CN1091031C - 加强垫子 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垫子(100a)，它包括许多纱线股，每根纱线股包括加强纤维和聚合材料(142a)。纱线股的第一部分相对纱线股的第二部分倾斜地定位且纱线股第一部分通过聚合材料(142a)与第二部分相连。还提供了一种制造这种垫子(100a)的方法。

Description

加强垫子
本申请涉及同时提交的、名称为“制造加强垫子的方法和装置”的、申请人为罗纳德G.克鲁格的美国专利申请08/713,319，其代理人的卷号为24084A，上述文献的内容作为本发明的参考。
本发明涉及一种加强垫子。
由加强材料如玻璃纤维制成的垫子是众所周知的。这样的垫子通常被用在复合产品中如印刷电路板、轨道车容器、船壳等。这样的垫子通常是通过针织或纺织操作形成的。但是，针织和纺织操作太复杂了且生产率低。因此，尽管这样的纺织和针织工艺可能是有效的，但它们很耗时且不够高效并因此成本高昂。
因此，在这个领域中需要一种更高效、更经济的复合产品加强垫子制造方法。
提供了一种加强垫子的本发明满足了这种需求。根据本发明制成的垫子可以通过模压、挤压、纤维卷绕等工艺用于复合产品的生产中。
根据本发明的第一个方面，提供了一种垫子以便用作复合产品的加强层，它包括许多根纱线股，每根纱线股包括加强纤维和聚合材料，其中所述纱线股的第一部分是相对所述纱线股的第二部分倾斜定位的且第一部分通过所述聚合材料与第二部分相连。
加强纤维优选地选自S-玻璃纤维、E-玻璃纤维、石墨纤维、如在商标Kevlar下销售的芳族聚酰胺纤维、金属纤维和陶瓷纤维。
根据本发明的一个实施例，聚合物可能包括混有加强纤维的聚合物纤维。聚合物纤维可能选自聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维和聚苯硫纤维。还可以使用由任何可纤维化的热塑聚合物形成的纤维。
根据本发明的另一个实施例，所述聚合材料包括一个涂覆在至少在加强纤维局部上的聚合物涂层。该聚合物涂层优选地包括一个热塑材料涂层。
第一纱线股部分与第一水平轴线之间的夹角优选地约为3°～87°，第二纱线股部分与平行于第一水平轴线的第二水平轴线之间的夹角约为-3°～-87°。第一纱线股部分与第一水平轴线之间的夹角最好约为30°～60°，第二纱线股部分与平行于第一水平轴线的第二水平轴线之间的夹角约为-30°～-60°。
第一、第二纱线股部分没被纺织或针织在一起。相反地，加入纱线股中的聚合物通过一个装置如受热辊或超声波装置被熔化，从而相邻纱线股部分粘结或焊合。
根据本发明的另一个方面，为制造加强垫子提供了一种方法。该方法包括：提供许多根复合纱线股，每根纱线股包括加强纤维和聚合材料；相对复合纱线股第二部分倾斜一个角度地定位复合纱线股第一部分；通过加入那些纱线股中的聚合材料联结第一、第二纱线股部分。
加强纤维优选地选自S-玻璃纤维、E-玻璃纤维、石墨纤维、芳族聚酰胺纤维、金属纤维和陶瓷纤维。
根据本发明的一个实施例，聚合物包括混有加强纤维的聚合物纤维。根据本发明的另一个实施例，所述聚合材料包括一个涂覆在纱线股上的聚合物涂层。
定位步骤优选地包括如此定位第一纱线股部分和定位第二纱线股部分的步骤，即第一纱线股部分与第一水平轴线之间的夹角优选地约为3°～87°，第二纱线股部分与平行于第一水平轴线的第二水平轴线之间的夹角约为-3°～-87°。定位步骤最好优选地包括如此定位第一纱线股部分和定位第二纱线股部分的步骤，即第一纱线股部分与第一水平轴线之间的夹角约为30°～60°，第二纱线股部分与平行于第一水平轴线的第二水平轴线之间的夹角约为-30°～-60°。
联结步骤包括充分地加热第一、第二纱线股部分以使加入纱线股中的聚合材料软化或熔化而流动并从而使相邻纱线股中的聚合材料粘结或焊合并由此形成了垫子。联结步骤优选地还包括冷却第一、第二纱线股部分以便聚合材料凝固的步骤。
