泡沫材料增强的结构构件的制作方法

泡沫材料增强的结构构件的制作方法
【专利摘要】一种复合材料，用于增强作为管件或具有任何封闭剖面的构件的封闭结构构件。更具体地，一种复合材料，用于填充形成车辆座椅框架的金属管件或具有任何封闭剖面的构件，以增加或保持座椅框架的强度，同时减轻座椅管件或具有封闭剖面的构件的质量。
【专利说明】泡沬材料增强的结构构件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]该PCT专利申请要求于2011年7月19日提交的题为“泡沫材料增强的结构构件(Foam Reinforced Structural Member)”的序列号为61/509，239的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部公开被认为是本申请公开内容的一部分且通过引用并入本文。
[0003]发明背景
[0004]1.发明领域
[0005]本发明通常涉及用于增强例如管件或具有基本封闭剖面部分的任何构件的封闭结构构件的复合材料和方法。更具体地，本发明涉及用于填充诸如形成车辆座椅框架的管件的金属管件或具有封闭剖面部分的任何构件的复合材料和方法，以增加或保持所述构件的强度，同时减少所使用金属的质量以及减轻总重量。
[0006]2.现有技术的说明
[0007]诸如框架构件的结构支撑构件通常需要一定的壁厚以便保持抗各种应力和压力的所需强度水平。框架构件的实例包括用于车辆座椅的框架。车辆座椅通常包括下部座椅部分和上部座椅部分。上部和下部座椅部分通常可枢转地联接到一起，并且包括用于给座椅提供支撑和形状的在上部和下部之间分开的座椅框架。座椅框架典型地包括位于上部座椅部分内的上部框架部分和位于下部座椅部分内的下部框架部分。座椅框架通常由座垫包绕，其依次由形成可见的 就座表面的表面材料所覆盖。虽然座椅框架可由各种材料和结构来形成，但是许多座椅框架通常由诸如钢或钢合金的管状金属材料制成。框架通常具有诸如圆柱方形、矩形、六角形的封闭剖面部分和其它剖面。
[0008]车辆座椅的构造使得管状座椅框架整体上经受不相等的力。当乘员就座于座椅上时，诸如在倾斜的位置或在发生碰撞的情况下，这些不相等的力尤为严重。更具体地，框架的某些区域与其它区域相比经受更高的负荷和应力。因此，整个管状座椅框架目前被设计成在其整体具有足够的材料或厚度，以支撑仅仅在有限的位置或条件下所发生的最大负荷。由于人们期望的管状框架所必须承受的应力水平增加，为了提供足够的支撑，框架所用材料的重量和量通常也在增加。虽然已经使用诸如使用特殊合金或使用有限程度的可变壁厚度的一些技术，但这些技术是昂贵的。此外，在座椅框架的除了经受最小应力或负荷的那些区域之外的区域在保持所需的性能特征和维持或降低座椅框架成本的同时还没有成功地减少所用的材料和重量。
[0009]一些制造商已尝试用聚氨酯泡沫材料或基于其它氨基甲酸酯的泡沫材料填充诸如座椅框架的结构构件以便增加强度。在给定聚氨酯泡沫材料密度情况下，增加有限的额外强度，但在许多情况下增加额外的重量，而且成本增加，因此这些聚氨酯填充的管件也只取得了有限的成功。

【发明内容】

[0010]本发明涉及泡沫材料或复合材料增强的封闭结构构件，用于填充结构构件的复合材料或泡沫材料，以及用复合材料或泡沫材料填充结构构件的方法。更具体地，本发明涉及适于在车辆座椅中使用的座椅框架管件，其选择性地填充有复合材料。复合材料配置成在将复合材料嵌入到结构构件中之前、之后或同时，允许将管件加热、弯曲和焊接到封闭结构构件的最终形状。如果结构构件将要在其将经受非均匀分布的力的应用例如在车辆座椅框架中使用的话，复合材料可选择性地仅位于需要增强的结构构件或管件的部分中。复合材料的类型、密度和组成可取决于在结构构件那些部分中所需增强的量而在所述结构构件的不同部分中进行变化。
[0011]为了优化增强的结构构件的强度和重量，应首先对增强的座椅框架将所经受的力进行分析。结构构件的厚度则可配置成足够坚固以便经受住仅在遇到最小量的力的结构构件部分中可能产生的力。该复合材料用在结构构件的其它部分中以便增强抵抗将由结构构件将经受的更大力和应力。例如，如果结构部件在一个部分中将经受10牛顿的力，而在结构构件的其余部分仅经受5牛顿的力，则结构构件的整体厚度可选择成耐受至少5牛顿的力，并且该复合材料将选择性地位于经受10牛顿力的结构构件的部分内。复合材料的类型、密度和位置可选择成防止结构部件在不同位置处的损坏，最大限度地节省重量，提供总成本降低，并且在某些情况下可设定固化时间，以确保所有的成形操作在复合材料硬化到具有结构刚性的复合物之前完成。
