具有包覆成型刚性部分的弹性柔性复合制品的制作方法

优先权声明

本申请要求2019年1月10日提交的代理人案卷号为12019005的美国临时申请系列号62/790,974的优先权权益，该文通过引用全文纳入本文。

发明领域

本发明涉及纤维增强聚合物复合制品，并且具体涉及弹性柔性纤维增强聚合物复合制品，并且刚性热塑性塑料包覆成型到其部分上。

发明背景

在各种市场的许多应用中存在对弹性柔性制品(例如弹簧)的需求。

纤维增强聚合物复合材料是可用于制造弹簧和其他弹性柔性制品的材料之一。尽管纤维增强复合材料相对于更传统的材料(例如金属)具有许多优点，但常规纤维增强复合弹簧仍然存在缺陷。

例如，当常规纤维增强复合弹簧用作工业设备(例如振动输送系统)的部件时，可能需要或希望在常规纤维增强复合弹簧、振动输送系统的其他部件或设备以及用于将常规纤维增强复合弹簧紧固到其他部件或设备的螺栓、螺钉、夹具或其他紧固装置之间的连接点或接触点处使用单独的垫圈(washer)、垫片(gasket)或其他增强和/或密封部件。在组织常规纤维增强复合弹簧与其他部件或设备时，该增强和/或密封零件可以作为单独零件提供。然而，这么做可能效率非常低。该增强和/或密封零件可以作为单独零件提供，然后固定到常规纤维增强复合弹簧上，作为在常规纤维增强复合弹簧制造之后且与其他部件或设备组装之前发生的一部分二次加工。但是，该二次加工可能是劳动密集型的、缓慢或在其它方面相对低效的。

发明概述

因此，需要克服传统纤维增强复合弹簧的缺点并提供迄今为止未实现优点的弹性柔性纤维增强聚合物复合制品，例如弹簧。

上述需求通过所公开发明的一个或多个方面能满足。

本发明的一些方面涉及弹性柔性制品，其包括弹性柔性元件、第一刚性元件和第二刚性元件。弹性柔性元件由纤维增强聚合物复合物形成。第一刚性元件由第一热塑性组合物形成，至少部分第一刚性元件通过例如包覆成型工艺结合到弹性柔性元件的第一部分上。类似地，第二刚性元件由第二热塑性组合物形成，至少部分第二刚性元件结合到弹性柔性元件的第二部分上，例如通过包覆成型工艺进行结合。

有利的是，刚性元件可以为接触点或连接点提供整体增强和/或密封，以通过螺栓、螺钉、夹具或其他紧固装置将弹性柔性制品紧固到单独的部件或设备。另外，刚性元件可以对弹性柔性制品在预期使用条件下不会挠曲、弯曲或以其他方式变形的部分进行稳定，同时允许弹性柔性制品在预期使用条件下会挠曲、弯曲或以其它方式变形的其它部分进行挠曲、弯曲或以其他方式变形。

参考以下实施方式，本发明的特征将变得明显。所公开发明的上述各方面所提到的特征存在多种变形。附加特征也可以纳入所公开发明的上述方面中。这些变形和附加特征可单独存在，也可以任何组合的形成存在。例如，本发明所述任一方面所涉及的下文所讨论的各种特征可单独地或以任意组合形式结合到本发明所述的任一方面中。

附图说明

图1是所公开发明的第一示例性实施方式的弹性柔性制品的侧视图。

图2是所公开发明的第一示例性实施方式的弹性柔性制品的俯视图。

图3是所公开发明的第二示例性实施方式的弹性销柔性制品的侧视图。

具体实施方式

本发明的多个方面涉及弹性柔性制品。以下描述本发明的这些和其他实施方式的必需的和任选的特征。

如本文所用，与纤维相关的术语“纵横比”是指纤维长度与纤维外径之比。

如本文所用，与相对于刚性元件和弹性柔性元件相关的术语“结合”是指刚性元件通过化学结合和/或机械互锁结合固定至弹性柔性元件而无需粘合剂，例如，其可以通过包覆成型工艺实现，。

