CN101316695A - 制造拉挤部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造拉挤部件(50)的方法，其包括提供多个由多根纤维形成的纤维丝束(110)。该方法还包括提供用聚合物树脂前体(141)润湿多束纤维丝束(110)的第一室(154)和第二室(156)。该方法还包括牵引多束纤维丝束(110)穿过第一室(154)，使聚合物树脂前体(141)润湿它们的外表面，和牵引多束纤维丝束(110)穿过第二室(156)，以润湿每根纤维丝束内的多根纤维，以及牵引多束纤维丝束(110)和纤维穿过固化口模(160)，形成拉挤部件(50)。

Description

制造拉挤部件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2005年11月23日提交的美国专利申请11/287140的权利，其全部公开内容通过引用的方式结合到在此。
本申请也涉及其每一个都在2005年11月23日提交的美国专利申请11/287143、11/287141和11/287142。
技术领域
本发明一般涉及采用拉挤成型工艺制造纤维增强的复合部件的方法和系统。更具体地说，本发明涉及使用聚氨酯树脂基体的复合部件。
背景技术
在拉挤成型工艺中形成的纤维增强复合结构件通常包括嵌入在树脂基体(例如不饱和聚酯或环氧乙烯基酯的聚合物)中的纤维增强材料(如玻璃纤维、聚合物纤维、或碳纤维)。纤维增强材料通常包括纱线或丝束(其每一种包括大量的纤维或长丝)，及一种或多种纤维毡片或纤维网幅。
为了制造如在门和窗上使用的线状物的复合结构部件，要牵引丝束穿过液体树脂前体材料的常压浴槽(通常是敞口的槽或缸)来将其涂覆。涂覆后，即将所述纤维丝束牵引通过固化口模以聚合和固化树脂。使用常压浴槽涂覆丝束的一个难点是丝束内的单根纤维或长丝不能充分被树脂涂覆。例如，丝束的外表面能够被树脂涂布，但丝束内部的长丝或纤维可能仅被部分涂覆。
因为复合结构部件强度主要取决于树脂基体和纤维增强物间的相互作用，所以理想的是完全涂覆尽可能多的单根长丝或纤维。未涂覆的长丝得不到结构支撑，不能承担任何大的压缩荷载。此外，和长丝掺混的空隙区变成了会在负荷下引发裂纹的位点，从而降低了所述复合部件的刚性和强度。因此，减少成品部件中存在的部分涂覆的长丝、空隙等的数量是有利的。
有关常压浴槽的另一个难点是，其通常包括相对大体积的未固化树脂的前体化学物质，这些化学物质的较大表面积暴露在空气中。不希望这些化学物质蒸发到周围大气中，因为设计用于降低蒸气蒸发的缓和系统可能相对昂贵，并可能妨碍保持产品质量和生产率所需的许多操作。
用于拉挤复合部件制造的常规树脂(例如聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂等)的极限强度为约8000～15000psi，弹性模量为约350000～500000。该弹性模量与增强纤维的弹性模量匹配良好。当给这样的复合部件施加压力或弯曲载荷时，该载荷会被这些增强纤维以产生相对平衡载荷和较高极限强度的方式分担。但是，这些传统树脂体系的断裂伸长率通常为约1.5％-3％，其超过了之前纤维的4％-6％的断裂伸长率。当超过其断裂伸长率时，树脂将断裂，留下那些未支撑的纤维。这使得负荷集中在小百分数的可用纤维上，并超过其极限强度，从而导致在低于完整的纤维增强封装件理论最大负荷以下的部件破坏。
用于拉挤复合部件制造的常规树脂在与纵向(即牵引)方向垂直的方向上强度也较小。因此，该拉挤复合部件可以使用横向取向的增强纤维来给部件提供必要的横向强度。例如，该增强材料可以同时包含纵向贯穿拉挤部件的纤维丝束和给部件提供多方向强度的纤维毡片。然而，加入横向纤维或纤维毡片不合需要地增加了部件的重量和成本，而且也增加了制造部件的加工难度。
因此，相比通过常规树脂体系所提供的拉挤复合部件，需要提供一种改进的树脂体系来给拉挤复合部件提供增强的结构强度。还需要一种不使用横向增强纤维就具有足够横向强度来提供抗弯能力的复合部件，并允许用螺丝、钉子等来固定该组件。还需要提供一种在拉挤成型工艺中使用聚合材料涂覆增强材料的改进系统和方法。
发明内容
本发明的示例实施方案涉及一种制造拉挤部件的方法，该方法包括提供由多根纤维形成每束纤维丝束的多束纤维丝束。该方法也包括提供用聚合物树脂前体润湿多束纤维丝束的第一室和第二室。该方法还包括牵引多束纤维丝束穿过第一室，以便用聚合树脂前体润湿纤维丝束的外表面，牵引多束纤维丝束穿过第二室，以润湿每束纤维丝束内的多根纤维，以及牵引经润湿的多束纤维丝束和纤维通过固化口模而形成拉挤部件。
本发明的另一个示例实施方案涉及一种制造拉挤产品的方法，该方法包括提供多束纤维丝束，每束纤维丝束包括多根长丝。该方法还包括将多束纤维丝束分开足够的距离，从而使树脂前体绕纤维丝束流动。该方法还包括牵引纤维丝束穿过具有第一区域和第二区域的浸渍口模，第一区域构建为可使用聚氨酯树脂前体润湿纤维丝束的外表面，第二区域构建为可使用聚氨酯树脂前体润湿纤维丝束内部的多根长丝。该方法还包括牵引纤维丝束通过固化口模而固化聚氨酯树脂前体。第二区域具有从其入口到其出口间减小的横截面积。
