CN1323174A - 可相互啮合的制品 - Google Patents

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P·E·许姆佩尔
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Abstract

一种制品(10)包括一附连于一表面(12)的啮合表面型扣接件部分。扣接件部分具有一底层(16)和多个锥形元件(22),并且能与另一个制品的扣接件部分反复地附连和相互啮合,从而使两个制品相互扣接。扣接件部分相对于一给定啮合压力而言具有一预定的脱开压力。用于附连底层的表面至少是半刚性的。用于将底层附连于表面的装置的柔顺性不超过0.381cm。还有,扣接件部分可以具有一相对于某一给定啮合压力而言的预定脱开压力,对于不超过68,950N/m2的啮合压力而言,扣接件部分的脱开压力至少是137,900N/m2。

Description

可相互啮合的制品
技术领域
本发明涉及机械扣接件。更具体地说，本发明涉及啮合表面型扣接件。
发明背景
紧固技术涉及很宽范围的方法和材料。螺钉、螺栓和铆钉是将分离应力聚集在若干个集中位置上的高强度紧固件。它们采用了具有相对较高拉伸强度的材料，并将连接力聚集在采用紧固件的各个点上。机械扣接件(例如钩环扣接件和大头杆型扣接件)借助一种机械干预作用来形成联接。
粘合剂(例如压敏粘合剂)、粘胶和环氧树脂有助于获得粘接力，但是在高强度场合不能反复地紧固联接。在很多情况下，它们需要固化或粘合保压，然后才能获得最终的紧固力。通常，对可重复紧固的、临时的高强度紧固而言，有一个不能被满足的要求，即，力应该分布在很大的面积上。还有一个要求是，需要用一个低外形或薄层来实现上述要求。
啮合表面型扣接件是一种自啮合扣接件。它们采用可相互啮合的制品，其中一些制品是，在将结构化表面压在一起之前需要先对准(美国专利4,875,259)，而其中另一些制品可以用任意对准的方式来扣接。美国专利5,344,177和5,360,270揭示了其它的啮合表面型扣接件。这些啮合表面型扣接件不需要机械干预，而是利用相邻构件之间的相互摩擦作用。
啮合表面构件通常包括一系列结构化表面，例如连接于一片材(有时也被称作基底或底层)的锥形元件或杆件。通过将啮合表面型扣接件分别附连于两个制品，就可以使两个制品可拆卸地相互连接。这种附连通常是利用粘合剂来进行的。
每个锥形元件均具有至少一个相对于一个共同平面倾斜的侧面，该侧面的倾斜角足以形成一个锥体。片材的多个锥形元件适于形成多个轴线，其中包括每个片材上的至少一个纵轴线。当被扣接起来时，片材的纵轴线相对于另一个片材的纵轴线成一个角度。还有，至少一个锥形元件是轴向弯曲的或挠曲的，或者说相对于其松开的、未扣接位置而言是扭曲。还有，其中一些锥形元件的斜侧面通过摩擦作用粘附于另一些锥形元件的至少某些斜侧面，以使两片材保持扣接状态。用来使两个制品上的扣接件啮合的力决定了扣接件脱开所需的力。
发明概要
一种制品包括一附连于一表面的啮合表面型扣接件部分。扣接件部分具有一底层和多个锥形元件，并且能与另一个制品的扣接件部分反复地附连和相互啮合，从而使两个制品相互扣接。扣接件部分相对于一给定啮合压力而言具有一预定的脱开压力。用于附连底层的表面至少是半刚性的。用于将底层附连于表面的装置的柔顺性不超过0.381cm。还有，扣接件部分可以具有一相对于某一给定啮合压力而言的预定脱开压力，对于不超过68,950N/m2的啮合压力而言，扣接件部分的脱开压力至少是137,900N/m2。
附连装置可以是将扣接件部分一体模制于所述表面，或利用粘合剂或其它材料来进行附连。
扣接件部分可以用第一材料制成。可以用第一材料、第二材料或这两种材料来形成所述表面。
