CN101417518A - 双面-单针-底线-缝纫技术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用一种增强方法实现夹层结构的增强。夹层结构的表层可优先用纤维－塑料复合材料(FKV)制成，芯层材料是用聚合的硬质泡沫塑料制成的。

Description

双面-单针-底线-缝纫技术
技术领域
本发明涉及用于夹层结构的一种增强方法，其特征在于，在芯层材料上引入通孔在时间上是与引入增强结构分开进行的。
本发明适用于夹层结构的增强。夹层结构优选可以包含：纤维塑料复合层，其带有由纺织半成品做成的表层(例如织物、稀松布、毡垫等)；一种芯层材料(例如聚合物泡沫材料)；一种聚合物基质材料(热塑性或热固性材料)。夹层结构都是一层一层地形成的结构，它们包含相对薄的上下表层及一个具有低的松密度的相对厚的芯层。
依本发明，利用沿厚度方向穿过的增强元件，就可明显提高夹层结构的横向特性(如Z-方向中的抗压和抗拉伸刚度与抗压和拉伸强度；Xz-平面中和Yz-平面中的抗剪切刚度和强度，表层和芯层之间的抗剥离力；防失效安全性能)以及层平面方向上的机械性质(例如刚度和强度)。
背景技术
在结构性泡沫材料中或在可高度加荷的、轻量的复合材料中，最佳密度分布原理例如可以在夹层板材中利用一种泡沫材料芯层同两边抗拉伸的表层形成抗剪切的结合予以实现。为了产生持久的夹层结构，有各种可能性。视负荷之不同，例如可加以粘合或增强。增强的意义就是一个物体借助另一个具有更高抗压强度或抗拉伸强度的物体来实现其增强。
迄今所有已知的用于夹层结构依其厚度方向的增强的生产方法，例如双锁式针迹、暗缝线迹缝纫技术或双针缝纫技术以及簇绒法，都有一个共同之处，就是那些增强元件(例如缝纫线、粗纱)共同地利用针而被引入到夹层结构中。在传统的纺织类缝纫制品上，针的引入包括缝纫线的引入和随即的缝纫针的拉出来和缝纫线的留在缝纫孔中，由于纺织物的复位效应之故，通常是没有问题的。不过，在以一种聚合物硬质泡沫材料作为芯层材料的夹层结构上，由于针以及缝纫线的穿刺，可能造成网状状结构的破坏，而且由于随缝纫针直径的大小导致的塑性和弹性变形而造成聚合物硬质泡沫塑料的扭变。在WO2004/113063中所介绍的通孔的穿孔和随后缝纫线穿过该通孔，导致在通孔和缝纫线之间的一种不利的面积比，从而导致产生一个小的缝纫线体积成分。
在将缝纫针拉出来和将缝纫线留在缝纫孔中之后，由于网孔壁的弹性的变形成分之故，导致通孔的缩小，从而使得芯孔直径再次变得小于缝纫针直径。在所产生的芯层中通孔的直径和所用的缝纫针直径之间存在着一种几乎是线性的关系，也就是说，缝纫针直径越大，则在芯层上所造成的通孔就越大。此外，缝纫线还会导致芯孔直径的附带扩径。这一附带扩径几乎相当于缝纫线的横断面面积。在这里也可以认定：所用的缝纫线的横断面面积越大，附带的扩径亦越大。
US 6187411介绍双面缝纫法中的缝纫过程，依此法从夹层结构的一个表层出发，一根上线利用缝纫针被刺入到夹层结构中，而在另一个表层的近处被一根底线保持在夹层结构中。这样，在将缝纫针从夹层结构中撤回之后，便产生一个线圈。
在DE 102005024408中公开了一种用于增强泡沫塑料的缝纫方法，依该方法在利用缝纫针产生通孔之后将束纤维穿过泡沫材料拉出，随后齐平地加以剪断，或将之贴附在表面上和可选择地加以粘住。这在进一步加工时会导致纤维从表层中滑脱，从而大大降低接合强度，但还会导致表面的卷曲。
US 5624622公开了采用链式针迹缝纫法或锁式针迹缝纫法来增强泡沫材料夹层结构的作法。
