刮刀与造纸机械的旋转辊表面接触达到各种各样用途，如辊清洁或纸张脱 落。传统的刮刀一直是用包括金属和各种复合材料在内的各种材料制成的。
多年来复合材料一直用于制造造纸机械上的刮刀。通常，这些复合材料由两 部分组成，即基材和将各基材层压在一起所用的胶粘剂。常用的基材材料为纸、 棉织物、玻璃纤维织物、碳纤维精纺织物或无纺织物、单向碳层布或条和合成纤 维织物。后者包括聚酯纤维、尼龙和丙烯酸类聚合物。常用的胶粘剂为酚醛树脂 或环氧树脂这样的热固性塑料。
在选择基材与胶粘剂合适组合方面存在几个棘手的问题。首先，耐热性较好 的胶粘剂可能更容易导致层间粘合强度差；其次，既有较优的耐水性又有良好的 耐化学性的胶粘剂所产生的层间粘合强度往往较低；第三，相对于较厚的材料优 选较薄的刮刀构件，但最适用于较薄构件的刚性基材(如纤维玻璃)更易磨损，因 而刮刀在操作中更容易损伤辊。因此，适合刮刀用的复合材料的选择一直是困难 的，在很多情况下要根据应用具体选择。
1985年10月29日授权给Judd等人的美国专利US4,549,933所描述的复合 刮刀具有许多包封在环氧树脂中的并列纤维层。这些纤维层包括被单向石墨中间 层包围的纤维芯层和纤维外层。该专利所包含的发明特征在于单向石墨中间层必 须在(刮刀)纵向取向。在此该专利全文用作参考。
近年来，有些热塑性工程树脂一直被用作刮刀用胶粘剂。它们的层间粘合强 度和耐热性都很好。它们本身还能更好去支撑长纤维基材的纤维，其性能优于普 通热塑性材料如常用的聚乙烯和聚丙烯等。
一些可以用酚醛或环氧型胶粘剂粘合的基材并非都对热塑性工程树脂有用， 因为将后面这些树脂转变成复合材料所需的加工温度较高。例如，在某些热塑性 工程树脂加工生产复合材料时，象棉花、纸和某些合成纤维(如聚酯纤维)这样的 基材会发生燃烧或熔融。
以往使用热塑性工程树脂的基材要么是玻璃纤维，要么是碳(如纺织纤维或 单向碳层)。玻璃纤维基材并不尽如人意，因为它们容易吸水，而且对某些材料来 说它们非常易磨损。因此，包含玻璃纤维的刮刀仅限于在造纸机干燥的一端使用， 而不能在造纸机湿润的一端使用，在湿端的分类辊(sorer roll)容易时就很难与 辊的形状相顺应。因此，操作时它们要化过长的时间来与辊相吻合。在这段磨合 时间内，刮刀和造纸机的运转效率不理想。
最近，人们将单向碳层、聚酯纤维织物和环氧树脂胶粘剂组合起来制成在造 纸机湿端使用的薄刮刀。而这一组合是刚性的，而且非磨损的，但由于其对水、 热和化学腐蚀敏感，其用途受到限制。
发明概要
因此，本发明一方面旨在提供一种用于刮刀构件的复合组件，上述复合组件 包括：
(a)一层或多层中心层，该中心层包含用耐热非玻璃长丝纤维填充的热塑性 工程树脂；
(b)位于一层或多层中心层之上的一层或多层中间层，所述各中间层包含至 少一层碳层；和
(c)位于一层或多层中间层之上的一层或多层表面片材。
本方面另一方面旨在提供有一侧缘结构的加长刮刀构件，其构造适合在造纸 机辊表面使用，所述刮刀包含以上定义的复合组件。
本发明复合组件有一些比以往用于刮刀的复合组件的重要优点。与所有包含 单向碳基材的复合材料相比，本发明复合组件能更快地顺应造纸机辊形状，而且 在要求的长时间内不会磨损，这样就无需频繁更换(刮刀)。本发明复合组件还可 避免使用的纤维玻璃，因为纤维玻璃用在刮刀上就会造成辊磨损。而且，本发明 复合材料比使用玻璃纤维的复合层叠材料具有更好的耐水性，并比含环氧树脂的 复合材料具有更好的耐化学性。本发明复合组件还可以制成具有合理的总厚度(如 厚度为0.008到0.2英寸)的刮刀构件，这些刮刀构件在运行时不需要不合理的高 扭距和过度的能量损耗。本发明这些复合刮刀的刮刀缘在纵向上有足够的刚度， 在运行过程中不易向外偏转，因此可以避免正在被刮的浆料在刮刀与被刮的辊表 面之间流动。此外，本发明复合刮刀构件在通常与造纸机湿润端对应的高温下运 行时(如约70-100℃)所用材料的耐热性不会下降、刚性降低或产生结疤。
