專利名稱：增強(qiáng)部件用的高性能的結(jié)構(gòu)泡沫體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景技術(shù)結(jié)構(gòu)泡沫體是以很小的質(zhì)量來(lái)滿足結(jié)構(gòu)要求的成本有效途徑。在汽車工業(yè)界，這就意味著金錢(qián)。
近年來(lái)在制造汽車時(shí)，將塑料用作結(jié)構(gòu)部件情況日益增加。塑料重量輕，具有防腐性，在一些場(chǎng)合可回收。上述塑料在強(qiáng)度和加熱變形方面會(huì)付出代價(jià)。已有的塑料包括層狀模制復(fù)合材料(ASMC@)和ABS材料。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，塑料的強(qiáng)度不夠，或塑料的重量過(guò)大。于是最好能夠提供某些手段來(lái)從結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)上述塑料。另外最好該手段能夠用于非塑料的材料，并且用于非汽車工業(yè)界。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的目的在于提供一種滿足上述需要的結(jié)構(gòu)泡沫體。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述的結(jié)構(gòu)泡沫體，其可在加熱的條件下，或者可在環(huán)境溫度下硬化，或者在其它變化條件下硬化。
本發(fā)明提供一種高性能的結(jié)構(gòu)泡沫體，以便增強(qiáng)部件，比如塑料部件。該部件可為預(yù)先模制的部件，可為空心的，可為槽型，或可完全是要求增強(qiáng)的任何形狀的結(jié)構(gòu)部件。該泡沫體最好為可膨脹的雙組分的合成材料。該泡沫體最好包括珠，比如玻璃珠、陶瓷珠或塑料珠以便提供所需的粘度，并且降低重量和成本。當(dāng)泡沫體可膨脹時(shí)，可采用發(fā)泡劑。最好上述泡沫體包括流變劑以便對(duì)該材料的流速進(jìn)行控制。另外，上述泡沫體可包括稀釋劑、填料表面處理劑、橡膠和纖維和其它添加劑。
附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1為通過(guò)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)泡沫體增強(qiáng)的示意性的塑料部件的頂視圖；圖2為圖1所示的部件的剖面圖，此時(shí)泡沫體處于未膨脹狀態(tài)；圖3為與圖2類似的圖，此時(shí)泡沫體處于膨脹狀態(tài)；圖4為通過(guò)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)泡沫體增強(qiáng)的另一示意性的塑料部件的頂視圖；圖5為圖4所示的部件的剖面圖，此時(shí)泡沫體處于未膨脹狀態(tài)；圖6為與圖5類似的圖，此時(shí)泡沫體處于膨脹狀態(tài)；圖7為采用本發(fā)明的輕運(yùn)貨車身的透視圖。
具體描述一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及兩種部件類型的配方，這兩種配方可按照在加熱條件下的模內(nèi)部使用場(chǎng)合或環(huán)境溫度的用于填入預(yù)先模制的部件的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行配制。在其主應(yīng)用領(lǐng)域，按照上述配方獲得的泡沫體可用作空心管狀部件的增強(qiáng)件、具有頂部開(kāi)口的槽型部件的增強(qiáng)件，其沿板狀部件的側(cè)邊，或沿任何的上述部件的外側(cè)延伸。經(jīng)增強(qiáng)的上述特定部件不是關(guān)鍵的，盡管在某種程度上，其形狀、尺寸和材料會(huì)對(duì)泡沫體的最終配方產(chǎn)生影響。上述泡沫體最好用作塑料部件的增強(qiáng)件或加強(qiáng)件。但是，在其主要方面，本發(fā)明可用于增強(qiáng)或加強(qiáng)由其它類型的材料，包括金屬(比如，鋼)和玻璃纖維制成的部件。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，上述泡沫體與其要增強(qiáng)的部件粘接，并且緊密接觸。