[0012]复合材料通常涉及用粘合剂保持在一起的轻质结构材料。在将结构材料嵌入到管件中的过程中可使用助流剂。结构材料可由诸如WL300、WL150的空心微珠(cenosphere)或珍珠岩形成。该结构材料形成复合材料的40-95%，典型地为45-75%。
[0013]附图的简要说明
[0014]因为参照结合附图考虑的下述详细说明可更好地理解本发明的其它优势，因此将更容易地理解本发明的其它优点，其中:
[0015]图1是包括表示适于泡沫材料增强的示例性位置的阴影区域的示例性上部座椅框架的前视图；
[0016]图2是包括表示适于泡沫材料增强的示例性位置的阴影区域的第二示例性上部座椅框架的前视图；
[0017]图3是示例性的泡沫材料增强管件对没有用聚氨酯复合材料增强的相同管件的负荷对挠度的曲线图；
[0018]图4是示出具有相似性能的管件的重量与用泡沫材料增强的示例性管件的柱状图；
[0019]图5是示例性泡沫材料增强的管件对空管的负荷对挠度的曲线图；
[0020]图6是示例性静态混合器的横截面视图；
[0021]图7是示例性机械混合器的横截面视图；
[0022]图8是示例性的被填充的框架构件的横截面视图；以及
[0023]图9是各种尺寸的空心微珠的放大视图。
【具体实施方式】
[0024]参照附图，其中贯穿若干附图相同的附图标记指代相应的部件，诸如形成座椅框架的管件20的结构构件通常在图1和图2中示出为用复合材料22增强的上部座椅框架。示例性实施例的结构构件或管件20在附图中示出为适于车辆座椅的靠背框架结构。然而，应当理解的是，结构构件20可在范围广泛的其它应用中使用。例如，结构构件可用于使得车身具有刚度和适于支柱和轨道的阻碍偏移性能以及车门承梁中的提高的侧面碰撞的性能。此外，如图中所示的示例性实施例的结构构件20当以横截面观察时具有圆形形状；然而，结构构件20可以具有任何所需的横截面形状，且横截面可以沿其长度变化。管件20通常由金属材料形成，但可替代性地使用非金属材料。结构构件的大小、形状或结构也可以根据需要变化。
[0025]如图3中所示，复合材料22选择性地设置于管件20内部中以便增强管件20的特定部分。换言之，复合材料22可设置于管件20的需要增强的部分中，而其它部分保持为空的部分。复合材料22的增强可通过允许管件20由更薄的材料制成而降低材料成本，反过来使增强管件20的重量和成本最小化。复合材料22的局部应用增加结构构件的抗弯曲能力和刚度，且使得为了质量得以优化而减少壁厚成为可能。此外，复合材料22的类型和复合材料22的密度可在管件20的每一不同部分中进行变化。复合材料22的不同密度可用于进一步优化结构的几何形状以便使得结构构件20的质量减少。复合材料22的密度和组成可优选地基于管件20的各部分所需的增强量以及重量考虑来进行选择。例如，能够进行高水平增强的致密复合材料22可位于经受重载荷的管件20部分内，而具有较低增强能力但更轻的较不致密(或密度较小)的复合材料22可位于需要较少增强的管件20的部分内。在图3的示例性实施例中与用更浅阴影表示的较不致密复合材料22相比的用更深阴影表示的致密复合材料22。然而，应当理解的是，增加复合材料22的密度并不总是能够增加管件20的加固，因此，应慎重选择复合材料22的类型和密度。此外，对于某些材料而言，结构材料可具有比形成所述复合材料的粘合剂和其它材料更小的密度，并且因此，和上述示例相反，较不致密的复合材料22提供更大的加固。
[0026]如图1和图2中所示，示例性实施例的增强管件20包括弯曲部分24。如将在下面进一步详细论述的那样，这些弯曲部分24可在复合材料22嵌入到管件20内之前、期间或之后而在管件20中形成。