本发明优选的实施方式的具体说明
本说明书和权利要求中所用的术语“复合材料”定义为一种或多种材料合成 组合而产生的材料，其中包括选定的填料或增强元件(也称为“基材”)和相容的 基材胶粘剂(也称为“胶粘剂”)以获得刮刀构件所用的特殊性质和性能。最好将 一种先进的复合组件用于本发明，这种复合组件既包含热塑性工程树脂胶粘剂基 质，又包含增强元件，二者均具有不同寻常的高性能。
本说明书和权利要求中所用术语“层压件”定义为一种较好的复合材料构件， 其制造方法是用胶粘剂将多层扁平基材层或片粘合在一起，通常还结合加压和加 热，从而形成复合组件。
本说明书和权利要求中所用术语“热塑性工程树脂”一词定义为具有综合了 优异的强度、耐热性、低吸水性和耐化学性的热塑性树脂。
本发明所用的热塑性工程树脂不包括传统的热塑性树脂如聚乙烯、聚丙烯、 聚苯乙烯和聚酯。一般来说，热塑性工程树脂具有适合制造刮刀构件所用的相对 高的熔点(如200℃以上)。相反，聚乙烯和聚丙烯没有足够的耐热性、韧性、刚 性和良好的粘结性，不能成为制造刮刀所用的理想树脂。适用于本发明的热塑性 工程树脂的吸水性低于0.5重量％、最好低于0.3重量％。这些热塑性工程树脂膜 较好的强度约为5,000-30,000p.s.i，挠曲模量约为300-2000×103p.s.i。弯 曲强度和挠曲模量不是确定一种树脂是否为本发明热塑性工程树脂的关键参数。
较好的热塑性工程树脂包括聚苯硫醚(laps)；聚醚醚酮(PEEK)；聚苯醚；聚 醚酰亚胺和聚酰亚胺。这些热塑性工程树脂因具有足够的耐热性、韧性、刚性、 耐热水性、耐化学性和良好的粘合性而成为制造刮刀所用理想的树脂。
下面的表1给出了这些树脂具有代表性的公开的物理性能(即来自于现代塑 料手册McGraw-Hill 2000)，这些性能使得它们能够用于这一用途。
                                  表1     树脂 熔点(℃)   弯曲强度1     (p.s.i) 挠曲模量2 (103p.s.i)   吸水性   ( ％@hrs.)     聚苯硫醚   285-290    14,000-21,000   550-660   0.01-0.07     聚醚醚酮   324    24,500   2000   0.1-0.4     聚苯醚*   ---    8,300-12,800   325-400   0.06-0.1     (改性聚苯乙烯)     聚醚酰亚胺   340-425    22.000   480   0.25     聚酰亚胺   388    10,000-28,800   360-500   0.24-0.34
下面的表2给出了这些用30重量％长丝碳纤维填充的树脂的代表性的公开物 理性能(即来自于现代塑料手册McGraw-Hill 2000)。
                                     表2    树脂   熔点   (℃)     抗挠强度1     (p.s.i)   抗挠模量2   (103p.s.i)   吸水性   ( ％@hrs.)    聚苯硫醚   275-   285     264,000-     36,000    2,450-3,300   0.01-0.02    聚醚醚酮   ---     40.000     10,000     0.2    聚苯醚*   ---     24,000     1,100     0.4.1   (改性聚苯乙烯)    聚醚酰亚胺   ---   37,000-45,000    2,500-2,600   0.18-0.2    聚酰亚胺   ---     43,600     3,210     ---