一般來(lái)說(shuō)，上述泡沫體包括脫膜劑，在這里在加熱條件下，泡沫體發(fā)生硬化。但是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，可采用物理或化學(xué)發(fā)泡劑以便使泡沫體膨脹，盡管泡沫體可膨脹不是必需的。采用不同的硬化反應(yīng)速度，以便形成不同的泡沫體來(lái)滿足不同的處理要求。同樣，泡沫體產(chǎn)品的密度也可改變。根據(jù)所要求的強(qiáng)度選擇泡沫體的密度。比如，泡沫體越輕，其越軟弱?？砂凑障率龇绞街谱髟撆菽w，該方式為其比重為0.3或0.3以上，其抗壓強(qiáng)度和模量就其重量來(lái)說(shuō)是很高的。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，具有多個(gè)控制上述配方的因素。加熱的模制配方要求內(nèi)部脫模劑，較慢的硬化劑和物理發(fā)泡劑，它們?cè)谳^高的溫度，比如至少在100°F發(fā)生反應(yīng)。在比如，視為77°F的室溫下硬化的環(huán)境溫度產(chǎn)品所要求的與上述情況相反。該產(chǎn)品不應(yīng)包括脫模劑，因?yàn)樗鼈儗⒂糜陬A(yù)先模制的部件。必須這樣選擇硬化的反應(yīng)熱量，從而發(fā)泡劑發(fā)生反應(yīng)，而上述部件不會(huì)熔化。另外，用于上述部件中的用量就其強(qiáng)度要求來(lái)說(shuō)必須足夠高，但是其還要足夠低以便獲得有效成本。最好，上述泡沫體僅僅用于部件的強(qiáng)度不夠的地方。因此，上述泡沫體可位于間隔開(kāi)的位置以便僅僅在必需的地方，對(duì)部件提供支承。
密度和強(qiáng)度是相反的因素。通過(guò)在泡沫體中加入空心珠，纖維，以及比如，鈦酸酯，強(qiáng)度和模量大大高于將會(huì)產(chǎn)生的值。珠，比如玻璃珠會(huì)使重量和成本降低。纖維的作用是增強(qiáng)強(qiáng)度，鈦酸酯使重量和成本降低，因此使成本降低，獲得較高的強(qiáng)度值。當(dāng)適當(dāng)?shù)赜糜谏鲜霾考r(shí)，可獲得輕質(zhì)、高強(qiáng)度和有效成本的部件的目的。
可知道，本發(fā)明提供滿足特定需要，比如支承或加強(qiáng)各種部件的結(jié)構(gòu)泡沫體的柔性。因此，本發(fā)明不涉及單一產(chǎn)品符合所有類型的方式。該結(jié)構(gòu)泡沫體僅僅用于獲得有效成本的場(chǎng)合。用于上述工藝和應(yīng)用場(chǎng)合的泡沫體的配制一般僅僅用于部件，比如塑料部件的強(qiáng)度不夠高，或部件的重量過(guò)大的情況。適當(dāng)選擇的配方會(huì)使導(dǎo)致重量降低，強(qiáng)度和成本有效的方案，從而滿足汽車制造業(yè)的優(yōu)先要求。
圖1～3表示用于增強(qiáng)塑料部件的本發(fā)明的示意性應(yīng)用場(chǎng)合。如圖所示，該部件10為U型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有槽，其由塑料制成。泡沫體12嵌入到該部件10中。由于該部件10是預(yù)先模制的，泡沫體12在環(huán)境或室溫，比如77°F下硬化。在圖2中，泡沫體12處于未膨脹的狀態(tài)，在硬化之后，泡沫體12膨脹從而完全將部件10中的槽填滿。
圖4～6表示另一變化形式，其中部件20為塑料板，其與另一部件22間隔開(kāi)，該另一部件22也由塑料或任何其它的材料，比如鋼制成。作為替換方式，部件22可為泡沫體24的支承層，該泡沫體24位于部件20和22之間的間隙中。圖5表示處于未膨脹狀態(tài)的泡沫體24，而圖6表示待完全膨脹的泡沫體24。
圖7表示用作比如，輕運(yùn)貨車的卡車身(底盤(pán))的本發(fā)明的實(shí)施例，如圖所示，所形成的復(fù)合體代替普通的金屬板車身。為了形成該車身，通過(guò)下述方式形成厚度約為2英寸的泡沫夾芯層26，該方式為澆注環(huán)氧樹(shù)脂，在350°F下使其硬化5分鐘。在夾芯層26的每個(gè)側(cè)面，形成另一增強(qiáng)的SMC層，即玻璃纖維增強(qiáng)層。SMC為表示“層狀模制復(fù)合材料”的公知術(shù)語(yǔ)。將上述層28、30相繼模制于夾芯層26以上便形成能夠抵抗500磅的荷載的夾芯式疊層件。頂層28可具有瓦楞部或任何其它表面圖案，或者可為任何形狀。同樣，底層30可具有任何厚度或形狀，或具有任何表面圖案。最好上述3個(gè)層是相互鄰接的。為了用作輕運(yùn)貨車身，上述疊層件的尺寸最好為6英尺×4英尺。