按以往所采用的缝纫方法，在刺入缝纫针时携带着缝纫线。于此，在刺入泡沫材料中时，缝纫线在整个长度上都平行于缝纫针地延伸。因此，穿刺孔的孔径大小是由缝纫针直径和缝纫线的厚度所决定的。
在夹层结构利用液态基质材料和随后的固化实现浸渍处理之后，可借助显微镜检验来确定芯孔直径及缝纫线在芯孔中的纤维体积成分。在此实验表明：利用双锁式针迹缝纫工艺，在使用直径为1.2毫米的缝纫针和线性重量为62克/千米的芳族聚酰胺缝纫线所缝纫的夹层结构上，芯层材料中产生的树脂柱的直径(约为1.7毫米)大于用单针迹情况下未加以浸渍的夹层结构所求得的芯孔直径。其原因在于：通过缝纫针的穿刺，缝纫针直径范围内相邻的网状壁被破坏了。在这些开着的其平均直径约为0.7毫米的针洞中在随后的浸润过程中被树脂渗入(图2)。在该图中示出在使用双锁式针迹-缝纫工艺情况下和根据芯孔中缝纫线体积成分与芯孔中缝纫线的数目的关系产生的树脂柱的机理。
在采用双锁式针迹缝纫技术的情况下，总是每个针迹都沿Z-方向的夹层结构引入两根缝纫线。为了提高通孔中的缝纫线体积成分从而提高增强效应，还可在已缝纫过的点上再次地或多次地加以缝纫。不过，在芯孔中已存在的缝纫线可能受到缝纫针的重新刺入的损害。利用显微镜检查便可确定：缝纫线体积成分不可能如所期待地与针迹数目成正比地提高。其原因在于：芯孔的直径随着针迹数目不断增大和所引入的缝纫线的数目的增多是不能保持稳定的，因为芯孔直径由于附加引入缝纫线而大致扩大缝纫线横断面面积的量。当然还可以确定：只有在很高的针迹数目的条件下，实际的曲线走向才符合上述理论。相反地，在针迹数目很小时，芯孔的直径会过度地增大。其原因在于缝纫机的定位精确性。如果重新移动至一个应再次加以缝纫的位置的话，则缝纫针不能准确地刺入已存在的孔的中心，而是在定位精确性的范围内略微向旁边偏，从而使芯孔超比例地扩大。在大约八次刺入同一芯孔之后，该芯孔便已如此超常地被扩大，使得缝纫针在不附带地破坏网孔壁的情况下进入到已存在的芯孔中。在继续刺入时，芯孔的扩大仍只能通过附加引入的缝纫线才产生。
参照上述检查就能看出，在采用传统的生产方法时(例如双锁式针迹-缝纫技术)，聚合物芯层材料上出现的芯孔直径主要与所用的缝纫针直径、缝纫线的横断面面积及所用的聚合物硬质泡沫塑料的孔直径相关联。由于按已往的所有已知的增强方法，缝纫针和缝纫线是同时刺入夹层结构中的，所以在这里总是会产生增强元件的被引入的横断面面积与芯孔直径的大小的一种不利的比例关系。芯孔直径中的高纤维体积成分(近似于表层的纤维体积成分(>50％))，因此不能利用常规增强方法获得。当然由于机械特性主要受到所引入的高刚度和高强度的增强元件的影响，所以必须有一个目标，就是追求在芯孔直径中增强元件的尽可能高的纤维体积成分。此外，芯孔直径中高的树脂成分有利于提高重量，这个重量特别在宇航和航空中是不被容忍的。
发明内容
本发明的任务是通过沿着夹层结构的厚度方向(Z-方向)引入增强元件以改善夹层结构的机械特性，在芯孔直径中的增强元件具有高的纤维体积成分。将增强元件引入到夹层结构中，但重量不会有大的增加。
本发明的上述任务是通过以下措施加以解决的，即如此实现夹层结构的增强：
a)芯层材料上引入通孔在时间上是与引入增强结构分开地进行的；
b)在引入通孔之后，利用钩、夹子或针将增强结构取过来，然后通过向上及旋转运动或者固定在导针片上的夹子、钩或针的向上运动将增强结构引入到夹层结构中；
c)在引入通孔和随后引入增强结构之后，将配有导针片或没有导针片的针、夹子或钩(夹持系统)旋转或不旋转地沿着缝纫方向引导到下一个刺孔，其中在下一次刺入时增强结构从针、钩或夹子旁边移过，并且在刺穿芯层材料之后在底侧接收增强材料，其中通过夹子、钩或针的向上及旋转运动，或者通过固定在导针片上的夹子、钩或针的向上运动实现上方的和下方的增强结构之间的交织。
