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TWI668104B - 纖維複合材料及其製法 - Google Patents

纖維複合材料及其製法 Download PDF

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Abstract

一種纖維複合材料及其製法。該纖維複合材料包括：複數纖維預浸布層，係包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維；以及至少一複合樹脂層，係形成在二該纖維預浸布層之間，並與該複數纖維預浸布層共同圍覆成一中空管體，其中，該至少一複合樹脂層包含多層奈米碳管及第二樹脂，且該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基，該至少一複合樹脂層與該纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7。

Description

纖維複合材料及其製法
本發明係關於一種纖維複合材料及其製法，尤指一種具有制振(vibration damping)特性之纖維複合材料及其製法。
由於高分子纖維複合材料相關產品配合人類在輕量化、高強度及高設計自由度等要求下，結合各種功能特性及用途於輕量化的各種結構物用品中已是現今必然的發展趨勢。而複材產品朝輕薄短小發展，結構設計以高強度為重點，而物性強度越高的材料卻常會伴隨著脆性增加，所以當材料受力後常會因此脆性增加而斷裂，為解決此一問題則必須改善材料的阻尼特性，以增加其吸收受力後的制振效果。
運輸用機械手臂在高速移動(2.8m/秒)、旋轉(210°/秒)時會產生位移、變形與震動，高分子纖維複合材料製成之機械手臂因運動而產生形變之振幅擺動至停止的時間若過長時，需待較長的時間至擺動靜止或振幅降低至可接受之程度，方得再進行下一動作，如此勢必使產能受到影響，所以必須縮短振動的衰減時間，其產能動作才不致於降低。
已有文獻指出纖維複合材料具制振之效果，惟仍有制振縮減比例不足及希望能同時維持材料硬度特性之問題待解決。
本揭露提供一種纖維複合材料，係包括：複數纖維預浸布層，係包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維；以及至少一複合樹脂層，係形成在二該纖維預浸布層之間，並與該複數纖維預浸布層共同圍覆成一中空管體，其中，該至少一複合樹脂層包含多層奈米碳管及第二樹脂，且該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基，該至少一複合樹脂層與該纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7。
本揭露復提供一種纖維複合材料之製備方法，係包括：於包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維的纖維預浸布層上鋪墊至少一複合樹脂層，其中，該至少一複合樹脂層包含多層奈米碳管及第二樹脂，且該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基；捲繞該纖維預浸布層及該至少一複合樹脂層，以圍覆成一中空管體，使該中空管體外壁至內壁之間的該至少一複合樹脂層與該纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7；以及塑形該中空管體。
1‧‧‧纖維複合材料
100‧‧‧纖維預浸布層
110‧‧‧複合樹脂層
第1圖係為纖維複合材料製備方法之示意圖；第2圖係為纖維複合材料之截面圖；以及 第3圖係為係為纖維複合材料之側剖面圖。
以下的具體實施例用以說明本揭露之揭露內容，在閱讀本說明書之揭露內容以後，本技術領域中具有通常知識者能輕易地理解其優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、尺寸等，僅為配合說明書所揭示之內容，以便本技術領域中具有通常知識者得以理解及閱讀，而非意圖將本揭露限制於特定條件之中，故不具有技術上之實質意義。任何結構之修改、比例關係之改變，或尺寸之的調整，在不影響本說明書所能產生之功效及所能達成之目的下，均應包含在本說明書所揭露之範圍內。在無實質變更技術內容的情況下，其相對關係之改變或調整，亦當被視為本揭露可實施之範疇內。
本揭露纖維複合材料係發現在複合樹脂層與纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7時，可大幅提升制振效果，同時維持材料硬度特性。
本揭露提供一種纖維複合材料之製法，係包括：於包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維的纖維預浸布層上鋪墊至少一複合樹脂層，其中，該至少一複合樹脂層包含多層奈米碳管及第二樹脂，且該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基；捲繞該纖維預浸布層及該至少一複合樹脂層，以圍覆成一中空管體，使該中空管體外壁至內壁之間的該至少一複合樹脂層 與該纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7；以及塑形該中空管體。
通常，纖維預浸布層的製備方法包括手工積層、噴佈、積層、連續積層、樹脂轉注成型、纏繞成型、片狀模造(SMC)、塊狀模造(BMC)、預浸成型、壓力釜成型等。
於一具體實施例中，所述纖維的實例包含碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺(克維拉，Kevlar)纖維、硼纖維、耐綸纖維、特多龍纖維、棉纖維、羊毛纖維、鋼纖維、鋁纖維或陶瓷鬚絲纖維，且可選自所述纖維的至少一者。本揭露中，纖維預浸布層之纖維經第一樹脂含浸，而該複合樹脂層經多層奈米碳管及第二樹脂混成，其中，第一樹脂及第二樹脂為相同或不同，且可包括熱塑性樹脂或熱固性樹脂。熱塑性可舉例包括聚碳酸脂(Polycarbonate，PC)、尼龍(Nylon)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)或聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)；熱固性樹脂可舉例包括環氧樹脂。