下面對(duì)泡沫夾芯層26的作為實(shí)例的雙組分配方組分A成分 重量百分比環(huán)氧樹(shù)脂 62.53纖維 11.87烘制二氧化硅 2.37脫模劑4.48發(fā)泡劑5.14玻璃珠12.30鈦酸酯0.60氧化鈣0.71100.00組分B為胺成分，按重量計(jì)，其含量與組分A的相同。因此，組分A具有0.95的SPG，而組分B具有1.00的SPG，它們的混合體的SPG含量為0.96。組分A與組分B之間的體積比為3.70∶1.00。
應(yīng)知道，圖1～7所示的部件僅僅是示意性的部件。但是，本發(fā)明可用于填充空心管狀部件，用于填充U型部件中的槽，用作板狀部件的一側(cè)或兩側(cè)上的支承件，用作兩個(gè)部件之間的芯體，用于彎曲部件，用于各種幾何形狀的部件，另外可按照整個(gè)或局部地沿上述部件的外表面敷設(shè)的方式使用。本發(fā)明的特別適合用于增強(qiáng)SMC，比如形成結(jié)構(gòu)梁，該梁由外包有SMC的泡沫體形成，其用于輕運(yùn)貨車身。其它的汽車方面的應(yīng)用包括各種支承導(dǎo)軌、空心導(dǎo)軌和支柱，用于增強(qiáng)搖擺板和用于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)軸。但是，本發(fā)明不限于汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，而是可具有jet skis**這樣的各種用途。
因此，可認(rèn)為本發(fā)明涉及雙組分合成泡沫體，該泡沫體最好是可膨脹的。本發(fā)明可通過(guò)這樣的兩種泡沫體實(shí)現(xiàn)。一種泡沫體在加熱的條件下硬化，另一種泡沫體在環(huán)境溫度下硬化。兩種泡沫體具有包覆它們的熱塑或熱固性塑料。兩種組分包括聚合物和催化劑，它們混合在一起，之后通過(guò)固定的混合管借助泵送出。該泡沫體通過(guò)下述反應(yīng)硬化，該反應(yīng)快速進(jìn)行，在這里，在環(huán)境溫度下進(jìn)行得較慢，或該反應(yīng)在加熱條件下進(jìn)行。加熱硬化可在用于e-coating**的汽車噴漆烘爐中進(jìn)行?？刹捎玫闹骶酆衔锞哂袔追N。比如，粘接聚合樹(shù)脂可為環(huán)氧樹(shù)脂(胺)型、苯乙烯(過(guò)氧化物)型、丙烯酸(過(guò)氧化物)型、或氨基甲酸乙酯。
可改變密度以便適應(yīng)所需的條件，比如模量、抗拉強(qiáng)度、顏色、成本、粘度、混合比例和硬化時(shí)間。配方和處理?xiàng)l件根據(jù)所形成部件所需的特性改變。
在環(huán)境溫度下硬化的產(chǎn)品與經(jīng)加熱而硬化的產(chǎn)品的不同點(diǎn)在于所選擇的硬化劑必須易起化學(xué)反應(yīng)，以便足以產(chǎn)生硬化所需的熱量，并且以足夠的快速程度使泡沫產(chǎn)品膨脹。經(jīng)加熱而硬化的泡沫產(chǎn)品必須不產(chǎn)生極端的放熱曲線，從而上述部件，特別塑料部件不會(huì)因過(guò)熱而將內(nèi)部燒壞。大體積的部件比小體積的部件產(chǎn)生很多的熱量。于是，必須針對(duì)所生產(chǎn)的尺寸的部件，選擇硬化劑的反應(yīng)性。在假定這些教導(dǎo)的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道采用什么樣的材料和參數(shù)。
在環(huán)境溫度下硬化的產(chǎn)品用于預(yù)先模制的或預(yù)制的部件，并且在于該部件中或壓靠于其上的情況下硬化。經(jīng)加熱而硬化的部件可在模中硬化。比如，可對(duì)上述部件進(jìn)行模制，之后將其放入設(shè)置經(jīng)加熱而硬化的泡沫體的模中。上述增強(qiáng)的部件可在泡沫體周圍澆注模制?？刹捎酶鞣N已知的方法來(lái)形成增強(qiáng)的部件，并且使泡沫體與該部件相接觸。