如果使用可锁闭的钩针，例如配有导盖或导针片的钩针，便可放弃旋转运动。
这种新式的缝纫技术还可以用于附加结构部分(例如纵向加强肋条、横向加强肋条等)的预定型，还可用于将之固定在夹层结构上。
业已发现，采用本发明提出的缝纫技术，与DE 102005024408A1相比，可以省去传统的定尺剪切工序。此外还发现，在相继的加工步骤中可以防止表层的位移，这种位移现象通常导致如下结果，即针从表层中滑出。除了表层和芯层之间缺乏结合强度之外，还可能产生未确定的粗纱偏差方向。由此造成的表层的卷曲也可利用本发明提出的方法加以防止。
利用本发明提出的方法，可以在芯层材料和表层之间实现形锁合的连接。如果增强元件不行进通过两个表层，而是终止在表层和芯层之间，则测定出的剥离力下降了约73％。
首批试验表明，采用本发明提出的增强方法制造出来的夹层结构上的剥离力的下降可大大减小。
表层同芯层材料的持久连接还可以实现材料接合体的不成问题的运输。
采用泡沫塑料、毛毡或其它纤维混纺织物可导致在绝热和/或隔音方面的性质改善。
根据该增强方法，夹层结构可按一种液体-复合-模塑法用一种热固性或热塑性的基质材料加以浸渍。
依本发明获得了夹层结构。
这些夹层结构可包含由纺织半成品构成的表层和一个由聚合物、天然的或结构性的芯层材料构成的芯层，这些层配有增强元件，必要时可浸渍在一种聚合物基质材料中。
附图说明
图1示出了缝纫方法；
图2示出一种现有技术。
具体实施方式
一个钩、夹子或针(夹持系统)1连同增强材料3如缝纫线或粗纱可用于增强夹层结构(图I)。
钩、夹子或针1连同增强材料3在同时作180°旋转运动时被引导到下一个刺入点(图I和II)。如果钩、针或夹子固定到一个导针片上时，则可放弃旋转运动。
使用钩、夹子、针1以引入一个通孔到芯层材料2中或者必要时穿过一个或多个表层和芯层材料(图III)。这时，增强材料不被携带。增强材料在钩、针或夹子旁边滑移而过(图IV)并保持在芯层材料的上表面上。
针、钩或夹子从下面取过来增强材料，该增强材料然后通过向上及旋转运动而被引入到夹层结构中(图IV)。如果钩、针或夹子固定到一个导针片上，则可在向上运动的情况下，放弃旋转运动。
在芯层材料的上表面上形成增强材料的交织(图V)，从而产生一个结扣。
没有配置导针片的钩、夹子或针利用旋转运动沿着缝纫方向被引导到下一个穿刺点(图I)。配有导针片的钩、夹子或针则不旋转运动地沿缝纫方向被引导到下一个穿刺点。
在随后的作业工序中，缝纫物或增强单元被继续送往下一个穿刺点，然后增强过程在该处重复进行。通过引入增强结构，可导致由于夹持系统的刺入而造成的芯孔直径的附带性扩大，从而可实现一个高的纤维体积成分。由于增强元件通过拉力而被引入到夹层结构中或者只引入到芯层材料中，故可实现增强结构的一种特别良好的定位，从而使增强结构不会产生横向挠曲。利用这种增强方法，被引入的增强元件同样具有与Z-轴线为0°偏差的一个角，例如在一个在纯横向力加荷情况下为+/-45°。通孔可在任一角位条件下引入到泡沫塑料中。通孔的定向可以特别个性化与待增强的泡沫材料的形状以及待应用的负荷情况相匹配。
作为芯层材料可使用一种聚合物硬质泡沫塑料(例如PMI，PVC，PEI，PU，EPP，PES，PS等)。但也可以使用其它通常用作为芯层材料的泡沫塑料。还可用毛毡和其它纤维混合材料。芯层材料的厚度例如可达1至150毫米，宽度可达大约1250毫米，长度可达大约2500毫米。上下的纺织物表层可以相同或不相同地加以设计，可用聚酰胺纤维、聚酯纤维、碳素纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、金属纤维、芳族聚酰胺纤维或玄武岩纤维或者其它增强材料为原料制成。单个纺织物表层的厚度可以相同也可不相同，例如可在0.1毫米和5.0毫米之间。作为聚合物基质材料可以使用热塑性塑料或热固性塑料。
