CN101336154A

CN101336154A - 制造复合材料制件的方法

Info

Publication number: CN101336154A
Application number: CNA2006800518495A
Authority: CN
Inventors: 尼尔·埃德温·华莱士
Original assignee: BlueScope Steel Ltd
Current assignee: BlueScope Steel Ltd
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-12-31
Also published as: CN101426632A

Abstract

本发明提供一种形成聚合物组件的方法，其用于在基体(100、200和400)上形成聚合物组件(41、50、51和55)，该方法包括如下步骤：准备具有内表面(503，504)的敞口模具(501，502)；将该模具放置于所述基体(400)的表面上(401)，通过所述模具内表面和所述基体表面形成封闭的型腔；将流体聚合物材料引入该封闭型腔，然后使该流体聚合物材料硬化，从而在基体上形成作为铸件的所述聚合物组件。

Description

制造复合材料制件的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种制造复合材料制件的方法。本发明具体用于包括在基体(多是金属)上形成聚合物组件的复合材料制件。虽然本文参照用于水工基础结构(例如管子、水道、储水或蓄水系统以及贮水池)的复合材料制件来说明本发明，但应了解的是，本发明具有更广泛的应用，并不局限于只用在水工基础结构方面。

背景技术

人们发现，至少在某些情形下，形成连接聚合物组件和金属基体的复合结构的制件，例如水工基础结构制件，是有益的。该聚合物组件可以有多种用途。例如，该聚合物组件至少可以制作接头的零件，使金属部件与另一个金属部件相连接而在接头处形成水密封。在另一实例中，该聚合物组件可以用作贮水池或储水/蓄水系统的底部或顶部结构的零件。

发明内容

第一方面，本发明提供一种在基体上形成聚合物组件的方法，该方法包括如下步骤：

提供具有内表面的敞口模具；

将所述模具放置在所述基体的表面上，从而借助所述模具内表面和所述基体表面形成封闭型腔；

将流体聚合物材料引入所述封闭型腔；以及

提供使所述聚合物材料硬化的适当条件，从而在所述基体上形成作为铸件的所述聚合物组件。

根据本发明，在所述基体表面上形成了作为铸件的所述聚合物组件。这样的配置能够简化制件的制造，所以该配置具有显著的实际利益。此外，因为所述聚合物材料作为流体被引到所述基体表面上，所以即使在所述基体表面被加工为具有加强筋等外形的情况下，所述聚合物组件表面也能够与所述基体表面匹配。

在本说明书的上下文中，所使用的与所述聚合物组件有关的术语“浇铸”或者诸如“铸件”等的“浇铸”的变形术语包括所有的模具技术和/或由此技术形成的制品，只要是将所述聚合物材料引入模具从而使所述聚合物组件形成为特定形状即可。

在一种形式中，所述方法还包括如下步骤：控制将所述流体聚合物材料引入所述型腔的压力，使该压力低于第一阈值，随后增加所述流体的压力，使其超过所述第一阈值。这么做的优点在于，可以将本方法用在所述基体表面不能承受通常伴随注模技术而产生的高压的情况下。例如，在由金属板形成所述基体的情况下，引入所述流体聚合物材料的压力可能为200kPa～500kPa。

在一种形式中，通过使型腔内的所述聚合物材料膨胀来增加所述型腔内的压力。

在一种形式中，可以通过将化学起泡剂引入所述型腔而使所述聚合物材料膨胀。在一种形式中，该工艺使所述聚合物组件的外层与所述组件的内芯更致密。这样还具有减少材料消耗和减轻所述聚合物组件重量的优点。

在一种形式中，所述方法还包括如下步骤：使所述流体聚合物组件与所述基体表面结合。在一种形式中，所述基体表面是聚合物表面，所述方法还包括如下步骤：加热所述表面以进所述基体表面和所述聚合物组件之间粘合。在特定的形式中，预热所述基体从而加热所述基体表面。此外，在升温后再将所述聚合物材料引入所述型腔，从而加热所述基体表面。

在特定实施例中，加热所述基体使所述聚合物表面变粘从而促进所述组件和所述表面之间的粘合。

在上述形式的特定配置中，所述基体包括基层和聚合物膜，其中，该聚合物膜应用于所述基层以形成聚合物基体。在特定的形式中，由金属形成所述基层，而在另一形式中，由金属板形成所述基层，优选钢板。