於一具體實施例中，所述纖維預浸布層的厚度可為50μm至200μm；所述複合樹脂層的厚度可為5μm至200μm，此處的厚度可依所製備之構件剛性強度需求作調整。
咸信，當外力使樹脂與奈米碳管管壁間產生相對位移(滑動)時，其位移差值與介面間剪力的積分等於所產生的能量損耗，就是可產生減振的原因。
於一具體實施例中，奈米碳管係使用多層奈米碳管， 以其多層之管壁提供相較於單層奈米碳管更多微滑動現象，累積的阻尼特性可快速地被放大，更有效抑制振動。
另一方面，奈米碳管經改質後，係具有反應性官能基，該反應性官能基可為胺基、羧基、羥基或醯氯基，但不以此為限。該改質的方法可參考J.Mater.Chem.,2011,21,7337-7342所揭露之方法。
此外，於一具體實施例中，奈米碳管之比表面積為100至300m2/g，使用此比表面積範圍的奈米碳管可使奈米碳管較佳地與第二樹脂混成，且該至少一複合樹脂層中之該奈米碳管之含量係0.5至8wt%。相對地，該至少一複合樹脂層中之該第二樹脂之含量係92至99.5wt%。
根據本揭露之方法，纖維複合材料係經加熱而塑形，在加熱過程中，奈米碳管的反應性官能基與第一樹脂及第二樹脂鍵結而硬化定型。
一般而言，形成纖維複合材料之製法係使用傳統疊合方式，亦即，將所欲達到各層層數比例的不同材料層疊合後，經過捲曲再塑形。但此種製法一次僅能製造一個纖維複合材料，於工業上大量製造時係不經濟的。
因此，在另一具體實施例中，本揭露的纖維複合材料之製法係於纖維預浸布層上鋪墊至少一複合樹脂層，且根據需要，係於該纖維預浸布層上鋪墊複數該複合樹脂層，並令複數該複合樹脂層彼此間隔，並使得在形成中空管體後，該中空管體外壁至內壁之間的該至少一複合樹脂層與該纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7。具體而言，鋪墊 該複數該複合樹脂層時，該複合樹脂層係以沿著該纖維預浸布層捲曲方向間隔地鋪墊。因此，透過本揭露的一種纖維複合材料之製法，機器可更經濟地一次大量生產多個纖維複合材料。
此外，根據本揭露之製法，所形成之該中空管體之形狀包含圓形、橢圓形、方形、矩形，但不限於此。
本揭露透過實施例之示例來說明細節。不過，本揭露之詮釋不應當被限制於以下實施例之闡述。
第一實施例
本揭露第一實施例(編號：4L)的製法與條件如下敘述，各材料說明如下，纖維：碳纖維(Toray，T700SC，12K)；樹脂：環氧樹脂(Dow Chemical，Epon 828)；多層奈米碳管(5wt%，A-MWCNT1020，辛耘企業)；改質的官能基：胺基(根據J.Mater.Chem.,2011,21,7337-7342之方法)。
其中，如第1圖所示，於纖維預浸布層100(厚度為100μm)之上方鋪墊複合樹脂層110(厚度為70μm)，複合樹脂層係以可形成複合樹脂層與纖維預浸布層的層數比例為1：5之間隔鋪墊成一複合體，於塑形時，先準備一芯模，其外表套上一塑膠氣袋，依箭頭方向捲曲複合體，再將覆有複合體之芯模置入另一鋁質模具中固定，之後留下塑膠氣袋並抽出芯模，在芯模空下的空間中充氣(25至30psi)以撐住所型成之中空管體，同時，在鋁質模具側施以20至25psi的壓力及以160℃加熱40分鐘，待降至室溫，即可取出該纖維複合材料樣品，達到捲曲後複合樹脂層位 於纖維預浸布層第4和第5層間、第8和第9層間、第12和第13層間、第16和第17層間之間。
如第2圖所示，纖維複合材料1係呈中空管體，包括：纖維預浸布層100及複合樹脂層110，其側剖面如第3圖所示。所製備之纖維複合材料的尺寸為：長度450mm，直徑20mm，厚度4.0mm。
第二實施例
本揭露第二實施例(編號：2L)的製法與條件如第一實施例所敘述，改變複合樹脂層於纖維預浸布層上之間隔，達到捲曲後複合樹脂層位於纖維預浸布層第7和第8層間、第13和第14層間，且複合樹脂層及纖維預浸布層之層數比例為1：10。
第三實施例
本揭露第三實施例(編號：3L)的製法與條件如第一實施例所敘述，改變複合樹脂層於纖維預浸布層上之間隔，達到捲曲後複合樹脂層位於纖維預浸布層第5和第6層間、第10和第11層間、第15和第16層間，且複合樹脂層及纖維預浸布層之層數比例為1：6.7。
第四實施例
本揭露第四實施例(編號：5L)的製法與條件如第一實施例所敘述，改變複合樹脂層於纖維預浸布層上之間隔，達到捲曲後複合樹脂層位於纖維預浸布層第4和第5層間、第7和第8層間、第10和第11層間、第13和第14層間、第16和第17層間，且複合樹脂層及纖維預浸布層 之層數比例為1：4.0。
第五實施例
本揭露第五實施例(編號：6L)的製法與條件如第一實施例所敘述，改變複合樹脂層於纖維預浸布層上之間隔，達到捲曲後複合樹脂層位於纖維預浸布層第3和第4層間、第6和第7層間、第9和第10層間、第11和第12層間、第14和第15層間、第17和第18層間，且複合樹脂層及纖維預浸布層之層數比例為1：3.3。
比較例一
比較例一(編號：0)的製法與條件如第一實施例所敘述，於纖維預浸布層上不鋪墊複合樹脂層，達到捲曲後纖維預浸布層之層數為20的纖維複合材料。
振動衰減時間(秒，S)之測量係使用雷射位移計(Polytec OFV 350 Sensor hand)，測量自振動開始(樣品之一端固定，另一端施加2Kg載重後釋放)至靜止之時間，並將結果記錄於表1。
根據表1，與未添加複合樹脂層之比較例相比，添加複合樹脂層之2L至6L實施例，可產生53.5%至89.2%的全振幅縮減效果。此外，表1之自然頻率係指一結構體本身存在之動態特性，其與系統剛性平方根成正比，與質量塊平方根成反比。因此，由表1可知，雖複合樹脂層之層數越多，全振幅縮減效果越高，惟複合樹脂層較纖維預浸布層軟，因此複合樹脂層不能無限增加，複合樹脂層與纖維預浸布層的層數比例最佳範圍在為1：4至1：7之間， 在此範圍內，纖維複合材料之制振效率與剛性同步提高，但當編號6L之複合樹脂層與纖維預浸布層的層數比例為1：3.3時，其制振效率雖可持續提高，但纖維複合材料剛性則會降低，不符合有需要求結構剛性之相關產品應用需求。
上述實施例係用以例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (11)

