利用玻璃纖維束的壓模和注模應用的制作方法

專利名稱：利用玻璃纖維束的壓模和注模應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及可以用作使用于壓模或注模應用中的普通玻璃形態的替換的短切玻璃纖維束和形成這樣的短切玻璃纖維束的方法。根據本發明的短切玻璃纖維束的例子通常描述在附

圖1中。如附圖1所示，短切的玻璃纖維束10由多個具有直徑16和長度14的單個玻璃纖維12形成。單個玻璃纖維12在基本互相平行的方向上在致密編織或“成束”結構中定位。在這里使用時，術語“基本平行”意欲表示單個玻璃纖維12互相平行或接近平行。
用于形成短切纖維束的玻璃纖維可以是任何類型的玻璃纖維，例如A類型玻璃纖維、C類型玻璃纖維、E類型玻璃纖維、S類型玻璃纖維、E-CR類型玻璃纖維(例如從Owens Corning市場上可獲得的

玻璃纖維)、羊毛玻璃纖維或它們的組合。在至少一個優選的實施例中，玻璃纖維是濕用的短切股玻璃纖維(WUCS)。濕用的短切股玻璃纖維可以由現有技術的傳統工藝形成。濕用的短切股玻璃纖維具有從大約5％到大約30％的含水量是期望的，更期望具有從大約5％到大約15％的含水量。
在纖維束10中使用其它加強纖維例如天然纖維、礦物纖維、碳纖維、陶瓷纖維，和/或例如聚酯、聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚丙烯和/或聚對苯二甲酰對苯二氨(作為

商業銷售)之類的合成纖維被認為是在本發明的范圍內。在這里使用時，術語“天然纖維”意欲表示從植物任何一部分提取的植物纖維，包括但不限于莖、種子、葉子、根、韌皮或植韌皮部。但是，束10中所有的纖維都是玻璃纖維是優選的。
應當認識到這里參考的是本發明的優選實施例的玻璃纖維束12。但是，完全由玻璃以外的加強纖維，例如上面列出的天然和合成纖維的任一個來形成本發明的纖維束也在本發明的范圍內。此外，也應當認識到纖維束可以由玻璃纖維和熱塑性纖維的組合形成。例如，玻璃纖維坩鍋和熱塑性纖維坩鍋可以被非常近地放置，玻璃纖維和熱塑性纖維可以按照下面描述的被一起撥出，接著被短切并干燥(例如在線的)以得到混合的纖維束。這種混合的玻璃/熱塑性束可以被船運和模制而不需要任何附加的添加劑以形成玻璃加強合成物。
在一個示例性實施例中，通常在附圖2中所示，形成短切的玻璃纖維束10的工藝包括形成玻璃纖維(步驟20)，向玻璃纖維涂敷膠料成分(步驟22)，分開纖維以獲得期望的束特克斯(bundle tex)(步驟24)，把濕纖維股短切成離散的長度(步驟26)，并干燥濕股(步驟28)以形成短切玻璃纖維束。
正如附圖3中更加詳細顯示的，玻璃纖維12可以通過從坩鍋或口30中變細熔化玻璃材料流(未示出)而形成。變細的玻璃纖維12具有大約6微米到大約30微米的直徑，優選地為大約10微米到大約16微米。在玻璃纖維12從坩鍋30中撥出之后，水狀的膠料成分被施加到玻璃纖維12。膠料可以通過常規的方法例如通過附圖3中所示的涂敷輥32涂敷，或者通過把膠料直接噴灑到纖維(未示出)上而涂敷。膠料保護玻璃纖維12在下面的加工中免于斷裂，有助于延緩細絲之間的磨損，并保證玻璃纖維股的完整性，例如，形成股的玻璃細絲的互相連接。在本發明中，在玻璃纖維束10的形成和后續加工過程中，例如在壓模或注模工藝中，玻璃纖維12上的膠料也保持束的完整性。
施加到玻璃纖維12上的膠料成分包括一種或多種成膜劑(例如聚氨酯成膜劑、聚酯成膜劑和/或環氧樹脂成膜劑)、至少一種潤滑劑和至少一種硅烷偶聯劑(例如氨基硅烷或甲基丙烯酰氧基硅烷偶聯劑)。當需要時，例如乙酸、硼酸、偏硼酸、丁二酸、檸檬酸、蟻酸和/或聚丙烯酸之類的弱酸可以添加到膠料成分以參與硅烷偶聯劑的水解。膠料成分可以以干燥纖維的從大約0.05％到大約10％的燒失量(LOI)施加到玻璃纖維12上。LOI被定義為沉積在玻璃纖維表面上的有機固體物質的百分比。
成膜劑是在玻璃纖維12之間產生改善的粘附力的介質，這導致改善的股完整性。用在本發明的合適的成膜劑包括聚氨酯成膜劑、環氧樹脂成膜劑和不飽和聚酯樹脂成膜劑。成膜劑的特殊例子包括但不限于例如Neoxil 6158(從DSM可得到)之類的聚氨酯分散體；例如Neoxil2106(從DSM可得到)、Neoxil 9540(從DSM可得到)和Neoxil PS4759(從DSM可得到)之類的聚酯分散體；和例如PE-412(從AOC可得到)、NX 9620(從DSM可得到)、Neoxil 0151(從DSM可得到)、Neoxil 2762(DSM)、NX 1143(從DSM可得到)、AD 502(從AOC可得到)、Epi Rez 5520(從Hexion可得到)、Epi Rez 3952(從Hexion可得到)、Witcobond W-290H(從Chemtura可得到)和Witcobond W-296(從Chemtura可得到)之類的環氧樹脂分散體。成膜劑可以以膠料中的活性固體的重量的約5％到95％存在于膠料成分中，優選為活性固體重量的大約15％到大約95％，更優選為活性固體重量的大約40％到大約80％。
膠料成分也包括一種或多種硅烷偶聯劑。硅烷偶聯劑在后續加工過程中提高了成型劑對玻璃纖維12的附著力并減少了起毛或斷裂纖維細絲的程度。可以用在本膠料成分的硅烷偶聯劑的例子的特征在于具有氨基、環氧基、乙烯基、甲基丙烯酰氧基、脲基、異氰酸根和azamido的官能團。用在膠料成分中的合適的偶聯劑的非限制性例子包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷(從General Electric可以得到的A-1100)、甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(從General Electric可以得到的A-174)、n-苯基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(從GeneralElectric可以得到的Y-9669)、polyazamide silylated aminosilane(從General Electric可以得到的A-1387)、雙-(α-trimethoxysilylpropyl)胺(從General Electric可以得到的A-1170)和雙硅烷(從General Electric可以得到的Y-9805)。硅烷偶聯劑可以以按重量計膠料成分中的活性固體的大約0.05％到大約80％的量存在于膠料成分中，優選為按重量計活性固體的大約1.5％到大約15％的量，更優選為按重量計活性固體的大約3％到大約15％的量。
此外，膠料成分還可以包括至少一種潤滑劑以利于制造。潤滑劑可以以按重量計膠料成分中的活性固體的大約0到大約15％的量存在于膠料成分中。優選地，潤滑劑按重量計占活性固體的大約0.05％到大約10％的量。盡管任何合適的潤滑劑都可以被使用，適合在膠料成分中使用的潤滑劑的例子包括但不限于以商標名稱Lubesize K-12出售(從AOC可以得到)的硬脂乙醇氨；PEG 400 MO，具有大約400環氧乙烷官能團的一油酸酯(從Cognis可以得到)；和Emery 6760L聚乙烯亞胺聚酰胺鹽(從Cognis可以得到)。此外，例如Emerest 2620、Emerest 2634、Emerest 2648、Emerest 2640、Emerest 2661、Emerest 2326、Tridet 2644、Emerlube 7440、Tryfac 5552、Tryfac5576、

