CN104662227B - 包括碳/玻璃组合纱线的刮刀 - Google Patents

Abstract

一种用于刮刀的纤维增强复合材料，其含有由织物增强的聚合物树脂基质，所述织物由混络的玻璃/碳纱线组成。

Description

包括碳/玻璃组合纱线的刮刀

发明背景

1.技术领域

本发明总体上涉及在造纸机器和幅材转换加工机器(webconverting machines)中使用的刮刀。

2.背景技术

在造纸机器和幅材转换加工机器中，刮刀与辊的表面相接触，以达到清洁或除去纸张的目的。常规的刮刀材料包括金属材质、塑料材质、棉材质、玻璃材质、以及碳材质的热固性和热塑性层叠体。

例如，刮刀通常包括织物基底，通过聚合物树脂将所述织物基底保持在一起，其中基底和树脂的组合为高效刮除提供所需的性能。典型的基底包括玻璃、棉、和碳，同时热固性和热塑性的树脂都被用于将该基底保持在一起，并赋予特定的性能。热固性树脂(例如环氧树脂)往往更难磨损，而高性能的热塑性树脂(如聚苯硫醚(PPS))往往能够承受更高的机器加工温度，并且不容易受到化学侵蚀的影响。在聚合物复合材料中切削出斜角边缘，从而在刮刀的尖端产生有角度的倾斜，以助于清洁辊或除去纸张。该边缘越锋利、越清洁，刮刀的性能越高效。已知由多种不同的材料制成的刮刀。参见美国专利No.4,549,933，其全部内容通过引用的方式并入本文，其描述了一种用于造纸机器的刮刀，由多个交替的纤维层和碳纤维层组成，其中所述纤维层由棉、纸、玻璃纤维、或其等同物组成。

在传统的纤维增强复合材料刮刀中，纤维包含棉纤维、玻璃纤维或碳纤维。这些纤维被分成纤维束然后进行织造，其中一半纤维沿平行于造纸机的方向，另一半沿垂直于造纸机的方向。绝大多数的机织物在两个方向上具有相同的材料。然后用树脂浸渍这些织物，将若干经过预浸的织物堆叠起来，随后压缩塑模以形成刮刀。不同类型的纤维使刮刀具有不同的优点和缺点。碳纤维虽然昂贵，但如果将该纤维沿一个方向布置，则可提供优异的耐磨性和高的强度。玻璃纤维能很好地清洁辊的表面。棉纤维在某些应用中能以非常合理的成本提供可接受的性能。

为了获得不同的纤维的优点，纤维增强复合材料的制造商通常会在复合产品中应用不同的织物层。例如，刮刀复合物可以具有4层各不相同的玻璃织物和6层各不相同的碳织物。具有不同层的缺点之一是，常常有结合强度的问题，且织物层彼此分离，使得污染物累积在分离的区域中，最终导致刮刀材料损坏。这种类型的复合物的另一个问题是，刮刀整体厚度不均匀。例如，在一台机器上使用时，与刮刀的碳层相比，刮刀的玻璃层以更快的速率被磨穿，该碳层具有显著更长的使用寿命。因此，在使用中随着时间的推移，刮刀的玻璃层首先磨穿，而刮刀的碳层磨损得比较缓慢，因此随着刮刀在机器上磨损而导致性能不断变化。

在最近几年，混合织物已经取得了一些进展，在该混合织物中，一种纤维类型沿着某一个方向织造，而与之不同的纤维类型则沿着其他方向织造。虽然这种类型的设置旨在实现两种类型的纤维的优点，但只有一种类型的纤维朝向辊的表面，因此只有一种纤维真正地起到清洁辊的作用。此外，在不同方向上的纤维会引起材料挠曲性能的差异。

发明内容

本发明公开了用于造纸机器和幅材转换加工机器的刮刀，包括复合材料刮刀，其包含用玻璃/碳组合纱线(combination glass/carbonyarns)制成的增强织物，其中玻璃/碳组合纱线包含碳材料和玻璃材料的组合。刮刀可以由玻璃/碳组合纱线构造而成，其可以是单丝、皮芯纱线、和/或复丝形式的玻璃/碳组合纱线(其由不止一根单丝合股和/或合股/捻合或混络的玻璃/碳纱线(co-mingled glass/carbonyarns)制成)。玻璃/碳组合纱线也可以被针织或编织。用于形成多组分纱线的体系和方法在本领域是已知的，为了简洁起见不在此进行描述。