本发明的另一个示例实施方案涉及一种制造复合结构部件的方法，该方法包括提供包括多根纤维的纤维丝束。该方法还包括提供具有使用聚氨酯前体润湿纤维丝束外表面的第一室、和润湿每束纤维丝束内部的多根纤维的第二室的装置。本方法还包括准备聚合物树脂前体，以及牵引所述纤维穿过该装置。本方法还包括以基本上与聚合物树脂前体消耗的速度相匹配的速度混合和提供聚合物树脂前体到第一室。
附图说明
图1所示为现有技术的拉挤成型工艺制造的普通复合部件的透视图。
图2所示为根据使用不需要横向纤维增强物的改进树脂的实施方案的拉挤成型工艺制造的普通复合部件的透视图。
图3所示为根据示例实施方案的拉挤成型生产线的部件的示意图。
图4所示为根据示例实施方案制造复合部件中使用的浸渍口模的透视图。
图5所示为图4中所示浸渍口模的剖视图。
图6所示为图4中所示浸渍口模的截面图。
图7所示为根据示例实施方案在制造复合部件的方法中各步骤的流程图。
具体实施方式
根据示例实施方案，提供了一种使用改进的树脂体系制造拉挤复合部件的方法和设备。所述复合部件以用于制造窗、门及类似物中的线状物或其它部件的形式提供。根据其它示例实施方案，可以使用这里描述的树脂、系统和方法来制造任何各种其它部件，所述复合部件包括用于扫帚、铲和其它手动工具的把手；用于侵蚀防护的板桩；用于卡车和汽车的框架构件和门增强件；用于水冷塔和如移动电话塔的RF-透明结构的结构组件；混凝土加强筋；高速路反光灯、护栏及柱；用于石油钻井平台和化工装置的不导电和抗腐蚀的栅栏；以及任何各种其它产品。
改进的树脂体系旨在给复合部件提供相对高的弯曲和压缩强度，从而使部件的制造可以不需要在横向方向(即垂直于纵向或“拉伸”方向的方向)上提供纤维增强物。相比于使用传统树脂体系制造的传统复合部件，这种部件可以以较低重量、原料成本和资本成本有利地制造。与使用横向纤维(如加入部件的纤维网幅或毡片)的传统拉挤成型工艺相比，根据本发明描述的实施方案的复合部件的制造速度不会由于加入横向纤维而变慢，从而仅需要较少的机器在给定的时间构内供给需要的量。
图1所示为传统的普通拉挤复合部件10，其使用了纵向取向的纤维(如图所示X方向取向的纤维24)和横向取向的纤维(如图所示Y方向取向的纤维18)。横向纤维18可以提供为例如层12、14和16，其包括浸渍了树脂前体26的纤维毡。如图1所示，纵向取向的纤维的层20和22(也浸渍了树脂前体26)被设置在毡12、14和16中间或之间。因为如图1所示的复合部件10使用了传统树脂体系(如聚酯、乙烯基酯或酚醛树脂等)，所以需要纤维层12、14和16为部件10提供横向强度。
图2是使用根据示例实施方案提供增强结构刚性的树脂体系制造的通用拉挤部件50的透视图。如图2所示，部件50没有使用横向(即“Y”方向)取向的纤维；而是提供只在基本上平行于纵向(即″X″方向)的方向上取向的纤维54作为纤维增强物。图1中横向纤维18所提供的强度改为由与传统树脂体系相比具有改进的机械性能的树脂56提供。因此，部件50以相对简单的方式制备，而且不需要与使用横向纤维有关的附加费用和困难。
根据一个示例实施方案，相比使用常规树脂体系的部件，使用基本上由在纵向和横向上同时具有改进机械特性的聚氨酯材料组成的树脂前体来制造复合部件(例如组件部件50)。通过对使用聚氨酯树脂体系的拉挤复合部件和使用传统的不饱和聚酯树脂体系的拉挤复合部件实验数据进行汇集及分析发现，二者具有相同的玻璃增强物含量。用聚氨酯树脂制造的部件的纵向弯曲强度是230,000psi，几乎是用传统聚酯树脂体系的类似部件的80,000psi纵向弯曲强度的3倍。该聚氨酯部件的纵向断裂伸长率是3.2％，与之相比，常规聚酯部件是1.8％。在横向上的结果相似。用聚氨酯树脂制造的拉挤部件的横向弯曲强度约为15100psi，大于用不饱和聚酯树脂制造的部件(4800psi)的三倍。横向弯曲断裂伸长率也稍高：聚氨酯部件为1.4％，与之相比，不饱和聚酯树脂部件为1.2％。
依据不同的示例实施方案，纤维增强物的类型可以是不同的，并取决于使用复合部件的具体应用的需要。根据一个示例实施方案，纵向纤维可以提供为玻璃纤维。根据其它示例实施方案，所述纤维可以是聚合物纤维、碳纤维或任何其它适合于制造拉挤产品的纤维。
应注意，尽管图2举例说明了通常具有长方体实心形状的部件50，但通过参考不同的示例实施方案，利用所述树脂体系和由在这里描述的方法制造的部件可具有任何尺寸、形状和结构。这些组件部件的特点在于它们能用于各种应用，包括在窗、门及类似物的线状物及其它结构件上的应用。另外，可以使用本发明描述的树脂配制物制造拉挤部件，其具有在纵向和一个或其它多个基本上不平行于该纵向的方向(包括可以在横向上取向的纤维)取向的纤维增强物。
根据一个示例实施方案，该聚氨酯树脂前体体系包括异氰酸酯、多元醇或多元醇的共混物，以及一般被称为“脱模剂”的润滑剂与其它添加剂的体系。该树脂体系也可任选包括一种或多种聚合物添加剂，其用来改进所得部件的表面、改变部件的物理性能、提供改善的加工性或提供其它益处。另外，该树脂体系也可包括一种或多种填料，其可以被动减少整个树脂体系的成本(如代替较贵的组分)，或主动提供改进的物理性质或改进的加工性的功能。
可根据反应组分的分数来衡量异氰酸酯组分与多元醇组分的比率。根据一个示例实施方案，异氰酸酯与多元醇的比率为约80％～115％化学计量。根据另一具体的示例实施方案，异氰酸酯与多元醇的比率为约90％～110％化学计量。根据另一具体的示例实施方案，异氰酸酯与多元醇的比率为约95％～105％化学计量。
