Способ изготовления текстильной однонаправленной ткани
Владельцы патента RU 2756286:
ТЕЙДЗИН ЛИМИТЕД (JP)
ТЕЙДЖИН КАРБОН ЮРОП ГМБХ (DE)
Изобретение относится к области изготовления композитных компонентов со сложными структурами и касается способа изготовления текстильной однонаправленной ткани. По меньшей мере в одном плоском слое многоволоконные армирующие нити, расположенные параллельно друг другу, ткутся друг с другом с помощью поперечных нитей, которые имеют структуру ядро-оболочка и титр 10-40 текс и имеют первый компонент, который образует оболочку, и второй компонент, который образует ядро, причем первый компонент имеет более низкую температуру плавления, чем второй компонент, и представляет собой плавкий термопластичный полимерный материал, и посредством этого первого компонента поперечных нитей расположенные рядом многоволоконные армирующие нити связываются друг с другом расплавом, причем промежутки формируются в однонаправленной ткани путем переплетения многоволоконных армирующих нитей с поперечными нитями, посредством чего может быть установлена проницаемость в диапазоне 10–600 л/дм2/мин. Предпочтительный вариант осуществления относится к способу изготовления однонаправленной ткани с густым ворсом. Изобретение дополнительно относится к волокнистой заготовке, получаемой из этой однонаправленной ткани. Изобретение обеспечивает создание ткани, которая обеспечивает хорошую стабильность размеров после ее формирования в заготовки, а также хорошую и регулируемую проницаемость к инфильтрации матричных смол, и произведенные из этой ткани компоненты обладают высокой прочностью и ударной вязкостью. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл., 2 пр.
Настоящее изобретение относится к способу изготовления текстильной однонаправленной ткани (также называемой просто однонаправленной тканью) из армирующих волокон, а также к волокнистой заготовке для изготовления композитных компонентов, получаемой из этой однонаправленной ткани.
Настоящее изобретение представляет собой дальнейшее развитие изобретения, описанного в международной заявке PCT/EP 2016/070959.
Грубые холсты из армирующих волокон или нитей, особенно в форме однонаправленных тканей, давно известны на рынке. Эти грубые холсты или однонаправленные ткани широко используются изготовления композитных компонентов со сложными структурами. В этом случае сначала так называемые волокнистые заготовки делаются из грубых холстов или однонаправленных тканей изготовления композитных компонентов на промежуточной стадии для того, чтобы сформировать текстильные заготовки в форме двумерных или пространственных структур армирующих волокон, форма которых может почти соответствовать форме окончательного компонента. В вариантах осуществления таких волокнистых заготовок, которые по существу состоят только из армирующих волокон, и в которых подготовительная фракция матрицы, требуемая для компонента, все еще по меньшей мере в значительной степени отсутствует, подходящий матричный материал вводится в волокнистую заготовку на дальнейших стадиях инфузией или впрыскиванием, а также с использованием вакуума. Наконец, матричный материал отверждается, обычно при повышенных температурах и давлениях, чтобы получить законченный компонент. Известные способы для инфузии или впрыскивания матричного материала могут включать в себя так называемый способ жидкого формования (LM) или связанные с ним способы, такие как, например, трансферное формование (RTM), вакуумное трансферное формование (VARTM), пропитка полимерной пленкой (RFI), пропитка жидкой смолой (LRI) или гибкая пропитка смолой (RIFT).
Изготовления волокнистых заготовок грубые холсты или однонаправленные ткани без матричного материала могут накладываться друг на друга в несколько слоев так, чтобы форма соответствовала контуру компонента, до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина. В других случаях множественные слои грубых холстов или нетканых материалов могут быть сначала уложены и сформованы в сухой многоосный грубый холст, например, связанный нитями. Армирующие волокна индивидуальных слоев могут быть выровнены параллельно друг другу, или, альтернативно, могут пересекать друг друга. Как правило, множественные оси устанавливаются под углом 0°, 90°, плюс или минус 25°, плюс или минус 30°, плюс или минус 45° или плюс или минус 60°, а конструктивное решение выбирается так, чтобы получить структуру, симметричную относительно направления нулевой степени. Эти многоосные листы могут быть затем легко обработаны в заготовки.
Во многих случаях многоосные листы могут содержать термопластичный полимерный компонент, плавящийся при относительно низких температурах, например, в форме нитей или в форме полимерного материала, дополнительно наносимого на многоволоконные армирующие нити. Заготовка, таким образом, может быть получена путем плавления этого полимерного компонента с последующим охлаждением заготовки для ее стабилизации.
Использование слоев взаимно параллельных уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей или однонаправленных тканей позволяет получать компоненты из волокнистого композита с заданной адаптацией к нагрузкам, действующим на компонент в приложении, для получения высокой прочности в соответствующих направлениях напряжений. В этом случае, используя многоосные слои или множественные слои однонаправленных тканей, низкие удельные веса могут быть достигнуты путем адаптации плотностей и углов волокон к направлениям напряжений, существующих в компоненте.
Изготовления заготовок важно, чтобы исходные материалы, используемые в этом случае, такие как грубый холст из взаимно параллельных уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей, или однонаправленная ткань, или даже произведенные из них многоосные слои имели достаточную стабильность и формуемость для того, чтобы гарантировать хорошую обрабатываемость и драпируемость.
Патентный документ US 4680213 описывает ткань, которая состоит из армирующих волокон, и форма которой гарантирует хорошую проницаемость. Для того чтобы достичь этого, однонаправленно ориентированные армирующие волокна клейким образом связываются так называемыми связывающими волокнами. Связывающие волокна удерживают армирующие волокна на некотором расстоянии друг от друга. Эти расстояния создают зазоры в ткани, которые могут варьироваться от нескольких миллиметров до пяти миллиметров. Эти зазоры придают ткани проницаемость. Связывающие волокна могут быть изготовлены из плавкого материала (например, полиэстера) или, например, могут иметь структуру ядро–оболочка (высокопрочный волоконный материал, покрытый, например, полиэстером). В патентном документе US 4680213 связывающие волокна используются как в направлении основы, так и в направлении утка, так что получаемая ткань обладает недостаточной драпируемостью благодаря связыванию. Армирующие волокна упомянутого документа не формируют лист уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей, и поэтому прочность ткани уменьшается в результате образования зазоров. В дополнение к этому, диапазон проницаемости в этом документе не упоминается. Установка диапазона проницаемости также вряд ли возможна для ткани процитированного документа, поскольку зазоры в этой ткани всегда проходят на всю длину волокна, что всегда приводит к высокой проницаемости.
Материалы из армирующих волокон с дополнительным нетканым материалом известны из патентного документа EP 1125728, в котором материал должен иметь очень хорошую драпируемость. На Фиг.3 можно заметить, что вспомогательные нити 5 ткутся через слои материала из армирующих волокон. Параграф [0024] патентного документа EP 1125728 раскрывает, что нити из армирующих волокон располагаются параллельно друг другу с интервалом 0,1–5 мм, чтобы улучшить проницаемость для смолы и таким образом упростить пропитку. Следовательно, проницаемость здесь также достигается зазорами между нитями из армирующих волокон, предусмотренными в ткани (а также за счет иглопробивания нетканого материала). Диапазон проницаемости в этом документе не раскрывается. Также этот документ не раскрывает, что вспомогательные нити имеют структуру ядро–оболочка или имеют титр в диапазоне 10–40 текс.
В результате, более хорошая пропитываемость текстильных тканей патентных документов US 4680213 и EP 1125728 достигается за счет зазоров в слоях волокна, которые проходят в направлении волокон. В результате, зазоры создаются в каждом слое волокна по всей длине волокон. Как правило, компоненты, получаемые из этой ткани, имеют таким образом области без материала из армирующих волокон (богатые смолой зоны), которые отрицательно влияют на прочность. В частности, установка диапазонов низкой проницаемости (10–40 л/дм2/мин) не представляется возможной для такого текстиля.
Патентный документ EP 1352118 A1 раскрывает многоосные ткани, в которых слои армирующих волокон удерживаются вместе посредством плавких нитей, которые обеспечивают хорошую формуемость многоосных тканей выше температуры плавления нитей и последующую стабилизацию формы после охлаждения. Зачастую нити делаются из термопластичных полимеров, таких как, например, полиамид или полиэстер, как раскрыто, например, в патентном документе EP 1057605.
