, например, избежать нежелательного смещения усиленных слоев, в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения слои из комплексных армирующих нитей и по меньшей мере один слой нетканого материала соединены друг с другом с помощью расположенных параллельно друг к другу и отстоящих друг от друга на ширину стежка, образующих петли швейных нитей или трикотажных нитей и фиксированы относительно друг друга. При этом швейные нити определяют направление нулевого градуса.

Отдельные образованные из комплексных армирующих нитей слои полотна по изобретению могут при этом быть получены с помощью обычных способов и устройств и сложены друг над другом под определенными углами к направлению нулевого градуса. Как уже было указано выше, известными устройствами из этой области являются LIBA-машины или машины Karl Mayer. Вместе с этим также армирующие нити таким образом располагают внутри слоев, что они лежат рядом, то есть по существу лежат друг около друга без зазоров.

В качестве швейной нити принимают во внимание обычные применяемые для получения слоев нитей нити. При этом в рамках данного изобретения в качестве швейной нити также понимают такие нити, которые применяются в многослойном нетканом полотне по изобретению не способом шитья, а другими способами образования петель в текстиле, такими как, в частности, способ вязания. Петли, которыми швейная нить соединяет слои мультиаксиального полотна друг с другом, могут иметь в мультиаксиальном полотне обычные типы переплетения, такие как, например, трикотажное переплетение или переплетение цепочкой. Предпочтительным является переплетение цепочкой.

Предпочтительно швейная нить представляет собой комплексную нить. При этом можно применять такие швейные нити, которые расплавляют при последующем впрыскивании смолы, например, выше температуры впрыскивания смолы, но ниже температуры отверждения применяемой смолы. Нити также могут сами расплавляться при температуре отверждения. Швейные нити могут также быть такими, которые растворяются в матричной смоле, например, во время впрыскивания смолы или также во время ее отверждения. Подобные швейные нити описаны, например, в DE 19925588, ЕР 1057605 или в US 6890476, которые включены в данную работу в качестве ссылки. Предпочтительно швейная нить состоит из полиамида, полиарамида, сложного полиэфира, полиакрила, полигидроксиэфира или из сополимеров данных полимеров. Особенно предпочтительно швейная нить является комплексной нитью из сложного полиэфира, полиамида или полигидроксиэфира или из сополимеров данных полимеров.

Предпочтительно, чтобы швейная нить при комнатной температуре имела разрывное удлинение >50%. Благодаря высокому разрывному удлинению достигают улучшенной драпируемости мультиаксиального полотна по изобретению, вследствие чего также можно получать комплексные структуры или конструктивные элементы.

В особом варианте осуществления сшивающие или связывающие полотно по изобретению швейные нити имеют титр в диапазоне от 10 до 35 дтекс. Оказалось, что, в частности, стойкость к напряжению сжатия явно улучшается, если титр швейной нити в многослойном нетканом полотне находится в упомянутом диапазоне. Это объясняется тем, что при применении таких швейных нитей рисунок нитей отдельных слоев нитей по сравнению с известными мультиаксиальными полотнами явно выравнивается. В частности, было установлено, что филаменты армирующих нитей имеют более прямолинейное направление, чем у полотен, соответствующих уровню техники. Особенно предпочтительно швейные нити имеют титр в диапазоне от 10 до 30 дтекс и особенно предпочтительно титр в диапазоне от 15 до 25 дтекс.

Как было указано, швейные нити образуют петли и определяют направление нулевого градуса многослойного нетканого полотна. В случае, если армирующие нити слоев по отношению к направлению нулевого градуса многослойного нетканого полотна расположены симметрично и в продольном направлении образуют угол к направлению нулевого градуса, который не равен 90° и не равен 0°, то, принимая во внимание прочность относительно напряжения сжатия и/или ударной нагрузки полученного с помощью мультиаксиального многослойного нетканого полотна по изобретению конструктивного элемента из композиционного материала, было неожиданно установлено, что особенно хорошего уровня прочности достигают, если длина стежка s образованных швейной нитью петель в зависимости от ширины стежка w, а также от угла α1 армирующих нитей в мультиаксиальном многослойном нетканом полотне удовлетворяет следующим соотношениям (I) и (II):

При этом множитель В может принимать значение в области 0,9≤В≤1,1, и n значение 0,5, 1, 1,5, 2, 3 или 4, при этом также для маленьких значений w * | tan α 1 | / 2,3 ширина стежка s находится в требуемой для уравнения (I) области. Ширина стежка w, то есть расстояние между швейными нитями, при этом указана в мм.