联结步骤优选地在没有进行纺织或针织的情况下发生。
第一纱线股部分限定了第一平面，第二纱线股部分限定了基本上平行于第一平面的第二平面。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用作复合产品中的加强层的垫子，它包括：许多根复合纱线股，每根纱线股包括加强纤维和第一聚合材料；第二聚合材料，其中所述纱线股的第一部分相对所述纱线股的第二部分是倾斜定位的，且所述纱线股的第一部分通过所述第二聚合材料与所述第二部分相连。第二聚合材料可能包括由任何可纤维化的热塑材料或热塑模材料制成的纤维。还可以想象到的是，第二聚合材料可能包括加入混合型玻璃聚合物纤维纱线股或涂在加强纤维上的聚合材料的聚合材料。第二聚合材料可沿机器方向延伸。第二热塑材料优选地具有一个低于第一热塑材料熔化温度的熔点。
当考虑了具体描述和附图时，本发明的目的、优点和特征将变得一清二楚。
图1是根据本发明形成的垫子制造装置的侧视图。
图2是沿图1的2-2线的剖视图。
图3是图1所示装置的前视图。
图4是图1所示装置的前视图，但它去掉了配纱架。
图5是切分机构和本发明装置的卷纱器的透视图。
图6是根据本发明第二实施例形成的改进型筒子架局部的透视图。
图7是图1所示装置的复合机构的局剖侧视图，它示出了上、下纱线股层和夹在其间且经过复合机构的聚合材料中间层。
图8是与图7相似的视图，但它示出了两个放在两个聚合膜层之间的纱线股层。
图9是根据本发明第一实施例形成的垫子局部的俯视图，所述垫子包括通过聚合材料层粘附在一起的上、下纱线股层，在此图中部分去掉了上纱层和中间聚合物层。
图10是根据本发明第二实施例形成的垫子局部的俯视图，所述垫子包括中间纱层和上、下聚合材料层，在此图中部分去掉了上层和中间层。
图11是根据本发明第三实施例形成的垫子局部的俯视图，所述垫子包括相互粘附在一起的复合纤维。
根据本发明形成的将许多根纱线股材料20制成垫子的装置10在图1-3中画出了。纱线股20优选地是加强纱线股，从而形成了加强垫子100，见图5和图9-图11。这样的垫子100可以通过模压、挤拉、纤维卷绕等工艺用于纤维加强复合产品的生产。
制造装置10包括一个模板或芯轴30，许多根纱线股材料20卷绕其上。制造装置10还包括传送机构40、配纱架50b、驱动机构60和切分机构70，见图1、图2和图5。
在所示实施例中，模板30包括一个大体垂直定位固定的平钢板32，它具有通常成平面形状的第一侧面32a和第二侧面32b以及第一窄外边32c和第二窄外边32d，见图2。板32可能具有一个约等于50英寸(1.275m)的宽度W和约等于0.16英寸(4mm)的厚度T。
传送机构40包括一对传送件，它们在所示实施例中是第一循环绳索42a和第二循环钢索42b，它们沿着模板30的第一部分34a和第二部分34b延伸。在所示实施例中，第一、第二部分34a、34b的边界是由第一、第二聚合传送件导向部37a、37b限定的，这两个导向部沿着板32的第一、第二外边32c、32d布置。导向部37a、37b配有槽如V形或椭圆形槽，在这些槽中装有循环钢索42a、42b。如果不设置导向部37a、37b，则可以将板32的第一、第二外边32a、32b加工成接收钢索42a、42b的形状，于是它们将构成模板30的第一、第二部分34a、34b的边界。如以下将明确描述的那样，纱线股20还被卷绕在钢索42a、42b上，从而钢索42a、42b使卷绕纱线股沿模板30移动并离开模板30而移向一个复合站80(见图1)并随后移向一个分离站90(见图5)。
传送机构40还包括驱动轮44a、44b，它们通过轴44c和齿轮传动机构(未示出)与一台普通的电动机62相连。电动机62是驱动机构60的一部分。为了防止钢索打滑，钢索42a卷绕驱动轮44a两圈，绳索42b卷绕驱动轮44b两圈，见图1、2。传送机构40还包括许多个惰轮46a-46g，它们和驱动轮44a、44b、模板30的第一部分34a和第二部分34b、在复合站80处的第一、第二、第三辊160、162、164一起构成了钢索42a、42b的循环通路。