Патентный документ US 2005/0164578 раскрывает прекурсор для композитной заготовки, содержащий по меньшей мере один слой ткани из армирующих волокон и включающий по меньшей мере в один из слоев волокна, которые стабилизируют заготовку при воздействии на нее повышенных температур, и которые позже растворяются в матричной смоле, используемой изготовления композитного компонента. Патентный документ WO 02/16481 также раскрывает структуры армирующих волокон, например, для заготовок, содержащие гибкие полимерные элементы, которые, например, вводятся в форме волокон между армирующими волокнами или в виде нитей, соединяющих вместе армирующие волокна. Гибкие полимерные элементы делаются из материала, который является растворимым в используемом отверждаемом матричном материале.
В соответствии с патентным документом DE 19809264 A1, клейкие нетканые материалы из термопластичных полимеров могут быть вставлены между слоями из армирующих волокон, сшитых вместе, в конструкциях из уложенного волокна для раскрытых в этом документе волокнистых заготовок. При нагревании выше температуры плавления полимера, составляющего эти нетканые материалы, эти клейкие расплавы позволяют конструкциям из ткани и волокна деформироваться простым образом в трехмерные структуры, которые сохраняют свою форму после охлаждения практически без восстанавливающих сил.
Патентный документ EP 1473132 относится к многоосной ткани и/или способу изготовления этой многоосной ткани, а также к заготовкам, полученным из этой многоосной ткани. Многоосные слои имеют промежуточные слои из термопластичных волокон между слоями однонаправленных армирующих волокон, причем промежуточные слои нетканого материала из двухкомпонентных волокон или гибридных нетканых материалов могут быть изготовлены из различных волокон, смешанных вместе. Полимер, формирующий промежуточные слои, должен быть совместимым с матричной смолой, впрыскиваемой позже в заготовку. В частности, указано, что промежуточные слои должны быть проницаемыми для инфузии матричной смолы и должны фиксировать армирующие слои во время инфузии смолы и после нее. В случае использования эпоксидных смол нетканые материалы состоят из полиамидных волокон. Нетканые материалы могут быть связаны со слоями армирующих волокон посредством вязаных стежков или посредством адгезии расплава.
Патентный документ EP 1705269 раскрывает волокнистый термопластичный материал из полигидроксиэфира, которое может вставляться, например, в многоосные ткани из армирующих волокон, например, в виде нетканого материала между слоями армирующих волокон. Под влиянием тепла этот материал из полигидроксиэфира становится вязким и липким, так что фиксация армирующих волокон в определенной геометрической компоновке может быть достигнута перед их заливкой в матрицу. Волокнистый материал из полигидроксиэфира затем полностью растворяется в матричном материале при температуре выше его температуры стеклования.
Патентный документ US 2006/0252334 описывает грубые холсты, которые состоят из нескольких слоев армирующих волокон, которые используются для улучшения ударной вязкости компонентов, выполненных из этих слоев, между армирующими слоями, например, нетканые материалы, полученные из полимерных волокон. В этом случае эти полимерные волокна должны быть растворимыми в матричной смоле, что, согласно описанию US 2006/0252334, делает возможным равномерное распределение полимера, формирующего эти волокна, в полимерной матрице по сравнению с плавкими нерастворимыми термопластами.
Поскольку полимерные волокна являются растворимыми в матричном материале в случае патентных документов US 2006/0252334 и EP 1705269, и, следовательно, растворяются матричной смолой во время ее инфильтрации в грубые холсты, надежная фиксация армирующих слоев на этой стадии производства компонента не гарантируется.
Также в патентной литературе описаны подложки в форме монослоев многоволоконных армирующих нитей или однослойных однонаправленных тканей, параллельных друг другу, которые являются подходящими изготовления волокнистых заготовок. Так, патентный документ EP 1408152 описывает подложку в форме однонаправленной ткани, в которой взаимно однонаправленно и параллельно уложенные рядом многоволоконные армирующие нити вплетены во вспомогательные нити, проходящие поперечно этим многоволоконным армирующим нитям. Эти вспомогательные нити могут быть углеродными волокнами, стекловолокнами или органическими волокнами, такими как, например, волокна из арамида, полиамида, PBO, PVA или полиэтилена. Подложки патентного документа EP 1408152 могут также иметь клейкий компонент, например, нейлон или полиэстер, или термореактивную смолу, такую как, например, эпоксидная, фенольная или ненасыщенная полиэфирная смола. Кроме того, первый и второй полимерные компоненты могут прилипать к многоволоконным нитям однонаправленных тканей. Второй полимерный компонент имеет более высокую температуру плавления или температуру начала течения, чем первый полимерный компонент.
Патентный документ EP 2233625 раскрывает подложки в форме монослоев уложенных рядом нитей из армирующих волокон, имеющих криволинейный контур, в которых нити из армирующих волокон скрепляются вспомогательными нитями, пересекающими нити из армирующих волокон в форме уточных нитей. Нейлоновые или стеклянные нити предпочтительно используются в качестве вспомогательных нитей со стеклянными нитями, которые особенно предпочтительно используются из–за того, что они не дают усадки. Для того, чтобы стабилизировать криволинейную форму, полимерный материал, главным компонентом которого является термопластичный полимер, может быть нанесен и связан с подложкой точечным, линейным, прерывистым образом, или в форме нетканого материала.
Хотя патентный документ EP 2233625 уже предлагает подложки, которые имеют когезию и хорошую стабильность даже в случае криволинейных контуров, все еще существует потребность в подложках с улучшенной стабильностью и в то же самое время с высокой драпируемостью, возможностью их автоматизированного производства и автоматизированной обработки в заготовки.
Также сохраняется потребность в способах изготовления однонаправленных тканей, которые одновременно обеспечивали бы улучшенную стабильность и высокую драпируемость, и которые были бы подходящими для автоматизированных способов изготовления.
Настоящее изобретение поэтому имеет своей задачей предложить способ изготовления текстильной однонаправленной ткани, которая обеспечивала бы хорошую стабильность размеров после ее формирования в заготовки, а также хорошую и регулируемую проницаемость к инфильтрации матричных смол. В то же самое время, компоненты, произведенные из этой текстильной однонаправленной ткани, должны обладать высокой прочностью, в частности под давлением, а также высокой ударной вязкостью.
Эта задача решается с помощью способа изготовления текстильной однонаправленной ткани, в которой по меньшей мере один плоский слой взаимно параллельных уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей переплетены друг с другом посредством поперечных нитей, в качестве которых используются поперечные нити со структурой ядро–оболочка, причем оболочка этих поперечных нитей формируется из первого компонента, в то время как второй компонент формирует ядро, причем первый компонент, являющийся плавким термопластичным полимерным материалом, имеет более низкую температуру плавления, чем второй компонент, причем уложенные рядом многоволоконные армирующие нити связываются вместе первым компонентом поперечных нитей посредством его плавления, причем поперечные нити имеют линейную плотность 10–40 текс, измеряемую в соответствии со стандартом EN ISO 2060: 1995, и причем проходы в многоволоконных армирующих нитях, расположенных рядом, могут быть сформированы путем переплетения поперечных нитей с многоволоконными армирующими нитями внутри плоского слоя для того, чтобы получить проницаемость 10–600 л/дм2/мин, измеряемую в соответствии со стандартом EN ISO 9237.
Плоский слой взаимно параллельных уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей означает слой многоволоконных армирующих нитей, смежные нити которого находятся преимущественно в прямом контакте друг с другом внутри одного слоя. Это приводит к плоской нитяной структуре без больших зазоров вдоль ориентации волокна. Зазоры или промежутки возникают только очень локально на пересечениях между многоволоконной армирующей нитью и поперечной нитью, создаваемых при переплетении. Большинство этих зазоров может быть спроектировано так, чтобы они сходились (если это желательно для обеспечения проницаемости) в большой промежуток.
Размер этих зазоров или промежутков может зависеть от выбора тонины поперечной нити, так, чтобы вместе с типом переплетения поперечной нити можно было регулировать проницаемость однонаправленной ткани. Таким образом, пропитываемость однонаправленной ткани может легко регулироваться без уменьшения прочности ткани (и получаемого из нее компонента) или без уменьшения драпируемости.
