CN108138444A - 用作刮刀刀片或顶板的包含三维复合加强结构体的平坦元件 - Google Patents

用作刮刀刀片或顶板的包含三维复合加强结构体的平坦元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于造纸系统的平坦元件。该平坦元件适合用作刮刀刀片或顶板，所述平坦元件包括三维复合结构体和其中嵌入了该三维复合结构体的树脂，其中所述三维复合结构体包括至少在三个正交方向上延伸的细长元件。

Description

用作刮刀刀片或顶板的包含三维复合加强结构体的平坦元件
优先权
本申请要求2015年8月13日提交的美国临时专利申请系列号62/204,738的优先权权益，通过引用将该申请全文纳入本文。
背景
本发明一般涉及用于造纸机的平坦元件，例如刮刀刀片和顶板，本发明具体涉及提供改善的刚度和性能的刮刀刀片和顶板。
刮刀刀片和用于刮刀刀片支架的顶板一般用于处理涉及辊、幅材或片材的制造系统(例如造纸系统)中的移动表面。
移动表面的处理一般通过被刮刀刀片支架支承的刮刀刀片来进行，所述刮刀刀片支架可包括顶板。刮刀刀片支架与刮刀刀片一起作用，将刮刀刀片的工作边缘施加到被处理的表面上。例如，图1显示了现有技术的刮刀设备10，该设备与辊12的表面相邻。该辊围绕轴A1旋转，刮刀设备包括可以围绕与轴A1平行的轴A2旋转的刮刀刀背14。刮刀刀片支架16如所示支承在梁18上，梁18构成刮刀刀背的一部分。刮刀刀片支架16包括通过安装和调节组件连接的顶板20和底板22。刮刀刀片24被接纳在顶板20下侧上的较低的颌状开口26内。
再参考图2，安装和调节组件包括通过枢转杆32相互连接在一起的多个顶板托架28和多个底板托架30。安装和调节组件还包括加载管34和卸载管36，加载管34和卸载管36的尺寸可通过调节每个管内流体的量而交替增大或减小，以实现顶板相对于作为枢转杆32中心轴线的轴线A3的受限转动。该受限转动允许刮刀刀片24与辊12配合以实现刮除或与辊12脱开配合。活塞/汽缸单元38经由曲柄臂40动作以使刮刀刀背14绕轴线A2转动以提供刮刀刀片24靠近和远离辊表面的大体定位。
刮刀刀片可由金属(为了获得高刚度和低厚度)、塑料(为了获得更好的对表面的顺应性，代价是厚度增加)或加强塑料形成。例如，美国专利第4,549,933号揭示了使用合成材料(例如纤维，其中的一些是取向的)形成层，这些层被层叠在一起形成刮刀刀片。事实上，美国专利第4,549,933号描述到，机器方向上的高刚度和强度允许所需的低挠度刀片载荷，而没有不可接受的刀片厚度增加(其转化为功率损失)，而横向于机器方向(crossmachine direction)上的较低的刚度允许刀片适应辊表面的不规则性，而所需的刀片载荷没有大变化。
美国专利申请公开第2009/0208706号揭示了一种由厚针刺毡制造刮刀刀片的方法，所述厚针刺毡由聚酰胺和共聚酯纤维构成并具有聚氨酯表面涂层。美国专利第6,977,029号揭示了一种用于靴形压榨应用的刮刀刀片，该刮刀刀片由机织物基底层以及多个针刺到其中的纤维毡层制成。该结构还可以由聚酰胺、芳族聚酰胺和聚酯纤维制成。
某些现有技术的刮刀刀片和顶板是通过将数个单独的二维加强织物层与聚合物树脂施加在一起来制备的。所用的二维加强织物通常包含玻璃纤维、碳纤维或两者的组合。玻璃纤维赋予刮刀刀片清洁和磨损性质，而碳加强用于改善刮刀刀片的磨损寿命以及顶板的强度和刚度。根据具体刮刀刀片或顶板的性质和性能要求，使用两者的不同组合。例如，8层200gsm平织2-D玻璃织物可以结合在一起，产生厚度为1.5mm的刮刀刀片，例如如图3所示。
还可以包含含有芳族聚酰胺纤维的织物加强物，以使刮刀刀片和顶板的抗冲性增强。微米尺寸的填料也常用于进一步加强树脂，进一步增强刀片的性质。例如，碳化硅常用于赋予刮刀刀片额外的磨损性质。
加热和加压已经用于固化聚合物树脂，使各个2-D加强层化学结合在一起。但是，在造纸机上通常经历的极端条件(包括与磨料和侵蚀性纸填料(例如碳酸钙和二氧化钛)接触，被胶粘物冲击，接触石油化学基辊清洁溶剂)下，化学结合可能是失败的，导致各个层开放并脱层，最终造成失效，因为造纸原料纤维穿透到刀片和顶板的主体中，例如如图4所示。