本发明还涉及一种制品的制造方法。该方法包括如下步骤：相互结合地选择一个啮合表面型扣接件部分，该部分具有一底层和多个锥形元件；一用于附连的底层表面；以及一将底层附连于表面并具有一预定柔顺性的粘合剂。
所述底层借助所述粘合剂粘附于所述表面，或者底层可以与表面一体模制而成。
附图简要说明
图1是本发明制品的截面图；
图2是一柔顺性试验的截面图；
图3是柔顺性不同的若干种粘合剂性能的比较曲线图。
详细描述
本申请发明人所揭示的能实施啮合表面型扣接件功能的一个显著的特征是基片的柔顺性。柔顺性(或柔性)是指基片顺从于其所受的力的难易程度。柔顺性的一种简单的测试方法是，将具有一定比重和尺寸的球体(或者是具有附加重量的球体)放到单个的或组合的层上，以确定该表面从原始水平的偏移量d。表面的偏移量越大，柔顺性越好。这在图2中示出。柔顺性可以取决于材料的厚度。为测量本发明的柔顺性，所用球体的直径是1.112cm(0.438英寸)，质量为5.59g。可以将一个928.3g重的附加重块放到球体上，以产生最终的偏移量d。由于偏移量会随着时间的流逝而变大并且会在很长的一段时间内达到一个放松的极限值，因而选择将重物放到测试表面上5分钟来确定偏移量d。
在确定扣接件的柔顺性时，可以考虑系统的三个部分：扣接件的底层(或基底)、扣接件所附连的表面、以及用来将底层连接于该表面的粘合剂或其它系统。该系统的有效柔顺性是各个层的柔顺性的综合结果。在本说明书的例子中，只有粘合剂的柔顺性是变化的。
本申请的发明人发现，有效柔顺性越高，扣接件的性能就越低。这种现象的原因是，对有效扣接而言，扣接杆应该能保持它们的变形状态，并在其中维持摩擦所需的接触压力。随着系统变得柔顺，各杆件更容易变形和相互脱开。因此，降低产品的总的有效柔顺性，可以使某一啮合压力下的脱开压力升高。
本申请的发明人还发现，降低任何单个部分(底层、表面或粘合剂)的柔顺性，改善相邻各杆件之间的粘附状况，就可提高扣接件的性能、有效性和强度。描述性能的某些标准的方法包括：拉伸、剪切和剥离强度。通过拉伸试验可测得扣接件对基底柔顺性的响应。该测试是这样进行的，即，利用一种粘合剂将6.45cm2(1in2)的扣接件粘附于两个T形块。随后用规定的压力(使T形块相互配合所需的力除以面积)使T形块相互配合。为测试本发明的产品，将相互配合的T形块安装在一台Chatillon TCD-200拉伸/压缩测试仪上，该测试仪是由John Chatllon&Sons,Inc.(美国北卡罗莱那州的Greensboro)制造。还可以采用类似的设备。将两个T形块以30.5cm/min(12英寸/分)的恒定速度相互分离。使T形块脱开所需要的力可被用来计算脱开压力，这个脱开压力是啮合压力的函数。将脱开压力的最大值定义成扣接件的拉伸强度。
本发明的啮合表面型扣接件是利用相互啮合的、柔性的锥形元件(可以是微结构化的)来连接材料和制品。这些元件可以是圆锥形的或具有平的侧面。各杆件可以是锥形的，并且可以是具有任何数量侧面的全棱锥体或截头棱锥体。各构件可以是细长的，或者可以是规则的棱锥体。扣接件可以用来将刚性的和半刚性的物体扣接和保持在一起，这些物体例如是玻璃板、金属片或塑料片，以及例如显示屏覆盖物、电话或寻呼机构件之类的模制部件。扣接件的各构件必须符合一定的物理特性，以避免杆件在啮合过程中失效。
当通过一体模制技术或薄的、高强度的非柔顺性粘接材料把例如美国专利4,875,259和5,201,101所述的可相互啮合的斜扣接件安装于刚性的或半刚性的物体时，可以获得高强度的、可重复连接的扣接。可以使上述的粘接效果增强，以提高扣接件的局部硬度，从而进一步提高扣接件的粘接强度。可以采用薄的、高强度的粘接材料，例如高强度的PSA。或者，可以用直接模制的手段(例如压铸、注射模制和其它方法)直接将扣接件粘接于表面。当相互啮合元件的模量受到控制时，可以进一步地改善相互啮合和粘接的效果。已经实现了超过689,500N/m3(100pai)的拉伸强度。