Промежутки, сформированные с помощью этого способа, образуются локально при переплетении поперечной нити с многоволоконными армирующими нитями, как проиллюстрировано на Фиг.2A. Эти промежутки могут также упоминаться как зазоры или проходы.
Нетканый материал из термопластичного полимерного материала предпочтительно располагается по меньшей мере на одном слое многоволоконных армирующих нитей, и клейким образом связывается с этим плоским слоем многоволоконных армирующих нитей. Связывание нетканого материала с плоским слоем из многоволоконных армирующих нитей предпочтительно выполняется поперечными нитями. Другими словами, первый компонент поперечных нитей приклеивает нетканый материал к слою из многоволоконных армирующих нитей (переплетенных с поперечными нитями) своим расплавом.
Проницаемость может быть отрегулирована (среди прочего) с помощью конкретного переплетения поперечных нитей с многоволоконными армирующими нитями. Целевое переплетение должно пониматься так, что оно в первую очередь не предназначено для соединения поперечных нитей с многоволоконными армирующими нитями.
Описанный способ изготовления однонаправленной ткани является новым по сравнению с исходным изобретением, описанным в международной заявке PCT/EP/2016/070959. Хотя в первоначальной заявке текстильная подложка также могла иметь форму однонаправленной ткани, никакая проницаемость не могла быть задана. Путем переплетения поперечных нитей с многоволоконными армирующими нитями как описано в первоначальной заявке, могла быть достигнута только связь между многоволоконными армирующими нитями и поперечными нитями. С этой целью первоначальная заявка также указывает, что поперечные нити дополнительно приклеиваются к многоволоконным армирующим нитям. Подходящее вплетение или переплетение поперечных нитей, которое привело бы к регулируемой проницаемости, является невозможным. Также первоначальная заявка не описывает однонаправленную ткань, имеющую проницаемость в диапазоне 10–600 л/дм2/мин. Должно быть ясно, что заявленный диапазон проницаемости возникает не просто из–за того, что поперечные нити скреплены с многоволоконными армирующими нитями. Скорее, заявленный диапазон проницаемости является следствием преднамеренного переплетения поперечных нитей с многоволоконными армирующими нитями и целенаправленного выбора диапазона титров поперечных нитей со структурой ядро–оболочка, что выходит за рамки простого прикрепления поперечных нитей к многоволоконным армирующим нитям.
Однонаправленная ткань, произведенная способом в соответствии с настоящим изобретением, имеет (регулируемую) проницаемость и поэтому особенно выгодно адаптируется к последующим способам обработки. Если, например, однонаправленная ткань предназначается изготовления больших компонентов, одна или более из этих однонаправленных тканей объединяются с матричной системой для формирования заготовки. С этой целью одна или более однонаправленных тканей вставляются в так называемую заготовку, а затем формуются в заготовку посредством матричного материала, например, с помощью вакуумного способа (VAP), модифицированного способа вакуумной инфузии MVI или способа вакуумной инфузии смолы (VaRTM). Описанные способы могут быть использованы только из–за регулируемой проницаемости однонаправленной ткани. Например, в способе VAP проницаемость однонаправленной ткани приводит к тому, что под давлением происходит выход захваченного воздуха и газа, и полная инфильтрация матричной системы в однонаправленную ткань позволяет избежать недостатков в более поздней заготовке. Следует понимать, что могут быть желательны различные проницаемости однонаправленной ткани в зависимости от выбранной матричной системы и однонаправленной ткани, а также в зависимости от более поздних требований к однонаправленной ткани. Например, при использовании жидкого матричного материала с высокой текучестью проницаемость однонаправленной ткани может быть намеренно установлена низкой, например, для достижения намеренно более медленного проникновения матричного материала в однонаправленную ткань. Низкая проницаемость – это проницаемость в диапазоне 10–40 л/дм2/мин. В случае однонаправленных тканей с низкой проницаемостью воздух и газ могут выходить при изготовлении за более длительное время. В частности, в способах изготовления без мембраны для извлечения газа риск возникновения дефектов (участков без матричного материала) уменьшается в волокнистой заготовке, изготовленной из однонаправленной ткани.
Средняя проницаемость находится в диапазоне 40–80 л/дм2/мин, а высокая проницаемость понимается как значение проницаемости больше чем 80 л/дм2/мин, более предпочтительно больше чем 100 л/дм2/мин.
Предпочтительно посредством сильно регулируемой проницаемости время инфузии может быть сокращено в 6–15 раз, что означает экономию времени изготовления заготовок в диапазоне часов.
Кроме того, регулируемая проницаемость также влияет на пути потока при изготовлении заготовок. Например, при высокой проницаемости использование вспомогательных материалов, таких как агенты для повышения текучести или каналы, может быть уменьшено или даже полностью исключено.
Предпочтительно в однонаправленной ткани проницаемость 25–600 л/дм2/мин, более предпочтительно, 50–600 л/дм2/мин, может быть установлена путем переплетения многоволоконных армирующих нитей и поперечных нитей.
Еще более предпочтительно промежутки формируются по существу только в точке связывания многоволоконной армирующей нити и поперечной нити. В результате образуются только очень ограниченные локальные индивидуальные промежутки, которые по существу не проходят в направлении длины нити или присутствуют, например, по всей длине нити. Однако, в зависимости от задаваемой проницаемости, переплетение поперечной нити может быть выбрано так, чтобы мог образоваться большой непрерывный промежуток, проходящий вдоль длины нити. Локально ограниченные (не являющиеся непрерывными) промежутки не образуют областей без нитей в направлении прохождения нити, которое соответствует направлению прохождения нити на всю длину нити (или ее длинных участков) в направлении прохождения нити. В предшествующем уровне техники такие области не содержат армирующей нити в более позднем компоненте, и могут иметь только матричный материал, который может уменьшать прочность.
Упомянутый по меньшей мере один плоский слой многоволоконных армирующих нитей, расположенных параллельно друг другу (без переплетения с поперечными нитями) образует однонаправленный грубый холст. В контексте настоящего изобретения однонаправленный грубый холст означает компоновку по меньшей мере одного плоского листового слоя взаимно параллельных многоволоконных армирующих нитей, в котором все армирующие нити ориентированы в одном направлении. Переплетение поперечных нитей в этом положении многоволоконных армирующих нитей приводит к получению однонаправленной ткани. Для целей настоящего изобретения должно быть понятно, что однонаправленный грубый холст представляет собой однонаправленную ткань.
Взаимно параллельные уложенные рядом многоволоконные армирующие нити ткутся вместе, чтобы сформировать однонаправленную ткань на поперечных нитях, и одновременно связываются с поперечными нитями посредством адгезии расплава. В случае этих однонаправленных тканей армирующие нити, которые формируют соответствующий слой и расположены параллельно и смежно друг к другу, соединяются друг с другом цепочками свободных связующих нитей (поперечных нитей), которые проходят по существу поперек армирующих нитей. Такие однонаправленные ткани описаны, например, в патентных документах EP 0193479 B1, EP 0672776 или EP 2233625. Предпочтительно однонаправленный грубый холст из многоволоконных армирующих нитей имеет один лист из взаимно параллельных многоволоконных армирующих нитей, которые расположены рядом друг с другом.
Однонаправленная ткань, произведенная этим способом, обладает большим запасом устойчивости против смещения армирующих нитей друг относительно друга, как в продольном направлении армирующих нитей, так и в поперечном. Это связано, с одной стороны, с тем, что в одном варианте осуществления нетканый материал из термопластичного полимера клейким образом связывается со слоем многоволоконных армирующих нитей. С другой стороны, поперечные нити типа ядро–оболочка обеспечивают дополнительно стабилизацию, поскольку первый расплавленный термопластичный полимерный материал, образующий оболочку, имеет более низкую температуру плавления, чем второй компонент, формирующий ядро, что приводит к тому, что уложенные рядом многоволоконные армирующие нити соединяются друг с другом посредством связывания расплавом.
В то же самое время, более тугоплавкий компонент ядра придает однонаправленной ткани достаточную поперечную устойчивость даже при более высоких температурах, таких как те, с которыми сталкиваются во время отверждения матричных смол в получении композитных компонентов из однонаправленной ткани, как при сжатии, так и при возможном удлинении.
