БЕЗУТОЧНЫЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ ТКАНИ, АРМИРОВАННЫЕ ВОЛОКНОМ
UNIDIRECTIONAL THREAD FABRICS REINFORCED WITH FIBER

Родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №61/925,789, поданной 10 января 2014 года, содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Основная идея изобретения относится к легким безуточным однонаправленным тканям с повышенной прочностью и модулем упругости.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Армирующие волокна применяются в самых разных изделиях. Они могут быть использованы в качестве средств усиления таких продуктов, как пластиковые матрицы, армированные ленты или бумага, а также тканые изделия. В процессе формирования и группирования волокон многочисленные волокна свиваются в пряди, а несколько прядей образуют пучок волокон. Такие пучки могут быть использованы для армирования полимерной матрицы с целью обеспечения структурной опоры таких продуктов, как пластмассовые изделия, получаемые методом литья под давлением. Для получения ткани указанные пряди могут сплетаться или группироваться по определенной схеме.
Пряди армирующего стекловолокна обычно получают методом механической протяжки потоков расплавленной стекломассы, двигающихся самотеком и проходящих через многочисленные отверстия литьевых форм, заполненных расплавленной стекломассой, с образованием нитей, которые свиваются в пряди основы, а затем группируются. Во время протяжки стеклянных нитей и перед их сведением в пряди стеклянные нити часто покрываются проклеивающим составом - как правило, на водной основе - с использованием вращающегося валика. Проклеивающий состав (также именуемый «клейстером») обычно наносится на стадии изготовления стеклянных нитей для их защиты от износа в результате быстрого истирания указанных нитей в процессе формования и в ходе выполнения последующих технологических процессов, Таким образом, указанный состав действует как смазка. Это также дает возможность снимать электростатические заряды, образующиеся во время такого истирания, или избегать их появления. Кроме того, в ходе производства армированных композиционных материалов клейстер улучшает смачивание стекломассы и пропитку прядей материалом, который подлежит армированию.
По окончании производства армирующих волокон они часто подвергаются последующей обработке на ткацких станках или иных соответствующих устройствах с целью получения плетеных тканей. Процесс ткачества традиционно предусматривает наличие как нитей основы, которые представляют собой нити, располагающиеся в продольном направлении, и уточных нитей, которые располагаются поперек нитей основы и обычно продеваются под и над основными нитями, исполняя роль аппретуры. Однако извитость нитей, образуемая вследствие переплетения между собой нитей основы и утка, снижает прочность плетеной ткани при сжатии и растяжении. Кроме того, уточные нити увеличивают вес изделия, не давая ему никаких дополнительных преимуществ в части физических свойств.
Однонаправленные ткани представляют собой ткани, у которых около 80% всех волокон ориентировано в одном направлении, обычно - в направлении основы, также известном как направление приложения нагрузки к слоистому материалу. Соответственно, если однонаправленная ткань содержит уточные волокна, то обычно их доля составляет менее 20% всех волокон ткани, и они исполняют роль основания при переплетении/перевязке, тем самым обеспечивая прочность ткани.
Уточные волокна традиционно являются необходимым компонентом ткани, используемым в качестве противоусадочного средства, механически связывающего пучки однонаправленных волокон как основы и поддерживающего расстояние между однонаправленными волокнами, тем самым формируя каналы для пропитки смолой в процессе вакуумной инфузии. Например, в таких сферах применения, как производство лопастей ветряных турбин, традиционно используются пучки волокон разной ориентации, которые сшиваются вместе для получения предварительно сформованной заготовки. Такие предварительно сформованные заготовки содержат уточные волокна, которые исполняют роль основы для волокон, несущих нагрузку, удерживая указанную заготовку как единое целое. Качество лопастей ветряных турбин определяется - по меньшей мере, частично - как усталостной прочностью лопастей в течение всего срока службы, так и их жесткостью. Однако, как оказалось, уточные волокна в однонаправленном слоистом материале способствуют снижению усталостной прочности и жесткости лопастей в течение срока их службы.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Основная идея изобретения относится к безуточной однонаправленной ткани, содержащей множество армирующих волокон, расположенных по существу параллельно друг другу. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения безуточная однонаправленная ткань содержит, по меньшей мере, одно из следующего: нетканую вуаль, склеенную, по меньшей мере, с одной поверхностью армирующих волокон; или одну или несколько полос распыленного клеящего вещества, перекрывающих - по меньшей мере, частично - ширину, по меньшей мере, одной поверхности множества армирующих волокон, расположенных по существу параллельно друг другу.
В вариантах реализации заявленного изобретения с нетканой вуалью такая нетканая вуаль может представлять собой стекловуаль, полимерную вуаль или сочетание указанных типов вуали.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения в качестве армирующих волокон используется один или несколько пучков стекловолокна или углеродных волокон.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения полимерная вуаль содержит, по меньшей мере, один из следующих типов нитей: полипропиленовые нити, полиэфирные нити, полиамидные нити или полиуретановые нити.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения нетканая вуаль выборочно склеивается с одной поверхностью методом локализованного нагрева нетканой вуали.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения нетканая вуаль выборочно склеивается с одной поверхностью армирующих волокон методом локализованного нанесения клеящего вещества.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения нетканую вуаль можно получить одним из следующих способов: по технологии аэродинамического распыления расплава, фильерным способом, сухой выкладкой, мокрой декатировкой или электроспиннингом.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения пучки армирующего волокна содержат множество стеклянных нитей или углеродных волокон, покрытых проклеивающим составом, содержащим полимерное связующее, которое после нагрева склеивает пучки волокон и нетканую вуаль с пучками стеклянных нитей или углеродных волокон.
Основная идея изобретения дополнительно относится к безуточной однонаправленной ткани, содержащей одно или несколько армирующих волокон, расположенных по существу параллельно друг другу. Армирующие волокна представляют собой множество волокон, покрытых проклеивающим составом, который содержит полимерное связующее, способное склеивать друг с другом по существу параллельные армирующие волокна.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения проклеивающий состав дополнительно содержит, по меньшей мере, один из следующих компонентов: пленкообразующее вещество, связующее вещество, поверхностно-активное вещество, диспергатор или пластификатор.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения полимерное связующее выполнено на основе одного или нескольких следующих соединений: полиамида, политетрафтороэтилена, поливинилхлорида, полиэфира, полипропилена, полифениленсульфида, полиэтиленимина, полиамидимида, полиэфирэфиркетона, полиоксиметилена, полиэтилена, их сополимеров и сочетаний перечисленных полимеров и/или их сополимеров.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения безуточная однонаправленная ткань дополнительно содержит нетканую вуаль, склеенную, по меньшей мере, с одной поверхностью армирующих волокон, расположенных практически параллельно друг другу; или одну или несколько полос распыленного клеящего вещества, перекрывающих - по меньшей мере, частично - ширину, по меньшей мере, одной поверхности множества армирующих волокон, расположенных по существу параллельно друг другу.
