用於木製構件的並排纖維加強板的製作方法
2023-05-02 16:41:56
專利名稱：用於木製構件的並排纖維加強板的製作方法
技術領域：
本發明涉及對木製結構進行加強的技術，例如對梁、柱和構架進行加強的技術。本發明特別涉及用單向纖維作為木製結構件的加強物，以提高木製結構的抗拉伸和抗壓縮承載能力。
為了保持木製產品的競爭力，木製產品工程師必須在考慮可選用的材料的同時採用新的設計，以便提高工程木製品的結構強度極限和成本效益。典型的工程木製品包括膠合疊層木樑，疊層木柱，木製工字梁，以及木製構架等。現有技術已廣泛地應用在這些工程木製品上。
O』Brien的美國專利No.5,026,593公開了用平薄的鋁帶對疊層梁進行加強的技術。根據O』Brien的描述，鋁帶必須連續地覆蓋梁的寬度和長度，並且加強帶可以用粘結的方法固定到梁的最下層，以提高梁的抗拉強度，或者固定到梁的在最上層，以提高梁的抗壓強度。因此，儘管O』Brien講述了為了提高梁的抗拉強度(或抗壓強度)，如何確定加強帶在木製疊層梁上的位置的工程原理，並因此提高了梁的總體承載能力，但O』Brien只描述了鋁製加強帶的使用。雖然O』Brien說到加強帶可以是任何具有「高拉伸強度」的材料，但O』Brien既沒有涉及優化加強帶的方法，也沒有就此提出建議，同時也沒有解決使用非鋁製的加強帶所帶來的問題。
在1988年的國際木材會議上，Dan A.Tingley提交了一篇題為「加強的膠合疊層木樑」的論文(以後稱之為Tingley論文)，該論文介紹了在膠合疊層木樑(glulams)上使用加強塑料(RP)的技術。Tingley的論文中公開了在膠合疊層木樑的高應力區中布置「KEVLAR」加強塑料板的實驗結果。結果表明，使用「KEVLAR」加強板的梁與未經過加強的梁相比，梁的極限破壞載荷提高了19％。雖然論文中沒有提到為什麼需要縱向排列纖維或怎樣實現縱向排列纖維，但論文中說到，製造者可以實現100％的纖維縱向排列。Tingley論文還指出，相對膠合疊層木樑的長度來說，縮短RP的長度具有經濟上的益處，同時不會明顯降低對木樑強度的加強效果。Tingley的論文沒有涉及任何關於製造RP加強板的方法，也沒有提到為了降低初始應變，在纖維受到張力作用的同時對板進行固化所帶來的好處。Tingley論文也沒有提到將最外面的某些纖維露出所帶來的益處，其中，將某些纖維露出是為了使RP的表面「起毛」，以便產生一個便於使用商品級粘結劑(例如間苯二酚粘結劑)的表面。相反，Tingley論文提到使用環氧樹脂膠，而不是使用間苯二酚粘結劑，將RP與相鄰的木板層粘結起來，儘管其它木板層之間使用的是較便宜的商品級粘結劑(間苯二酚粘結劑)。
本發明涉及的另一領域是連續塑型(pultrusion)加工方法。連續塑型是一種連續製造方法，用於製造各種長度的纖維加強塑料部件。連續塑型包括牽引若干柔性的加強纖維，使其經過一個液體樹脂槽，然後再經過一個加熱的模具，此模具能夠使RP成型，並使樹脂固化。連續塑型因能夠製造出連續的RP，並且允許根據用戶需要布置纖維的位置和方向而廣為人知，其中的後一特點使人們可以對連續塑型部件的機械特性進行設計，以適應特殊的應用。連續塑型部件中具有沿縱向布置、用於提高軸向強度的纖維，以及傾斜布置、用於提高橫向強度的纖維。
本發明對現有技術中使用加強塑料板作為疊層木樑和其它木製結構件的加強物的技術進行了改進。本發明提供了一種加強板，這種板由大量的高強度纖維組成，所有纖維都彼此基本平行地布置，並且與加強板的縱向軸線並排。為了使板的表面「起毛」，對最靠近表面的纖維進行打磨，使得能夠用商品級的粘結劑(例如間苯二酚粘結劑)將RP板與木製結構粘結起來。