惰轮46b、46e是张紧器47a、47b的一部分，所示张紧器的作用是对钢索42a、42b施加张力。各张紧器47a、47b包括一个具有一个与第一端47e相连的平衡块47d的转臂47c，所述第一端47e位于一个与一个横件47h固定相连的端部47f的对面。横件47h可转动地与固定支座47g相连。
配纱架50b包括一个环形圆盘传送带50。圆盘传送带50环绕模板30定位且它能够环绕模板30运动。圆盘传送带50包括一个通过轴承(未示出)可转动地安装在固定底板50a上的圆形底座52，见图1。圆形底座52带有许多驱动齿(未示出)，它们分布在圆形底座的整个外周上。圆形底座驱动齿与一条循环驱动带54上的齿啮合，从而循环驱动带54的转动造成圆盘传送带50的转动，见图2。循环驱动带54的转动是通过一个与一个齿轮减速箱相连的驱动齿轮56引起的，所述齿轮减速箱(未示出)又与电机62相连。
在图1、2所示的实施例中，圆盘传送带50还包括六个筒子架120或供纱站。还考虑到可以使用少于六个或多于六个的筒子架120。各筒子架120包括许多水平支承臂122，在图1、2所示的实施例中是八个水平支承臂，它们固定连接在垂直支柱123上。垂直支柱123固定连接在圆形底座52上。在各水平支承臂122上装有单个筒子124，它在所示的实施例中具有单根从中放出的纱线股20。
一个孔阵导纱器128与各筒子架120相连且固定安装在圆形底座52上以便随底座52转动。各导纱器128位于与其有关的筒子架120和模板30之间且它具有许多个用于接纳从装在有关筒子架120上的筒子124中放出的纱线股20的孔眼128a(见图6)。在图1所示的实施例中，每个最上端的纱线股20在穿过导纱器128之前穿过一对导向臂129。从导纱器128中出来后，纱线股20伸向模板30以便随着圆盘传动带50的转动而卷绕在模板30上。
在图6所示的一个替换实施例中，每个筒子架120a包括间隔的且用于支承第一、第二行筒子124a、124b(在图6中只画出了一个第一臂122a和一个第二臂122b)的第一、第二垂直支柱123b、123a。可以设置八个第一支承臂122a和八个第二支承臂122b以便在每个筒子架120a上支承总共十六个线卷。从距离模板30最远的第一筒子124a中放出的纱线股126a穿过一对导向臂129以便不与相邻的第二线卷124b接触。从相邻的两个筒子124a、124b中放出的纱线股126a、126b穿过开设在孔阵导纱器128中的孔眼128a并随后伸向模板30。
在本发明中还考虑到了，筒子124可能包括经轴即带凸缘的卷线轴，每个卷线轴具有许多纱线股如10～1000根纱线股。这样的经轴可被用来代替上述实施例所示的单线筒子124。于是，每个筒子架120可能只有一两个筒子支承臂122。另外，可以使用2～12个位于环绕底座52间隔开的相同数目的筒子架上的经轴。还考虑到的是，孔阵导纱器可能包括一个环形孔板(未示出)，它具有许多完全穿透孔板的且布置成完全环绕孔板的许多行的孔眼。还可以用任何其它等同的导纱机构来代替所示的导纱器128。
在制造装置10的工作过程中，电机60使圆盘传送带50和钢索42a、42b连续移动。当圆盘传送带50环绕模板30转动时，环绕模板30和钢索42a、42b卷绕着从筒子124中放出的纱线股20并通过钢索42a、42b使纱线股20沿模板30上行并离开模板30而移向复合站80，卷绕的纱线股在复合站中被联结成垫子100，见图1。钢索42a、42b随后使垫子100移向分离站90，垫子100在此与钢索42a、42b分开，见图5。