Настоящую однонаправленную ткань лучше всего использовать для изготовления волокнистых заготовок путем укладки одного или нескольких слоев однонаправленной ткани в соответствии с требованиями прочности композитного компонента, который должен быть окончательно изготовлен и, например, введен в форму. В результате хорошей драпируемости этой однонаправленной ткани могут быть произведены волокнистые заготовки с криволинейными контурами. Уложенные слои однонаправленной ткани могут быть затем соединены друг с другом, например, с помощью кратковременного увеличения температуры и последующего охлаждения нетканого материала или компонента оболочки поперечных нитей, то есть для достижения фиксации так, чтобы была получена устойчивая и управляемая волокнистая заготовка.
Специалистам в данной области техники понятно, что проницаемость может регулироваться различными факторами. Проницаемость в способе в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно регулируется в соответствии с типом переплетения между многоволоконными армирующими нитями и выбранной линейной плотностью поперечных нитей. В этом случае особенно предпочтительно, чтобы поперечные нити, формирующие текстильную однонаправленную ткань, были переплетены с многоволоконными армирующими нитями саржевым или гладким переплетением.
Переплетение поперечных нитей с многоволоконными армирующими нитями предпочтительно происходит посредством саржевого переплетения 3/1 с плотностью 0,6–3 нитей/см, предпочтительно 0,8 нитей/см, саржевого переплетения 3/1 с плотностью 0,6–3,0 нитей/см, предпочтительно 1,1 нитей/см, саржевого переплетения 2/1 с плотностью 0,6–3,0 нитей/см, предпочтительно 1,1 нитей/см, гладкого переплетения 1/1 с плотностью 0,6–3,0 нитей/см, предпочтительно 1,1 нитей/см и/или гладкого переплетения 1/1 с плотностью 0,6–3,0 нитей/см.
При изготовлении однонаправленной ткани готовая однонаправленная ткань может также иметь различные типы связывания в различных областях ткани. В результате однонаправленная ткань может иметь, например, частичные области с более высокой проницаемостью и частичные области с более низкой проницаемостью. Таким образом, например, можно также локально управлять скоростью проникновения матричной системы при получении заготовки из однонаправленной ткани.
В дополнение к этому к типу связи между поперечными нитями и многоволоконными армирующими нитями, сами нити и/или поперечное сечение многоволоконных армирующих нитей также может влиять (в меньшей степени) на проницаемость однонаправленной ткани. Многоволоконные армирующие нити предпочтительно имеют форму ленточных нитей. Ленточная нить означает нить, поверхность которой в поперечном направлении существенно больше ее толщины, перпендикулярной к направлению распространения нити. Поперечные нити предпочтительно являются нитями с круглым поперечным сечением.
Предпочтительно титр поперечной нити находится в диапазоне 15–35 текс, более предпочтительно в диапазоне 20–25 текс при измерении в соответствии со стандартом EN ISO 2060: 1995.
Хотя на проницаемость могут влиять несколько факторов, следует понимать, что тип связывания (переплетения) и титр поперечной нити, по–видимому, оказывают наибольшее влияние на проницаемость. На формирование промежутка в однонаправленной ткани влияет как связывание, так и плотность утка в однонаправленной ткани. Однонаправленная ткань становится более открытой. Увеличенное количество верхних и нижних нитей в конечном счете приводит к большому количеству малых промежутков (проходов или зазоров) внутри однонаправленной ткани, которые действуют как каналы для потока, и таким образом обеспечивают лучшее поведение при пропитке. В некоторых случаях переплетение и титр поперечной нити также могут быть выбраны так, чтобы множество малых промежутков образовывало большой промежуток. Удивительно поэтому, что проницаемость может регулироваться в широком диапазоне и адаптироваться к различным требованиям.
Неожиданно было дополнительно найдено, что выбор поперечной нити с титром больше чем 40 текс отрицательно влияет на однонаправленную ткань. С одной стороны, при этом возникает значительная волнистость в рисунке нити слоев однонаправленной ткани, а другой стороны промежутки становятся непреднамеренно большими в направлении, поперечном к направлению протяженности нити. Такие большие промежутки в поперечном направлении приводят к образованию в компоненте богатых смолой зон, не содержащих армирующих волокон (что может привести к потере прочности в более позднем компоненте).
В способе изготовления однонаправленной ткани, чем плотнее поперечная нить ткется с многоволоконными армирующими нитями, тем выше становится проницаемость однонаправленной ткани. Это может быть объяснено тем фактом, что любое переплетение поперечной нити с многоволоконной армирующей нитью приводит к образованию прохода или зазора (промежутка) внутри однонаправленной ткани в той точке (точке связывания), в которой поперечная нить переплетается с многоволоконной армирующей нитью. Поперечная нить минимально смещает многоволоконную армирующую нить локально для формирования промежутка. Через этот проход или зазор матричная система может позже протекать через однонаправленную ткань. Таким образом создаются уже описанные промежутки. Таким образом, чем более тесно переплетена поперечная нить с многоволоконными армирующими нитями, тем больше промежутков образуется в однонаправленной ткани и тем выше проницаемость.
Однако титр поперечной нити также влияет на проницаемость, поскольку промежутки тем больше, чем больше выбранный титр поперечной нити. Однако следует отметить, что слишком высокий титр (больше чем 40 текс) не только приводит к большому промежутку, но и вызывает нежелательную волнистость слоя многоволоконных армирующих нитей. Такая волнистость является нежелательной, потому что она ухудшает прочность ткани и ее удобообрабатываемость. В дополнение к этому, чрезмерно большие промежутки приводят к образованию областей без нитей внутри слоя многоволоконных армирующих нитей, что оказывает негативное влияние на прочность однонаправленной ткани и последующего компонента (получаемого из этой однонаправленной ткани). Поскольку в настоящем изобретении титр поперечной нити не должен составлять больше чем 40 текс, в то время как поперечная нить также имеет структуру ядро–оболочка, промежутки обычно не приводят к образованию областей без волокон даже в случае плотного переплетения, а высокие титры поперечной нити в последующем компоненте делают такие зоны небольшими. Причина этого заключается в том, что при пропитке матричной смолой изготовления компонента, первый компонент поперечного волокна (имеющий низкую температуру плавления) плавится во время инфильтрации, сокращая таким образом промежуток через некоторое время после инфильтрации матрицы.
В результате проницаемость регулируется посредством переплетения поперечных нитей с многоволоконными армирующими нитями, а также выбранного титра поперечной нити, причем только специально выбранная область является предпочтительной для титра поперечной нити, в то время как поперечная нить должна присутствовать как нить типа ядро–оболочка.
Как уже было указано, первый компонент, составляющий оболочку поперечных нитей, имеет более низкую температуру плавления, чем второй компонент, составляющий ядро. Предпочтительно температура плавления первого компонента поперечных нитей находится в диапазоне 70–150°C, и более предпочтительно в диапазоне 80–120°C. Первый компонент может быть полимером или смесью полимеров, температура плавления которой находится в этом диапазоне. Первый компонент особенно предпочтительно является гомополимером полиамида или сополимером полиамида, или смесью гомополимеров полиамида и/или сополимеров полиамида. Из этих полимеров наиболее подходящими являются полиамид 6, полиамид 6.6, полиамид 6.12, полиамид 4.6, полиамид 11, полиамид 12 или полимер на основе полиамида 6/12.
Аналогичным образом предпочтительно, чтобы второй компонент поперечных нитей имел температуру плавления выше 200°C. Особенно предпочтительно, чтобы второй компонент был стеклом или полиэстером, поскольку эти материалы предлагают низкую усадку и низкое удлинение при температурах, преобладающих в композитном компоненте во время изготовления.
