CN1597300A - 不使用粘合剂通过共挤出生产的复合材料结构及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合材料结构，其包含具有不规则的并具凹槽的外表面的金属芯层以及合成树脂，其中复合材料结构通过在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂而制造获得，从而满足所需的结构强度，并且不需要粘合剂，同时改善加工性能及减少后加工步骤，并能表现各种各样的所需的颜色。常规的复合材料结构通过在共挤出材料上涂布粘合剂可以提高粘附力以防止不同材料之间的剥离。相反，本发明的复合材料结构可以通过在结构上设计金属芯层的外表面以便具有锯齿状，以及不使用粘合剂而共挤出材料，从而防止不同材料之间的剥离。合成树脂使本发明的复合材料结构显示出优良的耐用性和耐候性，并且表现出所需的各种各样的颜色。内金属芯层例如铝，在同轴模中与合成树脂共挤出，其使得本发明的复合材料结构满足所需的结构强度。

Description

不使用粘合剂通过共挤出生产的复合材料结构及其生产方法
                     [技术领域]
本发明涉及一种复合材料结构，其通过在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂而制造获得，更具体地，本发明涉及一种复合材料结构，其包含具有不规则的并具凹槽的外表面的金属芯层以及合成树脂，其中该复合材料结构是通过在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂而制造获得的，从而满足所需的结构强度，并且不需要粘合剂，同时改善加工性能及减少后加工步骤，并能表现出各种所需的颜色。
                     [背景技术]
术语″复合材料″是指由两种或以上的原料结合形成物理上和化学上的新相的材料。与原料相比较，该复合材料具有更有效的功用。
玻璃纤维增强塑料是第一种现代复合材料，其自从20世纪40年代早期就已经被使用。由于在20世纪60年代比玻璃纤维性能更优越的碳纤维的出现，增强塑料的原理已经进一步地延伸到金属和陶瓷的领域，金属、陶瓷以及塑料的发展导致形成了广义术语的″复合材料″。
复合材料被分成纤维复合材料和粉末复合材料，其取决于增强结构。此外，复合材料被分成聚合物基体复合材料、金属基体复合材料和陶瓷基体复合材料，其取决于所需要增强的基体种类。
在这些复合材料中，结合纤维增强和聚合物基体原理的纤维增强塑料(FRPs)在现代复合材料中扮演着关键性的角色。FRP经常与钢筋混凝土相比。
假定聚合物基体的强度是1，玻璃纤维和碳纤维的强度介于25和40之间。玻璃纤维和碳纤维具有与聚合物基体相比更高的刚性，其分别为聚合物基体的20和70倍。也就是说，玻璃纤维和碳纤维具有优于钢或可与钢匹敌的物理性能，但是在重量上却比金属轻。为此，由更轻的聚合物基体结合而成的FRP是一种″理想的轻质结构材料″，其比钢更坚固并且比铝更轻。玻璃纤维增强塑料(GFRPs)和碳纤维增强塑料(CFRPs)作为典型的纤维增强塑料被用作体育用品，例如网球拍和高尔夫球棒，船舶、高速铁路、飞行器等的重要的结构材料。
为获得轻量化和高强度，在以金属或陶瓷作为基体材料的复合材料中使用碳纤维、碳化硅纤维以及氧化铝纤维等作为增强纤维。这种复合材料用于特定的应用，例如高温条件，在这样的条件下常规的聚合物基体复合材料是不能被应用的。
由于常规的窗架是由单一材料组成，该材料选自铝、合成树脂和木材，其具有很多问题。具体来说，铝制窗架就刚性开/关操作而言具有很多问题，如有限的耐腐蚀性、气密性、隔音性以及隔热性。与铝制窗架相比，尽管由合成树脂制成的窗架并不具有以上问题，取而代之的是它们具有不良的结构强度、高热敏感性以及由于它们的高线膨胀系数所导致的严重的压缩和膨胀。此外，需要在中空内埋入钢筋以提高合成树脂制造的窗架的结构强度。然而，埋入工艺非常麻烦和复杂，从而导致不良的加工性能和生产率。
为解决单一材料制造的窗架的这些问题，发展形成由两种或以上的原料组成的复合材料窗架。
按照常规的PVC制造的窗架，金属芯层例如钢或铝在后加工步骤中被插入PVC中以提高PVC制造的窗架不良的结构强度。然而，由于在后加工步骤和插入步骤中所产生的问题难以保持均一的品质。