1-弯曲强度按照ASTM测试方法D-790测得。
2-挠曲模量按照ASTM测试方法D-790测得。
3-吸水性按照ASTM测试方法D-590测得。
*聚苯醚中通常混有少量用作加工助剂的聚苯乙烯。
较好的热塑性工程树脂为聚苯硫醚，因为它具有相对较高熔点(即具有非常 好的耐热性)、耐化学性(即很少有材料对它有化学侵蚀作用)，而且吸水性非常低。
本说明书和权利要求中所用的“耐热非玻璃长丝纤维”短语中的术语“耐热” 一词定义为一种纤维在包含它的热塑性工程树脂的加工温度下不发生熔融的性质 或能力。
本说明书和权利要求中所用的“耐热非玻璃长丝纤维”短语中的术语“非玻 璃”一词定义为一种性质，其中不含数量明显的玻璃纤维、石英或陶瓷纤维，这 种复合材料就不会导致造纸机辊发生不希望出现的磨损。
本说明书和权利要求中所用的“耐热非玻璃长丝纤维”短语中的“长丝”一 词定义为所述纤维的最小长度至少约为0.25英寸，(如最小长度为0.50左右为 好)。本“长丝”定义不包括单向碳层中的材料。
本发明说明书和权利要求中所用的“耐热非玻璃长丝纤维”短语定义为具有 该上述定义的“耐热”、“非玻璃”和“长丝”性质组合纤维。
每种产生的树脂/填料层最好约含35重量％-95重量％的树脂和约65重量％-5 重量％的填料。当然，对特定中心层最理想的百分比将取决于所用的具体树脂和填 料剂以及该复合材料的具体用途。
较好的耐热非玻璃长丝纤维是碳纤维。这些材料的吸水性明显低于玻璃纤 维，而且对造纸机润端上的金属辊的摩擦力低于玻璃纤维。其他适用的耐热非玻 璃长丝纤维是能与所用的热塑性工程树脂相容的芳族聚酰胺。
本发明复合组件的中心层包含至少一种热塑性工程树脂和至少一种耐热型非 玻璃长丝纤维。这些树脂/填料中心层可以用几种不同工艺制造。制造各层的一种 较好的方法是将一片碳纤维无纺布与一片热塑性工程树脂纤维布叠合，或者将一 片碳纤维无纺布夹在两片热塑性工程树脂纤维布之间，同时对整个复合组件进行 挤压和加热以形成层压结构。或者在制作完整的复合组件较好是挤压和加热之前 可以预先制作这些层中的各层。这些中心层的层数并不是关键。用热塑性工程树 脂和填料制成的一层、两层或三层中心层都是适用的。
还要求在这些中心层之间放上其他材料。例如，要求在被两层或三层热塑性 工程树脂/填料的夹在中间的复合材料中心放上一层或多层单向碳层或碳纤维织物 或它们的混合体。可以在中心层的上面和下面放上碳中间层及其外表面片材，以 便将复合材料的这一中心部分夹在中间。
如果用叠合的方法制造各树脂/填料中心层的话，最好采用这样的方法，即 将碳纤维无纺薄片放在两片热塑性工程树脂之间。碳纤维无纺层的厚度以0.004- 0.030英寸左右为宜。每片热塑性工程树脂的厚度以约0.002-0.025英寸为好。 当对整个复合组件进行加压和加热而形成层压件时，可以将无纺碳布放到一片或 多片树脂片上形成中心层。各中心层最终的总厚度略大于单片或多片热塑性工程 树脂原先的厚度。在另一种方法中要求使用预先制成的单层或多层中心层，其中 的填料和树脂已经挤压或层压在一起形成了一层材料片。该中心层的厚度应与所 有层压层一起加压或加热时的厚度保持相同。在另一个实施方案中，在一层或多 层单向碳层或碳纤维织物(它在整个复合材料的中心线)的上面放上一层或多层树 脂/填料中心层，并在其下面放上一层或多层树脂/填料中心层。在后一种情况下， 夹在中间的无纺碳将转移到树脂膜中，复合材料的中间部分总厚度基本上等于以 下几项的总和：(1)在中间单向碳或碳织物片一面的树脂膜片的厚度；(2)中间单 向碳或碳纤维织物的厚度以及(3)在中心单向碳或碳织物片另一面上的树脂膜片的 厚度。这些中间单向碳或碳织物中可以放在纵向上(MD)，也可以与纵向成任何角 度，垂直或与纵向相反(CMD)。较好的方向将取决于中间碳纤维的方向和被刮辊的 具体结构。
