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CN103906619A - 用于增强聚合物材料的织物结构 - Google Patents

用于增强聚合物材料的织物结构 Download PDF

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CN103906619A
CN103906619A CN201280052606.9A CN201280052606A CN103906619A CN 103906619 A CN103906619 A CN 103906619A CN 201280052606 A CN201280052606 A CN 201280052606A CN 103906619 A CN103906619 A CN 103906619A
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CN
China
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bundle
fabric structure
wires
bundles
substantially parallel
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Application number
CN201280052606.9A
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H·科内鲁斯
V·范瓦森霍夫
A·范拉埃雷
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Bekaert NV SA
Original Assignee
Bekaert NV SA
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Publication date
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Abstract

一种用于增强聚合物材料的织物结构。本发明涉及用于增强聚合物材料的织物结构(100)。织物结构在第一方向上包括布置在相互大致平行位置的多根束。束包括n根金属丝。束具有主轴线和非圆形横截面。对于束的每一根，特定束的n根金属丝与该特定束的主轴线基本平行地布置。结构还包括长形定位元件(106)以将束保持在相互大致平行位置并且保持特定束的n根金属丝与束的主轴线基本平行。本发明还涉及这样的织物结构的制造方法和织物结构在增强聚合物材料中的用途。

Description

用于增强聚合物材料的织物结构
技术领域
本发明涉及一种用于增强聚合物材料的织物结构。本发明还涉及一种制造这样的织物结构的方法。
此外，本发明涉及织物结构在增强聚合物材料例如热固性聚合物材料中的用途。
背景技术
用玻璃纤维和碳纤维增强聚合物材料在本领域中是已知的。这些材料具有高硬度和强度并且因此适合于增强聚合物材料，例如热塑性和热固性聚合物材料。
然而当玻璃纤维或碳纤维用于增强聚合物材料时，由于纤维的小直径导致浸渗速度(浸渍速度)低。
通过使用钢丝，浸渍速度由于钢丝的较大直径(相比于玻璃或碳纤维的直径)和在钢丝之间的较大空隙而显著地改善。
例如从US7,144,625、从US6,811,877和从WO2010/018225获知使用金属丝来增强聚合物材料。
US7,144,625描述由加捻在一起的金属丝制造的增强结构。这样结构的一个缺陷在于加捻丝没有在它们的全部强度上被使用。
US6,811,877描述由缠绕丝(更特别地由围绕平行丝缠绕的螺旋缠绕金属丝)缠绕在一起的基本直的平行丝的使用。缠绕丝分担不同平行丝之间的负荷。
WO2010/018225描述用金属元件增强的聚合物基质的制造方法。作为金属元件描述了多股金属丝或具有缠绕丝的金属元件。在多股结构中金属丝或丝组合以形成股，并且多个股被加捻、聚束或合股以形成多股结构。多股结构和具有缠绕丝的金属元件的缺陷是金属元件中、即金属元件的单独丝之间的聚合物材料的有限浸渍或渗透。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于增强聚合物制品、例如风力涡轮机叶片的织物结构。
