制造空心复合件的非等温方法

专利名称：制造空心复合件的非等温方法
技术领域：
本发明涉及制造空心复合件领域，特别是空间构架结构或容器，特别涉及制造空间构架结构或容器的改进方法和采用该改进方法制造的复合容器。
背景技术：
用于储存受压力作用的液体和固体并通常为空间构架或管状承载组合件的空心复合结构或压力容器通常由金属如钢或铝制成，以下称之为容器，如加压气罐。但是近年来，复合容器的使用更为普遍。通过各种方法制造这样的容器，包括纤维缠绕(filament winding)、树脂传递模塑(resin transfer moulding)和囊状物辅助模制(bladder-assistedmoulding)。
纤维缠绕技术是在应用于型芯之前用活性树脂浸渍干加强纤维(如玻璃纤维或碳纤维)的方法。还可以使用预浸渍材料。接着将加强纤维和基质的混合物应用于型芯。如果是热固性基质，接着是固化循环，对于热塑基质，要在其应用于型芯之前使聚合体软化(熔化)，其中接着在形成该结构的缠绕材料层之间形成熔融粘结。当用热固塑料缠绕时，通过固化循环制造来空心结构或壳体，该固化循环使材料热固或冷却，接着将其从型芯上卸下而获得部件。
为生产空心结构或容器，树脂传递模塑技术使用型芯和外模具，其中使活性基质树脂混合物注入型芯和外模具之间的空腔内，其中放置有通常由玻璃、碳或凯夫拉尔(Kevlar)构成的加强纤维。接着进行加强纤维的浸渍，使热固聚合体进行交联或热塑单体进行聚合，形成基质聚合体和最终呈壳形或空心的部件。接着去除型芯。
对于热塑基质的囊状物辅助模制技术，使用外模具和内囊状物来形成部件的形状。为了熔化热塑基质并接着浸渍典型的玻璃、碳或凯夫拉尔加强纤维，将热塑性塑料加热到其熔化温度以上，并接着对囊状物施加压力以压实材料。接着必须在压力作用下冷却热塑材料，以便形成硬的壳形或空心复合件。囊状物材料包括橡胶型材料，通常为硅橡胶，用于施加压紧力，由此在施加的内力作用下使囊状物延伸和伸长。另一种可供选择的囊状物包括现场挤喷模制的聚合材料。在施加要求一段时间的压力之前，通常通过加热金属外模具而将热塑基质加热到基质熔化温度以上，此后使模具充分冷却到基质熔化温度以下以便进行固化和结晶。另外，还可以通过使热油流过囊状物或使用囊状物中的嵌入式电热器进行另外或单独的加热，从而在内部加热复合物，因此不需要使模具温度循环。可以在模具中通过导热或电阻加热来加热传导性加强材料，如碳纤维复合物或包含一定比例传导性纤维如碳或钢的复合物。以前已经提出过采用现场挤喷模制来供热，以有助于热塑基质复合物的熔化，但实际上，还需要在基质熔化温度以上或以下进行模具的附加的温度循环。
对于热固型基质的囊状物辅助模制技术，使用外模具和内囊状物来形成部件的形状。加强纤维和活性基质的预浸渍混合物放置在囊状物之上，而具有周围预浸渍材料的囊状物放置在外模具内。模制温度必须足够高以便足以进行热固基质的固化，并在固化后使其冷却而取出部件。还可以通过流过的热液体或嵌入式电加热器来加热囊状物，以便施加供浸渍材料固化所必须的热量。该技术还包括囊状物辅助树脂传递模制，其中在囊状物上设置基本没有基质的加强物，或接着将覆盖有加强物的囊状物放入模具。接着应用活性树脂来浸渍加强纤维，通过囊状物施加内压力，由此辅助浸渍。
这样制造空心结构或容器的技术具有以下众所周知的缺点，特别是在如果需要很短的循环时间的情况(当降低部件的成本时，对于空心复合结构或容器的许多应用都是这样的情况)，包括对于热塑纤维缠绕方法，必须在应用于型芯之前加热基于热塑基质的加强物，以便确保熔融粘结所需的热状态。因此基于热塑基质的加强物应用于型芯，高处理速度会显著产生对处理速度的限制并由此产生对循环时间的限制。通过放置基于热塑基质的加强物所产生的高曳力或摩擦力还会带来质量问题，由此会发生热塑基质和加强纤维的分离，形成不利的微观结构。此外，部件的几何形状受到限制，其中需要在处理后取出型芯。其中处理后型芯留在部件中，型芯必须与基于热塑基质的加强物相容，并要能承受很高的径向挤压力，该径向挤压力是在高张力作用下施加的热纤维和基质混合物所产生。人们已知，为在部件中产生高内压力，将复合层连续应用于型芯，但这样会影响部件的尺寸稳定性和最终耐久力。纤维缠绕方法还约束了能够制造的几何形状，其中内凹曲率要求热塑复合材料原地粘结于型芯或复合物的前述层。
对于热固纤维缠绕方法，当放置基于热固基质的加强物时，热固基质必须固化到需要加热循环的型芯上，或随后加热放置材料和型芯。过程的循环时间依赖于卷绕速度，并由此产生对过程速度限制，由此对循环时间限制。通过放置基于热固基质的加强物形成的高曳力或摩擦力带来进一步的质量问题，会发生热固基质和加强纤维的分离。此外，部件的几何形状受到限制，其中需要在处理后去除型芯。型芯在处理后留在部件中，型芯必须与基于热固基质的加强物相容，并且能够承受高的径向挤压力，该径向挤压力是由高张力作用下施加的纤维和基质混合物所产生。
