膜片体及相关制造方法 【技术领域】
本发明涉及适用于民用船舶风帆及帆篷的膜片体。
背景技术
在帆船领域内，船舶一般至少配有一个基本呈三角形的主帆，该主帆在桅杆上垂直弯曲，并相对吊杆水平弯曲，还配有一个吊臂，其可相对船头滑动。勿庸赘言，风帆当然是帆船的动力源，它在升起后才能发挥驱动功能，然而在船舶锚泊时则必须落下，而且需要收拢叠放到甲板之下或者存放到别处。
人们已知，当风帆根据风向及航向升起并伸展后，便可以产生空气动力性。风帆的该动力性取决于各曲线之间的比率，这些曲线既沿着在锚链方向弯曲或在桅杆螺栓索方向弯曲的前侧，又沿着在吊杆方向弯曲的下侧，从而当风帆升起并达到使用条件后，它便切割水平曲线，这些曲线分别尽量接近空气动力特性线的曲线长度。
风帆的厚度相对其展开长度可以忽略，因而可以只承受拉伸应力。因此，风帆形成一种膜片体，最好用拉杆来加固，从而减轻重量并便于使用。在制造用拉杆来加固的风帆部分时，对一对塑料嵌片进行热层叠，从而形成帆布，并用按一定图案形成的多个拉杆中间层来进行加固，然后将帆布每二片装配到一起，从而形成风帆整体，如美国专利4,593,639所述，该专利的持有人是一家美国公司，其名称为SOBSTAD SAILMAKERS INC。美国Horizon-Performance Sails公司是美国的一家风帆制造公司，该公司已于1985年9月推出了一种采用薄带驱动技术的风帆，该风帆采用连续的碳材料或Kevlar材料拉杆，通过粘接来加固，该技术后来由美国风帆制造商Ulmer & Kolius加以采用。
需要指出的是，所谓“风帆”，系指帆布布料或布条，在相应的纵向边，通过缝纫或胶合来连接它们，从而形成风帆或帆篷。
在由美国公司NORTH SAILS GROUP公司持有的美国专利5,097,784中，所公开的一种风帆配有一个三层嵌片或帆布，尤其配有一个外基层或结构性膜层，还配有丝质载荷结构层，其处于膜层之上，在丝层之上，还配有一个外保护层(三个纵列，16-19行)。在该专利中，用按一定图案形成的多个拉杆中间层来对风帆进行加固。
采用上述二种专利技术的风帆分别具有或均具有极为适用的独特特性，从而使如此构成的风帆可与高效率的飞机机翼相媲美。在上述二种场合下，采用上述二种专利技术的层叠及内部加固式风帆均具有一定的不足，即：分散于嵌片内的粘接处会迅速发生老化，然后便会使风帆整体逐渐失去柔性。
风帆逐渐失去柔性后，便会导致大量的问题，其后果在风帆升起从而进行驱动或调节及收拢时便会显现。如果风帆变得僵硬，则难以进行使用、处理及维护，从而会妨碍在紧急海况下的迅速升起及后续的驱动。此外，风帆变得僵硬后，便会妨碍主帆转向，从而影响到航向管理。
此外，当风帆已折叠后，有必要注意限制折叠次数，从而不继续影响已僵硬的风帆的状态，以便尽量延长其寿命。这样，不仅会浪费时间，而且所折叠的风帆还会占据大量空间，从而会因风帆体积过大而难以保管，难以存放，而且难以运输。
当然，机械性能的迅速老化还会缩短风帆的可用时间，因而需要经常更换，对用于重要比赛的赛艇而言，船主的投资成本便相当高，为了获取好的成绩，就必须频繁地更换设备。
对游艇而言，尤其对租用艇而言，因为风帆变得僵硬而很少采用上述风帆，在这种帆船中，当回港时，风帆最好集中在船头或者主帆处。尤其是，上述风帆最好采用Dacron材料，Dacron是一种纺织材料，可以以较小的半径来卷绕，易于展开，极耐疲劳应力，然而它具有弹性。因此，采用Dacron风帆，可以消除风帆僵硬，随时可以使用。应注意的是，Dacron是杜邦公司的注册商标。
为了消除Dacron风帆及上述二个专利所述的Sobstad和North Sails风帆的不足，以往采用扇形风帆或扇形蓬帆，尤其采用膜片体，然而它们均与风帆具有僵硬维护这一问题，而且存在着折叠条件下的管理问题。
