專利名稱：復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其制造方法
復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及其制造方法本申請是申請?zhí)枮?00580045376. 3的中國專利申請的分案申請。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有許多不同的結(jié)構(gòu)材料，其至少部分地由合成樹脂制成，并且意圖用于取代木材。在設(shè)計(jì)這樣的材料時(shí)一個(gè)難以達(dá)到的目標(biāo)是同時(shí)達(dá)到合理的成本和相對高的強(qiáng)度和剛度。因而，例如通過廢木纖維和循環(huán)使用的熱塑性材料如聚乙烯的混合物的熱熔擠出而制成的合成木材，可以以足夠低的成本被生產(chǎn)出來且適于用作蓋板。但是這樣的合成木材， 對于需要經(jīng)受較高的彎曲和壓縮載荷、需要增強(qiáng)的靜態(tài)強(qiáng)度和剛度、和/或需要較大的抗震性和抗沖擊性的使用情況，通常被認(rèn)為是不適合的。因而，它不適合用作主結(jié)構(gòu)承載元件，如貨運(yùn)托盤(shipping pallet)的支柱、托梁、橫梁、縱梁。對于這些類型的用途，與聚合物和木材顆粒的熱熔擠出物相比，材料必須具有較高的破裂彎曲模量，抗懸臂梁式?jīng)_擊性、 抗壓極限強(qiáng)度、楊氏模量、和/或抗加速負(fù)載性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料包括一個(gè)尺寸穩(wěn)定的芯，所述的芯至少部分地被粘接于芯上的尺寸穩(wěn)定的層狀覆蓋層包圍。該芯可以包括任意尺寸穩(wěn)定的固體，且優(yōu)選包括一種樹脂狀基體，且所述基體中埋入一種或多種填料固體的樹脂狀基體。該層狀覆蓋層包括至少一層增強(qiáng)層，所述的增強(qiáng)層與至少一層尺寸穩(wěn)定的底基(web)材料相粘接。


圖1是本發(fā)明的板狀復(fù)合材料的優(yōu)選實(shí)施方式的截面圖，其中橫截面是垂直于復(fù)合材料的縱向截取的。圖2是本發(fā)明的片狀復(fù)合材料的優(yōu)選實(shí)施方式的截面圖，其中橫截面是垂直于復(fù)合材料平面截取的。圖3是本發(fā)明的板狀復(fù)合材料的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的截面圖，其中橫截面是垂直于復(fù)合材料縱向截取的。圖4是本發(fā)明的板狀復(fù)合材料的制造方法的示意圖。圖5和6A-6E是本發(fā)明的片狀復(fù)合材料的制造方法的示意圖。圖7A和7B是本發(fā)明柱狀復(fù)合材料的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的截面圖，其中每個(gè)橫截面都是垂直于復(fù)合材料的軸向截取的。圖8是本發(fā)明的復(fù)合材料板的托盤構(gòu)造的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的透視圖。圖9是本發(fā)明的最外面的托盤縱梁(pallet stringer)的透視圖。圖10是本發(fā)明復(fù)合材料板的托盤構(gòu)造的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的透視圖。圖11是本發(fā)明復(fù)合材料板的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的透視圖。圖12是本發(fā)明片狀復(fù)合材料的一個(gè)可替換的制造方法的示意圖。圖13是本發(fā)明另一個(gè)最外面的托盤縱梁的透視圖。
圖14是本發(fā)明板狀復(fù)合材料的一個(gè)可替換的實(shí)施方式的截面圖，其中橫截面是垂直于復(fù)合材料縱向截取的。
