制造復合材料制件的方法

專利名稱：制造復合材料制件的方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種制造復合材料制件的方法。本發明具體用于 包括在基體(多是金屬)上形成聚合物組件的復合材料制件。雖然本文參照 用于水工基礎結構(例如管子、水道、儲水或蓄水系統以及貯水池)的復合 材料制件來說明本發明，但應了解的是，本發明具有更廣泛的應用，并 不局限于只用在水工基礎結構方面。
背景技術：
人們發現，至少在某些情形下，形成連接聚合物組件和金屬基體的 復合結構的制件，例如水工基礎結構制件，是有益的。該聚合物組件可 以有多種用途。例如，該聚合物組件至少可以制作接頭的零件，使金屬 部件與另一個金屬部件相連接而在接頭處形成水密封。在另一實例中， 該聚合物組件可以用作貯水池或儲水/蓄水系統的底部或頂部結構的零 件。發明內容第一方面，本發明提供一種在基體上形成聚合物組件的方法，該方 法包括如下步驟提供具有內表面的敞口模具；將所述模具放置在所述基體的表面上，從而借助所述模具內表面和所述基體表面形成封閉型腔；將流體聚合物材料引入所述封閉型腔；以及提供使所述聚合物材料硬化的適當條件，從而在所述基體上形成作 為鑄件的所述聚合物組件。根據本發明，在所述基體表面上形成了作為鑄件的所述聚合物組件。 這樣的配置能夠簡化制件的制造，所以該配置具有顯著的實際利益。此 外，因為所述聚合物材料作為流體被引到所述基體表面上，所以即使在 所述基體表面被加工為具有加強筋等外形的情況下，所述聚合物組件表面也能夠與所述基體表面匹配。在本說明書的上下文中，所使用的與所述聚合物組件有關的術語"澆 鑄"或者諸如"鑄件"等的"澆鑄"的變形術語包括所有的模具技術和/ 或由此技術形成的制品，只要是將所述聚合物材料引入模具從而使所述 聚合物組件形成為特定形狀即可。在一種形式中，所述方法還包括如下步驟控制將所述流體聚合物 材料引入所述型腔的壓力，使該壓力低于第一閾值，隨后增加所述流體 的壓力，使其超過所述第一閾值。這么做的優點在于，可以將本方法用 在所述基體表面不能承受通常伴隨注模技術而產生的高壓的情況下。例 如，在由金屬板形成所述基體的情況下，引入所述流體聚合物材料的壓力可能為200 kPa 500 kPa。在一種形式中，通過使型腔內的所述聚合物材料膨脹來增加所述型 腔內的壓力。在一種形式中，可以通過將化學起泡劑引入所述型腔而使所述聚合 物材料膨脹。在一種形式中，該工藝使所述聚合物組件的外層與所述組 件的內芯更致密。這樣還具有減少材料消耗和減輕所述聚合物組件重量 的優點。在一種形式中，所述方法還包括如下步驟使所述流體聚合物組件 與所述基體表面結合。在一種形式中，所述基體表面是聚合物表面，所 述方法還包括如下步驟加熱所述表面以進所述基體表面和所述聚合物 組件之間粘合。在特定的形式中，預熱所述基體從而加熱所述基體表面。 此外，在升溫后再將所述聚合物材料引入所述型腔，從而加熱所述基體 表面。在特定實施例中，加熱所述基體使所述聚合物表面變粘從而促進所 述組件和所述表面之間的粘合。在上述形式的特定配置中，所述基體包括基層和聚合物膜，其中， 該聚合物膜應用于所述基層以形成聚合物基體。在特定的形式中，由金 屬形成所述基層，而在另一形式中，由金屬板形成所述基層，優選鋼板。在另一實施例中，所述方法還包括如下步驟通過使所述模具和所述基體之間的結合區域內的流體聚合物材料快速硬化，使所述模具和所述基體之間形成流體密封。在某特定配置中，通過加快所述結合區域的冷卻速度而使所述聚合物材料快速硬化。