用于中空复合材料部件的轻质环氧树脂芯

技术领域

本发明涉及一种制造轻质环氧树脂芯的方法、通过本发明的方法获得的轻质环氧树脂，以及该方法和该轻质环氧树脂用于生产中空部件的芯的用途，该中空部件特别是旨在用于航空、航天和汽车工业、医疗技术、风力涡轮机、货车、船舶和体育用品。

背景技术

为了生产由增强的复合材料制成的中空部件或结构，如中空三维编织复合材料叶片或出口导流叶片(缩写为OGV)，通常使用留在部件中的泡沫芯或之后必须移除的芯。

移除芯可以最大程度地减轻重量，但由于移除芯并不总是那么容易的，因此，移除芯也最难实现工业化。

例如，如果使用易熔芯，就必须提供必要的热量将其熔化，同时注意不要损坏部件。

还有必要提供出口孔，以便将残留物从芯中排出。然而，这种出口孔的布置是有限制的，因为必须考虑到在出口孔附近产生的应力集中。

如果芯重量轻并且抗压缩、抗剪切和抗压力，即使在高温(尤其是超过100℃)下也是如此时，这种中空复合材料结构能充分发挥其潜力。

然而，找到一种材料，一方面，该材料使得可以在重量、抗压强度、抗剪切强度、成本等方面设计出最佳可能的芯，另一方面，该材料又能与复合材料部件或结构的组成材料，特别是用玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维(优选碳纤维)增强的环氧树脂相容，并非易事。

目前，在航空航天工业中，通常使用基于双酚F二缩水甘油醚(缩写为DGEBF)和/或基于双酚A二缩水甘油醚(缩写为DGEBA)的环氧树脂(例如索尔维公司(Solvay)销售的环氧树脂PR520)，使用真空树脂传递模塑法，也称为VARTM(真空辅助树脂传递模塑法)来制造复合材料部件或结构，如风扇叶片、壳体或楔块，其中外模具被承受油压的膜取代。

例如在出版物“Modelling the VARTM Composite Manufacturing Process,Xiaolan Song,Alfred C.Loos,Brian W.Grimsley,Roberto J.Cano,Pascal Hubert”中就描述了这种真空树脂传递模塑方法。

CN 108705829描述了一种基于轻质环氧泡沫的夹层板，该夹层板可用于诸如汽车、铁路运输、船舶和航空航天、军舰、军用飞行器、飞机等的技术领域。夹层板由外向内依次包括外层、环氧泡沫芯和内层。环氧泡沫芯由包含双酚A环氧树脂或双酚F环氧树脂和发泡剂(可以是碳酸氢钠或碳酸氢铵)的复合材料发泡而成。轻质环氧泡沫的体积质量/密度在150至1000kg/m

US 5274006描述了一种可用于诸如汽车、车辆、家用电器、建筑材料等的领域的发泡环氧树脂组合物。该发泡环氧树脂组合物包括液态环氧树脂(可以是使用双酚A或双酚F的二缩水甘油醚、氢化双酚A的二缩水甘油醚)和发泡剂作为基本成分。无机发泡剂的列表包括碳酸氢钠。在实例中，环氧树脂是基于双酚A的树脂，发泡剂为偶氮二甲酰胺。

作为开发由增强的复合材料制成的新型中空部件或结构(尤其是出口导流叶片或风扇叶片)的一部分，期望结合泡沫芯，换句话说是聚氨酯、聚苯乙烯或特别是三聚氰胺类型的蜂窝材料，以减轻整体重量，同时确保所需的机械特性和抗振性。

目前，已知的泡沫塑料价格昂贵，而且在注射操作过程中会出现问题，特别是由于与所使用的树脂不相容，尤其是与索尔维公司销售的环氧树脂PR520不相容而出现问题。

另一方面，组成材料与基于双酚F二缩水甘油醚的环氧树脂(如索尔维公司销售的环氧树脂PR520)成分相容的芯事实上也与其他固化温度至少为170℃的基于双酚F二缩水甘油醚的环氧树脂和/或基于双酚A二缩水甘油醚的环氧树脂相容。

作为开发由增强的复合材料制成的中空部件或结构的一部分，确实需要一种与复合材料部件或结构相容的芯材料，以改进芯/部件或芯/结构之间的粘合。

特别地，确实需要一种用于由增强的复合材料制成的中空部件或结构的芯的材料，该材料具有以下特征：

轻质，即体积质量小于或等于300kg/m

抗压，尤其是在高温，尤其是至少150℃的温度下抗压，即抗压强度尤其是小于10MPa，以及

易于在具有工业吸引力的条件下实施，尤其是在成本方面。

发明内容

本发明的目的正是通过提供一种用于制造轻质环氧树脂芯的方法来满足这些需求，该轻质环氧树脂芯的体积质量尤其是在150kg/m

掺入步骤(A)，在该掺入步骤中，尤其是在60℃至100℃之间的温度下，将碳酸氢钠掺入到环氧树脂，尤其是基于双酚F的二缩水甘油醚和/或双酚A的二缩水甘油醚的环氧树脂中，；