本發明也包括混合纖維RP板，在這種板中，有一個由大量連續的和並排的纖維構成的芯部，以及一個(或多個)由非連續纖維組成的外層，為了便於板和木製結構的粘結，其中的非連續纖維經過打磨，使得RP板具有起毛的表面。在設計上不允許纖維起毛的場合中，混合纖維RP板是十分重要的。例如，為了製造高抗壓強度板，在「KEVLAR」中應布置碳素纖維，因為碳素纖維比其它大多數商品纖維具有更大的壓縮彈性模量，而「KEVLAR」以起毛，以作為粘結表面使用，在另一方面，為了將板與相鄰的木板層粘結起來，只由碳素纖維組成的板將需要環氧樹脂基的粘結劑。
本發明也包括製造這種板的加工方法，在這種加工方法中，當樹脂在加熱的模具中固化時，幾乎全部纖維都處於平行和並排布置的狀態，並同時受到張力的作用。
通過參考附圖，以及通過下面對本發明的詳細描述，本發明的上述及其它目的、特點和優點將很容易得到理解。
圖1是現有技術中連續塑型加工方法的透視圖。
圖2是本發明連續塑型加工方法的透視圖，利用這種方法能夠製造出長形的加強板，加強板中的全部纖維均彼此平行，並與一縱向軸線並排。
圖3a-圖3c是本發明纖維板的局部斷面透視圖，其中，剖視的部分表示了構成纖維板的纖維排列和布置情況。
圖4是一具有本發明加強板的木製疊層梁的正視圖，其中，加強板位於疊層之間。
圖5是一具有本發明加強板的木製疊層梁的正視圖，其中，加強板位於疊層梁的外表面。
圖6是一木製工字梁的正視圖，圖中表示了為提高工字梁的承載能力，本發明的加強板所應在的優選位置。
圖7是一木製構架的正視圖，圖中表示了為提高構架的承載能力，本發明的加強板所應在的優選位置。
通過對本發明用途的描述，本發明將很容易得到理解。參考圖4和圖5，圖中表示了由多層層壓板12組成的粘結木製疊層梁10。每塊層壓板12最好是長形的木板。
疊層梁的主要建築用途是跨越空間，例如跨越支承座14之間的空間，以及支撐由箭頭16所表示的載荷。當疊層梁按圖中的布置方式工作時，最下面的層壓板18一般承受著純拉伸應力。與此相反，最上面的層壓板20一般承受著純擠壓應力。科學家發現，通過在最大應力區中布置加強板22或23，即分別在最靠近最下面板18或最靠近最上面板20的區域中布置加強板22或23，一般能夠提高疊層梁的承載能力。因為板22用在高拉伸應力區中，而板23用在高擠壓應力區中，因此加強板22與加強板23有所不同。在圖4中，加強板22位於最下面層壓板18和相鄰層壓板之間的位置，而加強板23位於最上面層壓板20和相鄰層壓板之間的位置。
在圖4和圖5中，加強板的長度大約是梁長度的五分之三。實驗結果以及現有技術表明，覆蓋在梁的中部、長度為五分之二～五分之三梁長的加強板一般能夠提供全長度加強板所能提供的全部優點，而且能夠降低每根梁的造價。如圖4所示，加強板安裝在層壓板之間，並且長度大約是梁長的五分之三，因此，在靠近加強板22端部的地方需要布置襯板24。襯板24可以用木材製造。如圖5所示，當加強板布置在梁的最外側時，不需要襯板。
在本發明的優選實施例中，以及在上述條件下，即對於具有集中載荷或均勻載荷的簡支梁來說，最下面的加強板22將由具有高抗拉強度的材料製造，而最上面的加強板23將由具有高抗壓強度的材料製造。應當理解，圖4和圖5所示的加強板布置形式只適合於圖中所示的載荷條件。如果疊層梁承受不同類型的載荷，加強板的最佳布置形式也將有所不同。例如，如果疊層梁是懸臂的，則在設計時應考慮將具有高抗拉強度的加強板布置在梁的上部，而將具有高抗壓強度的加強板布置在梁的下部。同樣，在懸臂載荷的情況下，加強板不應布置在梁長度的中部，而應沿著梁的最大應變區布置。
圖6～7表示了不同的木製結構件形式，並表示了能夠最大限度地增加結構件承載能力的加強板安裝位置。圖6表示了一根木製工字梁，加強板沿著梁的頂部和底部布置，並且也布置在端部處的腹板上。圖7表示了一個木製構架，在構架的最大拉伸應力區中布置有加強板。在這裡，圖4～7隻是用於表明本發明加強板的一些應用情況，而無法列出本發明加強板所適用的全部木製結構類型的各種應用情況。應當認識到，本發明的加強板也同樣適用於整體梁和整體柱，以及其它工程木製結構，例如平行和疊層膠合板。