韩国专利公开No.1992-6091公开了一种模制窗架的方法，其包括在金属芯层表面上涂布粘合剂以便于共挤出，以及在金属芯层外表面包覆由挤出机熔融挤出的合成树脂；以及一种用于实施该方法的装置。按照该专利的公开文本，因为使用了粘合剂以改善金属芯层和合成树脂间的结合强度，复合材料窗架显示出在不同原料之间改善的粘附性。然而，就粘合剂的不均匀涂布、粘合剂组分的降解作用和操作缺陷的频繁发生而言，该方法具有不利之处。
                     [发明内容]
本发明的发明者认真并且深入地进行了目的在于改善上述这些问题的研究，这些问题是由于通过使用粘合剂以提高粘附性以及通过在同轴模中共挤出的材料上涂布粘合剂的常规方法来防止在不同的材料之间的剥离所产生的，结果发现当在结构上设计金属芯层的形状时，在没有使用粘合剂的情况下也是可以防止不同材料之间的剥离的。
基于这些发现，本发明的目的是提供一种共挤出复合材料结构，其具有优良的耐用性以及耐候性，并且可以防止在不同材料之间的剥离，从而确保在后加工步骤中保持均一品质，又表现出各种各样所需的颜色。
为达到本发明的目的，提供了一种包括金属芯层和合成树脂的复合材料结构，金属芯层具有预定形状，其中复合材料结构通过在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂制造，从而在金属芯层的外表面包覆有由挤出机熔融挤出的合成树脂，并且在金属芯层的整个外表面上形成锯齿状。
优选，在金属芯层外表面形成许多由内向外开口逐渐变小的锥形导槽，以便可以防止金属芯层与合成树脂分离，并且在不同的材料之间的结合强度可以提高。
本发明的复合材料结构其特征在于没有使用粘合剂而通过锯齿状和/或导槽使金属芯层和合成树脂形成整体。因为金属芯层没有使用粘合剂而与合成树脂啮合在一起，粘合剂的不均匀涂布、粘合剂组分的降解作用和操作缺陷频繁发生的问题可以解决，并且有助于改善加工效率和生产率。
在本发明中，因为以金属，优选铝，作为内芯层材料，通过在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂所制造的复合材料结构满足所需的结构强度。此外，可以省去后加工和插入步骤，从而确保该复合材料结构保持均一品质。
合成树脂优选聚氯乙烯(PVC)，其使得复合材料结构显示出优良的隔热性、耐用性和耐候性，并且表现出所需的各种各样的颜色。
因为本发明的复合材料结构是轻质的并且与常规的铝结构相比具有优良的隔热性，其也适宜用作各种各样的结构，例如窗架和工厂构架，尤其是窗架。
按照本发明的另一方面，提供了一种制造复合材料结构的方法，该方法包括几个步骤，其中包括在具有预定形状的金属芯层的整个外表面上形成锯齿状，在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂从而用由挤出机熔融挤出的合成树脂包覆金属芯层外表面。
优选本发明的方法进一步包括这样一个步骤，即在金属芯层外表面上形成许多由内向外开口逐渐变小的锥形导槽。
本发明的复合材料结构可以不使用粘合剂，而通过形成在金属芯层和合成树脂间的接触面上的锯齿状和导槽以此增加表面积，从而防止在金属芯层(例如铝芯层)和合成树脂(例如聚氯乙烯)之间的剥离。此外，本发明的复合材料结构通过使用挤出机熔融挤出的合成树脂包覆金属芯层的外表面而整体成型，而在金属芯层上形成了锯齿状以及导槽。此外，本发明的复合材料结构满足所需的结构强度，极大地改善在后加工步骤中的品质保持，显示出优良的耐用性以及耐候性，并且表现出所需的各种各样的颜色。
如上所述，本发明的复合材料结构可以不使用粘合剂，而通过形成在金属芯层和合成树脂间的接触面上的锯齿状和导槽以此增加表面积，从而防止在金属芯层和合成树脂之间的剥离，金属芯层例如铝芯层，合成树脂例如聚氯乙烯。此外，本发明的复合材料结构通过挤出压力的作用使用由挤出机熔融挤出的合成树脂包覆其上形成了锯齿状以及导槽的金属芯层的外表面而整体成型。此外，本发明的复合材料结构克服了在为给常规PVC制造的窗架赋予足够结构强度的后加工步骤中所导致的不良的品质保持性。此外，因为本发明的复合材料结构使用合成树脂例如PVC，其显示出优良的隔热性、耐用性以及耐候性，并且表现出所需的各种各样的颜色。
                     [附图说明]
以上所述的及其他的本发明目的、特性及其他益处将由下面内容结合附图作出详细说明，从而将清楚的对此加以理解，其中：