对于树脂传递模制方法，当使用热固加强材料时，必须在型芯和在模具与型芯之间注射的树脂上进行组合。循环时间受到需要向该空间内注射树脂的限制，其中限制了压力，使用永久空心型芯，使得引入流体(这里的流体是活性树脂)的压力不会造成型芯几何形状的变形，由此将过程限制在较低的速度和压力注射，而不是较短的循环时间、结构反应注射模制的高压力过程。此外，热固基质的固化反应限制了循环时间，其中在较高速度下产生固化反应，或热固基质的固化反应在复合物中产生高应力。如果不预先制造复杂而昂贵的加强物，除非可以容许局部加强纤维部分减小，否则必须制造恒定壁厚的部分。需要去除型芯，必须应用花费很高的技术，如不使部分几何形状受损的低熔化温度合金。
对于树脂传递模制方法，如果是热塑加强材料，必须使其在型芯和在模具与型芯之间注射的树脂上实现组合。循环时间受到需要向该空间内注射树脂的限制，其中限制了压力，并这样使用永久空心型芯即，使得引入流体(这里的流体是活性树脂)的压力不会造成型芯几何形状的变形，由此将过程限制在较低的速度和压力注射，而不是较短的循环时间、结构反应注射模制的高压力过程。此外，单体的聚合反应或者限制循环时间，其中在较高速度下产生该聚合反应，或者限制囊状物材料。还常常需要以最快速发生单体熔化温度以上的热循环，该热循环用于聚合和在聚合后冷却到聚合物熔化温度以下，同时还要求一定热塑树脂传递模制材料系统的模具温度和/或型芯温度进行循环。如果不预先制造复杂而费用高的加强物，除非可以容许局部加强纤维部分减小，否则必须制造恒定壁厚的部分。需要去除型芯，必须应用花费很高的技术，如不使部分几何形状受损的低熔化温度合金。
对于囊状物辅助模制方法，如果是热固加强材料，需要固化热固基质材料则带来一些受橡胶型囊状物材料的化学侵蚀的问题，通常是苯乙烯受硅橡胶的侵蚀，由此缩短了囊状物的寿命。由于难于获得囊状物，囊状物能够挠曲、且在固化前或固化中足以压紧浸渍的加强纤维，同时在囊状物和固化复合物之间形成可靠粘结，在成品部件中没有高内应力，因此通常可去除囊状物材料。已浸渍加强物的加热还需要通过模制温度循环或加热囊状物材料来实现。使模制温度循环使能效低并且耗时，受热的囊状物系统的制作对于大批量制造的部件来说是不经济的，而且很脆、使用寿命短。如果是可去除囊状物，则还需要额外的内部检查，以便确保在空心复合物或容器内壁上不留有囊状物材料的小微粒，并且保持了囊状物整体性，使得将其可安全用于进一步的模制过程。
对于囊状物辅助模制方法，如果是热塑加强材料，必须将热塑复合物加热到基质的熔化温度以上、并在脱模前将其冷却到熔化温度以下。该过程是通过加热而使外模温度升高到基质熔化温度以上、并接着将模具冷却到基质熔化温度以下而实现的，由此将热塑基质复合物加热到热塑复合基质熔化温度之上和之下，在此期间，通过囊状物或通过加热囊状物材料施加压紧力，使得将热塑基质加热到足够高于基质的熔化温度而适于进行浸渍，随后将复合结构冷却到足够低于基质熔化温度，以便从模具中取出稳定的部件。上述当前可供使用的技术具有固有的限制，降低了该方法需要最小循环时间应用的潜力。加热(通常为金属的)外模既费时又需要大量能量。嵌入式电加热器在硅橡胶囊状物中的使用形成了囊状物系统，该囊状物系统易碎和难于从冷却的空心复合结构或容器中取出，由此限制了应用的几何形状。此外，在需要一定热塑性塑料如PA12和PET的较高处理温度下，限制了通常费用很高的硅橡胶囊状物的使用寿命。已经公开的发明提出，现场挤喷模制能够形成提供热塑复合物基质流体的囊状物材料，但是需要对模具另外加热以确保完全熔化。热塑复合物的外层没有加热到足够高于热塑基质熔化温度以上，由此发生不充分的浸渍，并导致不利的机械特性和降低表面质量。
与热塑材料相比，热固材料具有对于高速生产来说很明显的其它缺点，由此导致有限的温度容量，不合格的成品的美感、不具有很长的耐久力、不适于再循环和与制造相关的问题(如由于清扫而带来的停工)，以及材料处理费用高和需要辅助环境存储。此外，在制造过程中由于工人受到蒸汽、喷涂、散发等的影响而带来环境问题。有些工程热固树脂改进了较高温度容量的材料性能，但是带来与其相关的不合格材料成本。
热塑材料克服了上述许多缺点，但是由于模具昂贵和易碎囊状物材料和具有加热能力的囊状物组合件的复杂加热和冷却循环，因此在循环时间上限制了可使用的处理技术。此外，高能量耗费与过程有关，该过程需要模具温度在基质熔化温度以上或以下的循环或复杂囊状物加热系统。

发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于制造空心复合件或容器的改进方法，本发明目的由权利要求1限定的方法实现，该制造空心复合结构或容器的非等温方法包括步骤
