具有可變增強劑的軟管的製作方法

2023-06-07 23:48:56

專利名稱：具有可變增強劑的軟管的製作方法
技術領域：
本發明涉及軟管，和尤其適用於多種應用的高性能增強的軟管。更具體地，本發明涉及增強軟管，其中在整個軟管的長度上以控制和預定的方式變化增強作用。
背景技術：
橡膠軟管用於各種各樣的應用中以供輸送流體，例如液體和氣體。例如，這種軟管常常用作花園軟管、冰箱軟管、變扭器軟管、機動車加熱器軟管、冷卻劑軟管、功率輸送軟管、功率控制軟管等。需要這種軟管不僅具有足夠的柔性以滿足這種應用所要求的尺寸結構，而且該軟管應當足夠抗由於流經軟管的液體或氣體的高壓導致的內力，所述內力傾向於使軟管變形。為了確保軟管滿足這些條件，在這種高溫以及或高或低的壓力環境下使用的軟管的製造商典型地在彈性或熱塑性材料的內部管道層和外管層之間包括增強層。
使用紡織品和線材增強劑的軟管是已知的且在現有技術的文獻中公開過。例如，美國專利Nos.3972757、4758455、5360037、5398729、5476121、5488975和6074717尤其教導了所需地提供紡織品纖維和金屬線材作為在高壓應用中使用的軟管內的增強劑，以防止這種軟管斷裂。典型地，增強劑是螺旋、編織、針織或織造材料。儘管現有技術的增強軟管能提供所需的抗裂性，但以簡單、不可變的結構施加這種增強劑到軟管上，這種結構不可能在單一軟管的數個部分內提供可變的增強特徵。例如，可通過在軟管的每一端處，以控制和預定的方式改變增強作用，使之與相應的不相類似的匹配連接件更兼容，從而改進軟管的性能。因此，隨著增強軟管的更加複雜應用的到來，高度希望能在單一軟管內的規定部分處改變增強作用。
發明公開根據本發明，提供具有控制的可變增強劑的柔性軟管和這種軟管的製造方法。本發明的軟管包括輸送流體的具有內表面的內部管道結構，和支持其它層的外部表面；保護性外管覆蓋層；和置於內部管道結構和保護性外管覆蓋層之間的增強元件。柔性軟管的增強元件包括增強材料的可變取向，以便增強元件在軟管的預定點處顯示出可變的特徵。更具體地，本發明的軟管包括增強元件，其中增強元件的第一部分包括增強材料的第一個空間方位(dimensional orientation)，和增強元件的一個或更多個其它部分包括增強材料的不同空間方位。增強材料的可變空間方位允許增強元件在該增強元件的不同部分處顯示出不同的增強特徵。在本發明中，術語「第一增強特徵」、「第一空間方位」、「第二增強特徵」和「第二空間方位」簡單地是指在軟管的一個或更多個部分內增強特徵和/或空間方位的變化，以及控制並預定該變量。
軟管的性能取決於在軟管中所使用的增強劑的取向。因此，在軟管的每一端處的最佳取向可能在軟管的其它端或者另一部分處不是最佳的，尤其當在軟管的每一末端處匹配的連接件不同時。為了優化在每一端處的性能，希望在未固化的增強框架(carcass)上施加各種增強圖案，例如，間距、角度等，在可要求不同圖案的軟管的每一端處得到尤其所需的增強圖案。此外，由於軟管的物理取向或彎曲導致在軟管的任何一端處的增強對於軟管的中間部分或者其它居間部分來說不是最佳的。根據本發明，通過以控制的方式在整個軟管長度上改變增強材料的空間方位，從而改進軟管性能。
因此，本發明的目的是在軟管的預定部分內提供具有可變增強的軟管。這一軟管不僅滿足高性能軟管典型地要求的抗裂性，而且還相對於在特定應用中所要求的其它所需特徵，提供最佳的性能。
本發明另一目的是提供製造具有可變增強的軟管的方法，相對於軟管的一些所需的特徵，該方法在特定的應用中提供最佳的性能。
附圖簡述可根據優選實施方案的下述說明以及權利要求和附圖，看出本發明的特徵及其技術優勢，其中

圖1是為顯示本發明一個方面而拆解的具有保護覆蓋層的本發明軟管的截面視圖；圖2是為顯示本發明不同方面而拆解的具有保護覆蓋層的本發明軟管的截面視圖；和圖3是為顯示本發明再一方面而拆解的具有保護覆蓋層的本發明另一軟管的截面視圖。