如本文所用，术语“连续纤维”是指长度至少基本等于由包含该纤维的纤维增强聚合物复合物形成的制品或部件的至少一个尺寸并沿其连续的纤维。应当理解，“连续纤维”在字面上并不是指长度无限的纤维。通常，连续纤维的纵横比相对高，例如，大于800，或者大于1000。

如本文所用，术语“连续纤维增强聚合物复合物”是指包含至少一种连续纤维的纤维增强聚合物复合物。在一些实施方式中，连续纤维增强聚合物复合物包含多根连续纤维，其中，在一些实施方式中，连续纤维相对于彼此单向取向(即沿共同方向对齐)。连续纤维增强聚合物复合物可以使用拉挤成型工艺来制备，该拉挤成型工艺包括拉动连续纤维丝束通过树脂熔体，进行冷却以提供派彩、带材和其它形状，随后切成限定长度。

如本文所用，与制品或制品零件和材料相关的术语“由……形成”是指制品或零件由材料制备、模塑、成型、或以其他方式制成。术语“由……形成”是指制品和零件可包含所述材料、基本由所述材料组成，或由所述材料组成。

如本文所用，在一些实施方式中，术语“不含”某一成分或物质是指该组分或物质的量不是以故意方式存在的，并且在其它实施方式中，该术语是指不存在该成分或物质的功能有效量，并且在其它实施方式中，该术语是指该组分或物质的量不存在。

如本文所用，与制品或零件相关的术语“弹性柔性”是指制品或邻近能够在力(例如，压缩、拉伸、扭力、弯曲或剪切中至少一种)的作用下多次重复变形后恢复其原始形状或位置，而制品或部件的初始弹簧常数不会显著降低。

如本文所用，与零件和形成零件的材料相关的术语“刚性”是指当根据astmd747、d790、d638或d882测试时，23℃、50％相对湿度下，零件和材料的(挠曲或拉伸)弹性模量大于700mpa(约100kpsi)。

弹性柔性复合制品

本发明的一些方面涉及弹性柔性制品，其包括弹性柔性元件、第一刚性元件和第二刚性元件。

根据本发明，弹性柔性元件由纤维增强聚合物复合物形成；第一刚性元件由第一热塑性组合物形成，并且至少部分第一刚性元件结合至弹性柔性元件的第一部分上，例如，通过包覆成型工艺进行结合；并且第二刚性元件由第二热塑性组合物形成，并且至少部分第二刚性元件结合至弹性柔性元件的第二部分上，例如，通过包覆成型工艺进行结合。

有利的是，刚性元件可以为接触点或连接点提供整体增强和/或密封，以通过螺栓、螺钉、夹具或其他紧固装置将弹性柔性制品紧固到单独的部件或设备。因此，可以消除连接点处单独或第二垫圈、垫片或其它增强或密封零件的需求。

另外，刚性元件可以对弹性柔性制品在预期使用条件下不会挠曲、弯曲或以其他方式变形的部分进行稳定，同时允许弹性柔性制品在预期使用条件下会挠曲、弯曲或以其它方式变形的其它部分进行挠曲、弯曲或以其他方式变形。由此，刚性元件可以用于控制或引导弹性柔性制品中的预期挠曲、弯曲或其它变形。

在一些实施方式中，弹性柔性制品能够在除弹性柔性制品第一部分和第二部分之外的一个或多个部分处进行弹性挠曲。

在一些实施方式中，弹性柔性制品能够在预期使用条件下在压缩、拉伸、扭力、弯曲和剪切中的至少一种作用下进行弹性挠曲。

弹性柔性元件

根据本发明，弹性柔性元件由纤维增强聚合物复合物形成。

在一些实施方式中，纤维增强聚合物复合物包含设置在聚合物基质中的多根连续纤维。也就是说，在一些实施方式中，纤维增强聚合物复合物是连续纤维增强聚合物复合物。

连续纤维增强聚合物复合物见述于可获得的参考文献，例如，f.c.campbell，structuralcompositematerials(结构复合材料)(asminternational2010)，和p.k.mallick，fiber-reinforcedcomposites:materials,manufacturing,anddesign(纤维增强复合物：材料、制造和设计)(第三版，crc出版社，2007)，所述文献各自通过引用以其全文纳入本文。