在另一实施例中，所述方法还包括如下步骤：通过使所述模具和所述基体之间的结合区域内的流体聚合物材料快速硬化，使所述模具和所述基体之间形成流体密封。在某特定配置中，通过加快所述结合区域的冷却速度而使所述聚合物材料快速硬化。在另一配置中，通过使用配置在所述模具和所述基体之间的密封垫来形成所述模具和所述基体之间的流体密封。

在一种形式中，将所述聚合物组件浇铸于所述基体上形成预成型件。在这样的配置中，所述方法还包括如下步骤：所述预成型件经后续成型而形成最终的形状。在另一配置中，直接将所述聚合物组件浇铸成最终形状而不需要任何的后续成型。

在再一实施例中，所述基体被加工为具有一定的外形，使得在所述聚合物组件和所述基体之间的界面呈曲折状。

另一方面，本发明提供包括中空基体的复合材料制件，并且在所述基体表面上浇铸有聚合物组件。

在一种形式中，将所述组件浇铸到所述表面上从而使所述组件与所述基体相结合。在另一特定形式中，所述组件和所述基体表面的结合提供了所述基体和所述组件之间的流体密封。

在一种形式中，由金属板形成所述基体，而在一特定的形式中，由具有抗腐蚀金属涂层的钢板制成所述基体。

在特定形式中，所述聚合物组件与所述基体表面结合，所述制件还包括有助于所述结合工艺的、在所述基体和所述聚合物组件之间的中间层。在一种形式中，在向所述基体浇铸所述聚合物组件期间引入所述中间层。在另一形式中，在浇铸前即引入该中间层。

在某特定的形式中，由金属形成所述基体，在浇铸组件之前，将该中间层应用于所述金属并且在所述金属上形成聚合物涂层。在特定的形式中，该聚合物涂层就是聚合物膜的形式。该聚合物膜不仅有助于将所述组件和所述基体结合起来而且可以用于其它目的。例如，该聚合物膜可以作为金属的防潮层和/或提高金属的耐化学性。这种聚合物膜可以包括低密度或高密度的聚乙烯、PVC(聚氯乙烯)和聚丙烯。一种适合的聚合物膜是以商标TRENCHCOAT^TM LG出售的膜。本申请人也出售商标为AQUAPLATE^TM的PVC涂覆钢板制品，可用于水工基础结构制件。

在一种形式中，将所述聚合物组件浇铸于基体表面上，其中该基体表面被加工为具有一定的外形。该外形可以有多种形式，并且可以包括加强结构，例如波纹、筋等，用于提高所述基体的结构性能。作为一种替代方式或附加方式，可以将所述表面加工为具有一定外形，为基体表面和组件之间的界面提供曲折路径以限制水经所述界面渗漏，从而改善所述基体表面和所述聚合物组件之间的流体密封。此外，作为一种替代方式或附加方式，所述基体表面的外形还可以通过机械干涉来增强所述组件和所述基体表面之间的连接，其中，所述机械干涉能够有效地将那两部分连接起来。

通过在压力作用下将聚合物材料注入浇铸模具和/或通过在浇铸组件之后冷却时控制该聚合物组件在所述基体表面上的收缩，可以改善阻止流体经界面渗漏的物理障碍的设置情况和/或机械干涉的建立情况。

在一种形式中，制件用于水工基础结构并且基体是具有封闭截面的管子。在特定的形式中，所述管子至少包括在该管子相对的两端之间延伸的一根外表面筋。申请人制造和出售的商标为HYDRORIB^TM的管子就是由具有TRENCHCOAT^TM LG膜的钢而形成的这种管子。

在一种形式中，在所述管子上浇铸所述组件，从而形成所述管子用的接头。在一种形式中，在所述管子的一端形成所述接头。或者，可以在该管子的中间部分形成所述接头，可提供所述管子的分支接头。

应了解，因为在该基体表面上浇铸该聚合物组件，所以在所述组件的成型中存在很大的灵活性。此外，在一种形式中，可以浇铸该组件形成为最终形状，在另一配置中，可以浇铸该组件成为预成型件，后续再进行处理(例如铣削加工)而使该组件形成为它的最终形状。

