包括定位在局部的增强片的容器壁的注射方法

摘要

本发明涉及一种壁的制造方法，该方法例如用于通过在压强下将热塑性材料注入注射模具(13、14)中来形成容器的壁，所述壁包括至少一个局部增强片(30)，该局部增强片由被包裹在与构成所述壁的热塑性材料兼容的热塑性材料中的增强丝线构成。在大致等于车间环境温度的温度下将增强片(30)布置在注射模具中，以及调节构成壁的热塑性材料的注射温度、包裹增强丝线的热塑性材料的熔融温度和增强片的厚度以使得在注射阶段期间使包裹增强丝线的材料熔融。

说明书

技术领域

本发明涉及包括薄壁并需要定位在局部的增强物的物品的制造方法。更具体地说，本发明涉及一种通过注射来制造用于装备机动车的容器的方法。

背景技术

在该工业中通过热模制来制造容器是广为人知的，该制造传统地以单个操作的形式来进行，在该单个操作过程中，相继地：通过注射实现构成型坯的圆柱形热塑性材料纱网(voile)，围绕还是热的并且塑性的所述型坯闭合模具，以及注射加压气体以使型坯贴抵在模具的壁上。

替代性地，还可以通过在模具中的热成型来实现容器的壁。

根据容器的用途，可能需要布置用于吸收局部应力的定位在局部的增强物，这些局部应力例如与容器中的内部压强或者固定方式和容器用于盛装的液体所表现出的载荷有关。

这些定位在局部的增强物因此呈现织物的形式，所述织物由定向或不定向的、浸渍有能够与构成容器的材料融合的热塑性材料的增强丝线或纤维构成。增强纤维可以具有合成、天然或金属来源。

根据第一方法，可以通过在容器已被从模具中取出并冷却之后将局部增强物贴在容器的外壁上来实现该增强物的布置。使增强物达到与构成该增强物的热塑性材料的熔融温度接近的温度，然后在压强下贴在被预先预热的容器壁上。

根据第二方法，当使用通过在模具中吹气成型型坯的模制设备时，局部增强物的布置在将型坯引入模具之前进行。使增强物预先达到与构成该增强物的丝线所浸渍的材料的熔融温度接近的温度，并借助于合适的设备将该增强物放置于型坯的外表面上或直接放置于模具中的用于形成需要特别增强的容器部分的区域中。为了使该操作成功，特别重要之处在于将增强物的热塑性材料维持在塑性状态和接近其熔融温度的温度，以方便与构成型坯的材料的粘合，并避免可能局部地妨碍容器壁的成型和模制的回缩现象。该方法相当适合于制造支持大载荷和需要大厚度增强物的大容量容器。

尽管这些方法已经过考验，但是如果想要获得增强物与构成容器壁的材料的完美融合，这些方法需要繁重并且精细的实施。实际上，对热的且塑性的增强物的操作需要采取允许在限制增强物的冷却的同时预防增强物本身的形状变形的措施。

然而，在某些条件下，可以制造呈现为两个不同部分的容器，这两个不同的部分通过焊接而接合，以形成用于接收给定液态产品的封闭腔。

这两个或更多个部分因此可以有用地通过将热塑性材料注入为此设计的模具中来制造。该实施方式允许以相对低的成本来制造容器(该实施方式的优点不限于此)。

发明内容

本发明提出提供一种特别经济的壁的制造方案，该方案例如用于通过在压强下并在预定温度下将热塑性材料注入模具中来形成容器壁，所述壁包括至少一个定位在局部的增强片，该增强片具有预定的厚度并且由增强丝线构成，所述增强丝线被与构成所述壁的热塑性材料兼容并具有预定的熔融温度的热塑性材料包裹。

根据本发明的方法的特征在于：在大致等于车间环境温度的温度下将所述增强片布置在注射模具中，以及调节构成壁的热塑性材料的注射温度、包裹增强丝线的热塑性材料的熔融温度和增强片的厚度以使得在注射阶段期间使包裹增强丝线的材料熔融。

因此不再需要在将增强片引入模具之前预热该增强片，这允许简化壁的制造过程并降低其制造成本。而且，由于在模制期间没有增强片的变形，该方法允许消除材料在模具中的所有移动。

