细长构件及其制造方法和设备 本发明大体上涉及细长构件，具体地说，涉及适用于作海底桩的细长构件。
传统的海底桩是用钢、混凝土或木材制成的。钢和混凝土非常重，而且贵，不具备防护用途所需的弹性。钢在海洋环境中还特别地受到快速腐蚀。木材除受到快速腐蚀外，还受到海洋蛀孔动物的攻击，其有效性能被降低。为延长其使用寿命，木材在典型情况下要用防腐剂处理，例如用防腐油处理。然而防腐油和其它防腐剂会污染环境。此外，由于近来对森林保护所做的努力，使用木桩是不合适的。
用塑料制成的桩已经被提出过。例如，授予波扎肯(Borzakian)的美国专利第5051285号公开了一种适用于作塑料桩的塑料构件。将一钢管放入模具中，并把热塑性树脂、填料和添加剂涂覆到此钢管上。塑料冷却后，从模具中取出加工完的塑料件。
这种方案有许多缺点。典型的海底桩的长度从10至80英尺不等，而且根据特定应用场合的需要其直径可小至3英寸，因此，桩的制造商必须制造非常昂贵的各种尺寸的模具，或者用单个模具生产出具有一定长度和直径的桩并将多根桩沿长度方向连接，达到所要求的长度。
采用模具还限制了可制造出的桩的长度。模具中的塑料在注入模具的整个过程中都必须处于可流动的状态。随着构件地长度和尺寸的增加，流动状态将难以保持。另外在将熔化的塑料从细长模具的一端注入并需要它粘附到典型情况下至少10英尺远的另一端的金属芯管上的作业中，塑料在管上粘附是难以控制的。据信，这样成形的构件中会含有由相对时龄不同的熔化液流之间的交界所形成的空洞或至少是薄弱区。
由于构件长度受模具尺寸限制，波扎肯(Borzakian)专利中公开的构件必须与其它同样的构件相连，以形成特定应用场合所需长度的桩。这种连接方法和装置既昂贵又笨，并留下水和其它环境因素侵蚀金属管芯的潜在接缝。
因此需要有一种桩结构，它能抗腐蚀或防腐蚀，不受海洋生物影响，具有令人满意的结构整体性和侧向冲击下的弹性/韧性，并且不污染环境，保护自然资源。此外，也需要有这样一种桩结构，它毋需多副不同尺寸的模具或纵向连接数根桩段，就可制成所需尺寸。
因此，本发明的目的是提供一种细长构件，它基本上避开了一个或更多的由现有技术的局限和缺点所产生的问题。
本发明的附加的特征和优点将在随后说明中提出，其中一部分在说明中是显而易见的，或可通过本发明的实施来理解这些特征和优点。本发明的目的和其它优点可通过其书面说明、权利要求和附图所特别指出的方法和设备来认识和实现。
为实现这些以及其它的优点，并按照本发明的意图，正如实施例所表明的以及被详尽描述的那样，本发明包括一根连续的、挤压成形的塑料体，它包括一中心纵轴线，第一和第二端，和一外周面，以及至少一个加强件，此加强件布置在该塑料体中并处于基本上平行于塑料体中心纵轴线的位置。
另一方面，本发明还包括制造一种细长构件的方法，它包括如下步骤：将熔化的塑料连续挤压到模具中；将至少一个加强件送入该模具中，使该加强件与该模具的纵轴线平行，其中进入模具的熔化的塑料包围加强件并粘附于加强件上；以及将熔化的塑料冷却，把熔化的塑料和加强件加工成具有预定横截面的构件。
应当理解，上述一般性说明和下述详细说明都是示范性的和解释性的，旨在为权利要求所述的发明作进一步解释。
所包括的附图，目的是使本发明得到进一步的理解，它被包括在本说明书中并成为本说明书的一部分，表示出本发明的几种实施例，并且与说明一起，用来解释本发明的原理。
图1是本发明的细长构件的一个实施例的横剖视图；
图2是沿图1剖面线2-2剖开的图1所示的细长构件的纵剖视图；
图3是本发明的细长构件的另一个实施例的横剖视图；
图4是沿图3剖面线4-4剖开的图3所示的细长构件的纵剖视图；
图5是本发明的细长构件的另一个实施例的横剖视图；
图6是制造本发明的细长构件的系统的示意图；
图7是用于制造本发明的细长构件的模具的局部纵剖视图；
图8是用来加工和向图6所示的系统输送加强件的分系统的示意图；和
图9是本发明的细长构件的侧视图。
本发明的细长构件包括一连续挤压成形的塑料体，它具有设在该塑料体中的一个或多个加强件。该构件是这样连续地加工成的：挤压加强件周围的熔化的塑料，并使塑料冷却和成形，达到所需形状和尺寸。本发明适用于多种用途，例如海底桩、电话线杆以及铁路轨枕等。
现详细述及本发明的例如相应附图所示的目前首选的实施例。
本发明的细长构件的示范性实施例在图1和图2中被表示出，并一般地用编号10代表。
