泡沫材料增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作方法
【專利摘要】一種復(fù)合材料，用于增強(qiáng)作為管件或具有任何封閉剖面的構(gòu)件的封閉結(jié)構(gòu)構(gòu)件。更具體地，一種復(fù)合材料，用于填充形成車輛座椅框架的金屬管件或具有任何封閉剖面的構(gòu)件，以增加或保持座椅框架的強(qiáng)度，同時(shí)減輕座椅管件或具有封閉剖面的構(gòu)件的質(zhì)量。
【專利說(shuō)明】泡沬材料增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]該P(yáng)CT專利申請(qǐng)要求于2011年7月19日提交的題為“泡沫材料增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(Foam Reinforced Structural Member)”的序列號(hào)為61/509，239的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的全部公開(kāi)被認(rèn)為是本申請(qǐng)公開(kāi)內(nèi)容的一部分且通過(guò)引用并入本文。
[0003]發(fā)明背景
[0004]1.發(fā)明領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明通常涉及用于增強(qiáng)例如管件或具有基本封閉剖面部分的任何構(gòu)件的封閉結(jié)構(gòu)構(gòu)件的復(fù)合材料和方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于填充諸如形成車輛座椅框架的管件的金屬管件或具有封閉剖面部分的任何構(gòu)件的復(fù)合材料和方法，以增加或保持所述構(gòu)件的強(qiáng)度，同時(shí)減少所使用金屬的質(zhì)量以及減輕總重量。
[0006]2.現(xiàn)有技術(shù)的說(shuō)明
[0007]諸如框架構(gòu)件的結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件通常需要一定的壁厚以便保持抗各種應(yīng)力和壓力的所需強(qiáng)度水平?？蚣軜?gòu)件的實(shí)例包括用于車輛座椅的框架。車輛座椅通常包括下部座椅部分和上部座椅部分。上部和下部座椅部分通?？蓸修D(zhuǎn)地聯(lián)接到一起，并且包括用于給座椅提供支撐和形狀的在上部和下部之間分開(kāi)的座椅框架。座椅框架典型地包括位于上部座椅部分內(nèi)的上部框架部分和位于下部座椅部分內(nèi)的下部框架部分。座椅框架通常由座墊包繞，其依次由形成可見(jiàn)的 就座表面的表面材料所覆蓋。雖然座椅框架可由各種材料和結(jié)構(gòu)來(lái)形成，但是許多座椅框架通常由諸如鋼或鋼合金的管狀金屬材料制成。框架通常具有諸如圓柱方形、矩形、六角形的封閉剖面部分和其它剖面。
[0008]車輛座椅的構(gòu)造使得管狀座椅框架整體上經(jīng)受不相等的力。當(dāng)乘員就座于座椅上時(shí)，諸如在傾斜的位置或在發(fā)生碰撞的情況下，這些不相等的力尤為嚴(yán)重。更具體地，框架的某些區(qū)域與其它區(qū)域相比經(jīng)受更高的負(fù)荷和應(yīng)力。因此，整個(gè)管狀座椅框架目前被設(shè)計(jì)成在其整體具有足夠的材料或厚度，以支撐僅僅在有限的位置或條件下所發(fā)生的最大負(fù)荷。由于人們期望的管狀框架所必須承受的應(yīng)力水平增加，為了提供足夠的支撐，框架所用材料的重量和量通常也在增加。雖然已經(jīng)使用諸如使用特殊合金或使用有限程度的可變壁厚度的一些技術(shù)，但這些技術(shù)是昂貴的。此外，在座椅框架的除了經(jīng)受最小應(yīng)力或負(fù)荷的那些區(qū)域之外的區(qū)域在保持所需的性能特征和維持或降低座椅框架成本的同時(shí)還沒(méi)有成功地減少所用的材料和重量。