在另一配置中，通過使用配置 在所述模具和所述基體之間的密封墊來形成所述模具和所述基體之間的流體密封。在一種形式中，將所述聚合物組件澆鑄于所述基體上形成預成型件。 在這樣的配置中，所述方法還包括如下步驟所述預成型件經后續成型 而形成最終的形狀。在另一配置中，直接將所述聚合物組件澆鑄成最終 形狀而不需要任何的后續成型。在再一實施例中，所述基體被加工為具有一定的外形，使得在所述 聚合物組件和所述基體之間的界面呈曲折狀。另一方面，本發明提供包括中空基體的復合材料制件，并且在所述 基體表面上澆鑄有聚合物組件。在一種形式中，將所述組件澆鑄到所述表面上從而使所述組件與所 述基體相結合。在另一特定形式中，所述組件和所述基體表面的結合提 供了所述基體和所述組件之間的流體密封。在一種形式中，由金屬板形成所述基體，而在一特定的形式中，由 具有抗腐蝕金屬涂層的鋼板制成所述基體。在特定形式中，所述聚合物組件與所述基體表面結合，所述制件還 包括有助于所述結合工藝的、在所述基體和所述聚合物組件之間的中間 層。在一種形式中，在向所述基體澆鑄所述聚合物組件期間引入所述中 間層。在另一形式中，在澆鑄前即引入該中間層。在某特定的形式中，由金屬形成所述基體，在澆鑄組件之前，將該 中間層應用于所述金屬并且在所述金屬上形成聚合物涂層。在特定的形 式中，該聚合物涂層就是聚合物膜的形式。該聚合物膜不僅有助于將所 述組件和所述基體結合起來而且可以用于其它目的。例如，該聚合物膜 可以作為金屬的防潮層和/或提高金屬的耐化學性。這種聚合物膜可以包 括低密度或高密度的聚乙烯、PVC (聚氯乙烯)和聚丙烯。 一種適合的聚合物膜是以商標TRENCHCOAT LG出售的膜。本申請人也出售商標為AQUAPLATEtm的PVC涂覆鋼板制品，可用于水工基礎結構制件。在一種形式中，將所述聚合物組件澆鑄于基體表面上，其中該基體 表面被加工為具有一定的外形。該外形可以有多種形式，并且可以包括 加強結構，例如波紋、筋等，用于提高所述基體的結構性能。作為一種 替代方式或附加方式，可以將所述表面加工為具有一定外形，為基體表 面和組件之間的界面提供曲折路徑以限制水經所述界面滲漏，從而改善 所述基體表面和所述聚合物組件之間的流體密封。此外，作為一種替代 方式或附加方式，所述基體表面的外形還可以通過機械干涉來增強所述 組件和所述基體表面之間的連接，其中，所述機械干涉能夠有效地將那 兩部分連接起來。通過在壓力作用下將聚合物材料注入澆鑄模具和/或通過在澆鑄組 件之后冷卻時控制該聚合物組件在所述基體表面上的收縮，可以改善阻 止流體經界面滲漏的物理障礙的設置情況和/或機械干涉的建立情況。在一種形式中，制件用于水工基礎結構并且基體是具有封閉截面的 管子。在特定的形式中，所述管子至少包括在該管子相對的兩端之間延 伸的一根外表面筋。申請人制造和出售的商標為HYDRORIBtm的管子就 是由具有TRENCHCOAT LG膜的鋼而形成的這種管子。在一種形式中，在所述管子上澆鑄所述組件，從而形成所述管子用 的接頭。在一種形式中，在所述管子的一端形成所述接頭。或者，可以 在該管子的中間部分形成所述接頭，可提供所述管子的分支接頭。應了解，因為在該基體表面上澆鑄該聚合物組件，所以在所述組件 的成型中存在很大的靈活性。此外，在一種形式中，可以澆鑄該組件形 成為最終形狀，在另一配置中，可以澆鑄該組件成為預成型件，后續再 進行處理(例如銑削加工)而使該組件形成為它的最終形狀。


下面參照

