TW201303192A - 用於水下應用之臍管 - Google Patents

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Timothy A Regan
Michael L Wesley
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Abstract

本發明提供臍管，其尤其用於在海面與配置於海底(例如，在深水中)之設備之間傳遞流體及/或電流/信號。該臍管含有複數個(例如，兩個或更多個)包封於外鞘(例如，塑膠鞘)內之延長臍管元件，例如通道元件、流體管、電導體/電線(例如，光纖電纜)、鎧裝電線等。該臍管亦含有至少一個強化棒，該強化棒由複數根包埋於熱塑性聚合物基質內之單向配向之纖維粗紗形成。本發明者已發現，可藉由選擇性控制浸漬製程，亦及藉由在棒之成型及定型以及最終棒幾何形狀之校準期間控制賦予粗紗之壓縮程度來顯著改良熱塑性聚合物基質浸漬粗紗之程度。此經充分浸漬之棒具有極小之空隙分率，從而產生極佳強度性質用以強化臍管元件。

Description

用於水下應用之臍管
臍管通常用於在水面與位於水底上之設備之間傳輸流體及/或電信號。該等臍管通常包括一或多個以捆形式收集之管及電導體/導線、至少部分地圍繞該等管及導體/電線並在二者之間佈置之填充材料及包封該等管、導體/電線及填充材料之保護性鞘。為幫助增強該等臍管，人們以試圖使用拉擠成形碳纖維棒作為單獨承載元件。例示性臍管設計更詳細地闡述於(例如)頒予Ju等人之美國專利第7,798,234號及頒予Figenschou之第7,754,966號中，出於所有目的，該等案件之全文特此以引用方式併入本文中。然而，該等棒之顯著問題係其依靠熱固性樹脂(例如，乙烯基酯)來幫助達成期望強度性質。熱固性樹脂在製造期間難以使用且不具有與其他材料形成層之良好黏合特性。
因此，目前需要含有由熱塑性材料形成之拉擠成形纖維棒且仍能夠達成期望強度及耐久性之臍管。
根據本發明之一實施例，揭示用於水下應用之臍管。該臍管包含複數個在縱向方向上延伸之臍管元件、至少一個強化棒及包封該等臍管元件及該強化棒之外鞘。該棒具有含有複數根熱塑性浸漬粗紗之核心，該等粗紗包含在縱向方向上定向之連續纖維及包埋該等纖維之熱塑性基質。連續纖維佔該核心的約25 wt.%至約80 wt.%且熱塑性基質佔該核心的約20 wt.%至約75 wt.%。
下文將更詳細闡述本發明之其他特徵及態樣。
在本說明書及圖式中重複使用之參考字符意欲代表本發明之相同或類似特徵或元件。
說明書之其餘部分(包括參照附圖)更具體地闡述本發明之完整授權揭示內容(包括其對於熟習此項技術者之最佳模式)。
熟習此項技術者應瞭解，本論述僅為例示性實例之說明，且並非意欲限制本發明之更廣態樣。
概言之，本發明係關於臍管，其尤其用於在水面與配置於水底(例如，在深水中)之設備之間傳遞流體及/或電流/信號。該臍管含有複數個包封於外鞘(例如，塑膠鞘)內之延長臍管元件(例如，兩個或更多個)，例如通道元件、流體管、電導體/電線(例如，光纖電纜)、鎧裝電線等。該臍管亦含有至少一個強化棒，該強化棒由複數根包埋於熱塑性聚合物基質內之單向配向之纖維粗紗形成。本發明者已發現，可藉由選擇性控制浸漬製程，亦及藉由在棒之成型及定型以及最終棒幾何形狀之校準期間控制賦予粗紗之壓縮程度來顯著改良熱塑性聚合物基質浸漬粗紗之程度。此充分浸漬之棒具有極小之空隙分率，從而產生極佳強度性質用以強化臍管元件。
臍管元件之具體組態、佈置及數量並不重要且可如業內已知改變。參照圖2，舉例而言，其顯示臍管600之一具體實施例，其含有中心部分609，該中心部分可由鋼管、橡 膠鞘、金屬絞合線、外覆熱塑性材料鞘之金屬絞合線等形成。一或多個內通道元件603(例如，聚氯乙烯)、電導體/電線606(例如，光纖電纜)及/或流體管604(例如，鋼)可以同心方式安置於中心部分609周圍。舉例而言，可使用如業內已知之螺旋機將該等臍管元件以螺旋方式纏繞於中心部分609周圍。臍管600亦可含有習用加強元件608，例如彼等由鋼索或鎧裝電線製造者。可將填料610(例如，發泡體或熱塑性材料)至少部分地圍繞該等臍管元件並在其兩者或更多者之間佈置。外鞘601(例如，聚乙烯)亦通常包封臍管元件。
可將本發明之強化棒以任一期望方式(例如個別地或以捆形式)納入臍管中。在圖2中所圖解說明之實施例中，將一捆強化棒607安置於中心部分609內以提供臍管600高強度。至少一個、但較佳所有棒607係由本發明之以連續纖維強化之熱塑性聚合物基質形成。當然，在臍管之中心部分內不必含有棒。參照圖3，舉例而言，其顯示臍管700之另一實施例，該臍管含有圍繞臍管周邊定位之一捆棒707。臍管700亦可含有中心部分709，其不含棒(如所顯示)或含有複數個棒(如圖2中所圖解說明)。臍管700亦可含有一或多個內通道元件703、電導體/電線706、流體管704、填料710及/或外鞘701。在上文所提及之實施例中，強化棒通常以捆形式提供。然而，亦可使用個別棒。參照圖4，舉例而言，其顯示臍管800之一實施例，該臍管含有一或多個通道元件803、管804及/或電導體/電線806。臍管 800亦含有個別棒807，該等棒係圍繞臍管800周邊分佈及/或分佈於其內部中。
不論本發明之強化棒以何種具體方式納入臍管中，其均由複數根包埋於熱塑性聚合物基質內之單向配向之纖維粗紗形成。本文所用術語「粗紗」通常係指一捆或一束個別纖維。粗紗中所包含之纖維可經扭轉或可為平直的。儘管在個別或不同粗紗中可使用不同纖維，但通常期望該等粗紗中之每一者含有單一纖維類型以最小化使用具有不同熱膨脹係數之材料之任何不利影響。粗紗中所用連續纖維相對於其質量具有高程度抗拉強度。舉例而言，纖維之極限抗拉強度通常為約1,000至約15,000兆帕(「MPa」)，在一些實施例中，約2,000 MPa至約10,000 MPa，且在一些實施例中，約3,000 MPa至約6,000 MPa。即使纖維具有相對較輕重量(例如每單位長度質量為約0.1克/米至約2克/米)，仍可達成該等抗拉強度，在一些實例中，約0.4克/米至約1.5克/米。每單位長度質量與抗拉強度之比率因此可為約1,000兆帕/克/米(「MPa/g/m」)或更大，在一些實例中，約4,000 MPa/g/m或更大，且在一些實施例中，約5,500 MPa/g/m至約20,000 MPa/g/m。該等高強度纖維可為(例如)金屬纖維、玻璃纖維(例如，E-玻璃、A-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、S1-玻璃、S2-玻璃等)、碳纖維(例如，非晶形碳、石墨碳或經金屬塗佈之碳等)、硼纖維、陶瓷纖維(例如，氧化鋁或二氧化矽)、芳族聚醯胺纖維(例如，由E.I.duPont de Nemours,Wilmington, Del.出售之Kevlar®)、合成有機纖維(例如，聚醯胺、聚乙烯、對伸苯基、對苯二甲醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯及聚苯硫醚)、及各種其他已知用於強化熱塑性組合物之天然或合成無機或有機材料。碳纖維尤其適於用作連續纖維，其通常具有在約5,000 MPa/g/m至約7,000 MPa/g/m範圍內之抗拉強度與質量之比率。連續纖維通常具有約4微米至約35微米之標稱直徑，且在一些實施例中，約5微米至約35微米。每一粗紗中所含纖維數量可為恆定或針對各粗紗有所不同。通常，粗紗含有約1,000根纖維至約100,000根個別纖維，且在一些實施例中，約5,000至約50,000根纖維。