  1. 一種纖維複合材料，係包括：複數纖維預浸布層，係包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維；以及至少一複合樹脂層，係形成在二該纖維預浸布層之間，並與該複數纖維預浸布層共同圍覆成一中空管體，且該至少一複合樹脂層包含多層奈米碳管及第二樹脂，其中，該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基，且該至少一複合樹脂層與該纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該第一樹脂及該第二樹脂為相同或不同，且該第一樹脂及該第二樹脂係熱塑性樹脂或熱固性樹脂。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該多層奈米碳管之比表面積為100至300m2/g。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該至少一複合樹脂層中之該多層奈米碳管之含量係0.5至8wt%。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之纖維複合材料，其中，該纖維包含碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺(克維拉，Kevlar)纖維、硼纖維、耐綸纖維、特多龍纖維、棉纖維、羊毛纖維、鋼纖維、鋁纖維或陶瓷鬚絲纖維。
  6. 一種纖維複合材料之製法，係包括：於包括第一樹脂和含浸於該第一樹脂中之纖維的纖維預浸布層上鋪墊至少一複合樹脂層，其中，該至少一複合樹脂層包含多層奈米碳管及第二樹脂，且該多層奈米碳管表面具有包含胺基、羧基、羥基或醯氯基之反應性官能基；捲繞該纖維預浸布層及該至少一複合樹脂層，以圍覆成一中空管體，使該中空管體外壁至內壁之間的該至少一複合樹脂層與該纖維預浸布層的層數比例為1：4至1：7；以及塑形該中空管體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之纖維複合材料之製法，其中，鋪墊於該纖維預浸布層上之該複合樹脂層係為複數，且複數該複合樹脂層係彼此間隔。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之纖維複合材料之製法，其中，該第一樹脂及該第二樹脂為相同或不同，且該第一樹脂及該第二樹脂係係熱塑性樹脂或熱固性樹脂。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之纖維複合材料之製法，其中，該多層奈米碳管之比表面積為100至300m2/g。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之纖維複合材料之製法，其中，該至少一複合樹脂層中之該多層奈米碳管之含量係0.5至8wt%。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之纖維複合材料之製法，其中，該纖維包含碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺(克維拉，Kevlar)纖維、硼纖維、耐綸纖維、特多龍纖維、棉纖維、羊毛纖維、鋼纖維、鋁纖維或陶瓷鬚絲纖維。
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