在图3中，利用具有不同粘合剂的扣接件来测试扣接件拉伸强度，并对粘合刚性的结果进行了比较。所采用的扣接材料具有0.0635cm(0.025英寸)高的锥形元件，系由3M公司(美国明尼苏达州圣保罗市)制造的。它是由来自于Shin-Etsu聚合物股份有限公司(日本Saitama)制造的Shin-Etsu的PVC材料构成的，以具有较低的增塑剂损耗。其中一个试样采用3M Scotch Foam 4508胶带。另一个试样采用一双面涂敷的丙烯酸树脂泡沫胶带4959。第三试样采用一较硬的467MP高性能粘合剂。所有这些胶带和粘合剂都是由3M公司制造的。
利用图2所示的方式来进行试验，467MP粘合剂具有0.00127cm(0.0005英寸)的柔顺性，4959粘合剂具有0.135cm(0.053英寸)的柔顺性，而3M ScotchFoam 4508则具有0.2652cm(0.1044英寸)的柔顺性。如图3所示，柔顺性较低的粘合剂具有较高的拉伸强度，相对于某一给定啮合压力的脱开压力较高。随着硬度升高(柔顺性降低)，即从柔顺性最差(硬度最佳)到柔顺性最佳(硬度最差)，拉伸性能提高大约400％。扣接时具有较高拉伸强度的材料更难以分开。
从曲线图中可以看到，柔顺性不超过0.2652cm(0.1044英寸)的粘合剂和其它附连装置可以实现至少为137,900N/m2(20psi)的脱开压力。对于一给定的扣接件而言，选择低柔顺性的附连装置可要求扣接件具有较高的脱开压力，这个脱开压力高于具有较高柔顺性的附连装置。本申请的发明人相信，柔顺性不超过0.381cm(0.15英寸)的装置可以工作得很好。本申请的发明人业已发现，如同曲线图中所看到的，通过选择一个具有适当柔顺性的附连装置，就可以对某一给定的啮合压力获得一个所需的脱开压力。例如，相对于某一给定的啮合压力而言，扣接件部分可以具有至少为68,950 N/m2的脱开压力。在一个实施例中，相对于不超过689,500N/m2(100psi)的啮合压力而言，至少需要137,900N/m2(20psi)的脱开压力。
通过采用一刚性基底来限制相互干预作用，并采用一较硬的粘合剂来限制局部的干预作用，可以进一步地提高扣接件的性能。通过采用较高的粘合剂模量或减小的粘合剂厚度，可以进一步地提高扣接件的局部硬度，从而进一步提高扣接件的性能。
现请参见图1，制品10可以是具有任何形状或尺寸的制品，并具有一在外部13上的表面12。制品10可以结合于其它任何制品。两个相互结合的制品可以是相同的或不同的制品。每个制品10均具有一可以连接一啮合表面型扣接件14的表面12。啮合表面型扣接件14包括一底层16，该底层具有一第一表面18和一第二表面20。多个锥形元件22连接于第一表面18。通常，各锥形元件22可以与底层16形成为一体(例如通过模制或其它方法)，并且可以用与底层相同或不同的材料制成。
如图所示，第一表面18和各锥形元件22可生成一结构化表面。各锥形元件22可以是杆件，杆件的至少一个侧面相对于第一表面18所在的平面倾斜以形成锥体。锥形的角度是选择成足以允许每个杆件啮合于另一个制品上的至少一个相应的杆件。图1示出了一种被称之为25密耳的扣接件。在该扣接件中，每个元件22的高度h均为0.0635cm(0.025英寸)。元件顶部的侧边长度L为0.01209cm(0.00476英寸)相邻各元件22底部之间的距离是0.0104cm(0.0041英寸)。元件与元件之间的间隔s是0.03360cm(0.01323英寸)。
扣接件14可以通过任何已知的方法或附连装置连接于表面12。如图1所示，可以采用某些类型的附连装置(例如图中所示的粘合剂24，可以是胶带或其它形式)。
