泡沫材料增强的结构构件 |
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| 申请号 | CN201280044259.5 | 申请日 | 2012-07-19 | 公开(公告)号 | CN103797039A | 公开(公告)日 | 2014-05-14 |
| 申请人 | 约翰逊控制技术公司; | 发明人 | J·T·麦克沃伊; P·J·麦克拉伦; A·I·巴林; M·J·托马斯; | ||||
| 摘要 | 一种 复合材料 ，用于增强作为管件或具有任何封闭剖面的构件的封闭结构构件。更具体地，一种复合材料，用于填充形成车辆座椅 框架 的金属管件或具有任何封闭剖面的构件，以增加或保持座椅框架的强度，同时减轻座椅管件或具有封闭剖面的构件的 质量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于增强封闭结构构件的复合材料，所述复合材料包括： |
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| 说明书全文 | 泡沫材料增强的结构构件[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 该PCT专利申请要求于2011年7月19日提交的题为“泡沫材料增强的结构构件（Foam Reinforced Structural Member）”的序列号为61/509,239的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部公开被认为是本申请公开内容的一部分且通过引用并入本文。 [0003] 发明背景 [0004] 1.发明领域 [0005] 本发明通常涉及用于增强例如管件或具有基本封闭剖面部分的任何构件的封闭结构构件的复合材料和方法。更具体地，本发明涉及用于填充诸如形成车辆座椅框架的管件的金属管件或具有封闭剖面部分的任何构件的复合材料和方法，以增加或保持所述构件的强度，同时减少所使用金属的质量以及减轻总重量。 [0006] 2.现有技术的说明 [0007] 诸如框架构件的结构支撑构件通常需要一定的壁厚以便保持抗各种应力和压力的所需强度水平。框架构件的实例包括用于车辆座椅的框架。车辆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常可枢转地联接到一起，并且包括用于给座椅提供支撑和形状的在上部和下部之间分开的座椅框架。座椅框架典型地包括位于上部座椅部分内的上部框架部分和位于下部座椅部分内的下部框架部分。座椅框架通常由座垫包绕，其依次由形成可见的就座表面的表面材料所覆盖。虽然座椅框架可由各种材料和结构来形成，但是许多座椅框架通常由诸如钢或钢合金的管状金属材料制成。框架通常具有诸如圆柱方形、矩形、六角形的封闭剖面部分和其它剖面。 [0008] 车辆座椅的构造使得管状座椅框架整体上经受不相等的力。当乘员就座于座椅上时，诸如在倾斜的位置或在发生碰撞的情况下，这些不相等的力尤为严重。更具体地，框架的某些区域与其它区域相比经受更高的负荷和应力。因此，整个管状座椅框架目前被设计成在其整体具有足够的材料或厚度，以支撑仅仅在有限的位置或条件下所发生的最大负荷。由于人们期望的管状框架所必须承受的应力水平增加，为了提供足够的支撑，框架所用材料的重量和量通常也在增加。虽然已经使用诸如使用特殊合金或使用有限程度的可变壁厚度的一些技术，但这些技术是昂贵的。此外，在座椅框架的除了经受最小应力或负荷的那些区域之外的区域在保持所需的性能特征和维持或降低座椅框架成本的同时还没有成功地减少所用的材料和重量。 [0009] 一些制造商已尝试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诸如座椅框架的结构构件以便增加强度。在给定聚氨酯泡沫材料密度情况下，增加有限的额外强度，但在许多情况下增加额外的重量，而且成本增加，因此这些聚氨酯填充的管件也只取得了有限的成功。 发明内容[0010] 本发明涉及泡沫材料或复合材料增强的封闭结构构件，用于填充结构构件的复合材料或泡沫材料，以及用复合材料或泡沫材料填充结构构件的方法。更具体地，本发明涉及适于在车辆座椅中使用的座椅框架管件，其选择性地填充有复合材料。复合材料配置成在将复合材料嵌入到结构构件中之前、之后或同时，允许将管件加热、弯曲和焊接到封闭结构构件的最终形状。如果结构构件将要在其将经受非均匀分布的力的应用例如在车辆座椅框架中使用的话，复合材料可选择性地仅位于需要增强的结构构件或管件的部分中。复合材料的类型、密度和组成可取决于在结构构件那些部分中所需增强的量而在所述结构构件的不同部分中进行变化。 [0011] 为了优化增强的结构构件的强度和重量，应首先对增强的座椅框架将所经受的力进行分析。结构构件的厚度则可配置成足够坚固以便经受住仅在遇到最小量的力的结构构件部分中可能产生的力。该复合材料用在结构构件的其它部分中以便增强抵抗将由结构构件将经受的更大力和应力。例如，如果结构部件在一个部分中将经受10牛顿的力，而在结构构件的其余部分仅经受5牛顿的力，则结构构件的整体厚度可选择成耐受至少5牛顿的力，并且该复合材料将选择性地位于经受10牛顿力的结构构件的部分内。复合材料的类型、密度和位置可选择成防止结构部件在不同位置处的损坏，最大限度地节省重量，提供总成本降低，并且在某些情况下可设定固化时间，以确保所有的成形操作在复合材料硬化到具有结构刚性的复合物之前完成。 [0012] 复合材料通常涉及用粘合剂保持在一起的轻质结构材料。在将结构材料嵌入到管件中的过程中可使用助流剂。结构材料可由诸如WL300、WL150的空心微珠(cenosphere)或珍珠岩形成。该结构材料形成复合材料的40-95％，典型地为45-75％。 [0014] 因为参照结合附图考虑的下述详细说明可更好地理解本发明的其它优势，因此将更容易地理解本发明的其它优点，其中： [0015] 图1是包括表示适于泡沫材料增强的示例性位置的阴影区域的示例性上部座椅框架的前视图； [0016] 图2是包括表示适于泡沫材料增强的示例性位置的阴影区域的第二示例性上部座椅框架的前视图； [0017] 图3是示例性的泡沫材料增强管件对没有用聚氨酯复合材料增强的相同管件的负荷对挠度的曲线图； [0018] 图4是示出具有相似性能的管件的重量与用泡沫材料增强的示例性管件的柱状图； [0019] 图5是示例性泡沫材料增强的管件对空管的负荷对挠度的曲线图； [0020] 图6是示例性静态混合器的横截面视图； [0021] 图7是示例性机械混合器的横截面视图； [0022] 图8是示例性的被填充的框架构件的横截面视图；以及 [0023] 图9是各种尺寸的空心微珠的放大视图。 具体实施方式[0024] 参照附图，其中贯穿若干附图相同的附图标记指代相应的部件，诸如形成座椅框架的管件20的结构构件通常在图1和图2中示出为用复合材料22增强的上部座椅框架。示例性实施例的结构构件或管件20在附图中示出为适于车辆座椅的靠背框架结构。然而，应当理解的是，结构构件20可在范围广泛的其它应用中使用。例如，结构构件可用于使得车身具有刚度和适于支柱和轨道的阻碍偏移性能以及车门承梁中的提高的侧面碰撞的性能。此外，如图中所示的示例性实施例的结构构件20当以横截面观察时具有圆形形状；然而，结构构件20可以具有任何所需的横截面形状，且横截面可以沿其长度变化。管件20通常由金属材料形成，但可替代性地使用非金属材料。结构构件的大小、形状或结构也可以根据需要变化。 [0025] 如图3中所示，复合材料22选择性地设置于管件20内部中以便增强管件20的特定部分。换言之，复合材料22可设置于管件20的需要增强的部分中，而其它部分保持为空的部分。复合材料22的增强可通过允许管件20由更薄的材料制成而降低材料成本，反过来使增强管件20的重量和成本最小化。复合材料22的局部应用增加结构构件的抗弯曲能力和刚度，且使得为了质量得以优化而减少壁厚成为可能。此外，复合材料22的类型和复合材料22的密度可在管件20的每一不同部分中进行变化。复合材料22的不同密度可用于进一步优化结构的几何形状以便使得结构构件20的质量减少。复合材料22的密度和组成可优选地基于管件20的各部分所需的增强量以及重量考虑来进行选择。例如，能够进行高水平增强的致密复合材料22可位于经受重载荷的管件20部分内，而具有较低增强能力但更轻的较不致密（或密度较小）的复合材料22可位于需要较少增强的管件20的部分内。在图3的示例性实施例中与用更浅阴影表示的较不致密复合材料22相比的用更深阴影表示的致密复合材料22。然而，应当理解的是，增加复合材料22的密度并不总是能够增加管件20的加固，因此，应慎重选择复合材料22的类型和密度。此外，对于某些材料而言，结构材料可具有比形成所述复合材料的粘合剂和其它材料更小的密度，并且因此，和上述示例相反，较不致密的复合材料22提供更大的加固。 [0026] 如图1和图2中所示，示例性实施例的增强管件20包括弯曲部分24。如将在下面进一步详细论述的那样，这些弯曲部分24可在复合材料22嵌入到管件20内之前、期间或之后而在管件20中形成。 [0027] 结构构件20可用各种复合材料增强，包括诸如陶瓷微球或空心微珠的泡沫状陶瓷材料，或包括珍珠岩的泡沫状复合材料。对于在座椅中使用的通常结构构件而言，本发明的包括复合材料的系统允许适于座椅框架的通常钢管在质量上平均减少约0.8-2.0千克。由于重量的这种减少可以根据结构构件20的大小、形状和配置而变化，因此重量减少可配置成使其不导致降低结构构件的强度即可。更具体地，本发明使用独特的复合材料结构，其包括添加微球以便允许在成本和质量显著减少的情况下具有高于或等于现有材料的性能要求。 [0028] 使用标准的聚氨酯泡沫材料的一个问题是，聚氨酯泡沫材料填充的管件通常允许重量减轻，但整体填充的管件产品的成本比空心钢管的成本更高。因此，这些聚氨酯泡沫材料填充的管件的应用受到很大限制。此外，石油的价格和这些泡沫材料填充的管件的聚氨酯成分的价格具有相当大的相关性，这会导致增强结构构件总成本的变化。 [0029] 本发明使用一种独特的复合材料，在某些应用中其是一种泡沫材料或泡沫状复合材料，而在其它应用中其不是泡沫材料或泡沫状材料，同时提高管件的性能特性。第一种复合材料是珍珠岩材料。珍珠岩是非常成本有效的，且复合材料可由30-95重量%的珍珠岩形成。所述第二种材料是微球或更具体地是几乎成本有效的具有各种尺寸的也已知为空心微珠的陶瓷微球。该复合材料也可由30-95重量%的这些陶瓷微球形成。第三种材料可以是陶瓷微球和/或珍珠岩的组合物，总共形成复合材料的30-95重量%。应当认识到结构材料特别是珍珠岩或微球的密度可能会发生变化，这也可能会改变这些所形成的复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变化，以及较不致密的结构材料将通常由与较致密的结构材料相比的重量百分比更低的复合材料形成。上述三种类型的材料可单独地或组合地与粘合剂或助流剂一起使用。 [0030] 如图3中所示，使用填充有增强材料的管件比中空管件提供弯曲变形前的更大负荷，以及在较低的负荷下弯曲变形没有进一步增加。如图4中进一步示出的那样，本发明的复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几乎一半的重量。如图5中进一步示出的那样，线A和B示出了填充有本发明复合材料的结构构件和增强构件在所施加的负荷下如何只有很少的弯曲变形。相比较而言，由线C所示的空管在出现严重损坏之前具有最少量的负荷和高水平的弯曲变形。实际上，该管件随着弯曲变形的增加针对额外的弯曲变形需要更小的力。