CN101137497A - 用于抗风和风吹碎片的复合材料 - Google Patents

Abstract

适合作为能够防御例如由龙卷风产生的风吹碎片的整体建筑部分的复合材料依次包括结构盖板材料层，例如胶合板；粘合剂层；轻重量材料；粘合剂层；树脂粘合的高强度纤维织物层；粘合剂层和结构盖板材料层。

Description

用于抗风和风吹碎片的复合材料

技术领域

本发明涉及使用高强度复合材料盖板来抵抗由风和风吹碎片(wind-borne debris)(例如严重风暴事件(特别是龙卷风)产生的碎片)的穿透。

发明背景

在易于发生龙卷风或飓风的地区，风暴掩体和地下室是提供抵抗严重风暴事件的安全避难所所必需的。这些掩体通常由浇注混凝土、钢筋强化的砌筑结构或重质量片状金属构成。关于风暴掩体和地下室的适合设计的细节详述于Federal Emergency ManagementAgency(联邦紧急事件管理处)(FEMA)的出版物中，例如TakingShelter from the Storm(躲避风暴的掩体)-出版物320和Design andConstruction Guidance for Community Shelters(社区掩体的设计和建筑指南)-出版物361。目前的设计依赖于使用常见的重质量建筑材料如混凝土和钢筋，以抵抗风暴事件中产生的风吹碎片。

目前的设计不易融入到目前的建筑实践中，并且使得墙壁结构的重量显著增加。FEMA出版物320中所述的木结构方案要求用实体砌筑结构填充墙壁部分或用14号钢板提供连续的盖板。这些掩体的门要求用最小14号片状金属强化以提供所需的穿透抵抗力。这些方案麻烦，难以安装并且难以按照规格进行实地操作。至于门，目前的解决方案使得门重，引起了安全问题并且美感差。

Clemson大学在2000年5月31日向联邦紧急事件管理处提交的题为“Enhanced Protectionfor Severe Wind Storms(严重风暴的强化保护)”的报告描述了另外几种强化掩体墙壁以抵抗风吹碎片的方案。这些方法包括使用Kevlar布制成的4面墙壁(数字9、10、11和17)。第36页的图12显示了这些柔性布提供的耐冲击性不到满足“National Performance Criteria for Tornado Shelters(龙卷风掩体的国家性能标准)”所需的44％。该研究所提出的方法所提供的耐冲击性都不到国家性能标准的60％。

2003年5月1日公开的U.S.2003-0079430 A1公开了一种与结构盖板结合的使用树脂粘合的高强度纤维织物的纤维强化复合材料盖板。该复合材料能够经受速度为161千米(100英里)/小时的15磅射弹。

美国专利申请10/308,492阐述了与密度不大于0.25克/立方厘米的材料层结合的U.S.2003-0079430 A1的复合材料。

非常需要一种使用重量轻的适合实地操作的材料形成复合材料的方法来提供对风吹碎片(如由龙卷风和飓风产生的碎片)的防御作用。然而，龙卷风产生的风速可以超过200英里/小时，它大大超过飓风产生的风速。因此，特别需要能经受较高风速的龙卷风产生的风吹碎片的重量轻可实地操作的盖板。

发明概述

本发明涉及：

一种复合材料，其依次包括：

(a)结构盖板层，

(b)粘合剂层，

(c)密度不大于0.25克/立方厘米的材料层，

(d)粘合剂层，

(e)含有用树脂粘合的高强度纤维的织物层，

(f)粘合剂层，

(g)结构盖板层，

其中根据ASTM试验方法E1886-97在用速度为161千米(100英里)/小时的6.8千克(15磅)射弹冲击时，该织物层将偏移5.0-17.5厘米。

可设计粘合的复合材料以通过选择芯材和结构盖板性质来满足风压和风吹碎片的需要，以便满足以上所列的技术要求且符合可用的泡沫体填充结构的结构设计方案。这些方案于出版物例如JohnHartsock的“Design of Foam-Filled Structures(泡沫填充结构的设计)”和American Plywood Association出版的“Design and Fabrication ofPlywood Sandwich Panels(胶合板夹板的设计和制造)”中可见。