在本文所述的实施方案中，所述刮刀包含所述的玻璃/碳组合纱线，其包括混络的玻璃/碳纱线。

本发明还公开了混络纱线，其包括选自下组的混络纱线：(1)玻璃/碳/高性能热塑性材料(HPT)，(2)玻璃/HPT，及(3)碳/HPT。

本发明公开了一种用于清洁辊的刮刀，其由增强织物制成，所述增强织物包含混络的玻璃/碳纱线，其中玻璃纤维和碳纤维在同一纱线内紧密结合。所述刮刀的优点包括碳纤维和玻璃纤维都处于辊的表面上所产生的协同效益，其不会出现分离的玻璃层和碳层之间结合作用弱的问题。优点还包括刮刀更均匀，这会提供状态更稳定的性能。

本发明公开了一种纤维增强复合材料刮刀，其含有由玻璃纤维和碳纤维进行增强的聚合物树脂基质，所述玻璃纤维和碳纤维被混络成单纱线。各纱线包含玻璃纤维和碳纤维，其可被纺织成传统的织物布、多轴向织物或将其作为单向层使用，随后用树脂浸渍并在层压机上通过挤拉成型或其他刮刀制造技术进行加工，以制成包含增强材料的刮刀，所述增强材料由混络纱线组成。

附图说明

图1为根据一个实施方案的刀片结构的局部横剖视图，为了图解说明，其尺寸已被放大。

具体实施方式

应当理解的是，本发明的附图和说明已被简化，以说明那些与清楚理解本发明相关的元件，同时为清楚起见，去除了许多本领域内常规的其他元件。本领域的普通技术人员会认识到实施本发明所需的其他元件。但是，由于这样的元件是本领域公知的，并且因为它们不利于更好地理解本发明，所以在此不讨论这样的元件。

以下将在示例性实施方案的基础上对本发明进行详细说明。

形成用于刮刀的混络纱线的方法包括：在一个腔室内将多根组成不同的纤维分离成单独的单丝组分。如上所述，组成不同的纤维包括碳和玻璃。然后通过向所述腔室内引入热空气使各个单丝组分混合。引入热空气流的结果是，各个单丝组分紧密地混合在一起。然后该混合的单丝组分汇集在一起成为单纤维。因此所述玻璃单丝随机地分布在所述混络的碳-玻璃纱线中。用于形成多组分混络纱线的体系和方法在本领域中是已知的，为了简洁起见不在此进行描述。随后这些混络纤维可被织造或缝编成潜在的任何类型的增强织物(例如平纹、斜纹、多轴织物等)。

由此形成的纱线可被用于制造刮刀，其中碳和玻璃在同一纱线和增强织物中协同地结合在一起。

首先参见图1，根据本发明构造的刮刀示为10，其包括树脂浸渍织物(通常称为“预浸料”)的多层复合物12。所述预浸料可包括织造或非织造的混络纤维，如本文所述，所述纤维随后可被织造或缝编成潜在的任何类型的增强织物(例如平纹、斜纹、多轴织物等)。在一个实例中，制备了400gsm具有由40％的碳和60％的玻璃组成的混络纱线的平纹织物。制成了这种具有混络纱线的织物的五(5)层叠层体。

将所述多层12用树脂浸渍。代表性的树脂分散体为双酚A型环氧树脂，但是可包括本领域已知的其他常规树脂。在层合期间，根据已知实施方式在升高的温度和升高的压力条件下，参考标号16所示的树脂界面起到将所述多层12粘附在一起的作用。

本领域技术人员已知的平面元件10的其他制造方法包括拉挤成型、树脂注入、以及反应性树脂注射塑模。

在一个实施方案中，公开了一种包含混络的玻璃/碳纱线的刮刀。在另一个实施方案中，所述刮刀包含混络的玻璃/碳、以及高性能热塑性材料纱线。实施方案包括任意组合的混络的玻璃/碳/高性能热塑性材料纱线。例如，所述刮刀可进一步包括混络的玻璃/高性能热塑性材料纱线和碳/高性能热塑性材料纱线。所述高性能热塑性材料可包括选自以下的热塑性材料：PPS、PEEK、PEI、PPA、和本领域其他已知的高性能热塑性材料。高性能热塑性材料的优点包括：消减对基于溶剂的树脂的需求、使回收纱线和由其制成的刮刀具有可能，以及改善刮刀的耐化学性。添加高性能热塑性组分作为混络纱线的一部分，这样可减少对基于溶剂的树脂的需求，使刀片可回收，并且与常规刮刀树脂(例如环氧树脂和酚醛树脂)相比还提高了耐溶剂性和耐化学性。