[0009]一些制造商已嘗試用聚氨酯泡沫材料或基于其它氨基甲酸酯的泡沫材料填充諸如座椅框架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件以便增加強(qiáng)度。在給定聚氨酯泡沫材料密度情況下，增加有限的額外強(qiáng)度，但在許多情況下增加額外的重量，而且成本增加，因此這些聚氨酯填充的管件也只取得了有限的成功。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明涉及泡沫材料或復(fù)合材料增強(qiáng)的封閉結(jié)構(gòu)構(gòu)件，用于填充結(jié)構(gòu)構(gòu)件的復(fù)合材料或泡沫材料，以及用復(fù)合材料或泡沫材料填充結(jié)構(gòu)構(gòu)件的方法。更具體地，本發(fā)明涉及適于在車輛座椅中使用的座椅框架管件，其選擇性地填充有復(fù)合材料。復(fù)合材料配置成在將復(fù)合材料嵌入到結(jié)構(gòu)構(gòu)件中之前、之后或同時(shí)，允許將管件加熱、彎曲和焊接到封閉結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最終形狀。如果結(jié)構(gòu)構(gòu)件將要在其將經(jīng)受非均勻分布的力的應(yīng)用例如在車輛座椅框架中使用的話，復(fù)合材料可選擇性地僅位于需要增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或管件的部分中。復(fù)合材料的類型、密度和組成可取決于在結(jié)構(gòu)構(gòu)件那些部分中所需增強(qiáng)的量而在所述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同部分中進(jìn)行變化。
[0011]為了優(yōu)化增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和重量，應(yīng)首先對(duì)增強(qiáng)的座椅框架將所經(jīng)受的力進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的厚度則可配置成足夠堅(jiān)固以便經(jīng)受住僅在遇到最小量的力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件部分中可能產(chǎn)生的力。該復(fù)合材料用在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的其它部分中以便增強(qiáng)抵抗將由結(jié)構(gòu)構(gòu)件將經(jīng)受的更大力和應(yīng)力。例如，如果結(jié)構(gòu)部件在一個(gè)部分中將經(jīng)受10牛頓的力，而在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的其余部分僅經(jīng)受5牛頓的力，則結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體厚度可選擇成耐受至少5牛頓的力，并且該復(fù)合材料將選擇性地位于經(jīng)受10牛頓力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的部分內(nèi)。復(fù)合材料的類型、密度和位置可選擇成防止結(jié)構(gòu)部件在不同位置處的損壞，最大限度地節(jié)省重量，提供總成本降低，并且在某些情況下可設(shè)定固化時(shí)間，以確保所有的成形操作在復(fù)合材料硬化到具有結(jié)構(gòu)剛性的復(fù)合物之前完成。
[0012]復(fù)合材料通常涉及用粘合劑保持在一起的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。在將結(jié)構(gòu)材料嵌入到管件中的過(guò)程中可使用助流劑。結(jié)構(gòu)材料可由諸如WL300、WL150的空心微珠(cenosphere)或珍珠巖形成。該結(jié)構(gòu)材料形成復(fù)合材料的40-95%，典型地為45-75%。
[0013]附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0014]因?yàn)閰⒄战Y(jié)合附圖考慮的下述詳細(xì)說(shuō)明可更好地理解本發(fā)明的其它優(yōu)勢(shì)，因此將更容易地理解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0015]圖1是包括表示適于泡沫材料增強(qiáng)的示例性位置的陰影區(qū)域的示例性上部座椅框架的前視圖；
[0016]圖2是包括表示適于泡沫材料增強(qiáng)的示例性位置的陰影區(qū)域的第二示例性上部座椅框架的前視圖；