提供足够量的树脂前体体系的脱模剂，以防树脂前体体系与口模表面的粘合，从而给予部件以相对光滑的表面，并且减少该部件通过固化口模所需的力。脱模剂包括被吸引到口模的金属表面(由于高极性)上并形成润滑层的酸性组分。该酸性组分在多元醇混合物中可溶；但随着多元醇的消耗，其从溶液中沉淀出来，并被推向凝胶体的表面。这两种力浓缩了表面的脱模剂的酸性组分，与具有相同润滑作用但在表面没有浓缩倾向的物质相比，其改善了脱模效果。合适的脱模剂体系的商品名包括可商购于Axel Plastics的Pul-24和可商购于Technick Products的CR-250。
根据示例实施方案，提供的脱模剂组分的含量是树脂总质量的约0.5％～5％。根据优选的实施方案，提供的脱模剂组分的含量是树脂的约0.5％～3％。根据特别优选的实施方案，提供的脱模剂组分的含量是树脂的约0.5％～2.5％。
提供足够量的聚合物添加剂，以借助于通过减小树脂固化时的收缩来改善成品部件的表面质量，使固化树脂的表面保持与抛光的口模表面接触，并保持口模表面的光滑特性。根据示例实施方案，提供的聚合物添加剂的量为树脂总质量的约0％～25％。根据优选的实施方案，提供的聚合物添加剂的量为树脂总质量的约2％～15％。根据特别优选的实施方案，提供的聚合物添加剂的量为树脂总质量的约4％～10％。
提供足够量的树脂前体体系的填料组分，以增加最外面玻璃纤维与口模表面之间的树脂层的粘度(从而增强剪切力)，以及与脱模剂的酸性组分反应，以提供最外面玻璃纤维与口模表面之间的大量的润滑颗粒体。所述填料组分可包括如高岭土或碳酸钙的固体。碳酸钙可以是未处理过的，或者是用硬脂酸或油酸改性其表面而处理过的。
根据一个示例实施方案，提供的填料组分的量可以是树脂总质量的约0.5％～20％。根据优选的实施方案，可以提供的填料组分的量基本上等于脱模剂组分的质量百分数。
异氰酸酯组分可以是几种低到中级的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、其聚合物异构体(pMDI)和其共混物中的任何一种。异氰酸酯组分具有的NCO(N-C-O)或氰酸酯的百分含量为约25％～32％，优选为约27％～31.5％，最优选为约31.2％～31.5％。异氰酸酯组分的粘度为约100～500厘泊(cps)，优选为约100～250cps，更优选为约200cps。
根据不同的示例实施方案，可用的异氰酸酯的商品名包括可商购于Bayer MaterialScience的Mondur 448、Mondur 486、Mondur MR和MondurMR(Light)；可商购于BASF的Lupranate M20S和Lupranate M20SB；可商购于Dow Chemical Company的Isobind 1088和Papi 27；可商购于Huntsman Polyurethanes的Rubinate M。
树脂前体体系的多元醇组分可包括单一的多元醇，或可以提供为两种或多种多元醇的共混物。
根据一个示例实施方案，提供具有以下性质的单一多元醇作为所述的多元醇组分：(a)该多元醇的官能度为三，优选所有羟基为伯羟基(即，容易反应)；(b)该多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，优选聚醚多元醇；(c)该多元醇的OH指数为约500～700mgOH/g，优选为约600～700mgOH/g，最优选约675～700mgOH/g；(d)该多元醇的分子量为约200～300，优选为约225～275，最优选为约240～250；以及(e)所述多元醇的粘度为低于约1000cps，优选低于900cps。适于用作所述多元醇的商品名包括可商购于Dow Chemical Company的Voranol 230-660；和可商购于BayerMaterialScience的Multranol 9138。
根据另一示例实施方案，提供两种多元醇的共混物作为所述多元醇组分。
两种多元醇的共混物中第一多元醇具有以下性质：(a)该多元醇的官能度为三，优选所有羟基为伯羟基；(b)该多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，优选聚醚多元醇；(c)该多元醇的OH指数为约200～300mgOH/g，优选为约230～250mgOH/g，最优选为约235～240mgOH/g；(d)该多元醇的分子量为约600～800，优选为约650～750，最优选约680～720；(e)该多元醇的粘度为约500cps以下，优选为约400cps以下，最优选为约240～270cps。适于用作第一多元醇的多元醇商品名包括可商购于Solvay的CAPA3091；可商购于Carpenter的Carpol GP725；可商购于BASF的PluracolTP740；和可商购于Dow Chemical Company的Voranol 230-238、P425和蓖麻油。