a)预先成形热塑衬里；b)用热塑复合材料覆盖式包裹热塑衬里；c)在烤箱中将覆盖式包裹衬里加热到热塑复合材料的熔化温度以上；d)将已加热的覆盖式包裹衬里放入模具中，模具的温度保持在热塑复合材料的熔化温度以下；e)在已加热的覆盖式包裹衬里内施加内压力，同时关闭模具，以抵靠着由模具限定的几何形状来固化复合材料和囊状物；f)保持冷却的覆盖式包裹衬里的内压力，直到热塑复合物材料足够低于热塑复合物熔化温度为止；以及g)从模具中取出加工成形的空心复合结构或容器。
这样的改进方法克服现有技术中制造空心复合件和容器的方法的不足而具有多种优点，包括由于在插入模具前使纤维、基质和囊状物组合，因此缩短了循环时间；由于在模具中组合纤维、基质和囊状物，因此缩短了循环时间；由于处理较少的材料，因此减少了制造步骤、转换次数更迅速、启动更快、潜在地节约了劳动力；缩小了房屋面积，能够自动操作，简化材料的存储和处理，为雇员提供了更安全的工作环境，降低培训费用，可使废料再循环，减少了模制所需热状态的循环次数，减少了由模制所需热状态使用的能量，使纤维和基质在复合物中更好分配，能够在金属或聚合物的嵌入物中模制以便将附加的物质连接于容器，能够具有与复合物基质材料相同或不同的聚合物的整体衬里，能够在容器内形成屏障特性，能够形成贯穿空心件或容器壁厚的加强纤维量，等等。
成品空心件或容器可以在许多应用中使用，这些容器的标准直径可以是25cm或更大。这些应用包括用作汽车和卡车刹车系统、呼吸装置、储水、空心自动或宇航空间构架结构的压缩空气容器，通常是用于采用轻质会带来好处的任何地方。
根据本发明另一优选实施方式，在步骤a)后，在覆盖式包裹衬里阶段之前，将嵌入物安置在衬里上，其中在步骤c)之前，将覆盖式包裹复合物固化在安置好的嵌入物上。更有利的是，能够选择嵌入物的操作温度，使得临界尺寸不会由于步骤c)的加热阶段中的温度而变形。此外，覆盖式包裹复合物能够被局部地固化到安置好的嵌入物上。
根据本发明另一优选实施方式，在步骤b)中，将一个或多个衬里放置在相同的覆盖式包裹生产线上，以形成连续过程，并且/或在步骤e)中，使用快速连接装置以便快速进行内压力的连接。
从属权利要求中描述了其它实现方式。
可考虑用于本发明的材料形式使不连续加强纤维和连续加强纤维之一或两者与热塑基质材料组合，形成不同加强纤维结构，包括随意的和不同程度的加强纤维列。具有可使用加强物和基质的合适混合质量的合适材料排列包括，纤维束或纱线、带子、编织物、织物、针织、布和适于操作或组合加强纤维和基质的其它纺织过程。材料可以用于非固化状态、半固化状态中任一状态或两种状态，或用于全固化状态，其中当采用本发明原理加热基质和加强纤维材料组合物时，材料变挠曲以便进行模制过程。
合适的热塑材料包括聚丙烯、聚酰胺，特别是聚酰胺12，聚乙烯、交联聚乙烯、对苯二酸聚丁烯(polybutylene terephthalate)、对苯二酸聚乙烯(polyethylene terephthalate)、聚甲醛。合适的加强纤维包括玻璃、碳、凯夫拉尔、超高分子量聚乙烯、超高分子量聚丙烯和钢。
对于连续和不连续长度的纤维来说，可以应用于上述过程的组合加强纤维和热塑基质材料的技术包括熔融注入；薄膜堆叠；溶解注入；混合；同时使用含水浆和静电覆盖方法的粉末注入；用于编织方法的粉末注入纤维，其具有围绕粉末注入体的未熔化外壳；通过粉末的标准纤维注入，从而形成半成品；现有编织方法技术的利用，其应用到分离薄膜的包裹编织而同时插入加强纤维；加强纤维和热塑基质带的多轴线包裹中的编织地插入；将两种纤维的线共同编织成具有良好织物特征的形状；在合股基质技术中，使用聚合体纤维围绕加强纤维体；在纤维形成过程中，在生产线上加强并内部分散基质纤维，从而制造可织的缝合结合的纤维；加热已注入当场聚合的单体的纤维，从而形成复合物；线覆盖方法，其适于用基质覆盖加强纤维或纤维体；纤维和基质材料的共同拉挤成型，以及其他的这样的方法，即，其可获得所需要的纤维和基质材料的结合，它们处于完全固化和未固结形状之间的状态。
优选混合材料用于该模制方法，该混合材料可以根据美国专利US5011523和US5316561中的方法直接地形成，其中，加强纤维通过模具从熔化状态抽出，在模具中，加强玻璃纤维与抽头接合。热塑基质被机械挤压和拉出到玻璃纤维上；或者该混合材料可通过将纤维和基质纤维线(US5241731)分离而进入一开放的条带而间接地形成，在带子处基质纤维被充电，然后通过条带棒被抽入一平坦开放体并到达混合棒，在混合棒处，碳纤维线与气帘中一起打开并进入开放的条带，然后该条带在混合棒与“PEEK”条带结合；或者该混合材料还可以使用以下为了说明本发明而使用的实施例中的材料，其中使用织物旋转技术(US4825635)将拉伸断裂的碳纤维(平均长度80mm)和聚酰胺12(PA12)一起混合，另外还附加有包裹纤维(US5910361)。