Под углом α1 при этом понимают угол к направлению нулевого градуса, под которым расположены при виде сверху на мультиаксиальное полотно армирующие нити первого слоя, у которого армирующие нити к направлению нулевого градуса имеют угол, отличный от 90° и 0°. В случае, если армирующие нити самого высшего слоя или высших слоев мультиаксиального полотна имеют угол 90° или 0° к направлению нулевого градуса, то тогда учитывают первый под данным слоем или под данными слоями слой, у которого армирующие нити имеют угол, отличный от 90° или 0°.

При исследовании картины нитей, то есть расположения волокон или филаментов комплексных армирующих нитей в слоях полотна, было обнаружено, что при соблюдении условий (I) и (II) получается очень равномерное расположение волокон с гораздо меньшей волнистостью нитей и гораздо реже встречающимися зазорами между пучками нитей. В связи с этим имеет решающее значение то, что вдоль расположения пучков ниток или прядей волокон швейная нить прошивает пряди волокон в большей степени в различных положениях ширины прядей волокон. В случае обычно применяемых значений длины стежка и ширины стежка вне определяемых условиями (I) и (II) областей наблюдаются проколы швейной нитью вдоль армирующей нити по существу между теми же самыми волокнами или филаментами или в одних и тех же местах прядей волокон или армирующих нитей. Вследствие этого образуются выраженная волнистость или закручивание нитей и зазоры между филаментами.

В целом было установлено, что при применении согласно данному изобретению швейной нити с низким титром и при соблюдении приведенных выше условий (I) и (II) в горизонтальной проекции слоев армирующих нитей полученные из-за входных отверстий швейной нити в многослойном нетканом полотне отклонения волокон, также обозначаемые как укол закручивания, могут быть уменьшены примерно на 25%. Одновременно можно образующиеся поверхности закручивания, то есть поверхности или области, в которых филаменты или нити имеют отклонения, уменьшить примерно на 40% и уменьшить свободные области между волокнами, которые приводят к областям с повышенным содержанием смолы и уменьшенной прочностью в конструктивном элементе, в частности, при напряжении сжатия.

Одновременно на основе вида поверхности среза многослойной системы на основе мультиаксиального многослойного нетканого полотна можно установить, что с помощью применения согласно данному изобретению швейной нити с низким титром неожиданно можно достигать существенного выравнивания расположения армирующих нитей при рассмотрении в вертикальном направлении к слоям армирующих нитей и параллельном направлении к армирующим нитям. Таким образом, при применении швейных нитей с титром 23 дтекс получают по существу линейное расположение филаментов армирующих нитей. При применении швейных нитей с титром вне предпочтительной области уже при титре 48 дтекс при рассмотрении упомянутого поперечного сечения многослойной системы можно увидеть все филаменты в неупорядоченном, волнообразном расположении с амплитудой колебаний с порядком величины, соответствующим толщине слоя армирующих нитей.

При этом длина стежка может находиться в диапазоне от 2 мм до 4 мм. При длине стежка выше 4 мм не обеспечивается достаточная стабильность многослойного нетканого полотна по изобретению. Ниже 2 мм могут встречаться большое число пустых участков в многослойном нетканом полотне. Кроме того, также в существенной мере снижается экономическая эффективность изготовления мультиаксиального многослойного нетканого полотна по изобретению.

Многослойное нетканое полотно по изобретению отличается хорошей драпируемостью и хорошей проницаемостью смолы. Кроме того, становится возможным получение конструктивных элементов с высокой стойкостью к напряжению сжатия и высокой стойкостью к ударным нагрузкам. Поэтому данное многослойное нетканое полотно особенно пригодно для получения так называемых преформ, из которых затем получают комплексные усиленные волокнами конструктивные элементы. Поэтому данное изобретение, в частности, относится также к преформам для получения усиленных волокнами конструктивных элементов, которые содержат многослойное нетканое полотно по изобретению.