在另一个实施例中，通过将扣接件14与表面12模制在一起而使它们相互连接。这样做不会增大制品的壁厚。可以采用任何类型的模制，包括注射模制、压缩模制、滑动模制、插入模制和吹塑模制。扣接件14所用的材料可以与表面12所用的材料相同，也可以不同，或者也可以是各种材料的组合。
为了通过注射模制将一啮合表面型扣接件结构模制到一塑料制品上，就要在注射模制过程中(如同在制造该制品时)在塑料制品的一个或多个表面上生成扣接件结构。将生成扣接结构所需的各种细节特征结合到模具中。
在一个实施例中，采用两个模具。这两个模具都是双板单腔型构造，它们的一端具有一传统的冷流道和垂片门(tab gate)。将一具有扣接件的模腔侧细节特征的镍制压模插入模具的顶出器一侧。八个顶出销穿过压模底部进入模腔表面。
第一模具具有一2.54cm(1.0英寸)×5.08cm(2.0英寸)×0.152cm(0.060英寸)厚的矩形模腔。这样就可以产生小的塑料试样，该试样具有结合在一个表面上的扣接件。第二模具结合了一用于产生7.62cm(3英寸)×3.81cm(1.5英寸)×1.905cm(0.75英寸)的中空塑料盒的现有模具，塑料盒的壁厚为0.1588cm(0.0625英寸)，并具有一25密耳(0.0635cm)啮合表面型扣接件的镍制压模插入件。该模具可以生成在一个表面上结合有扣接件结构的塑料盒。采用了一台50吨的全电动Cincinati注射模制机。
对一种硬(刚性)的ABS塑料和一种柔性材料(由美国特拉华州Wilmington的Dow化学公司制造的Dow Devail 3050)进行模制。该注射模制的过程类似于其它任何注射模制工艺。对温度、周期时间、压力和其它工艺参数进行调节，以便获得满意的结果。这些条件都不脱离正常的注射模制工艺条件。下表中提供了所使用的某些材料的数据。对所有试样都采用了一个全锥形的喷嘴。
    ABS     Dow颗粒2103
周期时间(秒)     60         75
模具温度(°F)     180         50
熔化温度(°F)     444         415
注射高压(psi)     1,000         700
压紧压力(psi)     300         249
挤压器速度(rpm)     100         100
注射速度(英寸/秒)     5.0         5.0
射丸尺寸(英寸)     0.86         0.56
喷嘴小孔(英寸)     0.12         0.12
部件的顶出对微结构化扣接件表面具有挑战性的重要意义。将压模插入模具的顶出器一侧，使八个顶出销穿过压模底部进入模腔表面，这是模制部件是否能被有效顶出的关键。模具是设计成可借助高注射压力来填充压模的紧固件细节，并且还能将部件从模具中顶出。重要的是，要使模具的与被模制塑料或其它材料的特性相关的各个参数和变量最优化。材料的膨胀和收缩特性具有特别重要的意义。
另一个用于压缩模制的试样是这样制备的，即，依次叠置一纸板片、一镀铬黄铜板、-12.7cm×12.7cm(5英寸×5英寸)的镍制啮合表面型扣接件工具(具有0.0635cm(0.025英寸)的模腔)、靠近该工具并在工具顶部上方延伸的垫片(以产生一具有大约0.025cm(0.010英寸)的均匀底层(基底)厚度的产品)、来自于AlphaGary公司(美国马萨诸塞州的Leominister市)的颗粒状塑化PVC(AlphaGary 2215-80)、一第二镀铬黄铜板、以及一第二纸板片。将该叠置物放入一压注模(美国爱达荷州Wabash的Wabash MPI的Wabash型V75H-24-CLX)，该压注模的温度为170℃，并在22,241N(5000lb)的载荷下压制2分钟。使载荷增加到88,964N(20,000lb)，再保持2分钟，随后在压力下冷却至大约80℃。将层叠物从模具中取出，并且拆开而形成一个功能化的扣接件。通过比较模腔的尺寸和扣接件部分的尺寸可以看出，扣接件锥形元件22和扣接件结构化表面总的数量级小于模腔的其它特征。