最好通过结合权利要求和附图对本发明进行说明来理解本发明的操作过程和方法其中图1是实现本发明第一实施例所采用的衬里/型芯的视图；图2是具有可选择嵌入物的沿图1中线A-A的横截面图；图3是图2中所示可选择组合嵌入物的放大横截面图；图4是衬里或型芯上覆盖式包裹有热塑树脂和加强材料混合物的视图；图5是在衬里或型芯上覆盖式包裹热塑树脂和加强材料混合物的连续过程的视图；图6是用于固化覆盖式包裹在嵌入物上的复合物从而固定外部特征的视图；图7是分离装置的视图，该装置使以固化在嵌入物上的复合物和覆盖式包裹的嵌入物之间分离；
图8是衬里上覆盖式包裹有使嵌入物固定住的复合物的横截面图，其中包括部分放大横截面图；图9是衬里上铺设复合物层后的视图；图10是用于生产空心复合结构或容器的连续普通等温加工顺序的横截面图；图11是实现本发明第一实施例的连续非等温加工顺序的连续横截面图；图12是受到覆盖式包裹和预加热的衬里位于将要关闭的模具中的横截面图；图13是在内部增压过程中受到覆盖式包裹和预加热的衬里位于模具中的横截面图，通过模具的内表面而使受到覆盖式包裹的衬里成形；图14是表示穿过衬里和覆盖式包裹复合物的厚度的温度梯度顺序的横截面图，包括四种非排他的可能性，用于保持囊状物的整体性和覆盖式包裹复合物的最大固化表面，其中包括放大横截面图和相应温度(T)距离(d)曲线图；图15是快速连接装置连接于加压源的顺序横截面；图16示出了典型模制循环的温度和压力变化过程；图17是通过实施本发明第一和第二实施例而制备的成品空心复合结构或压力容器的横截面图。
具体实施例方式
如图1所示，第一实施例使用了通过挤喷模制或浇筑旋转模制过程制造的空心热塑衬里或囊状物。在所示的实施例中，衬里1或囊状物通常为可以通过挤喷模制制造的长形几何结构，其端部具有位于部件中心轴或任何其它合适位置的一个或多个开口。因此，囊状物的几何形状不限于旋转形状，但是可以应用任何能够通过本领域公知的挤喷模制或浇筑旋转模制过程制造的空心热塑形状。除了使用热塑衬里1或囊状物外，还可使用短纤维加强热塑材料或续纤维加强热塑材料，从而在挤喷模制过程和在非等温囊状物膨胀模制过程的预热、传递和模制阶段中、使聚合体和纤维的熔融粘度或熔融强度都提高。添加短纤维还提高了衬里或囊状物的机械特性，使得其成为空心复合结构或容器中的承载材料的一部分。
在覆盖式包裹或编织热塑基质加强材料之前，在空心衬里或囊状物上随意添加金属、陶瓷或聚合物嵌入物2。内嵌入物2必须具有这样的工作温度，即，使临界尺寸(如线)的几何形状不会在最终等温模制过程中由于受热而发生变形。可以通过本领域公知的各种过程，包括注模法、压塑法、铸造和机加工，来制造这样的嵌入物。另外，在形成囊状物的过程中，依靠与不相容嵌入材料的机械互锁和/或与相容嵌入物材料的熔接，可以将嵌入物放置在挤喷模具内和直接受到覆盖模制。图2和3示出了位于衬里或囊状物上的嵌入物2。
囊状物1通过衬里或囊状物上的定位装置或通过外部定位夹具固定的、并设有嵌入物2，该囊状物1用作覆盖式包裹或编织过程的型芯，由此将立即与热塑树脂混合的上述加强纤维放置在衬里或囊状物上，如图4所示。适于覆盖式包裹或覆盖式编织的过程是一种纺织过程，该过程使由加强热塑基质材料构成的纱线或纤维束3-6包裹在衬里或型芯周围，以便在衬里或囊状物表面形成均匀的材料覆盖，包括的过程如采用冷却或另外加热进行的编织；定制编织，控制纤维穿过衬里或囊状物几何形状的方向；3-D编织过程，在应用的加强热塑基质材料层之间形成互锁；采用冷或额外加热的加强热塑基质材料编织带或编织布的覆盖式包裹，其使得形成较大面积覆盖，缩短了循环时间并优化了系统的经济成本。在覆盖式包裹或覆盖式编织过程中，压力并没有直接地施加，由此增加了缠绕速度并缩短了循环时间。
除了热塑基质和加强纤维混合物的覆盖式包裹或覆盖式编织外，还可以添加最终的材料层。根据应用，该材料层由热塑加强纤维混合物中的较高基质部分或仅由热塑基质纤维或包裹膜构成，包括压出物，以便提供富含热塑基质的表面，这样不但改善了表面质量、密封了部件中的加强纤维，而且提供了更便于在模制后以附加材料覆盖或过程印刷覆盖的表面，并保证整个表面固化。能够以与加强材料基质相同的基质聚合物、或以相容但不同的聚合物获得较高基质部分，以便优化隔离和表面特性。
固定有嵌入物的一个或多个衬里或囊状物可以随意放置在相同的覆盖式包裹或编织生产线上，以便形成连续覆盖式编织或覆盖式包裹过程，如图5所示。
为了在衬里或囊状物上设置嵌入物，其中并不直接组合嵌入物，且为了保证在嵌入物、衬里或囊状物和加强热塑基质材料之间形成之间良好接触和最终固化，其中使用覆盖式模制或已定位的嵌入物，覆盖式包裹或覆盖式编织材料是任意固化到嵌入物上的，如图6所示。使用热夹紧装置7，迅速将加强热塑基质材料加热到基质熔化温度以上，并施加力9以便以热塑基质浸渍加强纤维，此后冷却的夹紧装置7同时保持夹紧力9，使得当加强热塑基质材料冷却时施加固化力。另外，热源8用于将加强热塑基质材料迅速加热到基质熔化温度以上，随后夹紧装置7保持在聚合物熔化温度以下，施加固化力，同时冷却加强热塑基质材料。