可使用多種熱塑性聚合物中之任一者來形成包埋連續纖維之熱塑性基質。適用於本發明之熱塑性聚合物可包括(例如)聚烯烴(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚對苯二甲酸丁二酯(「PBT」))、聚碳酸酯、聚醯胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(「PEEK」))、聚醚醯亞胺、聚伸芳基酮(例如，聚苯二酮(「PPDK」))、液晶聚合物、聚芳硫醚(例如，聚苯硫醚(「PPS」)、聚(聯苯硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(聯苯硫醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烴聚合物、四氟乙烯聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚縮醛、聚胺基甲酸酯、聚碳酸酯、苯乙烯係聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(「ABS」))等。
通常選擇熱塑性基質之性質以在使用期間達成棒之加工性與性能之期望組合。舉例而言，熱塑性基質之熔體黏度通常足夠低以使聚合物可充分浸漬纖維並定型成棒組態。就此而言，熔體黏度通常介於約25至約2,000帕斯卡-秒(」Pa-s」)之間，在一些實施例中，50 Pa-s至約500 Pa-s，且在一些實施例中，約60 Pa-s至約200 Pa-s，此係在針對熱塑性聚合物所用操作條件下(例如，約360℃)測定。同樣，當該棒欲用於高溫下時，使用具有相對較高熔融溫度之熱塑性聚合物。舉例而言，該等高溫聚合物之熔融溫度可介於約200℃至約500℃之間，在一些實施例中，約225℃至約400℃，且在一些實施例中，約250℃至約350℃。
在本發明中，聚芳硫醚尤其適於作為具有期望熔融黏度之高溫基質。舉例而言，聚苯硫醚係半結晶樹脂，其通常包括由以下通式代表之重複單體單元：
在聚合物中，此等單體單元通常佔重複單元的至少80莫耳%，且在一些實施例中，至少90莫耳%。然而，應瞭解，聚苯硫醚可含有額外重複單元，例如頒予Gotoh等人之美國專利第5,075,381號中所述，出於所有目的，該案之全文特此以引用方式併入本文中。當使用時，該等額外重複單元通常佔聚合物的不超過約20莫耳%。市售高熔體黏度聚苯硫醚可包括彼等以商標名FORTRON®自Ticona有限 責任公司(Florence,Kentucky)購得者。該等聚合物可具有約285℃之熔融溫度(根據ISO 11357-1、2、3測定)及在310℃下約260帕斯卡-秒至約320帕斯卡-秒之熔體黏度。
根據本發明，通常使用擠出器件以使熱塑性基質浸漬粗紗。此外，擠出器可有助於能夠將熱塑性聚合物施加至纖維之整個表面。浸漬粗紗亦具有極低空隙分率，從而有助於增強其強度。舉例而言，空隙分率可為約6%或更少，在一些實施例中，約4%或更少，在一些實施例中，約3%或更少，在一些實施例中，約2%或更少，在一些實施例中，約1%或更少，且在一些實施例中，約0.5%或更少。可使用熟習此項技術者熟知之技術來量測空隙分率。舉例而言，可使用「樹脂燒盡」測試來量測空隙分率，其中將樣品置於烘箱中(例如，在600℃下保持3小時)以燒盡樹脂。然後可量測剩餘纖維之質量以計算重量及體積分率。可根據ASTM D 2584-08實施該「燒盡」測試以測定纖維及熱塑性基質之重量，然後可基於以下公式使用其來計算「空隙分率」：V f =100 ＊ (ρ t -ρ c )/ρ t 其中，V f 係空隙分率(以百分比表示)；ρ c係複合物之密度，如使用已知技術量測，例如使用液體或氣體比重計(例如，氦比重計)；ρ t係複合物之理論密度，如藉由以下公式測定：ρ t =1/[W f /ρ f +W m /ρ m ]
ρ m係熱塑性基質之密度(例如，在適當結晶度下)；ρ f 係纖維之密度；W f 係纖維之重量分率；且W m 係熱塑性基質之重量分率。
另一選擇為，可根據ASTM D 3171-09藉由以化學方式溶解樹脂來測定空隙分率。「燒盡」及「溶解」方法尤其適於玻璃纖維，其通常耐熔融及化學溶解。在其他情形下，然而，可根據ASTM D 2734-09(方法A)基於熱塑性聚合物、纖維及條帶(或帶)之密度間接計算空隙分率，其中可藉由ASTM D792-08方法A來測定密度。當然，亦可使用習用顯微鏡設備、或藉由使用電腦斷層(CT)掃描設備(例如Metrotom 1500(2k×2k)高解析檢測器)來估算空隙分率。
參照圖7，其顯示此擠出器件之一實施例。更具體而言，該裝置包括擠出機120，其含有安裝於桶122內部之螺桿軸124。將加熱器130(例如，電阻加熱器)安裝於桶122外部。在使用期間，將熱塑性聚合物原料127經由進料斗126供應至擠出機120。在桶122內部，藉由螺桿軸124輸送熱塑性原料127並藉由桶122內部之摩擦力及加熱器130加熱。在加熱後，原料127經由桶凸緣128離開桶122並進入浸漬模具150之模具凸緣132。
將連續纖維粗紗142或複數根連續纖維粗紗142自捲軸144供應至模具150。通常在浸漬前可使粗紗142間隔某一距離，例如至少約4毫米，且在一些實施例中，至少約5毫米。可在模具內部藉由安裝於模具150中或其周圍之加熱 器133進一步加熱原料127。模具通常在足以引起熱塑性聚合物熔融及浸漬之溫度下操作。通常，模具之操作溫度高於熱塑性聚合物之熔融溫度，例如在約200℃至約450℃之溫度下。當以此方式處理時，連續纖維粗紗142包埋於聚合物基質中，該聚合物基質可為自原料127處理得到之樹脂214(圖8)。然後自浸漬模具150擠出混合物，產生擠出物152。
壓力感測器137(圖8)感測浸漬模具150附近壓力以允許在超過擠出速率時藉由控制螺桿軸124之旋轉速度或給料機之進給速率來施加控制。即，壓力感測器137係定位於浸漬模具150附近以使得可操作擠出機120以遞送正確量之樹脂214用於與纖維粗紗142相互作用。在離開浸漬模具150後，擠出物152或浸漬纖維粗紗142可進入可選預定型或引導區段(未顯示)，之後進入於兩個毗鄰輥190之間形成之輥隙。儘管可選，但輥190可有助於將擠出物152固化成條帶形式，以及增強纖維浸漬並擠出任何多餘空隙。除輥190以外，亦可使用其他定型器件，例如模具系統。藉由安裝於輥上之履帶162及164來牽引所得固結條帶156。履帶162及164亦自浸漬模具150牽引擠出物152並使其經過輥190。若需要，可在區段171處纏繞固結條帶156。一般而言，該等條帶相對較薄且通常具有約0.05毫米至約1毫米之厚度，在一些實施例中，約0.1毫米至約0.8毫米，且在一些實施例中，約0.2毫米至約0.4毫米。
在浸漬模具內，通常期望使粗紗142橫穿浸漬區250以使 聚合物樹脂214浸漬粗紗。在浸漬區250中，通常可藉由浸漬區250中所產生之剪切及壓力迫使聚合物樹脂橫向經過粗紗，從而顯著增強浸漬度。在自高纖維含量之條帶形成複合物時此尤其有用，例如約35%重量分率(「Wf」)或更大，且在一些實施例中，約40% Wf或更大。通常，模具150將包括複數個接觸表面252，例如至少2個、至少3個、4至7個、2至20個、2至30個、2至40個、2至50個、或更多個接觸表面252，以對粗紗142產生足夠滲透度及壓力。儘管接觸表面252之具體形式可改變，但其通常可具有曲線表面，例如彎曲突齒、棒等。接觸表面252通常亦由金屬材料製成。
