專利名稱：復合材料制件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及復合材料制件，具體來說，但并不僅僅是，涉及 用于水工基礎結構(例如管子、水道、儲水或蓄水系統(tǒng)以及貯水池)的復合 材料制件。該制件一般具有設計成貯存或輸送水的封閉或開放的中空部 件。這種制件通常用于自來水、雨水和廢水(包括雨水、灰水和污水)等各 種類型的水，應了解的是，本發(fā)明具有廣泛的應用，并不局限于只用在 水工基礎結構方面。
在某特定的應用中，水工基礎結構制件具有由金屬制成的中空部件， 優(yōu)選的是由具有耐腐蝕金屬涂層的鋼帶制成，下文以此為例來說明本發(fā) 明。然而，應了解的是，本發(fā)明具有廣泛的應用，并不局限于金屬制成 的水工基礎結構制件。
背景技術：
由鋼帶制成的水工基礎結構制件具有廣泛的潛在應用。這些應用包 括輸送城鎮(zhèn)用水、排污水或雨水、灌溉系統(tǒng)以及涵洞管道用的管子。由 鋼帶制成的水工基礎結構制件的其它應用還包括貯水池以及儲水或蓄水 系統(tǒng)。
在一種形式中，鋼帶可以形成為具有封閉中空截面的管子，為了增 加強度，該管子也可以具有沿其長度延伸的外形。在一種形式中，該外 形沿基體螺旋延伸，而該基體由螺旋巻繞鋼帶工藝制成。
人們發(fā)現(xiàn)，至少在某些情形下，形成連接聚合物組件和金屬基體的
復合結構的制件，例如水工基礎結構制件，是有益的。該聚合物組件可
以有多種用途。例如，該聚合物組件至少可以制作接頭的零件，使一個 部件與另一個部件相連接而在接頭處形成水密封?；蛘撸摼酆衔锝M件
可以用作貯水池或儲水/蓄水系統(tǒng)的底部或頂部結構的零件。

發(fā)明內容
第一方面，本發(fā)明提供一種復合材料制件，它包括基體和在該基體
5表面上澆鑄而成的聚合物組件。
根據(jù)本發(fā)明的這個方面，在所述基體表面上形成了作為鑄件的所述 聚合物組件。這樣的配置能夠簡化制件的制造，所以該配置具有顯著的 實際利益。此外，因為所述聚合物材料作為流體被引到所述基體表面上， 所以即使在所述基體表面被加工為具有加強筋等外形的情況下，所述聚 合物組件表面也能夠與所述基體表面匹配。
在本說明書的上下文中，所使用的與所述聚合物組件有關的術語"澆 鑄"或者諸如"鑄件"等的"澆鑄"的變形術語包括所有的模具技術和/ 或由此技術形成的制品，只要是將所述聚合物材料引入模具從而使所述 聚合物組件形成為特定形狀即可。
在一種形式中，將所述組件澆鑄到基體表面上從而使該組件粘結到 該基體表面上。在某特定形式中，組件和基體面的粘結形成了該基體和 該組件之間的流體密封。
在一種形式中，所述制件用于水工基礎結構，并且基體具有中空截面。
另一方面，本發(fā)明提供一種水工基礎結構制件，它包括具有中空截 面的基體、在該基體表面上澆鑄形成的聚合物組件和在基體表面與所述 聚合物組件之間形成的水不能滲透的界面。
在一種形式中，由金屬板制成基體，而在某特定的形式中，由具有 耐腐蝕金屬涂層的鋼板制成基體。
在聚合物組件與基體表面粘結的特定形式中，所述制件還包括在基 體和聚合物組件之間的中間層，該中間層對粘結工藝有幫助。在一種形 式中，在向基體澆鑄組件期間，引入該中間層。在另一種形式中，在澆 鑄前即引入該中間層。
在某特定的形式中，基體是由金屬制成的，在澆鑄組件之前，將中 間層涂敷于金屬上，結果在該金屬上形成了聚合物涂層。在特定的形式 中，該聚合物涂層就是聚合物膜的形式。該聚合物膜不僅有助于將所述 組件和所述基體結合起來而且可以用于其它目的。例如，該聚合物膜可 以作為金屬的防潮層和/或提高金屬的耐化學性。這種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。 一種適合的聚
合物膜是以商標TRENCHCOATtm LG出售的膜。本申請人也出售商標為 AQUAPLATE^的PVC涂覆鋼板制品，可用于水工基礎結構制件。
