CN102686928B - 管道节接合 - Google Patents
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Abstract
本发明描述用于接合管道节的方法和接合的管道组件。所述管道节例如管道和耦合器通过使用形状记忆聚合物键形成的机械干涉结合来接合。可将该键插入到一个管道节的第一键槽中，装配所述管道而使第一键槽与所述第二管道节的第二键槽对齐，并且激活该形状记忆聚合物以至少部分地填充这两个键槽。
Description
技术领域
本发明涉及用于接合管道节的方法和用于接合管道节的材料、特别是形状记忆聚合物。
发明内容
简而言之，在一个方面，本发明提供一种用于接合第一管道节和第二管道节的方法。第一管道节包含相对于第一管道节的外表面凹陷的第一键槽，并且第二管道节包含相对于第二管道节的内表面凹陷的第二键槽。该方法包括：将第一管道节插入到第二管道节中；使第一键槽与第二键槽对齐；将包含具有第一转变温度的第一形状记忆聚合物的第一键设置在第一键槽和第二键槽之间，其中该键具有一长度和垂直于该长度的横截面；将所述第一键加热至高于所述第一转变温度；和减小该长度并扩张该第一键的横截面，使得该第一形状记忆聚合物填充第一键槽和第二键槽的一部分，从而在第一管道节和第二管道节之间形成机械干涉结合。在一些实施例中，该方法还包括将该第一形状记忆聚合物冷却至低于该第一转变温度。
在一些实施例中，该方法还包括：将包含相对于第三管道节的外表面凹陷的第四键槽的第三管道节插入到具有相对于第三管道节的内表面凹陷的第三键槽的第二管道节中；使第三键槽与第四键槽对齐；将包含具有第二转变温度的第二形状记忆聚合物的第二键设置在第三键槽和第四键槽之间；将第二键加热至高于第二转变温度；和减小该长度并扩张第二键的横截面，使得第二形状记忆聚合物基本上填充第三键槽和第四键槽的一部分。
在一些实施例中，在将第一管道节插入到第二管道节中之前，该第一键放置于该第一管道节的第一键槽内。在一些实施例中，在将第一管道节插入到第二管道节中之前，该第一键放置于该第二管道节的第二键槽内。
在一些实施例中，第一键槽包含第一周向凹槽，第二键槽包含第二周向凹槽，并且第一键包含弧。在一些实施例中，第一键槽包含多个第一凹陷部，第二键槽包含多个第二凹陷部，并且第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物。在一些实施例中，第一或第二键槽包含多个第一凹陷部，另一键槽包含第二凹陷部，其中使第一键槽与第二键槽对齐包括使第一凹陷部中的两个或更多个与第二凹陷部的至少一部分对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部。
在一些实施例中，第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物。在一些实施例中，在第一键槽和第二键槽之间设置第一键包括将至少一个段设置在两个或更多个成对的第一和第二凹陷部之间。
在一些实施例中，第二管道节还包含从第二管道节的内表面突出的阻挡件。在一些实施例中，将第一管道节插入到第二管道节中包括插入第一管道节直至该第一管道节接触该阻挡件。
在一些实施例中，该方法还包括：将第一键重新加热至高于第一形状记忆聚合物的第一转变温度；相对于第二管道节来重新定位第一管道节；和在第一管道节和第二管道节之间重新形成机械干涉结合。在一些实施例中，该方法还包括：将第一键重新加热至高于第一形状记忆聚合物的第一转变温度；和从第二管道节中移除第一管道节。
在另一方面，本发明提供一种根据本发明的任何方法制得的接合的管道组件。
在又一方面，本发明提供一种接合的管道组件，其包含：第一管道节，其包含相对于第一管道节的外表面凹陷的第一键槽；第二管道节，其包含相对于第二管道节的内表面凹陷的第二键槽；和第一键，其包含第一形状记忆聚合物。其中将第一管道节的至少一部分设置在第二管道节内部，使得第一键槽与第二键槽对齐，并且第一键位于第一键槽和第二键槽之间并且至少部分地填充第一键槽和第二键槽。
在一些实施例中，第一键基本上填充第一键槽和第二键槽的与第一键的长度相对应的一部分。
在一些实施例中，第一键槽包含第一周向凹槽，第二键槽包含第二周向凹槽，并且第一键包含弧。在一些实施例中，第一和第二键槽中的至少一个具有弧形横截面。在一些实施例中，第一和第二键槽中的至少一个具有选自三角形、矩形和梯形的横截面。