如图1-3所示，纱线股20a-20c分别从筒子架120a-120c中伸向钢索42b，纱线股20a-20c的第一部分146a-146c在此摩擦接触钢索42b。第一部分146a-146c沿着绳索42b垂直间隔开，如图3所示。纱线股20a-20c间的垂直间距是由于纱线股20a第一部分146a在纱线股20b、20c第一部分146b、146c接触钢索42b前先接触钢索42b且纱线股20b第一部分146b在纱线股20c第一部分146c之前先接触移动的钢索42b造成的。一旦圆盘传送带50逆时针(这个移动方向在图2中用箭头200表示)移动了足够的距离，则纱线股20a-20c第二部分将摩擦接触钢索42b且这些第二部分将沿着钢索42b垂直间隔开，它们还将垂直向下地离开其各自的第一部分146a-146c。
应该注意的是，在所示实施例中，钢索42a、42b的速率与圆盘传送带50速率之比是恒定的。这样一来，所有纱线股20将在这样的钢索42a、42b部位上初次接触第一、第二钢索42a、42b，即这些部位通常靠近同样限定的模板30的第一、第二部分34a、34b的底部132c、132d，见图4。
环绕板32卷绕纱线股20，这样一来，纱线股20的第一中间部146d横向经过板32的第一侧面32a并与横穿板32第一侧面32a的水平轴线A1形成了一个角度θ1，见图4。角度θ1优选地约为3°～87°，最好约等于30°～60°。纱线股20的第二中间部146e横向经过板32的第二侧面32b并与一个横穿板32的第二侧面32b的水平轴线线A2形成了一个角度θ2，此角度θ2优选地约为-3°～-87°，最好约等于-30°～-60°。在图4中，θ1约为21°，θ2约为-21°。
根据本发明的第一实施例，如图1、4、7所示，一层聚合物薄膜材料142夹在卷绕纱线股20的对置层144a、144b之间。由中间部146d构成的第一层144a卷绕纱线股20位于板32的第一侧面32a附近，由中间部146e构成的第二层144b卷绕纱线股20位于板32的第二侧面32b附近。一个固定支座140设置在板32附近以便支承由聚合物薄膜材料142构成的卷142b，见图1、4。在板32的第二侧面32b和纱线股20的第二外层144b之间穿入薄膜材料142。薄膜142随第二外层144b一起向上移动并和第一、第二层144a、144b一起进入复合站80。
第一、第二、第三辊160、162、164设置在复合站80下方。一个传统的辐射加热器170设置在第一、第二辊160、162下方以便加热第一、第二辊160、162。传统的水冷装置(未示出)与第三辊164相连以便冷却它。薄膜材料142和第一、第二层144a、144b卷绕纱线股20经过第一受热辊160上方、第二受热辊62下方和第三受冷辊164上方，见图7。受热辊160、162充分地软化或熔化薄膜材料142以便和第一、第二层144a、144b纱线股20粘结在一起。受冷辊164使软化的或熔化的聚合物硬化或凝固。复合纱线股形成了在外边缘144a、144b之间夹有聚合物材料142a的垫子100a，见图9。
在复合站80处还设有第一、第二特氟龙(Teflon)网膜166、168。第一网膜166环绕第一、第二、第三辊160、162、164和惰辊166a、166b。第二网膜168环绕第二、第三辊162、164和惰辊168a。网膜166、168在辊160、162、164和第一、第二层144a、144b和膜142之间构成了保护层以防止膜142粘附在辊160、162、164上。
根据本发明的第二实施例，靠近复合站80地设置第一、第二固定支座180、182以便支承第一、第二卷184a、186a聚合薄膜材料184、186，见图8。这两卷薄膜材料184、186与第一、第二层144a、144b卷绕纱线股20复合在一起，从而薄膜184、186位于层144a、144b的外表面上。膜184、186和第一、第二层144a、144b卷绕纱线股20经过第一受热辊160上方、第二受热辊162下方和受冷辊164上方，见图8。受热辊160、162充分软化或软化膜材料184、186以便与第一、第二层144a、144b纱线股20复合在一起。受冷辊164使熔化的或软化的聚合物硬化或凝固。复合纱线股构成了一种包括内纱线股层144a、144b和外聚合物层184b、186b的垫子，见图10。
