用于制備熱塑性復(fù)合材料的組合物和方法
【專利說明】
[0001] 交叉引用
[0002] 本申請要求于2013年3月11日提交的美國臨時專利申請第61/776,755號的優(yōu) 先權(quán)的權(quán)益，其通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開大體上涉及復(fù)合材料。更具體地，本公開涉及熱塑性復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0004] 復(fù)合材料是由兩種或更多種組分的混合物形成的材料，其產(chǎn)生具有不同于單獨材 料的性能或特征的材料。大多數(shù)復(fù)合材料包含兩部分，即基質(zhì)組分和增強組分?；|(zhì)組分 是將復(fù)合材料結(jié)合在一起的材料，并且它們通常不如增強組分那么硬。復(fù)合材料可于高溫 下在壓力下成形。
[0005] 基質(zhì)組分在適當(dāng)?shù)胤椒庋b增強組分并將負荷分配在增強組分之間。由于增強組分 通常比基質(zhì)材料更硬，所以它們是復(fù)合材料中主要的負載組分。增強組分可為多種不同形 式，例如：纖維、織物、顆粒或棒。
[0006] 已開發(fā)出基于包含含有纖維材料的聚合物基質(zhì)的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)已被 用于高性能復(fù)合材料制造，并且可表現(xiàn)出高強度、損傷容限、層間斷裂韌性、可撓性或它們 的任意組合。在高要求應(yīng)用中，諸如例如汽車和航空航天應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)部件，由于輕重量、 高強度和耐溫性的組合，需要復(fù)合材料。已開發(fā)出用聚合物基質(zhì)浸漬纖維材料以改變復(fù)合 結(jié)構(gòu)的性能的制造技術(shù)。
[0007] 存在多種不同類型的復(fù)合材料，包括塑料復(fù)合材料。每種塑料樹脂都具有它自身 的獨特性能，其在與不同的增強物結(jié)合時生成具有不同機械和物理性能的復(fù)合材料。塑料 復(fù)合材料分為兩種主要種類：熱固性復(fù)合材料和熱塑性復(fù)合材料。
[0008] 就熱固性復(fù)合材料來說，在施加熱和壓力之后，熱固性樹脂發(fā)生使材料的分子結(jié) 構(gòu)交聯(lián)的化學(xué)變化。一旦固化，熱固性部件不能被重塑。因為在熱固性塑料中發(fā)現(xiàn)的緊密 交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，熱固性塑料比大多數(shù)熱塑性材料耐受更高的溫度并提供更高的尺寸穩(wěn)定性。
[0009] 就熱塑性復(fù)合材料來說，基質(zhì)組分是不交聯(lián)的，因此，沒有熱固性復(fù)合材料那樣受 限，并且可被回收并重新成形以制造新部件。
[0010]用高強度、高模量纖維強化以形成熱塑性復(fù)合材料的熱塑性材料急劇增加了強度 和硬度以及韌性和尺寸穩(wěn)定性。熱塑性復(fù)合材料可通過加熱來熔融、再成形以及再成型 (如有必要），然后通過冷卻來固化。熱塑性材料可為非晶形或半結(jié)晶的，每種都有它自身 的一組性能。用于熱塑性復(fù)合材料的常見基質(zhì)組分包括聚丙烯（PP)、聚乙烯（PE)、聚醚醚 酮（PEEK)和尼龍。
[0011] 纖維-基質(zhì)界面的結(jié)構(gòu)和性能在決定復(fù)合材料的機械和物理性能中起到主要作 用。作用于基質(zhì)上的應(yīng)力被傳遞至橫跨界面的纖維上，因此纖維和基質(zhì)需要相互作用以利 用纖維的全部性能。這種相互作用的強度可以決定復(fù)合材料本身的性能。弱的相互作用產(chǎn) 生堅韌的復(fù)合材料，因為能量可以通過諸如纖維拉拔的各種機制被吸收。纖維和基質(zhì)之間 強的相互作用可以產(chǎn)生脆性復(fù)合材料。
[0012] 因此，希望提供具有理想物理性能的復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 芳族聚合物的砜族包括具有理想機械性能的熱塑性材料。聚砜芳族聚合物的主鏈 結(jié)構(gòu)包括砜鏈接的芳族單元。這些熱塑性材料的這種主鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)賦予這些聚合物理想的 物理和機械性能。與聚丙烯（PP)、聚乙烯（PE)、聚醚醚酮（PEEK)或尼龍熱塑性材料相比， 這些聚合物可具有：提尚的耐溫性、強度、初性，提尚的對各種化學(xué)品的抗性，提尚的耐蒸汽 性，或它們的任意組合。