正如这里给出的实施方案，参考图1和图2，该细长构件10包括一塑料体12，并具有一中心纵轴线14、第一和第二端16、18和外周面20。该塑料体12最好是一种由合适的热塑性树指，例如高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、聚丙烯(PP)或热塑性聚酯(PET)构成的塑料母材。新生产的和回收的热塑性树脂均可使用。回收的热塑性树脂，由于其可获得性、低成本及性能，可以首选。这种回收的热塑性树脂，可以从消费者后和工业后货源获得。
各种添加剂可与塑料材料混合以提高构件的性能。这些添加剂包括抗氧化剂、着色剂、紫外线防护剂、杀菌剂和助混容剂等材料。
最好在塑料母材中添加填料以减少所需的塑料量，产生韧性和在某些情况下改善性能。填料包括矿物产品，例如碳酸钙、云母和硅石以及废弃物，例如木屑、锯末、粉碎的泡沫塑料屑和粉碎的纸。
塑料母材最好经过发泡，将其密度减少至50％至70％左右。发泡可通过包含在塑料混合物中的一种或多种化学发泡剂进行。化学发泡剂与挤压机中的热发生反应，释放出水蒸汽、二氧化碳和氮气之类的气体。典型的化学发泡剂在该技术领域是公知的，包括例如偶氮二酰胺和柠檬酸与碳酸氢钠的混合物。物理发泡剂，例如氮气、二氧化碳、烷烃和囟化烃也可以使用。
参见图1和图2，数根加强件24设置在塑料体12中，并与构件中心纵轴线14基本平行。最好采用至少4个加强件。通过选择加强件的直径和成份可获得所要求的强度和耐腐蚀特性。
加强件可首选钢材或玻璃纤维杆。可采用诸如增加混凝土强度用的加强筋。钢筋的成本较低，且性能优良。为提高耐腐蚀性能，钢筋可涂覆任何一种人们熟知的保护涂层，例如聚酯(如3M公司的商标“Scotch KoteTM”的聚酯)。
对耐腐蚀性最好且不含金属(例如无磁)的结构来说，可采用拉挤制成形的(PULTRUDED)玻璃纤维杆或筋。玻璃纤维通过连续拉挤浇铸成形(Pultrusion cast)被埋入聚酯或乙烯基酯之类的热固性树脂母材中。
加强件24布置在塑料体中这样的位置上：在这些位置上，加强件对构件强度和稳定性贡献最大，而且又不会由于构件被刮伤或切伤而暴露于外界。该加强件最好布置在距构件外表面至少1英寸的位置上，使其一般不会潜在地暴露在环境因素中。加强件最好如图1所示那样，对称地布置在构件的中心纵轴线14周围。
构件10最好再包括一沿塑料件长度方向延伸的中心纵向孔26。该中心孔减少了所需的塑料，同时允许喷射水流的推进使构件插入地下以起桩的作用。如图5所示，可采用一金属管28给该纵向孔加衬。然而，包含中心孔或金属管并非是实施本发明所必需的。
在图3和图4所示的本发明的另一实施例中，细长构件10包括一层包在塑料体外周面20上的表皮层22。该表皮层最好由来发泡的塑料母材构成，这种母材提供一结构性防护表皮，并允许塑料体发泡后密度降到小于整个结构均发泡时所需的密度。该表皮母材最好包括添加剂，如紫外线防护剂、抗氧化剂和杀菌剂，从而使塑料体母材中不必再包含这些添加剂。
图6和图7示出制造本发明的细长构件的设备，它包括挤压机50、模具60、成形和冷却站70、牵引器80和切割机90。附加的冷却站95可设在牵引器前和/或后，以进一步冷却塑料件。
通过向挤压机50供入由塑料树脂、填料、添加剂和发泡剂组成的所需的混合物，将使细长构件加工成形。挤压机将各组份熔化并混合，形成熔化液52，输入模具60中。
图7是模具60的横向剖视图，此模具被画成一幅十字头模具，它具有一内腔部分61，用以接受熔化的塑料和加强件，一根空心心轴62，一个与挤压机50相连的横向开口64，和数个平行于心轴62的孔66，当加强件由一供给装置(未表示出)送入模具60内腔部分61时，该孔就接受和支承这些加强件。如需在塑料体上形成一个外表层，则将一个第二挤压机54连接在该模具的第二横向开口68上。
当熔化的塑料开始进入模具时，可用一阻挡器(未表示出)密封模具的内腔部分61，以蓄积熔化的塑料，使其在进入冷却和成形站70前充满模具并进行预成形。该阻挡器以恒定速度运动，通过冷却和成形站，直至构件有一初始部分冷却和硬化为止。
进入模具的熔化液52包围加强件，并由外向里发泡，产生越接近表皮层22密度就越大的泡沫塑料。泡沫塑料密度最好在接近构件中心的方向上减小，而在接近外周表面的方向上增大，以便给加强件提供最佳的支承，从而有利于构件的总体强度。然而沿构件纵轴线方向泡沫塑料密度基本上是均匀的。
