本專利申請要求于2014年5月12日提交的美國臨時專利申請序列號61/991,768的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用方式合并于此。
技術(shù)領域：
本發(fā)明大致涉及用于增強制品的材料和方法。盡管本發(fā)明的方法和材料也可以用于增強聚合物基制品，但特別方面是涉及用于增強金屬制品的方法和材料。特別是，本發(fā)明涉及利用用于增強制品的、可噴涂的可固化涂料。
背景技術(shù)：
：機動車輛、家電、燃料罐、液體輸送系統(tǒng)以及其他類似制品通常由板材制造而成。制造商一般優(yōu)選使用相對薄的板材以便減小所制造的制品的重量和/或成本。然而，板材制作的越薄，則其強度越小，并且這會引起耐用性和最終產(chǎn)品外觀的問題。例如，汽車工業(yè)正通過利用較薄的鋼材或鋁材用于制造來尋求減小重量，從而提高機動車輛的燃油效率。正如下述詳細解釋的一樣，本發(fā)明提供了通過向諸如鈑金制品(sheetmetalarticle)的制品施加一層相對輕重量、高強度增強材料來增強制品的材料和方法。這減少了制品的總重量同時維持其強度和外觀。技術(shù)實現(xiàn)要素：公開了一種用于增強由相對薄體材料制成的制品的方法，所述制品例如汽車車身板件、罐、管等此類。所述方法包括在制品的至少部分表面上施加組合物，該組合物包括增強材料分散其中的的可固化樹脂混合物。特別是，該樹脂材料可以包括雙酚A二縮水甘油醚和環(huán)氧酚醛樹脂的混合物，以及分散在其中的碳纖維增強材料。固化該組合物以產(chǎn)生增強了所述制品的高強度涂料。固化可以是熱固化，所述熱固化工藝可以與涂覆步驟或其它制造步驟整合。在一些具體例子中，所述組合物包括以重量計的10％-60％的雙酚A二縮水甘油醚、5％-25％的環(huán)氧酚醛、和5％-25％的碳纖維增強材料。本發(fā)明的可固化組合物在其未固化狀態(tài)下可以具有50,000-600,000cPs的粘度。所施加的層厚度可以為0.1-3.0mm，該厚度可以是均勻的，該厚度也可以沿制品各部分而改變。通過噴涂、擠涂、滴涂、推漿等可以實現(xiàn)涂料的施加。應注意的是，本發(fā)明的涂料不會被洗掉、或者換句話說不會污染處理槽，例如制作機動車輛或其他制品的工藝中通常使用的各類型磷化槽或者電鍍槽。還重要的是，本發(fā)明的涂層是可焊的。還公開了本發(fā)明的具體組合物。本發(fā)明的詳細說明本發(fā)明可以以多種實施方式實施，并且關(guān)于加強多種不同制品而實施，這些制品包括但不限于機動車輛車身板件、家電、家具、罐、管線及其它由金屬和/或聚合物材料制成的平面或管狀制品。在本發(fā)明的基礎實施方式中，通過將可固化聚合物的組合物涂覆制品的至少一表面來增強該制品，所述組合物具有分散其中的增強材料。在特別實施例中，通過將組合物噴涂到制品上可以執(zhí)行該涂覆。在其他例子中，通過將大片材料擠出到制品上、將一層材料涂到制品、或者其它本領域技術(shù)人員已知和顯然的工藝可以執(zhí)行該涂覆。本發(fā)明的組合物可以包括可熱固化樹脂(例如可熱固化環(huán)氧樹脂)或者該類樹脂的混合物，同時增強材料可以包括纖維材料，例如玻璃纖維或碳纖維。在其他例子中，增強材料可以包括天然纖維、礦物纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維，例如聚酰亞胺或聚酰胺纖維。在一些例子中，增強涂料可施加到制品的整個內(nèi)部表面和/或外部表面。例如，涂層可以施加到汽車板件的整個對內(nèi)表面。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這樣做可以防止板件的前部的可視表面的“透視(readthrough)”，其中，樹脂本體在板件的部分內(nèi)側(cè)表面上的輪廓在板件的外部表面上產(chǎn)生相應的輪廓。