在一種形式中，將所述聚合物組件澆鑄于基體表面上，其中該基體 表面被加工為具有一定的外形。該外形可以有多種形式，并且可以包括 加強結構，例如波紋、筋等，用于提高所述基體的結構性能。作為一種 替代方式或附加方式，可以將所述表面加工為具有一定外形，為基體表 面和組件之間的界面提供曲折路徑以限制水經所述界面滲漏，從而改善 所述基體表面和所述聚合物組件之間的流體密封。此外，作為一種替代 方式或附加方式，所述基體表面的外形還可以通過機械干涉來增強所述 組件和所述基體表面之間的連接，其中，所述機械干涉能夠有效地將那 兩部分連接起來。
通過在壓力作用下將聚合物材料注入澆鑄模具和/或通過在澆鑄組 件之后冷卻時控制該聚合物組件在所述基體表面上的收縮，可以改善阻 止流體經界面滲漏的物理障礙的設置情況和/或機械干涉的建立情況。
在一種形式中，制件是具有封閉截面的管子。在特定的形式中，所 述管子包括在該管子相對的兩端之間延伸的一根外筋。申請人制造和出 售的商標為HYDRORIBtm的管子就是由具有TRENCHCOAT LG膜的 鋼而形成的這種管子。
在一種形式中，在所述管子上澆鑄所述組件，從而形成所述管子用 的接頭。在一種形式中，在所述管子的一端形成所述接頭。或者，可以 在該管子的中間部分形成所述接頭，可提供所述管子的分支接頭。
應了解，因為在該基體表面上澆鑄該聚合物組件，所以在所述組件 的成型中存在很大的靈活性。此外，在一種形式中，可以澆鑄該組件形 成為最終形狀，但在另一配置中，可以澆鑄該組件成為預成型件，后續(xù) 再進行處理(例如銑削加工)而使該組件形成為它的最終形狀。


下面參照

本發(fā)明的實施例。應理解的是，這些附圖和說明是用于理解本發(fā)明而不是對之前關于本發(fā)明的說明進行限制。 附圖中
圖1A、1B和1C是水工基礎結構中使用的包含聚合物組件的各種管 接頭的示意圖2是管子的分支接頭的示意圖3是包含了聚合物基接頭的貯水池的示意剖視圖4是與基體部件的一端連接的澆注裝置的示意側視圖5是圖4所示澆注裝置的端視圖6是與基體部件連接的澆注裝置的示意剖視圖，該基體部件為外 表面帶筋的結構；
圖7是圖6所示視圖的變化形式，此處該基體部件帶波紋；
圖8是分解圖形式的圖1C所示管接頭的一種變化形式；
圖9是圖8所示管接頭的組裝圖；以及
圖IO是圖8所示管接頭的剖視圖。
具體實施例方式
圖1A 圖1C表示了用于連接第一管子100和第二管子200的各種接 頭10、 20和30。這些接頭包括了聚合物組件，通過在管子端部形成這些 聚合物組件而制作出復合材料制件1、 2和3，下面更詳細地說明。
在該圖示形式中，由具有抗腐蝕涂層的鋼板形成管子100和管子 200。此外，可以將鋼板加工為包括加強結構的外形，從而增加管子的強 度。這些加強結構可以是加強筋或/和波紋等。此外，可以用聚合物材料 涂敷管子100和管子200。這種聚合物材料可以是提供金屬板防潮和/或 提高金屬板耐化學性的膜的形式。這些聚合物膜可以包括低濃度或高濃 度的聚乙烯、PVC和聚丙烯。此外，該聚合物膜可以使各聚合物組件與 各自的管子之間的結合更便利。
申請人出售的商標為HYDRORIB的管子就是由鋼帶形成的管子的一個例子，其中的鋼帶包括沿管子呈螺旋形延伸的外表面筋。該管子包
括LD聚乙烯膜涂層，該涂層以商標TRENCHCOATTMLG出售，并且該 管子通過螺旋巻繞鋼帶工藝而形成。
管子100和管子200按照端到端的關系排列并通過接頭10、 20和 30以水密封方式連接，從而可以在無限長度上輸送水。由管子100和管 子200提供的基礎結構可以是壓力級的，從而供給城鎮(zhèn)用水或灌溉用水， 或者可以是非壓力級的，用于諸如涵洞管道或者排雨水等場合。通過接 頭10、 20或30形成的密封效果很大程度上決定了管子的壓力級別。
在圖1A所示的實施例中，接頭10包括了第一聚合物接頭11和第 二聚合物接頭12，通過在管子100端部形成所述聚合物接頭11而制作出 復合材料制件l'，并通過在管子200端部形成所述聚合物接頭12而制作 出復合材料制件l"。將這些接頭彼此相鄰地排列，從而在管子100和管 子200之間形成對接。可以在接頭外配置夾緊件(圖未示)將它們保持在適 當?shù)奈恢蒙稀?br> 在圖1B所示的實施例中，在管端101上形成第一接頭21，從而制 成復合材料制件2'，并且在第二管子200的端部201上形成第二接頭22， 從而制成復合材料制件2"。每個接頭在其外端包括法蘭23、 24，并且在 接頭連接時這些法蘭被排列成對接在一起。盡管沒有圖示，但一般來說 緊固件(圖未示)，例如螺母和螺栓，延伸穿過法蘭23和24而將管子聯(lián)接 在一起。