切断装置10与加热和冷却装置固定或与其分离，该加热和冷却装置将覆盖式包裹或覆盖式在嵌入物上的编织材料固化，该切断装置10将衬里或囊状物1、加强热塑基质材料和嵌入物2的成品组合件与相邻的成品组合件分离，加强热塑基质材料在衬里或囊状物之间穿过，其中使用连续过程，如图7所示。可以在固化或固体加强热塑基质材料上或在没有完全固化的放置的加强热塑基质材料上进行切断。
作为在最终非等温囊状物膨胀模制过程中缩短循环时间的另一步骤，可以在任何覆盖式包裹或覆盖式编织过程中进行加热，使得强化热塑基质材料中的基质被加热到基质熔化温度以上，使加强物通过毛细管作用受到自然湿润，以及当覆盖式包裹或覆盖式编织材料盖住衬里或囊状物时通过其中形成的张力而受到部分浸渍。由于这样受到部分浸渍的材料具有的体积小于没有受到部分浸渍的材料，从而导致在等温囊状物膨胀模制过程的加热和固化阶段中材料吸收较少的气体。
另外，可以使用高辐射通量的红外加热或类似加热源，对衬里或囊状物、覆盖式包裹或覆盖式编织加强热塑基质材料和嵌入物的组合物进行瞬间加热，使覆盖式包裹或覆盖式编织的加强热塑基质材料熔化，而不会影响衬里或囊状物的整体性，由此使组合物具有高稳定性，以便输送到在最终模制过程之前所必需的不同位置。
由此获得覆盖式包裹有复合材料11的衬里1或囊状物12，嵌入物2具有用于将外部特征固定于空心复合物部件或容器的任意位置，如图8和9所示。
根据本领域现有的过程已经实现了采用橡胶型囊或具有现场挤压热塑囊状物材料的热塑复合材料的最终固化。通过直接产生的挤出物的潜热，模制温度循环高于和低于基质熔化温度，或者通过囊状物内由热流循环或嵌入式电元件的加热，将这样的材料加热到热塑复合基质熔化温度以上。这样的过程可以生产具有有限品质的部件，如果通过挤出聚合物材料的潜热加热，限制了在橡胶型囊状物中的嵌入式加热器的几何形状并限制了其囊状物的寿命，或者这样的过程需要复杂的内加热电路。使模制温度循环，导致等温过程，如图10所示。衬里1和覆盖式包裹复合物11(见图10a)放置在低于衬里1或囊状物和/或覆盖式包裹复合物11(见图10b)熔化温度以下的模具13内。模具接着保持关闭，同时进行快速加热15以便将模具加热到衬里1或囊状物和/或覆盖式包裹复合物11的熔化温度以上(图10c)。在经过要求的浸渍时间后，快速加热源15被快速冷却源18替换，同时模具保持关闭14，以便将温度降低到衬里1或囊状物和/或覆盖式包裹复合物11(见图10d)的熔化温度以下。在经过要求的固化和冷却时间后，将模具13打开，取出部件(见图10e)。
建议的过程是非等温囊状物膨胀的过程，该过程在封闭模具的同时并不需要模制温度循环或囊状物的内加热。为了熔化热塑基质并接着降低粘性，使加强纤维受浸渍，在封闭的最终模具13(见图11b)外部的烤箱15中，加热热塑衬里1或囊状物、以及热塑基质和加强纤维11(见图11a)的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物的组合物。在加热循环后，将覆盖式包裹衬里设置在模具13内(见图11c、图12)，其中关闭模具13，内压力21施加在衬里1或囊状物内部，以便迫使覆盖式包裹衬里或囊状物符合模具几何形状(见图13)。模具13保持在衬里或囊状物和/或包裹式复合物11的熔化温度以下，同时内压力21保持一段固化和冷却空心复合件或容器所需的时间。接着打开模具并卸下部件(见图11d)。
在加热循环中，调节烤箱参数，将热塑基质和加强纤维的外覆盖式包裹或外覆盖式编织混合物加热到基质熔化温度以上，以便由最终模制过程形成良好的固化和良好的表面抛光，但没有达到使基质发生降解的过高温度。以加强材料中的聚酰胺12基质为例，选择不会使聚合物开始降解的上限温度，而达到使短期或长期机械特性不会受到不利影响的程度，且不发生气味超过可接受限度的问题，表面质量不会受到不当影响，通常该上限温度在280℃左右。
而且在加热过程中，调节烤箱参数以便优化内衬里或囊状物温度，而使其得以在最终模制循环中施加的内压力21作用下延伸，由此将衬里1或囊状物中的内压力21传递到受热的热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物上，并施加用于在模具20中同时固化和冷却的驱动力。此外，这样限制囊状物温度即，使得囊状物基质的粘性不会变得过低而使衬里或囊状物失去整体性，并允许加压液体进行过度扩散，由此使衬里或囊状物不能抵抗在最终模制循环中施加的内压力。以使用聚酰胺12的本发明为例，合适的温度包括将囊状物温度加热到220℃。