制品10特别是制品的形成结构化表面的部分总的来说至少是半刚性的。至少是半刚性的意味着制品也可以是刚性的。可以采用具有由玻璃、塑料、木材、金属、二氧化硅、陶瓷制成的表面12的制品。有很多塑料可以供使用，包括ABS塑料、Dow Devail 3050和Dow Pelletane 2103(都由Dow化学公司制造)。如果一制品在进行以下测试时的偏移量不超过4cm，那它就是半刚性的。对一个15cm×25cm的测试材料试样的中心施加一个189.5g的重块。所述材料支承在1.4cm、间隔15cm的支杆上。在试样中心处测量其相对于平面的偏移量。较佳材料的偏移量不超过2-3cm。白色包装纸板(0.58mm厚)的偏移量为0.8cm。棕黄色包装纸板(0.82mm厚)的偏移量为0.35cm。波状纸板(6.6mm厚)的偏移量为0.0cm。
当使两个制品10相互接触时，由于各杆件的接触面之间的摩擦粘力的作用，各杆件至少部分地相互粘扣。这种粘扣无须杆件发生宏观变形、机械干预或互锁。(表面不规则变形和任意微观粗糙度均有助于实现粘扣，因为这样可以增加两个表面之间的实际接触面积)。杆件的粘扣可以使两个制品相互啮合连接。它能使制品可反复地附连(或者说是可反复地扣接)。
可以对本发明作出各种变化和改型而不偏离其保护范围和精神。文中提及的所有专利文件的内容均援引在此以作参考。

Claims (7)

1．一种制品(10)，包括：一啮合表面型扣接件部分，该部分包括一底层(16)和多个锥形元件(22)，该扣接件部分能与另一个制品的扣接件部分反复地附连和相互啮合，从而使两个制品相互扣接，其中扣接件部分对一给定的啮合压力而言具有一预定的脱开压力；
一用于附连底层(16)的表面(12)，该表面至少是半刚性的；以及
用于将所述底层附连于所述表面的装置；
其中至少有下列情况之一：附连装置的柔顺性不超过0.381cm；预定的脱开压力至少是68,950N/m2。
2．如权利要求1所述的制品(10)，其特征在于，所述附连装置包括下列之一：将扣接件部分一体模制于表面12；以及粘合剂层24。
3．如权利要求1和2中任一项所述的制品(10)，其特征在于，该制品包括一用来形成扣接件部分的第一材料，所述第一材料和一第二材料中的至少一种被用来形成表面(12)。
4．如权利要求1所述的制品(10)，其特征在于，该制品包括一用来形成扣接件部分之锥形元件(22)的第一材料，所述第一材料和一第二材料中的至少一种被用来形成扣接部分的底层16。
5．如权利要求1所述的制品，其特征在于，对于不超过68,950N/m2的啮合压力而言，扣接件部分的脱开压力至少是137,900N/m2。
6．一种制品(10)的制造方法，包括：
相互结合地选择一个啮合表面型扣接件部分，该部分包括一底层(16)和多个锥形元件(22)；一用于附连的底层表面(12)；以及一将底层附连于表面并具有一预定的柔顺性的粘合剂24，从而获得一个相对于一给定啮合压力而言的预定的脱开压力；以及
借助所述粘合剂将所述底层粘附于所述表面。
7．一种制品(10)的制造方法，包括：整体地模制一个单件的啮合表面型扣接件部分，该部分包括一底层(16)和多个锥形元件(22)；一用于附连的底层表面(12)，藉以实现一预定的柔顺性，并实现相对于一给定啮合压力而言的预定的脱开压力。
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