通常，在连续纤维增强聚合物复合物中，纤维的取向可以是单向(即，一个方向)、双向(即两个方向)、或多向(即，超过两个方向)。

在一些实施方式中，多根连续纤维包括连续纤维。合适的连续纤维可以选自常规市售可购得的连续纤维，本领域技术人员无需过多实验。非限制性示例包括芳族聚酰胺纤维、碳纤维、聚酰胺纤维、聚酯纤维以及它们的组合等。例如，在一些实施方式中，使用玻璃纤维。

在一些实施方式中，聚合物基质包括热固性聚合物树脂。合适的热固性树脂可以选自常规市售可购得的热固性树脂，本领域技术人员无需过多实验。非限制性示例包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚氨酯、乙烯基酯等。例如，在某些实施方式中，使用环氧树脂。

在一些实施方式中，聚合物基质包括热塑性聚合物树脂。合适热塑性树脂可以选自常规市售可购得的热塑性树脂，本领域技术人员无需过多实验。非限制性示例包括聚酯，例如，聚对苯二甲酸丁二酯(pbt)和聚对苯二甲酸乙二酯(pet)；聚烯烃，例如，聚丙烯；聚酰胺；聚氨酯；和本领域技术人员无需过多实验即可选择的其它热塑性树脂。

在一些实施方式中，聚合物基质还包含一种或多种添加剂。合适的添加剂可以选自常规市售可购得的塑料添加剂，本领域技术人员无需过多实验。合适的添加剂见述于可获得的参考文献，例如e.w.flick，“plasticsadditivesdatabase”(塑料添加剂数据库)，plasticsdesignlibrary(塑料设计库)(elsevier2004)。对于聚合物基质，可以以足以获得所需加工特性或性能特性的任意量使用添加剂。该量不应造成添加剂的浪费，也不应对聚合物基质和/或纤维增强聚合物复合物的加工或性能不利。

通常，连续制造工艺(例如，拉挤成型)可以用于制造连续纤维增强聚合物复合物。合适的连续制造工艺(例如拉挤成型工艺)见述于可获得的参考文献，例如，sureshg.advani和kuang-tinghsiao(编辑)，manufacturingtechniquesforpolymermatrixcomposites(pmcs)(《聚合物基复合材料(pmc)的制造技术》)(伍德黑德出版公司(woodheadpublishing)2012)；guneriakovali(编辑)，handbookofcompositefabrication(《复合材料制造手册》)(rapra技术2001)；raymondw.meyer，handbookofpultrusiontechnology(《拉挤成型技术手册》)(chapmanandhall1985)；stpeters(编辑)，handbookofcomposites(《复合材料手册》)第二版(斯普林格科学商务公司(springerscience+businessmedia)1998)和trevorf.starr(编辑)，pultrusionforengineers(《工程的拉挤成型》)(crc出版社2000)，所述文献各自通过引用全文纳入本文。

在一些实施方式中，纤维增强聚合物复合物包括第一层，所述第一层包含设置在第一聚合物基质中的第一多根单向取向连续纤维。在其它实施方式中，纤维增强聚合物复合物还包括第二层，所述第二层包含设置在第二聚合物基质中的第二多根单向取向连续纤维。

在一些实施方式中，第一层具有由第一多根单取向连续纤维的第一方向限定的第一取向，第二层具有由第二多根单取向连续纤维的第二方向限定的第二取向，并且第一取向是0°，并且第二取向为相对于第一取向的从45°至90°或从-45°至-90°的任何度数。