[0017]圖3是示例性的泡沫材料增強(qiáng)管件對(duì)沒(méi)有用聚氨酯復(fù)合材料增強(qiáng)的相同管件的負(fù)荷對(duì)撓度的曲線圖；
[0018]圖4是示出具有相似性能的管件的重量與用泡沫材料增強(qiáng)的示例性管件的柱狀圖；
[0019]圖5是示例性泡沫材料增強(qiáng)的管件對(duì)空管的負(fù)荷對(duì)撓度的曲線圖；
[0020]圖6是示例性靜態(tài)混合器的橫截面視圖；
[0021]圖7是示例性機(jī)械混合器的橫截面視圖；
[0022]圖8是示例性的被填充的框架構(gòu)件的橫截面視圖；以及
[0023]圖9是各種尺寸的空心微珠的放大視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]參照附圖，其中貫穿若干附圖相同的附圖標(biāo)記指代相應(yīng)的部件，諸如形成座椅框架的管件20的結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常在圖1和圖2中示出為用復(fù)合材料22增強(qiáng)的上部座椅框架。示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或管件20在附圖中示出為適于車輛座椅的靠背框架結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，結(jié)構(gòu)構(gòu)件20可在范圍廣泛的其它應(yīng)用中使用。例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可用于使得車身具有剛度和適于支柱和軌道的阻礙偏移性能以及車門承梁中的提高的側(cè)面碰撞的性能。此外，如圖中所示的示例性實(shí)施例的結(jié)構(gòu)構(gòu)件20當(dāng)以橫截面觀察時(shí)具有圓形形狀；然而，結(jié)構(gòu)構(gòu)件20可以具有任何所需的橫截面形狀，且橫截面可以沿其長(zhǎng)度變化。管件20通常由金屬材料形成，但可替代性地使用非金屬材料。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大小、形狀或結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)需要變化。
[0025]如圖3中所示，復(fù)合材料22選擇性地設(shè)置于管件20內(nèi)部中以便增強(qiáng)管件20的特定部分。換言之，復(fù)合材料22可設(shè)置于管件20的需要增強(qiáng)的部分中，而其它部分保持為空的部分。復(fù)合材料22的增強(qiáng)可通過(guò)允許管件20由更薄的材料制成而降低材料成本，反過(guò)來(lái)使增強(qiáng)管件20的重量和成本最小化。復(fù)合材料22的局部應(yīng)用增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎曲能力和剛度，且使得為了質(zhì)量得以優(yōu)化而減少壁厚成為可能。此外，復(fù)合材料22的類型和復(fù)合材料22的密度可在管件20的每一不同部分中進(jìn)行變化。復(fù)合材料22的不同密度可用于進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何形狀以便使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件20的質(zhì)量減少。復(fù)合材料22的密度和組成可優(yōu)選地基于管件20的各部分所需的增強(qiáng)量以及重量考慮來(lái)進(jìn)行選擇。例如，能夠進(jìn)行高水平增強(qiáng)的致密復(fù)合材料22可位于經(jīng)受重載荷的管件20部分內(nèi)，而具有較低增強(qiáng)能力但更輕的較不致密(或密度較小)的復(fù)合材料22可位于需要較少增強(qiáng)的管件20的部分內(nèi)。在圖3的示例性實(shí)施例中與用更淺陰影表示的較不致密復(fù)合材料22相比的用更深陰影表示的致密復(fù)合材料22。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，增加復(fù)合材料22的密度并不總是能夠增加管件20的加固，因此，應(yīng)慎重選擇復(fù)合材料22的類型和密度。此外，對(duì)于某些材料而言，結(jié)構(gòu)材料可具有比形成所述復(fù)合材料的粘合劑和其它材料更小的密度，并且因此，和上述示例相反，較不致密的復(fù)合材料22提供更大的加固。