附图说明

下面参照附图说明本发明的实施例。应理解的是，这些附图和说明是用于理解本发明而不是对之前关于本发明的说明进行限制。

附图中：

图1A、1B和1C是水工基础结构中使用的包含聚合物组件的各种管接头的示意图；

图2是管子的分支接头的示意图；

图3是包含了聚合物基接头的贮水池的示意剖视图；

图4是与基体部件的一端连接的浇注装置的示意侧视图；

图5是图4所示浇注装置的端视图；

图6是与基体部件连接的浇注装置的示意剖视图，该基体部件为外表面带筋的结构；

图7是图6所示视图的变化形式，此处该基体部件带波纹；

图8是分解图形式的图1C所示管接头的一种变化形式；

图9是图8所示管接头的组装图；以及

图10是图8所示管接头的剖视图。

具体实施方式

图1A～图1C表示了用于连接第一管子100和第二管子200的各种接头10、20和30。这些接头包括了浇铸在管子端部的聚合物组件，下面更详细地说明。

在该图示形式中，由具有抗腐蚀涂层的钢板形成管子100和管子200。此外，可以将钢板加工为包括加强结构的外形，从而增加管子的强度。这些加强结构可以是加强筋或/和波纹等。此外，可以用聚合物材料涂敷管子100和管子200。这种聚合物材料可以是提供金属板防潮和/或提高金属板耐化学性的膜的形式。这些聚合物膜可以包括低浓度或高浓度的聚乙烯、PVC和聚丙烯。此外，该聚合物膜可以使各聚合物组件与各自的管子之间的结合更便利。

申请人出售的商标为HYDRORIB的管子就是由钢带形成的管子的一个例子，其中的钢带包括沿管子呈螺旋形延伸的外表面筋。该管子包括LD聚乙烯膜涂层，该涂层以商标TRENCHCOAT^TM LG出售，并且该管子通过螺旋卷绕钢带工艺而形成。

管子100和管子200按照端到端的关系排列并通过接头10、20和30以水密封方式连接，从而可以在无限长度上输送水。由管子100和管子200提供的基础结构可以是压力级的，从而供给城镇用水或灌溉用水，或者可以是非压力级的，用于诸如涵洞管道或者排雨水等场合。通过接头10、20或30形成的密封效果很大程度上决定了管子的压力级别。

在图1A所示的实施例中，接头10包含了在第一管子100端部形成的第一聚合物接头11和在另一个管子200端部形成的第二聚合物接头12。将这些接头彼此相邻地排列，从而在管子100和管子200之间形成对接。可以在接头外配置夹紧件(图未示)将它们保持在适当的位置上。

在图1B所示的实施例中，在管端101上形成第一接头21，而在第二管子200的端部201上形成第二接头22。每个接头在其外端面包括法兰23、24，并且在接头连接时这些法兰被排列成对接在一起。尽管没有图示，但一般来说紧固件(图未示)，例如螺母和螺栓，延伸穿过法兰23和24而将管子联接在一起。

在图1C所示的实施例中，接头30为承插型接头(bell and spigottype)，包括钟形物31和套管32，其中，在管子100的末端上形成钟形物31，并且在另一个管子200的末端上形成套管32。把套管32定位在钟形物31的空腔33内就将管子100和管子200连接在一起，并且实现它们之间的密封。

图1A～1C的实施例表示了理论上用聚合物组件形成的常规接头类型。正如本领域技术人员应了解的，为了提供水密封接头，可能还必须使用诸如“O”形圈密封或压力密封。在图8～图10中显示了这种配置的例子。

在图8～图10所示的实施例中，第一接头件50′(钟形物)被配置在管子100的末端上并形成凹形组件，而另一个接头元件51″(套管)被配置在另一个管子200的末端上并形成插入组件。压力密封52″被配置在插入组件51″上，并被设计成与凹形组件50′的内表面53′配合。将压力密封部分地放入到插入组件51″的外表面中形成的凹进处54″。

通过将插入组件51″定位在凹形组件50′的孔53′内，就形成水密封接头。压力密封52″形成防水密封，并被设计成随着管子内部压力增加而向内移动，与接头元件50′和51″更紧密地接合，因此不仅增加了密封性能，而且防止了管子的意外脱扣。这样，不需要任何独立的夹紧件来保持管子100和管子200在长度上沿轴向对齐。