在一些实施例中，第一键槽包含多个第一凹陷部，第二键槽包含多个第二凹陷部，并且第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物。第一键槽和第二键槽对齐，使得第一凹陷部的至少一部分与第二凹陷部的至少一部分对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部。包含形状记忆聚合物的段位于成对的第一和第二凹陷部之间，并且至少部分地填充成对的第一和第二凹陷部。
在一些实施例中，第一或第二键槽包含多个第一凹陷部并且另一键槽包含第二凹陷部。第一键槽和第二键槽对齐，使得所述第一凹陷部中的两个或更多个与第二凹陷部对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部。形状记忆聚合物位于成对的第一和第二凹陷部之间并且至少部分地填充成对的第一和第二凹陷部中的至少一些。
在一些实施例中，第一或第二键槽包含多个第一凹陷部，其他键槽包含第二凹陷部，并且第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物。第一键槽和第二键槽对齐，使得第一凹陷部中的两个或更多个与该第二凹陷部对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部。包含形状记忆聚合物的段位于成对的第一和第二凹陷部之间，并且至少部分地填充成对的第一和第二凹陷部。
在一些实施例中，第一管道节与从第二管道节的内表面突出的阻挡件接触。
本公开的上述发明内容并不旨在描述本发明的每一个实施例。在以下说明中还给出本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目标和优点从本说明和权利要求中将显而易见。
附图说明
图1示出根据本发明的某些实施例的具有键槽的第一和第二管道节。
图1A为图1的管道节的剖视图。
图2示出插入到图1的第二管道节中的图1的第一管道节。
图2A为包括键槽和键的对齐配置的图2的管道节的剖视图，。
图2B为包括键的经对齐的键槽的剖视图。
图3为图2A的剖视图，示出该键在激活之后尺寸的变化。
图3A为图2B的剖视图，示出该键在激活之后尺寸的变化。
图4示出根据本发明的某些实施例的具有键槽的第一和第二管道节，其中所述键槽包含多个凹陷部。
图5示出插入图4的第二管道节的图4的第一管道节。
图5A为包括键的经对齐的键槽在它们已激活之后的剖视图，所述键包含多个段。
图6A示出根据本发明的某些实施例的具有键槽和密封件的第一和第二管道节的横截面。
图6B示出插入到图6A的第二管道节中的图6A的第一管道节的横截面，包括键和密封件。
图7示出根据本发明的某些实施例的使用键而接合至90°弯头的管道的横截面。
图8示出根据本发明的某些实施例的具有键槽和阻挡件的第一和第二管道节的横截面。
图9示出插入到图8的第二管道节中的图8的第一管道节的横截面，包括键。
具体实施方式
一般来讲，管道节如管道、管道配件和管道耦接头已通过多种方式进行接合。在一些情况下，管道节具有螺纹，并且通过将一节旋拧至另一节而使所述管道彼此机械地耦接。螺纹管道的使用导致管道节之间的可逆连接（即管道节之间的接头）可以通过简单地旋开所述节而“断开”，并且所述管道节可以简单地再接合。
另外，更持久的接合方式包括卷曲和使用焊接和粘合剂来接合管道节。虽然这些方法往往会提供将管道节装配到一起的更大灵活性并且形成不太容易渗漏的接头，但管道节之间的接头不可容易地逆向操作。例如，当管道节被焊接在一起时，重新装配或替换通常需要在接头周围切割下一节、将管道节插入以跨接被移除部分以及重新焊接新管道节。相似地，粘合剂通常固化而形成持久结合，并且当需要返工时，由粘合剂形成的接头必须被移除而且替换整个管道节。
在一些实施例中，本发明提供可用于在管道节之间形成接头的材料和方法。一般来讲，本发明涉及使用形状记忆聚合物来接合管道节。如本文所用，术语“管道”是指具有包括（但不限于）直圆筒形的任何横截面的任何管状制品。如本文所用，术语“管道节”包括管道以及配件和耦接头，例如弯头（如45°或90°弯头）、T形接头、Y形接头、十字头、顶盖、变径接头(reducer)、扩张器等等。