該泡沫體包括多種可能的聚合物主成分。比如，一種成分為珠，該珠最好由玻璃、陶瓷或塑料形成。按聚合物的重量計(jì)，上述珠的含量在0～40％的范圍內(nèi)，剩余的為粘接劑和其它的成分。采用珠對(duì)粘度進(jìn)行控制，并且使泡沫體的重量和成本降低。
上述聚合物還包括內(nèi)部脫模劑或下述劑，該下述劑用于經(jīng)加熱而硬化的產(chǎn)品，但是不用于在環(huán)境溫度下硬化的產(chǎn)品。采用足夠量的脫模劑，該含量取決于條件或模的類型。較新的模比如，要求較少的脫模劑。脫模劑是本領(lǐng)域已知的，其用量必須實(shí)現(xiàn)脫模劑的作用。
雖然本發(fā)明可通過(guò)不能膨脹的泡沫體實(shí)現(xiàn)，但是最好上述泡沫體是可膨脹的?？刹捎没瘜W(xué)或物理發(fā)泡劑。比如，適合的化學(xué)發(fā)泡劑為碳酸氫鈉。適合的物理發(fā)泡劑為液態(tài)的塑性環(huán)戊烷球，其會(huì)變?yōu)闅鈶B(tài)。
上述聚合物還包括流變劑，比如烘制二氧化硅，或細(xì)級(jí)配填料，比如碳酸鈣。最好，按重量計(jì)，上述流變劑的含量為5％左右，該含量根據(jù)所需的結(jié)果而進(jìn)行上下調(diào)整。流變劑的作用是對(duì)材料的流速進(jìn)行控制。
上述聚合物還包括填料表面處理劑，比如硅烷或鈦酸酯，其將上述聚合物與填料粘接，提供較強(qiáng)的物理特性。鈦酸酯有利于降低重量和成本。按重量計(jì)，該材料的含量只需小于1％。
上述聚合物中的另一成分包括按重量約5％(進(jìn)行上下調(diào)整)的橡膠，其使材料的韌性增加。
在上述材料中可加入纖維，比如由玻璃，KELVAR，或碳制成的纖維以便提高其強(qiáng)度。
針對(duì)任何所需的目的，可包括其它的添加劑以便提供顏色，其包括用于傳遞熱量等的金屬填料。另一成分為增塑劑，比如環(huán)氧樹(shù)脂和稀釋劑，其作用與橡膠類似，對(duì)上述材料提供柔性。
可改變聚合物的組分或成分，以便提供實(shí)際上無(wú)數(shù)的可能性來(lái)滿足抗壓模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、比重和柔性模量的任何需要。
根據(jù)珠的含量和類型、珠的抗碎強(qiáng)度以及重量，對(duì)比重進(jìn)行控制。添加劑也對(duì)比重造成影響。
當(dāng)泡沫體可膨脹時(shí)，其膨脹量通過(guò)化學(xué)或物理發(fā)泡劑來(lái)控制。
通過(guò)橡膠、膨脹塑性珠、增塑劑的加入、增強(qiáng)的部件、纖維和脫模劑的體積，對(duì)模量和強(qiáng)度變量進(jìn)行控制。
根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道采用什么樣的特定成分和其含量來(lái)實(shí)現(xiàn)泡沫體的所需最終特性。
一般來(lái)說(shuō)，未硬化的材料的特性是這樣的，其可添加到模中，從而針對(duì)所需的用途，粘度、觸變性、比重和凝膠時(shí)間會(huì)適當(dāng)?shù)氐玫狡胶狻?br> 權(quán)利要求
1.一種增強(qiáng)部件的方法，其包括下列步驟采用聚合物粘接樹(shù)脂，配制合成結(jié)構(gòu)泡沫體，該聚合物粘接樹(shù)脂是從下述一組成分選擇出的，該組成分包括環(huán)氧樹(shù)脂、苯乙烯、丙烯酸酯和氨基甲酸乙酯，在該聚合物粘接樹(shù)脂中添加模量和強(qiáng)度增強(qiáng)成分，以及降低重量和降低成本成分，將該結(jié)構(gòu)泡沫體壓靠于部件上，使該結(jié)構(gòu)泡沫體硬化，將該結(jié)構(gòu)泡沫體粘接于部件上，由此增強(qiáng)該部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述模量和強(qiáng)度增加成分為珠體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于上述珠體為玻璃珠。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于采用發(fā)泡(blowing)劑，以便在硬化時(shí)，使泡沫體膨脹。