两种多元醇的共混物中第二多元醇具有以下性质：(a)该多元醇的官能度为三，优选所有羟基为伯羟基；(b)该多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，优选聚醚多元醇；(c)该多元醇的OH指数为约800～1200mgOH/g，优选为约900～1100mgOH/g，最优选为约935～1050mgOH/g；(d)该多元醇的分子量为约100到300，优选为约125～200，最优选为约150～190；(e)该多元醇的粘度为低于约2000cps，优选低于约1500cps。适合作为第二多元醇的多元醇商品名包括可商购于BASF的Pluracol 858；和可商购于Bayer MaterialScience的Multranol 9133。
第一多元醇与第二多元醇的比率使得该共混物的OH指数为约350～700mgOH/g，优选为约550～650mgOH/g，最优选为约575～625mgOH/g。
根据另外的示例实施方案，提供三种多元醇的共混物作为所述多元醇组分。
三种多元醇的共混物中第一多元醇的含量为所述共混物的约20％～50％，优选为约25％～35％，最优选为约30％，且具有以下性质：(a)该多元醇的官能度为三，优选所有羟基为伯羟基；(b)该多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，优选聚醚多元醇；(c)该多元醇的OH指数为约200～300mgOH/g，优选为约230～250mgOH/g，最优选为约235～240mgOH/g；(d)该多元醇的分子量为约600～800，优选为约650～750，最优选为约680～720；(e)该多元醇的粘度为低于约500cps，优选低于约400cps，更优选为约240～270cps。适合用作该第一多元醇的多元醇商品名包括可商购于Solvay的CAPA 3091；可商购于Carpenter的Carpol GP725；可商购于BASF的Pluracol TP740；和可商购于Dow的Voranol 230-238、P425和蓖麻油。
三种多元醇的共混物中第二多元醇的含量为所述共混物的约20％～40％，优选为约25％～35％，最优选为约30％，且具有以下性质：(a)该多元醇的官能度为三，优选所有羟基为伯羟基；(b)该多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，优选聚醚多元醇；(c)该多元醇的OH指数为约500～700mgOH/g，优选约600～700mgOH/g，最优选约675～700mgOH/g；(d)该多元醇的分子量为约200～300，优选为约225～275，最优选约240～250；(e)该多元醇的粘度为低于约1000cps，优选低于约900cps。适合用作第二多元醇的多元醇商品名包括可商购于BASF的Pluracol TP440；可商购于Dow Chemical Company的Voranol 230-238；和可商购于BayerMaterialScience的Multranol 9138。
三种多元醇的共混物中第三多元醇的含量为所述共混物的约20％～50％，优选为约30％～45％，最优选为约40％，并具有以下性质：(a)该多元醇的官能度为三，优选所有羟基为伯羟基；(b)该多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇，优选聚醚多元醇；(c)该多元醇的OH指数为约800～1200mgOH/g，优选为约900～1100mgOH/g，最优选为约935～1050mgOH/g；(d)该多元醇的分子量为约100～300，优选为约125～200，最优选为约150～190；(e)该多元醇的粘度为低于约2000cps，优选低于约1500cps。适合用作第三多元醇的多元醇商品名包括可商购于BASF的Pluracol 858，和可商购于Bayer MaterialScience的Multranol 9133。
三种多元醇的共混物中第一多元醇、第二多元醇与第三多元醇的百分数使得所述混合物的OH指数为约350～750mgOH/g，优选为约625～725mgOH/g，最优选为约650～700mgOH/g。
如果体系包括聚合添加剂，则其在体系内部仅起物理功能。取决于系统需求，其可以通过抑制热固性聚合物在聚合时普遍的轻微收缩倾向来增强部件的机械性能或热性能，或可以改进部件表面。根据一个示例实施方案，聚合添加剂仅仅起减少收缩的作用，并可以称它为″低收缩添加剂″。这个功能得自于添加剂的热膨胀系数，其在热固性聚合物体系聚合过程中的合适时间引起体积的增加。可接受的低收缩添加剂的例子包括聚苯乙烯、苯乙烯-丙烯酸共聚物、甲基丙烯酸树脂、聚乙酸乙烯酯和封端PPO。
为制备树脂，通常优选将除异氰酸酯组分外的所有组分在使用前共混在一起。因为异氰酸酯组分是高反应活性的，它通常直到临使用前才和其它组分接触。根据一个示例实施方案，异氰酸酯组分在用于拉挤成型工艺前少于5分钟时被加入多元醇-添加剂混合物。根据一个具体的示例实施方案，异氰酸酯组分在使用前少于1分钟时被加入多元醇-添加剂混合物中。根据示例实施方案，异氰酸酯组分和多元醇-添加剂混合物使用连续计量-混合系统混合在一起。根据另一个示例实施方案，异氰酸酯组分预先与一种或多种添加剂混合。