具體實(shí)施例方式A.復(fù)合結(jié)構(gòu)材料如圖1的截面圖所示，復(fù)合結(jié)構(gòu)材料2包括尺寸穩(wěn)定的芯4，所述的芯4至少部分的被粘接在芯上的、尺寸穩(wěn)定的層狀覆蓋層6包圍。1.芯芯可以包括任何尺寸穩(wěn)定的固體。硬的和半硬的固體都可以使用(這里“硬的”意思是至少基本上是硬的)。作為硬的固體的實(shí)例，木材本身就可以被用作芯材料，也可以是石膏和普通水泥的組合物，如與纖維素纖維混和(稀釋)的水泥。屬于半硬的種類的是彈性體，如天然或合成橡膠。優(yōu)選芯具有充分的抗壓扁性(crushresistance)，即其可以將復(fù)合材料一個(gè)表面上的載荷(壓力)傳遞到相對的表面上。例如，如果頂面被置于壓縮載荷下，底面將會(huì)由于芯的抗壓扁性而處于張緊力之下。無論是硬的還是半硬的，芯優(yōu)選包括樹脂。對于某些應(yīng)用，芯4優(yōu)選包括一些埋入樹脂狀基體10的填料固體8的片，如圖1所示。(這里用到的術(shù)語“樹脂狀基體”，傾向于包括有填料的和無填料的樹脂)a.樹脂狀基體當(dāng)芯包含樹脂狀基體時(shí)，優(yōu)選是熱固性樹脂。合適的熱固性樹脂的實(shí)例包括環(huán)氧樹脂、脲甲醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹酯、酚醛樹脂、聚酯樹脂、和聚氨酯樹脂(聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯)。任選的，樹脂狀基體可以是泡沫熱塑性樹脂，如泡沫聚苯乙烯。當(dāng)結(jié)構(gòu)材料具有盡可能低的比重是重要的時(shí)，優(yōu)選樹脂狀基體是泡沫合成樹脂， 最優(yōu)選是硬的或半硬的聚氨酯或酚醛泡沫體。聚氨酯樹脂通過使多元醇與聚異氰酸酯反應(yīng)而制得。反應(yīng)是放熱的。聚氨酯分子的交聯(lián)或接枝，可以通過使反應(yīng)混合物中包括一些多元醇分子和/或具有至少三個(gè)官能團(tuán)的異氰酸酯分子、以及通過相應(yīng)地調(diào)節(jié)反應(yīng)物比率而達(dá)到。通過充分的交聯(lián)，得到了硬的或半硬的熱固性聚合物。硬度可以通過例如，選擇使用的多元醇來控制，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。為了制造硬的或半硬的聚氨酯泡沫，要由多官能異氰酸酯、多元醇、發(fā)泡劑、催化劑、通常還有孔眼尺寸調(diào)節(jié)劑(如表面活性劑)形成混合物。一旦各成分化合，氨甲酸乙酯形成反應(yīng)就開始了。溫升產(chǎn)生了，且當(dāng)物質(zhì)膨脹和固化時(shí)，一種或多種發(fā)泡劑使閉孔在聚合物中形成。溫升典型地達(dá)到至少約150° F的峰值溫度。異氰酸酯和多元醇反應(yīng)物包括足夠具有三個(gè)或更多官能團(tuán)的分子，以至于交聯(lián)度或分枝度足以生產(chǎn)生至少半硬的泡沫。在制造硬的或半硬的泡沫時(shí)，通常使用芳族聚異氰酸酯。一些實(shí)例是甲苯二異氰酸脂(TDI)和聚異氰酸酯(PMDI)，聚異氰酸酯(PMDI)是由苯胺與甲醛縮和得到的?？墒褂玫亩嘣及ň勖讯嘣己途埘ザ嘣?。多官能羥基化合物或胺的環(huán)氧丙烷的加合物是一種類型的可使用的聚醚多元醇。有時(shí)也應(yīng)用聚酯多元醇與聚醚多元醇的混合物。鹵代烴，如氯氟代烴和氟代烴，可以被用作發(fā)泡劑。也可使用低級(jí)烷烴如丁烷、戊烷、和環(huán)戊烷。可使用液態(tài)的二氧化碳。也可以使用水，因?yàn)樗鼘⑴c異氰酸酯反應(yīng)在原位形成二氧化碳。有時(shí)水或碳化二亞胺催化劑作為共發(fā)泡劑被用來生成二氧化碳。通常情況下，與催化劑和孔眼尺寸控制劑一起，一種或多種發(fā)泡劑與多元醇發(fā)生預(yù)混合，其中孔眼尺寸控制劑通常是表面活性劑。這些都是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的，并且在例如，Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4th Ed. (1997)，vol. 24，pp. 695-715 中有所描述， 在這里通過引用合并入。術(shù)語“聚氨酯體系”可以用來指一種由異氰酸酯、多元醇、催化劑、發(fā)泡劑、和孔眼尺寸控制劑組成的特殊組合物，其可以發(fā)生反應(yīng)形成聚氨酯泡沫。幫助識(shí)別和區(qū)分聚氨酯體系的特性是，當(dāng)各組分在開式容器中混合時(shí)，特殊體系將會(huì)形成的泡沫的密度(“自由起發(fā)密度”)?？紤]到的是，能夠產(chǎn)生大約3或4磅/立方英尺(pcf)到大約50-60pcf的自由起發(fā)密度的聚氨酯體系，通常是優(yōu)選用于本發(fā)明的。聚氨酯體系可以通過在密閉的或部分密閉的模具中限制聚氨酯的自由起發(fā)密度來模制為較高的密度。當(dāng)起發(fā)限制在模中時(shí)，生成的聚氨酯具有比聚氨酯體系的額定自由起發(fā)密度更高的密度(“模制密度”)。在由縱梁、前緣板和內(nèi)部蓋板(interior deck board)構(gòu)成的、由本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)材料形成的托盤中，縱梁優(yōu)選使用得到模制密度為32-34pcf的聚氨酯體系。內(nèi)部蓋板優(yōu)選使用得到模制密度為12-17pcf的聚氨酯體系。前緣板優(yōu)選使用產(chǎn)生模制密度為約 14-20pcf的聚氨酯體系。一些用于本發(fā)明的聚氨酯體系中可使用的市售異氰酸酯/多元醇的配對實(shí)例，如下所示