线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弯曲变形性，但是在14,000N的负荷下经受灾难性的损坏，且具有约65毫米的弯曲变形。线E示出了填充有18PCF泡沫的管件，和用本发明的复合材料增强的结构构件相比，其在结构构件的显著弯曲变形之前也需要更少的负荷。所有的管具有约38mm的外径和约0.8mm的厚度。 [0031] 珍珠岩是一种无定形的火山玻璃，其具有相对高的水含量，通常由黑曜岩的水合形成。它会自然生成，在充分加热时具有不寻常的极大扩展的特性，且常常用在熔炉中。由于处理后其重量轻，其是一种工业矿物和商业产品。当干燥时，其重量显著减轻，且可用作膨胀填料。 [0032] 发明人发现了珍珠岩的一个优势，当在结构构件中使用时，其是一种玻璃，当温度达到850-900℃时，其软化，且截留在材料结构中的水汽化，产生气泡，从而使得材料膨胀，这又降低了密度。水的蒸发使得体积大致膨胀其初始体积的约7-30倍。由于所截留气泡3 的反射能力，膨胀的材料具有明亮的白色。未膨胀的（“原始”）珍珠岩具有约1100kg/cm 3 3 （1.1g/cm）的堆密度，而典型的膨胀珍珠岩具有约30-150kg/cm 的堆密度。因此，相比于 3 密度典型为384kg/cm 的聚氨酯泡沫配制物而言，珍珠岩具有显著更低的密度。管件的封闭结构可限制膨胀，以及嵌入到结构构件20内的珍珠岩的量需要加以限制，否则管件可能会因为膨胀过程而变形。因此，珍珠岩的添加量也需要加以控制，且将取决于管件的体积、对管壁施加的力和膨胀珍珠岩的所需密度而进行变化。 [0033] 珍珠岩的典型组成是70-75％的二氧化硅SiO2，12-15％的氧化铝Al2O3，3-4％的氧化钠Na2O，3-5％的氧化钾K2O，0.5-2％的氧化铁Fe2O3，0.2-0.7％的氧化镁MgO，0.5-1.5％的氧化钙CaO和3-5％的烧失量（化学/结合水）。当然，因为珍珠岩是一种天然矿物，所截留的水量以及化学成分都可以变化。正因为如此，珍珠岩的所用量和其膨胀后的密度也可以变化，且需要在制造增强结构构件过程中加以选择。珍珠岩是天然存在的矿物，且可能存在其它杂质和包括其它杂质。 [0034] 包括珍珠岩的泡沫状复合材料22的一种配方通常包括：按重量百分比计，多元醇15-65％，水0.1-0.5％，珍珠岩10-60％和二苯基甲烷二异氰酸酯（“MDI”）20-30％，优选约 25％。发现可用的另一种材料包括：按重量百分比计，多元醇5-70％，水0.0-0.5％，珍珠岩 70-10％和MDI20-30％。这些复合材料通常只有具有类似性能的典型的聚氨酯泡沫材料成本的25％。 [0035] 所述的复合材料22可以使用空心微珠或微球来代替珍珠岩或除了珍珠岩之外另外添加作为结构材料。空心微珠是空心的陶瓷微球，其通常是燃煤发电厂的副产物。空心微珠是在1500至1750℃的高温下通过复杂的化学和物理变化而产生的。在发电厂当煤粉燃烧时会产生粉煤灰。粉煤灰中的陶瓷颗粒具有三种类型的结构。第一种类型的颗粒是固体的且被称为沉淀剂。第二种类型的颗粒是中空的且被称为空心微珠。第三种类型的粒子被称为空心微球(plerosphere)，其为内部填充有更小尺寸的沉淀剂和空心微珠的大直径中空颗粒。由于中空结构，空心微珠具有低的密度。本发明使用空心微珠作为结构材料。空心微珠是包含在粉煤灰中的较轻颗粒。大多数空心微珠是从灰池“满载”或吸入粉煤灰。 灰池是湿法处理后粉煤灰最后的存放地点。一些空心微珠也由发电厂自身收集。湿的微球然后经烘干、分类处理和包装以满足客户的要求。取决于生成它们的煤炭的组成，它们的化学组成和结构有相当大的变化。更具体地，空心微珠的性质取决于所使用的煤的一致性和电厂的操作参数。只要煤的一致性和操作参数保持恒定，空心微珠将是相当一致的。空心微珠具有10-600微米的粒度范围。 [0036] 本发明的发明人已经发现，空心微珠是一种小球，其具有高的球形率或在形状上更为球形，更具体地，具有基本上均匀的球形能提高树脂预混合物的流速，降低粘度，减少内部应力。因此，在处理过程中，在制造复合材料时产生较少的热量，以便防止局部的热分解。如上面所述的空心微珠也更加均匀地分散于混合物中，且减少通常所需的其它化学品诸如粘合剂和助流剂的用量，同时也减少了VOC指标和成本。当放置于管件或其它结构构件中时，空心微珠的尺寸稳定性必须是很高的，且出人意料的是，空心微珠甚至允许对结构构件的后续成形、弯曲和焊接具有很少或几乎没有不利的影响。使用适当的空心微珠/粘合剂比，可使结构构件的耐冲击性、表面硬度和整体强度得以显著改善。 [0037] 如上所述，高性能空心陶瓷微球的密度仅是聚氨酯泡沫材料密度的一部分。传统上，只有少量的空心玻璃微球或空心微珠被用来代替较重的材料，例如在混凝土中添加少量，不超过10体积%。然而，本发明人惊奇地发现，当放置于结构构件中时可以使用高含量的空心微珠，诸如45-90％。当考虑到每单位体积的成本而不是单位重量的成本时，高性能的空心玻璃微球的使用可以显著降低成本。 [0038] 空心玻璃微球的密度通常为0.20-0.60g/cm3，矿物填料的密度通常为2.7-4.4g/3 3 cm，聚氨酯的密度通常为0.384g/cm。本发明使用空心微珠，其是直径范围大约在25至 300+微米的用于增强结构构件的低比重的空心陶瓷珠。该方法可设定成生产均匀混合物或不均匀的混合物。 [0039] 空心微珠相对便宜，但质量会因批次而有所不同。空心微珠具有一些限制，包括空心微珠物理性质的变异性和不可预测性，空心微珠不能承受诸如当在水泥中使用时会在井眼水泥灌浆中遇到的高压力水平。作为一种商品而不是工程产品，空心微珠没有明确定义的值或质量参数。空心微珠通常是通过浮选而不是通过尺寸或其它参数分级分离的，而且那些浮选空心微珠是在现场使用的。标称空心微珠的密度为0.7g/cc，但在500磅的最小压力或更高的压力下，该值可提高到0.85g/cc。空心微珠也可能在运输和处理过程中由于粒度大小产生析出，从而导致浆料或预混合物的密度变化。 [0040] 本发明特别使用了作为空心微珠的高性能的中空玻璃微球作为一种在复合材料3 中使用的超轻质廉价无机填料。大部分空心微珠的真密度为0.15-0.60g/cm，直径为2-130 3 微米。具体地，WL300空心微珠的堆密度为约0.4g/cm，平均抗压强度为6500磅／平方英寸，熔点为1700-1900℃，比重为0.6-0.8。WL300的平均粒径为10-350微米，优选20-300微米。类似的空心微珠也可从环球服务(Sphere Services)以商品名Bionic BubbleW-300商购到。 [0041] 可在表1中发现示例性的空心微珠。 [0042] 表1 [0043] [0044] 本发明可使用具有以下组分的泡沫状复合材料：按重量百分比计，多元醇15-65％，水0.1-0.5％，空心微珠10-90％（优选25-75％）以及MDI20％-30％（优选约 25％）。可接受的替代材料可包括：多元醇5-70％，水0.0-0.5％，空心微珠70-100％，和MDI20-30％。上述配方允许材料成本大约只有原聚氨酯泡沫材料成本的15.5％。当然，也可以使用珍珠岩和微球的组合物。 [0045] 该MDI也可以是高官能性的聚合二苯基甲烷二异氰酸酯（也称作PMDI，但是对于本申请而言，PMDI将仅称为MDI），诸如Bayer的Mondur489或M489。M489在25℃时的典型粘度(typical viscosity)为610-790mPas，按重量计最大酸量为0.05％，按重量计30.0-31.4％的NCO。M489被认为是一种芳香族异氰酸酯，且通常含有60-100％的聚二苯基甲烷，20-30％的4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯和1-5％的2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯。 在本发明中的作为多元醇的其它可接受的MDI替代品包括DOW的粘度约17,500的Varanol RA800，BASF的粘度约52,000的Quadrol，Bayer的粘度约18,0000的Multranol4050，按重量计具有31.4％的NCO以及在25℃的粘度为200厘泊的Lupranate M-20S，DOW的粘度为 55厘泊的PAPI901MDI。MDI通常用作空心微珠的粘合剂。 [0046] 多元醇通常是含有多个羟基的醇类，诸如Bayer的Hyperlite E-850，E-824，Multranol4050和Hyperlite E-855。Hyperlite E-850是一种聚合物多元醇，其稍微地是吸湿的，在低温下会变得相当粘稠。Hyperlite E-850通常含有18.2-22.2mg KOH/g的羟3 值，1054.47kg/m 的堆密度。Hyperlite多元醇E-824也由Bayer制造，其是一种聚醚多元醇，具有35.7mgKOH/g的28-56个羟基。Multranol4050也由Bayer制造，其是分子量为360的胺系四官能聚醚多元醇。Multranol4050具600-660mg KOH/g的羟值，25℃时的粘度为 3 16,000-20,000mPas，25℃时的堆密度为1019.72kg/cm。多元醇通常用于与MDI反应将空心微珠粘结到适当的位置。Hyperlite E-855和Hyperlite E-850相似，但在最终组合物中比Hyperlite E-850能提供更高的硬度。 [0047] 该多元醇具有可反应的羟基官能团。在本发明中使用的多元醇具有5-15％、优选6-12％、更具体地接近8％的游离的氮。例如，Hyperlite多元醇具有四个氮基团，在每个末端具有两个胺基团加上一个羟基。因此，本发明的多元醇不仅是任何多元醇，而且是配置成具有羟基基团的几乎纯的一种催化剂。 [0048] 因为该多元醇用作与MDI，更具体地M489的催化剂，本发明使用聚合酸以减慢反应过程，且因此增加开放时间（open time）。已发现聚合酸增加了组合物固化之前的开放时间，同时发现水能够加快固化过程。 [0049] 一个优点是在不添加额外催化剂的情况下即可形成组合物。已发现，较高量水平的水可导致更快的凝固时间，诸如5份水的配置物可几乎立即完成凝固（set up）。因此，可使用更少的水减慢固化时间，1/2份的水可提供足够的固化时间以便在组合物变硬之前进行结构构件的各种成形操作。 [0050] 为了使材料密度较小，可加入较多的水和聚合酸。酸可用于增加固化时间。聚合酸可用作润湿剂，且可包括催化剂阻断剂，以便当多加入时可增加组合物的固化时间。因此，通过加入不同量的水和聚合酸，可控制密度和固化时间。聚合酸的一个实例是Air Products and Chemicals公司的DABCO BA100。DABCO BA100含有大于80％的聚合酸和小于0.4％的乙二醇，然而DABCO BA100的全部化学构成是商业秘密。 [0051] 也可使用非反应性的润湿剂或表面活性剂，其中表面活性剂是异氰酸酯相容的，诸如聚硅氧烷聚醚共聚物。表面活性剂应能溶于异氰酸酯和多元醇的预混物，因此它可以存储在多元醇或异氰酸酯预混物中。可使用的表面活性剂的一个实例是DABCO DC5098。在本发明中，所述表面活性剂加入到含空心微珠的异氰酸酯预混物中。 [0052] 在一些情况下，也可使用催化剂来改变组合物的固化时间。例如，使用水溶性的叔胺催化剂诸如Niax催化剂A-400、Niax催化剂A-440和A4E。另一种可接受的催化剂是Specialty Products International的SPI-402，它包括双（2-甲基氨乙基）醚。当使用更少的8162以及更多的Hyperlite4050时，催化剂是有用的，且通常使用最高达约5重量％。 [0053] 另一种示例性复合材料可由水0.1-0.5％，珍珠岩和/或空心微珠84.5％，MDI约15％形成；或由水0.1-0.5％，微球84.5％和MDI15％形成；或由水0.1-0.5％，珍珠岩0.1-84.5％，微球0.1-84.5％和MDI约15％形成。 [0054] 以上所述的包括粘合剂和30-70％的珍珠岩或空心微珠、微球或陶瓷球的组合物也可以通过减少粘合剂或不用粘合剂调整为多达95％的珍珠岩、空心微珠、微球或陶瓷球或只加入高达5％的异氰酸酯来改动。为了填充管件，在处理过程中可能需要蒸汽以便有助于使得珍珠岩、空心微珠等流体更容易地流入结构构件内到达适当位置。因此，在一些实施方案中该组合物可完全地不用氨基甲酸酯或粘合剂，并由95％珍珠岩、空心微珠、微球或陶瓷球和5％异氰酸酯形成，其中使用水蒸汽来协助处理复合材料。因为空心微珠通常是在清洁工业废物中产生的，价格很便宜，因此它们是一种环境友好的填料，其增加了车辆的可回收量且消除了石油基化工品聚氨酯的使用。然而，本发明使用特定大小的选定的空心微珠。 [0055] 异氰酸酯通常含有3-48％的游离NCO。 [0056] 本发明也可由下述混合物形成，所述混合物包括：形成高达复合材料95％的组合量的珍珠岩、空心微珠和/或陶瓷球体以及最多5％的含3-48％游离NCO的异氰酸酯，且用蒸汽处理。更具体地，这些配方典型地具有0.1-95％珍珠岩，0.1-95％空心微珠，1-5％的异氰酸酯和0.1-0.5％的水。 [0057] 复合材料的另一种配方包括10-30％的聚氨酯，70-90％的珍珠岩或空心微珠。另外，该复合材料也可由10-30％的聚氨酯和0-97％及0-90％的空心微珠形成，其中组合的珍珠岩和空心微珠最低占复合材料的70％。 [0058] 如下面的表中所示，多元醇与异氰酸酯的预混合物的比例可高达1.233和低至0.4314。表中的所有实例按重量计使用约50-90份的空心微珠。实例中所使用的总共的多元醇为100重量份，其余物料是基于100份多元醇计量的。如表中进一步示出的那样，典型地使用不同多元醇的混合物来代替单一类型的多元醇。使用的水量的变化，更具体地0.1-3重量份，可改变凝固时间，并且在实例中没有使用催化剂；然而，如上所述，某些催化剂可增强该过程。各实例使用不同量的非发射性聚合物酸来延迟催化反应以及在改进流动的同时保持所需的固化时间。在实例中所用的阻断剂按重量计为1.6至11.2份。异氰酸酯预混物使用50-90重量份以及约25至177重量份。所有的实例中包括约5重量份的表面活性剂或DC5098。 [0059] 表2 [0060]E855 30 20 10 5 25 15 18 E824 4050 70 70 70 70 70 70 70 70 8162 10 20 25 30 5 15 12 水 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 总计 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 相当重量 0.81 0.88 0.95 0.98 1.02 0.84 0.91 0.89 Iso 489 106.59 115.78 124.96 129.56 134.15 111.18 120.37 117.62 珠 WL300 70 70 70 70 70 70 70 70 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 181.59 190.78 199.96 204.56 209.15 186.18 195.37 192.62 指数100 0.58 0.55 0.53 0.52 0.51 0.57 0.54 0.55 指数95 0.61 0.58 0.56 0.54 0.53 0.60 0.57 0.58 [0061] 表3 [0062]E855 30 20 10 5 25 15 18 E824 5 4050 70 70 70 70 70 70 70 70 70 8162 10 20 25 30 5 15 12 10 水 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.5 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 总计 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 105.7 106.1 相当重量 0.81 0.88 0.95 0.98 1.02 0.84 0.91 0.89 0.92 Iso 489 106.59 115.78 124.97 129.56 134.15 111.18 120.37 117.62 121.84珠 WL300 70 70 70 70 70 70 70 70 70 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 181.59 190.78 199.97 204.56 209.15 186.18 195.37 192.62 196.84 指数100 0.58 0.55 0.53 0.52 0.51 0.57 0.54 0.55 0.54 指数95 0.61 0.59 0.56 0.54 0.53 0.60 0.57 0.58 0.57 [0063] 表4 [0064]E855 30 20 10 5 25 15 18 15 E824 5 4050 70 70 70 70 70 70 70 70 70 8162 10 20 25 30 5 15 12 10 水 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 总计 106.4 106.4 106.4 106.4 106.4 106.4 106.4 106.4 106.4 相当重量 0.89 0.95 1.02 1.06 1.09 0.92 