本發明加強板的一個優選實施例如圖3a所示。板22由許多彼此平行，並與板的縱向並排的合成纖維24組成。樹脂外殼26包圍著纖維，並充滿纖維之間的間隙，通過樹脂外殼26的作用，纖維24將保持其平行和並排布置狀態。如下面所述，板22已經過處理，使得將與木製結構相粘結的表面區域30上具有露出的纖維28，以便進行粘結。
纖維24的這種平行布置和縱向並排布置提供了這樣一種板，因為強度取決於纖維(不取決於樹脂)，因此這種板具有最大的強度，而且本發明中的纖維布置方式使纖維的密度能夠達到最大。通常，加強塑料部件中的纖維與樹脂的體積比為40/60。然而，當使用連續塑型方法製造時，本發明中的纖維布置方式使纖維與樹脂的體積比能高達60/40。此外，本發明中的纖維布置方式也便於樹脂對纖維的溼化。在製造加強塑料部件的過程中，樹脂對加強纖維進行充分浸潤(通常稱為溼化)是十分重要的。當纖維的布置形式是複雜的編織形式時，很難達到1％的溼化。通過提供平行布置的纖維布置形式，即使在高的纖維/樹脂比的情況下，本發明也能夠實現100％的溼化。
在本發明之前，加強塑料板只能通過環氧樹脂粘結劑與木製梁和木製結構進行粘結，而環氧樹脂粘結劑比通常在製作木製疊層製品時所使用的粘結劑貴得多。在製作疊層木製品中經常使用的商品級粘結劑是間苯二酚，其價格低於環氧樹脂粘結劑的價格。通過對加強板22的表面進行處理，使該表面起毛，也就是說，使靠近表面30的纖維斷裂，並且使斷頭28從樹脂外殼中露出，這樣便提供了一種能夠用非環氧樹脂粘結劑將加強塑料板與木製結構粘結起來的未知方法。
用於使加強板22的表面起毛的優選方法是在與板的縱向相垂直的方向上，利用粒度為60的磨料對板的表面進行打磨。這種打磨將磨掉一小部分樹脂外殼，並使最靠近表面的纖維露出。進一步的打磨將會使單個纖維斷裂，使得纖維的一端仍保持在樹脂外殼中，而樹脂的另一端則從樹脂外殼中露出，從而製備出了起毛表面。
對於加強塑料製造領域的一般技術人員來說，用於使加強板22的表面起毛的可選方法是顯而易見的，並且這些方法包括在固化樹脂外殼之前，對板的表面進行化學處理，以便在從固化模中排出時，使板的表面出現空隙，從而去除部分樹脂，並使下面的纖維露出。用於使板的表面起毛的其它可選方法是使用斷裂的粗紗。正如下面將要描述的，這裡所涉及的纖維都是合成纖維，並且纖維的製造過程是這樣的首先生產細絲，細絲組合在一起而形成單紗或纖維，單紗或纖維的進一步組合將形成絞合線(又稱紗線)，或者非絞合線(又稱粗紗)。通常，粗紗或紗線可編織成一種在生產中使用的織物。現有的一種粗紗稱為斷裂粗紗，這種粗紗承受過拉力的作用，使得粗紗中的一些纖維發生了斷裂。通過將這種斷裂粗紗作為並排布置和封裝在樹脂外殼中的纖維，所生產出的板將具有起毛的表面。
圖3a中所示的板是一種板的優選實施例，這種板可用於增加木製梁上高拉伸應力區域的強度。纖維24最好是芳族聚醯胺(aramid)纖維或碳素纖維。芳族聚醯胺纖維在市場上稱為「KEVLAR」，並且對本發明來說，這種纖維的等級最好是「KEVLAR49」。作為一種選擇，纖維可以是具有高模量的聚乙烯纖維，它在市場上稱為「SPECTRA」。
圖3b表示了加強板的另一優選實施例，這種板具有兩種類型的纖維。第一種纖維30彼此平行布置，並且如前所述，纖維30與板22的縱向相併排，而第二種纖維31布置在第一種纖維和將與木製結構相粘結的表面32之間的位置。這一實施例特別適合於需要不起毛的第一種纖維(例如碳素纖維或「SPECTRA」)的場合。碳素纖維本身在結構上適合於用作木製梁的加強板。然而，實驗表明，用間苯二酚粘結劑不可能將碳素纖維板與木製梁粘結起來，並且已經證明，對碳素纖維板的表面進行起毛處理是沒有作用的。因此，在需要將碳素纖維或「SPECTRA」作為第一種纖維30的場合中，將也封裝在樹脂外殼26中的芳族聚醯胺纖維作為第二種纖維31覆蓋在板的主要表面上是十分有益的。芳族聚醯胺纖維的使用使得可以按照上述方法對板進行起毛處理，以便能夠用非環氧樹脂粘結劑(例如間苯二酚)將板與木製結構粘結起來。