心轴允许构件心部保持空心。空气可通过心轴输入构件内腔，以便更好地冷却和保持形状。如图7所示，该心轴最好以锥形方式延伸，贯穿模具和冷却成形站的长度，以便于中心孔的成形。然后该心轴通过使流体，例如水从入口72至出口74循环，来冷却靠近伸入冷却成形站70的心轴部分的塑料，使中心孔成形。该心轴最好用聚四氟乙烯(TeflonTM)涂覆以减小摩擦。在这种情况下，该塑料构件中心孔周围部分的密度将大于具有用空气成形的中心孔的类似构件的相应部位的密度。
挤压成形的构件由冷却和成形站70冷却和成形，该站70可使用真空保持形状。该站70为一管壳式热交换器，包含一个具有预定横截面的开口，此开口将构件按所需横截面(如用于海底桩的圆形，用于铁路轨枕的矩形等)加工成形。
构件被牵引器例如履带式牵引器以受控的速率从模具和冷却成形站拉出。牵引器的速率受到控制，以便使塑料混合物充分发泡，并防止由于模具中产生过大背压而造成构件变形。
构件充分冷却后，用切割机90切成所要求的长度。切割机可包括径向锯或任何人们熟知的切割装置。
如果用拉挤(pultruded)玻璃纤维杆或筋作加强件，图6所示系统可包括一个附加部件，它将玻璃纤维杆在被送入模具60之前拉挤成形，如图8所示。送入模具前立即将玻璃纤维杆拉挤成形可减小存放加强件所需的空间，并可通过连续地将加强件送入模具来提高效率。
如图8所示，玻璃纤维输送器100包括多个卷简或主轴，以便将单根纤维送入树脂液池110。卷简数是可变化的，可为每一根需包含在细长构件中的加强件设置一个或多个主轴。树脂液池110包括用来把每一根玻璃纤维用热固性树脂，如聚酯或乙烯基酯浸渍的容器。浸渍后的玻璃纤维被送入固化和成形模具120，该模具把被热固性树脂浸渍的玻璃纤维加热，并使其成形，从而加工出拉挤浇铸成形的玻璃纤维杆。纤维杆然后被(每一根杆最好含2根或多根玻璃纤维)送入模具60，随同塑料一起被牵引器80穿过模具60和冷却成形站70拉出。
用作桩的构件，典型情况下，其直径在约10至16英寸之间、而其整根连续构件的长度在约30至80英尺之间。
这种连续挤压制造法能够制造出任何长度的整体的桩构件。此外，桩的直径或截面形状也可通过更换模具(或其一部分)和冷却成型站而进行变动。
下面是一种实施本发明的方法的假想的实施例。
下列组分混合后作为热塑性塑料混合物：
25份(按重量算)LDPE；和
75份HDPE
一部分混合物以每小时500磅左右的流量被送入4-1/2英寸直径的挤压机的料斗。在料斗中加入1.2份商标和牌号为HydrocerolTMBIH-40的发泡剂(Boehringer Ingelheim公司制造)和2份碳黑(着色剂)。
该混合物被挤压，穿过十字头模具的横向开口。一部分混合物以每小时约50磅的流量送入1-1/2英寸的挤压机的料斗，在此料斗中加入2.0份碳黑和0.8份紫外线稳定剂(例如Ciba-Geigy公司的Tinuvin327)。从较大挤压机挤出的熔化液进入该十字头模具，发泡并包围8根通过模具后部送入的1/2英寸直径的加强筋。较小挤压机挤出的熔化液进入模具，被挤压到上述发泡的挤压件的外周表面上，形成3/8英寸左右厚度的均匀层。
水通过模具的心轴送入，以冷却发泡的挤压件，并形成2英寸直径的空心。模具的内径为13.75英寸，这样使塑料在冷却收缩后形成外径约为13英寸的构件。
从模具出来的构件立即进入一内径为13.75英寸的成形和冷却站。该成型冷却站用循环水冷却，并且其内侧表面涂有一层聚四氟乙烯(TeflonTM)以减小摩擦。成形和冷却站长度为24英寸。
构件从冷却成形站出来后，通过一长20英尺的罐，在罐中被支承，并被施加的喷淋水冷却。挤压成的轮廓经过充分冷却后通过一牵引器，该牵引器由6条环形带构成，各环形带彼此间隔60°，此牵引器夹紧构件，并以每分钟1/3英尺左右的恒速拖动构件。当制成足够长的构件后，它就被切成所需长度(例如70英尺)，并进一步用水冷却。发泡的塑料体的密度平均为每立方厘米0.45克重(膨胀2倍)。然后在桩的一端盖上平盖30以备驱动，另一端罩上锥形盖32，以便在驱动过程中更好插入地下，如图9所示。
对掌握此领域技术的人来说，在不脱离本发明的精神和范围的情况下显然还可对本发明的细长构件做出各种调整或变动。因此，本申请试图使本发明覆盖所有属于所附的权利要求范围内的各种调整和变动以及与这些调整和变动相等同的方案。