В настоящей однонаправленной ткани многоволоконные армирующие нити могут быть обычными армирующими волокнами или нитями, используемыми для изготовления армированных волокном композитов. Предпочтительно многоволоконные армирующие нити представляют собой углеродное волокно, стекловолокно или нити арамида, или ультравысокомолекулярные (UHMW) полиэтиленовые нити, и более предпочтительно нити из углеродного волокна. В одном выгодном варианте осуществления многоволоконные армирующие нити присутствуют в однонаправленной ткани с основным весом 50–500 г/м2. Особенно выгодным является основной вес в диапазоне 100–300 г/м2. Предпочтительно многоволоконные армирующие нити состоят из 500–50000 непрерывных элементарных армирующих волокон. Для того, чтобы достичь особенно хорошей драпируемости и особенно однородного внешнего вида однонаправленной ткани, многоволоконные армирующие нити особенно предпочтительно состоят из 6000–24000 непрерывных элементарных упрочняющих волокон.
Предпочтительно многоволоконная армирующая нить представляет собой нить из углеродного волокна, имеющую прочность по меньшей мере 5000 МПа и модуль упругости при растяжении по меньшей мере 260 ГПа, измеряемые в соответствии со стандартом JIS–R–7608. Что касается используемых нитей из углеродного волокна, можно упомянуть неопубликованную японскую заявку с регистрационным номером JP 2017–231749.
Например, поперечные нити могут проходить внутри однонаправленной ткани под прямым углом к многоволоконным армирующим нитям. Однако возможен также любой другой угол между поперечными нитями и многоволоконными армирующими нитями.
Например, в способе изготовления нетканого материала нетканый материал может представлять собой ткань из короткого штапельного флиса или штапельного волокна или нетканый материал из непрерывного волокна, которое необходимо уплотнить, например, под воздействием температуры и давления, причем эти волокна плавятся в точках контакта и тем самым формируют нетканый материал. Как уже было указано, соединение многоволоконных армирующих нитей достигается нетканым материалом с одной стороны. При этом получается хорошая драпируемость. Нетканый материал может, например, быть также нетканым материалом из стеклянного или углеродного волокна, который затем клейким образом связывается посредством клейкого вещества с плоским слоем многоволоконных армирующих нитей.
Нетканый материал предпочтительно состоит из термопластичного полимерного материала. Такие нетканые материалы раскрыты, например, в патентных документах DE 3535272 C2, EP 0323571 A1, US 2007/0202762 A1 или US 2008/0289743 A1. При подходящем выборе термопластичного полимерного материала нетканый материал может действовать как агент повышения ударной прочности, и тогда дополнительные модификаторы не должны добавляться к матричному материалу в производстве композитных компонентов. Нетканый материал должен обладать достаточной стабильностью во время инфильтрации матричного материала в волокнистые заготовки, изготовленные из однонаправленной ткани, но предпочтительно должен плавиться при последующих температурах прессования и/или отверждения. Следовательно, предпочтительно, чтобы термопластичный полимерный материал, составляющий нетканую ткань, имел температуру плавления в диапазоне 80–250°C. Например, для приложений, в которых в качестве матричных материалов используются эпоксидные смолы, нетканые материалы из полиамида оказались полезными.
В одном предпочтительном варианте осуществления нетканый материал содержит первый и второй полимерные компоненты, температура плавления которых ниже температуры плавления или разложения второго компонента поперечных волокон, причем второй полимерный компонент имеет более низкую температуру плавления, чем первый полимерный компонент. В этом случае особенно предпочтительным первым полимерным компонентом является компонент, нерастворимый в эпоксидных, цианатно–эфирных или бензоксазиновых матричных смолах или в смесях этих матричных смол. Особенно выгодно, чтобы температура плавления первого полимерного компонента была по меньшей мере столь же высокой, что и температура вулканизации матричных смол.
В качестве первого полимерного компонента предпочтительно используемых нетканых материалов могут быть использованы обычные полимеры, которые могут быть переработаны в термопластичные волокна, при условии, что они удовлетворяют вышеуказанным условиям, например, полиамиды, полиимиды, полиамидимиды, сложные полиэфиры, полибутадиены, полиуретаны, полипропилены, полиэфиримиды, полисульфоны, полиэфирсульфоны, полифениленсульфоны, полифениленсульфиды, полиэфиркетоны, полиэфирэфиркетоны, полиариламиды, поликетоны, полифталамиды, полифениленовые эфиры, полибутилентерефталаты или полиэтилентерефталаты или сополимеры или смеси этих полимеров. Первый полимерный компонент нетканого материала особенно предпочтительно является гомополимером полиамида или сополимером полиамида, или смесью гомополимеров полиамида и/или сополимеров полиамида. В частности, гомополимером или сополимером полиамида являются полиамид 6, полиамид 6.6, полиамид 6.12, полиамид 4.6, полиамид 11, полиамид 12 или сополимер на основе полиамида 6/12. Предпочтительно первый полимерный компонент нетканой ткани имеет температуру плавления в диапазоне 180–250°C.
В одном выгодном варианте осуществления второй полимерный компонент нетканой ткани имеет температуру плавления в диапазоне 80–140°C. Для второго полимерного компонента нетканого материала можно использовать обычные полимеры, температура плавления которых находится в этом диапазоне, такие как, например, гомополимеры или сополимеры полиамидов с низкой температурой плавления, а также смеси этих полимеров, полиолефины, в частности полиэтилены (например, PE–LLD, PE–HD), сополиэфиры, этилен–винилацетаты, терполимеры, например сополимеры акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS), или полигидроксиэфир.
В этом случае в предпочтительном варианте осуществления второй полимерный компонент может быть растворимым в эпоксидных, цианатно–эфирных или бензоксазиновых матричных смолах или в смесях этих матричных смол. Кроме того, в этом случае особенно выгодно, чтобы второй полимерный компонент представлял собой полимер, который химически реагирует с эпоксидными, цианатно–эфирными или бензоксазиновыми матричными смолами при сшивке этих матричных смол. Второй полимерный компонент в этом случае особенно предпочтительно представляет собой полигидроксиэфир многоатомного спирта, который уже присутствует, в частности в эпоксидных, цианатно–эфирных или бензоксазиновых смолах, во время пропитки этими матричными смолами волокнистой заготовки, полученной из настоящей однонаправленной ткани, то есть во время выполнения способа полимерной инфузии, и полностью растворяется в полимерной системе, формируя матричную полимерную систему наряду с матричной смолой. Первый полимерный компонент, однако, растворяется, как уже было указано, не в матричной системе и остается во время и после выполнения способа полимерной инфузии, а также после отверждения матричной системы в виде отдельной фазы.
В соответствии с аналогично предпочтительным вариантом осуществления второй полимерный компонент является нерастворимым в эпоксидных, цианатно–эфирных или бензоксазиновых матричных смолах или в смесях этих матричных смол. В этом случае второй полимерный компонент нетканого материала может быть, например, легкоплавким гомополимером или сополимером полиамида или их смесями, или полиолефином, в частности полиэтиленом (например, PE–LLD, PE–HD), сополиэфиром, этиленвинилацетатом или терполимером, например, сополимерами акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABS).
В нетканых материалах с первым и вторым полимерным компонентом особенно выгодно, когда температура плавления первого полимерного компонента нетканого материала находится в диапазоне 180–250°C, в то время как температура плавления второго полимерного компонента нетканого материала находится в диапазоне 80–140°C.
Первый полимерный компонент особенно предпочтительно плавится выше температуры вулканизации используемой матричной смолы. Таким образом, хотя первый полимерный компонент включается в матричный материал, он всегда формирует свою собственную фазу в вулканизированной матричной смоле. Эта отдельная фаза, формируемая первым полимерным компонентом, помогает вулканизации, и в последующем компоненте способствует ограничению распространения трещин, и таким образом способствует или является крайне важной для увеличения ударной прочности.
Когда нетканый материал имеет первый тугоплавкий полимерный компонент и второй легкоплавкий полимерный компонент во время изготовления волокнистой заготовки, тогда подвижность однонаправленной ткани друг относительно друга может быть достигнута при нагревании до температуры выше температуры плавления второго полимерного компонента, но ниже температуры плавления первого полимерного компонента. Расплавленный второй компонент нетканого материала действует как своего рода смазочный материал, так что слои армирующих нитей во время формирования заготовки могут скользить в желаемое положение. Когда заготовка охлаждается, второй полимерный компонент действует как термоклей и фиксирует армирующие слои в их положении.