除在接头元件之间形成的密封之外，接头的防水效果在某种程度上取决于各聚合物组件和基体管子之间的界面。下面更详细地说明在这两部分之间的这种防水界面的提供情况。

图2表示用于基体管子100的另一种接头40。在该实施例中，接头40用于提供管子100的分支管路并形成于管子100两端101、102的中间部位。在该图示形式中，接头40形成从管子表面凸出的聚合物凸缘41。凸缘41限定了中心腔42，其中设有孔104，该孔104位于管壁的下面。根据这种配置，在端部具有相配接头的第二管子可以在接头40处与管子100相连接。

尽管在一种形式中可以离线形成接头40，但在另一配置中，可能需要在现场将该接头安装到已铺设好的管子上。在这样的配置中，现场在管壁上浇铸聚合物组件41并在管子内开出孔104。

图3表示另一种水工基础结构产品，即贮水池300。在图3的实施例中，贮水池300具有圆柱壁301，该圆柱壁301由具有一定外形的金属带制成。此外，该金属带可以是具有抗腐蚀金属涂层的钢板，也可以具有聚合物涂层。申请人出售的商标为AQUAPLATE^TM的产品即是一个合适的PVC涂布钢带的例子。钢带可以被加工成具有波纹或筋的外形，并且贮水池壁可以螺旋卷绕钢带而制成或由更常规的结构制成，通过以一个叠置在另一个的顶部上的形式配置多个圆柱板元件从而做成该贮水池壁。

在图3的实施例中，该贮水池具有聚合物组件55，该聚合物组件55是在贮水池壁302底部上的铸件。该聚合物组件形成贮水池300的底部组件303的一部分。

在以上说明的各实施例中，聚合物组件是直接浇铸在产品部件100、200或300上的铸件。图4～图7更详细地说明这种浇铸工艺。

首先参照图4和图5，为了在基体部件400上浇铸该聚合物组件，准备浇注装置500，它包括夹持基体部件400的模具壳501和502。模具壳501和502分别具有模具内壁503和504，当这些模具壳夹紧产品部件400时，模具内壁503和504与基体部件400的外表面401一起形成封闭型腔505，能够将聚合物材料引入该型腔505中。

浇铸装置500还包括将聚合物材料引入模具型腔505中的供料组件506。该供料组件一般是挤压机/注射器系统的形式，即在相对低压(典型的压力为210kPa～480kPa)下以液体形式引入聚合物材料，从而使基体部件400不变形。此外，可以使用单条或多条注入路径，以组合单个或多个聚合物或其他模压材料的特性，从而产生对物理性能有影响的同质或异质的结构并获得最终浇铸组件的经济效果。

一般来说，注入的聚合物材料可以为与聚烯烃、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、尼龙和相关共混物相关的树脂。这些聚合物材料还包括作为附加物或替换物的与橡胶相关的化合物，并且可以通过加入陶瓷或玻璃珠、定向纤维和/或由金属件用的聚合物制造的固体插入物来加强这些聚合物材料。本领域技术人员应该了解，在不脱离本发明范围的情况下，该聚合物材料的组成可以变化。

为了控制浇铸工艺的操作参数，可以加热基体部件400和/或模具壳501和502，从而改善特定的聚合物流动特性。一般来说，通过模具加热装置507来完成加热。此外，可以选择性地冷却(通过装置508)这些部件，从而控制材料的流动和已浇铸组件的收缩。在一种形式中，经过一段时间，一般少于15分钟，模具和/或管子就冷却至室温。此外，通过快速冷却接合区域内的聚合物材料而使模具和基体表面之间可以形成流体密封。也可以使用接合处的密封垫来提供另一种流体密封。

此外，可以在设计配方时或在聚合物注入模具时，将气体和/或其它化学起泡剂加入聚合物材料，用于增加模具内的压力，从而使聚合物材料充满整个型腔，还用于控制浇铸部分的收缩和/或特定的聚合物和模具型腔的填充特性。

图6和图7示意地表示在图6所示的实施例中显示的模具500，在图6中，模具500与外表面带筋的光孔钢管连接，而在图7中，基体部件400是波纹管。

由于是将聚合物组件11直接浇铸在基体表面401上，所以就可以使该组件精确获得所述表面形状，从而该组件基本上沿着这两个部分之间的整个界面与所述表面密切地接触。这样就显著提高了界面或这两部分之间的连接效果从而防止水渗漏。