在對此不需要考慮的其他例子中，可以只涂覆制品的一部分。在一些例子中，以均勻的厚度向制品施加涂料，而在其他例子中，特別當制品的表面是曲面時，涂層厚度可以隨著制品的表面曲率的函數(shù)和/或強度需求而改變。在該類例子中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同厚度的變剛度可以有助于成形制品的尺寸穩(wěn)定性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一些制造工藝中，可熱固化組合物的使用是特別有利的，因為這樣固化步驟可以與后續(xù)加熱步驟例如為固化涂料的步驟相協(xié)調(diào)。在這種例子中，向制品施加組合物，然后預固化、或者部分固化所述組合物是尤為有利的，以便增加其粘度并阻止所涂覆的制品流動或黏結(jié)。在預固化后，所述制品隨后可傳遞至后續(xù)工藝步驟例如組裝步驟和涂料固化步驟。在一特別實施例中，本發(fā)明利用了可熱固化、環(huán)氧樹脂基、含碳纖維的組合物，用于增強金屬片材制品，例如汽車車身板件、建筑板件、家具、家電、管線或其它管狀構(gòu)件、燃料罐和其他容器。在一組典型組合物中，樹脂成分包括以重量計組合物的大約50％，且碳纖維增強材料包括以重量計組合物的大約15-20％。組合物可進一步包括固化劑和填充劑，例如炭黑、硅灰石、氣相二氧化硅、膠粉等。通常，該類型的組合物還將包括偶聯(lián)劑或結(jié)合劑，例如硅烷基材料，輔助于將樹脂組分結(jié)合到組合物中的其他固體上，例如碳纖維和填充劑。偶聯(lián)劑和結(jié)合劑還可以輔助于將材料結(jié)合到被增強的制品上。其他樹脂，例如尿烷也可以包括在該組合物中，作用為改進硬度、彈性、粘性或固化組合物的其它物理性質(zhì)。本發(fā)明的一組示例性組合物利用了包含雙酚A二縮水甘油醚與環(huán)氧酚醛樹脂的環(huán)氧樹脂的混合物。該類型的組合物可以進一步包括非環(huán)氧樹脂，例如尿烷。組合物將進一步包括固化劑、填充劑、以及偶聯(lián)劑，還有諸如碳纖維的增強纖維。下方表1以商品名以及化學通用名列出了本發(fā)明的一組示例性組合物的組分。就該點而言，表1提供了具體組合物的真實重量百分比、以及該通用型的其他組合物中可能存在的各種組分的重量范圍。表1在表1的組合物中，組分2和4包括雙酚A二縮水甘油醚；就這點而言，組分4的樹脂通過雙酚A二縮水甘油醚與端羧基丁二烯丙烯腈彈性體的加成進行了改進。組分3和6包括環(huán)氧酚醛樹脂；類似的，組分6中環(huán)氧酚醛與端羧基丁二烯丙烯腈彈性體進行了加成。組分7是另一種二縮水甘油醚環(huán)氧樹脂。這些組分形成了該組合物的可固化樹脂基礎部分。表1中特別的組合物包括確定為組分1和5的其他可固化樹脂組分。組分1為包含置于可固化雙酚A環(huán)氧樹脂中的橡膠顆粒的產(chǎn)品。組分5為用于為精細涂層(finishedcoating)提供韌性的可固化尿烷樹脂。本發(fā)明的組合物在其中包括增強材料，在表1中的材料中，增強材料主要是確定為組分9的碳纖維。其他增強材料例如玻璃纖維、有機纖維等也可以用于類似的組合物中。通常，偶聯(lián)劑也將包括在組合物中以使樹脂組分一旦被應用可粘附到增強材料以及基體上。在表1的組合物中，偶聯(lián)劑包括確定為組分8的有機硅烷-環(huán)氧材料。組合物還將包括固化劑，可促進樹脂組分的硬化。在表1的組合物中，固化劑包括第12項，即微粉化雙氰胺。其他本領域技術(shù)人員已知的、可用的固化劑也可以同樣使用。所應用的固化劑的特別類型和用量在某種程度上將取決于具體組合物中使用的特別樹脂的性質(zhì)，本領域技術(shù)人員可以易于進行選擇。