[0014] 先前對由聚砜芳族聚合物基質(zhì)和增強纖維形成復(fù)合材料的嘗試包括其中將聚合 物熔融并將熔融的聚合物浸漬到纖維中的方法，以及其中使用聚合物的顆粒來浸漬纖維的 方法。
[0015] 由于缺少基質(zhì)對纖維的粘附力以及對基質(zhì)/纖維分布的不良控制，這些方法已經(jīng) 失敗。由于聚合物的韌性時其難以被微粉化，即使在低溫下或使用諸如噴射碾磨的技術(shù)的 情況下，也不能微粉化，導(dǎo)致減小聚砜芳族聚合物的粒徑以更好地浸漬纖維的嘗試已經(jīng)失 敗。此外，多種聚砜芳族聚合物所表現(xiàn)出來的高熔體粘度導(dǎo)致在制造復(fù)合材料的纖維浸漬 階段過程中、在層固結(jié)（ply consolidation)過程中或上述兩個過程中纖維增強組分的浸 漬不足。
[0016] 增強組分的浸漬不足進一步可導(dǎo)致：（i)增強組分和基質(zhì)之間的粘附力降低， (ii)基質(zhì)中空隙的形成以及復(fù)合材料的相關(guān)的不希望的物理性能；或（iii)上述兩種情 況。
[0017] 本公開的目的是消除或減輕前述復(fù)合材料的至少一種不足。
[0018] 在一方面，本公開提供了一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括：增強組分；聚砜芳族 聚合物；和粘附力促進劑。
[0019] 所述聚砜芳族聚合物可為：聚砜芳族聚合物、聚醚砜芳族聚合物或聚苯砜芳族聚 合物。
[0020] 聚砜芳族聚合物可為包括：
?作為單體單元的聚合 物。
[0022] 聚醚砜芳族聚合物可為包括：
作為單體單元的 聚合物。
[0024] 聚苯砜芳族聚合物可為包括：
作為單體單元的聚 合物。
[0026] 粘附力促進劑可為包括下列的聚合物：聚酰胺酰亞胺聚合物、聚酰胺-酰胺酸 (polyamide-amic)聚合物、包含聚酰胺-酰胺酸和酰胺酰亞胺作為單體單元的聚合物、或 它們的混合物。
[0027] 粘附力促進劑可包括聚合物，所述聚合物包括酰胺-酰胺酸和酰胺酰亞胺作為單 體單元，酰胺-酰胺酸與酰胺酰亞胺之比為約〇. 5:1至約1:1。在特定的實例中，所述比在 約0. 25:1和約0. 95:1之間。在一些實例中，所述比為約0. 5:1。
[0028] 粘附力促進劑的含量可為聚砜芳族聚合物和粘附力促進劑的總重量的約lwt%至 約25wt%。粘附力促進劑的含量可為約5wt%至約10wt%。粘附力促進劑的含量可為約 5wt % 〇
[0029] 聚砜芳族聚合物可具有約2. 5GPa的拉伸模量、約80MPa的拉伸強度或兩者兼具。 聚砜芳族聚合物可具有約2. 4GPa的撓曲模量、約90MPa的撓曲強度或兩者兼具。
[0030] 增強組分可包括：碳纖維、玻璃纖維、芳綸（aramid)纖維、對位芳綸纖維、硼纖維、 玄武巖纖維或它們的任意組合。
[0031] 在另一方面，本公開提供了一種用于形成復(fù)合材料的方法。所述方法包括：用溶劑 溶解的熱塑性聚砜芳族聚合物浸漬增強組分。所述方法可包括（例如通過蒸發(fā)）從浸漬的 增強組分中移除至少一部分溶劑。由于難以從浸漬的增強組分中移除溶劑并且難以找到其 中非晶聚合物能夠溶于溶劑中的溶劑/聚合物組合，因此使用溶劑溶解的熱塑性聚合物來 形成復(fù)合材料一直沒有一致成功。
[0032] 可使用轉(zhuǎn)鼓、濕膜應(yīng)用（wet film application)或者通過纖維浸泡（fiber dipping)來實現(xiàn)浸漬，所述纖維浸泡包括拉引纖維通過聚合物基質(zhì)的溶液槽。可使用刮刀 或蠕動栗在轉(zhuǎn)鼓上計量溶劑溶解的熱塑性聚砜芳族聚合物。
[0033] 熱塑性聚砜芳族聚合物和溶劑組合物可包括粘附力促進劑，例如聚酰胺酰亞胺聚 合物、聚酰胺-酰胺酸聚合物、包含聚酰胺-酰胺酸和酰胺酰亞胺作為單體單元的聚合物、 或它們的混合物。
[0034] 溶劑溶解的熱塑性聚砜芳族聚合物可溶解于能溶解該聚合物并仍能通過蒸發(fā)被 去除的任何溶劑。例如，所述溶劑可包括極性非質(zhì)子溶劑。所述極性非質(zhì)子溶劑可為：N-甲 基吡咯烷酮（NMP)、二甲基亞砜（DMSO)、二甲基甲酰胺（DMF)、二甲基乙酰胺（DMAC)或它們 的任意組合?；蛘?，可使用諸如二氯甲烷的氯化溶劑，但是由于毒性問題、環(huán)境問題或兩種 問題兼有，這樣的溶劑可能較不理想。
[0035] 溶劑溶解的熱塑性聚砜芳族聚合物可溶解于溶劑