复合材料制件的制作方法

专利名称：复合材料制件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及复合材料制件，具体来说，但并不仅仅是，涉及 用于水工基础结构(例如管子、水道、储水或蓄水系统以及贮水池)的复合 材料制件。该制件一般具有设计成贮存或输送水的封闭或开放的中空部 件。这种制件通常用于自来水、雨水和废水(包括雨水、灰水和污水)等各 种类型的水，应了解的是，本发明具有广泛的应用，并不局限于只用在 水工基础结构方面。
在某特定的应用中，水工基础结构制件具有由金属制成的中空部件， 优选的是由具有耐腐蚀金属涂层的钢带制成，下文以此为例来说明本发 明。然而，应了解的是，本发明具有广泛的应用，并不局限于金属制成 的水工基础结构制件。
背景技术：
由钢带制成的水工基础结构制件具有广泛的潜在应用。这些应用包 括输送城镇用水、排污水或雨水、灌溉系统以及涵洞管道用的管子。由 钢带制成的水工基础结构制件的其它应用还包括贮水池以及储水或蓄水 系统。
在一种形式中，钢带可以形成为具有封闭中空截面的管子，为了增 加强度，该管子也可以具有沿其长度延伸的外形。在一种形式中，该外 形沿基体螺旋延伸，而该基体由螺旋巻绕钢带工艺制成。
人们发现，至少在某些情形下，形成连接聚合物组件和金属基体的
复合结构的制件，例如水工基础结构制件，是有益的。该聚合物组件可
以有多种用途。例如，该聚合物组件至少可以制作接头的零件，使一个 部件与另一个部件相连接而在接头处形成水密封。或者，该聚合物组件
可以用作贮水池或储水/蓄水系统的底部或顶部结构的零件。

发明内容
第一方面，本发明提供一种复合材料制件，它包括基体和在该基体
5表面上浇铸而成的聚合物组件。
根据本发明的这个方面，在所述基体表面上形成了作为铸件的所述 聚合物组件。这样的配置能够简化制件的制造，所以该配置具有显著的 实际利益。此外，因为所述聚合物材料作为流体被引到所述基体表面上， 所以即使在所述基体表面被加工为具有加强筋等外形的情况下，所述聚 合物组件表面也能够与所述基体表面匹配。
在本说明书的上下文中，所使用的与所述聚合物组件有关的术语"浇 铸"或者诸如"铸件"等的"浇铸"的变形术语包括所有的模具技术和/ 或由此技术形成的制品，只要是将所述聚合物材料引入模具从而使所述 聚合物组件形成为特定形状即可。
在一种形式中，将所述组件浇铸到基体表面上从而使该组件粘结到 该基体表面上。在某特定形式中，组件和基体面的粘结形成了该基体和 该组件之间的流体密封。
在一种形式中，所述制件用于水工基础结构，并且基体具有中空截面。
另一方面，本发明提供一种水工基础结构制件，它包括具有中空截 面的基体、在该基体表面上浇铸形成的聚合物组件和在基体表面与所述 聚合物组件之间形成的水不能渗透的界面。
在一种形式中，由金属板制成基体，而在某特定的形式中，由具有 耐腐蚀金属涂层的钢板制成基体。
在聚合物组件与基体表面粘结的特定形式中，所述制件还包括在基 体和聚合物组件之间的中间层，该中间层对粘结工艺有帮助。在一种形 式中，在向基体浇铸组件期间，引入该中间层。在另一种形式中，在浇 铸前即引入该中间层。
在某特定的形式中，基体是由金属制成的，在浇铸组件之前，将中 间层涂敷于金属上，结果在该金属上形成了聚合物涂层。在特定的形式 中，该聚合物涂层就是聚合物膜的形式。该聚合物膜不仅有助于将所述 组件和所述基体结合起来而且可以用于其它目的。例如，该聚合物膜可 以作为金属的防潮层和/或提高金属的耐化学性。这种聚合物膜可以包括低密度或高密度的聚乙烯、PVC (聚氯乙烯)和聚丙烯。 一种适合的聚
合物膜是以商标TRENCHCOATtm LG出售的膜。本申请人也出售商标为 AQUAPLATE^的PVC涂覆钢板制品，可用于水工基础结构制件。
