包括一层或多层金属层的磨损复合材料的制作方法

优先权

本申请要求2018年3月28日提交的美国临时专利申请第62/649,027号的优先权，其通过引用全文纳入本文。

背景技术：

本发明大致涉及在造纸、卷筒纸转换和其它工业过程工业中的复合刮刀(doctorblade)。

复合刮刀在造纸、卷筒纸转换和加工工业机器中接触辊表面，以进行清洁或除纸。常规复合刮刀材料通常包括增强织物，该增强织物包括在热固性或热塑性树脂基质中的玻璃、碳、棉或芳族聚酰胺纤维。例如，复合刮刀传统上包含通过聚合树脂保持在一起的织物基材，并且基材和树脂的组合提供了高效刮除所需的性质。热固性树脂(例如环氧树脂)往往较难磨损，而高性能热塑性树脂(例如聚苯硫醚(pps))则往往能够经受较高的机器温度，并且不易受化学侵蚀。将斜边加工到聚合物复合材料中，以在刀片尖端处产生有角度的斜面，以帮助清洁辊或除纸。该边缘越锋利、越干净，刮刀的性能越高效。

由不同材料制成的刮刀是已知的。例如，参见美国专利号4,549,933，其描述了一种用于造纸机的刮刀，其由许多层的合成纤维材料和碳纤维组成，而合成纤维层由棉、纸、玻璃纤维或其等同物组成。

在传统的纤维增强复合刮刀中，纤维包括棉、玻璃或碳纤维。将这些纤维分组为纤维束，然后与一半纤维在平行于造纸机的方向(横向机器方向)上织造，与一半纤维在垂直于造纸机的方向(机器方向)上织造。大多数织造织物在两个方向上具有相同的材料。然后将这些织物浸渍有树脂，并将许多经预浸的织物堆叠起来，随后进行压塑以形成刮刀。不同类型的纤维为刮刀提供了不同的优点和缺点。碳纤维虽然贵，但如果将碳纤维沿一个方向放置，则可提供出色的耐磨性和高强度。玻璃纤维可以为辊表面提供非常良好的清洁。棉纤维将以经济的成本在某些应用中提供可接受的性能。

但是，造纸体系中仍然需要磨损部件(如，刮刀)，以提供改进的耐磨性和对辊表面的高效处理。

技术实现要素：

根据一个实施方式，本发明提供了用于与造纸机中辊表面接触的磨损元件。所述磨损元件包括至少两层结构材料层和至少一层非实心金属材料层，其中，所述非实心金属材料包括用于接触辊表面的前缘。

根据本发明的另一实施方式，本发明提供了用于与造纸机中辊表面接触的磨损元件，并且所述磨损元件包括：至少两层结构材料层和至少一层柔性金属材料层，其中，所述柔性金属材料包括用于接触辊表面的耐磨边缘。

根据另一实施方式，本发明提供了清洁造纸系统中辊表面的方法。所述方法包括如下步骤：提供刮刀，所述刮刀包括至少两层结构材料层和至少一层非实心金属材料层，其中，所述非实心金属材料包括用于接触辊的非均质边缘；以及向造纸机中的辊表面施加刮刀。

附图说明

将参照附图对以下说明进行进一步理解，其中：

图1显示根据本发明的一个实施方式的体系的说明性示意图；

图2显示图1的磨损元件磨损后，图1体系的说明性示意图；

图3显示在刮刀刀架体系中图1体系的说明性示意侧视图；

图4显示了图3体系的说明性等距示意图，还显示了震荡装置；

图5显示根据本发明的一个实施方式的刮刀的说明性等距示意图；

图6显示根据本发明另一实施方式的刮刀的说明性等距分解示意图；

图7显示根据本发明另一实施方式的刮刀的说明性等距示意图；

图8显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括膨胀型金属箔；

图9显示包括图8的膨胀型金属箔的刮刀的说明性截面示意图；

图10显示包括图8的膨胀型金属箔的刮刀的说明性等距示意图；

图11显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括冲压晶格金属材料(stampedlatticemetalmaterial)；

图12显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括多层图11的冲压晶格金属材料层；

图13a–13d显示了在不同磨损阶段时图11的冲压晶格金属材料的说明性等距示意图；

图14显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括卷曲织造金属材料；

图15显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括带状织造金属材料；

图16显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括具有图案化开口的金属材料；

图17显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括膨胀且褶皱的金属箔；和

图18显示根据本发明一实施方式的刮刀的说明性等距示意图，所述刮刀包括含有未图案化金属毡的金属材料。

所示附图仅用于说明目的。

发明详述

本发明提供了一种由与金属网状物结合的纤维增强复合材料制成的新型复合磨损部件(例如，刮刀)，用于改善清洁效果。本发明还可在用于热塑性树脂和热固性树脂的树脂中包括纳米颗粒，特别是球形二氧化硅纳米颗粒和多壁碳纳米管。工业上特别需要一种侵袭性清洁复合材料刮刀，其能够在重度污染(并且因此发生问题)的许多使用再生纤维作为原料的造纸机的早期干燥机上运行并存续。本发明满足了这种需求并提供了针对该工业问题的解决方案。