图1是按照本发明的一种实施方案的复合材料窗架的正视图；
图2是显示图1所示复合材料窗架结构的剖视图；
图3是显示包括图1所示复合材料窗架的窗组件整体结构的剖视图；
图4是显示包括图1所示复合材料窗架的窗组件整体结构的横向剖视图；
图5是显示包括图1所示复合材料窗架的窗组件整体结构的纵向剖视图；
图6是图5所示部件″A″的局部放大剖视图；
图7是由使用粘合剂制造的常规复合材料窗架的局部剖视图；以及
图8是显示按照本发明的实施方案用于通过共挤出制造复合材料窗架的装置的示意图。
                  [具体实施方式]
通过参考伴随的附图，本发明将更为详细的加以描述。
图1是按照本发明的一种实施方案的复合材料窗架的正视图。图2到5显示图1所示的复合材料窗架的结构，其从各种各样的位置角度来观察。参考图2至5，窗架1由内金属芯层2和包覆在金属芯层2外表面的合成树脂3组成。
在本发明的一种实施方案中，金属芯层2具有不规则的并具凹槽的外表面。在金属芯层2的外表面上形成许多导槽，并且在金属芯层2的外表面形成锯齿状。在金属芯层2的上下左右侧面上以均匀间隔排列着许多导槽。
按照本发明的实施方案，该复合材料窗架的金属芯层的外表面的不规则和凹槽将在下面加以具体阐明。图6是图5部件″A″的局部放大剖视图。如图6所示，在金属芯层2的外表面形成波浪形锯齿状B，以及在金属芯层2的外表面形成由内向外开口逐渐减小的锥形导槽C，从而可以有效地防止包覆金属芯层2的合成树脂3从金属芯层2剥离。具体来说，当金属芯层2和导槽C之间的角接近90°时，合成树脂3与金属芯层的啮合是微弱的，从而导致合成树脂3从金属芯层2分离。随着该角的减小，合成树脂3的啮合获得加强。另一方面，当该角太小时，导槽C基本上不存在了。优选该角的范围为20°至70°。最佳角是45°，在该角度时合成树脂3坚固地与金属芯层2啮合。
图7是由使用粘合剂制造的常规复合材料窗架的局部剖视图；如图7所示，因为金属芯层2’的外表面是平坦的，需要使用粘合剂4以使金属芯层2’坚固地粘附到合成树脂3’，从而防止金属芯层2’从合成树脂3’剥离。
按照本发明的一种实施方案的复合材料窗架是按照下列工序通过共挤出生产的。锯齿状形成于金属芯层2的整个外表面上，而导槽形成于金属芯层2的外表面。此处所用的金属芯层2具有高结构强度，以及优良的耐热性和低线膨胀系数。然后，通过共挤出方法在金属芯层2的外表面包覆合成树脂3。此处所用的合成树脂3具有优良的隔热、隔音、气密和耐腐蚀性。
通过挤出成型优选同时形成锯齿状和导槽。为了金属芯层2与合成树脂3的优良的啮合，优选金属芯层2在通过挤出机之前稍微加热。
图8是一种示意图，其显示一种装置，该装置用于制造按照本发明的实施方案通过共挤出制造的复合材料窗架。参考图8，用于引导金属芯层2的导向器6被布置于挤出机5的下半部。用以校正金属芯层2的形状和尺寸的校正部7，以及共挤出部8，被成一线布置在金属芯层2的纵向。
当外表面不规则并具凹槽的金属芯层2到达共挤出部8的前端时，其由导向器6引导，通过尺寸校正部7，然后到达共挤出部8。在共挤出部8，从挤出机5熔融挤出的合成树脂3包覆在金属芯层2的外表面以制造按照本发明的具体实施方案的复合材料窗架。
基于对比的目的，不使用粘合剂制造一种线型窗架(比较例1，参考长度：499.43mm)，使用粘合剂制造一种线型窗架(比较例2，参考长度：502.45mm)，并且不使用粘合剂制造一种在结构上被设计成具有锯齿状以及导槽的窗架(实施例1，参考长度498.08mm)。所有的这些复合材料窗架通过使用铝作为金属芯层以及PVC作为合成树脂材料来制造。测量这些窗架的压缩/膨胀比率，而其结果在下面的表格1中显示。
当从非常低的温度到非常高的温度交替时，测定压缩/膨胀比率。具体来说在高温(60℃)下放置1小时，然后在低温(-20℃)下放置1小时。该步骤被连续重复三个周期。压缩/膨胀比率是这样计算的，即将在高温和低温时测定的窗架尺寸的增加或减少数值除以各自的参考长度(大约0.5m)以及温差(80℃/2＝40℃)。供参考的铝的压缩/膨胀比率是0.2mm/1m/10℃，而PVC的压缩/膨胀比率是0.8mm/1m/10℃。
                                            表1
       第一周期           第二周期          第三周期