形状记忆材料，包括形状记忆聚合物(“SMP”)和形状记忆金属或合金(“SMA”)，是一类可用的材料。一般来讲，形状记忆材料是具有初始的、未变形的形状并且可被处理成具有可逆变形的形状的材料。该变形的形状是半稳定的，因为只要该形状记忆聚合物未激活则其便可保持变形的形状。取决于材料，形状记忆材料可以通过多种方式激活，包括暴露于热、光和电磁。常常地，通过将材料加热至高于转变温度（T转变）来激活形状记忆材料。在激活之后，变形的形状不稳定化，并且形状记忆聚合物往往会返回其初始的、未变形尺寸。
在分子水平上，SMP是包含由网点(netpoint)连接的段链的聚合物网络。网点可以通过共价键、聚合物链的缠结、或SMP的某些聚合物嵌段或官能团的分子间相互作用而形成。SMP具有确定的熔点(Tm)或玻璃化转变温度(Tg)。因而，SMP可以是玻璃态的或结晶态的并且可以是热固性或热塑性的。下文中，熔点(Tm)或玻璃化转变温度(Tg)将共同被称作转变温度或T转变。SMP具有高应变能力的优点：常达数百百分数。
在一些情况下，SMP的物理网点可以可逆地形成。这些网点包括分子间相互作用和链缠结。具有能可逆形成的网点的SMP通常具有使网点被消除的温度(Tperm)。Tperm高于T转变并且表示使聚合物变得能够熔体流动的温度。具有作为网点的共价键的SMP通常在任何温度下均不能熔体流动，并且通常不具有Tperm。
当在初始浇铸或模制过程中形成网点或交联时，SMP的持久形状得以确立。如果SMP为化学交联的，则通常通过在聚合化混合物中包括多官能单体，可以在聚合物初始固化时形成这些化学交联。或者，例如通过例如紫外光或电子束的辐射，在初始聚合化之后可以形成化学交联。如果SMP为物理交联的并且具有Tperm，则网点通常通过以下方式形成：将该聚合物加热至高于Tperm，将SMP形成为所需的持久形状，并且随后使其冷却至低于Tperm，从而使物理网点形成。
SMP可以从持久形状变形至暂时、变形的形状。该步骤通常通过以下方式来完成：将聚合物加热至高于其T转变和低于其Tperm（如果存在）；使该样品变形；并随后在SMP冷却的同时使该变形保持原样。或者，在一些情况下可在低于聚合物的T转变的温度下使聚合物变形并保持该暂时形状。随后，通过将该材料加热至高于T转变，恢复初始形状。
合适的物理交联的SMP的实例包括（但不限于）直链的嵌段共聚物，例如热塑性聚氨酯弹性体。多嵌段共聚物也可充当SMP，例如聚氨酯、聚苯乙烯和聚(1,4-丁二烯)的共聚物、聚(四氢呋喃)和聚(2-甲基-2-噁唑啉)的ABA三嵌段共聚物、多面低聚硅倍半氧烷(POSS)-改性聚降冰片烯和PE/尼龙-6接枝的共聚物。
形状记忆聚合物的其他实例包括：聚氨酯，聚降冰片烯，聚醚，聚丙烯酸酯，聚酰胺，聚硅氧烷，聚醚酰胺，聚醚酯，反式-聚异戊二烯，聚甲基丙烯酸甲酯，交联聚乙烯，交联聚异戊二烯，交联聚环辛烯，无机-有机杂化聚合物，具有聚乙烯和苯乙烯一丁二烯共聚合物的共聚物共混物，氨基甲酸乙酯-丁二烯共聚合物，PMMA，聚已内酯或低聚己内酯共聚物，PLLA或PL/DLA共聚合物，PLLAPGA共聚合物，和包括偶氮染料、两性离子的和其他彩色照片材料的可光致交联的聚合物，例如描述在以下中的那些：“ShapeMemoryMaterials”，Otsuka和Wayman，CambridgeUniversityPress1998。合适的化学交联的形状记忆聚合物的例子包括（但不限于）HDPE、LDPE、PE-聚醋酸乙烯酯共聚物。
其他合适的形状记忆聚合物包括（但不限于）描述在以下中的那些：WO03/084489；U.S.5,506,300（Ward等人）；美国专利No.5,145,935(Hayashi)；U.S.5,665,822（Bitler等人）；和Gorden，“ApplicationsofShapeMemoryPolyurethanes,”ProceedingsoftheFirstInternationalConferenceonShapeMemoryandSuperelasticTechnologies,SMSTInternationalCommittee，第115页至第19页(1994)；U.S.6,160,084(Langer)；U.S.6,388,043(Langer)；Kim等人，“Polyurethaneshavingshapememoryeffect,”Polymer37(26):5781-93(1996)；Li等人，“Crystallinityandmorphologyofsegmentedpolyurethaneswithdifferentsoft-segmentlength,”JAppliedPolymer62:631-38(1996)；Takahashi等人，“Structureandpropertiesofshape-memorypolyurethaneblockpolymers,”J.AppliedPolymerScience60:1061-69(1996)；TobushiH.