在一种形式中，将所述聚合物组件浇铸于基体表面上，其中该基体 表面被加工为具有一定的外形。该外形可以有多种形式，并且可以包括 加强结构，例如波纹、筋等，用于提高所述基体的结构性能。作为一种 替代方式或附加方式，可以将所述表面加工为具有一定外形，为基体表 面和组件之间的界面提供曲折路径以限制水经所述界面渗漏，从而改善 所述基体表面和所述聚合物组件之间的流体密封。此外，作为一种替代 方式或附加方式，所述基体表面的外形还可以通过机械干涉来增强所述 组件和所述基体表面之间的连接，其中，所述机械干涉能够有效地将那 两部分连接起来。
通过在压力作用下将聚合物材料注入浇铸模具和/或通过在浇铸组 件之后冷却时控制该聚合物组件在所述基体表面上的收縮，可以改善阻 止流体经界面渗漏的物理障碍的设置情况和/或机械干涉的建立情况。
在一种形式中，制件是具有封闭截面的管子。在特定的形式中，所 述管子包括在该管子相对的两端之间延伸的一根外筋。申请人制造和出 售的商标为HYDRORIBtm的管子就是由具有TRENCHCOAT LG膜的 钢而形成的这种管子。
在一种形式中，在所述管子上浇铸所述组件，从而形成所述管子用 的接头。在一种形式中，在所述管子的一端形成所述接头。或者，可以 在该管子的中间部分形成所述接头，可提供所述管子的分支接头。
应了解，因为在该基体表面上浇铸该聚合物组件，所以在所述组件 的成型中存在很大的灵活性。此外，在一种形式中，可以浇铸该组件形 成为最终形状，但在另一配置中，可以浇铸该组件成为预成型件，后续 再进行处理(例如铣削加工)而使该组件形成为它的最终形状。


下面参照

本发明的实施例。应理解的是，这些附图和说明是用于理解本发明而不是对之前关于本发明的说明进行限制。 附图中
图1A、1B和1C是水工基础结构中使用的包含聚合物组件的各种管 接头的示意图2是管子的分支接头的示意图3是包含了聚合物基接头的贮水池的示意剖视图4是与基体部件的一端连接的浇注装置的示意侧视图5是图4所示浇注装置的端视图6是与基体部件连接的浇注装置的示意剖视图，该基体部件为外 表面带筋的结构；
图7是图6所示视图的变化形式，此处该基体部件带波纹；
图8是分解图形式的图1C所示管接头的一种变化形式；
图9是图8所示管接头的组装图；以及
图IO是图8所示管接头的剖视图。
具体实施例方式
图1A 图1C表示了用于连接第一管子100和第二管子200的各种接 头10、 20和30。这些接头包括了聚合物组件，通过在管子端部形成这些 聚合物组件而制作出复合材料制件1、 2和3，下面更详细地说明。
在该图示形式中，由具有抗腐蚀涂层的钢板形成管子100和管子 200。此外，可以将钢板加工为包括加强结构的外形，从而增加管子的强 度。这些加强结构可以是加强筋或/和波纹等。此外，可以用聚合物材料 涂敷管子100和管子200。这种聚合物材料可以是提供金属板防潮和/或 提高金属板耐化学性的膜的形式。这些聚合物膜可以包括低浓度或高浓 度的聚乙烯、PVC和聚丙烯。此外，该聚合物膜可以使各聚合物组件与 各自的管子之间的结合更便利。
申请人出售的商标为HYDRORIB的管子就是由钢带形成的管子的一个例子，其中的钢带包括沿管子呈螺旋形延伸的外表面筋。该管子包
括LD聚乙烯膜涂层，该涂层以商标TRENCHCOATTMLG出售，并且该 管子通过螺旋巻绕钢带工艺而形成。
管子100和管子200按照端到端的关系排列并通过接头10、 20和 30以水密封方式连接，从而可以在无限长度上输送水。由管子100和管 子200提供的基础结构可以是压力级的，从而供给城镇用水或灌溉用水， 或者可以是非压力级的，用于诸如涵洞管道或者排雨水等场合。通过接 头10、 20或30形成的密封效果很大程度上决定了管子的压力级别。
在图1A所示的实施例中，接头10包括了第一聚合物接头11和第 二聚合物接头12，通过在管子100端部形成所述聚合物接头11而制作出 复合材料制件l'，并通过在管子200端部形成所述聚合物接头12而制作 出复合材料制件l"。将这些接头彼此相邻地排列，从而在管子100和管 子200之间形成对接。可以在接头外配置夹紧件(图未示)将它们保持在适 当的位置上。