權(quán)利要求
1.一種片狀的結(jié)構(gòu)材料，其中的改進(jìn)在于，所述材料是尺寸穩(wěn)定的芯材料的復(fù)合材料， 所述尺寸穩(wěn)定的芯材料夾在尺寸穩(wěn)定的覆蓋層片之間且所述覆蓋層連接于所述芯材料上， 其中所述覆蓋層具有層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)包括至少一層基本平行的增強(qiáng)紗線，所述增強(qiáng)紗線連接于至少一層處于所述紗線外部的底基材料上，所述底基材料選自硬化紙和硬化布。
2.如權(quán)利要求1的片狀結(jié)構(gòu)材料，其中所述芯材料包括泡沫聚苯乙烯，所述底基材料包括用聚酯樹脂硬化的紙，并且所述結(jié)構(gòu)材料的至少一側(cè)具有多層紙的表面，所述表面包含一內(nèi)層材料以阻擋所述聚酯硬化樹脂的轉(zhuǎn)移。
3.如權(quán)利要求1的片狀結(jié)構(gòu)材料，其中所述芯材料包括泡沫聚氨酯和所述底基材料包括用環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂硬化的紙。
4.如權(quán)利要求3的片狀結(jié)構(gòu)材料，其中所述底基材料中的所述硬化樹脂包括玻璃微球，其數(shù)量占硬化樹脂和填料總體積的約10-50 %，并且其中至少50體積％的所述玻璃微球具有約125微米或更小的粒度。
5.如權(quán)利要求4的片狀結(jié)構(gòu)材料，其中所述硬化樹脂是環(huán)氧樹脂。
6.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其包括尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述芯材料被連接于所述芯材料上的尺寸穩(wěn)定的覆蓋層所包圍，層狀結(jié)構(gòu)的覆蓋層包括至少一條基本平行的增強(qiáng)紗線的帶， 所述增強(qiáng)紗線連接于至少一層選自硬化紙和硬化布的底基材料上，其中所述紙或布用硬化樹脂浸漬，其中的改進(jìn)在于所述硬化樹脂與固體粒狀填料組成混合物。
7.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)材料，其中所述填料是中空的微球，并且至少50體積％的所述填料具有125微米或更小的粒度。
8.如權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)材料，其中所述填料由選自玻璃、陶瓷、聚合物和礦物的材料組成，并且所述填料具有小于約0. 5g/cc的比重。
9.如權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)材料，其中所述填料是玻璃微球。
10.如權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)材料，其中所述填料占硬化樹脂和填料的混合物體積的至少10%。
11.一種制造細(xì)長的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，其特征在于包括以下步驟a)形成兩條多孔底基材料的可折疊層合材料，所述的多孔底基材料選自紙和布，至少一條增強(qiáng)紗線帶夾在所述底基材料之間，所述紗線沿縱向延伸，并且所述多孔底基材料帶和位于這些帶之間的所有材料都用熱固性樹脂前體混合物浸漬；b)將所述層合材料折疊成槽形并水平地定向，使所述多孔底基材料帶中的一條位于頂部而另一條的多孔底基材料帶位于底部；c)在所述層合材料仍然可以折疊時(shí)，在所述層合材料的槽中置入一種液態(tài)基體樹脂前體組合物，該組合物與所述層合材料中的所述樹脂前體混合物相容，并且在該組合物充分反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生一種至少半硬的熱固性基體樹脂；d)折疊封閉的和密封的所述層合材料，以使其環(huán)繞并限定一個(gè)容納所述基體樹脂前體組合物的芯空間；和e)將封閉的層合材料和其內(nèi)容物置于模具中，并處于有助于所述層合材料中的所述熱固性樹脂和所述芯空間的所述基體樹脂固化的條件下，保持一段足以使兩種樹脂充分固化的時(shí)間，從而(i)使所述層合材料和所述基體