圖8顯示浸漬模具150之剖視圖。如所顯示，浸漬模具150包括歧管總成220、閘門通路270及浸漬區250。提供歧管總成220以供聚合物樹脂214流經其中。舉例而言，歧管總成220可包括一個通道222或複數個通道222。提供至浸漬模具150之樹脂214可流經通道222。
如圖9中所顯示，通道222之一些部分可為曲線，且在例示性實施例中，通道222沿中心軸224對稱定向。此外，在一些實施例中，該等通道可為複數個分支流道222，其可包括第一分支流道組232、第二分支流道組234、第三分支流道組236及(若需要)更多分支流道組。每一組可包括2個、3個、4個或更多個自前一組中之流道222或自初始通道222分支出之流道222。
分支流道222及其對稱定向通常使樹脂214均勻分佈，使 得離開歧管總成220並塗佈粗紗142之樹脂214之流實質上均勻分佈於粗紗142上。此合意地使粗紗142大致均勻浸漬。
此外，在一些實施例中，歧管總成220可界定出口區域242，出口區域通常至少涵蓋樹脂214離開之通道或流道222之下游部分。在一些實施例中，通道或流道222安置於出口區域242中之至少一部分在樹脂214之流動方向244上具有增加之面積。當樹脂214流經歧管總成220時，該增加之面積允許樹脂214之擴散及進一步分佈，從而進一步允許樹脂214實質上均勻分佈於粗紗142上。
如圖8及9中所進一步圖解說明，在流經歧管總成220後，樹脂214可流經閘門通路270。閘門通路270定位於歧管總成220與浸漬區250之間，且用以供來自歧管總成220之樹脂214流動，從而使樹脂214塗佈粗紗142。因此，經由(例如)出口區域242離開歧管總成220之樹脂214可進入閘門通路270並流經其中，如所顯示。
如圖8中所顯示，在離開模具150之歧管總成220及閘門通路270後，樹脂214接觸正橫穿模具150之粗紗142。如上文所論述，由於樹脂214分佈於歧管總成220及閘門通路270中，故樹脂214可實質上均勻塗佈粗紗142。此外，在一些實施例中，樹脂214可碰撞在粗紗142中之每一者之上表面、或粗紗142中之每一者之下表面、或粗紗142中之每一者之上表面及下表面二者上。對粗紗142之初始碰撞使樹脂214進一步浸漬粗紗142。
如圖8中所顯示，經塗佈粗紗142在運動方向282上橫穿浸漬區250，該浸漬區經組態以使樹脂214浸漬粗紗142。舉例而言，如圖8及圖10中所顯示，在浸漬區中，粗紗142橫跨接觸表面252上方。粗紗142對接觸表面252之碰撞產生足以使樹脂214浸漬粗紗142之剪切及壓力，藉此塗佈粗紗142。
在一些實施例中，如圖8中所顯示，浸漬區250界定於兩個間隔開之對置板256與258之間。第一板256界定第一內表面257，而第二板258界定第二內表面259。接觸表面252可界定於第一內表面257及第二內表面259二者上，或僅界定於第一內表面257及第二內表面259中之一者上，或可自該等表面延伸。圖10圖解說明第二板258及其上各接觸表面，該等接觸表面形成此等實施例之浸漬區250之至少一部分。在例示性實施例中，如圖8中所顯示，接觸表面252可交替地界定於第一表面257及第二表面259上，使得粗紗交替地碰撞在第一表面257及第二表面259上之接觸表面252上。因此，粗紗142可以波形、曲折或正弦型路徑通過接觸表面252，從而增強剪切。
粗紗142橫跨接觸表面252之角254通常可足夠高以增強剪切，但未高至產生過大的會破壞纖維之力。因此，舉例而言，角254可在介於約1°與約30°之間之範圍內，且在一些實施例中，介於約5°與約25°之間。
在替代實施例中，浸漬區250可包括複數根針(未顯示)，每一根針具有接觸表面252。該等針可靜止、自由旋 轉或以旋轉方式驅動。在其他替代實施例中，如期望或需要，接觸表面252及浸漬區250可包含用於使樹脂214浸漬粗紗142之任何適宜形狀及/或結構。
為進一步促進粗紗142之浸漬，亦可使其在存於浸漬模具內時保持在張力下。每根粗紗142或每束纖維之張力可(例如)介於約5牛頓至約300牛頓之間，在一些實施例中，約50牛頓至約250牛頓，且在一些實施例中，約100牛頓至約200牛頓。
如圖8中所顯示，在一些實施例中，出料(land)區280可在粗紗142之運動方向282上定位於浸漬區250之下游。粗紗142可在橫穿出料區280之後離開模具150。如圖8中所進一步顯示，在一些實施例中，面板290可毗連浸漬區250。面板290通常經組態以計量來自粗紗142之過量樹脂214。因此，面板290中粗紗142橫穿之孔可經定徑以使當粗紗142橫穿其中時，孔徑使得自粗紗142去除過量樹脂214。
上文所顯示及闡述之浸漬模具僅為可用於本發明之各種可能組態中之一者。在替代實施例中，舉例而言，可將粗紗引入相對於聚合物熔體之流動方向以一角度定位之十字頭模具中。當粗紗移動穿過十字頭模具並達到聚合物離開擠出機桶之點時，迫使聚合物與粗紗接觸。此十字頭模具擠出機之實例闡述(例如)頒予Moyer之美國專利第3,993,726號、頒予Chung等人之美國專利第4,588,538號；頒予Augustin等人之美國專利第5,277,566號；及頒予Amaike等人之美國專利第5,658,513號中，出於所有目的， 該等案件之全文特此以引用方式併入本文中。亦應瞭解，亦可使用任一其他擠出機設計，例如雙螺桿擠出機。此外，亦可視情況使用其他組份來幫助纖維之浸漬。舉例而言，在某些實施例中可使用「氣噴嘴」總成來幫助將具有個別纖維之粗紗(其可各自含有至多24,000根纖維)均勻分散於合併束之整個寬度上。此可幫助達成強度性質之均勻分佈。此總成可包括大量以大致垂直方式碰撞穿過出口埠之移動粗紗的壓縮空氣或另一氣體。然後可將分散粗紗引入浸漬用模具中，例如上文所述。
不論使用何種技術，均使連續纖維在縱向方向(圖7之系統之機器方向「A」)上定向以增強抗拉強度。除纖維定向以外，亦控制拉擠成形製程之其他態樣以達成期望強度。舉例而言，在固結條帶中使用相對較高百分比之連續纖維以提供高強度性質。舉例而言，連續纖維通常佔該條帶的約25 wt.%至約80 wt.%，在一些實施例中，約30 wt.%至約75 wt.%，且在一些實施例中，約35 wt.%至約60 wt.%。同樣，熱塑性聚合物通常佔該條帶的約20 wt.%至約75 wt.%，在一些實施例中，約25 wt.%至約70 wt.%，且在一些實施例中，約40 wt.%至約65 wt.%。最終棒中之纖維及熱塑性基質之百分比亦可在上文所述範圍內。
如上文所述，可在定型成期望棒組態之前將粗紗固結成一或多個條帶形式。當隨後壓縮此條帶時，粗紗可以大致對稱方式分佈於該棒之縱向中心周圍。此對稱分佈增強該棒之整個長度上強度性質(例如，撓曲模數、極限抗拉強 度等)之一致性。當使用時，將基於棒之期望厚度及/或橫截面面積及強度以及條帶自身性質來改變用於形成棒之固結條帶之數量。然而，在大多數情形下，條帶之數量為1至15，且在一些實施例中，2至5。每一條帶中所用粗紗之數量可同樣改變。然而，該條帶通常將含有2至10根粗紗，且在一些實施例中，3至5根粗紗。為幫助達成最終棒中之粗紗之對稱分佈，有益地使其在條帶內彼此間隔開相同距離。參照圖5，舉例而言，顯示固結條帶4之一實施例，其含有三(3)根在x方向上彼此等距間隔之粗紗5。然而，在其他實施例中，可期望將粗紗組合，以使粗紗之纖維大致均勻分佈於整個條帶4中。在此等實施例中，粗紗可能彼此通常無法區分。參照圖6，舉例而言，顯示固結條帶4一實施例，其含有經組合以使纖維大致均勻分佈之粗紗。