衬里或囊状物的优选材料具有的高分子量级别与在热塑加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物基质中所使用的聚合物相同，其中较高分子量会导致较高熔化粘性，由此保持衬里或囊状物材料在较高温度下的整体性。其它优选材料是已经部分交联而具有在熔化温度以上的类似橡胶特性的热塑聚合物，其具有延迟的整体性损失，如交联的聚乙烯。因此，在具有热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物的组合衬里或囊状物的加热循环中，形成温度梯度，并使得将热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物的外层加热到280℃左右，以聚酰胺12基质为例，将内衬里或囊状物材料仅加热到220℃左右。
图14示出了如上所述的覆盖式包裹复合物和衬里或囊状物材料的温度分布，其中示出了四种不同的非排他性加热分布图。
合适的烤箱系统包括热气烤箱、强制对流热气烤箱、红外烤箱以及红外与热气或强制热气烤箱的组合，使用电或气体供给能量的加热元件或辐射器。该加热循环的优选烤箱组合是一种组合的强制性热气和红外烤箱，其中强制热气的预定和受控温度透过内衬里或囊状物，并将衬里或囊状物加热到要求的温度，随后进行红外线加热，迅速将热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物的外层加热，但同时不能透过内衬里或囊状物，由此由红外辐射器形成的辐射通量被修整，以便提供贯穿材料的要求的温度梯度。
在加热过程中，采用夹紧组合物的构架来将组合的衬里或囊状物和热塑基质与加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物保持成要求的几何形状。在加热循环之后，接着将夹紧系统传递到模具20内，其中构架以一体方式与模具配合，以便将预热组合件快速地设置在模具中的正确位置。最好进行由烤箱向模具20的快速传递，以避免预热组合件1或囊状物和热塑基质与加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物的冷却。通常，必须向衬里1或囊状物施加内压力21，模具20在预热循环最后的20秒内保持关闭，较快的时间显著提高了部件的质量，根据减少的空隙量，由此提高了机械特性，改进了表面质量或表面浸渍度。此外，在加热循环中可以向衬里或型芯施加达到2巴(bar)低内压力，以便克服重力作用而有助于保持囊状物或衬里的形状。
当以先前组合的嵌入物和在嵌入物区域的局部固化实现组合的优选方法时，使用在插入物区域预固化的热塑基质与加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物，以下机构是在加热、传递和模制过程中固定覆盖式包裹或覆盖式编织衬里1或型芯的优选方法托架，设计成与模具面连接，包括以刚性连接末端装置的侧部件，末端装置用于固定嵌入物和并连接内压力系统。弹簧加载分开挡块被夹紧在嵌入件2之上，使得它们在加热过程中保持覆盖式包裹或覆盖式编织衬里1或囊状物的形状，这些块体与加热材料一起被转移到模具内。
而且，作为部分末端装置组合件，使用具有轴孔的锥体23，使得当将其推进衬里时，产生对聚合材料的密封，如图15所示。锥体和变形囊状物与一块体进行面连接，该块体包含在轴孔上的截面内半径，使得孔限制了锥体的移动，由此保证形成密封。通过整体气压缸在模具内连接内压力系统，并且锥体被推进可变形衬里或囊状物(图15c)中，通过引起内压力而致动，从而与模具的闭合相符，使得在施加内压力21之前，使热塑基质与加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物的冷却达到最低。在模制循环完成之前，使气压缸反向，移开锥体23以释放部件。接着修整由直径通常为25mm×15mm的制成部件伸出的聚合物衬里或囊状物材料，并能够使其在衬里制造中根据需要进行再循环。
预加热组合件包括衬里或囊状物、以及热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物，该预加热组合件被输送到通常包括两个主件的模具，其具有适于产生详细内凹特征的可移动核心部，其中将组合件固定在两主模具半型之间，以便两模具半型大体同时发生接触，由此保证以下物体的大体平衡的热传递和冷却即，具有模具的热衬里或囊状物、以及热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物。使温度保持足够地低于基质的熔化温度，以保证很快的冷却速度和较短的循环时间，但是足以高于玻璃的转变温度，以获得要求的表面浸渍、固化和由此获得要求的表面质量(图12)。