При последующей пропитке волокнистой заготовки матричной смолой, которая обычно происходит при температурах выше температуры плавления второго компонента, но ниже температуры плавления первого компонента, хорошая проницаемость для матричной смолы обеспечивается тугоплавким первым полимерным компонентом нетканого материала. Если второй полимерный компонент в соответствии с одним из вышеупомянутых предпочтительных вариантов осуществления является растворимым в матричной смоле, то этот компонент предпочтительно полностью растворяется в матричной смоле, и таким образом теряет свою идентичность как фазы, отдельной от матричной смолы. Следовательно, доля второго полимерного компонента, таким образом, относится к матричному материалу, в то время как доля матричной смолы, подлежащей инфильтрации, может быть уменьшена на долю второго полимерного компонента. В результате могут поддерживаться высокие объемные доли армирующих волокон в получаемом компоненте, и таким образом механическая прочность может поддерживаться на высоком уровне. При температуре вулканизации матричной смолы, то есть эпоксидной, цианатно–эфирной или бензоксазиновой смолы, в одном особенно предпочтительном варианте осуществления, второй полимерный компонент химически реагирует с отверждаемой матричной смолой посредством реакции сшивки, и становится неотъемлемой частью однородной матрицы.
Когда второй полимерный компонент не является растворимым в эпоксидных, цианатно–эфирных или бензоксазиновых матричных смолах или в смесях этих матричных смол, первый полимерный компонент также служит для подвижности слоев подложки друг относительно друга, как было обсуждено выше, так, чтобы слои армирующих нитей во время формирования заготовки могли скользить в желаемое положение, а затем при охлаждении заготовки может действовать как термоклей, который фиксирует армирующие слои в их положении. Однако после инфильтрации матричной смолы и ее последующего отверждения его идентичность в качестве отдельной фазы по отношению к матричной смоле сохраняется, так что в этом случае второй полимерный компонент, а также первый полимерный компонент, уменьшают распространение трещин, например, способствуют улучшению ударопрочности.
В предпочтительном случае, когда нетканый материал имеет первый полимерный компонент с более высокой температурой плавления и второй полимерный компонент с более низкой температурой плавления, нетканый материал может состоять из смеси однокомпонентных волокон из соответствующих полимерных компонентов, то есть может быть гибридным нетканым материалом. Однако нетканый материал также может быть изготовлен из двухкомпонентных волокон, например, волокон типа ядро–оболочка, в которых ядро волокон состоит из тугоплавкого первого полимерного компонента, а оболочка – из легкоплавкого второго полимерного компонента. При обработке однонаправленной ткани такими гибридными неткаными или двухкомпонентными неткаными материалами для формирования волокнистых заготовок эти заготовки, например, также требуют деформации однонаправленной ткани при подходящем нагревании при температурах выше точки плавления легкоплавкого компонента нетканого материала, но ниже точки плавления тугоплавкого компонента нетканого материала, чтобы достичь хорошей деформируемости и хорошей стабилизации и фиксации деформированной ткани после охлаждения. Подобно нетканому материалу из двухкомпонентных волокон, нетканый материал может также состоять, например, из случайного слоя волокон из первого полимерного компонента, тогда как второй полимерный компонент наносится, например, путем напыления или покрытия, на волокна из первого полимерного компонента. Покрытие может быть выполнено, например, посредством пропитки дисперсией или раствором второго полимерного компонента, после чего жидкая фракция дисперсии или растворитель удаляются. Нетканый материал из волокон первого полимерного компонента также может содержать второй полимерный компонент в форме мелких частиц, расположенных между волокнами из первого полимерного компонента.
Предпочтительно нетканый материал, содержащий первый и второй полимерные компоненты, является гибридным нетканым материалом, то есть нетканым материалом из смеси однокомпонентных волокон, имеющих различные температуры плавления. Как уже было указано, особенно предпочтительно, чтобы первый полимерный компонент с более высокой температурой плавления имел температуру плавления в диапазоне от 180 до 250°C. При таких температурах часть нетканого материала, состоящая из первого полимерного компонента, плавится только выше температур, обычно встречающихся при впрыскивании матричной смолы. Таким образом, поскольку первый полимерный компонент не плавится при температуре впрыскивания смолы, на данной стадии обеспечивается хорошая стабильность размеров однонаправленной ткани.
Что касается свойств композитных компонентов, изготовленных с использованием настоящих однонаправленных тканей, в частности относительно их ударной вязкости и содержания в них матрицы, предпочтительно, чтобы нетканый материал содержал первый полимерный компонент в количестве 60–80 мас.%, а второй полимерный компонент – в количестве 20–40 мас.%. В целом предпочтительно, чтобы нетканый материал, присутствующий в однонаправленной ткани, имел основной вес в диапазоне 3–25 г/м2, и, особенно предпочтительно, 5–15 г/м2.
Этот нетканый материал предпочтительно имеет толщину, измеряемую в соответствии со стандартом DIN EN ISO 9073–2 перпендикулярно к главному направлению нетканого материала, менее 60 мкм, более предпочтительно, менее 30 мкм, и, особенно предпочтительно, в диапазоне 10–30 мкм.
В частности в тех случаях, когда нетканый материал однонаправленной ткани имеет только тугоплавкий полимерный компонент, то есть, например, только полимерный компонент, температура плавления которого находится в диапазоне 180–250°C, однонаправленная ткань в одном предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере одна из поверхностей листа из многоволоконных армирующих нитей, дополнительно содержит нити из связующего вещества, главным компонентом которого является термопластичный полимер или эпоксидная смола на основе бисфенола А, которая является твердой при комнатной температуре и которая прерывисто наносится на слой листа из многоволоконных армирующих нитей и клейким образом связывается с многоволоконными армирующими нитями. Прерывистое нанесение означает, что связующее вещество наносится точечно, линейно или любым другим способом на поверхность без образования сплошного слоя связующего вещества. Предпочтительно, связующее вещество присутствует в концентрации 1–5 мас.% по основному весу многоволоконных армирующих нитей.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления однонаправленной ткани связующее вещество может быть основано на порошкообразном материале и наносится точечно на плоский слой из многоволоконных армирующих нитей. Это может быть достигнуто путем распыления порошкообразного связующего материала на поверхность слоя из многоволоконных армирующих нитей, расположенных параллельно друг другу, и фиксации его на поверхности путем плавления.
В качестве термопластичных полимеров для связующего вещества предпочтительно могут использоваться поливинилацетат, поликарбонат, полиацеталь, полифениленоксид, полифениленсульфид, полиаллилат, полиэстер, полиамид, полиамидимид, полиимид, полиэфиримид, полисульфон, полиэфирсульфон, полиэфирэфиркетон, полиарамид, полибензоимидазол, полиэтилен, полипропилен или ацетилцеллюлоза.
Температура плавления связующего вещества предпочтительно находится в диапазоне 80–120°C. Связующее вещество может само по себе иметь задачу соединения последовательных слоев однонаправленной ткани при изготовлении волокнистых заготовок путем нагревания до температуры выше температуры плавления связующего вещества и последующего охлаждения вместе для того, чтобы прикрепить их друг к другу. В дополнение к этому, связующее вещество может способствовать стабилизации волокнистой заготовки, например, деформации слоев однонаправленной ткани при формировании волокнистой заготовки. И наконец, также возможно, что связующее вещество может быть выбрано так, чтобы способствовать улучшению механических свойств композитного компонента, изготовленного из волокнистой заготовки, например, улучшению ударной прочности компонента. Для этой цели выгодно, чтобы связующее вещество представляло собой термопластичный материал, имеющий высокую ударную вязкость, или смесь такого термопластичного полимера с эпоксидной смолой на основе бисфенола А, которая является твердой при комнатной температуре.
Благодаря ее конкретной структуре, однонаправленная ткань характеризуется хорошей драпируемостью и фиксируемостью слоев подложки в волокнистой заготовке или в заготовке, а также хорошей и регулируемой проницаемостью при пропитке матричной смолой для изготовления компонентов заготовки, а также в компонентах, обеспечивая высокую механическую прочность и высокую ударопрочность. Следовательно, настоящее изобретение в частности относится также к волокнистой заготовке или заготовке изготовления композитного компонента, который содержит однонаправленную ткань в соответствии с настоящим изобретением.