在圖1C所示的實施例中，接頭30為承插型接頭(bell and spigot type),包括鐘形物31和套管32，在管子100的末端上形成鐘形物31 ， 從而制成復合材料制件3'，并且在另一個管子200的末端上形成套管32， 從而制成復合材料制件3"。把套管32定位在鐘形物31的空腔33內就將 管子100和管子200連接在一起，并且實現(xiàn)它們之間的密封。
圖1A 1C的實施例表示了理論上用聚合物組件形成的常規(guī)接頭類 型。正如本領域技術人員應了解的，為了提供水密封接頭，可能還必須 使用諸如"O"形圈密封或壓力密封。在圖8~圖10中顯示了這種配置的例 子。
9在圖8~圖10所示的實施例中，將第一接頭件50'(鐘形物)設在管子 IOO的末端上，形成凹形組件，從而制成復合材料制件5'，而將另一個接 頭元件51"(套管)設在另一個管子200的末端上，形成插入組件，從而制 成復合材料制件5"。將壓力密封52"設在插入組件51"上并設計成與凹形 組件50'的內表面53'相配合。將部分壓力密封置入在插入組件51"的外表 面內形成的凹進處54"中。
通過將插入組件51"定位在凹形組件50'的孔53'內，就形成水密封接 頭。壓力密封52"形成防水密封，并被設計成隨著管子內部壓力增加而向 內移動，與接頭元件50'和51"更緊密地接合，因此不僅增加了密封性能， 而且防止了管子的意外脫扣。這樣，不需要任何獨立的夾緊件來保持管 子100和管子200在長度上沿軸向對齊。
除在接頭元件之間形成的密封之外，接頭的防水效果在某種程度上 取決于各聚合物組件和基體管子之間的界面。下面更詳細地說明在這兩 部分之間的這種防水界面的提供情況。
圖2表示用于基體管子100的另一種接頭40。在該實施例中，接頭 40用于提供管子100的分支管路并形成于管子100兩端101、 102的中間 部位。在該圖示形式中，接頭40形成從管子表面凸出的聚合物凸緣41。 凸緣41和管子100構成復合材料制件4，凸緣41限定了中心腔42，其 中設有孔104，該孔104位于管壁的下面。根據(jù)這種配置，在端部具有相 配接頭的第二管子可以在接頭40處與管子100相連接。
盡管在一種形式中可以離線形成接頭40，但在另一配置中，可能需 要在現(xiàn)場將該接頭安裝到己鋪設好的管子上。在這樣的配置中，現(xiàn)場在 管壁上澆鑄聚合物組件41并在管子內開出孔104。
圖3表示另一種水工基礎結構產品，即貯水池300。在圖3的實施 例中，貯水池300也是復合材料制件，具有圓柱壁301，該圓柱壁301 由具有一定外形的金屬帶制成。此外，該金屬帶可以是具有抗腐蝕金屬
涂層的鋼板，也可以具有聚合物涂層。申請人出售的商標為 AQUAPLATE頂?shù)漠a品即是一個合適的PVC涂布鋼帶的例子。鋼帶可以 被加工成具有波紋或筋的外形，并且貯水池壁可以螺旋巻繞鋼帶而制成或由更常規(guī)的結構制成，通過以一個疊置在另一個的頂部上的形式配置 多個圓柱板元件從而做成該貯水池壁。
在圖3的實施例中，該貯水池具有聚合物組件55，該聚合物組件55 是在貯水池壁302底部上的鑄件。該聚合物組件形成貯水池300的底部 組件303的一部分。
在以上說明的各實施例中，聚合物組件是直接澆鑄在產品部件100、 200或300上的鑄件。圖4~圖7更詳細地說明這種澆鑄工藝。
首先參照圖4和圖5，為了在基體部件400上澆鑄該聚合物組件， 準備澆注裝置500，它包括夾持基體部件400的模具殼501和502。模具 殼501和502分別具有模具內壁503和504，當這些模具殼夾緊產品部件 400時，模具內壁503和504與基體部件400的外表面401 —起形成封閉 型腔505，能夠將聚合物材料引入該型腔505中。