接着向衬里1或囊状物施加内压力21，使得衬里1或囊状物抵靠着热塑基质和加强纤维的覆盖式编织混合物进行变形，靠着模具壁的几何形状浸渍和固化热塑基质和加强纤维的覆盖式编织混合物，其中组合衬里1或囊状物与热塑基质和加强纤维的覆盖式编织混合物靠着模具20进行一致的冷却，如图13所示，其中采用加热电路和冷却电路保持模具的温度，需要时，一般与其它热塑复合非等温模制方法一起使用。
保持衬里1或囊状物中的内压力21，同时通过液压或机械夹紧装置关闭模具20。采用覆盖式包裹或覆盖式编织碳纤维加强聚酰胺12的典型内压力是10巴(bar)，根据加强纤维和基质聚合物之间形成的密切程度而形成该压力。这样的低模制压力使液压或机械模具夹紧设备和模具自身的尺寸减小，而且减少了其费用支出。保持一段时间的内压力，根据该应用所需的最终空隙量和部件的壁厚，保持压力的时间通常在30秒至180秒之间，该时间保证了热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物的良好固化。
接着释放内压力21，将模具20打开，以便获取复合件或复合容器。
图16表示了本发明温度和压力变化过程的原理。实线表示衬里内的压力，虚线表示外合成温度(短虚线)和衬里温度(长虚线)。
由于使用了用型芯与热塑基质和加强纤维的覆盖式包裹或覆盖式编织混合物和整体嵌入件2组合和制备衬里1的优选方法，网状成品部件仅进行小量修整操作(见图7)，如从工具界面区域去除聚合物毛刺，由此避免了进行机加工或修整操作的很高的额外费用。此外，在聚合物基质中密封纤维加强物，取消了另外的机加工或修整过程则保证良好的环境稳定性。
空心组合部件或容器能够用于许多应用，这些容器的典型直径可以是25cm或更大。这些应用包括作为汽车或卡车的刹车系统、呼吸装置、储水、空心自动或宇航空间构架结构以及通常在重量轻会带来好处的任何地方的压缩空气容器。
标号列表1衬里2嵌入物3织物4针织物5带6纱线/纤维束7成形夹紧装置8加热9压力10分离装置11覆盖式包裹复合物12用整体嵌入物覆盖式包裹有合成材料的衬里
13冷模具14夹紧力15快速加热源16增压流体17热模具18快速冷却源19冷模具20模具21内压力22衬里、未示覆盖式包裹复合物23由16致动的锥形或异型柱塞24复合物覆盖式包裹衬里的预热阶段25传递模具26向衬里施加内压力，浸渍、模制几何形状的成形、固化、冷却27固化的复合物TMOLD模制温度，低于热塑衬里和热塑组合基质的熔化温度Tm热塑衬里和/或热塑组合基质的熔化温度Tdeg开始降解温度
权利要求
1.一种制造空心复合结构或容器的非等温方法，包括步骤a)预先成形热塑衬里(1)；b)用热塑复合材料(11)覆盖式包裹热塑衬里(1)；c)在烤箱中将已被覆盖式包裹的衬里加热到热塑复合材料(11)的熔化温度(Tm)之上；d)将已加热的覆盖式包裹衬里放入模具中，该模具的温度保持在热塑复合材料(11)的熔化温度(Tm)之下；e)在已加热的覆盖式包裹衬里(1)内施加内压力(21)，同时关闭模具(20)，从而以抵靠着由模具限定的几何形状来固化复合材料(11)和囊状物(1)；f)保持冷却的覆盖式包裹衬里的内压力(21)，直到热塑复合物材料(11)足够地低于热塑复合物熔化温度(Tm)为止；以及g)从模具中取出加工成形的空心复合结构或容器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)之后，在覆盖式包裹衬里阶段之前，将嵌入物(2)安置在衬里(1)上，且在步骤c)之前，将覆盖式包裹复合物固化在安置好的嵌入物(2)上。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，嵌入物(2)具有的操作温度不会使临界尺寸由于步骤c)中加热阶段的温度而变形。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，覆盖式包裹复合物局部地固化到安置好的嵌入物(2)上。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，将一个或多个衬里(1)放置在相同的覆盖式包裹生产线上，以形成连续过程。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，使用快速连接装置以便快速进行内压力(21)的连接。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使用具有整体气压缸的快速气体连接系统施加内压力(21)，其中抵靠着一块体将具有轴孔的锥形件(23)推进衬里(1)，所述块体具有在轴孔上的截面内半径，其中通过抵靠着衬里材料形成密封。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从以下的组中选择热塑衬里(1)和/或热塑复合物基质材料(11)，所述组包括聚丙烯、聚酰胺，特别是聚酰胺12，聚乙烯、交联聚乙烯、对苯二酸聚丁烯、对苯二酸聚乙烯、聚甲醛、聚苯硫醚和聚乙氧基烷基酚。