当异氰酸酯组分和多元醇-添加剂混合物进入拉挤成型系统的固化口模时，它们可以是不溶混液体的状态。根据一个具体的示例实施方案，异氰酸酯组分和多元醇-添加剂混合物是不混溶的，而固化口模的热量促进该不混溶液体朝溶液的转变。然后它们开始反应。随着反应进行，异氰酸酯和多元醇首先形成部分反应的高粘性凝胶物。因为异氰酸酯-多元醇反应的性质，该凝胶物质只存在较短的时间。该反应是加成反应；因此分子量首先缓慢增加，但后来变为渐进式地增加，在接近完成时则是非常高。结果是直到反应完成多于50％时，反应混合物仍保持液体状态，然后迅速变成高度粘性的凝胶状态，相比用于拉挤成型的其它树脂系统，这只需要很短的时间。
另外，部分酸与碳酸钙填料反应，形成金属皂，该金属皂也会迁移到口模的金属表面，从而增强金属表面的润滑性。在体系混合之前，可通过预处理碳酸钙来补充该反应，其增加了体系的稳定性，并可增加混合物的储存时间而不损失性能。
随着异氰酸酯和多元醇的反应，它们的密度略有增加(如约0.5％～1.0％)，从而使体积相匹配地减小。同时，由于口模的加热和异氰酸酯与多元醇的反应放热使聚合添加剂的温度上升，从而导致其体积增加。
这里公开的树脂前体体系固化后的弹性模量为约350,000～500,000，优选450,000～500,000。与常规树脂体系(例如不饱和聚酯或环氧乙烯基酯)相反，在这里公开的树脂体系固化后的断裂伸长率为约6％～15％，优选7.5％～10％。该树脂体系增大的断裂伸长率使得制造的拉挤复合部件中的树脂能继续支撑载荷下的增强纤维，使得当提高外加负载时有更多的纤维来分担载荷。因为该树脂的断裂伸长率大于所有通常使用的纤维(包括碳、聚合物和玻璃纤维)的断裂伸长率，而且该树脂体系的模量足够有效分配载荷，可以预期在受到弯曲、受压、拉伸或扭转载荷下对拉挤结构型材的破坏将出现在纤维中(而不是发生在树脂上)。这导致与用相同纤维含量和常规树脂体系例如聚酯、乙烯基酯或酚醛树脂制成的同样部件的极限强度相比，结构的极限强度增大2或3倍。对这些树脂而言，通常的树脂破坏模式是树脂的剪切破坏，这会导致未支撑纤维在所述负荷下的纵向弯曲(buckling)远低于纤维的理论容纳负荷容量。
高强度树脂体系的极限强度的优点还能在与主要荷载途径和与主要纤维增强物取向方向垂直的方向上带来益处。因为传统树脂的极限强度的限制，如果不含横向取向的增强纤维，则用它们制造的结构横向强度很低。但是，在拉挤部件中引入横向纤维将增加结构的重量和成本。如果用高强度树脂体系替代，则横向强度增加。在许多情况下都完全不需要横向增强物。
使用所述改进树脂体系的另一个优点是，拉挤部件的结构特点使它们能承受用于干墙或片状金属的紧固件而不开裂，从而可以在所述部件的组装和安装中使用简单的机械连接方法。例如可以使用螺丝、钉或类似物的紧固件来紧固窗和门中制造使用的拉挤线状物，而不存在紧固位置线状物开裂的危险。
根据本申请描述的实施方案的树脂前体体系的流变和固化动力学特征使得其能够以与传统树脂体系相当或更快的速度运转。横向增强纤维的消除也提供了改善的制造拉挤部件的加工速度。例如，传统的拉挤成型工艺能够以约3～5英尺/分钟的速度操作，而不使用横向增强纤维的拉挤成型工艺能够以约约4～10英尺/分钟的速度操作。
实施例1
根据一个理论的示例性实施方案，准备的树脂前体包括169重量份的异氰酸酯组分、二组分多元醇的共混物、4.2重量份的脱模剂和4.2重量份的填料，该二组分多元醇的共混物包括30.3重量份的第一多元醇组分和60.6重量份的第二多元醇组分。异氰酸酯组分包括BASF LupranateM20S，第一多元醇包括Carpenter Carpol GP725，第二多元醇包括BayerMultranol 9133，脱模剂包括Technick Products CR-250，填料包括Huber的碳酸钙。
实施例2
根据另一理论的示例实施方案，准备的树脂前体包括175重量份的异氰酸酯组分、三组分多元醇的共混物、4.2重量份的脱模剂和4.2重量份的填料，该三组分多元醇的共混物包括27.5重量份的第一多元醇组分、27.5重量份的第二多元醇组分和36.6重量份的第三多元醇组分。异氰酸酯组分包括Bayer Mondur 486，第一多元醇包括Solvay CAPA 3091，第二多元醇包括Dow Voranol 230-660，第三多元醇包括BASF Pluracol 858，脱模剂包括Axel Plastics Pul-24，填料包括Huber涂覆过的碳酸钙。
图3是根据示例实施方案的拉挤成型工艺制造复合部件的系统100的示意图。系统100的运行方式将参考图7进行说明，其解释了根据示例实施方案制造复合部件的工艺或方法200中各步骤的流程图。
在排列在如筒子架120的固定件上的线轴122上提供纤维纱线或丝束110形式的增强材料。线轴122排列成使每束丝束110供给到工艺的下一步骤，且不与其它丝束或筒子架120干扰或缠绕。在以40磅的“落纱筒”供给玻璃纤维丝束的情况下，落纱筒布置在最末端。筒子架120提供垂直和水平的方式排列的落纱筒，使得丝束110从落纱筒内送出。在碳纤维、聚合物纤维或其它高强度纤维的情况下，每个线轴122安装可以引入可调旋转阻力的纺锤上。纺锤垂直和水平地排列，以便它们不会干扰或缠绕。
提供特征(未示出)以保证了供给每束丝束110通过筒子架120而避免干扰。根据示例实施方案，每束丝束通过筒子架结构上的一系列孔。这些孔可以抛光或不抛光，或可以引入由减小纤维摩擦和防止纤维磨损的物质制得的镶嵌件。孔在所述结构中布置成使纤维不互相交叉或彼此接触。丝束成排排列在筒子架的出口端，使得出现问题或丝束缺少的位置对操作者来说显而易见，并在进入所述工艺的下一步骤时方便对准纤维丝束。根据示例实施方案，这些特征的尺寸足以使纤维接头通过，该接头是在一卷纤维用光并需要在不停止生产下进行替换时产生的。