本發明的實施例。應理解的是，這些附圖和說明 是用于理解本發明而不是對之前關于本發明的說明進行限制。附圖中圖1A、 1B和1C是水工基礎結構中使用的包含聚合物組件的各種管 接頭的示意圖；圖2是管子的分支接頭的示意圖；圖3是包含了聚合物基接頭的貯水池的示意剖視圖；圖4是與基體部件的一端連接的澆注裝置的示意側視圖；圖5是圖4所示澆注裝置的端視圖；圖6是與基體部件連接的澆注裝置的示意剖視圖，該基體部件為外 表面帶筋的結構；圖7是圖6所示視圖的變化形式，此處該基體部件帶波紋；圖8是分解圖形式的圖1C所示管接頭的一種變化形式；圖9是圖8所示管接頭的組裝圖；以及圖IO是圖8所示管接頭的剖視圖。
具體實施方式
圖1A 圖1C表示了用于連接第一管子100和第二管子200的各種接 頭10、 20和30。這些接頭包括了澆鑄在管子端部的聚合物組件，下面更 詳細地說明。在該圖示形式中，由具有抗腐蝕涂層的鋼板形成管子100和管子 200。此外，可以將鋼板加工為包括加強結構的外形，從而增加管子的強 度。這些加強結構可以是加強筋或/和波紋等。此外，可以用聚合物材料 涂敷管子100和管子200。這種聚合物材料可以是提供金屬板防潮和/或 提高金屬板耐化學性的膜的形式。這些聚合物膜可以包括低濃度或高濃 度的聚乙烯、PVC和聚丙烯。此外，該聚合物膜可以使各聚合物組件與 各自的管子之間的結合更便利。申請人出售的商標為HYDRORIB的管子就是由鋼帶形成的管子的 一個例子，其中的鋼帶包括沿管子呈螺旋形延伸的外表面筋。該管子包 括LD聚乙烯膜涂層，該涂層以商標TRENCHCOATTMLG出售，并且該 管子通過螺旋巻繞鋼帶工藝而形成。管子100和管子200按照端到端的關系排列并通過接頭10、 20和 30以水密封方式連接，從而可以在無限長度上輸送水。由管子100和管 子200提供的基礎結構可以是壓力級的，從而供給城鎮用水或灌溉用水， 或者可以是非壓力級的，用于諸如涵洞管道或者排雨水等場合。通過接 頭10、 20或30形成的密封效果很大程度上決定了管子的壓力級別。在圖1A所示的實施例中，接頭IO包含了在第一管子IOO端部形成 的第一聚合物接頭11和在另一個管子200端部形成的第二聚合物接頭 12。將這些接頭彼此相鄰地排列，從而在管子100和管子200之間形成 對接。可以在接頭外配置夾緊件(圖未示)將它們保持在適當的位置上。在圖1B所示的實施例中，在管端101上形成第一接頭21，而在第 二管子200的端部201上形成第二接頭22。每個接頭在其外端面包括法 蘭23、 24，并且在接頭連接時這些法蘭被排列成對接在一起。盡管沒有 圖示，但一般來說緊固件(圖未示)，例如螺母和螺栓，延伸穿過法蘭23 和24而將管子聯接在一起。在圖1C所示的實施例中，接頭30為承插型接頭(bell and spigot type),包括鐘形物31和套管32，其中，在管子100的末端上形成鐘形 物31，并且在另一個管子200的末端上形成套管32。把套管32定位在 鐘形物31的空腔33內就將管子100和管子200連接在一起，并且實現 它們之間的密封。圖1A 1C的實施例表示了理論上用聚合物組件形成的常規接頭類 型。正如本領域技術人員應了解的，為了提供水密封接頭，可能還必須 使用諸如"O"形圈密封或壓力密封。在圖8 圖10中顯示了這種配置的例 子。在圖8~圖IO所示的實施例中，第一接頭件50'(鐘形物)被配置在管 子100的末端上并形成凹形組件，而另一個接頭元件51"(套管)被配置在 另一個管子200的末端上并形成插入組件。