对采用拉杆加固柔性嵌片的蓬帆而言，上述技术的唯一不同是，风帆嵌片在收拢时呈平坦状，从而恢复其设计组合形状，而用作蓬帆的柔性膜片体可以呈外凸状。
【发明内容】
本发明的目的在于，提供一种消除了上述不足的膜片体，其配用多个按一定图案形成的拉杆，在负荷状态下可恢复规定的形状，在所允许的空气动力负荷下不变形，而且在空载时可长时间保持上述规定的形状柔性。
根据本发明，膜片体的性能在下列权利要求至少之一中有述。
本发明还涉及适用于赛艇及游艇的风帆。
本发明的另一目的在于，提供一种消除了上述不足的风帆，其在收拢时保持柔性，而且在负荷下具有规定的形状。
根据本发明，风帆具有在下列权利要求至少之一中所述的性能。
本发明还涉及用于民用蓬帆或适用于赛艇及游艇的风帆的膜片体制造方法。
本发明的还有一个目的在于，提供一种消除了上述不足的膜片体或风帆的制造方法，其在无负荷作用时保持柔性，而在负荷下，则通过按规定图案形成的多个拉杆来恢复规定的形状。
根据本发明，提供一种膜片体或风帆制造方法，其无需像美国专利5,097,784那样采用可调支撑来形成规定形状的风帆，其性能在下列权利要求至少之一中有述。
【附图说明】
以下参照附图来说明本发明，这些附图表示非限制性实施方式，其中：
图1是本发明二维膜片体的第一优先实施方式的平面图；
图2是图1的平面放大图，为便于理解，部分内容被取出；
图3是图2中III-III线的放大图；
图4表示图3版本；
图5是图3的平面放大图，为便于理解，部分内容被取出；
图6是图4的平面放大图，为便于理解，部分内容被取出；
图7是图1的第二优先实施方式的示意图；
图8是图1的第三优先实施方式的示意图。
优先实施方式说明
图1中，1表示三角形膜体总体，这种形状旨在产生空气动力性，由于重量轻，因而可用作赛艇及游艇的风帆。该膜体1在本文中称为‘风帆’，另有指定的除外，其至少包括一个帆布14，配有一对嵌片10及11，如图3及图4所示，由层叠塑料制成，比如聚酯薄膜之类的聚酯材料，且具有多边形。
参见图2，各帆布14具有三组四条边，如图2中的帆布14所示，尤其具有二个侧边4及5，顶点为图1所示的3，还配有顶边6及基边7。侧边4处于船头，侧边5处于船尾，分别相对图2所示的左右侧，侧边6及7至少之一可以弯曲，从而对风帆1产生一种所谓的“波涛”，但图2中未示出该曲线，因为它较小，不适于小比例图。图2中帆布14的比例被放大，因而图2的唯一目的是便于理解风帆1的构成。
各嵌片10在嵌片11一侧由表面12形成侧边，各嵌片11在嵌片10一侧由表面13形成侧边。各表面12及13互相对置，并粘接连接，从而包绕风帆1的帆布14，如图2所示，而且独立于该连接类型的源技术。在嵌片10与11之间，各帆布14有多个与帆布14固接的柔性铠层15，与风帆1的尺寸及风帆1的总厚度相比，其尺寸较小。如上所述，铠层15处于表面12与13之间，并按规定图案设置，处于风帆1的作用力线的底部。各铠层15至少沿着整个长度配有拉杆16，其与嵌片10及11任意连接，尤其在铠层15内，适于通过各自由端17及18，与风帆1在顶点3或者在侧边4’、5’、7’刚性连接，如图1所示。这样，各拉杆16用于限制通过铠层15与其连接的风帆发生变形，通过与风帆1连接，只有当风帆1用作船舶的驱动源时，且当风帆1展开时，才适于发挥该功能。换言之，风帆1的拉杆16形成承重结构19，适于膜片应力，从而使嵌片10及11收集风力，并对其进行传送，从而以适当的比例来产生空气动力。结构体19的拉杆16承受正常的拉力作用，从而在风帆1的作用过程中，使各帆布14不受膜片应力的作用。当然，嵌片10及11的材料刚性并非大于/小于拉杆16的刚性，因而风帆1的刚性必须较大，拉杆刚性与嵌片材料刚性之比大于1。此外，各嵌片10及11的材料可以保护铠层15免受紫外线照射，而且当铠层及拉杆16外露时，还可使其免受盐水及撕裂。