在步骤210中(图7)，每束丝束110通过所示为支撑固定件130(如成形卡)的元件或部件中的孔口或孔132供给。支撑固定件130包括多个孔132，穿过这些孔，丝束110可以与要制造的产品的最终设计形状一致的图案走线。根据示例实施方案，支撑固定件130是具有约0.5英寸厚度的塑料板(如聚乙烯、尼龙等)。孔132具有约0.25～0.5英寸的直径，并被排列为相邻孔间距为0.5～1.0英寸。支撑固定件130的一个功能是按照所需形状直接将丝束提供给浸渍口模的背板，而没有下垂或交叉。
根据示例实施方案，提供了系统140，其使用两个容器142、144和计量装置146来计量和供给高强度、双组分的聚合物树脂前体(例如前述的热固性聚氨酯基树脂前体)。两个容器中的一个(如容器142)容纳用于形成树脂前体的一种反应材料的和多种加工助剂；另一容器(如容器144)容纳不含任何加工助剂的第二种反应材料。两个容器内的化学物保持分离，直到刚好在其进入拉挤系统的浸渍口模中之前，在导入口模中之前同时将其泵入并混合预定的时间。
应该理解的是，容器142和容器144中组分的具体比例依靠于具体使用的组分而变化。根据另外的示例实施方案，每个容器内的化学物可以变化。例如每个容器都可包括反应化学物和加工助剂。根据另外的示例实施方案，也可提供不同数量的容器(如三个容器，每个容器都容纳有反应物，或三个容器中的两个容器可包括反应化学物，而第三容器可包括加工助剂、颜料、紫外线稳定剂等)。
树脂前体的组分被计量装置146(如计量泵系统)以希望的比例调配。为在复合部件的制造中提供改进的效率，提供两个容器142、144中的化学物以使在制造复合部件过程中可导致反应化学物的完全消耗(即进入浸渍口模的化学物的流速与化学物混合的速度匹配)。相比于传统拉挤成型工艺，此方法减少了废料的产生。
在优选实施方案中，用泵送系统来调节组分比率，并且其在与材料消耗量相配的速度下运行，所述组分通过可随意使用的静态混合器148来混合。该混合系统可以在与材料消耗速率相配的连续速度下运行(即可以以基本上等同于流体流入浸渍口模速度的速度混合化学物)，或可间歇操作来保持流体液面在工艺的后续步骤中位于最低和最高液位之间。
根据一个示例实施方案，组分在树脂前体进入浸渍口模第一室前少于5分钟时混合。根据另一示例实施方案，所述组分在树脂前体在进入浸渍口模的第一室前少于1分钟时混合。这种方法的一个优点是，在制造过程中树脂前体按需制造，不需储存额外树脂前体或提前将其混合。
纤维丝束110和混合过的树脂前体141(图6)的每一种被引入所示为浸渍口模150的装置中，该浸渍口模构建为可使每束纤维丝束内的单根长丝完全涂覆上树脂，且将具有合适比例的树脂前体和适合形状的纤维的紧密混合的树脂-纤维体输送到固化口模的入口。如图4-6中所示，该装置150包括其中具有多个孔口或孔153的背板151，和使用树脂体系润湿纤维丝束110的第一室或区154和第二室或区156。在步骤220中(图7)，丝束110首先被引入第一室154，接着在步骤230中被引入第二室156中。涂覆纤维和丝线的装置150和方法将在下文更详细地说明。
以前，增强材料的润湿被看作单一步骤的操作。为了比传统的拉挤成型工艺给纤维丝束110(纤维丝束内的单个纤维)提供完全的润湿，浸渍口模150将润湿纤维的过程分为两个不同的步骤，所述步骤被相同的物理规律支配，其在不同的范围内和不同的尺度上进行。
将润湿过程如此分开是因为润湿工艺动力学非常不同，必须保持不同的流动条件，以最大化每个步骤的效率，一步骤法所需的流动条件不必与其它所需的条件相同或相似。这两个润湿步骤被两个物理原理支配。第一，流体流动通过多孔介质(如丝束的润湿)通常由达西定律描述。第二，毛细管作用(如单根长丝或纤维的润湿)一般由沃什伯恩方程来描述。
达西定律描述了液体系统通过多孔介质的流动。达西定律可以由下述方程表示：
Q＝AKΔh/L
其中Q为体积流速，A为垂直于L的流体面积，K是水力传导系数，Δh/L是路径长度上液压压头的变化。虽然达西定律可被认为通过K术语(水力传导系数)考虑了毛细管作用，但在实际过程中随着规模的变化和涉及变化的力的相对重要性而必须使用不同的数值，从而使达西定律在描述整个润湿过程中不太有效。
沃什伯恩方程描述了多孔介质中流体的毛细流动，并考虑了流体与多孔介质的分子间作用力。其表示为以下等式：
L2＝γDt/(4η)
其中t是粘度为η和表面张力为γ的流体穿过距离L进入可充分润湿的多孔材料所需的时间，多孔材料的平均孔径是D。
第一步骤工艺-纤维丝束的外部润湿-的尺度是达西定律起主导作用、而毛细管作用如有影响也影响很小的范围。但是第二步骤工艺-每个纤维丝束内单丝的润湿-的尺度是毛细管作用变得最重要，或甚至起主导作用的范围，即润湿机制。