表1的組合物還可以包括填充劑，具體如本文所述，這些填充劑可以包括確定為組分10的炭黑以及諸如示出為組分11的硅灰石的礦物填充劑、確定為組分13的氣相二氧化硅、以及前述提及的組分1的橡膠材料。本發(fā)明的組合物的各組分的混合將取決于被應用的特別材料。依據(jù)一種制備表1的組合物的方法，組分1-8相繼加入到具有用于溫控的冷卻裝置的混合系統(tǒng)中。在變化的低、高剪切條件下混合各組分大約20分鐘。然后，組分9-11加入到混合物中，在變化的低、高剪切條件下再次混合，與此同時維持材料溫度低于90℉。在該第二步之后，第12-13項逐次加入到混合物中，混合進行10分鐘直到所有的粉末組分都被潤濕。此后，向混合物施加真空并且在低剪切條件下持續(xù)混合15分鐘以產(chǎn)生最終產(chǎn)物。上述類型的組合物的密度通常為10-12磅/加侖。這些組合物的粘度通常為50,000-600,000cPs，且組合物呈灰黑色。向一系列厚度為0.6mm的相同的鋼板以不同的厚度施加對應于表1的具體組合物的材料，通過三點法以壓制和張緊測量了涂覆樣本的抗彎強度，其中，涂覆板件以兩個間隔的點支撐在第一表面，在兩個支撐點之間的一點處由反面向其施加力。在壓制模式中，從具有涂覆材料的一側(cè)的上方施加力。在張緊模式中，從鋼基體的未涂覆側(cè)施加力。類似的，對鋼厚為0.65mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm在張緊中測量抗彎強度。檢測結(jié)果匯總于下方表2中。表2樣本鋼厚(mm)材料厚度(mm)檢測類型強度(N)10.601.02壓制(compresion)100.3020.601.02張緊(tension)77.2030.600.73壓制71.9040.600.82張緊74.9050.600.65壓制64.0660.600.60張緊44.5870.651.00張緊80.5080.652.00張緊130.0090.701.00張緊83.45100.702.00張緊140.00110.801.00張緊90.00120.802.00張緊145.00130.901.00張緊100.00140.902.00張緊155.00不難看出，本發(fā)明的組合物極大地增加了向其施加了該組合物的鋼基體的抗彎強度。利用鋁基體發(fā)現(xiàn)的類似結(jié)果示出于表3中。表3本發(fā)明的涂料的斷裂韌性通常為0.5-0.6KJ/m2。對于鋼基體和鋁基體，本發(fā)明的組合物的剝離強度大約為16MPa，通過將由于涂覆材料結(jié)合的兩個基體成員拉開所需的力測量所述剝離強度。本發(fā)明的組合物極大地提高了向其施加了該組合物的基體的結(jié)構(gòu)完整性。此外，未固化的涂覆材料可穩(wěn)定儲存相當長的一段時間，且可以易于施加到基體而無需大量的表面預處理。固化的涂料在寬的溫度范圍內(nèi)是尺寸穩(wěn)定的。他們耐腐蝕并且耐鹽水和大氣污染物的侵蝕。在本發(fā)明的實踐中，增強組合物可以要么機械要么手動施加到制品；通過包括但不限于噴涂、擠涂、滴涂、推漿等工藝可以完成該施加。該組合物可以施加到制品的整個表面、或者只有部分表面。雖然前述描述主要關(guān)注了將組合物施加到金屬制品，但可以理解的是，本發(fā)明在聚合物基制品的增強上也具有重要應用，包括復合制品，例如航空工業(yè)利用的該類型纖維增強復合物。雖然前述描述主要討論了熱固化該組合物，可以理解的是，本發(fā)明也可以實現(xiàn)為與化學固化的材料或光化學固化的材料聯(lián)合使用。前述討論、描述以及附加內(nèi)容描述了本發(fā)明的特別方面和實施例，但并不意味著將其實踐限定至此。在本文呈現(xiàn)的教導下，本發(fā)明的其他實施例對于本領域技術(shù)人員是顯然的。后續(xù)權(quán)利要求及所有等價內(nèi)容限定了本發(fā)明的范圍。當前第1頁1 2 3