因此，仍然需要用于造纸机的平坦的元件，例如刮刀刀片，其中刮刀刀片提供改善的性能和持久性。
概述
依据一个实施方式，本发明提供用于造纸系统的平坦元件。平坦元件适合用作刮刀刀片或顶板，所述平坦元件包括三维复合结构体和其中嵌入了该三维复合结构体的树脂，其中所述三维复合结构体包括至少在三个正交方向上延伸的细长元件。
依据另一个实施方式，本发明提供用于造纸系统的刮刀刀片。该刮刀刀片包括三维织物复合结构体和其中嵌入了该三维复合结构体的树脂，所述三维织物复合结构体包括在至少三个正交方向上延伸的细长元件，至少一些细长元件编织在一起。
根据本发明的另一个实施方式，本发明提供一种形成刮刀刀片的方法。该方法包括以下步骤：形成三维织物结构体，该三维织物结构体包括至少部分地在三个伸长方向的各方向上延伸的细长元件；将该三维织物结构体嵌入树脂中。
附图的简要说明
参考附图进一步理解以下说明，其中：
图1显示可使用本发明平坦元件的造纸系统的示意性图解视图；
图2显示可使用本发明平坦元件的刮刀刀片和刮刀刀片支架系统的示意性图解视图；
图3显示现有技术的脱层的刮刀刀片的示意性图解视图；
图4显示现有技术的磨损的刮刀刀片的一部分的示意性图解视图；
图5显示依据本发明一个实施方式的包括多个缝合在一起的织物的平坦元件的示意性图解视图；和
图6显示依据本发明另一个实施方式的包括单个三维织物的平坦元件的示意性图解视图。
这些附图仅用于说明之目的。
发明详述
依据各种实施方式，本发明提供一种由单个三维加强织物制成的刮刀刀片或顶板，该单个三维加强织物具有工程纤维取向，该工程纤维取向被设计用于赋予关键性能性质，并且纤维通过以下方式(1)或(2)互相交错连结在一起：(1)缝合，以使织物不含褶皱；(2)三维编织，其中纤维在三维织物网络中编织在一起。这些单个3D织物加强构造被特别设计，以(1)赋予方向性质和(2)消除刮刀刀片或顶板失效模式的脱层。
织物的纱线和纤维可例如是玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺或它们的任何单独一种或组合，以及玻璃和/或碳与具有高性能热塑性组合/混合纱线和纤维。也可以使用其它加强纤维，但是不能提供磨性的较软的纤维如聚酰胺和共聚酯纤维是不合适的。聚酰胺纤维、聚酯纤维和聚氨酯涂层不能提供如本发明一些实施方式所提供的造纸机刮刀刀片或顶板应用所需的清洁性能、耐磨性、机器方向的刚度和横向于机器方向的挠度或斜切边缘的绝对完整性性质。
本发明的各实施方式提供热固性或高性能热塑性树脂在刀片构造中的使用。另一些实施方式提供纳米颗粒在树脂(热塑性树脂和热固性树脂)中的使用，特别是球形二氧化硅纳米颗粒和多壁碳纳米管。
工程化的单个三维加强织物可以被构造为具有特定的纤维取向，该纤维取向被设计为赋予高性能刮刀刀片或顶板所需的特定的关键性质。该单个三维工程织物比传统用于刮刀刀片构造的材料具有更大的重量和厚度，关键性质包括充分的机器方向的刚度，横向于机器方向的挠度，最佳的切割，清洁，磨损寿命和斜切边缘完整性。该单个三维织物在多个方向上被加强，包括在(z)或厚度方向上，在本文中称为贯穿厚度的方向(through-thickness dimension)。通过使用单个3-D织物来制备刮刀刀片，织物中的各个层都没有脱层的情况发生。因此，用单个3-D织物加强物制备的刮刀刀片或顶板不会由于各层的脱层而失效。在传统的层状2-D加强产品中，在树脂基质中可能形成裂纹，然后沿着加强产品的层之间的富含树脂的区域迅速蔓延。这些裂纹可能是由于从施加在刮刀刀片或顶板中的各层上的差别应变到外部物体的冲击等各种原因造成的，导致产品开放以及分裂，由此造成失效。通过使用三维加强引入厚度方向上的纤维可以阻挡和明显减少任何裂纹蔓延，并且提供更好的抗冲击损伤性，同时提供与常规刮刀刀片和顶板相比改善的冲击后机械性质。目前的2-D层叠物缺乏任何Z-方向粘结剂，因为它们不具有在Z-方向上对齐的纤维。