0.99 0.97 0.96 Iso 489 116.86 126.04 135.23 139.83 144.42 121.45 130.64 127.88 126.24珠 WL300 70 70 70 70 70 70 70 70 70 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 191.86 201.04 210.23 214.83 219.42 196.45 205.64 202.88 201.24 指数100 0.55 0.53 0.51 0.50 0.48 0.54 0.52 0.52 0.53 指数95 0.58 0.56 0.53 0.52 0.51 0.57 0.54 0.55 0.56 [0065] 表5 [0066]E855 30 20 10 5 25 15 18 15 E824 4050 70 70 70 70 70 70 70 70 70 8162 10 20 25 30 5 15 12 10 水 1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 总计 106.6 106.6 106.6 106.6 106.6 106.6 106.6 106.6 106.6 相当重量 0.91 0.98 1.05 1.08 1.12 0.94 1.01 0.99 0.98 Iso 489 119.79 128.98 138.16 142.76 147.35 124.38 133.57 130.82 129.17珠 WL300 70 70 70 70 70 70 70 70 70 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 194.79 203.98 213.17 217.76 222.35 199.38 208.57 205.82 204.17 指数100 0.55 0.52 0.50 0.49 0.48 0.54 0.51 0.52 0.52 指数95 0.57 0.55 0.53 0.51 0.50 0.56 0.54 0.54 0.55 [0067] 表6 [0068]E855 30 20 10 5 25 15 18 E824 4050 70 70 70 70 70 70 70 70 8162 10 20 25 30 5 15 12 水 3 3 3 3 3 3 3 3 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 总计 108.6 108.6 108.6 108.6 108.6 108.6 108.6 108.6 相当重量 1.13 1.20 1.27 1.30 1.34 1.16 1.23 1.21 Iso 489 149.12 158.31 167.50 172.09 176.68 153.72 162.90 160.15 珠 WL300 70 70 70 70 70 70 70 70 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 224.12 233.31 242.50 247.09 251.68 228.72 237.90 235.15 指数100 0.48 0.47 0.45 0.44 0.43 0.47 0.46 0.46 指数95 0.51 0.49 0.47 0.46 0.45 0.50 0.48 0.48 [0069] 表7 [0070]E855 30 20 10 5 25 15 18 E824 4050 70 70 70 70 70 70 70 70 8162 10 20 25 30 5 15 12 水 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 11.2 总计 111.3 111.3 111.3 111.3 111.3 111.3 111.3 111.3 相当重量 0.81 0.88 0.95 0.98 1.02 0.84 0.91 0.89 Iso 489 106.59 115.78 124.96 129.56 134.15 111.18 120.37 117.62 珠 WL300 50 50 50 50 50 50 50 50 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 161.59 170.78 179.96 184.56 189.15 166.18 175.37 172.62 指数100 0.69 0.65 0.62 0.60 0.59 0.67 0.63 0.64 指数95 0.72 0.68 0.65 0.63 0.62 0.70 0.67 0.68 [0071] 表8 [0072]E855 30 50 50 50 40 50 40 30 20 E824 20 30 40 50 10 10 4050 70 10 10 10 10 10 10 10 20 8162 20 10 40 50 50 50 水 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 11.2 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 3.2 总计 111.7 102.1 102.1 102.1 102.1 102.1 102.1 102.1 103.7 相当重量 0.85 0.34 0.28 0.21 0.21 0.48 0.55 0.55 0.66 Iso 489 112.46 45.42 36.61 27.81 28.19 63.03 72.22 72.60 86.96 珠 WL300 50 50 50 50 50 50 50 50 50 