За счет объединения многоволоконных армирующих нитей с поперечными нитями, опционально с нетканым материалом и опционально со связующим веществом в форме клейкого соединения, однонаправленная ткань получает высокую степень стабильности размеров, поскольку превосходное связывание многоволоконных армирующих нитей друг с другом получается с помощью клейких связей. Таким образом, также могут быть получены не только однонаправленные ткани, в которых многоволоконные армирующие нити имеют прямолинейную форму смежно и параллельно друг другу, но и однонаправленные ткани, имеющие криволинейную форму. Следовательно, предпочтительный вариант осуществления относится к однонаправленной ткани, в которой по меньшей мере один плоский слой взаимно параллельных уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей имеет криволинейный контур, в котором многоволоконные армирующие нити располагаются параллельно направлению вдоль окружности криволинейного контура, и каждая многоволоконная армирующая нить независимо следует за связанной траекторией направления этого криволинейного контура, в то время как траектории всех многоволоконных армирующих нитей имеют общий центр кривизны.
В такой однонаправленной ткани, имеющей криволинейную форму или контур, многоволоконные армирующие нити проходят параллельно направлению (направлению 0°) вдоль направления этого криволинейного контура. В отличие от слоев, в которых многоволоконные армирующие нити расположены смежно и параллельно друг другу и являются прямолинейными, многоволоконные армирующие нити в однонаправленной ткани, имеющей криволинейный контур, также располагаются смежно и параллельно друг другу, но на разных криволинейных траекториях, имеющих общий центр кривизны. Поперечные нити здесь также проходят в направлении, пересекающем многоволоконные армирующие нити и поперек них. Этот криволинейный контур удерживается благодаря высокой размерной стабильности и в результате конкретной конфигурации настоящей однонаправленной ткани, в частности поперечными нитями со структурой ядро–оболочка из двух компонентов, а также на последующих стадиях обработки волокнистой заготовки или композитного компонента. В этом случае дополнительная стабилизация получается в однонаправленных тканях, которые имеют нетканый материал, и в которых этот нетканый материал из термопластичного полимерного материала содержит первый полимерный компонент и второй полимерный компонент, имеющие описанные выше свойства.
Еще одна цель настоящего изобретения относится к волокнистой заготовке для изготовления композитных компонентов, которая изготавливается с помощью описанной выше текстильной однонаправленной ткани.
Далее настоящее изобретение будет описано посредством экспериментов и чертежей.
Фиг.1 схематично показывает однонаправленную ткань с саржевым переплетением 3/1 с плотностью 0,8 нитей на см. Фиг.1A показывает вид такой ткани.
Фиг.2 схематично показывает однонаправленную ткань. Фиг.2A схематично показывает вид однонаправленной ткани с гладким переплетением 1/1 и плотностью 3,0 нитей на см. Фиг.2B схематично показывает подробный вид образования промежутков в однонаправленной ткани.
Фиг.1 показывает схематический вид однонаправленной ткани 1 с саржевым переплетением 3/1 с плотностью 0,8 нитей на см. Многоволоконная армирующая нить 2 имеет вид ленты. Поперечные нити 3 переплетаются с многоволоконными армирующими нитями 2 в направлении стрелки B, причем это переплетение не способствует значительной стабилизации однонаправленной ткани 1. Однонаправленная ткань 1 стабилизируется путем склеивания поперечных нитей 3 с многоволоконными армирующими нитями 1.
Фиг.1A показывает вид однонаправленной ткани 1 в соответствии с Фиг.1. На этом виде промежутки 4 могут быть представлены, поскольку в местах расположения промежутков 4 свет проходит через однонаправленную ткань 1 и становится видимым в виде ярких полос. Многоволоконные армирующие нити 2 проходят вдоль стрелки A. Многоволоконные армирующие нити 2 смещаются в точках связывания с поперечными нитями 3, так что образуются промежутки 4. Некоторые из промежутков 4 могут формировать большой промежуток, если это желательно для проницаемости. Однако Фиг.1A ясно показывает, что промежутки 4 могут присутствовать в однонаправленной ткани 1 только очень локально. В частности, это позволяет задать низкую проницаемость или задать области с различной проницаемостью в пределах однонаправленной ткани 1.
Фиг.2 схематично показывает рисунок расположения многоволоконных армирующих нитей 2 однонаправленной ткани 1. На этой иллюстрации единственный слой однонаправленной ткани 1 показан с некоторого расстояния, с которого промежутки 4 не видны.
Фиг.2A схематично показывает одно переплетение многоволоконной армирующей нити 2 с поперечной нитью 3. За счет поперечных нитей 3, с которыми была сплетена многоволоконная армирующая нить 2, в однонаправленной ткани 1 точке связывания образуются промежутки 4 (или проходы, или зазоры), через которые матричный материал может протекать в однонаправленную ткань 1. Проницаемость однонаправленной ткани может регулироваться количеством промежутков 4 в однонаправленной ткани 1. Количество промежутков 4 в однонаправленной ткани 1 может особенно хорошо регулироваться на основе связывания во время переплетения поперечных нитей 3 с многоволоконными армирующими нитями 2 и выбора титра поперечной нити. Посредством выбора титра поперечной нити многоволоконная армирующая нить 2 слегка смещается в слое многоволоконных армирующих нитей, образуя одиночный промежуток 4. Промежуток 4 не проходит вдоль направления нити (стрелка A) на протяжении большей части длины нити. Вместо этого промежутки 4 образуются только очень локально в точке связывания между многоволоконной армирующей нитью 2 и поперечной нитью 3.
Фиг.2B схематично показывает однонаправленную ткань 1 в прозрачном виде с гладким переплетением 1/1 и плотностью 3,0 нитей на см. В данном случае промежутки 4 были соединены в большие промежутки для того, чтобы достичь высокой проницаемости. Однако поскольку в качестве поперечной нити 3 используется нить типа ядро–оболочка, слой, пропитанный матричной смолой, может снова иметь только небольшие промежутки 4, несмотря на большие промежутки, показанные на прозрачном виде. Этот эффект может быть достигнут за счет плавления первого компонента поперечной нити 3 во время инфильтрации и таким образом закрытия промежутка 4. В таком случае многоволоконная армирующая нить 2 может быть снова сдвинута назад так, чтобы промежуток 4 стал меньше.
Связывание посредством переплетения на Фиг.1 значительно меньше, чем связывание посредством переплетения на Фиг.2. Таким образом, Фиг.1 показывает менее плотное тканое однонаправленное переплетение 1, чем на Фиг.2. Однако ясно видно, что в однонаправленном переплетении 1 на Фиг.2 образуется большее количество промежутков 4, а также большие (более длинные) промежутки, чем в однонаправленной ткани на Фиг.1. В результате слабая связь приводит к более низкой проницаемости, чем прочная связь (что достигается путем переплетения поперечной нити 3 с многоволоконными армирующими нитями 2).
Задание различных проницаемостей будет описано более подробно посредством примеров.
Нити Tenax© E IMS65 E23 24 K 830 текс использовались во всех тестах в качестве многоволоконной армирующей нити для конструкции однонаправленной ткани, и они имели плоское поперечное сечение размером приблизительно 7 мм (так называемые ленточные нити). Заданный поверхностный вес волокна приводит к ширине ленты около 3 мм в однонаправленной ткани.
Все тесты выполнялись без дополнительного нетканого материала на однонаправленной ткани (UD). Возможный нетканый материал может быть настолько открытым структурно, чтобы он не оказывал никакого влияния на проницаемость.
Для изготовления однонаправленной ткани многоволоконные армирующие нити переплетались с поперечными нитями. В Примере 1 одинаковые типы связи, но с различными плотностями уточной нити были выбраны для однонаправленных тканей UD 2 и UD 3 (см. Таблицу 1). В Примере 2 ткани UD 4 и UD 3, а также UD 5 и UD 6 отличались титром используемой уточной нити (Таблица 2). Следующие нити использовались для поперечных нитей:
1. 20 текс – тип EMS–Grilon C–85
2. 29 текс – ядро: стекло Vetrotex EC–5 5,5 текс+обмотка 2xEMS Grilon K 110
3. 35 текс – ядро: стекло Vetrotex EC–5 11 текс+обмотка 2xEMS Grilon K 110
Воздухопроницаемость сформированных таким образом однонаправленных тканей измерялась в соответствии со стандартом ISO EN 9237, причем использовалось давление воздуха 200 Па. Результат дает прямое заключение о проницаемости исследуемой однонаправленной ткани.