優選實施方案的詳細說明根據本發明，提供具有內表面和外表面，和外部保護覆蓋層以及增強元件的柔性軟管，其中增強件顯示出可變的增強特徵；和製造這種柔性軟管的方法，其中該方法包括下述步驟形成具有內表面和外表面的聚合物管道結構，在該聚合物管道結構的外表面上形成增強元件，其中形成該增強元件，以提供顯示出第一增強特徵的至少一部分增強元件和顯示出第二增強特徵的至少其它部分的增強元件，以便第一增強特徵不同於第二增強特徵，並在增強元件上形成保護覆蓋層。
以控制的方式改變軟管中增強元件的取向，以提供在許多應用中軟管的改進性能，其中所述改進的性能以前沒有實現過。因此，希望軟管的一端具有一些增強特徵，而軟管的其它部分具有不同的增強特徵。例如，在其中要求急彎的軟管部分中，可以以控制的方式改變增強材料的間距，以提供不同於其中不要求急彎的其它部分軟管中間距的預定結構。當它應用到內部管道結構的外表面上時，通過控制增強件的空間方位來實現軟管的可變增強，即在形成增強軟管中，通過改變增強繩股或編帶的間距，圍繞內部管道結構形成所需的預定圖案，從而控制構成增強材料的線材或纖維的繩股或編帶的間距。
圖1和2示出了本發明的第一個實施方案，其中軟管10具有可變的增強件。圖1示出了第一個實施方案的一個方面，其中軟管10包括具有內表面14以供輸送流體和外表面16的柔性內部管道結構12、保護性外部覆蓋層20以及夾在內部管道結構12和外部覆蓋層20之間的增強元件18。增強元件18被施加到內部管道結構12的外表面16上，並在增強元件上施加保護性外部覆蓋層20，以便增強元件18置於內部管道結構12和外部保護性覆蓋層20之間。正如圖1所示，軟管10包括第一部分22，它大於軟管10的第二部分24，且根據本發明，相對於圍繞軟管10的第一部分22的增強元件18的膨脹增強部分26的圖案，例如間距、角度、密度等，圍繞軟管10的第一部分22的螺旋纏繞或者編織的增強元件18顯示出膨脹的增強部分26，而相對於縮小的增強部分28的可變圖案，圍繞軟管10的第二部分24的螺旋纏繞或者編織的增強元件18顯示出覆蓋軟管第二部分24的增強元件18中的縮小的增強部分28。
圖2示出了第一個實施方案的另一方面，其中軟管100包括具有內表面104以供輸送流體和外表面106的柔性內部管道結構102、保護性外部覆蓋層110以及夾在內部管道結構102和外部覆蓋層110之間的增強元件108。增強元件108被施加到內部管道結構102的外表面106上，並在增強元件108上施加保護性外部覆蓋層110，以便增強元件108置於內部管道結構102和外部保護性覆蓋層110之間。正如圖2所示，軟管100沿著其軸向長度A具有均勻的直徑。根據本發明的這一方面，軟管100的螺旋纏繞或者編織的增強元件108分別在居於第一和第二縮小的間距部分118和120間顯示出膨脹的增強部分112。當與增強元件的部分118和120中的圖案相比，膨脹部分112顯示出膨脹的圖案。
圖3示出了本發明的另一實施方案，其中軟管200包括含天然或合成纖維或金屬線材的織造或針織結構的增強元件208。軟管200包括流體經其中輸送的內表面204，和外表面206的柔性內部管道結構202；外部覆蓋層210；和夾在內部管道結構202和外部覆蓋層210之間的增強元件208。在本發明的這一實施方案中，增強元件208顯示出針織圖案，而不是本發明第一個實施方案的螺旋纏繞或者編織圖案。設計該針織圖案，以便在增強元件208的一端提供縮小的環形部分218和在增強元件208的另一端提供膨脹的環形部分220。在這一實施方案的另一方面中，可設計增強元件208，以便沿著增強元件208的任何位置提供一個或更多個膨脹部分和/或一個或更多個縮小部分，以提供所需的結構。
本發明的可變的增強元件提供軟管結構完整性並增加抗壓和抗刺穿性以及提供在製造增強軟管中迄今為止未知的其它所需的優勢。
本發明軟管的柔性內部管道結構可包括一層或更多層獨立的層，每一層典型地由在軟管制造中所使用的任何常規的橡膠或熱塑性材料製造且能耐受高的溫度與壓力以及充分地抵抗它們暴露於其下的環境條件，同時柔性還足以通過急彎而彎曲。作為實例，這種材料包括天然橡膠、丁苯橡膠(SBR)、聚氯丁二烯、三元乙丙橡膠(EPDM)；乙丙橡膠(EPR)、丁基橡膠；丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠；聚丁二烯；聚異戊二烯；聚氨酯；氯化聚乙烯(CPE)；氯磺化聚乙烯(CSM)；聚醯胺，例如尼龍6、尼龍6-6、尼龍11、尼龍12；聚酯，例如聚對苯二甲酸乙二酯；丙烯酸酯橡膠(ACM)；乙烯-丙烯酸聚合物(EA)；乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，例如Levapren、由Bayer製造的含有高乙酸乙烯酯的共聚物，和類似物；及其共混物。