适当的聚合薄膜材料142、184、186的例子包括聚酰胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、聚乙烯薄膜、聚苯硫薄膜或其它热塑薄膜。
纱线股材料20最好包括由连续加强纤维如玻璃纤维(如S-玻璃纤维或E-玻璃纤维)、合成纤维和/或任何适当的加强纤维构成的纱线股。合成纤维可以包括由如商标为Kevlar的合成纤维、碳或石墨、金属或陶瓷材料和其它具有适当强化特性的非玻璃人造材料支承的纤维。还考虑到了，纱线股材料20可以包括如由聚合物构成的非加强纤维。
根据本发明的第三实施例，纱线股材料200a包括复合材料纱线股如由美国专利申请08/311,817所述的混合加强型聚合物纤维纱线股，这篇申请是1994年9月26日提交的且其名称为“制造复合纱线股的方法和装置”，这篇文献的内容结合作为本申请的参考。在混合型纱线股200a中采用的加强纤维可以包括玻璃纤维、合成纤维如上述那些纤维。聚合物纤维可以从聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维、聚苯硫纤维中选择。聚合物纤维还可能包括由其它可纤维化聚合物制成的纤维。还可以考虑到，复合材料纱线股200a可能包括含有如无溶剂化学处理涂覆层的聚合物的加强纤维或含有如无溶剂化学处理涂覆层的聚合物的加强和基质纤维，这些纤维例如在申请日为1996年8月12日的、名称为“纤维的化学处理和用于模压纤维加强型热塑复合产品的覆丝复合纱线股”的且申请人为安德鲁B.伍德赛德的未结案的美国专利申请08/695,909中和在申请日为1996年8月12日的、名称为“纤维的化学处理和用于模压纤维加强型热塑复合产品的覆丝复合纱线股”的同一申请人的为未结案美国专利申请08/695,504中披露了，在此这两篇文献的内容结合作为本申请的参考。
在图11中画出了一种由复合纱线股200a构成的垫子100c。加入复合纱线股200a中的聚合物为垫子100c提供了粘结性能。于是，当纱线股200a经过辊160、162的上方和下方时，加入纱线股200a中的聚合物充分软化或熔化了，从而相邻纱线股部200b、200c在纱线股部200b、200c的交叉点200d处粘结或熔合。粘结在一起的纱线股部200b、200c构成了垫子100。受冷辊164使熔化的或软化的聚合物硬化或凝固。如从图11中看到的那样，纱线股部200b相对纱线股部200c有一个角度θ3。在任何两个纱线股部200b、200c之间的角度约等于6°～174°，最好等于60°～120°。还考虑了可以在制造垫子时使至少一个聚合物膜层与复合纱线股200a复合在一起。
切分机构70可能包括用于切割靠近绳索42a、42b的垫子外边缘部的第一、第二切刀片70a、70b，见图5。在第一次经过惰轮92a下后，经过切割的垫子随后通过传统的卷绕机92被卷绕成卷。
在所示实施例中，通过所设置的齿轮机构使圆盘传送带50的速度相对钢索42a、42b的速率是固定的。如4所示的角度θ1、θ2可以通过改变圆盘传送带速率与钢索速率之比而改变。这可以通过更换不同的齿轮传动机构以获得所需的圆盘传送带50与钢索42a、42b的速比来实现。还考虑了可以设置用于钢索42a、42b和圆盘传送带50的切分驱动机构，如传统的伺服电机，从而可以通过控制这些伺服电机的处理器来改变速比。
可以通过改变角度θ1、θ2、改变所用纱线股20的数目和/或改变所用纱线股20的重量和大小来改变垫子重量。为了改变垫子100中的纱线股20的间距，改变角度θ1、θ2和/或改变所用纱线股20的数目。