圖3c表示了加強板的另一優選實施例，這種板具有第一纖維34和纖維織物35，第一纖維34和纖維織物35都封裝在樹脂外殼26中。此實施例最適合用於由非環氧樹脂製成的樹脂外殼。對非環氧樹脂外殼的實驗結果表明，在加強板22中出現了層間的剪切失效。因此，雖然在加強板中能夠獲得最大強度的最佳纖維布置形式是平行和縱向並排布置，但是通過提供與板的縱向相傾斜、並因此能夠承受層間應變的纖維，纖維織物能夠提高加強板22中的層間剪切強度。
在板的製造過程中所使用的樹脂26最好是環氧樹脂。然而，在可選的實施例中也可以使用其它樹脂，例如聚酯，乙烯基酯(vinylester)，酚醛樹脂，聚醯亞胺，或聚苯乙烯吡啶(polystyrylpyridine)(PSP)。在本發明的其它可選實施例中還可以使用熱塑樹脂，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，以及尼龍-66。
本發明的加強板22提供了這樣一種板，這種板具有極高的拉伸或壓縮彈性模量。然而，因為幾乎全部纖維都是平行和縱向並排布置的，因此本發明的加強板的橫向強度很低。加強板的橫向強度低到具有一般力氣的人就能沿著加強板的縱向軸線使加強板彎曲到其斷裂極限的地步。本發明的加強板只適用於加強這樣的結構，在這種結構中，載荷是單向的，並且載荷具有可確定和可控制的方向。
正如對現有技術所作的討論一樣，連續塑型加工是一種加工方法，在這種加工方法中，合成纖維浸潤在樹脂中，並在牽引力的作用下經過一個加熱的模具，以便使包圍合成纖維的樹脂固化。現有技術中的各種連續塑型加工方法都使用了一定量的、與牽引方向的縱向相傾斜的纖維，以便使連續塑型製品具有橫向強度。此外，應該對現有技術中的連續塑型加工方法進行嚴格控制，以保證製品中具有充足的樹脂，從而防止纖維外露。同樣，現有技術中的連續塑型加工方法不能象其它方法那樣使連續塑型製品中的纖維露出，因為加強塑料工業中的技術人員都知道，外露的纖維會削弱製品的強度，並且不能用在暴露於周圍環境或暴露於人的場合。
下面將參考圖1對現有技術中的連續塑型加工方法進行描述。如圖1所示的連續塑型加工方法能夠用於製造中空的矩形斷面構件，因此在連續塑型加工中需要型芯40來確定中空的芯部。為了製造實心構件，應通過取消型芯40來改變現有技術中的連續塑型方法。現有技術中的連續塑型加工分別包括上部和下部織物44和45，織物44和45通常是粗紗織物或纖維織物。也包括許多粗紗46，它們可以沿所形成結構件的縱向排列，並夾在編織物之間。在整個加工過程中，牽引器48對纖維提供牽引力。因此，從下部織物44開始，織物44在牽引力的作用下經過樹脂槽50，並且在成型模具52的作用下圍繞型芯40成型。同樣，粗紗46在樹脂槽54中溼化，並在成型模具56的作用下圍繞型芯/織物的組合物成型。之後，上部織物45在樹脂槽58中溼化，並在成型模具60的作用下圍繞型芯40、下部織物44和粗紗46的組合物成型。然後，在牽引力的作用下，整個組合物經過加熱的模具42，加熱模具42將使樹脂固化，使得結構件38從模具中出來後變成為一個剛性件38。