5941、

5993-A、

5950、

5999、

5971、

5964(所有這些都可以從Cognis商業上得到)、Citroflex A4(從Morflex可以商業上得到)、LONZEST SMS和LONZEST SMS-20(都從Lonza Chemical Company可以得到)和/或Paraffin 2280(從Adert商業上可以得到)之類的添加劑可以添加到膠料成分以在進一步加工步驟中(例如在顧客設備中)改善玻璃纖維束的潤濕。
已經發現某些化學結合的族在使短切的玻璃纖維束10在后面加工過程中保持束形式上尤其有效。例如基于氨基甲酸乙酯的成膜劑分散體與氨基硅烷結合，諸如，例如γ-氨丙基三乙氧基硅烷(由GeneralElectric作為A-1100出售)在膠料成分中對于把單個玻璃纖維12束在一起有效。加入例如氨基甲酸乙酯-丙烯酸或聚氨基甲酸乙酯-丙烯酸合金例如Witcobond A-100之類的添加劑到基于氨基甲酸乙酯的膠料成分也已經被發現有助于維持束的完整性。也已經發現例如Celenese 2828之類的聚乙酸乙烯酯與例如Witcobond W-290H或W-296之類的氨基甲酸乙酯成膜劑結合對于保持束的完整性好用。
此外，基于環氧基的成膜劑分散體與環氧固化劑結合是用在本發明中有效的膠料成分。特別是，可以從Resolution PerformanceProducts得到的例如Epi-Rez 5520之類的基于環氧基的成膜劑和例如DPC-6870之類的環氧固化劑形成了有效的膠料成分，尤其是與例如甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(從General Electric可以商業得到的A-174)之類的甲基丙烯酰氧基硅烷結合時更為有效。
更進一步，不飽和聚酯樹脂成膜劑已經被發現在形成有用的膠料成分上是有效的。例如，例如PE-412(已經在水中乳化的苯乙烯中的不飽和聚酯(AOC))或Neoxil PS 4759(從DSM可以得到)之類的不飽和聚酯樹脂成膜劑是用在本發明中的有效的膠料。不飽和聚酯成膜劑可以單獨使用或者結合例如Benox L-40LV (Norac公司)之類的過氧化苯甲酰固化促進劑使用。過氧化苯甲酰固化促進劑催化了不飽和聚酯樹脂的固化(交聯)并致使玻璃纖維周圍的膜防水。
膠料成分可以任意地包含傳統的添加劑，其包括例如Drew L-139(從Ashland Chemical的分部Drew Industries可以得到)之類的消泡劑、例如Emerstat 6660A(從Cognis可以得到的)之類的抗靜電劑、例如Surfynol465(從Air Products可以得到的)、Triton X-100(從Cognis可以得到的)之類的表面活性劑和/或增稠劑。添加劑可以從微量(例如按重量計算占活性固體的大約0.1％)直到按重量計算占活性固體的大約5％存在于膠料成分中。
現在回到附圖3，在玻璃纖維12利用膠料成分處理后，它們被聚集并分成具有特定的、期望的單個玻璃纖維12的纖維股36。分離機導向板34把變細的、上膠的玻璃纖維分成纖維股36。在短切纖維股36之前，玻璃纖維股36選擇性地通過第二分離機導向板(未示出)。出現在纖維股36中的單個玻璃纖維12的特定數量(以及因此玻璃纖維12的分離數量)將取決于短切玻璃纖維束10的具體應用和坩鍋上出現的口的數量(例如2000或多達5800個口出現在坩鍋中)而改變。例如，假定坩鍋具有用于變細玻璃纖維的4000個口，將需要把變細的玻璃纖維分成40道以獲得包含100纖維的玻璃纖維束。玻璃纖維的具體束的束特克斯取決于形成束的玻璃纖維的直徑。在上面給出的纖維束包含100單個玻璃纖維的例子中，如果玻璃纖維的纖維直徑為12微米，計算的束特克斯為29。如果纖維直徑為16微米，計算的束特克斯為51g/km。把玻璃纖維12分成具有特定數量的單個纖維以獲得大約5g/km到大約500g/km優選為大約30g/km到大約50g/km的纖維束是值得期望的。
纖維股36可以從聚集導向板38傳遞到切碎機40/余切60組合，在這里它們被切成具有大約0.125到大約3英寸長度優選為大約0.25到大約1.25英寸長度的濕短切玻璃纖維束42。濕短切玻璃纖維束42落到輸送器44(例如多孔的輸送器)上以輸送到干燥爐46。可供選擇地，濕的短切玻璃纖維束42可以濕著收集并存儲在容器(未示出)中以在以后使用。
在通常顯示在附圖3a的又一個替換實施例中，形成玻璃纖維(步驟90)，涂敷膠料成分(步驟92)，和分開玻璃纖維以獲得期望的束特克斯(步驟94)。接著把濕纖維股短切成期望的長度(步驟96)并濕著收集(步驟98)。短切的玻璃纖維濕束接著收集在容器中(步驟100)，并且包含短切的玻璃纖維濕束的容器被通過例如介電爐之類的干燥爐以一起干燥短切的纖維股。該容器接著被運往座墊制造廠或在壓模或注模應用中使用短切的玻璃纖維的顧客。
如附圖3所示，許多束的濕的上膠的短切纖維束42接著被干燥以固定或固化膠料成分。優選地，濕的纖維束42在例如傳統介電(RF)爐、例如