·[0027]结构构件20可用各种复合材料增强，包括诸如陶瓷微球或空心微珠的泡沫状陶瓷材料，或包括珍珠岩的泡沫状复合材料。对于在座椅中使用的通常结构构件而言，本发明的包括复合材料的系统允许适于座椅框架的通常钢管在质量上平均减少约0.8-2.0千克。由于重量的这种减少可以根据结构构件20的大小、形状和配置而变化，因此重量减少可配置成使其不导致降低结构构件的强度即可。更具体地，本发明使用独特的复合材料结构，其包括添加微球以便允许在成本和质量显著减少的情况下具有高于或等于现有材料的性能要求。
[0028]使用标准的聚氨酯泡沫材料的一个问题是，聚氨酯泡沫材料填充的管件通常允许重量减轻，但整体填充的管件产品的成本比空心钢管的成本更高。因此，这些聚氨酯泡沫材料填充的管件的应用受到很大限制。此外，石油的价格和这些泡沫材料填充的管件的聚氨酯成分的价格具有相当大的相关性，这会导致增强结构构件总成本的变化。
[0029]本发明使用一种独特的复合材料，在某些应用中其是一种泡沫材料或泡沫状复合材料，而在其它应用中其不是泡沫材料或泡沫状材料，同时提高管件的性能特性。第一种复合材料是珍珠岩材料。珍珠岩是非常成本有效的，且复合材料可由30-95重量％的珍珠岩形成。所述第二种材料是微球或更具体地是几乎成本有效的具有各种尺寸的也已知为空心微珠的陶瓷微球。该复合材料也可由30-95重量％的这些陶瓷微球形成。第三种材料可以是陶瓷微球和/或珍珠岩的组合物，总共形成复合材料的30-95重量％。应当认识到结构材料特别是珍珠岩或微球的密度可能会发生变化，这也可能会改变这些所形成的复合材料的重量百分比。例如，不同尺寸的陶瓷微球或空心微珠的密度也可变化，以及较不致密的结构材料将通常由与较致密的结构材料相比的重量百分比更低的复合材料形成。上述三种类型的材料可单独地或组合地与粘合剂或助流剂一起使用。
[0030]如图3中所示，使用填充有增强材料的管件比中空管件提供弯曲变形前的更大负荷，以及在较低的负荷下弯曲变形没有进一步增加。如图4中进一步示出的那样，本发明的复合材料具有通常在管件中所使用的包括聚氨酯泡沫的其它填充材料的几乎一半的重量。如图5中进一步示出的那样，线A和B示出了填充有本发明复合材料的结构构件和增强构件在所施加的负荷下如何只有很少的弯曲变形。相比较而言，由线C所示的空管在出现严重损坏之前具有最少量的负荷和高水平的弯曲变形。实际上，该管件随着弯曲变形的增加针对额外的弯曲变形需要更小的力。线D示出填充有24PCF泡沫材料的管件，其比中空管件具有更大的抗弯曲变形性，但是在14，000N的负荷下经受灾难性的损坏，且具有约65毫米的弯曲变形。线E示出了填充有18PCF泡沫的管件，和用本发明的复合材料增强的结构构件相比，其在结构构件的显著弯曲变形之前也需要更少的负荷。所有的管具有约38mm的外径和约0.8mm的厚度。
[0031]珍珠岩是一种无定形的火山玻璃，其具有相对高的水含量，通常由黑曜岩的水合形成。它会自然生成，在充分加热时具有不寻常的极大扩展的特性，且常常用在熔炉中。由于处理后其重量轻，其是一种工业矿物和商业产品。当干燥时，其重量显著减轻，且可用作膨胀填料。
[0032]发明人发现了珍珠岩的一个优势，当在结构构件中使用时，其是一种玻璃，当温度达到850-900 V时，其软化，且截留在材料结构中的水汽化，产生气泡，从而使得材料膨胀，这又降低了密度。水的蒸发使得体积大致膨胀其初始体积的约7-30倍。由于所截留气泡的反射能力，膨胀的材料具·有明亮的白色。未膨胀的(“原始”)珍珠岩具有约llOOkg/cm3(1.lg/cm3)的堆密度，而典型的膨胀珍珠岩具有约30-150kg/cm3的堆密度。因此，相比于密度典型为384kg/cm3的聚氨酯泡沫配制物而言，珍珠岩具有显著更低的密度。管件的封闭结构可限制膨胀，以及嵌入到结构构件20内的珍珠岩的量需要加以限制，否则管件可能会因为膨胀过程而变形。因此，珍珠岩的添加量也需要加以控制，且将取决于管件的体积、对管壁施加的力和膨胀珍珠岩的所需密度而进行变化。
[0033]珍珠岩的典型组成是70-75 %的二氧化硅SiO2，12-15 %的氧化铝Al2O3，3-4 %的氧化钠Na2O, 3-5 %的氧化钾K2O, 0.5-2 %的氧化铁Fe2O3,0.2-0.7 %的氧化镁MgO，0.5-1.5%的氧化钙CaO和3-5%的烧失量(化学/结合水)。当然，因为珍珠岩是一种天然矿物，所截留的水量以及化学成分都可以变化。正因为如此，珍珠岩的所用量和其膨胀后的密度也可以变化，且需要在制造增强结构构件过程中加以选择。珍珠岩是天然存在的矿物，且可能存在其它杂质和包括其它杂质。