在一些实施方式中，纤维增强聚合物复合物还包含一层或多层附加层，所述一层或多层附加层各自含有设置在聚合物基质中的多根单向取向连续纤维，并且一层或多层附加层各自具有由多根单向取向连续纤维的方向限定的取向，并且，所述取向是相对于第一取向的从0°至90°或从0°至-90°的任何度数。

在第一层、第二层和一层或多层附加层的各层中，纤维和聚合物基质可以见述于上文。此外，第一层、第二层和一层或多层附加层的各层中的纤维和聚合物基质可以与各其它层中的纤维和聚合物基质相同或不同。

适用于形成所公开发明的弹性柔性元件的市售连续纤维增强聚合物复合物的非限制性示例包括可从普利万公司(polyonecorporation)通过其先进复合材料(advancedcomposites)业务购得的那些，包括但不限于：gordoncomposites品牌下的热固性复合材料和polystrand品牌下的热塑性复合材料。

刚性元件

根据本发明，各刚性元件由热塑性组合物形成，至少部分刚性元件在结合界面处结合到弹性柔性元件的相应部分上，例如，通过包覆成型工艺进行结合，所述结合界面不含粘合剂。

例如，在一些实施方式中，第一刚性元件由第一热塑性组合物形成，并且至少部分第一刚性元件在第一结合界面处结合至弹性柔性元件的第一部分上，例如，通过包覆成型工艺进行结合，所述第一结合界面不含粘合剂；并且第二刚性元件由第二热塑性组合物形成，并且至少部分第二刚性元件在第二界面处结合至弹性柔性元件的第二部分上，例如，通过包覆成型工艺进行结合，所述第二结合界面不含粘合剂。

通常，各热塑性组合物包含热塑性树脂和任选地一种或多种添加剂。

合适的热塑性树脂可以选自常规市售可购得的热塑性树脂以兼容包覆成型至弹性柔性元件上的目的，本领域技术人员无需过多实验。非限制性示例包括聚酰胺；聚酯，例如，聚对苯二甲酸丁二酯(pbt)和聚对苯二甲酸乙二酯(pet)；聚烯烃，例如，聚乙烯和聚丙烯；聚氨酯；聚碳酸酯(pc)；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)；碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(pc/abs)、苯乙-丙烯腈(san)；等。

合适的添加剂可以选自常规市售可购得的塑料添加剂，本领域技术人员无需过多实验。合适的添加剂见述于可获得的参考文献，例如e.w.flick，“plasticsadditivesdatabase”(塑料添加剂数据库)，plasticsdesignlibrary(塑料设计库)(elsevier2004)。对于聚合物基质，可以以足以获得所需加工特性或性能特性的任意量使用添加剂。该量不应造成添加剂的浪费，也不应对热塑性组合物和/或刚性元件的加工或性能不利。任选的添加剂的非限制性示例包括：粘合促进剂；抗雾化剂；抗氧化剂；抗静电剂；杀生物剂(抗菌剂、杀真菌剂和防霉剂)；着色剂，包括颜料和染料；偶联剂；分散剂；填料和增量剂；阻燃剂和烟雾抑制剂；硬度调节剂；抗冲改性剂；引发剂；润滑剂；云母；脱模剂；油和增塑剂；加工助剂；增强剂，例如纤维；第二聚合物；硅烷类、钛酸盐/酯和锆酸盐/酯；滑爽剂和抗粘连剂；稳定剂；硬脂酸酯/盐；紫外线吸收剂；粘度调节剂；和蜡。

在一些实施方式中，各刚性元件通过包覆成型工艺获得的化学结合而结合至或以其它方式固定至弹性柔性元件而无需粘合剂。

在一些实施方式中，各刚性元件通过包覆成型工艺获得的机械接口结合(echanicalinterfacingbonding)而结合至或以其它方式固定至弹性柔性元件而无需粘合剂。

在一些实施方式中，各刚性元件具有厚度，并且各刚性元件的厚度大于柔性元件的厚度。例如，在一些实施方式中，第一刚性元件、第二刚性元件和柔性元件各自具有厚度，并且第一刚性元件和第二刚性元件的厚度各自大于柔性元件厚度。