在图1B所示的实施例中，在管端101上形成第一接头21，从而制 成复合材料制件2'，并且在第二管子200的端部201上形成第二接头22， 从而制成复合材料制件2"。每个接头在其外端包括法兰23、 24，并且在 接头连接时这些法兰被排列成对接在一起。尽管没有图示，但一般来说 紧固件(图未示)，例如螺母和螺栓，延伸穿过法兰23和24而将管子联接 在一起。
在图1C所示的实施例中，接头30为承插型接头(bell and spigot type),包括钟形物31和套管32，在管子100的末端上形成钟形物31 ， 从而制成复合材料制件3'，并且在另一个管子200的末端上形成套管32， 从而制成复合材料制件3"。把套管32定位在钟形物31的空腔33内就将 管子100和管子200连接在一起，并且实现它们之间的密封。
图1A 1C的实施例表示了理论上用聚合物组件形成的常规接头类 型。正如本领域技术人员应了解的，为了提供水密封接头，可能还必须 使用诸如"O"形圈密封或压力密封。在图8~图10中显示了这种配置的例 子。
9在图8~图10所示的实施例中，将第一接头件50'(钟形物)设在管子 IOO的末端上，形成凹形组件，从而制成复合材料制件5'，而将另一个接 头元件51"(套管)设在另一个管子200的末端上，形成插入组件，从而制 成复合材料制件5"。将压力密封52"设在插入组件51"上并设计成与凹形 组件50'的内表面53'相配合。将部分压力密封置入在插入组件51"的外表 面内形成的凹进处54"中。
通过将插入组件51"定位在凹形组件50'的孔53'内，就形成水密封接 头。压力密封52"形成防水密封，并被设计成随着管子内部压力增加而向 内移动，与接头元件50'和51"更紧密地接合，因此不仅增加了密封性能， 而且防止了管子的意外脱扣。这样，不需要任何独立的夹紧件来保持管 子100和管子200在长度上沿轴向对齐。
除在接头元件之间形成的密封之外，接头的防水效果在某种程度上 取决于各聚合物组件和基体管子之间的界面。下面更详细地说明在这两 部分之间的这种防水界面的提供情况。
图2表示用于基体管子100的另一种接头40。在该实施例中，接头 40用于提供管子100的分支管路并形成于管子100两端101、 102的中间 部位。在该图示形式中，接头40形成从管子表面凸出的聚合物凸缘41。 凸缘41和管子100构成复合材料制件4，凸缘41限定了中心腔42，其 中设有孔104，该孔104位于管壁的下面。根据这种配置，在端部具有相 配接头的第二管子可以在接头40处与管子100相连接。
尽管在一种形式中可以离线形成接头40，但在另一配置中，可能需 要在现场将该接头安装到己铺设好的管子上。在这样的配置中，现场在 管壁上浇铸聚合物组件41并在管子内开出孔104。
图3表示另一种水工基础结构产品，即贮水池300。在图3的实施 例中，贮水池300也是复合材料制件，具有圆柱壁301，该圆柱壁301 由具有一定外形的金属带制成。此外，该金属带可以是具有抗腐蚀金属
涂层的钢板，也可以具有聚合物涂层。申请人出售的商标为 AQUAPLATE顶的产品即是一个合适的PVC涂布钢带的例子。钢带可以 被加工成具有波纹或筋的外形，并且贮水池壁可以螺旋巻绕钢带而制成或由更常规的结构制成，通过以一个叠置在另一个的顶部上的形式配置 多个圆柱板元件从而做成该贮水池壁。
在图3的实施例中，该贮水池具有聚合物组件55，该聚合物组件55 是在贮水池壁302底部上的铸件。该聚合物组件形成贮水池300的底部 组件303的一部分。
在以上说明的各实施例中，聚合物组件是直接浇铸在产品部件100、 200或300上的铸件。图4~图7更详细地说明这种浇铸工艺。
首先参照图4和图5，为了在基体部件400上浇铸该聚合物组件， 准备浇注装置500，它包括夹持基体部件400的模具壳501和502。模具 壳501和502分别具有模具内壁503和504，当这些模具壳夹紧产品部件 400时，模具内壁503和504与基体部件400的外表面401 —起形成封闭 型腔505，能够将聚合物材料引入该型腔505中。