爐(從Owens Corning可得到)之類的流化床烘箱、或者旋轉托盤熱烘箱這樣的烘箱中干燥以形成短切的玻璃纖維束10。干燥的短切的玻璃纖維束10接著被收集在收集容器48內。在示例性實施例中，超過(或等于)大約99％的自由水(也就是短切纖維束42外部的水)被去除。但是，基本上所有的水由干燥爐46去除是期望的。應當認識到這里使用的術語“基本上所有的水”意欲表示來自纖維束42的全部或接近全部自由水被去除。
在至少一個示例性實施例中，濕的纖維束42在傳統介電(RF)爐中被干燥。介電爐包括在接連反向充電的電極之間產生交替高頻電場的間隔開的電極。濕的玻璃纖維束42通過電極之間并穿過電場，在這里高頻電場作用以激活水分子并把它們的分子能提高到足以導致濕的短切纖維束42蒸發的程度。
介電干燥濕玻璃纖維束42提高了纖維-纖維的結合力并降低了束-束的附著力。介電能均勻地穿透濕的短切玻璃纖維束42并導致水迅速地蒸發，這有助于保持濕的玻璃束42互相分離并減少或消除“大塊”，在“大塊”這里，一束纖維束上的膠料與鄰近束的纖維混合以致于當纖維上的膠料干時，纖維束作為大塊纖維粘接在一起。在傳統的熱干燥中，膠料從外向內干燥，因此，纖維束之間的接觸將傾向于互相粘附地膠結在一起。
盡管不希望被理論束縛住，但是相信在本發明中包含在束42內的水是以導致膠料首先通過毛細作用進入束內部然后固化的方式被驅趕出來，這允許束42保持為單個束的形式。
此外，介電爐允許濕的玻璃纖維束42被干燥而不使用從濕纖維去除水分常規需要的纖維攪拌的主動方法。這種攪拌的缺失降低或消除了纖維的摩擦或磨損，而在傳統的流化床和拖盤干燥爐中，由于爐內的高的空氣流動速度和床內的纖維材料的機械運動，纖維的摩擦或磨損很常見。此外，缺少攪拌大大增加了介電爐保持玻璃纖維成束的能力，而且不像侵蝕性的傳統熱工藝中那樣會把玻璃纖維股變細。此外，與傳統的熱爐相比，介電爐允許濕的玻璃纖維束42在更短的時間段內并在更低的溫度內干燥。此外，利用介電干燥的玻璃纖維束生產的產品的最終顏色比利用傳統熱干燥玻璃纖維生產形成的產品白。
在替換的實施例中，濕的短切的玻璃纖維束42在例如

爐之類的流化床烘箱或者在旋轉托盤熱烘箱中干燥。在

干燥爐和旋轉托盤熱烘箱中，濕的短切玻璃纖維束42被干燥，而纖維上的膠料成分利用具有控制溫度的熱空氣流被固化。干燥的纖維束10接著被傳遞通過篩以在短切的玻璃纖維束10被收集之前去除長的起毛的球粒和其它不想要的物質。此外，在

和旋轉托盤熱烘箱中典型地發現的高的爐溫度允許膠料迅速固化到減少不成熟細絲化出現的非常高的固化水平(程度)。
在通常附圖4描述的用于生產短切玻璃纖維束的本發明的另一個實施例中，玻璃纖維12從坩鍋30變細。如上面詳細描述的水狀的膠料成分被施加到變細的玻璃纖維12上以形成濕的上膠的玻璃纖維50。膠料可以通過常規的方法例如外部涂敷輥32涂敷，或者通過把膠料直接噴灑到纖維(未示出)上而涂敷。把膠料涂敷器布置在傳熱室52內認為在本發明的范圍內。濕的上膠的玻璃纖維50接著進入傳熱室52內，并且周圍的空氣從坩鍋30周圍吸入傳熱室52的最上端54。
如附圖4所示，傳熱室52在上膠涂敷器32下面延伸并且被定位使傳熱室52的最遠端54足夠靠近坩鍋30以便吸入傳熱室52的最遠端54的空氣由坩鍋30產生的極端熱量加熱。此外，傳熱室52基本上環狀置于上膠玻璃纖維50的周圍，以便加熱的空氣蒸發存在于濕玻璃纖維50的膠料成分中的任何水或溶劑。傳熱室52從上膠涂敷器32向下延伸足以干燥或基本干燥濕的上膠玻璃纖維50的距離。在優選實施例中，玻璃纖維50的含水量少于大約0.05％。濕的玻璃纖維50穿過傳熱室52并如干燥的玻璃纖維56那樣離開該室52。這樣的絕熱過程在Flautt等人的美國專利US 5,055,119中進行了詳細描述。
干燥的上膠玻璃纖維56接著被聚集并分成具有特定的、期望的單個玻璃纖維12的干燥的纖維股58。分離機導向板34把干燥上膠的玻璃纖維56分成干燥的纖維股58，其接著可以通過聚集導向板38聚集成為用于短切的單個繩59。應當認識到分離機導向板34可以被內部(未示出)定位在傳熱室52內，以便在離開傳熱室52之前把濕的玻璃纖維50分成纖維股。在這種情況下，聚集導向板38可以或可以不布置在傳熱室52內。也應當認識到分離機導向板34可以定位在上膠涂敷器32和傳熱室52之間，以便在進入傳熱室52(未示出)之前分開玻璃纖維12。
結合的玻璃纖維股的繩59由傳統的余切60和切碎機40的組合短切以形成干燥的短切的纖維束10。惰輪65可以布置在余切60的附近以調節余切60上的股張力。正如上面描述的，干燥的短切的纖維束10具有大約0.125英寸到大約3英寸長度，優選為大約0.25英寸到大約1.25英寸長度。在至少一個優選實施例中，干燥上膠的玻璃纖維56被分成具有從大約20g/km到大約200g/km優選為大約30g/km到大約50g/km束特克斯的干燥的纖維束58。干燥、短切的玻璃纖維束10落到收集容器48上以儲存或放置在輸送器上以在線形成短切的股墊(沒有闡述實施例)。在替換的實施例中，干燥、短切的玻璃纖維束10可以放置在輸送器(未示出)上以輸送到傳統介電(RF)爐、例如