亦小心地控制使粗紗定型之特定方式以確保可形成具有足夠壓縮度及強度性質之棒。參照圖11，舉例而言，其顯示形成棒之系統及方法之一具體實施例。在此實施例中，首先在紗架20上以纏繞捲裝形式提供兩個條帶12。紗架20可為退繞紗架，其包括提供有水平心軸22之框架，每一心軸支撐一捲裝。尤其若期望在纖維中產生扭轉，例如當在一步式組態中使用粗纖維時，亦可使用放線(pay-out)紗架。亦應瞭解，條帶之形成亦可與棒之形成串聯。在一實施例中，舉例而言，可將圖7中離開浸漬模具150之擠出物152直接供應至用於形成棒之系統。亦可使用張力調整器 件40來幫助控制條帶12之張度。器件40可包括入口板30，該入口板位於平行於紗架20之旋轉心軸22及/或垂直於輸入條帶之垂直面中。張力調整器件40可含有以錯列組態佈置之圓柱形桿41，以使條帶12在此等桿之上方及下方通過而界定波形圖案。可調節桿之高度以改變波形圖案之振幅並控制張力。
可在進入固結模具之前在烘箱45中對條帶12實施加熱。可使用任一已知類型烘箱(例如紅外烘箱、對流烘箱等)來實施加熱。在加熱期間，可使條帶中之纖維單向定向以優化熱暴露並在整個條帶上維持均勻加熱。加熱條帶12之溫度通常足夠高以將熱塑性聚合物軟化至條帶可黏合在一起之程度。然而，該溫度不高至會破壞材料之完整性。該溫度可(例如)介於約100℃至約500℃之間，在一些實施例中，約200℃至約400℃，且在一些實施例中，約250℃至約350℃。舉例而言，在一具體實施例中，使用聚苯硫醚(「PPS」)作為聚合物，且將條帶加熱至PPS之熔點(其為約285℃)或以上。
在加熱後，將條帶12提供至固結模具50，該固結模具將其一起壓縮成預成型件14，而且使其配向並形成棒之初始形狀。舉例而言，如圖11中大致顯示，引導條帶12在方向「A」上自入口53至出口55穿過模具50之流動通路51。通路51可具有各種形狀及/或大小中之任一者以達成棒組態。舉例而言，通道及棒組態可為圓形、橢圓形、拋物線等。在模具50內，通常將條帶維持在條帶中所用熱塑性基 質之熔點或更高之溫度以確保充分固結。
可藉由使用具有一或多個區段之模具50來達成條帶12之期望加熱、壓縮及定型。舉例而言，儘管本文未詳細顯示，但固結模具50可具有多個區段，該等區段一起作用以將條帶12壓縮並定型成期望組態。舉例而言，通路51之第一區段可為錐形區，其在材料流入模具50中時首先使材料定型。該錐形區入口處之橫截面面積通常大於其出口處。舉例而言，通路51之錐形區入口處橫截面面積可比錐形區出口處橫截面面積大約2%或更大，在一些實施例中，約5%或更大，且在一些實施例中，約10%至約20%。儘管如此，但在錐形區內流動通路之橫截面通常逐漸並平滑地變化使得可維持經過模具之複合物材料之平衡流動。定型區亦可位於錐形區之後，其壓縮材料並使其大致均勻地流經其中。定型區亦可將材料預定型成類似於棒之中間形狀，但通常具有較大橫截面面積以允許熱塑性聚合物在加熱時膨脹，以最小化在模具50內阻塞之風險。定型區亦可包括一或多個賦予預成型件定向變化之表面特徵。定向變化迫使材料重新分佈，從而達成纖維/樹脂在最終形狀中之更均勻分佈。此亦降低在模具中可引起樹脂燃燒之死點之風險。舉例而言，通路51之定型區之橫截面面積可比預成型件14之寬度大約2%或更大，在一些實施例中，約5%或更大，且在一些實施例中，約10%至約20%。模具出料區亦可在定型區之後以充當通路51之出口。可將定型區、錐形區及/或模具出料區加熱至熱塑性基質之玻璃轉變溫度或 熔點或更高之溫度。
若需要，亦可使用第二模具60(例如，校準模具)將預成型件14壓縮成棒之最終形狀。當使用時，有時期望使預成型件14在離開固結模具50之後並在進入可選第二模具60之前短暫冷卻。此使固結預成型件14在系統中進一步前進之前保持其初始形狀。通常，冷卻使棒之外部溫度降低至低於熱塑性基質之熔點溫度以最小化並實質上防止在棒之外表面上發生熔體破裂。然而，棒之內部區段可保持熔融以確保在棒進入校準模具主體中時壓縮。如業內已知，可藉由使預成型件14簡單暴露於環境氣氛(例如，室溫)或使用活性冷卻技術(例如，水浴或空氣冷卻)來達成該冷卻。在一實施例中，舉例而言，將空氣吹至預成型件14上(例如，利用風環)。然而，在此等階段之間之冷卻通常在短時間段內發生以確保預成型件14仍足夠軟以進一步經定型。舉例而言，在離開固結模具50後，可在進入第二模具60之前將預成型件14暴露於周圍環境僅約1秒至約20秒，且在一些實施例中，約2秒至約10秒。在模具60內，通常將預成型件保持在低於條帶中所用熱塑性基質之熔點之溫度下，使得可維持棒之形狀。儘管上文所提及者為單一模具，但應瞭解，模具50及60實際上可由多個個別模具(例如，面板模具)形成。
因此，在一些實施例中，可利用多個個別模具60將材料逐漸定型成期望組態。模具60係串聯放置，並使材料尺寸逐漸減小。該等逐漸減小允許在各步驟期間或其之間收 縮。
舉例而言，如圖13至15中所顯示，第一模具60可包括一或多個入口62及相應出口64，如所顯示。可在模具60中納入任一數量入口62及相應出口64，例如四個(如所顯示)、一個、兩個、三個、五個、六個或更多個。在一些實施例中，入口62可為大致卵形或圓形。在其他實施例中，入口62可具有彎曲矩形形狀，即具有彎角之矩形形狀或具有較長直側壁及較短彎曲側壁之矩形形狀。此外，出口64可為大致卵形或圓形定型，或可具有彎曲矩形形狀。在一些利用卵形入口之實施例中，入口62可具有在介於約3：1與約5：1之間之範圍內之長軸長度66與短軸長度68之比率。在一些利用卵形或圓形入口之實施例中，出口64可具有在介於約1：1與約3：1之間範圍內之長軸長度66與短軸長度68之比率。在利用彎曲矩形形狀之實施例中，入口及出口可具有介於約2：1與約7：1之間之長軸長度66與短軸長度66之比率(縱橫比)，其中出口64之比率小於入口62之比率。
在其他實施例中，第一模具60之入口62之橫截面面積與相應出口64之橫截面面積的比率可在介於約1.5：1與6：1之間之範圍內。
第一模具60因此提供聚合物浸漬纖維材料向相對類似於所得棒之最終形狀之形狀的大致平滑轉變，在例示性實施例中，其具有圓形或卵形橫截面。後續模具(例如第二模具60及第三模具60，如圖13中所顯示)可提供材料尺寸之進一步逐漸減小及/或變化，以使材料之形狀轉化成棒之 最終橫截面形狀。此等後續模具60可同時使材料定型並冷卻。舉例而言，在一些實施例中，可將每一後續模具60維持在低於先前模具之溫度下。在例示性實施例中，將所有模具60維持在高於該材料之軟化點溫度之溫度下。
在其他例示性實施例中，由於(例如)要求適當冷卻及固化，故可期望具有相對較長出料區長度69之模具60，其對達成期望棒形狀及大小至關重要。相對較長出料區長度69降低壓力並提供向期望形狀及大小之平滑轉變，且具有最小空隙分率及弓形特徵。在一些實施例中，舉例而言，模具60之出口64處出料區長度69與出口64處長軸長度66之比率可在介於約0與約20之間之範圍內，例如介於約2與約6之間。
根據本發明揭示內容使用校準模具60提供材料橫截面之逐漸變化，如所論述。在例示性實施例中，此等逐漸變化可確保所得產物(例如棒或其他適宜產物)具有大致均勻之纖維分佈及相對最小之空隙分率。
應瞭解，如各種應用所期望或需要，可利用任一適宜數量模具60使材料逐漸形成具有任一適宜橫截面形狀之輪廓。