该复合材料特别适合在世界上遭受由飓风产生以及由风速相当高的龙卷风产生的风吹碎片的地区中构建风暴掩体和住房。

附图简述

图1表示根据ASTM E72横向负荷试验，实施例1、2和3的86英寸长面板的负荷偏移曲线。

发明详述

本发明使用发明概述中定义的高强度粘合织物层改进复合材料的形成。尽管高强度粘合织物层与结构盖板的结合在提供抵御风吹碎片方面卓有成效，但是仍需要单独能够抗风暴的自支撑性的式(freestanding)复合材料。

本发明克服了对于用以就地固定复合材料的稳健和/或设计复杂的结构的需要。由于复合材料有刚性而同时有柔性，所以对于风本身和风吹碎片有抵御作用。

复合材料的刚性为抗由风速产生的气压所必需。复合材料的柔性对抗风吹碎片，其中碎片可在击穿外盖板后撞击高强度粘合织物，根据ASTM试验方法E1886-97，在用速度为161千米(100英里)/小时的6.8千克(15磅)射弹冲击时，该高强度粘合织物将偏移5.0-17.5厘米。

因此，抵御风吹碎片(例如由风速超过200英里/小时的龙卷风产生的碎片)的必要部件是含有高强度纤维的织物。该织物可为机织或非机织织物，不过优选为机织织物。高强度纤维为公知的并且本文所用的高强度纤维是指韧性为至少10g/dtex且拉伸模量为至少150g/dtex的纤维。纱线可由例如芳族聚酰胺、聚烯烃、聚苯并

唑、聚苯并噻唑、玻璃等的纤维制成，并且可由这些纱线的混合物制成。

所述织物可包含高达100％的芳族聚酰胺纤维。“芳族聚酰胺”是指这样一种聚酰胺，其中至少85％的酰胺(-CO-NH-)键直接与两个芳环连接。芳族聚酰胺纤维的实例描述于Man-Made Fibers-Science andTechnology，第2卷，题为Fiber-Forming Aromatic Polyamides(形成纤维的芳族聚酰胺)的节，第297页，W.Black等，IntersciencePublishers，1968中。芳族聚酰胺纤维还公开在美国专利4,172,938、3,869,429、3,819,587、3,673,143、3,354,127和3,094,511中。

对-芳族聚酰胺是芳族聚酰胺纱线中常见的聚合物，并且聚(对-亚苯基对苯二甲酰胺)(PPD-T)是一种常见的对-芳族聚酰胺。PPD-T是指由对苯二胺和对苯二甲酰氯等摩尔聚合产生的均聚物，也指由加入少量其他二胺的对苯二胺和加入少量其他二酰氯的对苯二甲酰氯产生的共聚物。一般说来，其他二胺和其他二酰氯的用量可以高达对苯二胺或对苯二甲酰氯的约10％摩尔，或可能稍高，唯一条件是其他二胺和二酰氯不含干扰聚合反应的反应性基团。PPD-T还指由加有其他芳族二胺和其他芳族二酰氯(例如2，6-萘甲酰氯或氯-或二氯对苯二甲酰氯或3，4-二氨基二苯基醚)产生的共聚物。

“聚烯烃”是指聚乙烯或聚丙烯。所述聚乙烯是指优选分子量大于一百万的主要为线性的聚乙烯材料，可含有少量的支链或共聚单体，它们的量在每100个主链碳原子中不超过5个改性单元，并且还可含有混合在其中的不超过约50重量％的一种或多种聚合物添加剂(如链烯-1-聚合物，特别是低密度聚乙烯、丙烯等)或低分子量添加剂(如通常加入的抗氧化剂、润滑剂、紫外线遮蔽剂、着色剂等)。这些通常称为扩链聚乙烯(ECPE)。同样，所述聚丙烯为一种优选分子量大于一百万的主要为线性的聚丙烯材料。高分子量线性聚烯烃纤维为市售可得的。

聚苯并

唑和聚苯并噻唑优选由具有以下结构的聚合物构成：

虽然所示与氮原子相连的芳基可为杂环，但它们优选为碳环；虽然它们可为稠合的或非稠合的多环体系，但它们优选为六元单环。虽然在二唑的主链中所示的基团为优选的对亚苯基，但该基团可被任何不会干扰聚合物制备的任意二价有机基团代替，或不被任何基团代替。例如，该基团可为高达12个碳原子的脂族基团、甲代亚苯基、亚联苯基、双亚苯基等。