3-D加强中厚度方向上的纤维的重要作用是为平面内的织物和纤维提供机械结合。3-D结构以及相关的厚度方向上的粘结剂的整体性质将产生对抵抗由于开放和分裂或由于脱层导致的失效明显改善的刮刀刀片和顶板。另外，使用单个3-D织物可以通过合并不同组合的纤维的不同取向来在刮刀刀片或顶板中建立特定的性质。例如，可以包括具有90°取向的纤维以提供机器方向上的刚度，同时保持横向于机器方向上的挠度，使得刮刀刀片能适应辊的轮廓，而且在机器方向上仍然具有足够的刚性以清洁辊。
另外，可以包括多轴取向的纤维，例如+45°/-45°或+60°/-60，以提高刮刀刀片的切割和清洁效率。作为本发明的另一个实施方式，可以包括碳纤维，以延长寿命，提高对磨料磨损的耐受性，以及降低刮刀刀片对造纸缸或辊的摩擦阻力。这些纤维可以作为单独的纤维或纱线引入或者作为玻璃-碳纤维的组合引入，包括但不限于混合的玻璃-碳纤维和纱线或缠绕的玻璃-碳纤维和纱线。
在本发明的一个实施方式中，不同取向的不同纤维的组合随后可被缝合在一起，使得它们机械结合为具有工程化和定制的纤维取向的单个三维加强织物。缝合方法包括将带有缝线的针在加强织物层或纤维的堆叠中穿插，形成三维结构。在此类构造中，纤维是互相交错连结的，但是不含褶皱。不存在褶皱可以产生更好的磨损性质和更清洁的磨损边缘，并且可以消除产生任何堞(castellation)的可能性。随后单个三维加强织物可以作为单个织物进行树脂浸渍，并由此作为单个织物进行树脂固化，然后被加工为刮刀刀片，该刮刀刀片不会发生剥离或脱层，因为它不是由各个单独的加强层组成的。
例如，图5显示了依据本发明一个实施方式的用作刮刀刀片或顶板的平坦元件50。该平坦元件50包括各不相同的织物层52、54和56，选择它们具有文中所述的芯层和外层所需的性质。织物层52、54、56如图所示在58被缝合在一起，以提供复合织物材料，该复合织物材料随后在包含纳米颗粒的树脂59中浸渍，并固化形成平坦元件。
在本发明的另一个实施方式中，织物可以作为具有三维网状纤维集成、交织和互锁的单个三维连续织物被编织在一起。为了产生此类3D编织结构，三组正交的纱线(例如一组多层经线和两组纬线)在织物纵向和宽度方向(x和y)上与织物厚度方向(z)上交织在一起。同样，所得的单个3D加强织物可以作为单个织物进行树脂浸渍，随后作为单个织物进行树脂固化，然后加工为无法脱层的刮刀刀片。
图6显示平坦元件60，该平坦元件60包括多层编织织物结构体，其包括在织物纵向(x)和宽度(y)方向上交织的两组纬线64、66和在厚度(z)方向上的织物62。该多层编织织物结构体随后浸渍在包括纳米颗粒的树脂69中，并固化形成平坦元件。
这两个实施方式都消除了失效模式的脱层。当所得刮刀刀片性质取决于具体的织物构造和纤维取向时，3D加强织物与目前用于刮刀刀片构造的传统2D织物相比具有改善的强度、刚度和对裂纹蔓延的抑制性。
为了实现所需的刮刀刀片性质要求，单个三维加强织物通常比常规标准刮刀刀片中使用的传统200gsm织物加强物明显更重和更厚。例如，与目前典型的刮刀刀片加强织物的200gsm重量和0.2mm厚度相比，上述单个三维加强织物的重量可在1700gsm的水平，其厚度在1.5mm的水平。
通常，但是不限于，本发明的三维加强织物的例子是：
1.50gsm玻璃纱/200gsm 90°玻璃纤维/200gsm 0°玻璃纤维/200gsm+45°玻璃纤维/400gsm-45°玻璃纤维/200gsm+45°玻璃纤维/200gsm 0°玻璃纤维/200gsm 90°玻璃纤维/50gsm玻璃纤维纱。总重量＝1700gsm。
2.50gsm玻璃纱/300gsm 90°碳纤维/200gsm 0°玻璃纤维/200gsm+45°玻璃纤维/400gsm-45°玻璃纤维/200gsm+45°玻璃纤维/200gsm 0°玻璃纤维/300gsm 90°碳纤维/50gsm玻璃纤维纱。总重量＝1800gsm。
3.单个3D编织玻璃纤维。总重量＝1800gsm。
4.由玻璃-碳纤维组合(比例60:40)制备的单个3D编织玻璃-碳织物。总重量＝1600gsm。