本发明的另一目的是提供一种包括相互平行束的织物结构，由此在束中的丝处于平行位置而不使用缠绕丝或粘合剂。
本发明的另一目的是提供一种织物结构，其中在该织物结构的第一方向上的丝的全部强度被使用。
本发明的又一目的是提供一种允许浸透期间的聚合物的高渗透性的织物结构。
本发明的再一目的是提供一种允许在多层结构中的改善堆叠的织物结构。
根据本发明的第一方面提供一种用于增强聚合物材料的织物结构。织物结构在第一方向上包括布置在相互大致平行位置的多根束。每根束具有主轴线和非圆形横截面。更优选地，束具有非圆形、凸出横截面。
每根束包括多根丝。在束中的丝的数量被限定为n。
存在于特定束中的n根金属丝布置在与该束的主轴线基本平行的位置。
织物结构还包括长形定位元件，以将束保持在相互平行或相互大致平行位置并且将在特定束中的n根金属丝保持在与该束的主轴线基本平行的位置。
在优选实施例中，根据本发明的织物结构由n根金属丝组成。优选地，束的n根金属丝没有加捻、合股或聚束在一起。
对于根据本发明的结构必要的是不同束布置在相互平行位置或相互大致平行位置。
此外，在特定束中的丝处于基本平行位置。
束的相互平行或相互大致平行位置表示束的主轴线彼此平行或大致平行。
“大致平行”表示可以与彼此平行位置有一定偏离。然而，如果存在偏离，则与彼此平行位置的偏离小，即，小于5度并且更优选地小于3度甚至小于1.5度。
为了本发明的目的，“束”被限定为一组丝，更特别地为n根金属丝，由此n根丝与束的主轴线基本平行地定向。
“基本平行”表示束中的丝与该束的主轴线平行或大致平行并且在束的大部分长度上保持与该束的主轴线平行或大致平行。
在束的一些横截面处多根丝可以互换位置。然而，一旦多根丝已互换位置，则它们再次以这样的方式与束的主轴线平行或大致平行定向使得在束的大部分长度上丝与束的主轴线平行或大致平行定位。
优选地，束中的丝与束的主轴线平行或大致平行，并且丝在等于或大于金属丝的直径的20倍例如金属丝的直径的23倍的长度上保持与束的主轴线平行或大致平行。
更优选地，束中的丝与束的主轴线平行或大致平行，并且丝在等于或大于金属丝的直径的50倍例如金属丝的直径的100倍的长度上保持与束的主轴线平行或大致平行。
根据本发明，束中的金属丝处于基本平行位置。此外，根据本发明，即使金属丝彼此松散地关联并且在某种程度上相对于彼此可移动，在该织物结构的使用期间，束的金属丝保持在织物结构中的基本平行位置。
在根据本发明的织物结构中使用的束的金属丝没有加捻、合股或聚束在一起。
此外重要的是要强调在根据本发明的织物结构的第一方向上的所有金属丝处于相互大致平行位置而不使用缠绕丝，即，围绕金属丝螺旋地缠绕的元件，或不使用粘合剂，即，粘合束的金属丝的制剂。
束中和由这样的束制造的织物结构中的金属丝的基本平行且松散关联布置允许束的金属丝之间的聚合物材料的容易浸渍或渗透。这是本发明的织物结构优于现有技术的织物结构的主要优点，现有技术的织物结构例如包括加捻、合股或聚束的束或者包括具有缠绕丝或包括粘合剂的束。
由于金属丝的束相互大致平行并且由于特定束中的金属丝与束的主轴线基本平行，因此根据本发明的织物结构的不同束的所有金属丝相互大致平行。
由于在织物结构的第一方向上的所有金属丝处于相互大致平行位置，因此在织物结构的第一方向上的所有金属丝全部有助于结构的强度。这与本领域中已知的包括金属丝的织物结构、例如包括加捻丝或具有缠绕元件的丝的织物结构(其中并非所有丝全部有助于织物结构的强度)形成对比。
在根据本发明的织物结构中的束包括n根金属丝，n在2到85、更优选地在5到21的范围内，例如6、12或14。
在根据本发明的织物结构中的不同束可以包括相同数量的金属丝。替代地，根据本发明的织物结构可以包括具有不同数量丝的不同束。
在根据本发明的织物结构中的不同束可以具有相同或相似的横截面。替代地，根据本发明的织物结构可以包括具有不同横截面的不同束。
根据本发明，束具有非圆形横截面，优选为非圆形、凸出的横截面。