根据本发明的方法还可以包括允许优化最终产品的性能的多种实施方式，这些实施方式的可单独或组合地采纳的特征如下：

-车间的温度介于15℃至30℃之间。

-构成壁的热塑性材料和包裹增强丝线的热塑性材料选自比如PEHD、聚酰胺或聚邻苯二甲酰胺等材料。

-增强片包括交错的增强丝线。

-增强片包括一个或多个增强丝线片，每个增强丝线片都由相互平行的增强丝线构成，并且这些增强丝线片被布置为使得一个片的增强丝线与其它片的增强丝线构成非零的确定角度。

-增强片包括纺织(tissé)的增强丝线。

-增强片的厚度小于或等于0.7mm，优选地小于或等于0.5mm。

-增强丝线被埋在两个热塑性材料膜之间，以使得增强丝线背部的热塑性材料的厚度小于或等于0.2mm，优选地小于或等于0.05mm。

-包裹增强片的增强丝线的热塑性材料的熔融温度与构成所述壁的热塑性材料的注射温度之间的差距介于60℃至115℃之间。

-构成所述壁的热塑性材料的注射温度介于190℃至330℃之间。

-材料在模具中维持在压强下的时间长于0.3分钟，优选地长于0.5分钟。

-引入增强片时的模具温度介于30℃至140℃之间。

-在将增强片引入模具中之前将增强片预成型为期望在模具中赋予该增强片的最终形状。

-借助于能够在构成所述壁的材料的注射阶段结束时消失的可撤回的多个针和/或垫块(cales)，来将增强片锚固在模具中的预定位置。

-调整针和/或垫块的高度，以将增强片布置为与模具的壁相距非零的预定距离。

附图说明

通过阅读示例性地提供并绝无任何限制性的附图将更好地理解本发明，在附图中：

-图1示出了一种注射压机的示意性整体视图。

-图2示出了一种注射模具的固定部分和活动部分的示意性剖视图，该注射模具包括用于布置增强片的装置。

-图3示出了一种模具的固定台部，其中已在模具闭合之前布置了增强片。

-图4示出了一种容器的底壁的透视图，该底壁包括增强片，并且是借助于根据本发明的方法获得的。

具体实施方式

图1示出了标准类型的注射压机1，其包括被转动地安装在加热套筒11中的注射螺旋杆10。在螺旋杆的上游布置有加料托(réceptacle)12，在该加料托中引入要注射的材料粒料。该螺旋杆通过注射喷嘴15通往注射模具，该注射模具包括固定台部13和活动台部14，其内部空间限定待在高温下注射的部件20的形状和体积。在固定台部和活动台部中设置有冷却线路16用于在注射阶段之后降低材料的温度，以使得在取出材料之前紧接在通过活动台部14的平移而打开模具之后材料就能够固化。

该设备允许以高生产率制造高质量的热塑性材料部件。该设备特别适于制造尺寸中等或减小的容器，这些容器是通过注射两个不同的部分来实现的，这两个不同的部分用于例如通过热焊接而接合起来形成最终的容器。

根据本发明，容器由热塑性材料制成。“热塑性材料”指的是任何热塑性聚合物(其中包括热塑性弹性体)及其混合物。术语“聚合物”既指均聚物也指共聚物(尤其是二元或三元共聚物)。非限制性地，这些共聚物的例子包括无规分布共聚物、序列共聚物(copolymèresséquencés)、嵌段共聚物和接枝共聚物。

熔融温度低于分解温度的任何类型的热塑性聚合物或共聚物都是合适的。熔融范围分布在至少10个摄氏度上的合成热塑性材料特别合适。这样的材料的例子有其分子量具有多分散性的热塑性材料。

特别地，可以使用聚烯烃、热塑性聚酯、聚酮、聚乙烯化合物、卤代聚乙烯化合物(例如聚氯乙烯(PVC)或聚氟乙烯(PVDH))、聚酰胺(PA)及其共聚物。也可以使用聚合物或共聚物的混合物，同样地也可以使用聚合材料与无机、有机和/或天然填充物(例如但不限于碳、泥土、盐和其他无机衍生物、天然或聚合纤维)的混合物。

这些材料可以包含添加物，例如稳定剂产品、增强填充物或增塑剂产品。

一种经常使用的聚合物是聚乙烯(PE)。由于高密度聚乙烯(PEHD)的化学惰性及良好的机械强度，已经用其获得了出色的结果。

尽管该类型容器的容量更小，但是可能需要考虑对容器某些区域(一般是位于下部部分的容器底部)进行增强，以承受与容器在用于接纳该容器的支承件上的锚固方式有关的力。这里，“小容量容器”指的是容量不超过二十升左右的容器。