例如，图1显示了体系10，其包括用于清洁辊14的刮刀12，其中，刮刀12的磨损边缘16用于去除可能粘在辊14上的材料18。随着时间推移，刮刀12可以沿机器方向前进，如20所示，并且在清洁期间，刮刀12可以沿横向机器方向摆动，如22所示。参见图2，刮刀12将会磨损，并且最终着床至辊14中

进一步参见图3和图4，刮刀12的原始斜切边缘16可以以所需角度(例如，垂直于该表面)施加至辊14的表面24上，但是其将会随使用而磨损。刮刀12可以保持在刮刀刀架26中，刮刀刀架26包括顶板28，并且顶板28可以通过在管式托盘34中加载和卸载管30、32来调节位置。管式托盘34可以安装在包括震荡马达36的震荡器40上，并且震荡器40可以安装在刮刀刀背(doctorback)38上。

在其他工业中，金属层已预先结合到纤维增强聚合物基质复合物中，以提供导热层压材料，并在热传递装置和电子部件(例如在电子领域的印刷线路板中)中用作散热器和散热板，并控制热膨胀系数。例如，参见美国专利号4,888,247，其公开了一种导热层压材料，所述导热层压材料包括至少一层金属层和至少一层嵌入其中的具有低热膨胀增强材料的热固性聚合物基质复合材料层。金属层还用于改进由飞机在起飞和降落期间反复对机舱加压和减压引起的飞机机身抗疲劳性。例如，参见美国专利号5,227,216，其公开了一种纤维/金属层压复合材料，所述复合材料包括多层金属层(各10-20密耳厚)，所述金属层用多层纤维层增强，其中，金属层占总层压材料体积的40％至70％。

根据各种实施方式，本发明提供了将金属层结合刮刀以提供增强的辊清洁。传统刮刀是通过将增强织物的几个单独层与聚合树脂结合在一起而制成的。使用热量和压力来固化聚合物树脂，并将各个增强层化学结合在一起。所使用的增强织物通常是玻璃、碳或两者的组合。玻璃织物为刮刀提供清洁和磨料性能，而碳增强材料用于提高刮刀的磨损寿命。取决于特定刮刀的性质和性能要求，使用两者的不同组合。例如，八层200克/平方米(gms)平纹编织玻璃可以粘结在一起以产生厚度为1.5mm的刮刀。还可以包括含有芳族聚酰胺纤维的织物增强材料，以赋予刮刀提高的抗冲击性能。微米尺度的填料也可用于进一步增强树脂并赋予刮刀额外的性能增强，例如，碳化硅和氧化铝可用于赋予刮刀额外的研磨性能。

例如，图5显示了根据本发明实施方式的磨损部件50，其包括夹在顶层52和底层56之间的金属层54。底层56的向内侧可以包括树脂58，并且顶层52的向内侧也可以包括树脂。顶层52可以包括玻璃纤维、碳纤维和芳族聚酰胺纤维的组合的一层或多层，并且底层56可以例如由玻璃纤维形成。树脂58帮助将玻璃纤维层层压在一起，并且其中，金属层54包括开口，树脂渗透开口以进一步粘附层压件50。

例如，图6显示了磨损部件60，其包括玻璃纤维顶层62、碳纤维层64、组合的碳和玻璃纤维层66、金属层68和玻璃纤维层70。此外，层62、64、66和70的向内侧包括有助于将纤维层层压在一起的树脂72、74、76，并且在金属层68包括开口的情况下，树脂渗透开口以进一步粘附层压件60。图7显示了层压在一起的磨损部件60。根据多个实施方式，磨损部件60可以包括多个金属层，所述金属层与纤维层相邻或交替。

根据一个实施方式，本发明包括将薄金属网状物或箔片作为一个或多个层结合到纤维增强复合材料中。所述网状物可以由任意金属制成，例如，不锈钢、铜、或合金。还发现金属网状物层在复合材料中的位置非常重要。所述网状物优选定位成向着复合材料底部、更靠近辊表面。在该位置处，金属层尽早与辊接触，并开始对鼓(drum)的清洁度产生直接影响。可以使用任何类型的金属网状物，但是发现膨胀型金属箔微网格是特别有利的，因为其开放结构能够产生侵袭性清洁边缘。开放结构具有如下协同优势：允许树脂能够渗透穿过开放结构，包封金属绞线，从而形成更好的层间结合，由此改进了所得复合材料的整体性，并使之更好地经受因粘住的材料和其他硬辊污染物所造成的冲击损坏。