浇铸装置500还包括将聚合物材料引入模具型腔505中的供料组件 506。该供料组件一般是挤压机/注射器系统的形式，即在相对低压(典型 的压力为210kPa 480 kPa)下以液体形式引入聚合物材料，从而使基体 部件400不变形。此外，可以使用单条或多条注入路径，以组合单个或 多个聚合物或其他模压材料的特性，从而产生对物理性能有影响的同质 或异质的结构并获得最终浇铸组件的经济效果。
一般来说，注入的聚合物材料可以为与聚烯烃、乙烯-醋酸乙烯酯共 聚物、聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、尼龙和相关共混物相关的树脂。 这些聚合物材料还包括作为附加物或替换物的与橡胶相关的化合物，并 且可以通过加入陶瓷或玻璃珠、定向纤维和/或由金属件用的聚合物制造 的固体插入物来加强这些聚合物材料。本领域技术人员应该了解，在不 脱离本发明范围的情况下，该聚合物材料的组成可以变化。
为了控制浇铸工艺的操作参数，可以加热基体部件400和/或模具壳 501和502，从而改善特定的聚合物流动特性。 一般来说，通过模具加热 装置507来完成加热。此外，可以选择性地冷却(通过装置508)这些部件， 从而控制材料的流动和已浇铸组件的收縮。在一种形式中，经过一段时 间， 一般少于15分钟，模具和/或管子就冷却至室温。此外，通过快速冷却接合区域内的聚合物材料而使模具和基体表面之间可以形成流体密 封。也可以使用接合处的密封垫来提供另一种流体密封。
此外，可以在设计配方时或在聚合物注入模具时，将气体和/或其它 化学起泡剂加入聚合物材料，用于增加模具内的压力，从而使聚合物材 料充满整个型腔，还用于控制浇铸部分的收縮和/或特定的聚合物和模具 型腔的填充特性。在一种形式中，这种工艺使聚合物组件的外层比芯更 致密。
图6和图7示意地表示在图5中显示的实施例的模具500，模具500 与外表面带肋的光孔钢管(图6)和波纹基管(图7)连接。
由于是将聚合物组件11直接浇铸在基体表面401上，所以就可以使 该组件精确获得所述表面形状，从而该组件基本上沿着这两个部分之间 的整个界面与所述表面密切地接触。这样就显著提高了界面或这两部分 之间的连接效果从而防止水渗漏。
在一种形式中，通过选择适当的材料，可以获得聚合物组件和基体 部件之间的牢固结合。在另一形式中，聚合物材料可以直接粘合到金属
表面上。或者，可以使用诸如上述的那些聚合物材料涂层预涂布管子， 从而使该涂层与组件的聚合物材料结合。在这样的配置中，加热涂层使 其变粘从而有助于在部件和组件之间形成粘合。 一般来说，将涂层加热 至卯°~180°，更优选约130°。
此外，如果基体部件400具有被加工成一定外形的外表面，如在图 6和图7中所示，那么在所述表面上浇铸聚合物组件之后，再设置机械干 涉， 一方面可以增加连接强度，另一方面可以产生有助于防止水经这两 部分的界面而渗漏的曲折路径。可以通过聚合物组件在浇铸之后冷却期 间的收縮来增强该机械干涉。
通过在基体部件上浇铸聚合物组件，在浇铸该组件之后，可以不需 要或者显著降低该组件再成型的需求。然而，应了解，如果需要复杂的 形状，那么可能需要某些后续成型。然而，在许多情形下是不需要后续 成型的。这就不仅简化了组件成型工艺和所需设备，而且提供了可以现 场浇铸组件的配置。这对需要进行现场连接的水工基础结构特别有利，
12例如在需要安装水道或管子的新部件的情况下。
在本发明所附的权利要求和上述说明中，除非根据明确语义或必然 含义而在上下文有要求，否则，单词"包括"及其类似用语如"包含" 或"具有"等都用作包括的含义，也就是说，在本发明的各个实施例中， 用来表示存在所述特征，但不排除其它特征的存在或加入。
在不背离本发明的精神或范围的前提下，可以改变或修改上述各个 部分。