如上所述，结构体19可使各拉杆16在各铠层15内长期无限制地纵向移动，因而可使风帆1在无负荷条件下长期保持柔性。当然，各铠层15在风帆1的外表面20及21之一上的有用长度等于或略小于对应拉杆16的有用长度，或者等于或略小于各拉杆16的两端17及18与嵌片10的连接距离。应指出的是，图1中的风帆1可克服按上述美国专利4,593,639来制造的风帆在机械性能保持方面涉及柔性的问题，图7中的风帆1可克服按上述美国专利5,097,784来制造的风帆所存在的问题。在这两种场合下，使拉杆浸透粘接剂，从而使拉杆与风帆帆布嵌片之间完全粘接，因而后者会迅速劣化，从而影响到柔性。
图3是风帆1的剖视图，从图中可看出嵌片10及11与铠层15的配接方式以及后者使拉杆16与嵌片10及11的分离方式。嵌片10及11的至少一个表面具有粘性，无论所购买的嵌片10或11是否处于该状态，也无论表面12/13是否在制造风帆1时被制成粘性，均可以通过涂布粘接剂，将嵌片10与11粘接到一起。在各种场合下，粘接剂2必须具有较低的临时粘接力，从而可校正铠层15及拉杆16在配接过程中的不准确定位。在确定嵌片10及11以及它们之间的铠层15的正确定位之后，该粘接剂2必须具有可增加的选择性粘接力。该粘接剂2最好具有热熔性质，从而在局部加热或热层叠之后发挥粘接功能，但并非必须如此。适于将各帆布14的嵌片10及11密封到一起的粘接性选择是很适用的，因为在窄小表面或大表面上均可实施热传递。如果决定采用正常温度下的粘接剂，可以通过在辊子或类似的部件之间加压来实施冷层叠，从而密封嵌片10及11，然后将铠层15刚性地连接到嵌片上。
上述方法也适用于图7所示的风帆1，它配用三角形帆布14，它组装多个切割成图2所示的帆布的嵌片10，并将每二块结合到一起，从而形成三维形，或者由一块三角形嵌片10而形成。在图3及4所示的该双蒙皮嵌片10上，沿着从峰点3至底帆布14的基底7为止的力线F来设置线条，其与风帆1的底边相重合，铠层15配有拉杆16，其根据力线F来作用，并采用与上述大致相同的蒙皮，或者采用厚度较薄或面积较小的多个嵌片11，它的表面13预先涂有粘接剂。
应注意的是，聚酯层叠材料或其它类似材料的表面12及13必须通过粘接层2而更具有湿润性。通过在具有规定强度的电场内实施所谓的“Corona”已知处理，可增加嵌片10及11的层叠层湿润性，该处理是纺织工业常用的处理。
如上所述，铠层15可以与各帆布14的嵌片10及11的对面12及13相连接，从而将拉杆固定到规定的线条上。也可以说，铠层15是一种使拉杆16与嵌片10及11相隔离的隔绝手段，并将它们固定到各力线F上，从而可在纵向相对铠层15在最大应力线上移动，因而还可相对嵌片10及11移动。
尽管风帆1的结构性易于理解，然而应注意的是，拉杆16必须预先装配到铠层15上，并与其同轴，其应用独立于风帆1的铠层15及拉杆16的性质，而且还独立于拉杆16的种类。在铠层15与拉杆16的有效组合中，采用具有多个高强度纤维24的柔性纵向体。该柔性纵向体是由纤维24构成的上述普通粗纱25，包括互相平行的纤维24。图5及6所示的该纤维24可以是具有同一截面的相同材料，也可以将材料相同而截面不同的纤维24相组合。在制造粗纱25中，也可以将材料不同而截面相同或不同的纤维24相组合。当然，纤维的组合定义取决于风帆上膜片应力的允许值，或者基于风帆1的最大厚度。
同一粗纱25的纤维24的剖面面积比可以处于0.20与5之间，为了降低风帆的生产成本，一般采用同一材料同一截面的粗纱25。大直径纤维24与小直径纤维之比一般为0.75-1.5。
粗纱25的纤维24可以为同质或异质，尤其可采用下列材料：Kevlar、碳、玻璃、类似于荷兰公司DSM生产的Dyneema的调质聚酯，它也是Dyneema的注册商标、其它类型的芳香族聚酰氨纤维，比如荷兰公司Teijin Twaron生产的Twaron，它也是Twaron公司的注册商标、碳纤维。当然，下列材料都是已知的：Dacron、Kevlar、Dyneema、Twaron、碳纤维及聚酯，它们的物理性能及价值用作参考，为了简化而省略。Kevlar是杜邦公司的注册商标。