在一些实施方式中，各刚性元件具有厚度，并且各刚性元件的厚度小于柔性元件的厚度。例如，在一些实施方式中，第一刚性元件、第二刚性元件和柔性元件各自具有厚度，并且第一刚性元件和第二刚性元件的厚度各自小于柔性元件厚度。

示例性实施方式

参见图1-2，描述了根据所公开发明的弹性柔性制品100的第一示例性实施方式。弹性柔性制品包括弹性柔性元件101、第一刚性元件102a和第二刚性元件102b，如图1-2所示。

如图1-2所示，弹性柔性元件101是基材平坦的细长体，其具有近端部分(proximateportion)101a、远端部分(distalportion)101b、以及近端部分101a和远端部分101b之间的中间部分101c。第一刚性元件102a结合至近端部分101a上，例如通过包覆成型工艺结合，并且第二刚性元件结合至远端部分101b上，例如，通过包覆成型工艺结合。

如图2所示，弹性柔性元件101的基本平坦的细长体具有纵轴l，并且近端部分101a、远端部分101b和中间部分101c各自具有沿纵轴l的尺寸。另外，如图2所示，中间部分101c的沿纵轴l的尺寸大于近端部分101a和远端部分101b各自沿纵轴l的尺寸。实际上，如图2所示，中间部分101c的沿纵轴l的尺寸是近端部分101a和远端部分101b各自沿纵轴l的尺寸的至少两倍。

如图1-2所示，第一刚性元件102a、第二刚性元件102b、近端部分101a和远端部分101b各自具有外边缘，并且第一刚性元件102a的外边缘与近端部分101a的外边缘基本齐平，第二刚性部分102b的外边缘与远端部分101b的外边缘基本齐平。

另外，如图2所示，至少一个第一刚性元件102a包括至少一个孔103a-1、103a-2，并且第二刚性元件102b包括至少一个孔103b-1、103b-2。各孔103a-1、103a-2和103b-1、103b-2至少穿过刚性元件的厚度，并且任选地穿过弹性柔性元件的厚度。

参见图3，描述了根据所公开发明的弹性柔性制品200的第二示例性实施方式。

如图3所示，弹性柔性制品200包括弹性柔性元件201、第一刚性元件202a-1、第二刚性元件202b-1、第三刚性元件202a-2、和第三刚性元件202b-2。

如图3所示，弹性柔性元件201是基材平坦的细长体，其具有近端部分201a、远端部分201b、和近端部分201a和远端部分201b之间的中间部分201c。第一刚性元件202a-1结合至近端部分201a的第一部分上，第二刚性元件202b-1结合至远端部分201b的第一部分上，第三刚性元件202a-2结合至远端部分201a的第一部分上，并且第四刚性元件202b-2结合至远端部分201b的第二部分。

本发明的实用性

根据所公开发明的弹性柔性制品可以用于各种市场的许多应用中。

有益的性质包括相对较低的重量、卓越的强度、深度偏转能力以及高抗疲劳性和抗压性，能够承受数百万甚至数十亿次循环而不会出现疲劳失效。

可能的应用的非限制性示例包括：用于工业振动输送系统的弹簧；用于家具(例如可调节座椅)的弹簧；弓(bow)、弓片(limb)和用于射箭设备和其他户外或运动设备的其他部件；假肢和其他医疗装置；和用于卡车、拖车、铁路、汽车、船舶、大楼(building)、建筑(construction)、存储、加点(construction)等中的门、窗、舱口(hatch)和其他开口/闭合件的活动铰链。

无需过多实验，本领域普通技术人员可以利用所写的说明书来制造和使用本发明的方面。

除非另有说明，否则本发明实施方式中涉及的所有文献通过引用整体结合到本文中。任何文献的引用并不构成承认其是相对本发明的现有技术。

虽然说明并描述了本发明的具体实施方式，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以进行各种其他变化和修改。所附权利要求意在覆盖在本发明范围内所有这样的改变和修改。