爐(從Owens Corning可得到)之類的流化床烘箱、或者旋轉托盤熱烘箱中以進一步干燥纖維束10。
在使用時，干燥的短切的玻璃纖維束10可以用在各種壓模和注模應用中。例如，根據本發明的短切的玻璃纖維束可以用在形成片材模塑料(SMC)、塊狀模塑料(BMC)、手工敷層應用、噴敷成型應用、擠壓應用、注模工藝、壓模工藝和旋轉模制工藝中。此外，短切的玻璃纖維束10可以用于產生合成物物品和初加工的產品，它們可以用在例如樹脂傳遞模制(RTM)和真空輔助樹脂傳遞模制(VARTM)之類的浸漬模制應用中或例如加強反應注模(RRIM)和結構反應注模(SRIM)之類的反應注模應用中。
使用玻璃纖維束10的一個例子是壓模片材模塑料(SMC)或塊狀模塑料(BMC)。因此，在本發明的至少一個方面，纖維束10有利地可以用作片材模塑料和塊狀模塑料的增強層。例如，在形成片材模塑料時，成束的玻璃纖維10可以放置在一層例如為不飽和聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂之類的熱固性聚合物薄膜之上，其布置在具有非粘附表面的第一運載片材上。包含第二層熱固性聚合物薄膜的第二非粘附運載片材可以以這樣的方向布置在玻璃纖維束10上，以便第二聚合物薄膜接觸成束的玻璃纖維10并形成聚合物薄膜/成束玻璃纖維/聚合物薄膜的夾層材料。第一和第二熱固性聚合物薄膜層包括樹脂和例如填充劑、顏料、紫外穩定劑、催化劑、起爆劑、抑制劑、脫模劑和/或增稠劑在內的添加劑。此外，第一和第二聚合物薄膜可以相同或互相不同。這種夾層材料接著被利用例如壓實輥之類的輥子攪拌，以便在整個合成的SMC材料上基本均勻地分別聚合樹脂基料和玻璃纖維束10。在這里使用時，術語“基本均勻分布”表示均勻分布或接近均勻分布。SMC材料接著被存儲大約2-3天以允許樹脂增稠和成熟到目標粘度。
包含玻璃纖維束10的成熟SMC材料(也就是已經達到目標粘度的SMC材料)或塊狀模塑料可以在壓模工藝中被模制以形成復合制品。成熟SMC材料或塊狀模塑料可以被放入一半具有最終產品期望形狀的匹配的金屬模子中。在壓模片材模塑料中，第一和第二運載片材典型地從成熟SMC材料去除，而且成熟的SMC材料可以被切成具有放入模子中確定大小(電荷)的塊。該模子被封閉并加熱到升高的溫度并提升到高的壓力。這種高熱量和高壓力的組合導致SMC或BMC材料流動并填滿模子。基質樹脂接著交聯或固化以形成最終的熱固性模制合成物部分。
SMC材料可以用于形成在大量應用中的各種合成物產品，例如在汽車應用中包括形成門心板、裝飾襯板、外部本體嵌板、負荷地板、緩沖器、前部端部、車身底板防護罩、汽車踏腳板、天棚、儀表板結構和門內部。此外，SMC材料可以被用于形成籃球籃板、盆和淋浴間、水槽、部分農業設備、柜、存儲箱和冷藏箱汽車。塊狀模塑料材料可以用于形成相對于SMC材料與上面列出的那些物品類似的物品，以及物品例如儀器柜、電腦箱、家具和例如柱之類的建筑部件。
可供選擇地，玻璃纖維束10可以與熱塑性聚合物樹脂的球粒混合并供應到擠壓機，在這里樹脂被熔化并且形成玻璃纖維束10/樹脂分散體。玻璃纖維束10/樹脂分散體接著被形成球粒，其被供應到壓模裝置并形成例如上面描述的那些模制合成物物品。
期望當金屬模子關閉并被加熱時玻璃纖維束10具有束完整性，以便片材模塑料、塊狀模塑料或玻璃纖維束/樹脂球粒流動并填充模子以形成期望的部件。玻璃纖維12上的膠料在加工和模制片材模塑料和塊狀模塑料時保持束的完整性。但是，如果玻璃纖維束10在流動完成之前在模子內分解成單個纖維，單個玻璃纖維形成塊并不完全地填充模子，從而產生缺陷部件。
玻璃纖維束10也可以用在注模應用中。通常，注模是封閉模制工藝，在這里填滿或未填滿的聚合樹脂是注入封閉匹配的金屬模子(例如工具)中。在本發明至少一個具體實施例中，玻璃纖維束10與熱塑性聚合樹脂混合并放入注模機的腔室或桶中。注模機的腔室(桶)被加熱到足以熔化聚合樹脂的溫度。熔化的樹脂/玻璃纖維束10混合物接著注入冷卻的、封閉的模子中。在模子中足夠長的時間后，熔化的樹脂/玻璃纖維束10混合物冷卻并形成模子所限定形狀的固體聚合的物品。
可供選擇地，玻璃纖維束10與熱固性聚合物混合，放入注模機的腔室中，并被加熱到足以熔化熱固性聚合樹脂的溫度。與上面描述的熱塑性聚合的物品不同，由于熱固性聚合物的固化性能，形成的合成物物品可以作為玻璃化、固體部件從工具(也就是匹配的模子)中熱移出來。
在替換的實施例中，包含玻璃纖維束10的塊狀模塑料可以通過注模機注入加熱的模子中以實施樹脂交聯和固化。BMC注模在具有塊的循環時間并每次注入能模制大量部件方面有優勢。因此，更多的最終部件可以利用BMC材料形成并且增加了制造次數。