图8显示了根据本发明一个实施方式的用作磨损部件中金属层的膨胀型金属箔80。例如，可以通过在箔中提供小狭缝，然后将箔拉伸以使得狭缝扩展，形成大致菱形开口82，由此形成膨胀型金属箔80。该层的不规则边缘84可形成复合刮刀12中的部分前缘16。

膨胀型金属箔不会磨松(fray)或散开，并易于与复杂表面共形，使其非常适合典型的复合材料制造工艺。膨胀型金属箔通过狭缝和拉伸工艺由固体金属箔形成，由此，通过确定开口形式和数量的成型工具同时切口并拉伸材料。绞线尺寸(宽度和厚度)、箔的总厚度和每平方英寸的重量都是可控制的变量。所得到的材料是薄、坚固、柔韧且轻质的。因此，本发明的实施方式涉及将该金属箔网状物结合到复合刮刀中；金属网状物提供了复合刮刀结构中的侵袭性清洁介质。

金属网状物与复合结构的兼容性以及可以对膨胀型网状物的开口面积进行精确定制，以达到特定的重量和尺寸，包括其厚度、开口尺寸和每单位面积的开口数量，使其成为用于独特高性能复合刮刀的理想部件。图9显示了磨损部件60的横截面，其包括玻璃纤维顶层62、碳纤维层64、组合的碳和玻璃纤维层66、金属层68和玻璃纤维层70。如图所示，树脂72、74、76和78(在层66的下侧)流动通过金属层68中的开口82。图10显示所成形的刮刀，其中，部分金属层68暴露于斜切的边缘16处。

箔或网状物的绞线厚度可以在约0.001英寸至约0.030英寸(0.03mm至0.76mm)之间变化。根据各种实施方式，可以使用任意金属，包括铝、铜、镍、不锈钢(例如，430级不锈钢)、银、钛、铁、锡、锆、铍、镁、铅、铌(biobium)、坝塔尔合金(kanthal)、碳钢、锌、黄铜、金、铬镍铁合金(inconel)、磷青铜、以及各种定制合金，并且可以选择特定金属，以提供韧性、刚度、清洁能力和层间粘结的最佳组合，从而制备可行的复合刮刀。

实际上，在各种实施方式中，金属层是非实心的(具有开口)，并且是非刚性的(非常柔性)。例如，材料的柔韧性可以在层压之前的玻璃纤维层、碳纤维层或芳族聚酰胺纤维层中任一的柔韧性的数量级上。因此，各材料(包括金属层)在层压之前都是非刚性的。此外，金属层本身的杨氏模量可以最高达约250gpa(千兆帕斯卡)，并且可以优选地在约100gpa至225gpa之间。因此，金属层本身都由坚固材料制成，但仍是柔软的。

根据某些实施方式，本发明涉及将一种或多种金属箔或网状物结合到复合刮刀中。例如，由于复合刮刀中的纤维相对较弱并且不能清洁辊表面以及金属，因此金属箔的结合提供了改进的清洁。金属还可以通过使用金属纤维或金属丝来结合。纳米颗粒的额外掺入将有助于延长刮刀的刀片寿命，例如，如美国专利号9,551,109所公开的，所述专利的公开内容通过引用全文纳入本文。

刮刀的复合部分可包括玻璃纤维，碳纤维，陶瓷纤维，芳族聚酰胺纤维，金属纤维，无机纤维，有机纤维，高性能热塑性纤维，合成纤维和改性合成纤维。纤维也可以结合在纤维束内以包括两种或更多种不同类型的纤维。该树脂可以由热固性或热塑性树脂体系制成。也可以以各种形式(例如粉末、颗粒、纤维和薄片)包括金属或非金属的纳米颗粒，并且所述金属或非金属的纳米颗粒可以包含在树脂体系中。

金属层可以是箔或网状物或织造材料，其几乎不向磨损部件提供结构支撑，并且设计为与磨损部件的玻璃纤维、碳纤维和/或芳族聚酰胺纤维一起磨损。在某些实施方式中，金属层是非常柔韧的，其厚度仅为约0.0005英寸至约0.050英寸，并且该厚度的一部分由于金属变形(加工)使得部分金属层沿厚度方向延伸。随着金属箔的变形，例如膨胀型金属箔可能导致该z方向的变化。该z方向的变形进一步确保了层压磨损部件的粘附。