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于上述發(fā)泡劑為化學(xué)發(fā)泡劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于上述發(fā)泡劑為物理發(fā)泡劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在泡沫體中包括硬化劑(組織)，以便對(duì)該聚合物的特性進(jìn)行控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于在上述泡沫體中包括橡膠和纖維，以便增強(qiáng)韌性和強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在上述泡沫體中包括流變劑和稀釋劑，以便對(duì)流速進(jìn)行控制，并且使粘度降低。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于包括填料表面處理劑，其用于將聚合物與填料粘接以便使泡沫體獲得較強(qiáng)的物理特性。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于上述填料表面處理劑采用鈦酸酯。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在上述泡沫體中包括內(nèi)部脫模劑，在加熱的條件下使泡沫體硬化。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于在環(huán)境溫度下使泡沫體硬化，將該泡沫體與預(yù)制部件粘接。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于上述部件由塑料形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于上述部件為汽車部件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于上述部件為輕運(yùn)貨車底盤(pán)(bed)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于上述泡沫體在間隔開(kāi)的位置與上述部件粘接。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于上述部件為空心的模制部件，上述泡沫體填充到該部件中。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述部件由塑料形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于上述塑料是從包括SMC和ABS的一組成分中選擇出的。
21.一種通過(guò)權(quán)利要求1所述的方法制成的增強(qiáng)部件。
22.一種通過(guò)權(quán)利要求14所述的方法制成的增強(qiáng)部件。
23.一種通過(guò)權(quán)利要求10所述的方法制成的輕運(yùn)貨車底盤(pán)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的車底盤(pán)，其特征在于該車底盤(pán)包括兩個(gè)塑料層，上述泡沫體為位于兩個(gè)層之間的夾芯層。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的車底盤(pán)，其特征在于上述塑料為SMC。
全文摘要
采用高性能的結(jié)構(gòu)泡沫體(26),來(lái)增強(qiáng)部件(28,30),比如塑料部件,該泡沫體可在加熱條件下于模內(nèi)配制,或與預(yù)先模制的部件一起在環(huán)境溫度下配制,采用各種成分對(duì)該泡沫體的特性進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)B60R13/01GK1267249SQ98808332
公開(kāi)日2000年9月20日 申請(qǐng)日期1998年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月21日
發(fā)明者布魯斯·L·哈里森, 布拉德利·L·希爾伯恩, 韋蒂哈拉·C·科紹耶 申請(qǐng)人:亨凱爾公司