如上所述，传统的刮刀具有不同的增强织物(诸如碳和玻璃)形成的各不相同的层。碳和玻璃的热膨胀系数相差很大：

碳＝-9.1x 10^-7K^-1

玻璃＝+5x 10^-6K^-1。

因此，在常规的已知刮刀的制造方法中，当树脂固化时，玻璃层膨胀而碳层收缩。当材料冷却时，出现相反的情况：玻璃层收缩而碳层膨胀。固化和冷却期间相反的膨胀和收缩情况使树脂在分子水平上产生应力，这会导致弱的层间结合。

在一个实施方案中，公开了一种适用于造纸机器的刮刀，其包含纤维增强复合材料，所述材料含有由混络的玻璃/碳纱线组成的织物增强的聚合物树脂基质。所述聚合物树脂材料可以是环氧树脂或热塑性材料。在一个实施方案中，碳纤维占总纤维的百分比为约5-95％。

在一个实施方案中，玻璃纤维占总纤维的百分比为约5-95％。在一个实施方案中，所述纤维增强复合材料包括百分比为约40％的碳纤维和百分比为约60％的玻璃纤维。所述刮刀可以具有在约0.3mm和约5.0mm(0.01英寸(”)至约0.25”)之间的总厚度。

在一个实施方案中，所述刮刀的总厚度为约0.015”(英寸)至约0.250”，例如约0.040”至约0.110”，或约0.050”和约0.080”之间。刮刀可以包括两层或更多层，刮刀中的两层或更多层包含玻璃和碳的混络纤维。其余的层可包括标准纺织纤维、单向纤维、或者短切的毡纤维，其含有玻璃、碳、或其他增强用纤维材料，或在某些情况下是不含纤维的纯树脂层。在一个实施方案中，所述纤维沿机器方向和机器横向定向。在另一个实施方案中，所述纤维可基本上沿机器方向定向。

在一个实施方案中，所述纤维增强复合材料进一步包含高性能热塑性材料(HPT)纱线。所述刮刀可以进一步包含选自下组的混络纱线：混络的玻璃和HPT，混络的碳和HPT，以及混络的玻璃、碳和HPT。示例性的HPT包括常规已知的HPT，其包括选自聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、和聚邻苯二甲酰胺(PPA)的HPT。

本文所描述的混络型织物的示例性优点包括，但不限于，刮刀的各个层在基本相同的时间以基本相同的程度膨胀和收缩，这消除了所述各层之间的应力和弱的化学结合作用，形成了更好的层间结合，从而形成了性能更优的高性能的刮刀。

另一示例性的优点包括如下事实：使用混络型织物的层产生了更均匀的刀片，这会导致状态更一致且更稳定的性能。常规刮刀的玻璃层很快就会被磨穿，然后碳层缓慢地被磨穿，然后又是玻璃层迅速地被磨穿，然后又是碳层缓慢地被磨穿，然后再一次地又是玻璃层迅速地被磨穿。在根据本文公开的混络纤维增强织物的实施方案制备的刮刀中，因为该刮刀更均匀，所以整个结构上的磨损都保持一致，且在其整个使用期内会提供稳定状态的性能。因此，本文所描述的混络型织物制备了在刀片整个使用期内都具有恒定性能的刀片。

在一个实施方案中，可使用含有碳纳米管和/或纳米粒子的树脂将混络型的织物保持在一起或层叠起来，以用于刮刀和平面元件。刮刀和向树脂掺入纳米颗粒以用于诸如刮刀之类的平面元件在题为“用于造纸机器的平面元件”的美国专利申请No.11/148,624中已有描述，其全部内容通过引用方式并入本文。所述纳米颗粒可选自粉末、颗粒、纤维和板片(platelet)。例如，金属纳米颗粒可以选自由金属氧化物或碳化物或氮化物、金属络合物、金属离子结构和金属共价键组成的组。在刮刀中可用的非金属和/或共价的颗粒包括粘土颗粒、硅酸盐、陶瓷材料、玻璃颗粒、炭黑、热解二氧化硅、碳酸钙、碳纳米管、以及陶瓷粉末的纳米球。