除使用一或多個模具以外，亦可使用其他機構來幫助將預成型件14壓縮成棒形狀。舉例而言，在固結模具50與校準模具60之間、在不同校準模具60之間及/或在校準模具60進一步壓縮預成型件14之後在將其轉化成其最終形狀之前可使用成型輥90(如圖16中所顯示)。該等輥可具有任一 組態，例如夾輥、重疊輥等，且可為垂直(如所顯示)或水平輥。視輥90組態而定，輥90之表面可經機械加工以賦予預成型件14最終產物(例如棒、輪廓或其他適宜產物)之尺寸。在例示性實施例中，輥90之壓力應為可調節的以優化最終產物之品質。
在例示性實施例中，輥90(例如至少接觸該材料之部分)可具有大致平滑表面。舉例而言，在許多實施例中，期望相對較硬之拋光表面。舉例而言，該等輥之表面可由相對平滑之鉻或其他適宜材料形成。此允許輥90處理預成型件14而不會損壞或不合意地改變預成型件14。舉例而言，該等表面可防止該材料黏附至輥，且該等輥可賦予該等材料平滑表面。
在一些實施例中，控制輥90之溫度。此可藉由加熱輥90自身或藉由將輥90置於溫度受控環境中來達成。
此外，在一些實施例中，可在輥90上提供表面特徵92。當預成型件14穿過輥時，表面特徵92可在一或多個方向上引導及/或控制該預成型件。舉例而言，可提供表面特徵92以防止預成型件14在穿過輥90時自身褶疊。因此，表面特徵92可在相對於機器方向A之交叉機器方向以及在相對於機器方向A之垂直方向上引導並控制預成型件14之變形。因此可在預成型件14在機器方向A上穿過輥90時在交叉機器方向上將其推到一起，而非自身褶疊。
在一些實施例中，可提供與輥相連之張力調整器件。此等器件可與輥一起利用以在機器方向、交叉機器方向及/ 或垂直方向上將張力施加至預成型件14以進一步引導及/或控制預成型。
若期望，所得棒可視情況施加有覆蓋層以使其免受環境條件損害及/或改良耐磨性。仍參照圖11，舉例而言，可經由以任一期望角度定向以將熱塑性樹脂引入覆蓋模具72之擠出機來施加此覆蓋層。適用於此目的之熱塑性聚合物可包括(例如)聚烯烴(例如，聚丙烯、丙烯-乙烯共聚物等)、聚酯(例如，聚對苯二甲酸丁二酯(「PBT」))、聚碳酸酯、聚醯胺(例如，NylonTM)、聚醚酮(例如，聚醚醚酮(「PEEK」))、聚醚醯亞胺、聚伸芳基酮(例如，聚苯二酮(「PPDK」))、液晶聚合物、聚芳硫醚(例如，聚苯硫醚(「PPS」)、聚(聯苯硫醚酮)、聚(苯硫醚二酮)、聚(聯苯硫醚)等)、氟聚合物(例如，聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物、全氟-烷氧基烷烴聚合物、四氟乙烯聚合物、乙烯-四氟乙烯聚合物等)、聚縮醛、聚胺基甲酸酯、聚碳酸酯、苯乙烯系聚合物(例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(「ABS」))、丙烯酸系聚合物、聚氯乙烯(PVC)等。尤其適宜之覆蓋層材料可包括聚酮(例如，聚醚醚酮(「PEEK」))、聚硫醚(例如，聚芳硫醚)或其混合物。
儘管並非必須，但覆蓋層通常可不含連續纖維。即，覆蓋層含有小於約10 wt.%連續纖維，在一些實施例中，約5 wt.%或更少連續纖維，且在一些實施例中，約1 wt.%或更少連續纖維(例如，0 wt.%)。然而，覆蓋層可含有其他用於改良棒之最終性質之添加劑。在此階段所用之添加劑材 料可包括彼等不適於納入連續纖維材料中者。舉例而言，可合意地添加顏料以減少精整勞動，或可合意地添加阻燃劑以增強棒之阻燃特徵。由於多種添加劑材料為熱敏性，故過量的熱可導致其分解並產生揮發性氣體。因此，若在高加熱條件下將熱敏性添加劑材料與浸漬樹脂一起擠出，則結果可能為添加劑材料完全降解。添加劑材料可包括(例如)礦物增強劑、潤滑劑、阻燃劑、起泡劑、發泡劑、耐紫外光劑、熱穩定劑、顏料及其組合。適宜的礦物增強劑可包括(例如)碳酸鈣、二氧化矽、雲母、黏土、滑石、矽酸鈣、石墨、矽酸鈣、三水合氧化鋁、亞鐵酸鋇及其組合。
雖然本文未詳細顯示，但覆蓋模具72可包括業內已知之各種特徵來幫助達成覆蓋層之期望施加。例如，覆蓋模具72可包括使輸入棒配向之進入引導件。覆蓋模具亦可包括加熱機構(例如，加熱板)，其在施加覆蓋層之前預先加熱棒以幫助確保充分黏合。在覆蓋後，然後使用如業內已知之冷卻系統80來最終冷卻定型部件15。冷卻系統80可為(例如)包括一或多個塊(例如，鋁塊)之定徑系統，該等塊在冷卻棒且抵靠其壁向外真空牽引熱定型件時完全囊封棒。可將冷卻介質(例如空氣或水)供應至定徑機，以使棒以正確形狀固化。
即使不使用定徑系統，亦通常期望在棒離開覆蓋模具(或若未施加覆蓋，則為固結或校準模具)之後將其冷卻。可使用任一業內已知技術來實施冷卻，例如水箱、冷空氣 流或空氣噴嘴、冷卻夾套、內部冷卻通道、冷卻流體循環通道等。不論如何，均通常控制冷卻材料之溫度以達成最佳機械性質、部件尺寸公差、良好加工性及美學上令人愉悅之複合物。例如，若冷卻站之溫度過高，則材料可能在工具中溶脹並阻礙製程。對於半結晶材料，溫度過低同樣可導致材料過快冷卻且不允許完全結晶，因此危害複合物之機械性質及耐化學性質。可利用多個具有獨立溫度控制之冷卻模具區段來賦予加工性與性能屬性之最佳平衡。在一具體實施例中，舉例而言，水箱係在約0℃至約30℃之溫度下使用，在一些實施例中，約1℃至約20℃，且在一些實施例中，約2℃至約15℃。
若需要，亦可(例如)在覆蓋後使用一或多個定徑塊(未顯示)。該等塊含有切割成精確棒形狀之開口，其係自起初過大之棒形狀漸變至最終棒形狀。當棒穿過其中時，消除其移動或下垂之任何傾向，且將其推回(重複地)至其正確形狀。定徑後，可在切割站(未顯示)將棒切割成期望長度，例如使用能夠實施橫截面切割之截斷鋸，或可以連續製程將棒纏繞於捲軸上。然後棒之長度將限於纖維束之長度。
應瞭解，可控制棒在前進經過本發明系統之任一區段時之溫度以產生最佳製造及期望最終複合物性質。可利用電柱加熱器(electrical cartridge heater)、循環流體冷卻等或熟習此項技術者已知之任一其他溫度控制器件對總成區段中之任一者或全部實施溫度控制。
仍參照圖11，牽引器件82係定位於冷卻系統80下游以牽引精整棒16經過系統用於複合物之最終定徑。牽引器件82可為任一能夠以期望速率牽引棒經過該處理系統之器件。典型牽引器件包括(例如)履帶式牽引機及往復式牽引機。
由上文所述方法形成之棒之一實施例作為元件516更詳細地顯示於圖12中。如所圖解說明，棒516具有大致圓形形狀且包括由一或多個固結條帶形成之連續纖維組份514。「大致圓形」通常意味著棒之縱橫比(高度除以寬度)通常為約1.0至約1.5，且在一些實施例中，為約1.0。由於選擇性控制用於浸漬粗紗及形成固結條帶之製程以及對該條帶進行壓縮及定型之製程，故棒可具有沿其整個長度上相對均勻分佈之熱塑性基質。此亦意味著連續纖維係以大致均勻方式分佈於棒516之縱向中心軸「L」周圍。如圖12中所顯示，舉例而言，棒514包括包埋於熱塑性基質528內之連續纖維526。纖維526係大致均勻分佈於縱向軸「L」周圍。應瞭解，圖12中僅顯示一些纖維，且棒將通常含有實質上更大數量之均勻分佈纖維。
覆蓋層519亦圍繞核心514周邊延伸並界定棒516之外表面。可有戰略性地選擇核心514之橫截面厚度(「T」)來幫助達成棒之具體強度。舉例而言，核心514可具有約0.1毫米至約40毫米之厚度(例如，直徑)，在一些實例中，約0.5毫米至約30毫米，且在一些實施例中，約1毫米至約10毫米。覆蓋層519之厚度取決於部件之預期功能，但通常為0.01毫米至約10毫米，且在一些實施例中，約0.02毫米至 約5毫米。棒516之總橫截面厚度或高度亦可介於約0.1毫米至約50毫米之間，在一些實例中，約0.5毫米至約40毫米，且在一些實施例中，約1毫米至約20毫米。儘管棒之長度可實質上連續，但棒之長度實際上通常受上面將纏繞並儲存其之線軸或連續纖維之長度限制。舉例而言，長度通常介於約1000米至約5000米之間，但當然可能為甚至更大長度。