壓力密封52"被配置在插入組 件51"上，并被設計成與凹形組件50'的內表面53'配合。將壓力密封部分 地放入到插入組件51"的外表面中形成的凹進處54"。通過將插入組件51"定位在凹形組件50'的孔53'內，就形成水密封接頭。壓力密封52"形成防水密封，并被設計成隨著管子內部壓力增加而向內移動，與接頭元件50'和51"更緊密地接合，因此不僅增加了密封性能，而且防止了管子的意外脫扣。這樣，不需要任何獨立的夾緊件來保持管子100和管子200在長度上沿軸向對齊。除在接頭元件之間形成的密封之外，接頭的防水效果在某種程度上 取決于各聚合物組件和基體管子之間的界面。下面更詳細地說明在這兩 部分之間的這種防水界面的提供情況。圖2表示用于基體管子100的另一種接頭40。在該實施例中，接頭 40用于提供管子100的分支管路并形成于管子100兩端101、102的中間 部位。在該圖示形式中，接頭40形成從管子表面凸出的聚合物凸緣41。 凸緣41限定了中心腔42，其中設有孔104,該孔104位于管壁的下面。 根據這種配置，在端部具有相配接頭的第二管子可以在接頭40處與管子 100相連接。盡管在一種形式中可以離線形成接頭40,但在另一配置中，可能需 要在現場將該接頭安裝到已鋪設好的管子上。在這樣的配置中，現場在 管壁上澆鑄聚合物組件41并在管子內開出孔104。圖3表示另一種水工基礎結構產品，即貯水池300。在圖3的實施 例中，It水池300具有圓柱壁301，該圓柱壁301由具有一定外形的金屬 帶制成。此外，該金屬帶可以是具有抗腐蝕金屬涂層的鋼板，也可以具 有聚合物涂層。申請人出售的商標為AQUAPLATETM的產品即是一個合 適的PVC涂布鋼帶的例子。鋼帶可以被加工成具有波紋或筋的外形，并 且lt水池壁可以螺旋巻繞鋼帶而制成或由更常規的結構制成，通過以一 個疊置在另一個的頂部上的形式配置多個圓柱板元件從而做成該貯水池 壁。在圖3的實施例中，該貯水池具有聚合物組件55，該聚合物組件55 是在貯水池壁302底部上的鑄件。該聚合物組件形成貯水池300的底部 組件303的一部分。在以上說明的各實施例中，聚合物組件是直接澆鑄在產品部件100、 200或300上的鑄件。圖4~圖7更詳細地說明這種澆鑄工藝。首先參照圖4和圖5，為了在基體部件400上澆鑄該聚合物組件， 準備澆注裝置500，它包括夾持基體部件400的模具殼501和502。模具 殼501和502分別具有模具內壁503和504，當這些模具殼夾緊產品部件 400時，模具內壁503和504與基體部件400的外表面401 —起形成封閉 型腔505，能夠將聚合物材料引入該型腔505中。澆鑄裝置500還包括將聚合物材料引入模具型腔505中的供料組件 506。該供料組件一般是擠壓機/注射器系統的形式，即在相對低壓(典型 的壓力為210kPa 480 kPa)下以液體形式引入聚合物材料，從而使基體 部件400不變形。此外，可以使用單條或多條注入路徑，以組合單個或 多個聚合物或其他模壓材料的特性，從而產生對物理性能有影響的同質 或異質的結構并獲得最終澆鑄組件的經濟效果。一般來說，注入的聚合物材料可以為與聚烯烴、乙烯-醋酸乙烯酯共 聚物、聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、尼龍和相關共混物相關的樹脂。 這些聚合物材料還包括作為附加物或替換物的與橡膠相關的化合物，并 且可以通過加入陶瓷或玻璃珠、定向纖維和/或由金屬件用的聚合物制造 的固體插入物來加強這些聚合物材料。