玻璃纖維束10也可以有利地用在例如樹脂傳遞模制(RTM)和真空參與的樹脂傳遞模制(VARTM)之類的浸入模制應用中以形成預制品和合成物部件。在樹脂傳遞模制中，熱固性聚合樹脂被注入到封閉的模子腔體中，該腔體具有特定的形狀和/或尺寸以制造半結構和外觀的部件。具體地，根據本發明形成的玻璃纖維束10被放入一半匹配的模子中，該模子被封閉和密封，而且樹脂慢慢地被泵送(注射)進入模子。樹脂在壓力下注入。在至少一個實施例中，熱固性樹脂在注模設備(例如桶)中被加熱以熔化或液化熱固性樹脂。選擇性地，該模子可以被例如利用熱水加熱。液體熱固性樹脂通過玻璃纖維束10潤濕并固化以形成最終合成物部件。浸入模制應用可以用于形成大的、高容量的合成物部件，例如艇身和風車槳葉。
樹脂浸入工藝也可以例如通過VARTM之類的方法利用真空把樹脂浸入加固材料，這減少了潛在氣泡的缺陷。VARTM使用了至少部分覆蓋有玻璃纖維束10的單個側面剛性模子。該模子利用不滲透薄膜或柔性真空袋密封。在包含玻璃纖維束10和密封之間的空間抽真空。大氣壓力既提供了模子上的擠壓力又提供了樹脂浸入從外部供給向低壓腔體的驅動力。熱固性樹脂由真空壓力吸入密封袋并且樹脂流過玻璃纖維束10。熱固性樹脂可以通過把模子置于烘箱中并把模子加熱到足以交聯(固化)聚合的樹脂的溫度而被固化。
玻璃纖維束10也可以用在例如加固反應注塑(RRIM)和結構反應注塑(SRIM)之類的反應注塑(RIM)應用中。在反應注塑中，短切的玻璃纖維束10在高壓混合頭下與熱固性樹脂混合并被注入加熱、封閉、匹配的金屬模子中。可供選擇地，玻璃纖維束10可以存入封閉的模子中而熱固性樹脂可以在模子封閉之前分散到玻璃纖維束10中或者在模子封閉之后把樹脂注入模子中。例如汽車車身板之類的具有極好的表面外觀和一些結構性質的合成物部件可以由這些反應注塑工藝形成。
在噴附成型應用中，由玻璃纖維束10和熱固性樹脂形成的層被涂敷或存儲在半個模子中以具有期望預制品的形狀，例如卡車平板、艇身、浴盆或汽車門內部。模子可以至少部分涂敷防粘劑，例如蠟，這使得部件(例如預制品)在固化過程結束后很容易地被移走。此外，模子可以利用凝膠層預先處理，以有助于容易地移走預制品并允許光滑表面的完成。凝膠層期望地被防粘劑之后涂敷并且是清晰的或著色的。玻璃纖維束10和熱固性樹脂優選地空氣吹制到模子一半上，例如通過噴灑裝置把玻璃纖維束10和樹脂(例如粉末或液體形式)噴灑。大約按重量計算70％的樹脂和大約按重量計算30％的玻璃纖維束可以應用到模子上。樹脂/玻璃混合物接著人工地被輥平以去除空氣并弄平模子內的混合物。樹脂固化以形成預制品，其接下來從模子中移走。
在本發明另一個實施例中，玻璃纖維束10可以用在滾塑中。例如，玻璃纖維束10與熱塑性的或熱固性樹脂一起放入模子中并在旋轉模子的同時被加熱。離心力推動樹脂進入玻璃束10。當使用熱塑性樹脂時，在移走最終合成物部件之前模子必須被冷卻。滾塑可被用來制造中空的塑料，例如大容量存儲罐、油田管道、和輸水設施和化工設備。
在例如艇身和卡車部分之類的大的結構或半結構的合成物部件中，期望玻璃纖維束細絲化，以便束內的各個單個玻璃纖維貢獻總的層狀強度。此外，通過把玻璃纖維束細絲化，玻璃纖維的浸濕更容易出現。不浸濕的纖維在分層內產生疵點或缺陷并且可以是在分層內斷裂或累積水的來源，這將導致分層產生氣泡并剝落。此外，玻璃纖維束的細絲化減少甚至防止“電報”或“纖維印刷”的出現，這是部件表面任何非浸濕纖維的輪廓并且在最終部件中是不想要的視覺缺陷。
本發明的短切的玻璃纖維束10提供了許多優點。例如，短切的玻璃纖維束10可以以相當高的速度形成，尤其是與由傳統的空氣放置工藝形成玻璃束相比時。增加短切的玻璃纖維束的生產速度允許更高的生產能力和可以賣給顧客多的產品。另外，因為纖維不必以分離的步驟干燥和短切，短切的玻璃纖維束10可以以低的制造成本形成。例如，短切的玻璃纖維束10可以以一個步驟形成并在容器內以大批形式干燥，該容器接著可以運輸到墊制造廠或在壓模或注模應用中使用短切的玻璃纖維的顧客。因此，由于與使用傳統工藝制造相比，短切的玻璃纖維束10可以利用本發明的工藝低廉的多地制造，因此具有大的經濟優勢。短切的玻璃纖維束10可以直接用在壓模或注模應用中而不需要對束進行修正是另外的優點。
已經大體上描述了本發明，參考下面闡述的某些特定例子可以獲得進一步的理解，除非另有說明，其中這些例子被提供僅用于闡述目的而不是全部包括的或限制性的。
例子 例1干的短切玻璃纖維束的成形 表1-4列出的膠料成分按照下面大體描述的在桶內被準備。為了準備膠料成分，大約90％的水和(如果存在于膠料成分中)酸被添加到桶內。硅烷偶聯劑被添加到桶內并且混合物被攪拌一段時間以允許硅烷水解。在硅烷水解后，潤滑劑和成膜劑被攪動增加到混合物以形成膠料成分。膠料成分接著利用剩余的水稀釋以實現大約4.5％混合固體的目標混合固體。