В качестве нетканой вуали может быть использована стекловуаль, термопластичная вуаль или сочетание указанных типов вуали.
Основная идея изобретения дополнительно относится к армированному волокнами композиционному материалу, включающему в себя, по меньшей мере, одну безуточную однонаправленную ткань, содержащую множество по существу параллельных друг другу армирующих волокон; безуточную вуаль, склеенную, по меньшей мере, с одной поверхностью армирующих волокон, или одну или несколько полос распыленного связующего вещества, перекрывающих - по меньшей мере, частично - ширину, по меньшей мере, одной поверхности множества армирующих волокон, расположенных по существу параллельно друг другу; и полимерный матричный материал.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения нетканая вуаль выборочно склеивается с поверхностью армирующих волокон методом локализованного нагрева нетканой вуали.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения нетканая вуаль выборочно склеивается с поверхностью армирующих волокон методом локализованного нанесения клеящего вещества.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения армирующие волокна содержат множество стеклянных нитей или углеродных волокон, покрытых проклеивающим составом, содержащим полимерное связующее, которое после нагрева склеивает пучки волокон и нетканую вуаль с пучкам стекловолокна или углеродных волокон.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения композиционный материал дополнительно содержит нетканую вуаль, склеенную, по меньшей мере, с одной поверхностью по существу параллельных друг другу армирующих волокон.
Дополнительные признаки и преимущества будут частично раскрыты в нижеследующем описании, а частично - могут стать очевидными из описания или могут быть изучены в ходе практического применения примеров реализации заявленного изобретения, приведенных в настоящем документе. Цели и преимущества примеров осуществления настоящего изобретения, раскрытых в этом документе, могут быть реализованы и достигнуты посредством элементов и их сочетаний, в частности, указанных в прилагаемой формуле изобретения. Следует понимать, что и краткое раскрытие настоящего изобретения, представленное выше, и нижеследующее подробное описание носят исключительно иллюстративный и пояснительный характер, и никоим образом не ограничивают основную идею заявленного изобретения, описанную в настоящем документе или раскрытую в формуле заявленного изобретения.
Краткое описание фигур
На фиг. 1 показаны каналы, образованные между пучками однонаправленных волокон, покрытые термопластичной нетканой вуалью.
На фиг. 2 показана безуточная однонаправленная ткань, содержащая нетканую вуаль, выборочно склеенную с пучками стекловолокна методом локализованного нагрева.
На фиг. 3(a) показана однонаправленная ткань, полученная методом нанесения клеящего вещества на пучки однонаправленных волокон.
На фиг. 3(b) проиллюстрирована возможность изменения рисунка при нанесении клеящего вещества.
На фиг. 3(c) показан пример головки для распыления по синусоиде (слева) и пример головки для распыления с получением узорчатого рисунка (справа).
На фиг. 3(d) показан образец безуточной однонаправленной ткани с прерывистыми полосами распыленного клеящего вещества, нанесенными на обе стороны ткани, подвергающейся испытаниям на нагрузку.
На фиг. 4 проиллюстрирована многослойная безуточная однонаправленная ткань с каналами, образованными в ней для пропитки матричным материалом.
На фиг. 5(a) показан образец четырехполотной безуточной однонаправленной ткани до вакуумной пропитки смолой.
На фиг. 5(b) показан образец четырехполотной безуточной однонаправленной ткани после вакуумной пропитки смолой.
На фиг. 6 графически отображен модуль упругости при статическом растяжении (ГПа) в основном направлении выкладки волокон, приведенный к 50% объемного содержания волокон для множества разных однонаправленных тканей.
На фиг. 7 показан график зависимости усталостной прочности при коэффициенте нагрузки R=0,1 с прочностью при растяжении, приведенной к 50% объемного содержания волокон, от цикла нагрузки для множества разных однонаправленных тканей.
На фиг. 8 показано макроскопическое изображение повреждения, полученного армированным стекловолокном композиционным материалом, содержащим уточную ткань с нетканой основой из стекловолокна после прохождения испытания на усталостную прочность (после приложения динамической нагрузки).
На фиг. 9 показано макроскопическое изображение повреждения, полученного армированным стекловолокном композиционным материалом, содержащим безуточную однонаправленную ткань с нетканой основой из стекловолокна, после прохождения испытания на усталостную прочность (после приложения динамической нагрузки).
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Ниже будут подробно раскрыты различные примеры осуществления настоящего изобретения с периодическими ссылками на прилагаемые чертежи. Однако эти примеры реализации заявленного изобретения могут быть претворены в жизнь в разных формах, и их не следует рассматривать, как ограниченные описанием, которое представлено в настоящем документе. Правильнее сказать, что эти примеры осуществления настоящего изобретения представлены таким образом, чтобы их описание было всесторонним и полным, а также передавало основную идею настоящего изобретения специалистам в данной области техники.
Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют одно и то же общепринятое значение, известное любому специалисту в данной области техники, к которой относятся эти примеры осуществления настоящего изобретения. Терминология, используемая в описании, представленном в настоящем документе, предназначена только для описания конкретных примеров осуществления настоящего изобретения, и, как предполагается, не носит ограничительного характера в отношении этих примеров.
В контексте настоящей заявки и прилагаемой формулы изобретения предполагается, что форма единственного числа также включает в себя формы множественного числа, если в контексте недвусмысленно не указано иное. Содержание всех публикаций, заявок на выдачу патентов и прочих ссылочных материалов, упомянутых или иным образом обозначенных в настоящем документе, полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Если не указано иное, все цифры, обозначающие количественные значения ингредиентов, условий реакции и тому подобного, которые используются в этой заявке и формуле изобретения, следует во всех случаях рассматривать с учетом изменений, вносимых термином «около». Соответственно, если не указано иное, числовые параметры, представленные в заявке и прилагаемой формуле изобретения, представляют собой приблизительные величины, варьирующиеся в зависимости от требуемых свойств, которые должны быть получены в примерах осуществления настоящего изобретения. Каждый числовой параметр должен рассматриваться, по меньшей мере, с учетом количества значащих разрядов числа и стандартных подходов к округлению, что никоим образом не ограничивает применение теории эквивалентов объемом формулы изобретения.