[0026]如圖1和圖2中所示，示例性實(shí)施例的增強(qiáng)管件20包括彎曲部分24。如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)論述的那樣，這些彎曲部分24可在復(fù)合材料22嵌入到管件20內(nèi)之前、期間或之后而在管件20中形成。
·[0027]結(jié)構(gòu)構(gòu)件20可用各種復(fù)合材料增強(qiáng)，包括諸如陶瓷微球或空心微珠的泡沫狀陶瓷材料，或包括珍珠巖的泡沫狀復(fù)合材料。對(duì)于在座椅中使用的通常結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，本發(fā)明的包括復(fù)合材料的系統(tǒng)允許適于座椅框架的通常鋼管在質(zhì)量上平均減少約0.8-2.0千克。由于重量的這種減少可以根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件20的大小、形狀和配置而變化，因此重量減少可配置成使其不導(dǎo)致降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度即可。更具體地，本發(fā)明使用獨(dú)特的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其包括添加微球以便允許在成本和質(zhì)量顯著減少的情況下具有高于或等于現(xiàn)有材料的性能要求。
[0028]使用標(biāo)準(zhǔn)的聚氨酯泡沫材料的一個(gè)問(wèn)題是，聚氨酯泡沫材料填充的管件通常允許重量減輕，但整體填充的管件產(chǎn)品的成本比空心鋼管的成本更高。因此，這些聚氨酯泡沫材料填充的管件的應(yīng)用受到很大限制。此外，石油的價(jià)格和這些泡沫材料填充的管件的聚氨酯成分的價(jià)格具有相當(dāng)大的相關(guān)性，這會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件總成本的變化。
[0029]本發(fā)明使用一種獨(dú)特的復(fù)合材料，在某些應(yīng)用中其是一種泡沫材料或泡沫狀復(fù)合材料，而在其它應(yīng)用中其不是泡沫材料或泡沫狀材料，同時(shí)提高管件的性能特性。第一種復(fù)合材料是珍珠巖材料。珍珠巖是非常成本有效的，且復(fù)合材料可由30-95重量％的珍珠巖形成。所述第二種材料是微球或更具體地是幾乎成本有效的具有各種尺寸的也已知為空心微珠的陶瓷微球。該復(fù)合材料也可由30-95重量％的這些陶瓷微球形成。第三種材料可以是陶瓷微球和/或珍珠巖的組合物，總共形成復(fù)合材料的30-95重量％。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)材料特別是珍珠巖或微球的密度可能會(huì)發(fā)生變化，這也可能會(huì)改變這些所形成的復(fù)合材料的重量百分比。例如，不同尺寸的陶瓷微球或空心微珠的密度也可變化，以及較不致密的結(jié)構(gòu)材料將通常由與較致密的結(jié)構(gòu)材料相比的重量百分比更低的復(fù)合材料形成。上述三種類型的材料可單獨(dú)地或組合地與粘合劑或助流劑一起使用。
[0030]如圖3中所示，使用填充有增強(qiáng)材料的管件比中空管件提供彎曲變形前的更大負(fù)荷，以及在較低的負(fù)荷下彎曲變形沒(méi)有進(jìn)一步增加。如圖4中進(jìn)一步示出的那樣，本發(fā)明的復(fù)合材料具有通常在管件中所使用的包括聚氨酯泡沫的其它填充材料的幾乎一半的重量。如圖5中進(jìn)一步示出的那樣，線A和B示出了填充有本發(fā)明復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和增強(qiáng)構(gòu)件在所施加的負(fù)荷下如何只有很少的彎曲變形。相比較而言，由線C所示的空管在出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞之前具有最少量的負(fù)荷和高水平的彎曲變形。實(shí)際上，該管件隨著彎曲變形的增加針對(duì)額外的彎曲變形需要更小的力。線D示出填充有24PCF泡沫材料的管件，其比中空管件具有更大的抗彎曲變形性，但是在14，000N的負(fù)荷下經(jīng)受災(zāi)難性的損壞，且具有約65毫米的彎曲變形。線E示出了填充有18PCF泡沫的管件，和用本發(fā)明的復(fù)合材料增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件相比，其在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的顯著彎曲變形之前也需要更少的負(fù)荷。所有的管具有約38mm的外徑和約0.8mm的厚度。