或者，圆盘传送带50可以顺时针转动。这样一来，纱线股部146d的角度θ1约为-3°～-87°，纱线股部146e的角度θ2约为3°～87°。
还可以考虑到的是，可以加入位于机器方向上的加强纤维(未示出)，这个方向在图4中由箭头300表示，它大致平行于模板30的纵轴。还可以想到的是，由聚合物如上述中的一种聚合物(由其制成了薄膜材料142)制成的聚合物纱线股可以在机器方向300上穿行并可附加使用或用来代替薄膜材料142、184、186。还想象到的是，可以如此提供薄膜材料、聚合物纤维、混合加强型聚合物纤维纱线股和/或含有其熔点低于加入环绕模板30卷绕的复合纱线股的聚合物熔点的聚合材料的聚合物涂覆型加强纤维，即它们穿行于机器方向300上。这样一来，薄膜材料聚合物、聚合物纤维、混合加强型聚合物纤维纱线股和/或聚合物涂覆行加强纱线股将在复合站80内软化或熔化以便与卷绕的复合纱线股粘结在一起，而不会造成在卷绕复合纱线股中的聚合物熔化。
尽管参见本发明优选实施例地具体描述了本发明，但是显然可以在不超出后续权利要求书限定的本发明保护范围内想象出许多改进方案和变型。

Claims (16)

1.一种用作复合产品加强层的垫子，它包括许多根纱线股，每根纱线股包括加强纤维和聚合材料，其中所述纱线股的第一部分是相对所述纱线股的第二部分倾斜定位的且第一部分通过所述聚合材料与第二部分相连。
2.如权利要求1所述的垫子，其特征在于，加强纤维是从包括S-玻璃纤维、E-玻璃纤维、石墨纤维、芳族聚酰胺纤维、金属纤维、和陶瓷纤维中选出来的。
3.如权利要求1所述的垫子，其特征在于，所述聚合材料包括混有加强纤维的聚合物纤维。
4.如权利要求3所述的垫子，其特征在于，所述聚合物纤维是从聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维和聚苯硫纤维中选出来的。
5.如权利要求1所述的垫子，其特征在于，所述聚合材料包括一个涂覆在至少加强纤维局部上的聚合物涂层。
6.如权利要求5所述的垫子，其特征在于，该聚合物涂层包括一个热塑材料涂层。
7.如权利要求1所述的垫子，其特征在于，第一纱线股部分与第一水平轴线之间的夹角约为3°～87°，第二纱线股部分与平行于第一水平轴线的第二水平轴线之间的夹角约为-3°～-87°。
8.如权利要求1所述的垫子，其特征在于，第一纱线股部分与第一水平轴线之间的夹角约为30°～60°，第二纱线股部分与平行于第一水平轴线的第二水平轴线之间的夹角约为-30°～-60°。
9.如权利要求1所述的垫子，其特征在于，第一部分和第二部分没有被纺织或针织在一起。
10.一种用作复合产品中的加强层的垫子，它包括：许多根复合纱线股，每根纱线股包括加强纤维和第一聚合材料；第二聚合材料，其中所述纱线股的第一部分相对所述纱线股的第二部分是倾斜定位的，且所述纱线股的第一部分通过所述第二聚合材料与所述第二部分相连。
11.如权利要求10所述的垫子，其特征在于，所述第二聚合材料包括一种聚合膜材料。
12.如权利要求10所述的垫子，其特征在于，所述第二聚合材料包括聚合纤维。
13.如权利要求12所述的垫子，其特征在于，所述聚合物纤维是从聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维和聚苯硫纤维中选出来的。
14.如权利要求10所述的垫子，其特征在于，所述的第二聚合材料包括加入玻璃纤维-聚合物纤维混合纱线股中的聚合物纤维。
15.如权利要求14所述的垫子，其特征在于，所述聚合物纤维是从聚酰胺纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维和聚苯硫纤维中选出来的。
16.如权利要求10所述的垫子，其特征在于，所述的第二聚合材料的熔点通常低于所述第一聚合材料熔融温度。
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