“凸出”横截面表示具有向外弯曲或鼓起的形状的横截面。
作为非圆形横截面，可以考虑不为圆形的任何横截面。优选的横截面是扁平横截面、卵形横截面、椭圆形横截面、矩形横截面和长斜方形横截面。
在束具有扁平的、卵形或椭圆形横截面的情况下，束的高度H与束的宽度W的比率小于1，优选地小于0.79乃至小于0.66。
通过使用具有非圆形、扁平的或卵形横截面的束，一堆不同织物结构中的堆积密度明显增加。
为了确定丝的束的横截面并且确定束的高度H和宽度W，根据本发明的织物结构嵌入聚合物材料、例如热固性聚合物材料中，并且例如通过光学显微镜检查横截面。
确定丝的束的横截面、高度H和宽度W的更详细方法包括以下步骤：
将待检查的织物结构定位在保持器中。织物结构例如夹紧在保持器中使得织物结构可以在其自身重量下悬挂。
通过将织物结构的一定长度浸泡在包括聚合物(例如热固性树脂)的槽中将织物结构的一部分嵌入聚合物中。浸泡在槽中的织物结构的长度例如为2cm。在优选方法中织物结构浸泡在包括聚乙二醇的槽中。
在固化之后，例如通过光学显微镜检查嵌入聚合物中的织物结构的横截面。可能优选的是例如在一半高度处切割固化聚合物或磨削固化聚合物以获得最佳横截面以便进一步检查。
优选地，根据本发明的在织物结构的第一方向上的不同束位于一个平面中。
如上所述，束的金属丝基本平行。在根据本发明的织物结构的优选实施例中，织物结构包括n根金属丝的至少一根束，其中在该束的至少一个横截面中，m根金属丝互换位置。
然而，显然束的n根丝保持在束的长度上与束的主轴线基本平行。
数量m大于或等于2。优选地，数量小于n，原因是束的所有丝同时在束的同一横截面中改变位置不是优选的。
具有多个m根丝在束的至少一个横截面中互换位置的束的优点在于避免相邻丝之间的长线路接触。这确实地影响束中、即束的金属丝之间的聚合物材料的浸渍或渗透。
可能的是在织物结构中的所有束具有在束的至少一个横截面中互换位置的多个m根丝。然而，也可能的是织物结构的仅仅一个束或仅仅几个束具有在至少一个横截面中互换位置的多个m根丝。
在一个以上束包括互换位置的丝的情况下，对于不同的束，数量m可以相同或者可以不同。
互换位置的丝的数量m可以在束的长度上是恒定的，即，在不同横截面中是恒定的，其中m根丝互换位置或丝的数量m可以在束的长度上变化。
在束的多个m根丝在束的不同横截面中互换位置的情况下，优选地m根丝在束的长度上以不规则间隔互换位置。
金属丝
任何金属可以用于提供金属丝。优选地，金属丝包括钢丝。钢例如可以包括高碳钢合金、低碳钢合金或不锈钢合金。
金属丝具有优选地在0.04到1mm的范围内的直径。更优选地，金属丝的直径在0.07到0.75mm的范围内，例如0.10或0.21mm。
束的所有金属丝可以具有相同直径。替代地，束可以包括具有不同直径的金属丝。
金属丝优选地具有圆形横截面，但是也可以考虑具有其它横截面的金属丝、例如扁平金属丝或具有方形或长方形横截面的金属丝。
金属丝可以是无涂层的或者可以涂覆有合适涂层，例如提供防腐蚀涂层或保证金属丝和聚合物材料之间的充分附着的涂层。
合适涂层包括锌或锌合金涂层，例如锌黄铜涂层、锌铝涂层或锌铝镁涂层。另外合适的锌合金涂层是包括2到10％的Al和0.1到0.4％的稀土元素例如La和/或Ce的合金。
对于本领域的技术人员而言，显然涂层例如提供防腐蚀涂层或确保金属丝和聚合物材料之间的充分附着的涂层可以施加到丝上。然而，也可能的是涂层施加到金属丝的束上。束中的金属丝的松散布置有利于束中、即束的不同金属丝之间的涂层的渗透。
长形定位元件
作为长形定位元件可以考虑适合于将束中的金属丝保持在大致平行位置的任何元件，金属定位元件以及非金属定位元件。
优选地，长形定位元件包括非金属长形定位元件。非金属长形定位元件的例子包括聚合物丝或聚合物纱，例如聚酯丝或聚酯纱。特定例子包括具有0.2mm的直径的高模量低收缩聚酯的单丝、220分特的纺纱或它们的组合。另外的例子包括167分特的多丝纱。
也可以考虑由玻璃纱构成的玻璃丝。
优选地，在根据本发明的织物结构中的长形定位元件的量小于织物结构的5vol％。更优选地，长形定位元件的量小于织物结构的3vol％或小于2vol％。在一些实施例中，长形定位元件的量小于1vol％，例如小于0.5vol％。