Несмотря на то, что области числовых значений и числовые параметры, описывающие широкий объем примеров осуществления настоящего изобретения, представляют собой приблизительные величины, числовые значения, указанные в конкретных вариантах реализации, отображены максимально точно. Однако любое числовое значение по определению содержит определенные погрешности, что неизбежно следует из стандартных отклонений, которые обнаруживаются в соответствующих опытных замерах. Все области числовых значений, которые встречаются в тексте этой заявки и формуле изобретения, включает в себя более узкую область, которая входит в такую более широкую область числовых значений, как если бы все эти более узкие области числовых значений были явным образом включены в настоящий документ.
В контексте настоящего документа термин «волокно» обозначает пучок из одной или нескольких одиночных непрерывных нитей.
В контексте настоящего документа термин «полимер» распространяется на такие понятия как «гомополимер» и «сополимер».
В контексте настоящего документа фраза «пучок волокон» обозначает группу из около 400-8000 отдельных нитей.
В контексте настоящего документа фраза «однонаправленная ткань» обозначает любую ткань, у которой, по меньшей мере, около 80% всех волокон ориентировано в одном направлении, например, в направлении приложения нагрузки к многослойному материалу или в направлении его основы.
В контексте настоящего документа термином «безуточная ткань» обозначаются ткани, в одном слое которых не содержатся какие-либо армирующие волокна, идущие параллельно друг другу по ширине ткани и характеризующиеся ориентацией, которая отличается на 15° и более от ориентации однонаправленных волокон, описанных выше.
В контексте настоящего документа термин «слой» обозначает монослой ориентированных волокон.
В контексте настоящего документа термин «канал» обозначает пространство между соседними, расположенными параллельно, пучками волокон.
Основная идея настоящего изобретения относится к безуточным однонаправленным тканям. Прочие аспекты основной идеи изобретения относятся к изделиям из армированных композиционных материалов, таким как слоистые материалы, выполненные из безуточных однонаправленных тканей.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения безуточные однонаправленные ткани включают в себя один или несколько пучков армирующих волокон, которые могут содержать натуральные или искусственные волокна, нити и пряди. Пучки армирующего волокна могут быть использованы в непрерывной или разрывной форме. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения пучки армирующего волокна содержат волокна ограниченной длины в виде цельных нитей, волокон, прядей или ровингов.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения пучки армирующего волокна составляются, по меньшей мере, из волокон, по меньшей мере, одного из следующих типов: стекловолокна, углеродные волокна, арамидные волокна и полимерные волокна. Для производства волокон может быть использовано любое стекло обычного состава, такое как, например, кремниевое стекло; боросиликатное стекло, такое как Е-стекло; высокопрочное стекло, такое как S-стекло; Н-стекло; R-стекло; стекло Е-типа со сниженным содержанием бора или безборное стекло; и стекло класса E-CR (например, стекло Advantex от компании Owens Corning). Хотя представленное ниже описание относится к использованию пучков стеклянных армирующих волокон, следует понимать, что дополнительно или в качестве альтернативы могут быть использованы пучки из любых армирующих волокон, упомянутых выше.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения непрерывные стеклянные волокна получают методом вытягивания расплавленных стеклянных нитей из литьевой формы и покрытия их проклеивающим составом до сведения стеклянных нитей в пучок, образующий пучок волокон. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения диаметр нитей составляет около 5-40 мкм, или около 9-33 мкм, или около 17-24 мкм.
Проклеивающий состав может представлять собой соответствующий состав, известный в данной области техники, например, SE 1500 от компании Owens Corning. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения проклеивающий состав включает в себя один или несколько следующих компонентов: пленкообразующие вещества, связующие вещества, поверхностно-активные вещества, диспергаторы, пластифицирующие добавки и опциональные присадки.
Пленкообразующее вещество в проклеивающем составе выполняет несколько функций: с одной стороны, оно позволяет защитить стеклянные нити от истирания во время вытягивания, а с другой стороны - защитить пряди от агрессивного воздействия химикатов и окружающей среды. Оно также обеспечивает целостность пряди. Кроме того, образованная пленка может улучшить совместимость проклеивающего состава с матрицей, подлежащей армированию. Выбор пленкообразующего вещества во многом зависит от химических свойств армируемого материала,
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения пленкообразующее вещество выбирается из числа поливинилацетатов (гомополимеров или сополимеров, например, сополимеров винилацетата и этилена), сложных полиэфиров, простых полиэфиров, соединений на эпоксидной основе, полиакриликов (например, гомополимеров или сополимеров производных акриловой кислоты), полиуретанов и сочетаний указанных полимеров. Пленкообразующее вещество может быть выбрано из числа поливинилацетатов, соединений на эпоксидной основе, полиуретанов и смесей указанных соединений. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения содержание пленкообразующего вещества, исходя из общего содержания твердых веществ в проклеивающем составе, составляет 25-85 масс. % или 50-75 масс. %. Пленкообразующее вещество обычно вводится в проклеивающий состав в виде эмульсии или суспензии.
Проклеивающий состав может также содержать поверхностно-активное вещество, пластифицирующую добавку и/или диспергатор. Функция поверхностно-активного вещества заключается в изменении поверхностного натяжения и улучшении смачиваемости между стекловолокном и проклеивающим составом, а также между сухой пленкой проклеивающего состава и матричным материалом. Функция пластифицирующей добавки заключается в том, чтобы влиять на характер изменения свойств пленкообразующего вещества, что осуществляется, как правило, путем уменьшения жесткости указанной сухой пленки, а также на характер изменения температуры и растворяющую способность армируемой матрицы. Функция диспергатора заключается в повышении устойчивости проклеивающего состава при хранении и во время его нанесения на стеклянные нити. Во время нанесения проклеивающего состава создается высокое напряжение сдвига, которое может разрушить полимерную эмульсию, если она не была должным образом стабилизирована диспергатором. Некоторые компоненты, такие как, например, поверхностно-активное вещество и диспергатор, могут сочетать в себе несколько свойства.