  高温(60℃)(1Hr)   低温(-20℃)(1Hr)   高温(60℃)(1Hr)   低温(-20℃)(1Hr)   高温(60℃)(1Hr)   低温(-20℃)(1Hr)
  对比例1(499.43mm) 500.45mm 498.41mm 500.47mm 498.43mm 500.46mm 498.44mm
  对比例2(502.45mm) 502.97mm 502.10mm 502.89mm 501.89mm 502.92mm 502.06mm
  实施例(498.08mm) 498.90mm 497.49mm 498.85mm 497.45mm 498.77mm 497.46mm
                 平均(尺寸增加或减少值) 压缩/膨胀比率
  对比例1(499.43mm)        高温平均：500.46mm(+1.03mm)低温平均：498.43mm(-1.0mm)            高温：0.51mm/1m/10℃低温：0.50mm/1m/10℃
  对比例2(502.45mm)        高温平均：502.93mm(+0.48mm)低温平均：502.02mm(-0.43mm)            高温：0.23mm/1m/10℃低温：0.21mm/1m/10℃
  实施例(498.08mm)        高温平均：498.84mm(+0.76mm)低温平均：497.47mm(-0.61mm)            高温：0.38mm/1m/10℃低温：0.30mm/1m/10℃
如表1所示，不用粘合剂通过共挤出制造的线型窗架(比较例1)在高温和低温时具有高压缩/膨胀比率，而结构上设计成具有锯齿状和导槽并且不使用粘合剂制造的窗架具有可与那些由使用粘合剂制造的窗架相匹敌的压缩/膨胀比率(比较例2)。如前所述，窗架中的铝在结构上进行设计，从而使窗架不用使用粘合剂。
如前述显而易见，同PVC窗架相比，按照本发明一种实施方案的窗架解决了常规着色铝窗架的问题，例如不良的隔热、隔音性和冬季严重的冰冻，从而表现出各种各样所需的颜色。此外，尽管可以在后加工中通过使用一次接触类型饰面材料表现出各种各样所需的颜色，然而饰面材料容易分离并且由于增加的加工步骤导致保持均一品质是困难的。按照本发明一种实施方案的窗架可以解决这些问题。此外，在后加工中衬入金属例如铝以增强结构强度的常规方法是麻烦的，并且导致增加加工步骤。按照本发明一种实施方案的窗架可以解决这些问题。另外，因为制造按照本发明一种实施方案的窗架不使用添加剂，从而省去了粘合剂并且生产线得以简化，有助于减少缺陷以及改善生产率。
尽管窗架例如按照本发明的复合材料结构已经公开，然而本发明也可以被用于其他复合材料结构。因此，本领域技术人员应当意识到各种各样的修正是可能的，其并没有脱离附随的权利要求所公开的本发明的技术宗旨。这种修正应当被理解为在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1、一种复合材料结构，其包括金属芯层和合成树脂，金属芯层具有预定形状；其中所述复合材料结构通过在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂而制造，从而在金属芯层的外表面包覆由挤出机熔融挤出的合成树脂，并且在金属芯层的外表面上形成锯齿状。
2、如权利要求1所述的复合材料结构，进一步包括在金属芯层外表面上形成的许多由内向外开口逐渐变小的锥形导槽。
3、如权利要求2所述的复合材料结构，其中金属芯层外表面与导槽之间的角度范围为20°到70°。
4、如权利要求1所述的复合材料结构，其中金属芯层和合成树脂在没有使用粘合剂的情况下整体成型。
5、如权利要求1所述的复合材料结构，其中金属芯层由铝制成，而合成树脂是PVC。
6、如权利要求1所述的复合材料结构，其中复合材料结构是窗架。
7、一种制造复合材料结构的方法，其包括下列几个步骤：
在具有预定形状的金属芯层的外表面上形成锯齿状；
在同轴模中共挤出金属芯层和合成树脂从而用由挤出机熔融挤出的合成树脂包覆金属芯层的外表面。
8、如权利要求7所述的方法，进一步包括在金属芯层外表面上形成许多由内向外开口逐渐变小的锥形导槽的步骤。
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