表1 聚氨酯膠料成分A (a)聚氨酯成膜分散體(Cogins) (b)環氧固化劑(Resolution Performance Products) (c)γ-氨丙基三乙氧基硅烷(General Electric) (d)甲酸乙酯-丙烯酸合金(Cogins) (e)硬脂乙醇酰胺(AOC) 表2 聚氨酯膠料成分B (a)聚氨酯成膜分散體(Chemtura) (b)環氧固化劑(Resolution Performance Products) (c)γ-氨丙基三乙氧基硅烷(General Electric) (d)甲酸乙酯-丙烯酸合金(Cogins) (e)一油酸酯(Cogins) 表3 環氧膠料成分A (a)在水中的環氧樹脂成膜分散體(Resolution PerformanceProducts) (b)環氧固化劑(Resolution Performance Products) (c)一油酸酯(Cogins) (d)氨丙基三甲氧基硅烷(General Electric) 表4 環氧膠料成分D (e)在水中的環氧樹脂成膜分散體(Resolution PerformanceProducts) (f)環氧固化劑(Resolution Performance Products) (g)一油酸酯(Cogins) (h)氨丙基三甲氧基硅烷(General Electric) 每個膠料按照傳統的方式(例如如上面描述的輥類型的涂敷器)施加到E-玻璃上。E-玻璃在75lb/hr生產能力裝配有2050孔頂板的坩鍋內被變細為13μm的玻璃細絲。細絲被聚集并分成16道以獲得每玻璃纖維束128細絲和大約43g/km的束特克斯。玻璃纖維束接著利用機械余切-切割機組合短切成大約1 1/4英寸的長度并聚集成塑料盤。短切的玻璃纖維束包含大約15％的形成水分。玻璃纖維束中的這水分在介電爐(40MHz，Radio Frequency Co.)中被去除以形成干燥的短切玻璃纖維束。
例2利用傳熱室形成干的短切玻璃纖維束 表1-4列出的每個膠料按照傳統的方式被準備和施加到在75lb/hr生產能力裝配有2050孔頂板的坩鍋內被變細為13μm的玻璃細絲的E-玻璃上。上膠的纖維被分成16道以獲得每玻璃纖維束128細絲并通過傳熱室，在這里由坩鍋產生的極高熱量加熱的空氣被吸入傳熱室以干燥玻璃纖維束。干燥的玻璃纖維束具有大約43g/km的束特克斯。干燥的玻璃纖維束被聚集成一個繩并利用機械余切-切割機組合短切成大約11/4英寸的長度。短切的玻璃纖維被聚集成塑料盤。玻璃纖維包含0％的形成水分。
例3使用各種膠料成分的塊狀模塑料的形成 四分之一英寸(1/4”)的短切玻璃纖維樣品使用表5列出的成分制成整體模塑料。
表5 整體模塑料成分 (a)不飽和聚酯樹脂(AOC) (b)熱塑(AOC) (c)過苯酸特丁酯催化劑 (d)碳酸鈣(Cabot) (e)模子釋放劑(Aldrich Chemical Co.) 硬脂乙醇酰胺(AOC)表5中的塊狀模塑料利用以按重量計20％各種膠料成分上膠的各種實驗性的玻璃而準備。各種實驗性的玻璃纖維在下面作為樣品1-10給出。電荷被放入12英寸X 18英寸工具被并在10,000psi在265°F下模制5分鐘。該層根據ASTM D256在0°和90°方向測試對切口沖擊強度的耐力。結果在附圖5和6中給出。結果表明利用實驗性膠料成分上膠的玻璃纖維顯示了對控制的至少可比得上的性能。結果是料想不到的，因為與玻璃至少被熱干燥20小時的傳統工藝相比，通過干燥玻璃纖維很短的時間(30分鐘)實現了至少相當的沖擊強度。
樣品1-聚氨酯膠料成分A(表1)被施加到玻璃纖維并在265°F下在熱烘箱中干燥6小時。
樣品2-聚氨酯膠料成分A(表1)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥30分鐘接著在265°F下在熱烘箱中干燥1小時。
樣品3-聚氨酯膠料成分A(表1)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥30分鐘接著在265°F下在熱烘箱中干燥2小時。
樣品4-聚氨酯膠料成分A(表1)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥30分鐘接著在265°F下在熱烘箱中干燥2小時。
樣品5-聚氨酯膠料成分A(表1)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥30分鐘接著在265°F下在熱烘箱中干燥2小時。
樣品6-聚氨酯膠料成分A(表1)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥30分鐘接著在265°F下在熱烘箱中干燥2小時。
樣品7-聚氨酯膠料成分B(表2)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥30分鐘；沒有后加熱。
樣品8-環氧膠料成分A(表3)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥30分鐘；沒有后加熱。
樣品9-環氧膠料成分A(表3)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥20分鐘；沒有后加熱。