在一个实施方案中，刮刀可包含含有纳米颗粒的树脂，所述纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的约0.5重量％至75重量％之间，例如介于所述聚合物树脂基质的约5重量％至20重量％之间，或纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的约10重量％至15重量％之间。在一个实施方案中，所述纳米颗粒可为所述聚合物树脂基质的约3重量％，其中所述纳米颗粒包括或基本上由碳纳米管组成。

在另一个实施方案中，所述刮刀可包含含有纳米颗粒的树脂，所述纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的约20重量％至约40重量％之间，且其中所述纳米颗粒包括或基本上由二氧化硅纳米颗粒组成。例如，所述二氧化硅纳米颗粒可介于所述聚合物树脂基质的约30重量％至约40重量％之间。

所述刮刀可包含浸渍有所述聚合物树脂基质(其包含纳米颗粒)的复合的多个织物基底。例如，织物基底可包括***其间的膜层，所述织物基底和膜层中的至少一个浸渍有包括纳米颗粒的聚合物树脂基质。

例如，参见图1，所述层12可使用含有纳米颗粒(诸如：例如碳纳米管和/或二氧化硅纳米颗粒)分散体的树脂进行浸渍。代表性的树脂分散体是双酚A型环氧树脂，其中添加并均匀地分散有碳纳米管纳米颗粒，其量为树脂基质的3重量％。在层合期间，根据已知实施方式在升高的温度和升高的压力条件下，参考标号16所示的树脂界面起到将所述多层12粘附在一起的作用。

实施例

在一个实施例中，制备了400gsm具有由40％的碳和60％的玻璃组成的混络纱线的平纹织物。制成了这种具有混络纱线的织物的五(5)层叠层体。由此制备的层叠体格外地坚硬和牢固。所述层叠体还非常平直，因此没有任何变形。通过剥离试验确定，各层不能被剥离分开，因此该层叠体不易产生分层，其中，在剥离测试中，将所述层叠体的层连接至弹簧秤，并牵拉使层剥离，记录剥离所述层所需的拉力。

在内部磨损试验机上，对包含由40％的碳和60％的玻璃组成的混络纱线的1.8毫米混络型刀片进行测试，对比测试具有相同厚度和碳含量的两种不同类型的常规玻璃-碳刮刀(Carbovic和Carbotek 4)。该试验是通过以下方式进行的：在1.2巴的负载下，将受试刀片抵靠着以1570m/分钟(50赫兹)的速度运行的冷硬铸铁辊达24小时。

相比于常规刀片1(类型1)(0.82％的重量损耗)和常规刀片2(类型2)(1.41％的重量损耗)，所述混络型刀片显示出较少的重量损耗(0.58％)和提升的耐磨性。

此外，相对于常规刀片类型(1)(为保持1570m/分钟的辊速度，需要18.0安培)、和常规刀片类型(2)(为保持1570m/分钟的辊速度，需要20.5安培)，所述混络型刀片显示出较低的初始摩擦阻力(为保持1570m/分钟的辊速度，需要15.7安培)。这样，在维持相同的辊速度的情况下，辊的能量需求较低。

所述混络型刀片还显示了相对于常规刀片得到提高的稳态性能。相对于常规刀片类型(1)(10分钟后平均15.05安培、24小时后需14.0安培来保持所设定的辊速度)、和常规刀片类型(2)(10分钟后平均17.62安培、24小时后需14.2安培来保持所设定的辊速度)，在所述混络型刀片的情况下，测试10分钟后平均14.90安培、且24小时后仅需13.9安培来保持所设定的辊速度。

所述混络型刀片在剥离试验上也显示了提升的性能。均在3”宽的样品上测试，相比于常规刀片类型(1)(其中表面层在7.3lbs下剥离)、以及常规刀片类型(2)(其中表面层在8lbs下剥离)，所述混络型刀片的表面层不能被提起来。

Claims (29)

1.一种用于造纸机器的刮刀，包含含有由织物增强的聚合物树脂基质的纤维增强复合材料，所述织物包含含有混络的玻璃/碳纱线的玻璃/碳组合纱线，在所述混络的玻璃/碳纱线中，玻璃纤维和碳纤维在同一纱线内紧密结合，其中，玻璃/碳组合纱线包含碳材料和玻璃材料的组合。

