用于形成纤维增强聚合物带材的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本申请要求享有2012年12月20日提交的美国临时专利申请61/740, 001的优先 权，并且所述美国临时专利申请的整个内容通过参考包含于此。
【背景技术】
[0002] 在各种应用中已经采用由包埋在聚合物树脂中的纤维所形成的复合带材和杆。例 如，这样的带材，并且更具体地，由带材所形成的杆，可以用作轻质结构增强物。这样的杆的 一个具体应用是在石油和天然气工业中，例如，在海底应用中以及在陆上石油和天然气生 产领域中。例如，在陆上或海底应用中，可以在立管、输送管线、脐带缆和/或其它适当的管 道组件中利用多层管道。在生产现场应用中，可以在立管、内场流动管线、出口管路和/或 其它适当的管道组件中利用多层管道。例如，电力脐带缆经常用于在海面和位于海床上的 装备之间传输流体和/或电信号。为了帮助加强这样的脐带缆，已经尝试使用拉挤碳纤维 杆作为单独承载元件。这样的杆的其它应用可以包括例如用在高压电缆、绳索等中。带材的 应用可以包括例如用在高压容器中以提供其增强物。通常，复合带材和杆可以用在任何适 当的应用中，所述应用会需要例如高强度重量比的元件、高耐腐蚀性和/或低热膨胀性能。
[0003] 然而，目前已知的用于生产复合带材和杆的方法和设备有许多显著的问题。例如， 复合带材和杆典型地通过用聚合物树脂浸渍纤维粗纱来形成。许多粗纱依赖于热固性树脂 (例如，乙烯基酯）来帮助实现所需强度性能。热固性树脂在制造期间难以使用并且不具有 用于与其它材料形成层的良好粘合特征。另外，在其它类型的应用中已经尝试由热塑性聚 合物形成浸渍的粗纱。例如，颁布于Bryant等人的美国专利公布No. 2005/0186410说明了 将碳纤维包埋在热塑性树脂中以形成电传输缆线的复合物芯体的尝试。遗憾地，Bryant等 人注意到，这些芯体由于纤维的不充分润湿而表现出瑕疵和干斑，这导致较差的耐久性和 强度。这些芯体的另一个问题在于，热塑性树脂不可以在高温下操作。
[0004] 最近，已经开发出允许将纤维粗纱与热塑性树脂一起用于形成复合带材的方法和 设备。然而，这些目前已知的方法和设备在许多情况下已经导致又一些问题。例如，目前已 知的方法和设备已经导致复合带材具有不期望的较高孔隙水平。另外地，目前已知的方法 和设备典型地是昂贵的并且产生较高水平的多余废料。
[0005] 在使用当前已知的方法和设备形成复合带材期间特别关注的一个问题在用聚合 物浸渍的纤维粗纱固结到带材中期间出现。在这种形成期间，已浸渍的粗纱必须被固结和 冷却以产生固结的带材。典型地期望的是在固结已浸渍的粗纱期间冷却已浸渍的粗纱，以 便防止过晚固结。然而，当前已知的用于固结这样的粗纱的方法和设备在固结期间仅提供 极小的保留面积以用于冷却粗纱。为了确保粗纱在固结期间被充分地冷却，由粗纱横过这 种固结设备的速度受到限制。因而，这样的速度限制降低了复合带材的总体生产，导致总体 生产目标和效率损失。当在固结期间需要额外加热粗纱时，存在类似的这样的问题。
[0006] 因此，在本技术领域中需要改进的用于形成纤维增强聚合物带材的方法和设备。 尤其，将有利的是这样的方法和设备，即，所述方法和设备在固结期间提供增加的保留时间 和改进的传热。
【发明内容】
[0007] 根据本公开的一个实施例，公开了一种用于形成纤维增强聚合物带材的方法。该 方法包括：将用聚合物浸渍的粗纱横过包括入口和出口的系统；将系统内的固结压力施加 到用聚合物浸渍的粗纱；以及将系统内的平滑压力施加到用聚合物浸渍的粗纱。该方法还 包括：借助在入口和出口之间的传热装置调节用聚合物浸渍的粗纱的温度，传热装置具有 与在入口处的用聚合物浸渍的粗纱的温度不同的温度。
[0008] 根据本公开的另一个实施例，公开了一种用于形成纤维增强聚合物带材的系统。 该系统包括入口和出口，所述出口定位在入口的下游。该系统还包括固结压力装置，所述固 结压力装置可操作成随着用聚合物浸渍的粗纱在入口和出口之间横过而将固结压力施加 到用聚合物浸渍的粗纱。该系统还包括成型压力装置，所述成型压力装置可操作成随着用 聚合物浸渍的粗纱在入口和出口之间横过而将成型压力施加到用聚合物浸渍的粗纱。该系 统还包括传热装置，所述传热装置布置在入口和出口之间，传热装置可操作成调节在入口 和出口之间的用聚合物浸渍的粗纱的温度。
[0009] 以下更加详细地阐述本发明的其它特征和方面。
【附图说明】