本发明复合材料的中间部分由至少一片或一层碳组成。该碳层可以是单向碳 层，也可以是碳纤维织物或二者的混合体。本发明复合材料的最好的中间层包括 至少一层单向碳层。单向碳层各自方向并不重要。可以包含纵向的碳层和横向(与 纵向成90°)或其间任何角度(如45°或135°)的碳层。本说明书和权利要求中 所使用的术语“纵向”和“横向”的定义与以上讨论的美国专利US4,549,933(Judd 等人)所示的定义相同。这些单向碳中间层的每一层都可以由在热塑性工程树脂基 质中的单向碳组成。这样的碳层的各碳层中的百分比约为30重量％-70重量％为宜， 因而树脂量约为70重量％-30重量％左右为宜。要求的重量将取决于所用的具体树 脂和需要的单向碳量。
在一个较好的实施方案中，宜使用2-5片单向碳中间片，其中，各单向片叠 放，使一片上的碳的方向与其他碳层中的碳成不同定角度(即非平行方式)。例如 将一层碳纤维层放置在纵向上，一层碳层放置在与纵向垂直成90°的横向(CMD) 上。利用多层呈非平行排列的单向碳层片可增加强度。如果使用多层单向碳层， 应使所采用的所有角度达到平衡。或者，在某些应用中也可以仅用一片或一层单 向碳层作为中间部分。无论那种情况，中间层的厚度应为0.003-0.030英寸左右。
复合材料的外部为一片或多片表面片。这些表面片放在碳中间层之上从而夹 住中间碳层为好(即有助于防止单向碳片裂开)。适用的表面片材可以是精纺碳片 或无纺碳片。这些片相对较薄(如它们的厚度通常小于0.008英寸)。
较好的要求至少一片热塑性工程树脂与至少一片表面片接触。这种热塑性工 程树脂片较好可以(1)处在碳中间层之间或表面片之间；(2)位于表面片上；或(3) 位于两块表面片之间。如果需要，最好将热塑性工程树脂片放在表面片上(这样树 脂片就处在复合材料的外面)，以便更好地确保表面片本身不致与复合材料的其他 部分分离，并使整个复合组件有一个光滑的富含树脂的表面。
在另一个实施例方案中，要求预制表面片/树脂组合体，其中的树脂浸透了 表面片材。然后将这种浸透树脂的表面片材施用到复合材料的其他组成部分中， 以代替未浸透树脂的表面片。在任何情况下，本发明说明书和权利要求中所用的 “表面“一词定义为未浸透或浸透树脂的材料。
本发明复合组件中，在各层叠合在一起之后，在热水压机中同时加热和加压 进行压缩以形成需要的复合组件。由于这种用途的热水压机的使用方法对普通专 业人员来说是人所共知的，显然在不进行过度的实验就可以选择最佳的温度和压 力条件。或者，本发明复合组件的各层可以这样压缩在一起，即在叠合后的多层 材料上放置重物，然后在自动热轧机中对加载的组件进行加热，形成整体复合组 件。此外，这种技术的工艺条件同样为该专业人员所共知，不需要做过多的实验 就能制造出适用的复合组件。除了这两种众所周知的复合组件制造工艺外，也可 选用其他传统工艺。
本发明复合组件较好的整体厚度变化范围为0.008-0.2英寸，这取决于所用 层数和所用各层的类型；所用的具体材料和加压量。
本发明复合材料的优选结构之一是五(5)层复合材料，其中，从顶层(1)到底 层的(5)各层排列如下：
(1)一层或多层表面片；(有时称为罩面)
(2)至少一层中间单向碳层或碳片；
(3)至少一层填充有耐热非玻璃长丝纤维的热塑性工程树脂中心层；
(4)至少一层单向碳层或碳片
(5)一层表面片(或罩面)。
另一种较好的结构为七(7)层复合材料，其中，由层(1)到底层(7)的各层排 列如下：
(1)一层或多层表面片(或罩面)；
(2)至少一层中间单向碳层或碳层；
(3)至少一层热塑性工程树脂/耐热非玻璃长丝纤维层；
(4)至少一层单向碳层布或碳片中心层；
(5)至少一层热塑性工程树脂/耐热非玻璃长丝纤维层；