增强片的形式呈现为被包裹在热塑性材料中的增强丝线或纤维，其也被称为预浸料(prepreg)。

根据所追求的机械强度和应力的性质，预浸料的增强丝线或纤维可以具有合成、天然或金属来源。

预浸料是所谓的干式增强物或织物的一种替代方案，干式增强物或织物不包括包裹材料，并由合成或天然的纤维或金属线构成。

增强物可以呈现为多种形式；其一般是包括短切纤维或长纤维或连续纤维的板片，其中所述纤维可以是纺织的或非纺织的。一般性地，短切纤维具有几十/几百微米的最终长度。对于长纤维，剩余长度为几毫米。在所用纤维的长度为几厘米的情况下即讨论的是“连续纤维”或“连续丝线”。

因此，当期望沿着多个优先方向来增强结构时，可叠置所布置的多个丝线片，以使得一个片的丝线与其他片的丝线构成非零的确定角度。丝线片可以简单地挨个叠置，或者像织物一样包括经线和纬线。最经常使用的纺织的增强片由两层彼此纺织在一起的丝线构成。

然而，连续纤维、尤其是非纺织的并且随机分布的连续纤维(所谓的多方向性纤维)是优选的。这些纤维在比纺织长纤维成本低的同时具有使应力以更均匀的方式分布的优点。在本发明的范围中，这些纤维的优点还在于具有更小的纤维密度(即更大比例的空处，这些空处有利地被热塑性包裹材料填充以方便焊接)。

增强物中的纤维含量优选地为预浸料总质量的至少30％、优选地至少60％、甚至至少45％。

这些纤维可以基于玻璃、碳、聚合物(比如聚酰胺，例如是比如芳纶的芳香族聚酰胺)，甚至可以是天然纤维，比如麻和剑麻。其优选地是(E、S或其它类型的)玻璃纤维。根据本发明的含纤维的增强物的纤维优选地与热塑性材料兼容，并因此一般与聚烯烃、尤其是PEHD兼容。为了获得该兼容性，可以用兼容化物质(比如硅烷)对纤维上浆(ensimer)(表面处理)。也可以使用PEHD类型的反应粘合剂。在该范围内，有利地可以利用马来酸酐类型的反应特性。

根据本发明，含纤维的增强物包括与容器的热塑性材料兼容、甚至相同的热塑性材料。在碳氢燃料容器的情况下，这一般涉及聚乙烯、尤其是PEHD。

该热塑性材料优选地围绕着纤维团/在纤维团中熔融以构成均质的片材/板片，其中在该均质的片材/板片的至少一部分表面上具有热塑性材料以方便焊接。这在实践中可以通过压缩模制、注射模制、喷射模制、真空模制或辊轧来进行。优选地，增强物的生产方法采用压缩模制(借助于2根辊之间的辊压的连续方法)或喷射模制。采用该方法，由纺织的连续纤维增强的预浸料给出了良好的结果。

根据一个特别优选的变型，增强物覆盖其中固定有构件的区域(例如在其中固定充装管路的充装沟槽)的至少一部分并包含阻挡层，以使得其同时实现增强功能(在该区域中经常是脆弱的)和密封功能。在该变型中，有利地通过对包含阻挡层的多层片材(优选地是在两层PEHD之间包括EVOH层的片材)、纤维(优选地是非纺织的并且随机分布的连续玻璃纤维)毡和PEHD片材进行压缩模制来获得增强物。

赋予容器底部的机械强度与丝线类型、织造类型和所用丝线的直径有关。

丝线被包裹在两个材料膜之间，以浸渍丝线之间的自由空间并在丝线的背部形成具有小厚度的层，该层有助于将丝线粘附到构成要增强的物品的材料。

包裹丝线的材料被选择为与所注射的构成要注射的壁的材料兼容。即丝线的浸渍材料能够与所注射的材料通过熔融互相紧密结合。因此，优选地选择与构成壁的材料性质相同的材料。在作为本说明书的支持的情况下，借助于PEHD而被浸渍的预浸料满足该条件。

在车间温度下将增强片引入模具，该车间温度通常介于15℃至30℃之间。

根据本发明的方法因此基于为确保构成增强片的材料的熔融所需数量的能量是由所注射的处于液态的材料提供的这件事。该热能因此至少包括用于确保增强物温度上升至构成增强物的材料的熔融温度的该部分能量，以及为了确保该材料的熔融以使其至少在表面层上与所注射的材料混合而要提供的能量。

因此，首要之处在于调节相互影响的不同决定性参数以确保良好的结合。

第一因素在于对预浸料的质量、因此其厚度的选择。预浸料的厚度越小，要传递的能量就越少。因此，对于给定的所要求的机械强度，根据丝线的成本及强度选择直径最合适的丝线。对于小容量容器，用总厚度小于0.7mm、优选地小于0.5mm的预浸料获得了良好的折衷。

因此，力图减小用于包裹增强丝线的膜的厚度，以使得丝线背部的热塑性材料厚度小于0.2mm、优选地小于0.05mm。沿着与预浸料表面垂直的方向测量的该数值对应于丝线与所述表面之间的可用材料的最小厚度。