Поверхностно-активные вещества, пластифицирующие добавки и диспергаторы могут включать в себя алифатические или ароматические полиалкоксилированные соединения, которые опционально могут быть галоидированными, например, этоксилированные/пропоксилированные алкилфенолы или этоксилированные/пропоксилированные жирные спирты. Эти полиалкоксилированные соединения могут представлять собой блочные или статистические сополимеры; аминосодержащие соединения, например, амины, которые опционально могут быть алкоксилированными; аминоксиды; алкиламиды; сукцинаты и таураты; производные сахара, в частности, сорбитана; алкилсульфаты, которые опционально могут быть алкоксилированными; алкилфосфаты и эфиры фосфатов, которые опционально могут быть алкилированными или алкоксилированными. Проклеивающие составы могут также содержать антистатические присадки, например, специальные органические катионные или неионогенные поверхностно-активные вещества, такие как жирные четвертичные амины или производные имидазолина, для предотвращения накопления зарядов статического электричества вследствие трения о направляющие устройства, такие как керамические нитепроводники.
Общий объем поверхностно-активных, пластифицирующих и диспергирующих веществ или их сочетаний в проклеивающем составе (содержание сухих твердых веществ) может варьироваться в пределах 2-30 масс. % или 4-20 масс. % от содержания сухих твердых веществ. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения объем поверхностно-активных веществ составляет около 0,25-15 масс. % от содержания твердых веществ. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения объем пластифицирующих веществ составляет около 0-10 масс. % от содержания твердых веществ. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения объем диспергирующих веществ составляет около 0,1-15 масс. % от содержания твердых веществ. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения объем антистатических веществ составляет около 0-5 масс. % от содержания твердых веществ.
Связующее вещество облегчает сцепление клейстера с поверхностью стекловолокна за счет образования ковалентной связи с пленкообразующими веществами. Связующие вещества могут дополнительно обеспечить ковалентное связывание с полимерной матрицей или, по меньшей мере, создать взаимопроникающую сетку, если использованная полимерная матрица является инертной. Еще одна из функций связующего вещества заключается в формировании полисилоксанового слоя на стекловолокне, который повышает устойчивость указанного волокна к воздействиям агрессивной внешней среды, например, в условиях высоких температур, водной или кислой среды. Связующее вещество может представлять собой гидролизуемое соединение, например, соединение, которое может быть гидролизовано в присутствии кислоты, такой как уксусная, молочная или лимонная кислота. В одном из примеров реализации заявленного изобретения связующее вещество выбирается из следующих соединений: силанов, таких как γ-глицидоксипропилтриметоксисилан, γ-акрилоилокси-пропилтриметоксисилан, γ-(метакрилоилокси)пропилтриметоксисилан, поли(оксиэтилен/оксипропилен)триметоксисилан, γ-аминопропилтриэтоксисилан, винилтриметоксисилан, фениламинопропилтриметоксисилан, стириламиноэтиламино-пропилтриметоксисилан и трет-бутилкарбамоилпропилтриметоксисилан; силоксанов, таких как 1,3-дивинилтетраэтоксидисилоксан; титанатов; цирконатов, в частности, алюминия; и сочетаний перечисленных соединений. В качестве связующего агента может быть использован силан или силановые смеси. Объем связующего агента в проклеивающем составе (содержание сухого остатка) может варьироваться в пределах 2-25 масс. % или в пределах 5-20 масс. % от содержания сухого вещества в клейстере.
Проклеивающий состав может опционально содержать одну или несколько присадок. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения в качестве присадок могут использоваться огнезащитные составы; наночастицы; смазки, такие как сложный эфир жирной кислоты, жирный спирт, соли жирных аминов, минеральное масло или смеси указанных элементов; комплексообразующие вещества, такие как производный ЭДТК, производное галлиевой кислоты или производное фосфоновой кислоты; противовспенивающие присадки, такие как силикон или растительное масло; высокомолекулярный спирт; кислота, используемая для регулирования показателя pH в процессе гидролиза связующего вещества, например, уксусная кислота или лимонная кислот; катионные полимеры; эмульсификаторы; вязкостно-загущающие присадки; стабилизаторы; кислоты; и прочие основания.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения общее содержание добавок в проклеивающем составе варьируется в диапазоне около 0,1-15 масс. %, а в некоторых вариантах реализации заявленного изобретения - в пределах 1-5 масс. % (содержание сухого остатка).
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения проклеивающий состав включает в себя связующие компоненты, которые могут способствовать дальнейшему производству безуточных однонаправленных тканей. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения проклеивающий состав включает в себя полимерные материалы и улучшитель консистенции, как это описано в заявке на выдачу патента США № PCT/US2012/048937 под названием «Проклеивающие составы и способы их использования», поданной 31 июля 2012 года, содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.
Компоненты связующего вещества могут включать в себя один или несколько полимерных связующих веществ, таких как, например, поливиниловый спирт, полимерные частицы и метилцеллюлоза. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения полимерные частицы выбираются из числа следующих полимеров: полиамида, политетрафтороэтилена, поливинилхлорида, полиэфира, полипропилена, полифениленсульфида, полиэтиленимина, полиамидимида, полиэфирэфиркетона, полиоксиметилена, полиэтилена и их сополимеров; сополимеров стирола и/или этилена, и/или пропилена и малеинового или фталиевого ангидрида; и смесей полимеров и/или сополимеров. В некоторых вариантах реализации заявленного изобретения в качестве полимера используется полиамид или смесь полиамидов.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения частицы связующего вещества содержат структурирующие вещества. Структурирующая добавка может быть использована для стабилизации состава клейстера. Структурирующая добавка способна обеспечивать тиксотропное поведение проклеивающего состава с высокой статической вязкостью при его хранении и резкое понижение вязкости под воздействием напряжения сдвига во время нанесения проклеивающего состава на поверхность волокон.