軟管的外部覆蓋層是可擠出或者要麼在增強元件上施加的保護性覆蓋層。外部覆蓋層保護軟管的內部硬體避免磨耗和因軟管暴露於其下的化學品、油、溶劑、磨耗材料等引起的其它不利的影響。典型地，外部覆蓋層為薄壁管道形式，且可由常規的覆蓋材料製造，例如氯化聚乙烯(CPE)、氯磺化聚乙烯(CSM)、丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、丁腈-聚氯乙烯、三元乙丙橡膠(EPDM)、聚氯丁二烯、氯化丁基橡膠、尼龍、丙烯酸酯橡膠(ACM)；乙烯-丙烯酸聚合物(EA)；和類似物。應當根據預期軟管將遇到的環境和操作條件來選擇所使用的特定材料。
構造本發明的增強元件所使用的材料包括金屬線材、天然纖維、合成纖維和類似物，或其結合。優選地，由天然或合成纖維，例如棉纖維、玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化矽纖維、人造絲纖維、尼龍纖維、芳族聚醯胺纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維及其結合製造增強元件。
在對於一些應用來說的任選的實施方案中，可以所需地用合適的材料，例如間苯二酚甲醛膠乳(RFL)或者其它合適的粘合提高材料預處理增強件，以提高增強元件和相鄰的管道結構之間的粘合性。
可在形成柔性內部管道層和外部覆蓋層任何一個或二者中使用在橡膠軟管的常規製造中所使用的一些添加劑，這取決於特定的目的和軟管所打算的應用。有用的添加劑包括填料，例如碳黑(當希望導電的內表面時，例如在輸送可燃流體中，它也可尤其在內部管道結構的內表面處，用作導電材料)、氧化矽、碳酸鈣、硫酸鈣、粘土、硅藻土、雲母和類似物；軟化劑，例如礦物油、植物油、合成增塑劑；交聯劑，例如有機過氧化物、硫等；硫化促進劑；抗氧化劑和類似物。
根據本發明，還提供製造具有可變的增強作用的柔性軟管，其中該方法包括下述步驟形成具有內表面和外表面的聚合物管道結構；在聚合物管道結構的外表面上形成增強元件，其中形成增強元件，以提供顯示出第一增強特徵的至少一部分軟管和顯示出第二增強特徵的至少其它部分的軟管；並在增強元件上形成保護性覆蓋層。優選地，通過軸向擠出材料，形成彈性體或熱塑性材料的第一連續管道結構，形成最終變為本發明軟管的裡層的柔性彈性體或者熱塑性管道結構。然後，以控制的方式，圍繞柔性內部管道結構纏繞、盤旋、卷繞、扭曲或者要麼形成含天然或合成纖維的多根繩股的編帶形式的增強元件，以便所得增強元件在軟管長度的規定部分處顯示出所需的預定可變的增強特徵。典型地，增強元件包括一根或更多根編帶，其中每一編帶含有多根線材或纖維。優選地，每一編帶含有至少約6根線材或纖維和最多約36根線材或纖維，這取決於增強軟管的用途。最優選，每一編帶含有約6-20根線材或纖維。根據本發明，纖維或纖維以預定方式和以預定的間距形成十字形交叉，以提供顯示出所需增強特徵的特定空間方位。增強元件的空間方位通過增強材料繞內部管道結構纏繞時的間距，或者在針織增強元件的情況下，通過增強材料的環線之間的距離來確定。
所需地可提高在增強元件和內部管道結構和/或外部覆蓋層之間的粘合性。可通過用具有粘合提高性能的合適材料預處理增強繩股，或者在然後的擠出過程中，通過在一個或兩個獨立的步驟中，在內部管道結構和增強元件之間，和/或在增強元件與外部覆蓋層之間塗布粘合提高材料的獨立層，從而提高粘合性。常規的粘性提高材料，例如間苯二酚甲醛膠乳和類似物可用於這一目的。