等人，“Thermomechanicalpropertiesofshapememorypolymersofpolyurethaneseriesandtheirapplications,”JPhysiqueIV(ColloqueC1)6:377-84(1996))。其他SMP在以下中有所描述：U.S.5,155,199(Hayashi)、U.S.7,173,096（Mather等人）、U.S.4,436,858(Klosiewicz)、JP07126125、JP2959775、U.S.2005/244353（Lendlein等人）和U.S.2007/009465（Lendlein等人）。丙烯酸类SMP公开于U.S.2006/041089（Mather等人），C.M.Yakachi等人，AdvancedFunctionalMaterials,18(2008),2428-2435，以及D.L.Safranski等人，Polymer49(2008)4446-4455中。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)聚合物、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的形状记忆性质由Hussein等人公开于“NewTechnologiesforActiveDisassembly:UsingtheShapeMemoryEffectinEngineeringPolymers,”Int.J.ProductDevelopment,6:431-449(2008)中。
市售的热塑性SMP包括（但不限于）：以商品名“DiARY”得自SMPTechnologies的聚氨酯，包括MM型、MP型、MS型和MB（微珠粉末）型系列；得自CompositeTechnologyDevelopment,Inc.的弹性记忆复合材料(“EMC”)；和以商品名“VERIFLEX”得自CornerstoneResearchGroup(“CRG”)的那些。
具有宽泛的转变温度范围的形状记忆聚合物是已知的并且适用于这些应用。然而，在一些实施例中，可能存在用于转变温度的优选范围。例如，在一些实施例中，使用温度可以决定形状记忆聚合物的所需转变温度。例如，在一些实施例中，T转变为至少100℃，在一些实施例中，至少110℃，或甚至至少120℃。在一些实施例中，T转变不大于180℃，在一些实施例中，不大于160℃，或甚至不大于150℃。在一些实施例中，T转变在100℃和180℃之间，例如在110℃和160℃之间，或甚至在120℃和150℃之间。
一般来讲，本发明的管道接合方法利用可通过增加形状记忆聚合物的温度而触发的尺寸变化。在一些实施例中，管道节可以干装配在一起，同时形状记忆聚合物处于其暂时变形形状。当形状记忆聚合物被加热至高于其转变温度时发生尺寸变化之后，处于其持久、未变形尺寸的形状记忆聚合物的几何形状与管道节的几何特征一致，以在管道节之间形成机械干涉结合。一般来讲，形状记忆聚合物的尺寸和管道节的几何特征被选择成使得在不将形状记忆聚合物重新加热至高于其转变温度的情况下，管道节仅可通过剪切该形状记忆聚合物来分离。
接合的管道节的示例性实施例和根据本发明的管道接合的方法示于图1-3中。参见图3和图3A，键130用于将第一管道110接合至第二管道120。参见图1和图1A，第一管道110包括第一键槽112，该第一槽键112相对于第一管道110的外表面114凹陷。第一键槽112的横截面形状不受特别限制，前提条件是其相对于外表面114凹陷。例如，如图1A中所示，第一键槽112具有基本上三角形的横截面，其在外表面114上具有其最大宽度并且当该键槽朝第一管道110的中心延伸时变窄至其最窄宽度。