В случае наличия в проклеивающем составе полимерных частиц распределение связующих компонентов разных семейств существенно отличается от проклеивающих составов обычного типа из-за потенциально высокого содержания частиц. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения проклеивающий состав содержит (в процентах от массы сухого остатка): около 10-90 масс. % полимерных частиц; около 0,1-6 масс. % структурирующего вещества; около 5-60 масс. % пленкообразующего вещества; около 0,1-6 масс. %, по меньшей мере, одного соединения, выбранного из числа поверхностно-активного вещества, пластифицирующей добавки, диспергатора или их смесей; около 0,1-10 масс. % связующего веществ; и около 0-15 масс. %, по меньшей мере, одной присадки.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения одно или несколько стеклянных волокон соединяются между собой, образуя жгут или пучок из стеклянных волокон для его последующего использования в процессе формирования безуточной однонаправленной ткани. Пучок стекловолокна может принимать любую из множества форм в соответствии с требованиями конкретной сферы применения. Например, пучок волокон может характеризоваться плоской, круглой или овальной формой; или же он может быть разделен на множество форм. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения пучки волокон имеют такую форму, чтобы в процессе преобразования пучков волокон в ткань между параллельными пучками могли свободно формироваться зазоры и/или каналы, обеспечивающие пропитку пучков волокон матричным материалом. В некоторых примерах пучки волокон характеризуются плоской или прямоугольной формой.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения безуточная однонаправленная ткань содержит множество пучков стеклянных волокон, расположенных по существу параллельно друг другу; при этом продольная ось пучков волокна совпадает с направлением формирования ткани. Параллельные по существу пучки волокон могут примыкать друг к другу или отстоять друг от друга на определенное расстояние с тем, чтобы между отдельными пучками волокон могли быть образованы проточные каналы. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения пучки волокон выполнены без скручивания.
Обычные ткани получают путем переплетения пучков волокон в двух перпендикулярных друг другу направлениях (т.е. в направлении основы и утка). Переплетение пучков волокон создает сеточную структуру, которая соединяет ткань в единое целое. Однако при переплетении волокна изгибаются, что уменьшает максимально возможные значения прочности и жесткости. Кроме того, повышению общей прочности композиционного материала способствуют только те пучки волокон, которые ориентированы в направлении нагрузки (основы). А уточные или поперечные волокна, хотя они и укрепляют структуру ткани, не воспринимают нагрузку. Таким образом, наличие уточных волокон увеличивает вес ткани, но не способствует повышению прочности полученной ткани. Кроме того, уточные волокна снижают как прочность, так и упругость стекловолокна и, в конечном итоге, композиционного материала, в котором содержится такое стекловолокно.
Соответственно, некоторые примеры реализации заявленного изобретения предлагают безуточную однонаправленную ткань, которая образуется путем наложения вуали, по меньшей мере, на одну сторону (т.е. верхнюю или нижнюю поверхность) одного или нескольких однонаправленных пучков стекловолокна. Функция нетканой вуали заключается в том, чтобы удерживать пучки волокон в конкретной требуемой позиции, например, практически параллельно образованным между ними проточным каналам.
Как показано на фиг. 1, вуаль может представлять собой нетканую вуаль (20), например, нетканую стекловуаль или полимерную вуаль. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения нетканая вуаль (20) содержит термопластичные нити, выполненные, например, из полипропилена, полиэфира, полиамида, полиуретана или сочетаний указанных полимеров. Нетканая вуаль (20) может содержать одно или несколько непрерывных волокон или коротко рубленых отрезков волокон, бессистемно размещенных в пучках однонаправленных волокон. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения нетканая вуаль (20) укладывается в качестве наружного слоя, по меньшей мере, на одну поверхность пучков (14) однонаправленных волокон, как это показано на фиг. 1. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения безуточная вуаль укладывается в качестве наружного слоя на верхнюю поверхность пучков однонаправленных волокон, а также на нижнюю поверхность пучков волокон. В других примерах осуществления настоящего изобретения нетканая вуаль (20) укладывается только на одну поверхность пучков (14) однонаправленных волокон. Укладка нетканой вуали (20) только на одну поверхность повышает способность ткани подвергаться деформации сдвига по мере выполнения каких-либо манипуляций как, например, в процессе намотки и размотки. Кроме того, использование нетканой вуали (20) только на одной поверхности снижает совокупные расходы на изготовление ткани, одновременно сохраняя или улучшая ее свойства.
Нетканую вуаль (20) можно получить одним из традиционных нетканых способов, например, методом аэродинамического распыления расплава, фильерным способом, сухой выкладкой, мокрой декатировкой или электроспиннингом. При изготовлении вуали фильерным способом непрерывные нити экструдируются непосредственно, по меньшей мере, на одну поверхность пучков волокон, расположенных по существу параллельно друг другу. Для перемещения и разделения нитей в пучках волокон может быть использован воздух под высоким давлением из пневматической пушки. Затем волокна нетканой вуали могут быть склеены с пучками волокон с использованием нагретых валиков или иного нагревающего устройства, сплавляющего волокна в единое целое. В случае использования нетканой вуали из термопластичных нитей нагрев этих термопластичных нитей частично расплавляет их, что приводит к склеиванию нитей нетканой вуали как с другими нитями, так и с пучками однонаправленных волокон, лежащими под нитями.
Было установлено, что склеивание нетканой вуали (20) с пучками (14) однонаправленных волокон по всей их поверхности может ухудшить гибкость готовой ткани, поскольку вуаль (20) может ограничивать боковое смещение пучков (14) волокон относительно друг друга. Эти боковые перемещения пучков (14) волокон важны для формования послушного/податливого материала, который может быть подогнан под геометрию литьевой формы, например, литьевой формы с криволинейными поверхностями. Соответственно, как показано на фиг. 2, нити (12) нетканой вуали (20) могут быть выборочно склеены с пучками (14) волокон. Например, нити (12) могут нагреваться методом локализованного нагрева с образованием выборочных точек (18) склеивания. При локализованном нагреве тепло подается только на определенные участки нетканой вуали (20). Соответственно, расплавляются только те нити (12), которые были подвергнуты нагреву, в результате чего только эти локализованные участки нитей (12) нетканой вуали (20) склеиваются с пучками (14) однонаправленных волокон. Благодаря выборочному склеиванию нитей нетканой вуали (20) с пучками (14) волокон эти пучки волокон сохраняют способность к сдвиговой деформации, которая потребна во многих сферах применения, например, в производстве лопастей ветряных турбин. Эта способность к сдвиговой деформации уравновешена способностью к обеспечению опоры для однонаправленной структуры и сохранению каналов (16) между пучками (14) волокон, как это показано на фиг. 1 и 2.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения диаметр выборочных точек (18) склеивания составляет около 1 мм и меньше. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения на участке безуточной однонаправленной ткани (22) размерами 10×10 см располагается около 5-2000 выборочных точек склеивания или около 50-500 выборочных точек склеивания. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения выборочные точки (18) склеивания распределены надлежащим способом, обеспечивающим гибкость пучков (14) однонаправленных волокон, достаточную для сдвигового деформирования.