润湿操作的第一步骤是用液体树脂前体浸湿纤维纱线或丝束表面的过程(例如步骤220)。提供第一室154作为常压″浴槽″，丝束110在分开足够距离后进入该浴槽，其使得液体树脂前体141围绕丝束110自由流动。为了互相分开丝束110，丝束穿过包括与每束丝束110对应的孔153的背板151进入第一室154。孔153是互相间隔的，以使丝束间的距离足以让树脂前体141无障碍地流过纤维体，以使在第一室中的树脂前体141是无空隙的。每个孔153的直径比丝束110的直径大，以容纳相对单线的丝束细丝通过该孔，并允许当一个纤维卷用完后用另一个卷替换时产生的接头通过。板的厚度要大于丝束直径(1英寸或更大的)。要防止树脂前体由于丝束110通过孔的逆流运动从第一室154流出。
根据一个示例实施方案，浴槽处在常压下。保持足够高的浴槽液面以便所有的纤维纱线或丝束能被液体覆盖足够的时间，使得树脂前体141经过并绕所有丝束流动。当液体和移动纤维体离开浴槽进入第二室156(图4)时，通过从连续或间歇泵送/计量/混合系统(例如体系140)添加树脂前体141进入第一室154来保持浴槽中的树脂前体141的液面。
因为在第一室154中浴槽处在常压下，而且丝束110互相分开适当距离，所以丝束110的外表面可以靠重力的力量无障碍地彻底浸湿，以致树脂无空隙地充满整个室。在初始浸湿之后，树脂纤维体包含明显过量的树脂前体(是将最终变成最终部件的树脂前体的量的多倍)。需要浸湿每个丝束110表面的时间长度主要地取决于树脂的粘度，但同时也可能小程度地依赖于树脂前体和纤维之间的界面表面张力的相互关系。
所述工艺的第二步骤(如步骤230)是液体树脂前体体系渗透到在每根纤维或长丝之间或周围的单个纤维丝束内的间隙中。润湿的丝束110进入第二室156，该第二室具有以下构造，该构造旨在通过产生使液体树脂前体穿透进入每束纤维丝束110中单根纤维间的间隙所需的条件，使液体树脂前体能够穿透进入单根纤维丝束110中。
根据示例实施方案，第二室156包括从入口到出口为锥形或横截面积减小的区域。第二室156出口端的横截面积和形状被设置为接近于固化口模160入口及其最终部分的横截面积和形状。第二室156的锥度(入口区与出口区的比)可以基于多种因素而变化。其中，这些因素可以包括如树脂前体体系的粘度、树脂前体体系与纤维增强物的界面表面张力、和制造产品的开始速度和目标制造速度。
尽管单束丝束的直径为约1mm或更小，单根长丝或纤维却小得多，其直径为约30微米或更小。在这样的尺寸下，毛细管作用变为影响润湿的速度和程度的主要作用机制，甚至是主导机制。可以影响流入丝束内的毛细管作用包括以下因素：
1.孔隙尺寸(即进入丝束的通道的尺寸和形状)。树脂前体流入丝束内部孔隙空间在垂直于丝束主轴线的侧向发生。通道形状是矩形的，其沿着丝束的轴线的尺度(dimension)是无穷的，而垂直于纤维的尺度等于丝束内部公称长丝的间隔。
2.树脂前体必须经行的距离。在纤维丝束基本上是圆柱形的情况下，因为树脂前体从整个周边流向丝束的中心，所以该距离等于纤维丝束的半径。
3.树脂前体体系的粘度。更高的粘度减小了毛细管作用的速度。
4.树脂前体系统和纤维间的界面表面张力。它是树脂前体系统对纤维在原子级上的吸引力的测量尺度。高界面表面张力表明树脂前体对纤维的引力较强，毛细管作用速度更快。
如果由于低界面表面张力或高粘度使得毛细管作用变慢，同样支配丝束表面润湿的达西定律因素也适用于模型并影响润湿。在这种情况下，流速直接与压力成比例，而压力可以通过建造具有锥度的第二室的浸渍口模而以一定的速度增加，从而发生压力累积。锥度比、树脂前体的粘度、和纤维移动穿过室的速度支配了压力累积。
根据示例实施方案，树脂前体141的粘度为低于约2000，更希望为低于约1000。液体与纤维的界面表面张力为大于约0.02N/m，更希望为0.05N/m以上。在这些数值下，第一润湿步骤需要小于约3秒的时间完成，第二润湿步骤需要小于约10秒的时间完成。在丝束速度为60英寸/分钟下，第一室和第二室的长度可以短至约15英寸，第二室所需的锥度仅需要足够置换穿过装置入口而从纤维丝束逃逸出的空气。
在步骤240(图7)中，润湿过的、形成的树脂纤维体进入固化口模160。树脂-纤维体通过施加在固化口模160上的热量而加热。加热装置设置为可以在口模的入口和出口处提供不同的热量和不同的温度，这取决于所用树脂前体体系的流变性能。根据一个示例实施方案，在利用聚氨酯基树脂前体时，固化口模160被加热到温度约50～320℃。
根据示例实施方案，固化口模160可使用合适的金属制造，如工具钢、铝或其它金属。固化口模160可以涂覆抗磨损层，以减少树脂纤维体通过模时的腐蚀。固化口模160的入口可以构置为具有锥形入口，其提供给纤维体以额外的压制压力，保证树脂的浸渍。固化口模160的出口可以设置为允许有进行热膨胀的出口锥形，如减小摩擦及由此的牵引力所需要的。
根据一个示例实施方案，用排列在口模之上和之下的三个加热区中的电阻加热器(未示出)加热固化口模160，在口模的侧面或特别为插入加热器而设置的钻进口模内的腔室设置单个电阻加热器，以进行补充加热。在口模的入口和出口提供冷却系统(如冷却水系统)。冷却系统旨在阻止润湿装置内树脂前体的过早固化，和在部件离开口模时降低其温度至玻璃化温度以下。
根据一个示例实施方案，树脂-纤维体以约1～20英寸/分钟的速度穿过固化口模。根据一个示例实施方案，固化口口模的长度为约2～4英寸。应该理解，根据其它示例实施方案，树脂-纤维体的移动速度、固化口模的长度和其它参数(如固化口模的温度等)可以变化，并可以依赖于树脂前体体系和使用的增强材料的类型，以及希望的制造速度等变化。