已经知道，可以向树脂中添加微米尺寸的添加剂，以进一步增强树脂和最终成品织物加强复合刮刀刀片的性质。但是，对于单个3-D加强织物，表面纤维将作为过滤器，不允许微米尺寸的添加剂穿透到织物的主体中。它们会保留在表面上，不会均匀地分布在最终复合刮刀刀片构造的整体中。这样会导致刮刀刀片具有不均匀的添加剂分布，以及在其截面上变化的性质。解决办法是使用纳米颗粒。纳米尺寸的添加剂足够小，能够穿透表面纤维。因此，它们能均匀地分布在整个刮刀刀片构造中，确保整个刮刀刀片截面上稳定的性能。
已经发现，由如实例1所述的上述构造的单个三维织物制造的刮刀刀片具有高机器方向刚度，同时表现出横向于机器方向的挠度，但是仍具有足够的横向于机器方向的刚性以辅助刮刀刀片安装到刮刀刀片支架中。这些是高性能刮刀刀片的最佳性质。该刮刀刀片还由于包含了多轴玻璃纤维而显示最佳的切割和清洁性质，并且该刮刀刀片由单个织物构成的事实意味着各个单独的织物层无法发生脱层，这与传统的标准刮刀刀片构造不同。
因此，依据不同的实施方式，本发明提供一种由工程化的单个三维加强织物制成的刮刀刀片或顶板，该单个三维加强织物被构造为具有特定的纤维取向，该纤维取向经过设计以赋予高性能造纸刮刀刀片或顶板所需的特定的关键性质，其中单个三维工程织物比常用于刮刀刀片构造的那些材料具有更大的重量和厚度，所述关键性质包括充分的机器方向刚度，横向于机器方向的挠度，最佳的切割，清洁，磨损寿命和斜切边缘完整性。织物可包括玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维、无机纤维、有机纤维、合成纤维和/或改性合成纤维。织物可包括玻璃纤维和/或碳纤维和/或芳族聚酰胺纤维的所有可能的组合。织物包括玻璃/碳纱线或纤维的组合，包括混合的(comingled)玻璃-碳纱线或纤维，和缠绕的玻璃-碳纱线或纤维。织物可包括玻璃/高性能热塑性(HPT)纱线或纤维，和/或碳/高性能热塑性纱线或纤维，和/或玻璃/碳/HPT纱线或纤维的所有可能的组合，包括但不限于，混合的纱线和纤维和/或缠绕的纱线和纤维，例如混合的玻璃和高性能热塑性材料，混合的碳和高性能热塑性材料，或混合的玻璃、碳和高性能热塑性材料。
刮刀刀片可含有以0°方向、90°方向取向的纤维，或者以多轴方向(例如+45°/-45°和/或+60°/-60°等)取向的纤维，以及它们的组合。刮刀刀片可包含热固性树脂，例如环氧树脂，并且可由高性能热塑性(HPT)树脂制备，所述高性能热塑性树脂例如但不限于，聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)或聚醚酮酮(PEKK)等。
该树脂可包含选自下组的纳米颗粒：粉末、细粒、管、纤维和小板。纳米颗粒可以是金属性的，并选自下组：金属氧化物、碳化物或氮化物，金属络合物，离子结构和共价键。纳米颗粒可以是非金属性和/或共价的，并选自下组：粘土颗粒，硅酸盐，陶瓷材料，玻璃颗粒，炭黑，热解法二氧化硅，碳酸钙，球形二氧化硅纳米颗粒，氮化硼，氮化硼纳米管，碳纳米管，包括多壁碳纳米管和单壁碳纳米管，以及陶瓷粉末的纳米球。根据纳米颗粒的类型，纳米颗粒可在聚合物树脂中占0.5重量％-75重量％。纳米颗粒可在所述聚合物树脂基质中占约3重量％，其中纳米颗粒基本由碳纳米管构成。纳米颗粒可在所述聚合物树脂基质中占1重量％-5重量％，其中纳米颗粒基本由碳纳米管构成。纳米颗粒可在所述聚合物树脂基质中占30重量％-50重量％，其中纳米颗粒可基本由二氧化硅纳米颗粒构成。
本领域技术人员能够理解，可以对上述实施方式进行各种修改和变动而不会偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于造纸系统的平坦元件，所述平坦元件适合用作刮刀刀片或顶板，所述平坦元件包含：
包括在至少三个正交方向上延伸的细长元件的三维复合结构体；和
其中嵌入了所述三维复合结构体的树脂。
2.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述在至少三个正交方向上延伸的细长元件包括多个织物。
3.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述多个织物包括多个纤维。
4.如权利要求3所述的平坦元件，其特征在于，所述多个纤维包括玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维或无机纤维、有机纤维、合成纤维和/或改性合成纤维中的任一种。