[0031]珍珠巖是一種無(wú)定形的火山玻璃，其具有相對(duì)高的水含量，通常由黑曜巖的水合形成。它會(huì)自然生成，在充分加熱時(shí)具有不尋常的極大擴(kuò)展的特性，且常常用在熔爐中。由于處理后其重量輕，其是一種工業(yè)礦物和商業(yè)產(chǎn)品。當(dāng)干燥時(shí)，其重量顯著減輕，且可用作膨脹填料。
[0032]發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了珍珠巖的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中使用時(shí)，其是一種玻璃，當(dāng)溫度達(dá)到850-900 V時(shí)，其軟化，且截留在材料結(jié)構(gòu)中的水汽化，產(chǎn)生氣泡，從而使得材料膨脹，這又降低了密度。水的蒸發(fā)使得體積大致膨脹其初始體積的約7-30倍。由于所截留氣泡的反射能力，膨脹的材料具·有明亮的白色。未膨脹的(“原始”)珍珠巖具有約llOOkg/cm3(1.lg/cm3)的堆密度，而典型的膨脹珍珠巖具有約30-150kg/cm3的堆密度。因此，相比于密度典型為384kg/cm3的聚氨酯泡沫配制物而言，珍珠巖具有顯著更低的密度。管件的封閉結(jié)構(gòu)可限制膨脹，以及嵌入到結(jié)構(gòu)構(gòu)件20內(nèi)的珍珠巖的量需要加以限制，否則管件可能會(huì)因?yàn)榕蛎涍^(guò)程而變形。因此，珍珠巖的添加量也需要加以控制，且將取決于管件的體積、對(duì)管壁施加的力和膨脹珍珠巖的所需密度而進(jìn)行變化。
[0033]珍珠巖的典型組成是70-75 %的二氧化硅SiO2，12-15 %的氧化鋁Al2O3，3-4 %的氧化鈉Na2O, 3-5 %的氧化鉀K2O, 0.5-2 %的氧化鐵Fe2O3,0.2-0.7 %的氧化鎂MgO，0.5-1.5%的氧化鈣CaO和3-5%的燒失量(化學(xué)/結(jié)合水)。當(dāng)然，因?yàn)檎渲閹r是一種天然礦物，所截留的水量以及化學(xué)成分都可以變化。正因?yàn)槿绱耍渲閹r的所用量和其膨脹后的密度也可以變化，且需要在制造增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)程中加以選擇。珍珠巖是天然存在的礦物，且可能存在其它雜質(zhì)和包括其它雜質(zhì)。
[0034]包括珍珠巖的泡沫狀復(fù)合材料22的一種配方通常包括:按重量百分比計(jì)，多元醇15-65%，水0.1-0.5%，珍珠巖10-60%和二苯基甲烷二異氰酸酯(“MDI”)20-30%，優(yōu)選約25%。發(fā)現(xiàn)可用的另一種材料包括:按重量百分比計(jì)，多元醇5-70%，水0.0-0.5%，珍珠巖70-10%和MDI20-30%。這些復(fù)合材料通常只有具有類似性能的典型的聚氨酯泡沫材料成本的25%。
[0035]所述的復(fù)合材料22可以使用空心微珠或微球來(lái)代替珍珠巖或除了珍珠巖之外另外添加作為結(jié)構(gòu)材料?？招奈⒅槭强招牡奶沾晌⑶?，其通常是燃煤發(fā)電廠的副產(chǎn)物?？招奈⒅槭窃?500至1750°C的高溫下通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)和物理變化而產(chǎn)生的。在發(fā)電廠當(dāng)煤粉燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生粉煤灰。粉煤灰中的陶瓷顆粒具有三種類型的結(jié)構(gòu)。第一種類型的顆粒是固體的且被稱為沉淀劑。第二種類型的顆粒是中空的且被稱為空心微珠。第三種類型的粒子被稱為空心微球(plerosphere),其為內(nèi)部填充有更小尺寸的沉淀劑和空心微珠的大直徑中空顆粒。由于中空結(jié)構(gòu)，空心微珠具有低的密度。本發(fā)明使用空心微珠作為結(jié)構(gòu)材料?？招奈⒅槭前诜勖夯抑械妮^輕顆粒。大多數(shù)空心微珠是從灰池“滿載”或吸入粉煤灰。灰池是濕法處理后粉煤灰最后的存放地點(diǎn)。一些空心微珠也由發(fā)電廠自身收集。濕的微球然后經(jīng)烘干、分類處理和包裝以滿足客戶的要求。取決于生成它們的煤炭的組成，它們的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)有相當(dāng)大的變化。更具體地，空心微珠的性質(zhì)取決于所使用的煤的一致性和電廠的操作參數(shù)。只要煤的一致性和操作參數(shù)保持恒定，空心微珠將是相當(dāng)一致的?？招奈⒅榫哂?0-600微米的粒度范圍。