离开固化口模160后，使固化部件或产品112在步骤250(图7)中在室温下冷却，以至能够达到进行部件装卸的温度。根据一个示例实施方案，产品112的冷却以被动冷却的工艺进行，其中空气在约10英尺的距离内在部件周围循环。根据另一示例实施方案，部件在冷却过程中通过的距离可以不同(如距离可大于或小于10英尺)。根据另外的示例实施方案，可以使用强制通风或其它冷却系统来冷却部件(例如冷水槽等)。
通过拉拔装置170产生的拉伸力将固化产品112从固化口模160中取出。该拉拔装置170可提供为往复夹持系统或连续履带式夹持系统。
在步骤260(图7)中，使用锯180或类似装置将固化产品112切成规定长度。该锯设置为自动切割固化产品112至规定的长度，并可以由电脑或其它装置控制。根据示例实施方案，所述锯由能切割增强塑料部件的材料制造(如碳化物或金刚石耐磨材料)。
那些查阅本公开内容的人可以理解，与传统润湿系统相比，本润湿纤维和纤维丝束的系统和方法可提供不同的优点。例如，根据示例实施方案，本方法和系统能够以高速连续法制造纤维增强塑料产品，该产品具有足够的强度、刚性和环境耐受性，使得它们更适合作为结构件在如窗户、门和商业、住宅建筑的外墙托板的建筑领域中使用。
重要的是要指出，各示例实施方案中所示系统的结构和排列仅仅是出于说明的目的。虽然在本公开内容中仅详细描述了本发明的一些实施方案，但那些理解了本说明书的本领域技术人员将轻易地领会在没有显著背离权利要求书列举主题的新颖性教导和优点的前提下许多修改是可能的(如尺寸、大小、结构、不同元件的形状和比例、参数值、安装的排列、材料的使用、颜色和取向的变化等)。例如，显示为一体形成的部件可以由多个部件或元件组成，反之亦然，所述部件的位置可以调换或在其它方面改变，分开的部件或位置的性质或数量可以改变或变化。因此，所有这些修改都被确定为包括在如所附权利要求书限定的本发明范围之内。任何工艺或方法步骤的次序或顺序都可根据备选实施方案变化或再排序。在没有脱离如所附权利要求书表示的本发明范围的前提下，在示例实施方案的设计、操作条件和配置中可以作出其它替代、修改、变化和省略。

Claims (17)

1、一种制造拉挤部件(50)的方法，其包括：
提供多束纤维丝束(110)，该多束纤维丝束(110)的每束都含有多根纤维；
提供用于用聚合物树脂前体(141)润湿所述多束纤维丝束(110)的第一室(154)和第二室(156)；
牵引所述多束纤维丝束(110)穿过第一室(154)，用聚合物树脂前体(141)润湿它们的外表面；
牵引所述多束纤维丝束(110)穿过第二室(156)，使每束丝束(110)内的多根纤维润湿；和
牵引经润湿的多束丝束(110)和纤维穿过固化口模(160)，形成拉挤部件(50)。
2、权利要求1的方法，其中所述纤维丝束(110)的每束都包含多根玻璃纤维。
3、权利要求1或2的方法，其中所述聚合物树脂前体(141)是热固性聚氨酯树脂前体。
4、前述权利要求之一的方法，其中所述第一室(154)被设置为与第二室(156)相接。
5、前述权利要求之一的方法，其中所述第一室(154)被构建为在常压下从混合系统(140)接收所述聚合物树脂前体(141)。
6、前述权利要求之一的方法，其中所述第一室(154)被设置为与第二室(156)流体连通的常压浴槽。
7、前述权利要求之一的方法，其中牵引多束纤维丝束(110)穿过第一室(154)的步骤包括牵引所述纤维丝束(110)通过聚合物树脂前体(141)的浴槽。
8、前述权利要求之一的方法，其还包括以与聚合物树脂前体(141)的消耗相匹配的速度提供聚合物树脂前体(141)到第一室(154)。
9、前述权利要求之一的方法，其还包括在牵引纤维丝束(110)穿过第一室(154)和第二室(156)步骤的同时，准备聚氨酯树脂前体(141)。
10、前述权利要求之一的方法，其还包括在提供聚合物树脂前体(141)到第一室(154)之前少于约5分钟时，混合聚合物树脂前体(141)。
11、权利要求9的方法，其中准备聚氨酯树脂前体(141)的步骤包括混合第一组分和第二组分，所述第一组分包括第一反应材料和多种添加剂，所述第二组分包括第二反应材料。
12、前述权利要求之一的方法，其中所述第二室(156)从其入口到其出口是锥形的。
13、前述权利要求之一的方法，其中所述第二室(156)被构建为使聚合物树脂前体(141)能够通过毛细管作用渗透到纤维丝束(110)中。
14、前述权利要求之一的方法，其还包括在牵引纤维丝束(110)穿过第一室(154)之前，牵引多束纤维丝束(110)穿过背板(151)，其中牵引纤维丝束(110)穿过背板(151)的步骤使所述纤维丝束(110)与相邻的纤维丝束(110)分离，从而使聚合物树脂前体(141)能够绕纤维丝束(110)流动。
15、权利要求14的方法，其中所述背板(151)包括尺寸足以使捻接的纤维纱线通过的多个孔(153)。
16、前述权利要求之一的方法，其中牵引多束纤维丝束(110)穿过第一室(154)和第二室(156)的步骤以约4～10英尺/分钟的速度进行。
17、前述权利要求之一的方法，其中提供纤维丝束(110)的步骤包括从筒子架(120)上展开纤维丝束(110)。
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