樹脂都制成至少半硬的，(ii)所述基體樹脂與其可以包含的任意填料，填充所述芯空間，和(iii)將所述層合材料和基體樹脂連接在一起；其中的改進(jìn)在于，在用所述熱固性樹脂前體混合物浸漬之前，位于底部的多孔底基材料帶的至少一側(cè)用合成樹脂膜涂覆，并且所述的底基材料是定向的，以使在步驟b和c期間，其樹脂涂覆側(cè)面朝下，所述合成樹脂膜足以基本上防止所述熱固性樹脂前體混合物的任何成分滲透過所述多孔底基材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述多孔底基材料是紙，所述熱固性樹脂前體混合物是一種反應(yīng)生成環(huán)氧樹脂的混合物，并且所述合成樹脂膜是一層約1-5密耳厚的聚丙火布。
13.—種細(xì)長的、四面的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，在其整個(gè)長度上具有基本上均勻的、非正方形的矩形橫截面，所述材料包括尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述芯材料被連接于所述芯材料上的尺寸穩(wěn)定的覆蓋層所包圍，所述覆蓋層是層狀結(jié)構(gòu)，其包括至少一層基本上平行的增強(qiáng)紗線， 所述增強(qiáng)紗線連接于所述紗線外部的至少一層底基材料上，所述底基材料選自硬化紙和硬化布，其特征在于所述結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)寬度側(cè)具有所述底基材料的縱向凹槽肋，從而在所述的肋中具有所述凹槽底基材料的相對的壁部分。
14.如權(quán)利要求13所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其中所述凹槽肋陷進(jìn)所述結(jié)構(gòu)材料的距離至少約為所述結(jié)構(gòu)材料厚度的1/3。
15.如權(quán)利要求14所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其中在所述凹槽肋中，所述凹槽底基材料的相對壁部分彼此相平并連接在一起。
16.如權(quán)利要求14所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，其中在所述凹槽肋中，所述凹槽底基材料的相對壁部分在朝向所述結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的方向上彼此成一角度。
17.—種制造細(xì)長的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，包括以下步驟a)形成兩條多孔底基材料的可折疊層合材料，所述的多孔底基材料選自紙和布，至少一條增強(qiáng)紗線帶夾在所述多孔底基材料之間，所述紗線沿縱向延伸，并且所述多孔底基材料帶和位于這些帶之間的所有材料都用熱固性樹脂前體混合物浸漬；b)將所述層合材料折疊成槽形并水平地定向，使所述多孔底基材料帶中的一條位于頂部而另一條的底基材料帶位于底部；c)在所述層合材料仍然可以折疊時(shí)，在所述層合材料的槽中置入一種液態(tài)聚氨酯樹脂前體組合物，該組合物與所述層合材料中的所述樹脂前體混合物相容，并且在該組合物充分反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生一種至少半硬的泡沫聚氨酯樹脂；d)折疊封閉的和密封的所述層合材料，以使其環(huán)繞并限定一個(gè)容納所述基體樹脂前體組合物的芯空間；和e)將封閉的層合材料和其內(nèi)容物置于模具中，并處于有助于所述層合材料中的所述熱固性樹脂和所述芯空間中的所述聚氨酯樹脂固化的條件下，保持一段足以使兩種樹脂充分固化的時(shí)間，從而(i)使所述層合材料和所述泡沫聚氨酯樹脂都制成至少半硬的，(ii)所述泡沫聚氨酯樹脂與其可以包含的任意填料，填充所述芯空間，和(iii)將所述層合材料和所述泡沫聚氨酯樹脂連接在一起；其中的改進(jìn)在于，在用所述熱固性樹脂前體混合物浸漬之前，將所述多孔底基材料的頂部帶輸送通過除濕區(qū)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中多孔底基材料的頂部帶是紙，并且當(dāng)所述的紙帶離開除濕區(qū)時(shí)，它的含水量約為5重量％或更少。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中離開所述除濕區(qū)的多孔底基材料的頂部帶的含水量處于約1-4重量％范圍內(nèi)。