藉由控制上文所提及各參數，可形成具有極高強度之棒。舉例而言，棒可展示相對較高之撓曲模數。術語「撓曲模數」通常係指在撓曲變形中應力與應變之比率(單位為力/面積)、或材料彎曲之傾向。其係自「三點撓曲」測試(例如ASTM D790-10，程序A，通常在室溫下)產生之應力-應變曲線之斜率測定。舉例而言，本發明之棒可展示約10千兆帕斯卡(「GPa」)或更大之撓曲模數，在一些實施例中，約12 GPa至約400 GPa，在一些實施例中，約15 GPa至約200 GPa，且在一些實施例中，約20 GPa至約150 GPa。此外，極限抗拉強度可為約300兆帕(「MPa」)或更大，在一些實例中，約400 MPa至約5,000 MPa，且在一些實施例中，約500 MPa至約3,000 MPa。術語「極限抗拉強度」通常係指材料在經拉伸或牽引時在頸縮前可承受之最大應力，且係在室溫下在拉伸測試(例如ASTM D3916-08)產生之應力-應變曲線上達到之最大應力。彈性之拉伸模數亦可為約50 GPa或更大，在一些實例中，約70 GPa至約500 GPa，且在一些實施例中，約100 GPa至約300 GPa。 術語「彈性之拉伸模數」通常係指拉伸應力對拉伸應變之比率且係在室溫下拉伸測試(例如ASTM 3916-08)產生之應力-應變曲線之斜率。值得注意的是，亦可將上文所提及複合棒之強度性質維持在相對較寬溫度範圍內，例如約-40℃至約300℃，且尤其為約180℃至200℃。
根據本發明揭示內容製造之棒可進一步具有相對長的撓曲疲勞壽命，且可展示相對較高之殘餘強度。可基於「三點撓曲疲勞」測試(例如ASTM D790，通常在室溫下)測定撓曲疲勞壽命及殘餘撓曲強度。舉例而言，在160牛頓(「N」)或180 N負載下在1×106次循環後，本發明之棒可展示約60千克/平方英吋(「ksi」)至約115 ksi之殘餘撓曲強度，在一些實施例中，約70 ksi至約115 ksi，且在一些實施例中，約95 ksi至約115 ksi。此外，棒可展示相對最小之撓曲強度降低。舉例而言，在三點撓曲疲勞測試後，空隙分率為約4%或更少(在一些實施例中，約3%或更少)之棒可展示約1%之撓曲強度降低(舉例而言，自最大原始撓曲強度約106 ksi至最大殘餘撓曲強度約105 ksi)。可在疲勞測試之前及之後使用(例如)如上文所論述之三點撓曲測試來測試撓曲強度。
複合棒亦可展示相對較小之「彎曲半徑」，其係棒可彎曲而不斷裂之最小半徑且量測為棒之內部曲率。較小彎曲半徑意味著棒更具撓性且可纏捲於較小直徑繞線管上。此性質亦使得棒更易於在目前使用金屬棒之製程中實施。由於本發明之改良之製程及所得棒，故可達成小於棒之外徑 約40倍之彎曲半徑，在一些實例中，其係棒之外徑約1至約30倍，且在一些實施例中，其係棒之外徑約2倍至約25倍，此係在約25℃之溫度下測定。例如，彎曲半徑可小於約15公分，在一些實例中，約0.5公分至約10公分，且在一些實施例中，約1公分至約6公分，此係在約25℃之溫度下測定。
複合棒亦具有低空隙分率，例如約6%或更少，在一些實施例中，3%或更少，在一些實施例中，約2%或更少，在一些實施例中，約1%或更少，且在一些實施例中，約0.5%或更少。可以上文所述方式測定空隙分率，例如根據ASTM D 2584-08使用「樹脂燒盡」測試或藉由使用電腦斷層(CT)掃描設備，例如Metrotom 1500(2k×2k)高解析檢測器。
應瞭解，上文所述具體實施例僅舉例說明可能藉由本發明製造之多種設計。在各種可能之棒設計中，應瞭解，可使用除彼等上文所述者以外之其他材料層。在某些實施例中，舉例而言，可合意地形成多組份棒，其中一種組份由較高強度材料形成且另一組份由較低強度材料形成。該等多組份棒尤其可用於增加總強度，而不要求整個棒對更昂貴高強度材料之需要。較低及/或較高強度組份可由含有包埋於熱塑性基質內之連續纖維之條帶形成。
應瞭解，本發明絕不限於上文所述實施例。舉例而言，視期望應用而定，棒可含有各種其他組份。額外組份以及其他類型材料可自連續纖維條帶形成，例如本文所述。在 一實施例中，舉例而言，棒可含有不連續纖維(例如，短纖維、長纖維等)層以改良其橫向強度。不連續纖維可經定向以使纖維之至少一部分相對於連續纖維延伸之方向以一角度定位。
本發明之棒尤其當用於構造臍管時提供各種優點及益處。舉例而言，由於該棒之構造，故其可堅固輕質且可易於處理且與臍管中所用其他材料相容。本發明之臍管可用於多種應用中，例如用於水下環境。例如，圖1顯示水體912中之臍管900之一實施例，其連接容器910與毗鄰水體912之底部914之水下設施916。容器910及/或水下設施916可永久地安裝於水體912中或可移除。在某些實施例中，臍管900可用於深度為約2,500米或更大之水中，在一些實施例中，約4,000米或更大，且在一些實施例中，約5,000至約15,000米。
參照以下實例可更好地理解本發明揭示內容。
實例1
首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用碳纖維粗紗(Toray T700SC，其含有12,000根抗拉強度為4,900 MPa且每單位長度質量為0.8克/米之碳絲)，其中每一個別條帶含有4根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係聚苯硫醚(「PPS」)(FORTRON® PPS 205，購自Ticona有限責任公司)，其具有約280℃之熔點。每一條帶含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙 分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為305)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在模具內，條帶保持在約177℃之溫度下。在固結後，然後在1 psi壓力下用供應環境空氣之風環/隧道器件將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約140℃之溫度下。在離開此模具後，用熔點為350℃之聚醚醚酮(「PEEK」)覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有45 wt.%碳纖維、50 wt.% PPS及5 wt.%覆蓋材料。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為約31千兆帕斯卡且撓曲強度為約410 MPa。部件之密度為1.48 g/cm3且空隙含量小於約3%。同樣，彎曲半徑為3.27公分。
實例2
如實例1中所述形成棒，只是未使用覆蓋材料。棒因此含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。空隙含量小於約1.5%且彎曲半徑為3.86公分。
實例3