本領域技術人員應該了解，在不 脫離本發明范圍的情況下，該聚合物材料的組成可以變化。為了控制澆鑄工藝的操作參數，可以加熱基體部件400和/或模具殼 501和502，從而改善特定的聚合物流動特性。 一般來說，通過模具加熱 裝置507來完成加熱。此外，可以選擇性地冷卻(通過裝置508)這些部件， 從而控制材料的流動和已澆鑄組件的收縮。在一種形式中，經過一段時 間， 一般少于15分鐘，模具和/或管子就冷卻至室溫。此外，通過快速 冷卻接合區域內的聚合物材料而使模具和基體表面之間可以形成流體密 封。也可以使用接合處的密封墊來提供另一種流體密封。此外，可以在設計配方時或在聚合物注入模具時，將氣體和/或其它 化學起泡劑加入聚合物材料，用于增加模具內的壓力，從而使聚合物材 料充滿整個型腔，還用于控制澆鑄部分的收縮和/或特定的聚合物和模具 型腔的填充特性。圖6和圖7示意地表示在圖6所示的實施例中顯示的模具500，在圖6中，模具500與外表面帶筋的光孔鋼管連接，而在圖7中，基體部件400是波紋管。由于是將聚合物組件11直接澆鑄在基體表面401上，所以就可以使 該組件精確獲得所述表面形狀，從而該組件基本上沿著這兩個部分之間 的整個界面與所述表面密切地接觸。這樣就顯著提高了界面或這兩部分 之間的連接效果從而防止水滲漏。在一種形式中，通過選擇適當的材料，可以獲得聚合物組件和基體 部件之間的牢固結合。在另一形式中，聚合物材料可以直接粘合到金屬 表面上。或者，可以使用諸如上述的那些聚合物材料涂層預涂布管子， 從而使該涂層與組件的聚合物材料結合。在這樣的配置中，加熱涂層使 其變粘從而有助于在部件和組件之間形成粘合。 一般來說，將涂層加熱 至90° 180°，更優選約130°。此外，如果基體部件400具有被加工成一定外形的外表面，如在圖 6和圖7中所示，那么在所述表面上澆鑄聚合物組件之后，再設置機械干 涉， 一方面可以增加連接強度，另一方面可以產生有助于防止水經這兩 部分的界面而滲漏的曲折路徑。可以通過聚合物組件在澆鑄之后冷卻期 間的收縮來增強該機械干涉。通過在基體部件上澆鑄聚合物組件，在澆鑄該組件之后，可以不需 要或者顯著降低該組件再成型的需求。然而，應了解，如果需要復雜的 形狀，那么可能需要某些后續成型。然而，在許多情形下是不需要后續 成型的。這就不僅簡化了組件成型工藝和所需設備，而且提供了可以現 場澆鑄組件的配置。這對需要安裝水道或管子的新部件和/或需要形成新 連接的水工基礎結構特別有利。在本發明所附的權利要求和上述說明中，除非根據明確語義或必然 含義而在上下文有要求，否則，單詞"包括"及其類似用語如"包含" 或"具有"等都用作包括的含義，也就是說，在本發明的各個實施例中，用來表示存在所述特征，但不排除其它特征的存在或加入。在不背離本發明的精神或范圍的前提下，可以改變或修改上述各個 部分。
權利要求
1.一種在基體上形成聚合物組件的方法，該方法包括如下步驟準備具有內表面的敞口模具；將所述模具放置在所述基體的表面上，從而借助所述模具內表面和所述基體表面形成封閉型腔；將流體聚合物材料引入所述封閉型腔；以及提供使所述聚合物材料硬化的適當條件，從而在所述基體上形成作為鑄件的所述聚合物組件。
2. 根據權利要求1所述的方法，還包括如下步驟 控制將所述流體聚合物材料引入所述型腔的壓力，使其低于第一閾值；隨后增加所述型腔內所述流體聚合物材料的壓力，使其超過所述 第一閾值。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中，通過使所述聚合物材料膨脹 來增加所述型腔內所述聚合物材料的壓力。