В качестве альтернативного варианта или дополнительно нити (12) нетканой вуали (20) могут быть склеены с пучками (14) однонаправленных волокон методом локализованного нанесения клеящего вещества на пучки (14) однонаправленных волокон и/иди нетканую вуаль (20). Локализованное нанесение клеящего вещества обеспечивает выборочное склеивание нитей (12) нетканой вуали (20) с пучками (14) однонаправленных волокон с образованием точек (18) склеивания аналогично выборочному связыванию термопластичных нитей методом локализованного нагрева, который описан выше. Клеящее вещество может наноситься на пучки (14) волокон в качестве компонента проклеивающего состава; иди же оно может быть нанесено после нанесения клейстера.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения нетканая вуаль (20) представляет собой предварительно склеенную термоформуемую сетку. Эта сетка может состоять из стеклянных или полимерных волокон, предварительно склеенных в процессе формования сетки. Если сетка выполнена из стекловолокна, то перед предварительным склеиванием стекловолокно сначала покрывается термопластичным полимерным материалом. Полимерные волокна могут быть предварительно склеены только путем нагрева. Затем предварительно склеенная термоформуемая сетка может быть склеена, по меньшей мере, с одной поверхностью пучков (14) однонаправленных волокон, образуя основу ткани. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения указанная сетка выборочно склеивается с пучками (14) волокон, как это описано выше.
Благодаря выборочному склеиванию нетканой вуали (20) с пучками (14) однонаправленных волокон требуется меньшее количество полимерных нитей и/или клеящего вещества. Это способствует как сокращению производственных расходов, так и снижению веса полученной однонаправленной ткани. Нетканая вуаль обеспечивает тонкую и легкую основу для пучков однонаправленных волокон. Традиционные несущие маты содержат около 20 грамм и более полимерного материала в расчете на один квадратный метр его площади, тогда как нетканую вуаль (20) согласно настоящему изобретению содержит менее 15 грамм полимерного материала или менее 5 грамм полимерного материала, как это определено стандартом ISO 3374. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения нетканая однонаправленная вуаль весом 1000 грамм содержит не более 12 грамм полимерного материала.
Нетканая вуаль (20) обеспечивает основу для пучков (14) однонаправленных волокон, устраняя тем самым необходимость в опорной конструкции в виде уточных волокон. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения, по меньшей мере, 80% волокон в ткани (22) представляют собой однонаправленные волокна (14). В других примерах осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, 90% или, по меньшей мере, 95% волокон в ткани (22) представляют собой однонаправленные волокна (14). А в некоторых других примерах реализации заявленного изобретения около 100% стеклянных волокон в ткани (20) представляют собой однонаправленные волокна (14).
Как показано на фиг. 3А, в некоторых примерах реализации заявленного изобретения взамен или в дополнение к нетканой вуали (20) однонаправленная ткань (22) формуется путем прерывистого распыления клеящего вещества (24) по определенной схеме, по меньшей мере, на одну поверхность пучков однонаправленных волокон. Распыляемое клеящее вещество может содержать термопластичный материал, совместимый с эпоксидной смолой или проклеивающим составом, совместимым с полиэфиром, который наносится на стекловолокно в процессе формования. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения клеящее вещество характеризуется сдвиговой вязкостью в пределах около 2000-6000 сПз при температуре нанесения в пределах около 250-450°F, что способствует образованию нитей размером менее 50 микрон по мере распыления клеящего вещества, по меньшей мере, на одну поверхность однонаправленной ткани. Для нанесения клеящего вещества пучки однонаправленных волокон удерживаются в натянутом состоянии с зазорами заданной ширины между каждым пучком. После нанесения клеящего вещества оно отверждается и фиксирует пучки на месте, сохраняя тем самым зазоры между пучками. Распыление может осуществляться дискретно, обеспечивая раскатывание однонаправленной ткани, а также давая возможность ткани смещаться без перекосов. Шаг прерывания или схема распыления клеящего вещества может быть предварительно задана путем регулирования различных параметров, в том числе, помимо прочего, размеров и конструкции распылительной головки, используемой для нанесения клеящего вещества; количества, размеров, шага расположения и/или ориентации распылительных сопел (32) распылительной головки; давления воздуха, поступающего в распылительную головку; гидравлического давления клеящего вещества, подаваемого в распылительную головку; и/или же путем регулирования требуемых интервалов распыления клеящего вещества. Например, для регулирования объема распыляемого клеящего вещества могут быть использованы распылительные головки разного типа, характеризующиеся наличием распылительных сопел (32) разного диаметра и/или разным количеством таких сопел в расчете на одну распылительную головку. Например, может быть использована головка узорчатого распыления, которая наносит клеящее вещество на ткань (22) с получением прерывистого рисунка в виде случайных комбинаций полимерных волокон и полимерных точек с большим разбросом. В дополнительных примерах реализации заявленного изобретения может быть использована головка для распыления по синусоиде, которая наносит клеящее вещество на ткань (22) с получением непрерывного рисунка в виде сплошной полимерной нити, обычно без нанесения полимерных точек. На фиг. 3(c), показан пример головки (28) для распыления клеящего вещества по синусоиде (слева) и пример головки (30) для распыления клеящего вещества с получением узорчатого рисунка, каждая из которых содержит множество распылительных сопел (32). На фиг. 3(a) показана однонаправленная ткань (22), полученная путем нанесения полос (24) клеящего вещества на ткань (22) с использованием головки синусоидального распыления (слева) и головки узорчатого распыления (справа). На фиг. 3(b) дополнительно проиллюстрирована способность к изменению рисунка синусоидального нанесения клеящего вещества, где в его верхней части показана схема нанесения клеящего вещества более толстыми линиями, а в нижней части - схема нанесения клеящего вещества более тонкими линиями. На фиг 3(d) показана однонаправленная ткань (22), полученная прерывистым распылением полос клеящего вещества (24) на обе стороны (т.е. верхнюю поверхность и нижнюю поверхность) пучков (14) однонаправленного стекловолокна.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения клеящее вещество содержит одно или несколько следующих соединений: полиолефин, аморфный полиальфаолефин (АПАО), полипропилен, малеинированный полипропилен, полиэфир, сополиэфир, полиамид, сополиамид, полиуретан, эпоксидный или фенольный полимер. Примеры клеевых составов приведены в Таблице 1, представленной ниже.