权利要求
1. 一种复合材料制件，其包括基体和在所述基体表面上浇铸而成的聚合物组件。
2. 根据权利要求l所述的制件，其中，所述组件被浇铸到所述基体 表面上而使所述组件粘结到所述基体表面上。
3. 根据权利要求1或2所述的制件，其中，所述基体面被加工成具 有一定的外形，向所述基体和所述组件之间的连接处提供曲折路径。
4. 根据权利要求1 3之一所述的制件，其中，所述基体被加工成具 有一定的外形，在所述组件和所述基体之间产生机械干涉而改善了它们 之间的连接。
5. 根据权利要求3或4所述的制件，其中，所述基体被加工为包括 加强结构的外形而提高了所述基体的结构性能。
6. 根据权利要求1 5之一所述的制件，其中，所述基体由金属板制成。
7. 根据权利要求6所述的制件，其中，所述基体由具有耐腐蚀金属 涂层的钢板制成。
8. 根据权利要求6或7所述的制件，其中，所述制件还包括在所述 金属板和所述聚合物组件之间的中间层。
9. 根据权利要求8所述的制件，其中，所述中间层是涂敷于金属板 上的聚合物涂层的形式。
10.根据前述权利要求之一所述的制件，其中，所述制件用于水工基础结构，所述基体具有输送或贮存水的形状，并且在所述基体和所述组件 之间形成水不能渗透的界面。
11. 一种水工基础结构制件，其包括中空截面形式的基体、浇铸于所述 基体表面上的聚合物组件以及在所述基体和所述组件之间形成的水水不能 渗透的界面。
12. 根据权利要求11所述的制件，其中，所述组件被浇铸到所述基体 表面上而使所述组件粘结到所述基体表面上，所述组件和所述基体表面之 间的粘结在它们之间至少形成了部分水不能渗透的界面。
13. 根据权利要求11或12所述的制件，其中，所述基体表面被加工成 具有一定的外形，所述基体表面的外形在所述基体表面和所述组件之间的 界面提供了曲折路径，防止水经所述界面渗漏，从而改善了所述水不能渗 透的界面。
14. 根据权利要求11~13之一所述的制件，其中，所述基体表面被加 工成具有一定的外形，使得在所述组件和所述基体之间产生了机械干涉，改善了它们之间的连接。
15. 根据权利要求13或14所述的制件，其中，所述基体被加工为包 括加强结构的外形而提高了所述基体的结构性能。
16. 根据权利要求11~15之一所述的制件，其中，所述基体由金属板 制成。
17. 根据权利要求16所述的制件，其中，所述基体由具有耐腐蚀金属 涂层的钢板制成。
18. 根据权利要求16或17所述的制件，其中，所述制件还包括在所 述金属板和所述聚合物组件之间的中间层。
19. 根据权利要求18所述的制件，其中，所述中间层是涂敷于金属板上的聚合物涂层的形式。
20. 根据权利要求11 19之一所述的制件，其中，所述基体是具有封 闭截面的管子。
21. 根据权利要求20所述的制件，其中，所述管子包括在所述管子两 端之间延伸的至少一个外部加强结构。
22. 根据权利要求20或21所述的制件，其中，所述聚合物组件被浇 铸于所述管子上而形成所述管子用的接头。
23. 根据权利要求22所述的制件，其中，所述接头形成在所述管子的 端部。
24. 根据权利要求22所述的制件，其中，所述接头形成在所述管子两 端的中间。
25. 根据前述权利要求之一所述的制件，其中，所述聚合物组件是预 成型件，并在浇铸之后加工成它的最终形状。
全文摘要
本发明提供一种复合材料制件(1、2、3、4和300)，其包括基体(100、200和301)和在该基体表面上浇注而成的聚合物组件(41、50、51和55)。在一种形式中，该复合材料制件用于水工基础结构，而该基体是中空部件的形式，并且在所述基体表面和所述聚合物组件之间形成水不能渗透的界面。
文档编号B29C39/00GK101426632SQ200680051788
公开日2009年5月6日 申请日期2006年12月28日 优先权日2005年12月29日
发明者尼尔·埃德温·华莱士 申请人:蓝野钢铁有限公司