长形定位元件的量用vol％表示并且等于特定长度的织物结构中的长形定位元件所占据的体积除以该特定长度的织物结构所占据的体积然后再乘以100。织物结构所占据的体积等于织物结构的总体积，即，束的金属丝所占据的体积、长形定位元件所占据的体积和在其它元件例如粘合经丝在织物结构中的情况下该其它元件所占据的体积的总和。
由于在根据本发明的织物结构中的长形定位元件的量小于织物结构的5vol％，相应地小于3vol％或2vol％，因此在织物结构的第一方向上的束的量(和因此平行金属丝的量)可以高于织物结构的95vol％(＝100-5vol％)，相应地高于97vol％(＝100-3vol％)或98vol％(＝100-2vol％)。
根据本发明的织物结构中的金属丝的体积百分比远高于在包括具有缠绕丝的束的织物结构的情况下的体积百分比。作为例子如果0.1mm的缠绕丝围绕具有0.21mm的直径的7个丝的束缠绕，则非平行金属丝的体积百分比增加至少3vol％。在0.1mm的缠绕丝围绕具有0.21mm的直径的12个丝的束缠绕的情况下，非平行金属丝的体积百分比增加1.8vol％。
在优选实施例中，束位于织物结构的第一方向上，而定位元件位于织物结构的第二方向上。
根据本发明的织物结构例如可以包括机织或针织结构。
机织结构的例子包括机织结构，其中束在经向上，定位元件在纬向上。
机织结构的替代例子包括机织结构，其中束在纬向上，定位元件在经向上。
对于机织结构，可以考虑不同机织技术以及不同机织图案。
机织结构可以在机织技术上以及在机织图案上不同。机织结构例如是一种结构，其中丝的束通过平纹机织图案或锻纹型图案连接。机织结构可以具有带完整织边的图案。替代地可以考虑带机织型结构。特定例子包括锻纹型图案以连接织布机上的束，其中特定织边被设计成获得良好操作和到增强结构的其它部分的过渡。
优选的针织结构是经针织结构。
聚合物材料
聚合物材料可以是热塑性或热固性聚合物材料。
热塑性材料表示任何热塑性或弹性体聚合物。合适的热塑性材料的例子是：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚氯乙烯(PVC)、聚酯、聚酰胺(PA)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、苯乙烯丙烯腈(SAN)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、热塑性聚氨酯(TPU)、热塑性聚烯烃(TPO)、热塑性共聚醚酯、阴离子聚酰胺(APA)、这些聚合物的共聚物或类似材料。合适的热固性聚合物材料的例子包括环氧树脂、(不饱和)聚酯、乙烯酯、聚氨酯和它们的共聚物。
根据本发明的第二方面提供一种用于增强聚合物材料的织物结构的制造方法。
方法包括以下步骤：
将处于彼此大致平行位置的由n根金属丝构成的多根束引入机器中以制造织物结构。每根束具有主轴线；
制造织物结构，由此使用长形定位元件将束保持在所述织物结构中的相互大致平行位置并且保持特定束的所述n根金属丝与所述束的主轴线基本平行。
引入机器中以制造织物结构的束的n根金属丝不加捻、合股或聚束。此外n根金属丝的束不包括缠绕丝或粘合剂。
当将束引入机器中以制造织物结构时，束的n根金属丝与束的主轴线基本平行。
制造织物结构的机器可以包括机织机或针织机、例如经编机。
在制造方法包括机织的情况下，大致平行丝的束可以作为经纱或作为纬纱进给到机织机中。在优选方法中，束作为经纱进给到机织机中。根据合适的机织图案和选定的聚束，束的穿经例如在综片中和在筘中进行。通过插入纬纱，长形定位元件被放置，梭口关闭，并且新梭口打开，下一个纬纱插入其中。
在针织的情况下，基本平行丝的束例如可以在经向上进给到经针织机中。金属丝的束由此优选地放置在缝针之间。当针法栏根据选定图案移动时，金属丝的束可以由针迹材料连接。针迹材料由此形成针织结构的长形定位元件。
根据本发明的第三方面提供织物结构在增强聚合物材料中的用途。如上所述的织物结构特别适合于增强需要高拉伸强度和高压缩强度的结构部分。根据本发明的织物结构例如适合于增强风力涡轮机叶片或增强撞击敏感部分例如用于汽车应用的防撞梁。