樣品10-聚氨酯膠料成分B(表2)被施加到玻璃纖維并在RF爐中干燥20分鐘；沒有后加熱。
樣品12-控制塊狀模塑料(BMC)干燥使用短切的股(來自巴西Rio Claro的101C；Owens Corning)。
這個應用的本發明已經在上面既一般地又根據特定實施例進行了描述。盡管本發明已經根據認為是優選實施例的形式給出，本領域技術人員已知的許多種替換方式可以在一般公開的范圍內進行選擇。除非下面給出的權利要求的敘述，否則本發明不被限制。
權利要求
1、一種制造模制合成物物品的方法，包括步驟
把短切的玻璃纖維束(10)和包含聚合樹脂的模塑料放入一半匹配的模子的一個半模中，所述短切的玻璃纖維束具有在成束方向定位的多個基本平行的玻璃纖維(12)，所述玻璃纖維至少部分涂敷膠料成分，該成分在所述玻璃纖維束形成和后續加工過程中在所述成束方向上保持所述多個玻璃纖維；
封閉所述匹配模子；
在壓力下加熱所述封閉的匹配模子到足以導致所述模塑料熔化的溫度；和
固化所述聚合樹脂以形成合成物物品；
其中所述膠料成分包括
選自包括聚氨酯成膜劑、不飽和聚酯成膜劑和環氧樹脂成膜劑在內的組的一個或多個成膜劑；
至少一種硅烷偶聯劑；和
至少一種潤滑劑。
2、一種如權利要求1所述的方法，其中所述模塑料選自包括片材模塑料材料和塊狀模塑料材料的組。
3、一種如權利要求2所述的方法，還包括步驟
把所述膠料成分施加到從坩鍋(30)變細的多個玻璃纖維上；
把所述多個玻璃纖維(12)分成其內具有預定數量所述玻璃纖維的玻璃纖維股(36)；
短切所述玻璃纖維股以形成濕的短切玻璃纖維束(42)，所述濕的短切玻璃纖維束具有離散的長度；和
在選自包括介電爐、流化床烘箱和旋轉托盤熱烘箱的組中的烘箱(46)中干燥所述濕的短切玻璃纖維束以形成所述短切的玻璃纖維束。
4、一種如權利要求2所述的方法，還包括步驟
把所述膠料成分施加到從坩鍋變細的多個玻璃纖維上；
把所述多個玻璃纖維分成其中具有預定數量所述玻璃纖維的玻璃纖維股；
短切所述玻璃纖維股以形成濕的短切玻璃纖維束，所述濕的短切玻璃纖維束具有離散的長度；
把所述濕的短切玻璃纖維束收集到容器內；和
在所述容器內在選自包括介電爐、流化床烘箱和旋轉托盤熱烘箱的組中的烘箱中干燥所述濕的短切玻璃纖維束以形成所述短切的玻璃纖維束。
5、一種如權利要求2所述的方法，還包括形成所述短切玻璃纖維束的步驟，形成所述短切玻璃纖維束的所述步驟包括
把所述膠料成分施加到從坩鍋變細的多個玻璃纖維上；
把所述多個玻璃纖維通過傳熱室，在那里被所述坩鍋加熱的空氣被吸入所述傳熱室，以基本干燥所述多個上膠玻璃纖維并形成干燥的玻璃纖維；
把所述干燥的玻璃纖維分成其內具有預定數量所述干燥玻璃纖維的玻璃纖維股；
短切所述玻璃纖維股以形成所述短切的玻璃纖維束。
6、一種如權利要求1所述的方法，其中所述成膜劑是聚氨酯成膜劑而且所述膠料成分還包括聚氨酯-丙烯酸合金。
7、一種如權利要求1所述的方法，其中所述成膜劑是環氧樹脂成膜劑而且所述膠料成分還包括環氧固化劑。
8、一種如權利要求1所述的方法，其中所述一個或多個成膜劑以按重量計算占活性固體的大約15％到大約95％存在于所述膠料成分中，所述至少一種硅烷偶聯劑以按重量計算占活性固體的大約1.5％-15％存在于所述膠料成分中；所述至少一種潤滑劑以按重量計算占活性固體的大約0.05％到大約10％存在于所述膠料成分中。
9、一種制造模制合成物物品的方法，包括步驟
在模子中模制選自包含樹脂和包含樹脂的混合物的組的短切玻璃纖維束和聚合材料，該模子具有兩個半模以便當所述兩個半模放置在一起時它們形成具有期望形狀的封閉的模子；
其中所述短切的玻璃纖維束、所述樹脂和所述包含樹脂的混合物至少之一被注入所述封閉的模子中；
其中所述短切的玻璃纖維束由多個在成束方向上定位的基本平行的玻璃纖維形成，所述玻璃纖維至少部分涂敷膠料成分，該成分在所述玻璃纖維束形成和后續加工過程中在所述成束方向上保持所述多個玻璃纖維；和
其中所述膠料成分包括
選自包括聚氨酯成膜劑、不飽和聚酯成膜劑和環氧樹脂成膜劑在內的組的一個或多個成膜劑；
至少一種硅烷偶聯劑；和
至少一種潤滑劑。
10、一種如權利要求9所述的方法，其中所述聚合材料是熱塑性樹脂并且所述模制步驟包括
加熱所述短切的玻璃纖維束和所述熱塑性樹脂到足以把所述熱塑性樹脂置于熔化狀態并形成液態樹脂/玻璃纖維束混合物的溫度；
把所述液態樹脂/玻璃纖維束混合物注入所述封閉的模子；和
冷卻所述液態樹脂/玻璃纖維束混合物以形成所述模制合成物物品。
11、一種如權利要求9所述的方法，其中所述聚合材料是熱固性樹脂并且所述模制步驟包括
加熱所述短切的玻璃纖維束和所述熱固性樹脂到足以把所述熱固性樹脂置于熔化狀態并形成液態樹脂/玻璃纖維束混合物的溫度；
把所述液態樹脂/玻璃纖維束混合物注入所述封閉的模子；和
固化所述熱固性樹脂以形成所述模制合成物物品。
12、一種如權利要求9所述的方法，其中所述聚合材料是塊狀模塑料并且所述模制步驟包括