本发明的另一要求是使用树脂对所用织物中的高强度纤维的单根纤维进行粘合。该树脂可选自各种组分，例如聚乙烯、离聚物、聚丙烯、尼龙、聚酯、乙烯基酯、环氧化物、酚醛塑料和热塑性弹性体。

该树脂可通过涂覆或浸渍(例如在压力下)施用到含有高强度纤维的织物上。

因此，当根据National Performance Criteria for Tornado Selters(龙卷风掩体的国家性能标准)，第一次补充，FEMA，1999年5月28日，使用ASTM试验方法E1886-97(题为“Standard Test MethodforPerformance of Exterior Window，Certain Walls，Doors and StormShutters Impacted by Missile(s)and Exposed to Cyclic PressureDifferentials(外窗、某些墙壁、门和防暴风雨百叶窗在受到飞弹冲击并暴露于循环压差下时的性能的标准测定方法)”)检测时，高强度织物/树脂组合必须具有在多层复合材料内偏移的能力。试验的要点包括安装试验样品，用以161千米(100英里)/小时速度推进的6.8千克(15磅) 2×4飞弹冲击，并且观察和测量试验结果。针对各种要求，ASTM试验方法E1886-97有不同的规定，例如使用2×4木制飞弹、飞弹推进装置、速度测定系统和使用高速摄像机或照相机。应当理解的是，本发明的试验方法包括将任何试验样品连接到合适的支持框架上，使得其代表实际安装的墙壁。接着，在面板的中心处或中心附近冲击这样样品的胶合板表面。2×4木制飞弹应该用合适的标志物标记以跟踪射弹的穿透深度。应该安置照相机或摄像机以监测射弹穿透深度，这种照相机应该具有1000帧/秒的最小帧频。

根据所述试验方法，含有用树脂粘合的高强度纤维的织物将偏移5.0-17.5cm。更优选的是，该偏移在8.0-16.0cm范围内，最优选10.0-15.0cm。应当理解的是织物的偏移通常将在独立试验过程中对彼此不粘合的盖板(例如胶合板)/织物组合进行。在此情况下，盖板/织物在试验过程中彼此分开。

偏移程度可依据其在建筑结构中的最终用途来决定。要说明的是，织物/树脂组合的最大偏移在住房中可能不合乎需要，因为居住者临近含有织物/树脂组合的墙壁。然而，在上述范围内的最小偏移可能需要增加织物的厚度，这样使得建筑物的成本升高。本文所用的织物包括多层布料。本文所用的偏移是指高强度织物/树脂组合与结构盖板之间分开(即由于冲击而分开)的最大测量距离。如上所述，试验过程是在高强度织物/树脂组合不与盖板粘合时进行。应理解的是测量必需结合高速摄影术进行。出于说明的目的，对于偏移的测量，在使用射弹的试验过程期间，结构盖板可能会发生一些弯曲。所测量的偏移是指高强度织物/树脂组合与盖板的弯曲部分分开的距离。该距离可根据回顾上述试验期间的摄影或视频记录，确定整个过程中穿透的最大深度，并减去结构盖板的厚度来确定。

在本发明中，含有高强度纤维的织物/树脂的组合是与以木材为主的结构盖板材料或其他结构盖板材料一起使用，因为该组合的其他目的是结构强化墙壁或门。术语“结构盖板”包括提供结构建筑载体的任意材料。优选的材料是木材，特别是胶合板，这是由于其在建筑业中广泛使用。然而，已知有其他材料的结构盖板用作建筑载体：一个典型的实例是用水泥强化的纤维板。该织物/树脂组合通常是柔性的并且将与盖板(出于说明的目的，盖板可为至少0.65cm(0.25英寸)，且出于支撑的目的，优选为至少1.27cm(0.5英寸))一起使用。结构盖板的类型对于本发明的成功并不是关键性的。盖板可为实心的，例如得自硬或软木材，或者可呈复合形式(如胶合板)或者非木材盖板(如水泥纤维板塑料复合材料和薄规格金属)。实际上，认为本发明在大多数用途中将与胶合板一起使用，这是由于胶合板是墙壁结构中的常用材料。结构盖板没有最大厚度，在建筑结构中结构盖板可作为外墙或者面对外墙，而织物/树脂的组合面对建筑物的内部，即例如保护居住者的房间。