铠层15可以具有厚度相同的环形剖面，如图3所示，但还具有不对称形状，内部的二个嵌片10及11之一为断续环形剖面，形成马蹄形，如图4所示，其中，中断的部分处于嵌片10上。各铠层15在纵向上有二个互相各异的长条23，通过嵌片10来连接。嵌片10在铠层的长条23之间作为铠层15的一部分，适于用作另一嵌片11的蓬帆嵌片。铠层15的剖面收缩，风帆1的厚度较小，从而可减轻总体重量。
铠层15与拉杆16的组合很轻，而且很简单，铠层15及拉杆16用同一粗纱制成。图5及6表示该结构类型，属于拉杆16的纤维24与铠层15相分离，铠层15通过环形线26来与帆布14相接，虚线表示传统方式，其接近属于拉杆16的纤维24与属于铠层15的纤维之间的分界线。线条26只限定自由纤维24，与构成铠层15的纤维24的外部相隔离。
图3表示粘接剂2达到一定厚度，从而浸透与表面12及13相配合的自由纤维24的粗纱25外部。应注意的是，各帆布14的嵌片10及11的表面12及13上的粘接剂2可从下列材料中选择：橡胶树脂、凝胶状丙烯酸合成物、类似于聚乙烯或PET的聚合物。在真空袋内所设定的压力及温度下使粗纱25浸渍粘接剂，真空袋包括二个互相粘接的嵌片10及11，外部自由纤维24的粗纱25浸渍粘接剂2，从而使上述各部分之间的粘接达到最佳，并使气泡降至最低。在插入真空袋及抽气，从而保证各对嵌片10及11的粘接性后，通过加热来使粘接剂2熔化，对PET而言，温度为100℃与130℃之间。通过加热可熔化粘接剂2，一般包括被浸渍的纤维24，粘接剂24在冷却后凝固，从而在粗纱25的外环部分与帆布14之间产生永久性粘接，进而产生塑性柔性。如果只有二个表面12及13之一以及图4所示的表面12具有粘性，或者涂布粘接剂2，则只有嵌片10具有粘性，而与嵌片11接触的纤维24则像粗纱25芯部那样没有粘性。这样便可减轻风帆1的重量，而且在交变空气动力负荷下更具有柔性，此外，自由纤维24还可有助于曲线的几何变化，便于调整及换向。
在加热状态下进行拉杆16与顶点3之间的连接，或者拉杆16与风帆1的边沿4’、5’、7’之间的连接。此外，也可以通过实施未图示的三角形或径向形已知加固即所谓的纺织或层叠补丁，而在冷态下进行最终加工，它可以使拉杆拉伸，或者通过展开而拉伸。
上述的帆布14及风帆1也适用于搭配嵌片10及11，而且配有自己的格架，通常用于航行。
风帆1是用拉杆16加固的膜片体的一种特殊实施方式，它可相对帆布14纵向移动，而且原理如上所述，无需进一步说明。
最后，可对风帆1进行修正及变动，这并不脱离本发明的范围。
本发明还包括风帆1及帆布14，其具有一个嵌片10或11，从而可将所粘接的铠层15及拉杆16固定到嵌片的一个表面或二个表面上。该结构比上述结构简单，因为它无需采用顶嵌片，而且重量较轻。由于该结构重量简单，因而不作说明。该结构可用于在左右两面利用风力的风帆，比如三角帆船，或者用于无需转向的建筑物蓬帆。
图8表示三维膜片体100，其可用于土木工程蓬帆。该膜片体100在结构及功能上与风帆1基本相同，因为它具有三维形状，且配有下凹部，从而可保护货物或人员免受风雨侵袭。在该场合下，拉杆16处于铠层15之内，从而可直接应用或交替应用二个嵌片，它的形成方法是，当部分浸渍了热塑性粘接材料后，对自由纤维的粗纱25的外部进行热层叠，这类似于风帆1的制造方法。如果所用的粘接剂在正常温度下有效，则可在冷态下进行层叠。
如上所述，膜片体100与风帆1之间的唯一不同在于其形状及大小。结构详情及生产方法不变，为简单起见，与上述风帆1的结构及制造方法相同。
膜片体及其制造方法适用于蓬帆柔性结构，而且参见图8便可理解，因而无需详述。