[0034]包括珍珠岩的泡沫状复合材料22的一种配方通常包括:按重量百分比计，多元醇15-65%，水0.1-0.5%，珍珠岩10-60%和二苯基甲烷二异氰酸酯(“MDI”)20-30%，优选约25%。发现可用的另一种材料包括:按重量百分比计，多元醇5-70%，水0.0-0.5%，珍珠岩70-10%和MDI20-30%。这些复合材料通常只有具有类似性能的典型的聚氨酯泡沫材料成本的25%。
[0035]所述的复合材料22可以使用空心微珠或微球来代替珍珠岩或除了珍珠岩之外另外添加作为结构材料。空心微珠是空心的陶瓷微球，其通常是燃煤发电厂的副产物。空心微珠是在1500至1750°C的高温下通过复杂的化学和物理变化而产生的。在发电厂当煤粉燃烧时会产生粉煤灰。粉煤灰中的陶瓷颗粒具有三种类型的结构。第一种类型的颗粒是固体的且被称为沉淀剂。第二种类型的颗粒是中空的且被称为空心微珠。第三种类型的粒子被称为空心微球(plerosphere),其为内部填充有更小尺寸的沉淀剂和空心微珠的大直径中空颗粒。由于中空结构，空心微珠具有低的密度。本发明使用空心微珠作为结构材料。空心微珠是包含在粉煤灰中的较轻颗粒。大多数空心微珠是从灰池“满载”或吸入粉煤灰。灰池是湿法处理后粉煤灰最后的存放地点。一些空心微珠也由发电厂自身收集。湿的微球然后经烘干、分类处理和包装以满足客户的要求。取决于生成它们的煤炭的组成，它们的化学组成和结构有相当大的变化。更具体地，空心微珠的性质取决于所使用的煤的一致性和电厂的操作参数。只要煤的一致性和操作参数保持恒定，空心微珠将是相当一致的。空心微珠具有10-600微米的粒度范围。
[0036]本发明的发明人已经发现，空心微珠是一种小球，其具有高的球形率或在形状上更为球形，更具体地，具有基本上均匀的球形能提高树脂预混合物的流速，降低粘度，减少内部应力。因此，在处理过程中，在制造复合材料时产生较少的热量，以便防止局部的热分解。如上面所述的空心微珠也更加均匀地分散于混合物中，且减少通常所需的其它化学品诸如粘合剂和助流剂的用量，同时也减少了 VOC指标和成本。当放置于管件或其它结构构件中时，空心微珠的尺寸稳定性必须是很高的，且出人意料的是，空心微珠甚至允许对结构构件的后续成形 、弯曲和焊接具有很少或几乎没有不利的影响。使用适当的空心微珠/粘合剂比，可使结构构件的耐冲击性、表面硬度和整体强度得以显著改善。
[0037]如上所述，高性能空心陶瓷微球的密度仅是聚氨酯泡沫材料密度的一部分。传统上，只有少量的空心玻璃微球或空心微珠被用来代替较重的材料，例如在混凝土中添加少量，不超过10体积％。然而，本发明人惊奇地发现，当放置于结构构件中时可以使用高含量的空心微珠，诸如45-90%。当考虑到每单位体积的成本而不是单位重量的成本时，高性能的空心玻璃微球的使用可以显著降低成本。
[0038]空心玻璃微球的密度通常为0.20-0.60g/cm3,矿物填料的密度通常为2.7-4.4g/cm3，聚氨酯的密度通常为0.384g/cm3。本发明使用空心微珠，其是直径范围大约在25至300+微米的用于增强结构构件的低比重的空心陶瓷珠。该方法可设定成生产均匀混合物或不均匀的混合物。
[0039]空心微珠相对便宜，但质量会因批次而有所不同。空心微珠具有一些限制，包括空心微珠物理性质的变异性和不可预测性，空心微珠不能承受诸如当在水泥中使用时会在井眼水泥灌浆中遇到的高压力水平。作为一种商品而不是工程产品，空心微珠没有明确定义的值或质量参数。空心微珠通常是通过浮选而不是通过尺寸或其它参数分级分离的，而且那些浮选空心微珠是在现场使用的。标称空心微珠的密度为0.7g/cc，但在500磅的最小压力或更高的压力下，该值可提高到0.85g/cc。空心微珠也可能在运输和处理过程中由于粒度大小产生析出，从而导致浆料或预混合物的密度变化。[0040]本发明特别使用了作为空心微珠的高性能的中空玻璃微球作为一种在复合材料中使用的超轻质廉价无机填料。大部分空心微珠的真密度为0.15-0.60g/cm3,直径为2-130微米。具体地，WL300空心微珠的堆密度为约0.4g/cm3,平均抗压强度为6500磅/平方英寸，熔点为1700-1900°C，比重为0.6-0.8。WL300的平均粒径为10-350微米，优选20-300微米。类似的空心微珠也可从环球服务(Sphere Services)以商品名Bionic Bubbleff-300商购到。