1. Многослойное нетканое полотно по меньшей мере из двух расположенных друг над другом слоев из расположенных параллельно рядом друг с другом комплексных армирующих нитей, причем многослойное нетканое полотно на слоях и/или между слоями из комплексных армирующих нитей имеет по меньшей мере один слой из нетканого материала из термопластичного полимерного материала, причем нетканый материал содержит первый полимерный компонент и второй полимерный компонент, температуры плавления которых находятся ниже температуры плавления или разложения армирующих нитей, отличающееся тем, что первый полимерный компонент имеет более низкую температуру плавления, чем второй полимерный компонент, и первый полимерный компонент растворим в матричной смоле на основе эпоксида, сложного эфира цианата или бензоксацина или в смеси данных матричных смол, а второй полимерный компонент нерастворим в матричной смоле на основе эпоксида, сложного эфира цианата или бензоксацина или в смеси данных матричных смол.

2. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что первый полимерный компонент имеет температуру плавления в диапазоне от 80 до 135°С, а второй полимерный компонент имеет температуру плавления в диапазоне от 140 до 250°С.

3. Полотно по п. 1 или 2, отличающееся тем, что нетканый материал представляет собой гибридный нетканый материал.

4. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что второй полимерный компонент представляет собой гомополимер полиамида, или сополимер полиамида, или смесь из гомополимера полиамида и/или сополимера полиамида.

5. Полотно по п. 4, отличающееся тем, что гомополимер полиамида или сополимер полиамида представляет собой полиамид 6, полиамид 6.6, полиамид 6.12, полиамид 4.6, полиамид 11, полиамид 12 или сополимер на основе полиамида 6/12.

6. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что первый полимерный компонент представляет собой полимер, химически реагирующий с матричной смолой на основе эпоксида, сложного эфира цианата или бензоксацина при сшивании данной матричной смолы.

7. Полотно по п. 6, отличающееся тем, что первый полимерный компонент представляет собой полигидроксиэфир.

8. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что нетканый материал содержит первый полимерный компонент в количестве от 2 до 40 мас. % и второй полимерный компонент в количестве от 60 до 98 мас. %.

9. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один слой нетканого материала имеет вес единицы поверхности в диапазоне от 5 до 25 г/м2.

10. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что между каждыми его слоями комплексных армирующих нитей расположен слой нетканого материала.

11. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что комплексные армирующие нити представляют собой нити из углеродных волокон, нити из стекловолокон, или арамидные нити, или UHMW-полиэтиленовые нити.

12. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что армирующие нити расположенных друг над другом слоев, если смотреть перпендикулярно к поверхности слоев, образуют друг с другом угол.

13. Полотно по п. 1, отличающееся тем, что слои из комплексных армирующих нитей и указанный по меньшей мере один слой нетканого материала соединены друг с другом с помощью параллельно расположенных и отстоящих друг от друга швейных нитей.

14. Полотно по п. 13, отличающееся тем, что армирующие нити внутри слоя, а также соседние слои соединены друг с другом швейными нитями, отстоящими друг от друга на ширину стежка w и фиксированы относительно друг друга, причем швейная нить образует петли с длиной стежка s и определяет направление нулевого градуса многослойного нетканого полотна, причем армирующие нити слоев по отношению к направлению нулевого градуса многослойного нетканого полотна расположены симметрично, а относительно продольного направления образуют угол α с направлением нулевого градуса, который не равен 90° и не равен 0°, при этом швейная нить имеет титр в диапазоне от 10 до 35 дтекс, причем длина стежка s швейной нити в зависимости от ширины стежка, а также от угла α1 армирующих нитей удовлетворяет соотношениям (I) и (II):

где
w = ширина стежка [мм],
0,9≤В≤1,1 и
n=0,5; 1; 1,5; 2; 3 или 4,
и при этом под углом α1 понимают угол к направлению нулевого градуса, под которым расположены армирующие нити первого, если смотреть сверху на мультиаксиальное нетканое полотно, слоя, армирующие нити которого образуют с направлением нулевого градуса угол, отличный от 90° и 0°.

15. Преформа для получения конструктивного элемента из композиционного материала, отличающаяся тем, что она содержит многослойное нетканое полотно по одному или нескольким из пп. 1-14.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления по меньшей мере одного тонкостенного элемента жесткости из композиционного материала. .
Наверх