根据本发明，结构盖板位于该复合材料的相对两侧，将其余部件固持在夹心结构中。应当理解的是结构盖板的层数不必确定。

因此，在构建保护性掩体或住宅的一个或多个房间时，有意将结构盖板面对任何风吹碎片的方向，使得碎片撞击穿透盖板，然后接触织物/树脂组合和使织物/树脂组合发生偏移。应理解的是由于可使用具有结构盖板的传统建筑结构和技术，因此本发明特别有利。

在本发明中，改进之处是通过使用以下复合结构改进抗风以及冲击或撞击性，所述复合结构依次包括：

·结构盖板

·粘合剂

·粘合的高强度纤维

·粘合剂

·轻重量材料粘合剂(lightweight material adhesive)

·粘合剂

·结构盖板。

轻重量材料的密度将不大于0.25克/立方厘米，优选不大于0.10克/立方厘米，更优选不大于0.05克/立方厘米。

轻重量材料可为柔性的或刚性的。然而，在本发明的范围内通过支撑或强化轻重量材料来提供刚性。因此，轻重量材料可能不是自支撑性的，但是通过支撑或强化来提供柔性或刚性，所有轻重量材料层将具有该性质。因此，在优选的方式中，含有轻重量材料的层是自支撑性的，即其不会坍塌。在这种优选的方式中，在轻重量材料中需要足够的剪切模量和剪切强度以提供抗风压性。根据结构表面组成、轻重量芯材的厚度和制造的复合材料面板的长度，可使用以上详细的参考文献由常用设计公式计算所需的剪切刚度和强度。要说明的是，轻重量材料包括例如聚苯乙烯和聚氨酯，其可以泡沫体或蜂巢结构形式存在，例如由牛皮纸、芳族聚酰胺纸、铝片和塑料制成。对于芯材厚度为4英寸的标称4英尺宽×8英尺长复合材料面板来说，轻重量材料通常需要大于300磅/平方英寸的剪切模量和大于25磅/平方英寸的剪切强度以抗250英里/小时的风暴。这些性质通常利用密度大于1.0磅/立方英尺的膨胀性聚苯乙烯泡沫体来实现。轻重量材料也可以是如美国专利4,241,555中描述的用轻规格钢构件或金属丝强化的泡沫体结构。然而，并不是一定要这样使用，因为在轻重量材料的相对两侧使用了粘合剂。

轻重量材料层的厚度不是关键性的，例如在5.0-20.0cm范围内。当使用较薄的轻重量材料时，剪切强度和剪切模量必定得较高，以提供抗风性。当使用较厚轻重量材料时，剪切模量和剪切强度可较低。

除了使用粘合的高强度织物之外，还使用三个粘合剂层，即在结构盖板和密度不大于0.25克/立方厘米的材料之间的粘合剂层(a)，在密度不大于0.25克/立方厘米的材料和含有用树脂粘合的高强度纤维的织物之间的粘合剂层(b)，和在含有用树脂粘合的高强度纤维的织物和结构盖板之间的粘合剂层(c)。认为粘合剂的类型不是关键性的并且可为与如粘合高强度纤维所述的相同树脂，但粘合剂必须提供足够的粘合强度以制造在由冲击风产生的压力下充当抵抗弯曲的单个部件的复合材料。

为了进一步说明本发明，提供了以下实施例。

实施例1

在气动平压机中通过依次堆叠以下材料而生产48英寸×86英寸的层压墙板：

1.一片胶合板，23/32英寸厚，APA级盖板。

2.一层ISOGRIP

3030氨基甲酸酯粘合剂，以20克/平方英尺涂覆。

3.一层4英寸厚膨胀性聚苯乙烯泡沫体芯材，密度为1.0磅/立方英尺。

4.一层ISOGRIP

3030氨基甲酸酯粘合剂，以20克/平方英尺涂覆。

5.用聚烯烃粘合树脂热粘合在一起的3层Kevlar

型745织物(13盎司/平方码重)。

6.一层ISOGRIP

3030氨基甲酸酯粘合剂，20克/平方英尺。

7.一片胶合板，15/32英寸厚，APA级盖板。

如上详述用工业涂胶辊施用胶。在送去试验之前，将组装后的面板置于气动压力机中且保持在7磅/平方英寸的压力下1小时并且经24小时让胶完全固化。

根据ASTM试验方法E72在真空装备中加压测试面板。面板在425磅/平方英尺的压力下损坏，显示过度变形和非线性负荷偏移曲线。负荷偏移曲线示于图中。该面板的最后损坏负荷不能提供避风掩体在高负荷下使用时所需的安全裕度，并且不能提供满足承重墙的典型建筑标准的墙壁所需的刚性。