4. 根據權利要求2或3所述的方法，其中，所述第一閾值為200 kPa ~ 500 kPa。
5. 根據權利要求2 4之一所述的方法，其中，通過將化學起泡劑引 入所述型腔來增加所述型腔內的所述流體聚合物材料的壓力。
6. 根據前述權利要求之一所述的方法，其中，所形成的聚合物組件 具有外層和內芯，且所述外層比所述內芯更致密。
7. 根據前述權利要求之一所述的方法，還包括如下步驟使所述流 體聚合物材料與所述基體表面相結合。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中，所述基體表面是聚合物表面， 并且所述方法還包括如下步驟加熱所述基體表面，使所述基體表面和 所述聚合物組件之間相粘合。
9. 根據權利要求8所述的方法，其中，預熱所述基體從而加熱所述 基體表面。
10. 根據權利要求8或9所述的方法，其中，在升溫后將所述流體 聚合物材料引入所述型腔從而加熱所述基體表面。
11. 根據權利要求8 10之一所述的方法，其中，加熱所述基體而使 所述聚合物表面變粘。
12. 根據權利要求8 11之一所述的方法，其中，所述基體包括基層 和聚合物膜，所述聚合物膜被施加到所述基層而形成所述聚合物基體表 面。
13. 根據前述權利要求之一所述的方法，其中，至少部分所述基體 用金屬制成。
14. 根據權利要求13引用權利要求12時所述的方法，其中，所述 金屬形成所述基體基層。
15. 根據前述權利要求之一所述的方法，還包括如下步驟通過使 所述模具和所述基體表面之間的結合區域內的流體聚合物材料快速硬化，使所述模具和所述基體之間形成流體密封。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中，通過加快所述模具和所述 基體表面之間的所述結合區域內的流體聚合物材料的冷卻速度而使所述 聚合物材料快速硬化。
17. 根據權利要求1 14之一所述的方法，其中，將密封墊配置在所 述模具和所述基體表面之間而使其間形成流體密封。
18. 根據前述權利要求之一所述的方法，其中，在所述基體上將所述聚合物組件澆鑄成它的最終形狀。
19. 根據權利要求1 18之一所述的方法，其中，在所述基體上將所述聚合物組件澆鑄成預成型件，且所述方法還包括如下步驟將所述預成型件經后續成型而形成它的最終形狀。
20. 根據前述權利要求之一所述的方法，其中，所述基體表面被加工成具有一定的外形，使得在所述聚合物組件和所述基體表面之間的界 面是曲折的。
21. —種復合材料制件，其包括基體和澆鑄在所述基體表面上的聚合物組件。
22. 根據權利要求21所述的制件，其根據權利要求1~20之一所述 的方法制成。
全文摘要
本發明提供一種形成聚合物組件的方法，其用于在基體(100、200和400)上形成聚合物組件(41、50、51和55)，該方法包括如下步驟準備具有內表面(503，504)的敞口模具(501，502)；將該模具放置于所述基體(400)的表面上(401)，通過所述模具內表面和所述基體表面形成封閉的型腔；將流體聚合物材料引入該封閉型腔，然后使該流體聚合物材料硬化，從而在基體上形成作為鑄件的所述聚合物組件。
文檔編號B29C41/00GK101336154SQ200680051849
公開日2008年12月31日 申請日期2006年12月28日 優先權日2005年12月29日
發明者尼爾·埃德溫·華萊士 申請人:藍野鋼鐵有限公司