[0041]可在表1中发现示例性的空心微珠。
[0042]表1
[0043]
【权利要求】
1.一种用于增强封闭结构构件的复合材料，所述复合材料包括: 15-65重量％的多元醇； 0.1-3%重量的水； 10-95重量％的陶瓷微球、珍珠岩或陶瓷微球和珍珠岩的组合物，并且其中所述陶瓷微球是基本中空的； 5-30%的聚合二苯基甲烷二异氰酸酯；以及 0.1-5%的表面活性剂，并且其中所述表面活性剂可溶于异氰酸酯和多元醇中。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其包括10-95重量％的陶瓷微球，并且其中所述的复合材料基本上不添加珍珠岩。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述多元醇和所述水形成多元醇预混物，所述多元醇预混物与由所述陶瓷微球和所述聚合二苯基甲烷二异氰酸酯形成的异氰酸酯预混物混合，并且其中所述多元醇预混物和所述异氰酸酯预混物混合，并嵌入到所述封闭结构构件内。
4.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述陶瓷微球的尺寸范围为10-600微米，且为大致球形的形状。
5.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述陶瓷微球具有约0.20-0.60g/cm3的密度。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述多元醇包括5-15%的游离氮。`
7.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述多元醇选自基本由HyperliteE-850,Hyperlite E-824 和 Multranol4050 构成的组。
8.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述二苯基甲烷二异氰酸酯选自基本由DOW的 Mondur489 和 Voranol RA800 以及 BASF 的 Quadrol 和 Bayer 的 Multranol4050 构成的组。
9.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述多元醇包括至少四个氮基团，在每个末端具有两个胺基团，加上一个羟基，而且配置成用作具有羟基基团的催化剂。
10.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述表面活性剂是聚硅氧烷聚醚共聚物。
11.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述二苯基甲烷二异氰酸酯包括3-48%的游离 NC0。
12.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述多元醇包括苯乙烯丙烯腈。
13.根据权利要求2所述的复合材料，其中所述空心微球具有的堆密度为64-352kg/m3，比重为0.6-0.8，抗压强度为3000-6500磅/平方英寸及高于1900华氏度的软化点。
14.根据权利要求2所述的复合材料，其中基于100重量份的多元醇，所述复合材料包括0.1-3份的水，2-8重量份的聚硅氧烷聚醚共聚物，100-180重量份的芳香族异氰酸酯，50-90重量份的空心微球，1.6-12重量份的聚合酸和最高至5重量份的催化剂。
15.根据权利要求14所述的复合材料，其中所述空心微球占60-85的重量份。
【文档编号】C08G18/00GK103797039SQ201280044259
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年7月19日 优先权日:2011年7月19日
【发明者】J·T·麦克沃伊, P·J·麦克拉伦, A·I·巴林, M·J·托马斯 申请人:约翰逊控制技术公司