(6)至少一层中间单向碳层或碳片；
(7)一层或多层表面片(或罩面)。
后一种结构的中心单向碳层(4)可以用来进一步提高复合组件的强度，使复 合组件的芯层具有热稳定性，弯曲应力分布更均匀。该中心单向碳层中的碳材料 应垂直于(也称为横向CMD)单向碳外层中的碳纤维方向(也称为纵向或MD)，以提 高稳定性。
还有一种较好的复合材料为九(9)层复合组件，由顶层(1)到底(9)各层排列 如下：
(1)一层或多层外表面片(或罩面)；
(2)至少一层中间单向碳层或碳片；
(3)至少一层填充有耐热非玻璃长丝纤维的热塑性工程树脂层；
(4)至少一层单向碳层或碳片；
(5)至少一层填充有耐热非玻璃长丝纤维的热塑性工程树脂中心层；
(6)至少一层单向碳层或碳片；
(7)至少一层填充有耐热非玻璃长丝纤维的热塑性工程树脂层；
(8)至少一层中间单向碳片；和
(9)一层或多层表面片(或罩面)。
这种特定的九层或更多层构件提供了制造相对较厚的复合型刮刀的方法，其 中各层的磨损可能会更均匀。
希望使用碳纤维织物或单向碳纤维布与碳纤维织物的组合体作为上述三种较 好的实施方案中的中间部分，取代仅以单向碳纤维层作为中间部分。因此，除取 代部分外，其他较好的实施方案与上述三种较好的实施方案相同。
上述中心层、中间层和表面板片最好都是加长片(即长度大于宽度)，以便形 成用热塑性工程树脂粘合在一起的拉长型复合材料，各层最好能同延伸，将一层 叠合到另一层上形成三明治结构，形成方式与美国专利US4,549,933(Judd等人) 所描述的相同。
本发明复合材料一旦制成，就可以按照公知的方法转变成用于造纸操作的刮 刀。例如，美国专利US4,549,933可视为是如何操作的说明。同样，可以将上述 复合组件切割成一定的尺寸、进行边缘成形和装配(如对它们进行打孔、打铆钉或 加上螺栓)，以便固定在刮刀支架上。本发明刮刀可以用来刮除各种类型辊上的各 种材料，辊包括由金属、橡胶、花岗岩和其他复合材料制成的辊。加长型的刮刀 通常固定在结构梁上，该梁在造纸机上的支撑形式可以调节，刮刀支架和可调换 的刮刀安装于其上。加长型的刮刀与辊进行直接接触，从而刮掉辊表面的任何污 物或剥下一片。
本发明刮刀可以用在造纸机的湿端或干端的区域。
用下列实施例和比较例来对本发明作进一步的详细说明。除非另作说明，所 有份数和百分比均以重量计，所有温度均为摄氏度。
实施例1
将下列材料层或膜叠合在一起，然后进行整体加热和加压以形成能用作刮刀 的复合组件。这些层或膜的顶层编号为1，底层编号为7。
1.聚苯硫醚膜(0.006英寸厚)
2.无纺碳布(密度为每平方米17克)
3.单向碳带(在聚苯硫醚树脂中的单向碳-47％碳/53％树脂)(纵向)(0.007英寸 厚)
4.用8.8％长丝碳纤维填充的聚苯硫醚树脂膜(0.022英寸厚)
5.单向碳带(在聚苯硫醚树脂中的单向碳-47％碳/53％树脂)(纵向)(0.007英寸 厚)
6.无纺碳布(密度为每平方英尺17克)
7.聚苯硫醚膜(0.006英寸厚)
2和6层为表面片层。3和5层为碳中间层。4层为中心层。
将这些层叠合起来后，在循环加热和加压的平板热轧机中压制在一起，使聚 苯硫醚膜熔融和流动。在这些温度和压力下聚苯硫醚膜熔入邻近相邻各层并与这 些层粘合在一起形成层压复合结构。然后将所产生的复合组件从压机中取出，切 割成适合用作刮刀的部分。
鉴于以上通过本发明的具体实施例已经对本发明作了描述，显然在不违背在 此处公开的发明原理的情况下可以进行各种更改、改进和变化。因此，旨在包括 在所附权利要求的精神和宽范围内的所有更改、改进和变化。在此列举的所有专 利申请、专利和其他出版文献全文用作参考。
优先权信息
本发明要求已于2001年5月17日申请的美国专利申请号为09/859,772的 优先权，该文献在此全文作为参考。