Пример 1: идентичная уточная нить (поперечная нить), вариация связывания
| Обозначение | Волокно из углеродного материала | Вес волокна | Уточная нить | Связывание | Переплетение, нитей/см | Воздухопроницаемость | Изменение |
| UD–1 | Tenax©–E IMS65 E23 24K 830 текс | 268 г/м2 | 35 текс | Саржевое переплетение 3/1 | 0,8 | 25,1 л/дм2/мин | 100% |
| UD–2 | Tenax©–E IMS65 E23 24K 830 текс | 268 г/м2 | 35 текс | Гладкое переплетение | 1,1 | 89,9 л/дм2/мин | 358% |
| UD–3 | Tenax©–E IMS65 E23 24K 830 текс | 268 г/м2 | 35 текс | Гладкое переплетение | 3,0 | 494,0 л/дм2/мин | 1968% |
Таблица 1
Пример 2: идентичное связывание, вариация уточной нити (поперечной нити)
| Обозначение | Волокно из углеродного материала | Вес волокна | Уточная нить | Связывание | Переплетение, нитей/см | Воздухопроницаемость | Изменение |
| UD–4 | Tenax©–E IMS65 E23 24K 830 текс | 268 г/м2 | 29 текс | Гладкое переплетение | 3,0 | 297,0 л/дм2/мин | 100% |
| UD–3 | Tenax©–E IMS65 E23 24K 830 текс | 268 г/м2 | 35 текс | Гладкое переплетение | 3,0 | 494,0 л/дм2/мин | 166% |
| UD–5 | Tenax©–E IMS65 E23 24K 830 текс | 268 г/м2 | 20 текс | Саржевое переплетение 3/1 | 0,8 | 14,8 л/дм2/мин | 100% |
| UD–6 | Tenax©–E IMS65 E23 24K 830 текс | 268 г/м2 | 35 текс | Саржевое переплетение 3/1 | 0,8 | 25,1 л/дм2/мин | 170% |
Таблица 2
Связывание однонаправленной ткани означает комбинацию типа связывания и количества уточных нитей на сантиметр.
Как ясно видно из примера 1, рыхлое гладкое переплетение приводит к улучшенной проницаемости однонаправленного переплетения по сравнению с более прочным саржевым переплетением. При использовании одного и того же типа связывания для UD 2 и UD 3, количество нитей утка на сантиметр определяет, насколько плотно ткется однонаправленная ткань. При использовании более плотной однонаправленной ткани (UD 3 по сравнению с UD 2) воздухопроницаемость, и таким образом также проницаемость, являются значительно более высокими.
Пример 2 показывает, что вариация тонины уточной нити с тем же самым типом связывания и тем же самым количеством уточных нитей на сантиметр также приводит к изменению проницаемости. В целом все примеры показывают, что проницаемость однонаправленной ткани может быть отрегулирована. На желаемую проницаемость может влиять переплетение многоволоконных армирующих нитей с поперечной нитью, а также тонина поперечной нити и структура ядро–оболочка поперечной нити. Удивительно и совершенно неожиданно было показано, что плотнотканая однонаправленная ткань имеет более высокую проницаемость, чем свободно тканая однонаправленная ткань.
1. Способ изготовления текстильной однонаправленной ткани (1), в котором по меньшей мере один плоский слой взаимно параллельных уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей (2) переплетают с поперечными нитями (3), в качестве которых используют поперечные нити со структурой ядро-оболочка, причем поперечные нити (3) содержат первый компонент, составляющий оболочку, и второй компонент, составляющий ядро, при этом первый компонент имеет более низкую температуру плавления, чем второй компонент, и первый компонент является плавким термопластичным полимерным материалом, причем поперечные нити (3) первого компонента связывают расплавом вместе с уложенными рядом многоволоконными армирующими нитями, поперечные нити имеют линейную плотность 10-40 текс, измеряемую в соответствии со стандартом EN ISO 2060: 1995, и переплетают поперечные нити (3) с многоволоконными армирующими нитями (2) внутри упомянутого плоского слоя, образованного из уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей (2), при этом могут быть отрегулированы промежутки (4), чтобы получить проницаемость 10-600 л/дм2/мин, измеряемую в соответствии со стандартом EN ISO 9237.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нетканый материал из термопластичного полимерного материала располагают на упомянутом по меньшей мере одном плоском слое многоволоконных армирующих нитей (2) и клейким образом связывают с упомянутым плоским участком многоволоконных армирующих нитей (2).
3. Способ по меньшей мере по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что устанавливают проницаемость больше чем 25 л/дм2/мин, более предпочтительно, свыше 50 л/дм2/мин, и/или промежутки (4) формируют по существу только в области точки связывания в переплетении многоволоконных армирующих нитей (2) и поперечных нитей (3).
4. Способ по меньшей мере по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что поперечные нити (3) переплетают с многоволоконными армирующими нитями для того, чтобы сформировать текстильную однонаправленную ткань, предпочтительно, с саржевым или гладким переплетением.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для связывания используют саржевое переплетение 3/1 с плотностью 0,8–3,0 нитей/см, саржевое переплетение 3/1 с плотностью 0,8–3,0 нитей/см, саржевое переплетение 2/1 с плотностью 0,8–3,0 нитей/см, гладкое переплетение 1/1 с плотностью 0,8–3,0 нитей/см и/или гладкое переплетение 1/1 с плотностью 0,8–3,0 нитей/см.
6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что для первого компонента поперечных нитей (3) используют компонент, имеющий температуру плавления в диапазоне 70-150°C.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что первый компонент поперечных нитей (3) является гомополимером полиамида, или сополимером полиамида, или смесью гомополимеров полиамида и/или сополимеров полиамида.
8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве второго компонента поперечных нитей (3) используют компонент с температурой плавления выше 200°C.
9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве второго компонента поперечных нитей (3) используют стекло или полиэстер.
10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что поперечные нити (3) используют с титром в диапазоне 15–35 текс, более предпочтительно, 20–25 текс, измеряемым в соответствии со стандартом ISO EN 2060:1995.
11. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве нетканого материала используют нетканый материал с основным весом в диапазоне 3–25 г/м2.
12. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве нетканого материала используют нетканый материал, имеющий толщину, измеряемую перпендикулярно к направлению распространения нетканого материала в соответствии со стандартом DIN ISO 9073–2, меньше чем 60 мкм, предпочтительно, меньше чем 30 мкм и, более предпочтительно, меньше чем 10 мкм.
13. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве нетканого материала используют нетканый материал с первым полимерным компонентом и вторым полимерным компонентом, при этом первый полимерный компонент имеет температуру плавления ниже температуры плавления или разложения второго компонента поперечных нитей (3) и является нерастворимым в матричных смолах из эпоксида, цианатного сложного эфира, бензоксазина или в смесях этих матричных смол, причем второй полимерный компонент имеет более низкую температуру плавления, чем первый полимерный компонент.
14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве многоволоконных армирующих нитей (2) используют углеродное волокно, стекловолокно, нити арамида или ультравысокомолекулярные (UHMW) нити.
15. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что используемая многоволоконная армирующая нить является нитью из углеродного волокна, имеющей прочность по меньшей мере 5000 МПа, измеряемую согласно стандарту JIS R–7608, и модуль упругости при растяжении по меньшей мере 260 ГПа, измеряемый согласно стандарту JIS R–7608.
16. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что упомянутый по меньшей мере один плоский слой взаимно параллельных уложенных рядом многоволоконных армирующих нитей (2) имеет криволинейный контур, в котором многоволоконные армирующие нити (2) располагаются параллельно направлению вдоль окружности криволинейного контура и каждая многоволоконная армирующая нить (2) следует за траекторией направления этого криволинейного контура, в то время как траектории индивидуальных многоволоконных армирующих нитей (2) имеют общий центр кривизны.
17. Волокнистая заготовка для изготовления композитных компонентов, отличающаяся тем, что она содержит текстильную однонаправленную ткань (1), получаемую по любому из пп.1-16.