加熱所述封閉的模子；
把所述塊狀模塑料和所述短切玻璃纖維束注入所述加熱封閉的模子；和
固化所述熱固性樹脂以形成所述模制合成物物品。
13、一種如權利要求9所述的方法，其中所述聚合材料是熱固性樹脂并且所述模制步驟包括
把所述短切的玻璃纖維束置于所述模子所述兩個半模的中一個半模中；
定位所述模子的所述兩個半模以便所述模子處于所述封閉結構；
把所述熱固性樹脂注入所述封閉的模子中以利用所述熱固性樹脂弄濕所述短切的玻璃纖維束；和
固化所述熱固性樹脂以形成所述模制合成物物品。
14、一種如權利要求9所述的方法，其中所述聚合材料是熱固性樹脂并且所述模制步驟包括
在高壓下混合所述短切的玻璃纖維束和所述熱固性樹脂以形成樹脂/玻璃纖維束混合物；
把所述樹脂/玻璃纖維束混合物注入所述封閉的模子，所述封閉的模子被加熱到足以熔化所述熱固性樹脂的溫度；和
固化所述熱固性樹脂以形成所述模制合成物物品。
15、一種如權利要求9所述的方法，其中所述聚合材料是選自包括熱固性樹脂和熱塑性樹脂的組的樹脂并且所述模制步驟包括
把所述短切的玻璃纖維束和所述樹脂置于所述封閉的模子；
加熱所述封閉的模子；
旋轉所述封閉的模子，所述封閉模子的所述旋轉使離心力施加在所述短切的玻璃纖維束和所述樹脂上，從而把所述樹脂分散在整個所述短切的玻璃纖維束上并形成混合物；和
固化所述混合物以形成所述模制合成物物品。
16、一種如權利要求9所述的方法，還包括步驟
把所述膠料成分施加到從坩鍋變細的多個玻璃纖維上；
把所述多個玻璃纖維分成其中具有預定數量所述玻璃纖維的玻璃纖維股；
短切所述玻璃纖維股以形成濕的短切玻璃纖維束，所述濕的短切玻璃纖維束具有離散的長度；和
在選自包括介電爐、流化床烘箱和旋轉托盤熱烘箱的組中的烘箱中干燥所述濕的短切玻璃纖維束以形成所述短切的玻璃纖維束。
17、一種如權利要求9所述的方法，還包括步驟
把所述膠料成分施加到從坩鍋變細的多個玻璃纖維上；
把所述多個玻璃纖維分成其中具有預定數量所述玻璃纖維的玻璃纖維股；
短切所述玻璃纖維股以形成濕的短切玻璃纖維束，所述濕的短切玻璃纖維束具有離散的長度；
把所述濕的短切玻璃纖維束收集到容器內；和
在所述容器內在選自包括介電爐、流化床烘箱和旋轉托盤熱烘箱的組中的烘箱中干燥所述濕的短切玻璃纖維束以形成所述短切的玻璃纖維束。
18、一種形成用于合成物物品的預制品的方法，包括步驟
把短切的玻璃纖維束和熱固性樹脂吹入匹配模子的一個半模中，所述匹配模子由兩個半模形成以便當所述兩個半模放置在一起時它們形成合成物物品的所需形狀，所述短切的玻璃纖維束具有多個定位為在成束方向上基本平行的玻璃纖維，所述玻璃纖維被至少部分地涂敷膠料成分，該膠料成分包括
選自包括聚氨酯成膜劑、不飽和聚酯成膜劑和環氧樹脂成膜劑在內的組的一個或多個成膜劑；
至少一種硅烷偶聯劑；和
至少一種潤滑劑；
固化所述熱固性樹脂以形成所述合成物物品的所述預制品。
19、一種如權利要求18所述的方法，還包括步驟
把所述膠料成分施加到從坩鍋變細的多個玻璃纖維上；
把所述多個玻璃纖維分成其中具有預定數量所述玻璃纖維的玻璃纖維股；
短切所述玻璃纖維股以形成濕的短切玻璃纖維束，所述濕的短切玻璃纖維束具有離散的長度；
把所述濕的短切玻璃纖維束收集到容器內；和
在所述容器內在選自包括介電爐、流化床烘箱和旋轉托盤熱烘箱的組中的烘箱中干燥所述濕的短切玻璃纖維束以形成所述短切的玻璃纖維束。
20、一種如權利要求18所述的方法，還包括步驟
把所述膠料成分施加到從坩鍋變細的多個玻璃纖維上；
使所述多個玻璃纖維通過傳熱室，在那里被所述坩鍋加熱的空氣被吸入所述傳熱室，以基本干燥所述多個上膠玻璃纖維并形成干燥的玻璃纖維；
把所述干燥的玻璃纖維分成其內具有預定數量所述干燥玻璃纖維的玻璃纖維股；
短切所述玻璃纖維股以形成所述短切的玻璃纖維束。
全文摘要
本發明提供能夠在壓模和注模應用中使用的短切玻璃纖維干束。短切玻璃纖維束(10)由在基本互相平行方向上定位的單個玻璃纖維(12)形成。干燥短切的玻璃纖維束可以按照下述步驟準備把膠料成分施加到變細的玻璃纖維(40)上，分離該纖維以獲得期望的束特克斯，把濕的玻璃束(42)短切成離散的長度，并在介電爐(46)中干燥濕的玻璃束。可供選擇地，干燥短切玻璃纖維束可以按照下述步驟準備給變細的玻璃纖維上膠，使上膠纖維通過傳熱室，在那里被坩堝加熱的空氣被吸入所述傳熱室，以干燥玻璃纖維束，把干燥、上膠的玻璃纖維束分離以獲得期望的束特克斯并短切干燥的玻璃纖維束。該膠料成分包括選自包括聚氨酯成膜劑、不飽和聚酯或環氧樹脂在內的組的一個或多個成膜劑。
文檔編號C03C25/26GK101351416SQ200680049787
公開日2009年1月21日 申請日期2006年9月8日 優先權日2005年12月28日
發明者W·G·哈格, D·L·希普, L·J·阿德齊瑪, E·V·加洛韋, F·C·格魯貝, D·T·默瑟 申請人:Ocv智識資本有限責任公司