如上所述生产另一48英寸×48英寸的试验面板以得到墙壁抵抗由风吹碎片引起的穿透的能力。根据ASTM试验方法剧886-87用15磅木材射弹以161千米(100英里)/小时速度冲击测试面板。射弹未穿透墙壁。

实施例2

如实施例1中所述，在气动平压机中用4英寸厚的密度增加到2.5磅/立方英尺的膨胀性聚苯乙烯泡沫体芯材生产48英寸×86英寸的层压墙板。

根据ASTM试验方法E72在真空装备中加压测试面板。面板在673磅/平方英尺的压力下损坏并且显示低变形和线性负荷偏移曲线。负荷偏移曲线示于图中。该面板的最后损坏负荷能提供避风掩体在高负荷下使用时所需的安全裕度，并且能提供满足承重墙的典型建筑标准的墙壁所需的刚性。

如上所述生产另一48英寸×48英寸的试验面板以得到墙壁抵抗由风吹碎片引起的穿透的能力。根据ASTM试验方法E1886-87用15磅木材射弹以161千米(100英里)/小时速度冲击测试面板。射弹未穿透墙壁。

如上所述在气动平压机中生产另一48英寸×86英寸的层压墙板。如美国专利申请KB 4640 US NA中详述，冲击测试用柔性接头连接在一起的组合掩体房屋的面板。根据ASTM试验方法E1886-87，用15磅木材射弹以161千米(100英里)/小时速度进行冲击试验。射弹未穿透墙板。

实施例3

如实施例1中所述在气动平压机中用4英寸厚的密度增加到3.0磅/立方英尺的膨胀性聚苯乙烯泡沫体芯材生产48英寸×86英寸的层压墙板。

根据ASTM试验方法E72在真空装备中加压测试面板。面板在673磅/平方英尺的压力下损坏并且显示低变形和线性负荷偏移曲线。负荷偏移曲线示于图中。该面板的最后损坏负荷能提供避风掩体在高负荷下使用时所需的安全裕度，并且能提供满足承重墙的典型建筑标准的墙壁所需的刚性。

如上所述生产另一48英寸×48英寸的试验面板以得到墙壁抵抗由风吹碎片引起的穿透的能力。根据ASTM试验方法E1886-87用15磅木材射弹以161千米(100英里)/小时速度冲击测试面板。射弹未穿透墙壁。

Claims (10)

1.一种复合材料，所述复合材料依次包括：

(a)结构盖板层，

(b)粘合剂层，

(c)密度不大于0.25克/立方厘米的材料层，

(d)粘合剂层，

(e)含有用树脂粘合的高强度纤维的织物层，

(f)粘合剂层，

(g)结构盖板层，

其中根据ASTM试验方法E1886-97在被161千米(100英里)/小时速度的6.8千克(15磅)射弹冲击时，所述织物层将偏移5.0-17.5厘米。

2.权利要求1的复合材料，其中所述偏移在8.0-16.0厘米范围内。

3.权利要求1的复合材料，其中所述高强度纤维选自芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维、聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯酸酯纤维、聚苯并吡咯纤维或碳纤维。

4.权利要求1的复合材料，其中所述高强度纤维包括芳族聚酰胺。

5.权利要求1的复合材料，其中所述高强度纤维为玻璃。

6.权利要求1的复合材料，其中所述结构盖板包括胶合板。

7.权利要求1的复合材料，其中层(c)的密度不大于0.10克/立方厘米。

8.权利要求1的复合材料，其中层(c)为泡沫体。

9.权利要求1的复合材料，其中层(c)具有蜂巢或类蜂巢结构。

10.一种建筑结构，所述结构具有包括以下的整体结构部分：

(a)结构盖板层，

(b)粘合剂层，

(C)密度不大于0.25克/立方厘米的材料层，

(d)粘合剂层，

(e)含有用树脂粘合的高强度纤维的织物层，

(f)粘合剂层，

其中根据ASTM试验方法E1886-97在被161千米(100英里)/小时速度的6.8千克(15磅)射弹冲击时，所述织物层将偏移5.0-17.5厘米。

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