引入步骤(B)，在该引入步骤中，尤其是在60℃至100℃的之间温度下，将从掺入步骤(A)改性的树脂引入封闭的模具中；以及

固化步骤，在该固化步骤中，将引入到封闭的模具中的改性的树脂在树脂的聚合温度下进行固化。

该方法的优点之一是，芯的材料与包括这种芯的中空部件，尤其是中空复合材料部件相容。

在引入步骤B)中，改性的环氧树脂芯可以在封闭的模具中通过低压注射(例如压力小于0.7MPa)或简单地通过在模具封闭前浇注引入一定量的树脂来制造。

也可以实施压缩或压缩-传递模塑方法。

由于最终部件使用的是同一种树脂，因此最终部件遵循树脂的固化周期。

这种方法可以制造质轻的芯，从而减轻芯集成在其中的部件，尤其是复合材料部件的重量。

本发明还涉及一种基于双酚F二缩水甘油醚和/或双酚A二缩水甘油醚的轻质环氧树脂，该轻质环氧树脂通过根据本发明的方法的掺入步骤(A)获得。

这种轻质环氧树脂(也可称为泡沫或发泡树脂)的体积质量在150kg/m

按照ASTM D6641测定，通过本发明的方法获得的轻质环氧树脂的抗压强度在1MPa至25MPa之间，尤其是在1MPa至10MPa之间，更尤其是在2MPa至8MPa之间，具体来说大于或等于2MPa，尤其是等于7.1MPa。

本发明还涉及根据本发明的方法的用途和/或通过本发明的方法获得的轻质环氧树脂的用途。

本发明的另一个目的涉及一种用于生产中空部件或结构的方法，该方法实施通过根据本发明的方法制造轻质环氧树脂芯的步骤和/或通过本发明的方法获得的轻质环氧树脂。

本发明还涉及一种由环氧树脂制成的中空部件，该环氧树脂尤其是用碳纤维增强，该中空部件包括由通过根据本发明的方法获得的轻质环氧树脂制成的芯。

附图说明

通过阅读下面的详细描述将更好地理解本发明，并且本发明的其他特征和优点也将变得显现，下面的详细描述包括参考以非限制性示例的方式示出的附图以说明性的方式给出的实施方式，这些附图可以有助于完整地理解本发明和描述本发明的实施方式，并在适当情况下，有助于对本发明进行限定，其中：

图1表示通过实施例1的方法制备的样品的表面的图像，该图像使用照相装置获得。

具体实施方式

本发明涉及一种制造轻质环氧树脂芯的方法，即该环氧树脂芯的体积质量已经降低，所述环氧树脂芯的体积质量尤其是在150kg/m

掺入步骤A)：在该掺入步骤中，尤其是在60℃至100℃之间的温度下，将碳酸氢钠掺入到环氧树脂，尤其是基于双酚F的二缩水甘油醚(DGEBF)和/或双酚A的二缩水甘油醚(DGEBA)的环氧树脂中；以及

引入步骤B)：在该引入步骤中，尤其是在60℃至100℃之间的温度下，将从掺入步骤A)改性的树脂引入到封闭的模具中。

本发明也适用于在掺入步骤A)中掺入树脂的碳酸氢盐为碳酸氢钾、碳酸氢锂、碳酸氢钙和碳酸氢铵的情况。应特别注意确保产物降解温度与树脂和转化周期相适应。

此外，所有类型的环氧树脂均可使用。同样地，还要特别注意确保每个转化周期都使用不同且适当的分解产物。

根据本发明的一个实施方式，用于制造芯的环氧树脂基于双酚F的二缩水甘油醚(DGEBF)，特别是索尔维公司销售的环氧树脂PR520。

该方法的一个优点是，芯的材料可与包括这种芯的由复合材料制成的中空部件或结构相容。特别是，由复合材料制成的中空部件或结构由索尔维公司销售的环氧树脂PR520制成。

在掺入步骤A)中，有利地使用本领域技术人员熟知的旋转机械桨式搅拌器，将碳酸氢盐，特别是碳酸氢钠掺入到环氧树脂中。

因此，在60℃至100℃之间的温度下，尤其是在70℃至90℃之间的温度下，将碳酸氢盐掺入到环氧树脂中。

碳酸氢盐会在固化周期过程中降解，尤其是在160℃至180℃之间的温度下，尤其是通过释放二氧化碳气体而降解，释放二氧化碳气体使环氧树脂膨胀。

在掺入步骤A)中，在环境压力或大气压力下将碳酸氢盐掺入到环氧树脂中。替代性地，在掺入步骤A)中，将碳酸氢盐掺入到环氧树脂中可以在减压下进行，例如在-700mbar至-950mbar之间进行。