图11显示了根据本发明另一个实施方式的使用的冲压箔90，其包括冲压开口92和不规则磨损边缘94。开口具有各种形状，例如菱形、正方形、蜂窝状等，并且图12以100显示了由图11的两个金属层102、104形成的金属部件，各金属层分别包括开口106、108，并包括磨损前缘110。在使用期间，柔性金属层被保持在层压材料内，并且与层压材料一起磨损。图13a-13d显示了金属层90，出于说明目的，其具有开口92和磨损边缘94，其中，由图13a进展至13d，磨损边缘94被磨损掉，暴露出磨损边缘94的不同部分。

参考图14，根据另一实施方式，柔性金属层可以设置为卷曲织造材料140，其中，第一股线142在一个方向上延伸，第二股线144在横向方向上延伸，在织造股线之间留有开口146。磨损边缘148提供了不规则表面。参考图15，根据另一实施方式，柔性金属层可以设置为根据另一实施方式的带状织造材料150，其中，第一带状物152在一个方向上延伸，第二带状物154在横向方向上延伸，在织造的带状物之间留有开口156。磨损边缘158提供了不规则表面。

图16显示了根据另一实施方式的柔性金属层，该柔性金属层设置为具有圆形冲压开口162的材料160，并且由于开口在横向机器方向上彼此偏移而包括不规则的磨损边缘164，从而提供了不规则的表面。

图17显示了柔性金属层，所述柔性金属层由进一步褶皱(如上所述，在z方向上成形)的膨胀型金属箔170形成。具体地，如上文参考图8所述的那样，形成膨胀型金属箔而留下开口172，并且使其进一步褶皱，从而在z方向上的不同位置处提供相邻的部分(如在174、176处所示)。同样，这样的变化可以促进为层压件提供良好粘附力以及促进辊的清洁。图18示出了根据另一实施方式的作为材料180提供的柔性金属层，其形成于压缩成层的非图案化金属线182上，留下了开口184，并且由于不规则压缩线而包括不规则磨损边缘186。

通过广泛的试验，与常规的复合刮刀相比，使用根据本发明的某些实施方式制成的刮刀的清洁辊的结果显示出独特且有利的性能。与使用传统的复合刮刀相比，可以在长时间内持续不断获得改进的清洁效果。这些结果涉及的应用包括干燥机缸、干燥机毛毡辊、帆布辊和中心压力机，并且辊包括球墨铸铁和铸铁。

因此，根据各种实施方式，本发明提供了一种由纤维增强复合材料制成的刮刀，该刮刀片还包括金属网状物或金属纤丝。刮刀可包括玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维或芳族聚酰胺纤维，并且可包括无机纤维、有机纤维、合成纤维或改性合成纤维。刮刀还可以所有可能组合的形式包括如下材料的组合：玻璃纤维和/或碳纤维和/或hpt(高性能热塑性)纤维和/或芳族聚酰胺纤维。树脂可以是热固性树脂，例如，环氧树脂、或高性能热塑性(hpt)树脂，例如但不限于：聚醚醚酮(peek)、聚苯硫醚(pps)、聚醚酰亚胺(pei)、聚邻苯二甲酰胺(ppa)或聚醚酮酮(pekk)等。根据另外的实施方式，刮刀可以包括选自粉末、颗粒、纤维和薄片的纳米颗粒。纳米颗粒可以是金属的，并且选自金属氧化物，碳化物或氮化物，金属络合物，离子结构和共价键。纳米颗粒也可以是非金属的和/或共价的，并且选自粘土颗粒、硅酸盐、陶瓷材料、玻璃颗粒、炭黑、煅制二氧化硅、碳酸钙、球形二氧化硅纳米颗粒、氮化硼、氮化硼纳米管、碳纳米管(包括多壁碳纳米管和单壁碳纳米管)、以及陶瓷粉末纳米球。取决于纳米颗粒的类型，纳米球可以占聚合物树脂的0.5重量％至75重量％。

如上所述，刮刀可以包括由如下物质制备的金属网状物(例如，金属箔网状物)：例如，铝、铜、镍、不锈钢(例如，430级不锈钢)、银、钛、铁、锡、锆、铍、镁、铅、铌(biobium)、坝塔尔合金(kanthal)、碳钢、锌、黄铜、金、铬镍铁合金(inconel)、磷青铜、以及定制合金。膨胀型网状物可以包括范围0.001英寸至0.030英寸/0.03mm至0.76mm的股线厚度。根据另一实施方式，可以在复合结构中结合不止一层网状物材料，并且可以将金属纤维与玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维或芳族聚酰胺纤维结合。

本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对是上述公开的实施方式进行许多修改和改变。

权利要求书见所附。