[0036]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，空心微珠是一種小球，其具有高的球形率或在形狀上更為球形，更具體地，具有基本上均勻的球形能提高樹(shù)脂預(yù)混合物的流速，降低粘度，減少內(nèi)部應(yīng)力。因此，在處理過(guò)程中，在制造復(fù)合材料時(shí)產(chǎn)生較少的熱量，以便防止局部的熱分解。如上面所述的空心微珠也更加均勻地分散于混合物中，且減少通常所需的其它化學(xué)品諸如粘合劑和助流劑的用量，同時(shí)也減少了 VOC指標(biāo)和成本。當(dāng)放置于管件或其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件中時(shí)，空心微珠的尺寸穩(wěn)定性必須是很高的，且出人意料的是，空心微珠甚至允許對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的后續(xù)成形 、彎曲和焊接具有很少或幾乎沒(méi)有不利的影響。使用適當(dāng)?shù)目招奈⒅?粘合劑比，可使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐沖擊性、表面硬度和整體強(qiáng)度得以顯著改善。
[0037]如上所述，高性能空心陶瓷微球的密度僅是聚氨酯泡沫材料密度的一部分。傳統(tǒng)上，只有少量的空心玻璃微球或空心微珠被用來(lái)代替較重的材料，例如在混凝土中添加少量，不超過(guò)10體積％。然而，本發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放置于結(jié)構(gòu)構(gòu)件中時(shí)可以使用高含量的空心微珠，諸如45-90%。當(dāng)考慮到每單位體積的成本而不是單位重量的成本時(shí)，高性能的空心玻璃微球的使用可以顯著降低成本。
[0038]空心玻璃微球的密度通常為0.20-0.60g/cm3,礦物填料的密度通常為2.7-4.4g/cm3，聚氨酯的密度通常為0.384g/cm3。本發(fā)明使用空心微珠，其是直徑范圍大約在25至300+微米的用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的低比重的空心陶瓷珠。該方法可設(shè)定成生產(chǎn)均勻混合物或不均勻的混合物。
[0039]空心微珠相對(duì)便宜，但質(zhì)量會(huì)因批次而有所不同?？招奈⒅榫哂幸恍┫拗?，包括空心微珠物理性質(zhì)的變異性和不可預(yù)測(cè)性，空心微珠不能承受諸如當(dāng)在水泥中使用時(shí)會(huì)在井眼水泥灌漿中遇到的高壓力水平。作為一種商品而不是工程產(chǎn)品，空心微珠沒(méi)有明確定義的值或質(zhì)量參數(shù)。空心微珠通常是通過(guò)浮選而不是通過(guò)尺寸或其它參數(shù)分級(jí)分離的，而且那些浮選空心微珠是在現(xiàn)場(chǎng)使用的。標(biāo)稱空心微珠的密度為0.7g/cc，但在500磅的最小壓力或更高的壓力下，該值可提高到0.85g/cc?？招奈⒅橐部赡茉谶\(yùn)輸和處理過(guò)程中由于粒度大小產(chǎn)生析出，從而導(dǎo)致漿料或預(yù)混合物的密度變化。[0040]本發(fā)明特別使用了作為空心微珠的高性能的中空玻璃微球作為一種在復(fù)合材料中使用的超輕質(zhì)廉價(jià)無(wú)機(jī)填料。大部分空心微珠的真密度為0.15-0.60g/cm3,直徑為2-130微米。具體地，WL300空心微珠的堆密度為約0.4g/cm3,平均抗壓強(qiáng)度為6500磅/平方英寸，熔點(diǎn)為1700-1900°C，比重為0.6-0.8。WL300的平均粒徑為10-350微米，優(yōu)選20-300微米。類似的空心微珠也可從環(huán)球服務(wù)(Sphere Services)以商品名Bionic Bubbleff-300商購(gòu)到。