澆鑄裝置500還包括將聚合物材料引入模具型腔505中的供料組件 506。該供料組件一般是擠壓機/注射器系統(tǒng)的形式，即在相對低壓(典型 的壓力為210kPa 480 kPa)下以液體形式引入聚合物材料，從而使基體 部件400不變形。此外，可以使用單條或多條注入路徑，以組合單個或 多個聚合物或其他模壓材料的特性，從而產生對物理性能有影響的同質 或異質的結構并獲得最終澆鑄組件的經濟效果。
一般來說，注入的聚合物材料可以為與聚烯烴、乙烯-醋酸乙烯酯共 聚物、聚氯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、尼龍和相關共混物相關的樹脂。 這些聚合物材料還包括作為附加物或替換物的與橡膠相關的化合物，并 且可以通過加入陶瓷或玻璃珠、定向纖維和/或由金屬件用的聚合物制造 的固體插入物來加強這些聚合物材料。本領域技術人員應該了解，在不 脫離本發(fā)明范圍的情況下，該聚合物材料的組成可以變化。
為了控制澆鑄工藝的操作參數(shù)，可以加熱基體部件400和/或模具殼 501和502，從而改善特定的聚合物流動特性。 一般來說，通過模具加熱 裝置507來完成加熱。此外，可以選擇性地冷卻(通過裝置508)這些部件， 從而控制材料的流動和已澆鑄組件的收縮。在一種形式中，經過一段時 間， 一般少于15分鐘，模具和/或管子就冷卻至室溫。此外，通過快速冷卻接合區(qū)域內的聚合物材料而使模具和基體表面之間可以形成流體密 封。也可以使用接合處的密封墊來提供另一種流體密封。
此外，可以在設計配方時或在聚合物注入模具時，將氣體和/或其它 化學起泡劑加入聚合物材料，用于增加模具內的壓力，從而使聚合物材 料充滿整個型腔，還用于控制澆鑄部分的收縮和/或特定的聚合物和模具 型腔的填充特性。在一種形式中，這種工藝使聚合物組件的外層比芯更 致密。
圖6和圖7示意地表示在圖5中顯示的實施例的模具500，模具500 與外表面帶肋的光孔鋼管(圖6)和波紋基管(圖7)連接。
由于是將聚合物組件11直接澆鑄在基體表面401上，所以就可以使 該組件精確獲得所述表面形狀，從而該組件基本上沿著這兩個部分之間 的整個界面與所述表面密切地接觸。這樣就顯著提高了界面或這兩部分 之間的連接效果從而防止水滲漏。
在一種形式中，通過選擇適當?shù)牟牧?，可以獲得聚合物組件和基體 部件之間的牢固結合。在另一形式中，聚合物材料可以直接粘合到金屬
表面上?；蛘?，可以使用諸如上述的那些聚合物材料涂層預涂布管子， 從而使該涂層與組件的聚合物材料結合。在這樣的配置中，加熱涂層使 其變粘從而有助于在部件和組件之間形成粘合。 一般來說，將涂層加熱 至卯°~180°，更優(yōu)選約130°。
此外，如果基體部件400具有被加工成一定外形的外表面，如在圖 6和圖7中所示，那么在所述表面上澆鑄聚合物組件之后，再設置機械干 涉， 一方面可以增加連接強度，另一方面可以產生有助于防止水經這兩 部分的界面而滲漏的曲折路徑?？梢酝ㄟ^聚合物組件在澆鑄之后冷卻期 間的收縮來增強該機械干涉。
通過在基體部件上澆鑄聚合物組件，在澆鑄該組件之后，可以不需 要或者顯著降低該組件再成型的需求。然而，應了解，如果需要復雜的 形狀，那么可能需要某些后續(xù)成型。然而，在許多情形下是不需要后續(xù) 成型的。這就不僅簡化了組件成型工藝和所需設備，而且提供了可以現(xiàn) 場澆鑄組件的配置。這對需要進行現(xiàn)場連接的水工基礎結構特別有利，
12例如在需要安裝水道或管子的新部件的情況下。
在本發(fā)明所附的權利要求和上述說明中，除非根據(jù)明確語義或必然 含義而在上下文有要求，否則，單詞"包括"及其類似用語如"包含" 或"具有"等都用作包括的含義，也就是說，在本發(fā)明的各個實施例中， 用來表示存在所述特征，但不排除其它特征的存在或加入。
在不背離本發(fā)明的精神或范圍的前提下，可以改變或修改上述各個 部分。
權利要求
1. 一種復合材料制件，其包括基體和在所述基體表面上澆鑄而成的聚合物組件。