在內部管道結構上纏繞增強元件，以便圍繞內部管道結構提供預定和控制的增強圖案，使得增強件在所得軟管的所需和預定部分處顯示出可變的增強。典型地，增強材料包括相對於管道結構的縱軸，在軟管的第一部分處，以預定的間距纏繞和反纏繞的多種天然或合成纖維或金屬線材，然後相對於管道結構的縱軸，在軟管的不同部分處，在不同的預定間距和/或角度或增強密度下，纏繞和反纏繞增強材料。
或者，針織或織造增強材料，形成網眼。編織或織造增強元件連續和可變地圍繞內部管道結構布置，以便提供繞管道結構的預定部分布置的第一預定環線，和繞管道結構的第二預定部分布置的第二預定環線。第一和第二環線的間距彼此不同，以便對於管道結構的特定部分，增強元件顯示出可變的增強特徵。
製造軟管的優選方法包括下述步驟形成具有內表面和外表面的彈性體或熱塑性管道結構；以控制的方式，例如在產生兩個在上、兩個在下的編織圖案的梭類maypole編帶機中，通過圍繞彈性體或熱塑性管道結構的外表面周邊纏繞含多根纖維或線材的增強材料，在第一管道結構的外表面上形成增強元件；和最後圍繞增強元件形成保護性覆蓋層。
形成增強元件的步驟進一步包括監控和調節設備，例如計算機化機器人技術以供連續監控線速度、蓋板速度(deck speed)等，並在形成增強元件的過程中調節增強材料的空間方位，以便根據預定的技術規格和預定的教導，維持恆定的張緊圖案。也可使用計算和最大化施加增強的臨界參數的其它設備，例如超聲傳感器、尺寸測量體系、真空壓力變化體系。
可使用合適的觀測體系，在規定的長度處標記和/或切割軟管，以便根據預定的長度和增強變化技術規格，形成並回收每一單獨的軟管，從而能連續製造具有可變增強作用的軟管。然而，在一些條件下，希望可手工或者半機械地建造軟管長度。
儘管此處具體地闡述並描述了本發明的一些優選的方面和實施方案，但要理解，可在沒有脫離所附權利要求定義的本發明範圍的情況下，實踐各種其它方面和實施方案，及其改性。
權利要求
1.一種輸送流體的柔性軟管，其特徵在於具有流體經其中輸送的內表面(14，104，204)，和外表面(16，106，206)的聚合物管道結構(12，102，202)；置於所述聚合物管道結構(12，102，202)的外表面(16，106，206)上的增強元件(18，108，208)，其中所述增強元件(18，108，208)顯示出可變的增強特徵；和圍繞所述增強元件(18，108，208)的外部保護性覆蓋層(20，110，210)。
2.一種輸送流體的柔性、彈性體或熱塑性軟管(10，100，200)，其特徵在於具有內表面(14，104，204)和外表面(16，106，206)的管道結構(12，102，202)；所述內部管道結構包括選自天然橡膠；丁苯橡膠(SBR)；腈橡膠；氫化丁腈橡膠；聚氯丁二烯；三元乙丙橡膠(EPDM)；乙丙橡膠(EPR)；丁基橡膠；聚丁二烯；聚異戊二烯；聚氨酯；氯化聚乙烯(CPE)；氯磺化聚乙烯(CSM)；聚醯胺；聚酯；丙烯酸酯橡膠(ACM)；乙烯-丙烯酸聚合物(EA)；及其共混物中的彈性體或熱塑性材料；在所述管道結構(12，102，202)的外表面(16，106，206)上的含金屬線材、天然纖維或合成纖維的可變增強元件(18，108，208)，其中所述可變增強元件(18，108，208)包括顯示出第一增強特徵的含第一空間方位的第一部分(26；112；220)，和顯示出第二增強特徵的含第二空間方位的至少一個其它部分(28；118，120；218)，其中所述第一增強特徵不同於所述第二增強特徵；和選自天然橡膠；丁苯橡膠(SBR)；腈橡膠；氫化丁腈橡膠；聚氯丁二烯；三元乙丙橡膠(EPDM)；乙丙橡膠(EPR)；丁基橡膠；聚丁二烯；聚異戊二烯；聚氨酯；氯化聚乙烯(CPE)；氯磺化聚乙烯(CSM)；聚醯胺；聚酯；丙烯酸酯橡膠(ACM)；乙烯-丙烯酸聚合物(EA)；及其共混物中的外部保護性覆蓋層(20，110，210)。
3.權利要求1的軟管，其特徵在於，所述增強元件(18，108，208)包括顯示出第一增強特徵的含第一空間方位的第一部分(26；112；220)，和顯示出第二增強特徵的含第二空間方位的至少一個其它部分(28；118，120；218)，其中所述第一空間方位不同於所述第二空間方位。