[0041]可在表1中發(fā)現(xiàn)示例性的空心微珠。
[0042]表1
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種用于增強(qiáng)封閉結(jié)構(gòu)構(gòu)件的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括: 15-65重量％的多元醇； 0.1-3%重量的水； 10-95重量％的陶瓷微球、珍珠巖或陶瓷微球和珍珠巖的組合物，并且其中所述陶瓷微球是基本中空的； 5-30%的聚合二苯基甲烷二異氰酸酯；以及 0.1-5%的表面活性劑，并且其中所述表面活性劑可溶于異氰酸酯和多元醇中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其包括10-95重量％的陶瓷微球，并且其中所述的復(fù)合材料基本上不添加珍珠巖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述多元醇和所述水形成多元醇預(yù)混物，所述多元醇預(yù)混物與由所述陶瓷微球和所述聚合二苯基甲烷二異氰酸酯形成的異氰酸酯預(yù)混物混合，并且其中所述多元醇預(yù)混物和所述異氰酸酯預(yù)混物混合，并嵌入到所述封閉結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述陶瓷微球的尺寸范圍為10-600微米，且為大致球形的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述陶瓷微球具有約0.20-0.60g/cm3的密度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中所述多元醇包括5-15%的游離氮。`
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料，其中所述多元醇選自基本由HyperliteE-850,Hyperlite E-824 和 Multranol4050 構(gòu)成的組。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述二苯基甲烷二異氰酸酯選自基本由DOW的 Mondur489 和 Voranol RA800 以及 BASF 的 Quadrol 和 Bayer 的 Multranol4050 構(gòu)成的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述多元醇包括至少四個(gè)氮基團(tuán)，在每個(gè)末端具有兩個(gè)胺基團(tuán)，加上一個(gè)羥基，而且配置成用作具有羥基基團(tuán)的催化劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述表面活性劑是聚硅氧烷聚醚共聚物。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述二苯基甲烷二異氰酸酯包括3-48%的游離 NC0。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述多元醇包括苯乙烯丙烯腈。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中所述空心微球具有的堆密度為64-352kg/m3，比重為0.6-0.8，抗壓強(qiáng)度為3000-6500磅/平方英寸及高于1900華氏度的軟化點(diǎn)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合材料，其中基于100重量份的多元醇，所述復(fù)合材料包括0.1-3份的水，2-8重量份的聚硅氧烷聚醚共聚物，100-180重量份的芳香族異氰酸酯，50-90重量份的空心微球，1.6-12重量份的聚合酸和最高至5重量份的催化劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的復(fù)合材料，其中所述空心微球占60-85的重量份。
【文檔編號(hào)】C08G18/00GK103797039SQ201280044259
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月19日
【發(fā)明者】J·T·麥克沃伊, P·J·麥克拉倫, A·I·巴林, M·J·托馬斯 申請(qǐng)人:約翰遜控制技術(shù)公司