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，通过挤喷模制或旋转浇筑来生产热塑衬里(1)。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，使用高分子重量聚合物来提高热塑衬里(1)的熔化强度。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，使用不连续加强纤维来提高热塑衬里(1)的熔化强度。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，使用不连续加强纤维作为空心复合结构或容器的承载功能部分。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)，通过多个过程将复合材料包裹在衬里(1)周围，这些过程包括纤维缠绕、编织、定制编织，3-D编织、布或宽带子的覆盖式包裹。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，成品材料层可以增加到缝制表面特征。
15.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)之前，将覆盖式包裹复合物任意加热到复合物熔化温度(Tm)以上，使得通过毛细管作用使加强物自行湿润，从而发生部分浸渍，以及复合材料的体积降低。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，在加热阶段形成温度梯度，使得覆盖式包裹复合物材料(11)的外层足够地高于基质熔化温度(Tm)，从而进行最大程度的浸渍，同时避免降解，并且同时热塑衬里(1)保持在高于热塑衬里熔点的温度，从而使材料可以变形，但保持足够的熔化强度，以用于随后步骤中的处理。
17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，进行加热循环的烤箱系统包括组合的强制式热气烤箱和红外线烤箱，其能实现贯穿厚度温度分布的微调。
18.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，在加热循环中能够在衬里内保持低的内压力(21)，以便有助于保持衬里(1)的形状。
19.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，采用一夹紧覆盖式包裹衬里的构架，使覆盖式衬里保持要求的几何形状。
20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤e)中，受到加热的覆盖式包裹衬里位于两个模具半型之间，并使得两个模具半型基本同时形成接触。
21.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，覆盖式包裹复合物任意加热到复合物熔化温度(Tm)以上，使得通过毛细管作用使加强物自发湿润，从而发生部分浸渍，并减小复合物材料的体积。
22.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用允许外部特征连接的整体嵌入物来制造空心复合结构或容器。
23.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，采用整体热塑衬里来制造空心复合结构或容器。
全文摘要
一种制造空心复合结构或容器的方法，包括步骤A)在模制工具外部将热塑基质和裹包在硬或半硬热塑衬里或囊状物上的热塑基质和加强纤维加热到热塑复合基质的熔点以上；B)将已加热的组合件传递到温度保持在复合物热塑基质熔化温度以下的模具；C)关闭模具并向衬里或囊状物施加内流体压力以便对热塑基质和加强纤维施加压力；D)任意使用特殊连接系统以快速连接内压力；E)将衬里或囊状物以及接触冷或热模具的热塑基质和加强纤维组合件进行冷却，同时进行组合件的固化；F)打开模具，取出成品组合件。用于衬里/囊状物的合适热塑材料和热塑复合物基质材料包括聚丙烯、聚酰胺，特别是聚酰胺12，聚乙烯、交联聚乙烯、聚丁烯对苯二酸盐、聚乙烯对苯二酸盐、聚甲醛、聚苯硫醚和聚乙氧基烷基酚。
文档编号B29C70/44GK1492801SQ01823030
公开日2004年4月28日 申请日期2001年3月13日 优先权日2001年3月13日
发明者克里斯蒂安·克鲁泽, 帕斯卡·维约默内, 扬－安德斯·E·曼森, 马丁·D·韦克曼, 彼得·马斯库斯, 维约默内, D 韦克曼, 克里斯蒂安 克鲁泽, 滤埂 曼森, 马斯库斯 申请人:埃坶斯化学公司