首先如上文大致所述使用擠出係統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用碳纖維粗紗(Toray T700SC)，其中每一個別條帶含有4根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係FORTRON® PPS 205。每一條帶含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為305)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在模具內，條帶保持在約343℃之溫度下。在固結後，然後在1 psi壓力下用供應環境空氣之風環/隧道器件將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約140℃之溫度下。在離開此模具後，用熔點為280℃之FORTRON® PPS 320覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有45 wt.%碳纖維、50 wt.% PPS及5 wt.%覆蓋材料。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為20.3千兆帕斯卡且撓曲強度為約410 MPa。部件之密度為1.48 g/cm3且空隙含量小於約3%。同樣，彎曲半徑為4.37公分。
實例4
首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用玻璃纖維粗紗(來自PPG之TUFRov® 4588，其含有抗拉強度為2599 MPa且每單位長度質量為2.2克/米之E-玻璃長絲)，其中每一個別條帶含有2根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係聚苯硫醚(「PPS」)(FORTRON® 205，購自Ticona有限責任公司)，其具有約280℃之熔點。每一條帶含有56 wt.%玻璃纖維及44 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為330)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在固結後，然後用環境空氣將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約275℃之溫度下。在離開此模具後，用FORTRON® 205覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有50 wt.%玻璃纖維及50 wt.% PPS。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三 點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為約18千兆帕斯卡且撓曲強度為約590 MPa。空隙含量小於約0%且彎曲半徑為1.87公分。
實例5
首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用玻璃纖維粗紗(TUFRov® 4588)，其中每一個別條帶含有2根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係熔點為約250℃之耐綸(Nylon)66(PA66)。每一條帶含有60 wt.%玻璃纖維及40 wt.%耐綸66。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以10英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為320)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在固結後，然後用環境空氣將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約170℃之溫度下。在離開此模具後，用耐綸66覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有53 wt.%玻璃纖維、40 wt.%耐綸66及7 wt.%覆蓋材料。
為測定棒之強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。支撐及刀鼻半徑為0.250英吋，支撐跨距為 30毫米，試樣長度為2英吋，且測試速度為2毫米/分鐘。所得撓曲模數為約19千兆帕斯卡且撓曲強度為約549 MPa。空隙含量小於約0%且彎曲半徑為2.34公分。
實例6
形成三(3)個批次(每批次八(8)個)之具有不同空隙分率值之棒。對於每一棒，首先如上文大致所述使用擠出系統來形成兩(2)個連續纖維條帶。對連續纖維使用碳纖維粗紗(Toray T700SC，其含有12,000根抗拉強度為4,900 MPa且每單位長度質量為0.8克/米之碳絲)，其中每一個別條帶含有4根粗紗。用於浸漬纖維之熱塑性聚合物係聚苯硫醚(「PPS」)(FORTRON® PPS 205，購自Ticona有限責任公司)，其具有約280℃之熔點。每一條帶含有50 wt.%碳纖維及50 wt.% PPS。該等條帶具有約0.18毫米之厚度及小於1.0%之空隙分率。在成型後，然後將條帶以20英尺/分鐘之速度進給至拉擠成形線操作。在定型前，在紅外烘箱(功率設定為305)內加熱條帶。然後將經加熱條帶供應至具有圓形通道之固結模具，該圓形通道接收條帶並將其壓縮在一起，同時形成棒之初始形狀。在模具內，條帶保持在約177℃之溫度下。在固結後，然後在1 psi壓力下用供應環境空氣之風環/隧道器件將所得預成型件短暫冷卻。然後使預成型件穿過於兩個輥之間形成之輥隙，且然後達到校準模具以進行最終定型。在校準模具內，預成型件保持在約140℃之溫度下。在離開此模具後，用熔點為350℃之聚醚醚酮(「PEEK」)覆蓋輪廓。覆蓋層具有約0.1毫米之 厚度。然後用空氣流冷卻所得部件。所得棒具有約3.5毫米之直徑，且含有45 wt.%碳纖維、50 wt.% PPS及5 wt.%覆蓋材料。
第一批次棒之平均空隙分率為2.78%。第二批次棒之平均空隙分率為4.06%。第三批次棒之平均空隙分率為8.74%。使用CT掃描來實施空隙分率量測。使用Metrotom 1500(2k×2k)高解析檢測器來掃描棒試樣。使用具有低概率閾值之增強分析模式來實施檢測。在掃描試樣之空隙分率後，使用Volume Graphics軟體來解釋來自3D掃描之數據，並計算每一試樣中之空隙含量。
為測定棒之撓曲疲勞壽命及殘餘撓曲強度，根據ASTM D790實施三點撓曲疲勞測試。支撐跨距為2.2英吋且試樣長度為3英吋。在160牛頓(「N」)負載量下測試每一批次之四(4)個棒並在180 N負載量下測試每一批次之四(4)個棒，分別代表棒之原始(靜態)撓曲強度的約50%及55%。在10赫茲(Hz)頻率下經1×106次循環後測試每一試樣。
在疲勞測試之前及之後，為測定棒之各別原始及殘餘撓曲強度性質，根據ASTM D790-10程序A實施三點撓曲測試。記錄在每一負載量下每一批次之平均原始及殘餘撓曲強度。所得第三批次之原始撓曲強度為107 ksi，且所得第三批次之殘餘撓曲強度為75 ksi，因此降低約29%。所得第二批次之原始撓曲強度為108 ksi，且所得第二批次之殘餘撓曲強度為72 ksi，因此降低約33%。所得第一批次之原始撓曲強度為106 ksi，且所得第一批次之殘餘撓曲強度 為105 ksi，因此降低約1%。