2.根据权利要求1所述的刮刀，其中碳纤维占总纤维的百分比为5-95％。

3.根据权利要求1所述的刮刀，其中玻璃纤维占总纤维的百分比为5-95％。

4.根据权利要求1所述的刮刀，其中碳纤维的百分比为40％，且玻璃纤维的百分比为60％。

5.根据权利要求1所述的刮刀，其中所述聚合物树脂材料为环氧树脂或热塑性材料。

6.根据权利要求3所述的刮刀，其中所述纤维沿机器方向和机器横向定向。

7.根据权利要求3所述的刮刀，其中所述纤维持续性地沿机器方向定向。

8.根据权利要求3所述的刮刀，其中所述刮刀的总厚度为0.015英寸至0.250英寸。

9.根据权利要求8所述的刮刀，其中所述刮刀的总厚度为0.040英寸至0.110英寸。

10.根据权利要求9所述的刮刀，其中所述刮刀的总厚度为0.050英寸至0.080英寸。

11.根据权利要求3所述的刮刀，其中所述刮刀的两层或更多层包含玻璃和碳的混络纤维。

12.根据权利要求1所述的刮刀，其进一步包含：高性能热塑性材料纱线。

13.根据权利要求12所述的刮刀，其进一步包含选自下组的混络纱线：

混络的玻璃和高性能热塑性材料；

混络的碳和高性能热塑性材料纱线；和

混络的碳、玻璃和高性能热塑性材料纱线。

14.根据权利要求12所述的刮刀，其进一步包含：包括选自聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、和聚邻苯二甲酰胺中的热塑性材料的高性能热塑性材料。

15.根据权利要求1所述的刮刀，其中所述刮刀还包含：在聚合物树脂基质中的纳米颗粒。

16.根据权利要求15所述的刮刀，其中所述纳米颗粒选自由粉末、颗粒、纤维和板片组成的组。

17.根据权利要求15所述的刮刀，其中所述纳米颗粒为金属的，并选自由金属氧化物或碳化物或氮化物、金属络合物、金属离子结构和金属共价键组成的组。

18.根据权利要求15所述的刮刀，其中所述纳米颗粒为非金属的和/或共价的，并选自由粘土颗粒、硅酸盐、陶瓷材料、玻璃颗粒、炭黑、热解二氧化硅、碳酸钙、碳纳米管、以及陶瓷粉末的纳米球组成的组。

19.根据权利要求15所述的刮刀，其中所述纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的0.5重量％至75重量％之间。

20.根据权利要求19所述的刮刀，其中所述纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的1重量％至20重量％之间。

21.根据权利要求19所述的刮刀，其中所述纳米颗粒为所述聚合物树脂基质的3重量％，且其中所述纳米颗粒基本上由碳纳米管组成。

22.根据权利要求20所述的刮刀，其中所述纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的20重量％至40重量％之间，且其中所述纳米颗粒基本上由二氧化硅纳米颗粒组成。

23.根据权利要求22所述的刮刀，其中所述纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的30重量％至40重量％之间。

24.根据权利要求20所述的刮刀，其中所述纳米颗粒介于所述聚合物树脂基质的10重量％至15重量％之间。

25.根据权利要求15所述的刮刀，其包含浸渍有所述聚合物树脂基质的复合的多个织物基底。

26.根据权利要求15所述的刮刀，其包含其间***有膜层的复合的多个织物基底，所述织物基底和膜层中的至少一个浸渍有所述聚合物树脂基质。

27.根据权利要求16所述的刮刀，其中所述纳米颗粒为金属的，并选自由金属氧化物或碳化物或氮化物、金属络合物、金属离子结构和金属共价键组成的组。

28.根据权利要求16所述的刮刀，其中所述纳米颗粒为非金属的和/或共价的，并选自由粘土颗粒、硅酸盐、陶瓷材料、玻璃颗粒、炭黑、热解二氧化硅、碳酸钙、碳纳米管、以及陶瓷粉末的纳米球组成的组。

29.一种用于造纸机器的刮刀，包含含有由织物增强的聚合物树脂基质的纤维增强复合材料，所述织物包含玻璃/碳组合纱线，其中，玻璃/碳组合纱线包含碳材料和玻璃材料的组合。