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 167.46 100.42 91.61 82.81 83.19 118.03 127.22 127.60 141.96 指数100 0.67 1.02 1.11 1.23 1.23 0.87 0.80 0.80 0.73 指数95 0.70 1.07 1.17 1.29 1.29 0.91 0.84 0.84 0.77 [0073] 表9 [0074]E855 30 50 50 50 40 50 40 30 20 E824 20 30 40 50 10 10 405 70 10 10 10 10 10 10 10 20 8162 20 10 40 50 50 50 水 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 11.2 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 3.2 总计 112 102.4 102.4 102.4 102.4 102.4 102.4 102.4 104 相当重量 0.89 0.38 0.31 0.24 0.25 0.51 0.58 0.58 0.69 Iso 489 116.86 49.82 41.01 32.21 32.59 67.43 76.62 77.00 91.36 珠 WL300 50 50 50 50 50 50 50 50 50 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 171.86 104.82 96.01 87.21 87.59 122.43 131.62 132.00 146.36 指数100 0.65 0.98 1.07 1.17 1.17 0.84 0.78 0.78 0.71 指数95 0.68 1.03 1.12 1.23 1.23 0.88 0.82 0.81 0.75 [0075] 表10 [0076]E855 30 50 50 50 40 50 40 30 20 E824 20 30 40 50 10 10 4050 70 10 10 10 10 10 10 10 20 8162 20 10 40 50 50 50 水 1 1 1 1 1 1 1 1 1 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 11.2 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 3.2 总计 112.2 102.6 102.6 102.6 102.6 102.6 102.6 102.6 104.2 相当重量 0.91 0.40 0.33 0.27 0.27 0.53 0.60 0.61 0.71 Iso 489 119.79 52.75 43.95 35.14 35.52 70.36 79.55 79.93 94.29 珠 WL300 50 50 50 50 50 50 50 50 50 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 174.79 107.75 98.95 90.14 90.52 125.36 134.55 134.93 149.29 指数100 0.64 0.95 1.04 1.14 1.13 0.82 0.76 0.76 0.70 指数95 0.67 1.00 1.09 1.20 1.19 0.86 0.80 0.80 0.73 [0077] 表11 [0078]E855 30 50 50 50 40 50 40 30 20 E824 20 30 40 50 10 10 4050 70 10 10 10 10 10 10 10 20 8162 20 10 40 50 50 50 水 3 3 3 3 3 3 3 3 3 催化剂 A-1 A-4 A-107 Ba100 11.2 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 3.2 总计 114.2 104.6 104.6 104.6 104.6 104.6 104.6 104.6 106.2 相当重量 1.13 0.62 0.56 0.49 0.49 0.76 0.82 0.83 0.94 Iso 489 149.12 82.09 73.28 64.47 64.86 99.70 108.88 109.27 123.63 珠 WL300 50 50 50 50 50 50 50 50 50 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 204.12 137.09 128.28 119.47 119.86 154.70 163.88 164.27 178.63 指数100 0.56 0.76 0.82 0.88 0.87 0.68 0.64 0.64 0.59 指数95 0.59 0.80 0.86 0.92 0.92 0.71 0.67 0.67 0.62 [0079] 表12 [0080]E855* 30 50 50 50 40 50 40 30 20 E824** 20 30 40 50 10 10 4050*** 70 10 10 10 10 10 10 10 20 8162**** 20 10 40 50 50 50 水 0.1 0.3 0.5 0.8 1 1.5 1.8 2 3 催化剂 A-1 A-4***** A-107 Ba 100 11.2 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 3.2 总计 111.3 101.9 102.1 102.4 102.6 103.1 103.4 103.6 