环氧树脂中碳酸氢盐的掺入比取决于环氧树脂所需的膨胀率。基于树脂的重量，碳酸氢盐(具体是碳酸氢钠)的掺入比可从按重量计1％至20％，优选2.5％至10％变化。

在掺入步骤A)结束后以这种方式改性的环氧树脂然后用于引入步骤B)中，以被引入到封闭的模具中，尤其是在60℃至100℃之间，尤其是70℃至90℃之间的温度下引入。

在引入步骤B)中，改性的环氧树脂芯可以在封闭的模具中通过低压注射(例如压力小于0.7MPa)或者简单地通过在封闭模具前浇注引入一定量的改性环氧树脂来制造。也可以实施压缩或压缩-传递模塑法。

根据本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法的一个特定实施方式，引入步骤B)的持续时间可以是2小时。在根据本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法的另一个特定实施方式中，引入步骤B)的温度可以是180℃。

优选地，根据本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法的引入步骤B)在不施加大于气体溶解压力的外部压力的情况下进行。特别地，根据本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法的引入步骤B)在密封的模具中不施加压力的情况下进行。

本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法可以制造一种芯，该芯的材料与由复合材料(可以是增强的)制成的中空部件或结构的材料相似，甚至相同。因此，芯与中空部件或结构之间的界面实际上会比材料不相似或不相同时更坚固。因此，芯可以增强中空部件或结构的机械强度。

在环氧树脂中引入碳酸氢盐可获得“轻质”泡沫，即体积质量在150kg/m

芯的轻质化会使得包括该芯的由复合材料制成的部件或结构的轻质化。

芯和由增强的复合材料制成的部件或结构使用相同的材料，即上文限定的环氧树脂可以改进芯和部件或结构之间的粘合。芯的材料的交联反应可以可选地停止并在部件或复合材料结构的最终固化过程中完成。

在这一步骤中，因为释放出的气体会产生内压，因此芯具有模具的尺寸。在聚合不足的情况下，即树脂没有完全反应的聚合不完全的情况下，收缩可以通过模具的尺寸得到部分补偿。

本发明还涉及一种尤其是基于双酚F二缩水甘油醚(DGEBF)和/或双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)的轻质环氧树脂，该轻质环氧树脂通过本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法获得。更具体地，基于双酚F二缩水甘油醚和/或双酚A二缩水甘油醚的树脂通过本发明方法的掺入步骤(A)获得。

通过本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法获得的轻质环氧树脂(也可称为“发泡树脂”)的体积质量较低，在150kg/m

通过本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法获得的轻质环氧树脂的抗压强度在1MPa至25MPa之间，尤其是在1MPa至10MPa之间，更尤其是在2MPa至8MPa之间。轻质树脂的抗压强度例如可以大于或等于2MPa，尤其是7.1MPa。抗压强度可按照ASTM D6641通过在压缩机上测试确定。

在本发明的特定模式中，通过本发明方法获得的轻质环氧树脂的体积质量为205kg/m

本发明还涉及根据本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法用于生产中空部件的芯的用途，或

通过本发明的用于制造轻质环氧树脂芯的方法获得的轻质环氧树脂用于生产中空部件的芯的用途；和/或

由环氧树脂制成的中空部件，该环氧树脂尤其是用碳纤维增强，所述中空部件包括通过根据本发明的方法获得的轻质环氧树脂芯。

这类中空部件在航空、航天和汽车工业、医疗和风力技术、货车或轮船建造以及体育用品生产中的应用尤为有趣。

本发明的另一个目的涉及一种用于生产飞机面板、直升机桨叶、出口导流叶片(也称为OGV)、具有超高旁通比的风扇叶片(也称为UHBR)和/或可变螺距风扇叶片(也用“可变螺距风扇”的缩写VPF表示)的方法，该方法实施通过根据本发明的方法制造轻质环氧树脂芯的步骤或通过本发明的方法获得的轻质环氧树脂。

这些中空部件可以例如是飞机面板、直升机桨叶、出口导流叶片、超高旁通比风扇叶片、可变螺距风扇叶片、船壳或滑雪板壳。

实施例

实施例1：

为了生产轻质环氧树脂芯，在100g索尔维公司销售的环氧树脂PR520中掺入2.5g碳酸氢钠。

将碳酸氢钠掺入到索尔维公司销售的环氧树脂PR520中，用机械桨式搅拌器加热至70℃。

在该掺入步骤结束时，碳酸氢钠在树脂中的掺入比为相对于树脂重量的按重量计2.5％。

然后使用以这种方法改性的树脂来，使用与对于索尔维公司销售的环氧树脂PR520相同的温度范围制造芯。

然后通过低压注射(尤其是低于2MPa)，将以这种方法改性的树脂引入封闭的模具中。

在制造方法结束后，以这种方式改性的树脂的体积质量为170kg/m

按照ASTM D6641测定，改性树脂的抗压强度为2MPa。