2. 根據(jù)權利要求l所述的制件，其中，所述組件被澆鑄到所述基體 表面上而使所述組件粘結到所述基體表面上。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的制件，其中，所述基體面被加工成具 有一定的外形，向所述基體和所述組件之間的連接處提供曲折路徑。
4. 根據(jù)權利要求1 3之一所述的制件，其中，所述基體被加工成具 有一定的外形，在所述組件和所述基體之間產生機械干涉而改善了它們 之間的連接。
5. 根據(jù)權利要求3或4所述的制件，其中，所述基體被加工為包括 加強結構的外形而提高了所述基體的結構性能。
6. 根據(jù)權利要求1 5之一所述的制件，其中，所述基體由金屬板制成。
7. 根據(jù)權利要求6所述的制件，其中，所述基體由具有耐腐蝕金屬 涂層的鋼板制成。
8. 根據(jù)權利要求6或7所述的制件，其中，所述制件還包括在所述 金屬板和所述聚合物組件之間的中間層。
9. 根據(jù)權利要求8所述的制件，其中，所述中間層是涂敷于金屬板 上的聚合物涂層的形式。
10.根據(jù)前述權利要求之一所述的制件，其中，所述制件用于水工基礎結構，所述基體具有輸送或貯存水的形狀，并且在所述基體和所述組件 之間形成水不能滲透的界面。
11. 一種水工基礎結構制件，其包括中空截面形式的基體、澆鑄于所述 基體表面上的聚合物組件以及在所述基體和所述組件之間形成的水水不能 滲透的界面。
12. 根據(jù)權利要求11所述的制件，其中，所述組件被澆鑄到所述基體 表面上而使所述組件粘結到所述基體表面上，所述組件和所述基體表面之 間的粘結在它們之間至少形成了部分水不能滲透的界面。
13. 根據(jù)權利要求11或12所述的制件，其中，所述基體表面被加工成 具有一定的外形，所述基體表面的外形在所述基體表面和所述組件之間的 界面提供了曲折路徑，防止水經所述界面滲漏，從而改善了所述水不能滲 透的界面。
14. 根據(jù)權利要求11~13之一所述的制件，其中，所述基體表面被加 工成具有一定的外形，使得在所述組件和所述基體之間產生了機械干涉，改善了它們之間的連接。
15. 根據(jù)權利要求13或14所述的制件，其中，所述基體被加工為包 括加強結構的外形而提高了所述基體的結構性能。
16. 根據(jù)權利要求11~15之一所述的制件，其中，所述基體由金屬板 制成。
17. 根據(jù)權利要求16所述的制件，其中，所述基體由具有耐腐蝕金屬 涂層的鋼板制成。
18. 根據(jù)權利要求16或17所述的制件，其中，所述制件還包括在所 述金屬板和所述聚合物組件之間的中間層。
19. 根據(jù)權利要求18所述的制件，其中，所述中間層是涂敷于金屬板上的聚合物涂層的形式。
20. 根據(jù)權利要求11 19之一所述的制件，其中，所述基體是具有封 閉截面的管子。
21. 根據(jù)權利要求20所述的制件，其中，所述管子包括在所述管子兩 端之間延伸的至少一個外部加強結構。
22. 根據(jù)權利要求20或21所述的制件，其中，所述聚合物組件被澆 鑄于所述管子上而形成所述管子用的接頭。
23. 根據(jù)權利要求22所述的制件，其中，所述接頭形成在所述管子的 端部。
24. 根據(jù)權利要求22所述的制件，其中，所述接頭形成在所述管子兩 端的中間。
25. 根據(jù)前述權利要求之一所述的制件，其中，所述聚合物組件是預 成型件，并在澆鑄之后加工成它的最終形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種復合材料制件(1、2、3、4和300)，其包括基體(100、200和301)和在該基體表面上澆注而成的聚合物組件(41、50、51和55)。在一種形式中，該復合材料制件用于水工基礎結構，而該基體是中空部件的形式，并且在所述基體表面和所述聚合物組件之間形成水不能滲透的界面。
文檔編號B29C39/00GK101426632SQ200680051788
公開日2009年5月6日 申請日期2006年12月28日 優(yōu)先權日2005年12月29日
發(fā)明者尼爾·埃德溫·華萊士 申請人:藍野鋼鐵有限公司