4.權利要求2或3的軟管，其特徵在於所述第一空間方位是第一角度的取向，和所述第二空間方位是第二角度的取向，，或者所述第一空間方位是第一增強間距和所述第二空間方位是第二增強間距。
5.權利要求1-4任何一項的軟管，其特徵在於所述增強元件(18，108，208)包括金屬線材、天然纖維或合成纖維，其中所述增強元件是鋼線材，其中所述增強元件可包括選自棉纖維、玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、碳化矽纖維、人造絲纖維、尼龍纖維、芳族聚醯胺纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維及其結合中的天然纖維或合成纖維。
6.權利要求1-5任何一項的軟管，其特徵在於所述增強元件(18，108，208)是螺旋、編織、針織或織造結構。
7.權利要求1-6任何一項的軟管，其特徵在於所述聚合物管道結構(12，102，202)選自天然橡膠；丁苯橡膠(SBR)；腈橡膠；氫化丁腈橡膠；聚氯丁二烯；三元乙丙橡膠(EPDM)；乙丙橡膠(EPR)；丁基橡膠；聚丁二烯；聚異戊二烯；聚氨酯；氯化聚乙烯(CPE)；氯磺化聚乙烯(CSM)；聚醯胺；聚酯；丙烯酸酯橡膠(ACM)；乙烯-丙烯酸聚合物(EA)；及其共混物，和/或所述外部保護性覆蓋層(20，110，210)選自天然橡膠；丁苯橡膠(SBR)；腈橡膠；氫化丁腈橡膠；聚氯丁二烯；三元乙丙橡膠(EPDM)；乙丙橡膠(EPR)；丁基橡膠；聚丁二烯；聚異戊二烯；聚氨酯；氯化聚乙烯(CPE)；氯磺化聚乙烯(CSM)；聚醯胺；聚酯；丙烯酸酯橡膠(ACM)；乙烯-丙烯酸聚合物(EA)；及其共混物。
8.權利要求1-7任何一項的軟管，進一步特徵在於置於所述聚合物管道結構(12，102，202)和所述增強元件(18，108，208)之間，和/或置於所述聚合物管道結構(12，102，202)和所述外部覆蓋層(20，110，210)之間的粘合促進劑，其中所述粘合促進劑可以是間苯二酚甲醛膠乳，或者特徵在於所述增強元件(18，108，208)是用粘合促進劑預處理過的預處理增強元件，其中所述粘合促進劑可以是間苯二酚甲醛膠乳。
9.製造具有可變增強作用的柔性的彈性體軟管(10，100，200)的方法，其特徵在於下述步驟形成具有內表面(14，104，204)和外表面(16，106，206)的聚合物管道結構(12，102，202)；在所述聚合物管道結構(12，102，202)的外表面(16，106，206)上形成增強元件(18，108，208)，於是形成所述增強元件(18，108，208)，以便提供顯示出第一增強特徵的具有第一空間方位的至少一部分(26；112；220)，和顯示出第二增強特徵的具有第二空間方位的至少一個其它部分(28；118，120；218)，其中所述第一增強特徵不同於所述第二增強特徵；和在所述增強元件(18，108，208)上形成保護性覆蓋層(20，110，210)。
10.權利要求9的方法，進一步地特徵在於當在所述內部管道結構(12，102，202)的外表面(16，106，206)上形成所述增強元件(18，108，208)時，連續監控所述增強元件(18，108，208)的形成和連續調節其取向，和/或在預定的軟管長度處，標記和/或切割所述軟管(10，100，200)。
全文摘要
用於輸送流體的柔性軟管和這種軟管(10，100，200)的製造方法，包括具有流體經其中輸送的內表面(14，104，204)，和外表面(16，106，206)的聚合物管道結構(12，102，202)；外部覆蓋層(20，110，210)；和置於內部管道結構(12，102，202)和外部保護性覆蓋層(20，110，210)之間的增強元件(18，108，208)，其中該增強元件(18，108，208)在軟管長度上顯示出可變的增強特徵。
文檔編號B32B25/08GK1946546SQ200580012449
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月21日 優先權日2004年4月22日
發明者D·E·科斯塔莫 申請人:戴科產品有限責任公司