106.2 相当重量 0.81 0.32 0.28 0.24 0.27 0.59 0.69 0.72 0.94 Iso 489****** 106.59 42.49 36.61 32.21 35.52 77.70 91.28 94.60 123.63珠 WL300 90 90 90 90 90 90 90 90 90 DC5098 5 5 5 5 5 5 5 5 5 总计 201.59 137.49 131.61 127.21 130.52 172.70 186.28 189.60 218.63 指数100 0.55 0.74 0.78 0.81 0.79 0.60 0.56 0.55 0.49 指数95 0.58 0.78 0.81 0.85 0.83 0.63 0.59 0.57 0.51 [0081] 在形成座椅管件的过程中，一种方法是将管件20切割成预定长度。然后将管件20的至少一部分填充复合材料22以便增强管件20的该部分。如将在下面进一步详细描述的那样，复合材料22优选通过将基体材料注入到管件20中而嵌入到管件20中，使用将异氰酸酯预混物与多元醇预混物相结合的混合头。在某些配方中，复合材料会需要通过允许基体材料膨胀的热来进一步处理，以成为所需的结构增强的复合材料22。然而，可以理解的是，可以使用其它过程将复合材料22嵌入到结构构件20中。如上所述，结构构件20不必在整个长度上填充有复合材料22，以及复合材料22的类型和密度可以在管件20的不同部分中进行变化。接着，如果需要，结构构件20弯曲成最终形状，如图1和图2所示的形状。为了有助于结构构件20的弯曲，在弯曲前可加热构件20以允许结构构件20具有较小的弯曲半径。如果在弯曲前不加热结构构件20，则如果结构构件20弯曲过于急剧就会造成卷曲或变形。如果复合材料22位于要弯曲的结构构件20的部分内，则将结构构件20加热到不会降低设置于其中的复合材料22性能的温度。一旦结构构件已弯曲并且然后被冷却，则结构构件20可被用作适于车辆座椅的座椅框架。上面的示例性方法是有利的，因为在管件20被弯曲之前将树脂注入到管件20内是简单的。在复合材料处于结构构件内的同时，也可发生另外的处理操作，诸如结构构件的成形或焊接。 [0082] 制备复合材料的另一种示例性方法是制备异氰酸酯预混物和多元醇预混物。异氰酸酯预混物通过在150华氏度、在静态混合器中将诸如DC5098的润湿剂与M489和空心微珠混合来制备。多元醇预混物通过在室温条件下、在静态混合器中将多元醇与水和BA100混合来制备。将两种预混合物加入到枪筒机（lance cylinder machine）形成多元醇/异氰酸酯混合物的正确体积比，然后将其注入到结构构件中。混合时间可取决于预混物和复合材料的所需开放时间来变化。 [0083] 当然，该结构构件20可被切成预定长度，弯曲然后用复合材料22填充，并且复合材料22的类型和密度在结构构件20的不同部分中可以改变。在该方法中，该结构构件20可以加热到较高的温度，因为复合材料22在弯曲后才添加。 [0084] 作为另一种方法，复合材料22可在结构构件20被弯曲的同时注入。 [0085] 为了仅在结构构件20的一部分内选择性地放置复合材料22，可将具有与管件20内部相匹配的轮廓的间隔件（未示出）放置到管件20中的预定位置内。然后包括第二间隔件30的注射器可通过结构构件20的一个末端插入，且通过与第一间隔件隔开预定距离的第二间隔件30引导到一位置。第二间隔件（未示出）也具有与结构构件20内部相匹配的轮廓，因此，在管件20中在第一间隔件和第二间隔件之间产生间隙。然后通过注射器将基体材料（未示出）注入到结构构件20的间隙内，以及基体材料可允许膨胀到填充第一间隔件和第二间隔件之间间隙的复合材料22。复合材料22的密度可通过增加注入到第一间隔件和第二间隔件之间间隙的树脂的量而增加，或在一些实施例中通过诸如对珍珠岩施加额外的热而增加。包括第二间隔件和/或第一间隔件的注射器可在基体材料完成膨胀之后从结构构件20移除。 [0086] 为了优化增强管件20的强度和重量，应首先对增强的结构构件20将所经受的力进行分析。然后，结构构件20的厚度可选择成足够坚固以便经受住在结构构件20最低受力部分中所受的力。然后复合材料22可选择性地嵌入到结构构件20的需要承受更大力的部分内。复合材料22的类型和密度选择成防止管件20在那些增加力下的损坏。 [0087] 具有一定的内部空间和至少一个弯曲部位24的增强结构构件20可用复合材料进行增强。复合材料22选择性地位于结构构件20的内部以便增强结构构件20的比结构构件的其余部分需要经受更大力的部分，以便允许在不影响结构构件20抗力能力的同时允许结构构件20的厚度减小。 [0088] 一种增强结构构件20的方法，其包括提供具有内部空间的结构构件20的步骤。该方法以下述步骤继续，即将泡沫材料22选择性地嵌入到结构构件20的内部以便增强结构构件20的比结构构件20的其余部分需要经受更大力的部分，以便允许在不影响结构构件20抗力能力的同时允许结构构件20的厚度减小。该方法还包括加热结构构件20中的至少一部分的步骤。该方法还包括在加热部分处弯曲结构构件20的步骤。 [0089] 上述的不同组合物允许使用不同的处理技术。所用的珍珠岩或空心微珠的百分比可改变用于形成最终结构构件的过程类型。例如，适于高浓度空心微珠的弯曲处理可能是困难的，此外适于高浓度空心微珠或珍珠岩的弯曲过程对填充之后消逝的时间是敏感的，一旦材料在管件内发生固化，则会导致难于弯曲。因此，通过高浓度的珍珠岩或空心微珠，优选可先将管件弯曲。此外，随着聚氨酯量的增加，更可能的是希望在加入复合材料之前进行管件的焊接。 [0090] 图6和图7示出静态混合器和机械混合器，其将空心微珠或珍珠岩与MDI或异氰酸酯混合，然后将复合材料泵入或注入到管件中。 |
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