為了製造本發明的加強板22(或23)，本發明改進了現有技術中的連續塑型加工方法。從多個繞有合成纖維粗紗72的繞線軸70開始，粗紗72在牽引力的作用下經過孔板74，以便使粗紗排列整齊，並防止粗紗纏繞。孔板74上具有多個用於穿過粗紗72的孔76。孔76通常襯有低摩擦材料，例如陶瓷或塑料，以防粗紗72受到孔邊的磨損或阻力。在粗紗72經過孔板74之後，粗紗在第一梳輪78的作用下集中在一起，並彼此平行排列。在第一梳輪之後，粗紗從上方越過張緊心軸80，並從下方經過第二梳輪82，其中，第二梳輪82進一步使粗紗72保持平行。之後，粗紗在樹脂槽84中溼化，在進入加熱的模具88之前，在成型模具86的作用下匯集在一起，模具88上有一個使板22(或23)成型的開口90。來自模具88的熱量使樹脂固化，以便使出來的板成為基本為剛性的部件。
現有技術中的連續塑型加工方法過去被認為是加工連續的加強塑料的理想方法。然而，因為能夠將纖維彼此平行布置，並能將纖維沿加強板的縱向布置，因此，通過對本發明的加強板進行連續塑型，獲得了意想不到的益處。本發明中改進的連續塑型加工方法的另一個意想不到的益處是在樹脂固化時，纖維中具有張力，這種張力帶來了兩個好處。首先，纖維中的張力有助於使纖維在板中保持平行和並排布置狀態。其次，可以發現，在纖維受到張力作用的同時，通過對樹脂進行固化，所得到的加強板具有更大的剛性，並且當本發明的加強板用於對木製梁進行加強時，在初始載荷的作用下，梁的變形更小。在纖維受到張力作用的同時，通過對樹脂進行固化，使得纖維的初始應變在加工過程中得到保持，因此，當把加強板粘結到木製梁上，並且該梁承受載荷作用時，與使用了樹脂固化時纖維不受張力作用的纖維加強板的木製梁相比，這種板使梁的變形更小。
實驗表明，樹脂固化時，纖維中的最佳張力約為8磅。纖維中的張力是通過作用在粗紗上的反向拉力產生的，這種反向拉力可由張緊心軸80配合梳輪78,82來實現，或通過使用摩擦繞線軸70來實現，在後一種方法中，繞線軸的滾動摩擦力是可調的，以便對粗紗提供所需的反向拉力。
在上述說明中所使用的詞彙和表達方法只是作為描述詞彙來使用的，而不具有限制意義，並且在使用這些詞彙和表達方法時，並非不包括所描述零部件的等同物，應該理解，本發明的範圍只由權利要求書中的權利要求所確定和限制。
權利要求
1．一種具有第一縱向軸線的長形木製結構承載構件，包括(a)多個用第一粘結劑粘結在一起的長形木製部分，上述長形木製部分的長度方向一般與第一縱向軸線一致；以及(b)多個合成加強板，上述每個合成加強板都具有許多保持在樹脂基體中的合成纖維絞線，並且至少合成加強板中所選的第一加強板通過第一粘結劑至少與木製部分中的第一所選部分進行粘結。
2．根據權利要求1所述的木製結構件，其特徵在於，至少合成加強板中所選的第一加強板上的上述纖維是聚合纖維。
3．根據權利要求2所述的木製結構件，其特徵在於，至少合成加強板中所選的第一加強板上的上述聚合纖維是芳族聚醯胺纖維。
4．根據權利要求1所述的木製結構件，其特徵在於，至少合成加強板中所選的第一加強板上的上述纖維是聚乙烯纖維。
5．根據權利要求1所述的木製結構件，其特徵在於，至少合成加強板中所選的第一加強板上的上述纖維是碳素纖維。
6．根據權利要求1所述的木製結構件，其特徵在於，上述樹脂基體是熱凝樹脂。
7．根據權利要求1所述的木製結構件，其特徵在於，上述樹脂基體是熱塑樹脂。
全文摘要
一種粘結到長形木製結構件上、用於提高此結構件承載能力的板(22)以及這種板的製造方法。加強板包括大量彼此平行、並與板的縱向並排的合成纖維(24)、板中幾乎沒有橫向纖維。包圍纖維的樹脂外殼(26)使纖維將保持上述狀態。最靠近表面處的纖維沒有被樹脂外殼所包圍。通過對板的表面進行處理,使最靠近表面處的纖維「起毛」,以便使用非環氧樹脂粘結劑。本發明的加強板是通過改進的連續塑型加工方法製造的。
文檔編號B27N3/06GK1208106SQ9810870
公開日1999年2月17日 申請日期1998年5月29日 優先權日1993年3月24日
發明者丹尼爾·A·廷格利 申請人:丹尼爾·A·廷格利