在一种形式中，通过选择适当的材料，可以获得聚合物组件和基体部件之间的牢固结合。在另一形式中，聚合物材料可以直接粘合到金属表面上。或者，可以使用诸如上述的那些聚合物材料涂层预涂布管子，从而使该涂层与组件的聚合物材料结合。在这样的配置中，加热涂层使其变粘从而有助于在部件和组件之间形成粘合。一般来说，将涂层加热至90°～180°，更优选约130°。

此外，如果基体部件400具有被加工成一定外形的外表面，如在图6和图7中所示，那么在所述表面上浇铸聚合物组件之后，再设置机械干涉，一方面可以增加连接强度，另一方面可以产生有助于防止水经这两部分的界面而渗漏的曲折路径。可以通过聚合物组件在浇铸之后冷却期间的收缩来增强该机械干涉。

通过在基体部件上浇铸聚合物组件，在浇铸该组件之后，可以不需要或者显著降低该组件再成型的需求。然而，应了解，如果需要复杂的形状，那么可能需要某些后续成型。然而，在许多情形下是不需要后续成型的。这就不仅简化了组件成型工艺和所需设备，而且提供了可以现场浇铸组件的配置。这对需要安装水道或管子的新部件和/或需要形成新连接的水工基础结构特别有利。

在本发明所附的权利要求和上述说明中，除非根据明确语义或必然含义而在上下文有要求，否则，单词“包括”及其类似用语如“包含”或“具有”等都用作包括的含义，也就是说，在本发明的各个实施例中，用来表示存在所述特征，但不排除其它特征的存在或加入。

在不背离本发明的精神或范围的前提下，可以改变或修改上述各个部分。

Claims

1.一种在基体上形成聚合物组件的方法，该方法包括如下步骤：

准备具有内表面的敞口模具；

将流体聚合物材料引入所述封闭型腔；以及

2.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

控制将所述流体聚合物材料引入所述型腔的压力，使其低于第一阈值；

随后增加所述型腔内所述流体聚合物材料的压力，使其超过所述第一阈值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过使所述聚合物材料膨胀来增加所述型腔内所述聚合物材料的压力。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一阈值为200kPa～500kPa。

5.根据权利要求2～4之一所述的方法，其中，通过将化学起泡剂引入所述型腔来增加所述型腔内的所述流体聚合物材料的压力。

6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所形成的聚合物组件具有外层和内芯，且所述外层比所述内芯更致密。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括如下步骤：使所述流体聚合物材料与所述基体表面相结合。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述基体表面是聚合物表面，并且所述方法还包括如下步骤：加热所述基体表面，使所述基体表面和所述聚合物组件之间相粘合。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，预热所述基体从而加热所述基体表面。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，在升温后将所述流体聚合物材料引入所述型腔从而加热所述基体表面。

11.根据权利要求8～10之一所述的方法，其中，加热所述基体而使所述聚合物表面变粘。

12.根据权利要求8～11之一所述的方法，其中，所述基体包括基层和聚合物膜，所述聚合物膜被施加到所述基层而形成所述聚合物基体表面。

13.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，至少部分所述基体用金属制成。

14.根据权利要求13引用权利要求12时所述的方法，其中，所述金属形成所述基体基层。

15.根据前述权利要求之一所述的方法，还包括如下步骤：通过使所述模具和所述基体表面之间的结合区域内的流体聚合物材料快速硬化，使所述模具和所述基体之间形成流体密封。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过加快所述模具和所述基体表面之间的所述结合区域内的流体聚合物材料的冷却速度而使所述聚合物材料快速硬化。

17.根据权利要求1～14之一所述的方法，其中，将密封垫配置在所述模具和所述基体表面之间而使其间形成流体密封。

18.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，在所述基体上将所述聚合物组件浇铸成它的最终形状。

19.根据权利要求1～18之一所述的方法，其中，在所述基体上将所述聚合物组件浇铸成预成型件，且所述方法还包括如下步骤：将所述预成型件经后续成型而形成它的最终形状。

20.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述基体表面被加工成具有一定的外形，使得在所述聚合物组件和所述基体表面之间的界面是曲折的。

21.一种复合材料制件，其包括：基体和浇铸在所述基体表面上的聚合物组件。

22.根据权利要求21所述的制件，其根据权利要求1～20之一所述的方法制成。