5.如权利要求3所述的平坦元件，其特征在于，所述多个纤维包括玻璃/高性能热塑性(HPT)纱线或纤维、碳/高性能热塑性纱线或纤维、玻璃/碳/HPT纱线或纤维的所有可能组合中的任一种，包括但不限于混合的纱线和纤维或缠绕的纱线和纤维。
6.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂是环氧树脂、高性能热塑性(HPT)树脂中的任一种，所述高性能热塑性树脂包括聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)或聚醚酮酮(PEKK)。
7.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂包含粉末、细粒、管、纤维和小板中任一种形式的纳米颗粒。
8.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂包含金属氧化物、碳化物、氮化物、金属络合物、离子结构和共价键中的任一种的纳米颗粒。
9.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂包括以下所列中任何一种的纳米颗粒：粘土颗粒，硅酸盐，陶瓷材料，玻璃颗粒，炭黑，热解法二氧化硅，碳酸钙，球形二氧化硅纳米颗粒，氮化硼，氮化硼纳米管，碳纳米管和陶瓷粉末的纳米球，所述碳纳米管包括多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
10.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂包含占树脂0.5重量％-75重量％的纳米颗粒。
11.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂包含占树脂约3重量％的纳米颗粒，其中纳米颗粒主要由碳纳米管组成。
12.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂包含占树脂1重量％-5重量％的纳米颗粒，其中纳米颗粒主要由碳纳米管组成。
13.如权利要求1所述的平坦元件，其特征在于，所述树脂包含占树脂30重量％-50重量％的纳米颗粒，其中纳米颗粒主要由二氧化硅纳米颗粒组成。
14.一种用于造纸系统的刮刀刀片，所述刮刀刀片包含：
包括在至少三个正交方向上延伸的细长元件的三维织物复合结构体，其中至少一些细长元件被编织在一起；和
其中嵌入了所述三维复合结构体的树脂。
15.如权利要求14所述的刮刀刀片，其特征在于，所述多个织物包括多个纤维。
16.如权利要求15所述的刮刀刀片，其特征在于，所述多个纤维包括玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳族聚酰胺纤维或无机纤维、有机纤维、合成纤维和/或改性合成纤维中的任一种。
17.如权利要求15所述的刮刀刀片，其特征在于，所述多个纤维包括玻璃/高性能热塑性(HPT)纱线或纤维、碳/高性能热塑性纱线或纤维、玻璃/碳/HPT纱线或纤维的所有可能组合中的任一种，包括但不限于混合的纱线和纤维或缠绕的纱线和纤维。
18.如权利要求14所述的刮刀刀片，其特征在于，所述树脂是环氧树脂、高性能热塑性(HPT)树脂中的任一种，所述高性能热塑性树脂包括聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚邻苯二甲酰胺(PPA)或聚醚酮酮(PEKK)。
19.如权利要求14所述的刮刀刀片，其特征在于，所述树脂包含粉末、细粒、管、纤维和小板中任一种形式的纳米颗粒。
20.一种形成刮刀刀片的方法，所述方法包括以下步骤：
形成三维织物结构体，该三维织物结构体包括至少部分在三个正交方向上的每个方向上延伸的细长元件；和
将所述三维织物结构体嵌入树脂中。
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