[0010] 在本说明书的其余部分中，包括参照附图，更加具体地阐述了本发明的完全和可 以实施的公开内容，包括对于本领域的技术人员而言本发明的最好模式，其中：
[0011] 图1是根据本公开的一个实施例的固结系统的侧剖视图；
[0012] 图2是根据本公开的一个实施例的固结系统的顶视图；
[0013] 图3是根据本公开的另一个实施例的固结系统的侧剖视图；
[0014] 图4是根据本公开的另一个实施例的固结系统的侧剖视图；
[0015] 图5是根据本公开的另一个实施例的固结系统的侧剖视图；
[0016] 图6是根据本公开的一个实施例的带材的透视图；和
[0017] 图7是根据本公开的一个实施例的带材的剖视图。
[0018] 在本说明书和附图中重复使用附图标记，这意在表示本发明的相同或类似的特征 或要素。
【具体实施方式】
[0019] 本领域的技术人员将应理解，本文的讨论仅为示例性实施例的说明，而非意在限 制本发明的更广泛的方面。
[0020] 一般而言，本公开涉及用于形成纤维增强聚合物带材的系统和方法。尤其，本公 开涉及用于由一个或多个用聚合物浸渍的粗纱形成纤维增强聚合物带材的固结系统和方 法。根据本公开的系统和方法有利地提供增加的保留时间和改进的传热，例如，冷却和/或 加热，以便使由用聚合物浸渍的粗纱横过系统而形成纤维增强聚合物带材的速度可以在所 得到的带材的品质没有任何降低的情况下得以增加。在示例性实施例中，如以下将讨论的， 在横过根据本公开的系统期间在各种压力下粗纱被恒定地接触和放置，以便帮助在增加的 保留时间期间恒定传热。这允许用于增加横过速度，从而提高生产和效率。在某些实施例 中，例如，当期望冷却时，用聚合物浸渍的粗纱可以在通常高于用于聚合物材料的熔化温度 的入口温度下进入根据本公开的系统，所述入口温度例如在某些实施例中是介于约150°F 和约700 °F之间，例如在某些实施例中是介于约250 °F和约400 °F之间，例如在某些实施例 中是介于约300 °F和约350 °F之间，例如在某些实施例中是介于约400 °F和约650 °F之间。 由于使用根据本公开的方法和系统，纤维增强聚合物带材在这些实施例中可以在通常低于 用于聚合物材料的熔化温度的出口温度下离开这样的系统，所述出口温度例如在某些实施 例中介于约75 °F和约300 °F之间，例如介于约100 °F和约250 °F之间，例如介于约150 °F 和约200 °F之间，例如介于约200 °F和约300 °F之间。另外，当利用根据本公开的方法和系 统时，在形成纤维增强聚合物带材期间可以大于或等于约60英尺/分钟的速度发生这种冷 却，所述速度例如大于或等于约80英尺/分钟，例如大于或等于约100英尺/分钟，例如大 于或等于约115英尺/分钟。根据期望或根据需要，可以这样的增加的速度发生加热。
[0021] 图2示出多个用聚合物浸渍的粗纱10。如本文所使用的，术语"粗纱"通常指的是 一束个体纤维12。在粗纱内所包含的纤维12可以被搓捻或可以为直的。粗纱可以含有单 纤维类型或含有不同类型的纤维12。不同的纤维也可以被包含在个体粗纱中，或可替代地， 每根粗纱都可以含有不同的纤维类型。在粗纱中所采用的纤维具有相对于其质量的高度拉 伸强度。例如，纤维的极限拉伸强度典型地为约1000至约15000兆帕（"MPa")，在某些实 施例中为约2000MPa至约lOOOOMPa，并且在某些实施例中为约3000MPa至约6000MPa。即便 纤维具有相对轻的重量，例如每单位长度的质量为约〇. 05克/米至约2克/米，在一些实 施例中为约0. 4克/米至约1. 5克/米，也可以实现这样的拉伸强度。因而，拉伸强度与每 单位长度的质量之比可以是约1000兆帕/克/米（"MPa/g/m"）或更大，在某些实施例中 为约4000MPa/g/m或更大，并且在某些实施例中为约5500MPa/g/m至约20000MPa/g/m。碳 纤维尤其适于用作这样的纤维，g卩，所述纤维典型地具有在约5000MPa/g/m至约7000MPa/ g/m的范围内的拉伸强度与质量之比。纤维经常具有约4微米至约35微米的标称直径，并 且在某些实施例中，为约9微米至约35微米。在每根粗纱中所包含的纤维的数量可以是恒 定的或者在粗纱与粗糙之间可以不同。典型地，粗纱包含有约1000根至约50000根个体纤 维，并且在某些实施例中，包含有约5000根至约30000根个体纤维。
[0022] 每根粗纱10都可以用聚合物材料14浸渍，以便使纤维12通常被包埋在材料14 中。可以利用任何适当的装置或设备，例如，适当的拉挤或浸渍模具，将粗纱10用聚合物材 料14浸