增强制品例如通过真空灌注、真空辅助树脂传递模塑、树脂传递模塑、预浸模塑、挤出、拉挤成型、注射模塑、树脂注射模塑或本领域中已知的任何其它技术获得。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1是根据本发明的织物结构的第一实施例的示意图；
图2显示存在于图1中所示的织物结构中的束的典型横截面；
图3是根据本发明的织物结构的第二实施例的示意图；
图4是根据本发明的织物结构的第三实施例的示意图。
具体实施方式
将关于特定实施例并且参考某些图描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅仅由权利要求限定。所述的图仅仅是示意性的并且是非限制性的。在图中，为了示例目的一些元件的尺寸可以放大并且未按比例绘制。尺度和相对尺度不对应于本发明的实践的实际还原。
图1是根据本发明的织物结构100的示意图。织物结构100包括在经向102上具有多根束104的机织结构。每根束102包括具有直径0.21mm的12根钢丝110。
纬向106包括聚酰胺单丝(70特克斯)108。在织物结构100中的单丝的比率为大约2vol％。
织物结构100具有平纹机织图案。
图1中所示的织物结构100具有0.58mm的厚度。
图2显示存在于图1中所示的织物结构100中的束104的可能横截面。束104包括12根钢丝110。束具有扁平横截面。
图3显示根据本发明的织物结构300的另一实施例。织物结构300包括在经向302上具有多根束304的机织结构。每根束304包括12根钢丝310。经向302还包括在钢丝的两个束304之间的粘合经丝305。纬向306包括长形定位元件。在织物结构300中的非钢丝的比率为3.8vol％。
图4显示针织结构400。针织结构400包括布置在相互大致平行位置的多根束402。
在针织结构中，束402插进针迹线440处的针迹圈420中。该例子中所示的织物针迹为经编构造。

Claims (10)

1.一种用于增强聚合物材料的织物结构，所述织物结构在第一方向上包括在相互大致平行位置布置的多根束，
所述束包括n根金属丝，所述束具有主轴线和非圆形横截面，
对于每根所述束，特定束的所述n根金属丝与所述特定束的主轴线基本平行地布置，
所述织物结构还包括长形定位元件，以将所述束保持在相互大致平行位置并且保持特定束的所述n根金属丝与所述束的主轴线基本平行。
2.根据权利要求1所述的织物结构，其中所述束由n根金属丝组成，所述n根金属丝没有加捻、合股或聚束在一起。
3.根据权利要求1或2所述的织物结构，其中所述束的横截面是扁平的、卵形、椭圆形、矩形或长斜方形横截面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的织物结构，其中所述织物结构包括由n根金属丝构成的至少一根束，其中在所述至少一根束的至少一个横截面中，多个m根金属丝互换位置，所述束的所述n根金属丝由此保持与所述束的所述主轴线基本平行的位置。
5.根据权利要求4所述的织物结构，其中m大于或等于2并且小于n。
6.根据前述权利要求中任一项所述的织物结构，其中在所述织物结构中的长形定位元件的量小于所述织物结构的5vol％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的织物结构，其中所述织物结构是机织结构。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的织物结构，其中所述织物结构是针织结构。
9.一种制造根据权利要求1至8中任一项所述的织物结构的方法，所述方法包括以下步骤：
将处于相互大致平行位置的n根金属丝的多根束引入机器中以制造织物结构，每根所述束具有主轴线；
制造织物结构，由此使用长形定位元件将束保持在所述织物结构中的相互大致平行位置，并且保持特定束的所述n根金属丝与所述束的主轴线基本平行。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的织物结构在增强聚合物材料中的用途。
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