熟習此項技術者可實踐本發明之此等及其他修改及變化，此不背離本發明之精神及範疇。另外，應瞭解，各實例之態樣可全部或部分互換。此外，熟習此項技術者應瞭解，上述說明僅為舉例說明，且並非意欲限制本發明，故將在該等隨附申請專利範圍中進一步闡述本發明。
4‧‧‧固結條帶
5‧‧‧粗紗
12‧‧‧條帶
14‧‧‧預成型件
15‧‧‧定型部件
16‧‧‧精整棒
20‧‧‧紗架
22‧‧‧心軸
30‧‧‧入口板
40‧‧‧張力調整器件
41‧‧‧桿
45‧‧‧烘箱
50‧‧‧固結模具
51‧‧‧流動通路
53‧‧‧入口
55‧‧‧出口
60‧‧‧校準模具
62‧‧‧入口
64‧‧‧出口
72‧‧‧覆蓋模具
80‧‧‧冷卻系統
82‧‧‧牽引器件
90‧‧‧成型輥
92‧‧‧表面特徵
120‧‧‧擠出機
122‧‧‧桶
124‧‧‧螺桿軸
126‧‧‧進料斗
127‧‧‧熱塑性聚合物原料
128‧‧‧桶凸緣
130‧‧‧加熱器
132‧‧‧模具凸緣
133‧‧‧加熱器
137‧‧‧壓力感測器
142‧‧‧連續纖維粗紗
144‧‧‧捲軸
150‧‧‧浸漬模具
152‧‧‧擠出物
156‧‧‧固結條帶
162‧‧‧履帶
164‧‧‧履帶
171‧‧‧區段
190‧‧‧輥
214‧‧‧聚合物樹脂
220‧‧‧歧管總成
222‧‧‧通道/分支流道
224‧‧‧中心軸
232‧‧‧第一分支流道組
234‧‧‧第二分支流道組
236‧‧‧第三分支流道組
242‧‧‧出口區域
250‧‧‧浸漬區
252‧‧‧接觸表面
256‧‧‧第一板
257‧‧‧第一內表面
258‧‧‧第二板
259‧‧‧第二內表面
270‧‧‧閘門通路
280‧‧‧出料區
290‧‧‧面板
514‧‧‧核心
516‧‧‧元件/棒
519‧‧‧覆蓋層
526‧‧‧連續纖維
528‧‧‧熱塑性基質
600‧‧‧臍管
601‧‧‧外鞘
603‧‧‧內通道元件
604‧‧‧流體管
606‧‧‧電導體/電線
607‧‧‧強化棒
608‧‧‧加強元件
609‧‧‧中心部分
610‧‧‧填料
700‧‧‧臍管
701‧‧‧外鞘
703‧‧‧內通道元件
704‧‧‧流體管
706‧‧‧電導體/電線
707‧‧‧棒
709‧‧‧中心部分
710‧‧‧填料
800‧‧‧臍管
803‧‧‧通道元件
804‧‧‧管
806‧‧‧電導體/電線
807‧‧‧棒
900‧‧‧臍管
910‧‧‧容器
912‧‧‧水體
914‧‧‧底部
916‧‧‧水下設施
L‧‧‧縱向中心軸
圖1可結合本發明之臍管之一實施例使用之系統；圖2係本發明之臍管之一實施例之剖視圖；圖3係本發明之臍管之另一實施例之剖視圖；圖4係本發明之臍管之又一實施例之剖視圖；圖5係用於本發明之固結條帶之一實施例之透視圖；圖6係用於本發明之固結條帶之另一實施例之剖視圖；圖7係用於本發明之浸漬系統之一實施例之示意圖；圖8係圖7中所顯示浸漬模具之剖視圖；圖9係可用於本發明之浸漬模具之歧管總成及閘門通路之一實施例的分解圖；圖10係可用於本發明之至少部分地界定浸漬區之板之一實施例的透視圖；圖11係可用於本發明之拉擠成形系統之一實施例之示意圖；圖12係可根據本發明形成之以連續纖維強化之熱塑性棒之一實施例之透視圖；圖13係可根據本發明使用之各種校準模具之一實施例之 俯視剖視圖；圖14係可根據本發明使用之校準模具之一實施例之側面剖視圖；圖15係可根據本發明使用之校準模具之一實施例之一部分的正視圖；且圖16係可根據本發明使用之成型輥之一實施例之正視圖。
600‧‧‧臍管
601‧‧‧外鞘
603‧‧‧內通道元件
604‧‧‧流體管
606‧‧‧電導體/電線
607‧‧‧強化棒
608‧‧‧加強元件
609‧‧‧中心部分
610‧‧‧填料

Claims (25)

  1. 一種用於水下應用之臍管，該臍管包含：複數個在縱向方向上延伸之臍管元件；至少一個強化棒，其具有含有複數根熱塑性浸漬粗紗之核心，該等粗紗包含在縱向方向上定向之連續纖維及包埋該等纖維之熱塑性基質，其中該等連續纖維佔該核心的約25 wt.%至約80 wt.%，且該熱塑性基質佔該核心的約20 wt.%至約75 wt.%；及外鞘，其包封該等臍管元件及該強化棒。
  2. 如請求項1之臍管，其中該等臍管元件包括管、電導體/電線、通道元件、鎧裝電線或其組合。
  3. 如請求項1之臍管，其進一步包含填料，該填料係至少部分地佈置在該等臍管元件周圍及其之間。
  4. 如請求項1之臍管，其進一步包含中心部分，該強化棒係位於該中心部分內。
  5. 如請求項1之臍管，其中該強化棒係圍繞該臍管之周邊安置。
  6. 如請求項1之臍管，其中該臍管含有一捆強化棒，其每一者皆具有含有複數根熱塑性浸漬粗紗之核心，該等粗紗包含在縱向方向上定向之連續纖維及包埋該等纖維之熱塑性基質，其中該等連續纖維佔該核心的約25 wt.%至約80 wt.%且該熱塑性基質佔該核心的約20 wt.%至約75 wt.%。
  7. 如請求項1之臍管，其中該等連續纖維具有大於約1,000 兆帕(Megapascals)/克/米之極限抗拉強度與每單位長度質量之比率。
  8. 如請求項1之臍管，其中該等連續纖維具有約5,500兆帕/克/米至約20,000兆帕/克/米之極限抗拉強度與每單位長度質量之比率。
  9. 如請求項1之臍管，其中該等連續纖維係碳纖維。
  10. 如請求項1之臍管，其中該熱塑性基質包括聚芳硫醚。
  11. 如請求項10之臍管，其中該聚芳硫醚係聚苯硫醚。
  12. 如請求項1之臍管，其中該等連續纖維佔該核心的約30 wt.%至約75 wt.%。
  13. 如請求項1之臍管，其中該棒具有約3%或更小之空隙分率。
  14. 如請求項1之臍管，其中該棒具有約10千兆帕斯卡(Gigapascals)之最小撓曲模數。
  15. 如請求項1之臍管，其中該棒具有約300兆帕之最小極限抗拉強度。
  16. 如請求項1之臍管，其中該棒具有約50千兆帕斯卡之最小彈性拉伸模數。
  17. 如請求項1之臍管，其中該棒之最小彎曲半徑係該棒之外徑的約1倍至約30倍，此係在約25℃之溫度下測定。
  18. 如請求項1之臍管，其中該棒之最小彎曲半徑係約0.5公分至約10公分，此係在約25℃之溫度下測定。
  19. 如請求項1之臍管，其中該核心含有4至20根粗紗。
  20. 如請求項1之臍管，其中該等粗紗係大致對稱地分佈於 該核心之縱向中心周圍。
  21. 如請求項1之臍管，其中每一粗紗含有約1,000至約50,000根個別連續纖維。
  22. 如請求項1之臍管，其中該棒具有約0.1毫米至約50毫米之厚度。
  23. 如請求項1之臍管，其進一步包含環繞該核心之覆蓋層。
  24. 如請求項1之臍管，其中該棒具有實質圓形的橫截面形狀。
  25. 一種用於水下應用之臍管，該臍管包含：複數個在縱向方向上延伸之臍管元件，其中該等臍管元件包括管、電導體/電線、通道元件、鎧裝電線或其組合；填料，其至少部分地佈置在該等臍管元件周圍及其之間；至少一個強化棒，其具有含有複數根熱塑性浸漬粗紗之核心，該等粗紗包含在縱向方向上定向之連續碳纖維及包埋該等纖維之熱塑性基質，其中該等連續碳纖維佔該核心的約30 wt.%至約75 wt.%且該熱塑性基質佔該核心的約25 wt.%至約70 wt.%；及外鞘，其包封該等臍管元件、該填料、該強化棒。
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