要考虑的第二因素是构成预浸料的材料的熔融温度，该温度必须相对于在将预浸料引入模具中的时刻所注射的材料的温度尽可能地低。在这方面，包裹增强丝线的热塑性材料的熔融温度与构成所述壁的热塑性材料的注射温度之间的差距必须介于60℃至115℃之间。

第三因素是材料在模具中的注射温度。出于实施的原因，对于PEHD类型的材料，该温度通常介于190℃至245℃之间，对于某些等级的PEHD可高达280℃。

对于该后一类型的材料，包裹预浸料丝线的材料的熔融温度必须有用地低于140℃、甚至低于120℃，这与所用材料的性质完全兼容。为了调节构成预浸料的PEHD的熔融温度，可调节该PEHD的等级和构成该PEHD的聚合物链的长度。

然而，注射温度在例如PA6或PPA的材料的情况下可达到330℃。因此包裹预浸料的增强丝线的材料的熔融温度可相应地进行调整。

第四因素涉及模具的冷却功率，并因此涉及从所注射的材料回收的并且无法释放给预浸料的热能。这最后的因素尤其难以调节，这是因为该因素还决定脱模温度和机器的周期时间。在PEHD的情况下，低于40℃的温度允许获得可接受的结果，30℃的温度则构成优选的选择。

然而，在例如PPA的材料的情况下，在引入预浸料的时刻模具会达到高得多的温度，大约为135℃，甚至140℃。

这最后的因素涉及在模具打开之前的受压持续时间。该时间取决于所注射的壁的厚度和在注射开始时的模具温度。采用长于0.3分钟、优选地长于0.5分钟的受压持续时间获得了良好的结果。

其它因素也可以进入所考虑的范围，例如预浸料相对于模具的壁的位置、冷却装置的功率和配置或模具的热惰性。

有用地，本领域的技术人员可以实施试验计划，以调节这些参数并达到允许确保构成预浸料的材料与所注射的材料在它们的界面处的融合的最佳平衡。

由此，定性地，预浸料厚度的相对增大体现为更多的热能需求，这可以通过提高注射温度或通过提高模具的温度和受压持续时间来满足。

因此相应地调节对构成预浸料的材料的熔融温度的选择。或者，还可以选择具有同等强度但更小的直径的丝线来达到更小的厚度。

由此获得预浸料与构成所注射的壁的材料之间的完美的结合。

除了对制造方法的优化之外，在环境温度下在注射压机中将增强片直接引入模具还允许简化该制造方法。

这还提供了将参照图2描述的优点，该图示出了模具的详细示意图。

实际上，增强片在环境温度下没有塑性变形和相对良好的机械强度允许更精确地将增强片布置在注射模具中。这还方便了在引入期间借助于例如机械运输器的运输操作，这是因为不必再处理夹持装置以防止形成熔融材料的沉积，如将预热的预浸料转移到模具中时的情况一样。

另一能够以较低的成本获得的优点在于能够将片布置得与模具的每个内壁相距精确的距离。

为此，可以布置可撤回的垫块17或针16，在其上将增强片30锚固在精确的几何位置处。针被调节在相对于模具内壁的预定高度h。此外，该距离h不一定是恒定的。因此，在材料注射还有零点几秒结束时撤回针或垫块，壁的最终体积被引入模具中并承受给定的指令压强。

通过模具的壁与所注射的材料之间的热传导进行的冷却在晚些时达到增强片，由此允许预浸料与所注射的材料之间的更好的热扩散。该实施方式还允许根据所承受的力来优化壁的强度，这是因为变得能够将预浸料布置在相对于壁的中性纤维的最优位置。

图3允许示出在安装在垫块上之后、恰好在活动台部闭合和将材料注入模具之前的预浸料30。

图4示出了在注射容器21的底部部分之后的最终结果，其中所述底部部分包括开口，围绕该开口安装有所述增强物30。

与本发明有关的另一优点在于：当壁的要被增强的部分不是平面或可展开的表面时，能够通过不是本发明的主题的任意方法赋予预浸料确定的永久变形。因此，将增强片预成型为期望在模具中赋予该增强片的最终形状。由此避免产生与片在模具中成型时增强丝线的移动有关的材料移动。所模制的壁的几何形状特性因此被改善。

本发明不限于构成本说明书主题的实施方式，其它实施形式对于本领域的技术人员是明显的。特别地，可以使所注射的材料的性质变化，在上文解释中可找到能指引本领域的技术人员通过注射来制造包括增强物的壁的所有信息。