Аморфные полиальфаолефины могут быть привиты или модифицированы малеиновым ангидридом для улучшения сцепления с полярными веществами, такими как проклеивающие составы или эпоксидные смолы с композитной матрицей. Благодаря прививке полимера АПАО малеиновым ангидридом температура размягчения клеевого состава может быть снижена. Например, если доля малеинового ангидрида в базовом полимере составляет 7%, то температура плавления будет варьироваться в пределах 160-320°F, а вязкость - в пределах 100-2000 мПа⋅с, что способствует снижению температуры размягчения АПАО.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения безуточная однонаправленная ткань (22) содержит пучки (14) однонаправленных волокон, которые характеризуются наличием, по меньшей мере, одной поверхности, выборочно склеенной с нетканой вуалью (20). В других примерах реализации заявленного изобретения безуточная однонаправленная ткань (22) содержит пучки (14) однонаправленных волокон, которые сплавляются в единое целое с использованием полимерного связующего, содержащегося в проклеивающем составе, который используется для покрытия стекловолокна. В некоторых других примерах осуществления настоящего изобретения безуточная однонаправленная ткань (22) содержит пучки (14) однонаправленных волокон, сцепленных в единое целое с использованием полимерного связующего, содержащегося в проклеивающем составе, который используется для покрытия стекловолокна, и выборочно склеенных с нетканой вуалью (20), по меньшей мере, одной своей поверхностью. В некоторых других примерах реализации заявленного изобретения безуточная однонаправленная ткань (22) содержит сколлимированные пучки (14) однонаправленных волокон, на которые методом прерывистого распыления нанесено клеящее вещество (24) с последующим добавлением/без последующего добавления нетканой вуали (20). Такие безуточные однонаправленные ткани (22) повышают прочность и эластичность однонаправленных тканей обычного типа за счет исключения уточных волокон, которые никак не способствуют улучшению механических свойств ткани. Таким образом, уменьшение доли уточных волокон в ткани пропорционально улучшают ее механические свойства. Например, уменьшение доли уточных волокон на 5% повышает прочность и эластичность ткани, по меньшей мере, на 5%.
Безуточная однонаправленная ткань (22) может быть также использована для получения предварительно сформованных заготовок, что предусматривает укладку друг на друга нескольких слоев безуточной ткани, волокна которой ориентированы в одном заданном направлении. Затем уложенные друг на друга сухие слои безуточной однонаправленной ткани (22) могут быть подвергнуты повторному нагреву для склеивания - по меньшей мере, частично - однонаправленной ткани. Как было сказано выше, безуточные однонаправленные ткани могут выборочно склеиваться методом локализованного повторного нагрева или путем нанесения клеящего вещества. Затем предварительно сформованная заготовка может быть помещена в литьевую форму и пропитана матричной смолой, в результате чего образуется композиционный материал.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения безуточная однонаправленная ткань (22) укладывается в один или несколько слоев, как это показано на фиг. 4, и пропитывается матричным материалом, образуя композиционный материал (26), армированный однонаправленной тканью. Пропитка матричным материалом может выполняться любым обычным способом пропитки/инфузии, например, методом трансферного формования с помощью вакуума, который предусматривает ввод жидкой смолы в полость под действием вакуума, или методом литьевого прессования, который предусматривает использование давления для инжекции жидкой смолы в сухой наполнитель, уложенный в герметичную литьевую форму. Для завершения пропитки ткани матричным материалом под действием вакуума смола должна обладать способностью к проникновению в слои ткани, как это проиллюстрировано на фиг. 4. Как показано на фиг. 4, нетканая вуаль (20) способствует формированию и сохранению каналов (16) в безуточной однонаправленной ткани путем фиксации пучков однонаправленной ткани на определенном расстоянии друг от друга по ширине. В других примерах реализации заявленного изобретения, по мере нагревания термопластичной вуали (20) выше своей точки текучести и запрессовки в пучки (14) однонаправленных волокон в процессе наслоения, вуаль (20) может формировать каналы (16) между отдельными пучками волокон, как это показано на фиг. 1.
Пропитка смолой в вакууме представляет собой динамический процесс; при этом под действием вакуума слои уплотняются, что затрудняет проникновение смолы сквозь толщу многочисленных слоев ткани. Соответственно, формирование однонаправленных тканей с распылением клеящего вещества улучшает проникающую способность смолы, поскольку распыляемое клеящее вещество покрывает однонаправленную ткань не полностью, а образует отстоящие друг от друга полосы регулируемой ширины, пересекающие многочисленные пучки однонаправленных волокон. Кроме того, отвердевшее клеящее вещество выполняет функцию конструкционного клея, который, помимо обеспечения сцепления между пучками волокон и эпоксидной смолой, обеспечивает трехмерную жесткость, которая способствует сохранению зазоров между соседними пучками (14) стекловолокна, что повышает просачиваемость смолы сквозь толщу многочисленных слоев. На фиг. 5А проиллюстрирована пропитка четырех слоев однонаправленной ткани (22) при температуре 0°. На фиг. 5(B) проиллюстрирована пропитка при температуре 0° четырех слоев однонаправленной ткани, которая пропитывается смолой под действием вакуума с использованием устройства (34) для литья под вакуумом, образуя композиционный материал (26), армированный безуточной однонаправленной тканью.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения скорость просачивания устанавливается заранее путем размещения армирующих волокон таким образом, чтобы проницаемость тканей была повышена или уменьшена. Скорость просачивания может быть увеличена или уменьшена путем регулирования расстояния между пучками (14) волокон в одном монослое, вследствие чего формируются каналы (16). В некоторых примерах реализации заявленного изобретения поперечный диаметр сечения каналов (16) составляет менее 1 мм. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения скорость просачивания устанавливается заранее для обеспечения полного заполнения смолой пространства между и вокруг пучков (14) волокон для склеивания каждого из указанных пучков (14).
Матричным материалом может служить любой термоотверждающийся или термопластичный матричный материал, пригодный для использования в конкретной сфере применения. Термопластичные смолы, пригодные для использования согласно настоящему изобретению в описанных выше процессах формования включают в себя: полиэфиры (в том числе их сополимеры), например, полиэтилентерефталат; полиамиды; полиолефины с полипропиленом; полиэфирэфиркетон; и т.п. Пригодные для использования термоотверждающиеся смолы включают в себя фенольные смолы, эпоксидные смолы, винилэфирные смолы, полиуретан и ненасыщенные сложноэфирные смолы.
Композиционные материалы (26), армированные безуточной однонаправленной тканью, могут использоваться для производства изделий в самых разных отраслях. Например, такие композиционные материалы (26) могут применяться в ветровой энергетике для использования в лопастях ветряных турбин или в автомобилестроении.