增强结构既可用纺织物类增强结构(例如缝纫线、粗纱)，也可以用棒状元件(例如用单向纤维-塑料-复合材料、未增强的塑料或金属等做成的针形结构)组成。此外，作为纤维束指的是用许多单根纤维或单根纤维本身及纱线形成的粗纱，这种粗纱是用单纤维或纤维束捻成的。增强结构的典型直径可以达0.1毫米至2.0毫米。
为了使增强材料和芯层材料达到良好的接合，芯层材料或整个夹层系统可用树脂加以浸渍。最好还在芯层材料或夹层系统的一边施加真空，以便将在另一边上的树脂吸过来。
被引入的树脂量应尽可能的小，以便在强度和重量之间达到最佳的比例。这种最佳化主要是经过减小树脂量和同时提高每个针孔的纤维成分予以实现的。
本发明提出的沿厚度方向增强的夹层结构可以用在运输领域，例如航天航空、汽车及轨道车辆制造以及船只制造方面，但也可以用在体育运动领域和医疗领域以及用于建筑业和家具制造工业中。例如飞机或直升飞机的舵或机身的一些部分以及内护板和内部设备的一些部分可以配备按本发明所制造的夹层结构部件。对于内部构造(Innenbau)、外部构造(Aussenbau)、博览会构造(Messebau)的结构部件都可用本发明提出的夹层结构加以制造。
附图标记清单：
 
代号 名称
1 夹持系统(夹子、针、钩)
2 芯层材料
3 增强材料
4 增强材料的储存

Claims (10)

1.用于夹层结构的增强方法，其特征在于：
a)芯层材料上引入通孔在时间上是与引入增强结构分开地进行的；
b)在引入通孔之后，利用钩、夹子或针将增强结构取过来，然后通过向上及旋转运动或者固定在导针片上的夹子、钩或针的向上运动将增强结构引入到夹层结构中；
c)在引入通孔和随后引入增强结构之后，将配有导针片或没有导针片的针、夹子或钩旋转或不旋转地沿着缝纫方向引导到下一个刺孔，其中在下一次刺入时增强结构从针、钩或夹子旁边移过，并且在刺穿芯层材料之后在底侧接收增强材料，其中通过夹子、钩或针的向上及旋转运动，或者通过固定在导针片上的夹子、钩或针的向上运动实现上方的和下方的增强结构之间的交织。
2.按权利要求1所述的用于夹层结构的增强方法，其特征在于：增强结构由纺织物类增强结构或棒状元件构成。
3.按权利要求2所述的用于夹层结构的增强方法，其特征在于：增强结构由缝纫线或粗纱构成。
4.按权利要求2所述的用于夹层结构的增强方法，其特征在于：增强结构是由以单向的纤维-塑料复合物、未增强的塑料或金属做成的针状体构成的。
5.按权利要求1所述的用于夹层结构的增强方法，其特征在于：芯层在上侧或/和下侧配有用纺织半成品制作的表层，纺织半成品可从聚酰胺纤维、聚酯纤维、碳素纤维、玻璃纤维、尼龙纤维、金属纤维、芳族聚酰胺纤维或玄武岩纤维这一组材料中选择。
6.按权利要求1所述的用于夹层结构的增强方法，其特征在于：表层是用纺织半成品制成的，芯层是用聚合的、天然的或结构化的芯层材料制成的；表层、芯层和增强元件嵌入聚合的基质材料中。
7.一种按权利要求1至6之一所述的方法获得的夹层结构。
8.按权利要求7所述的夹层结构应用于航天航空交通工具、海运交通工具、陆运及轨道交通工具。
9.按权利要求7所述的夹层结构应用于体育运动器械的制造。
10.按权利要求7所述的夹层结构应用于内部构造、外部构造和博览会构造所需部件的制造。
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