20.一種柱狀結(jié)構(gòu)材料，其基本上包括復(fù)合材料的螺旋卷繞片，所述的復(fù)合材料具有尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述的芯材料夾在連接于所述芯上的尺寸穩(wěn)定的覆蓋層之間，其中所述覆蓋層是層狀結(jié)構(gòu)，其包括至少一層大體上平行的增強(qiáng)紗線，所述紗線連接于所述紗線外部的至少一層底基材料上，所述底基材料選自硬化的紙和硬化的布，其中所述底基材料用熱固性合成樹脂硬化，所述的樹脂也將螺旋的相鄰圈連結(jié)在一起。
21.一種貨運(yùn)托盤，其包括多個(gè)蓋板，所述蓋板固定在一對平行的縱梁上，其中每根所述的縱梁具有兩個(gè)凹槽以容納叉車叉齒，其特征在于每個(gè)所述的縱梁包括(a)一橫截面通常為矩形的上部板，其包括尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述芯材料被連接于所述芯材料上的尺寸穩(wěn)定的覆蓋層所包圍，所述的上部板與(b)面對面固定，(b)一橫截面通常為矩形的下部板，其與上部板長度基本相同，并且也包括尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述芯材料被連接于所述芯材料上的尺寸穩(wěn)定的覆蓋層所包圍，其中所述的下部板具有底面，在所述底面外已切割兩個(gè)叉車叉齒凹槽。
22.如權(quán)利要求21所述的貨運(yùn)托盤，其中所述上部板通過粘合劑連接與所述下部板固定在一起。
23.一種貨運(yùn)托盤，其包括多個(gè)蓋板，所述蓋板固定在一對平行的縱梁上，其中每根所述的縱梁具有兩個(gè)凹槽以容納叉車叉齒，其特征在于每個(gè)所述的縱梁包括(a)一橫截面通常為矩形的上部板，其包括尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述芯材料被連接于所述芯材料上的尺寸穩(wěn)定的覆蓋層所包圍，所述的上部板與(b)面對面固定，(b)三個(gè)橫截面通常為矩形的下部塊，其與所述上部板排成直線，每個(gè)所述的塊也包括尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述芯材料被連接于所述芯材料上的尺寸穩(wěn)定的覆蓋層所包圍，其中所述三個(gè)塊中的一個(gè)大體上位于所述上部板下側(cè)的中心，其它兩塊在所述中心塊的兩側(cè)， 并且在每個(gè)側(cè)面塊和所述中心塊之間都具有一個(gè)間隙，從而限定出兩個(gè)叉車叉齒凹槽。
24.如權(quán)利要求23所述的貨運(yùn)托盤，其中所述三個(gè)塊通過粘合劑連接與所述板固定在一起。
25.—種包括權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu)材料的柱狀復(fù)合材料。
26.—種包括權(quán)利要求25的結(jié)構(gòu)材料的電話電桿。
27.一種包括權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu)材料的海上樁材。
28.—種包括權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu)材料的鐵路枕木。
29.—種包括權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu)材料的圍欄。
30.一種包括權(quán)利要求20的結(jié)構(gòu)材料的電話電桿。
31.一種包括權(quán)利要求20的結(jié)構(gòu)材料的海上樁材。
全文摘要
本發(fā)明公開一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料適于作為例如木質(zhì)板、片或柱的替代品。所述復(fù)合結(jié)構(gòu)材料包括尺寸穩(wěn)定的芯材料，所述芯材料大體上被連接在所述芯材料上的尺寸穩(wěn)定的層狀覆蓋層所包圍。所述層狀覆蓋層包括至少一條基本平行的增強(qiáng)紗線帶，所述的增強(qiáng)紗線帶與至少一層尺寸穩(wěn)定的底基材料連接在一起，所述的底基材料選自硬化紙或硬化布。優(yōu)選的，增強(qiáng)紗線帶夾在兩層硬化紙和布之間。所述芯材料可以是，例如，帶有或不帶有填料的泡沫合成樹脂。本發(fā)明還公開了一種制造該材料的連續(xù)過程。
文檔編號(hào)B32B29/02GK102285180SQ20111011330
公開日2011年12月21日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者A·J·羅斯, G·M·帕爾默 申請人:亨特佩因創(chuàng)新公司