Основные идеи настоящего изобретения были описаны выше, как в общем, так и применительно к различным вариантам осуществления изобретения. Хотя основные идеи заявленного изобретения были раскрыты в том, что можно назвать иллюстративными примерами его осуществления, представленное описание охватывает и содержит широкий спектр альтернативных вариантов, известных специалистам в данной области техники. Основные идеи настоящего изобретения не ограничены ничем кроме пунктов формулы изобретения, перечисленных ниже. Как понятно любому специалисту в данной области техники, проклеивающие составы, склеенные волокна и композиционные материалы, включающие такие волокна, согласно настоящему изобретению могут быть практически реализованы в самых разных примерах и способах осуществления заявленного изобретения, в явной форме не раскрытых в настоящем документе, путем внесения изменений в основные составы и способы в соответствии с принципами, обозначенными в этой заявке. В частности, концентрации и компоненты по различным примерам, приведенным ниже, могут быть объединены и изменены в рамках общих параметров композиционных материалов с тем, чтобы предоставить широкий спектр проклеивающих составов согласно заявленному изобретению. Таким образом, нижеприведенные примеры служат для того, чтобы наилучшим образом проиллюстрировать настоящее изобретение; при этом ни в коем случае не предполагается, что они ограничивают основные идеи заявленного изобретения.
Примеры
В приведенных ниже примерах описаны рабочие характеристики различных вариантов реализации безуточной однонаправленной ткани согласно настоящему изобретению.
Пример 1
Были подготовлены безуточные однонаправленные ткани путем выкладки стекловуали на одну из сторон пучков однонаправленных волокон. Связующее в безуточных однонаправленных тканях не использовалось. Одна из однонаправленных тканей содержала волокна диаметром 17 микрон, а другая однонаправленная ткань содержала волокна диаметром 24 микрон. Затем была использована смола на эпоксидной основе промышленного класса для формирования тканевого слоистого материала. Были также подготовлены сравнительные образцы, в которых вместо стекловуали было использовано уточное волокно. Дополнительными переменными факторами выступали пучки скрученного волокна в противовес пучкам волокон без скрутки, а также стекло Advantex от компании Owens Corning в противовес Н-стеклу от той же компании.
На фиг. 6 отображен модуль упругости при статическом растяжении в основном направлении выкладки волокон, приведенный к 50% объемного содержания волокон. Как видно на фиг. 6, безуточные однонаправленные ткани для стекла каждого типа (Advantex и Н-стекла) могут характеризоваться более высоким модулем упругости, чем сопоставимые ткани с уточными волокнами. Максимальный модуль упругости (около 45 ГПа) был выявлен в безуточных однонаправленных многослойных тканях, сформованных с использованием пучков нескрученных волокон из Н-стекла и основы в виде стекловуали.
На фиг. 7 проиллюстрирована усталостная прочность, как уточных, так и безуточных однонаправленных многослойных тканей, описанных выше, при коэффициенте нагрузки R=0,1 с прочностью при растяжении, приведенной к 50% объемного содержания волокон. Каждая метка на графике отображает разрыв после определенного числа логарифмических циклов. Испытание на усталостную прочность было проведено в соответствии с патентованным методом испытаний DTU, опубликованном в журнале Journal of Composite Materials (Бронштед и другие, Распространение усталостных повреждений в армированных однонаправленным стекловолокном композиционных материалах, выполненных из несминаемой ткани, Journal of Composite Materials, 13 сентября 2009 года). Примеры по фиг. 7 различаются по использованию стекловуали и уточных волокон в качестве материала основы. Кроме того, в график была включена стандартная однонаправленная трикотажная ткань (волокно Advantex), обозначенная сплошной черной линией.
Как видно из фиг. 7, вязаное переплетение трикотажной ткани ухудшает усталостные характеристики в сравнении как с уточной основой, как и основой в виде стекловуали. Кроме того, основа в виде стекловуали дополнительно улучшает рабочие характеристики в сравнении с уточной основой.
На фиг. 8 и 9 показаны макроскопические изображения, иллюстрирующие повреждение в слоистых материалах после прохождения ими испытаний на усталостную прочность. На фиг. 8 показано повреждение в однонаправленной многослойной ткани с уточной основой (36). Повреждение просматривается в виде белесых участков, неравномерно распределенных по всей поверхности многослойного материала (36). Эти участки повреждения становятся причиной преждевременного разрыва. Для сравнения на фиг. 9 проиллюстрировано повреждение в безуточной однонаправленной ткани (38) с нетканой стекловуалью, наложенной на одну сторону пучков однонаправленных волокон. Как показано на фиг. 9, повреждение равномерно распределено по всей площади многослойного материала (38), что снижает возможность преждевременного разрыва.
Пример 2
В другом примере сколлимированные пучки однонаправленного стекловолокна с зазорами между каждым соседним пучком были покрыты с обеих сторон клеящим составом на основе АПАО, который обладает высокой прочностью при растяжении и низкой остаточной липкостью. Затем полученные однонаправленные ткани были уложены в четыре слоя и пропитаны эпоксидной смолой под действием вакуума. После этого однонаправленный многослойный материал был подвергнут испытаниям на механические свойства в направлениях 0° и 90°, в том числе на модуль упругости при растяжении, прочность при растяжении, деформирование, прочность при межслойном сдвиге, изгибную прочность и модуль упругости при изгибе. Был также проведен динамомеханический анализ и измерены потери при прокаливании (LOI). В Таблице 2 ниже представлены результаты динамомеханических испытаний образцов, которые были подготовлены путем нанесения валиков клеящего вещества шириной около 1-2 мм с варьирующимся разделительным расстоянием (разносом) между полосами/валиками клея.
Как видно из Таблицы 2, объем используемой эпоксидной смолы уменьшается по мере увеличения объема клеящего вещества, а это указывает на то, что наличие клеящего вещества влияет на пропитку смолой в том смысле, что требуется меньше смолы. Кроме того, при уменьшении объема клеящего вещества и повышении содержания стекла повышается прочность при растяжении и модуль упругости слоистых материалов. Соответственно, необходимо найти баланс между объемом клеящего вещества и максимальной прочностью и модулем упругости слоистого материала.
Хотя в настоящем документе было описано лишь несколько предпочтительных вариантов и примеров осуществления заявленного изобретения, следует понимать, что возможны различные модификации конструкции в отношении размеров и формы, которые очевидны любому специалисту в данной области техники, и что такие модификации и изменения следует рассматривать как эквивалентные и входящие в объем описания и прилагаемой формулы настоящего изобретения.