第二管道120包括第二键槽122，其相对于第二管道120的内表面123凹陷。第二键槽122的横截面形状不受特别限制，前提条件是其相对于内表面123凹陷。例如，如图1A中所示，第二键槽122具有弧形横截面，其在内表面123上具有其最大宽度并且当该键槽延伸离开第二管道120的中心时变窄至其最窄宽度。
参见图2、图2A和图2B，将第一管道110插入到第二管道120中，使得第一键槽112和第二键槽122被基本上对齐。将包含形状记忆聚合物的键130设置于第一键槽112和第二键槽122之间形成的腔体中。此时，键130处于其暂时或可逆变形的形状并且完全放置于第二键槽122内。
参见图3和图3A，当通过例如在高于其转变温度下加热该形状记忆聚合物而被激活时，键130往往会返回至其持久或未变形形状。在这种情况下，键130的横截面尺寸扩张并且键的长度减小。形状记忆聚合物返回其未变形形状的能力将受到第一和第二键槽的尺寸限制。一般来讲，在激活之后，该键填充第一键槽和第二键槽二者的至少一部分。在一些实施例中，键130在该键的减小的长度上填充第一键槽112和第二键槽122的深度。
因为当形状记忆聚合物冷却至低于转变温度时，形状记忆聚合物填充第一键槽112和第二键槽122二者的至少一部分，所以形成将第一管道110结合至第二管道120的机械干涉接头。为了使第一管道110与第二管道120分离，将必须对键130进行剪切。接头的强度因此受到该键的几何形状（例如，横截面积和垂直于剪切方向的长度）和物理性质（例如，剪切系数和剪切强度）的影响。
在一些实施例中，形状记忆聚合物可以完全填充第一键槽和第二键槽中的一者或两者的深度。在一些实施例中，例如当诸如表面不平度和截留空气之类的缺陷阻碍或抑制形状记忆聚合物完全填充键槽时，形状记忆聚合物“基本上填充”键槽的深度。在一些实施例中，形状记忆聚合物可以仅部分填充第一键槽和第二键槽中的一者或两者的深度。一般来讲，在激活之前和之后，形状记忆聚合物填充第一和第二键槽的程度均取决于键槽的形状和尺寸和键的形状和尺寸。
形状记忆聚合物键可以被激活，即使用多种方式中的任一种被加热至高于其转变温度。例如。可将火焰引导至管道处，类似于焊接操作。然而，在一些实施例中，使用明焰可能是不可取的。由于形状记忆聚合物的相对低的转变温度，在一些实施例中，可以通过在管道节处喷出热流体例如热气体来激活该键。例如，在一些实施例中，可使用热空气枪来加热管道，并继而将该形状记忆聚合物键加热至高于其转变温度。一般来讲，当热源被移除时，该键将冷却至低于其转变温度。然而，在一些实施例中，可能有利的是通过将冷流体例如冷空气或水施加至管道节来加速冷却。
一般来讲，可以通过以弯曲或扭曲方式使形状记忆聚合物变形来分离通过由形状记忆聚合物制得的外部套管来接合的管道。相比之下，在填充对齐的键槽之后，该键在管道之间形成机械干涉结合。因为形状记忆聚合物填充两个键槽，所以管道仅能通过剪切该键来分离并且形成显著较强的接头。
除了三角形和弧形键槽之外，也可以使用其他键槽形状。例如，在一些实施例中，可以使用具有矩形横截面的键槽。在一些实施例中，可以使用具有梯形横截面的键槽。
在一些实施例中，键槽可以在管道的整个周长周围延伸。然而，键槽可以具有任何长度，前提条件是该键可以被设置在键槽内。为易于插入该键并对齐第一键槽和第二键槽，在一些实施例中，可能优选具有在正在接合的管道节中的至少一个（在一些实施例中，为这两个管道节）的整个周长周围延伸的键槽。另外，一旦键槽对齐，则管道节便可以在干装配阶段期间相对于彼此旋转。然后，可在管道节按需要进行取向时，将形状记忆聚合物加热至高于其转变温度，从而使键的横截面扩张并且形成接合两个管道节的机械干涉结合。
在一些实施例中，例如当管道节的扭曲可能不可取时，可将包含多个凹陷部的键槽与包含多个单独形状记忆段的键一起使用。例如，参见图4和图5，第一管210包括键槽，该键槽包含设置在其周长周围的多个第一凹陷部，包括第一凹陷部212a、212b和212c。相似地，第二管道220包括键槽，该键槽包含对应的多个第二凹陷部，包括第二凹陷部222a、222b和222c。
参见图5和图5A，当第一管道210插入第二管道220中时，一个第一凹陷部212a与一个第二凹陷部222a对齐，其中形状记忆聚合物的段230a被设置在它们之间。相似地，将形状记忆聚合物的段230b设置在对齐的第二对第一凹陷部212b和第二凹陷部222b之间，并且将段230c设置在对齐的第三对第一凹陷部212c和第二凹陷部222c之间。在一些实施例中，形状记忆聚合物的段可以不存在于各对对齐的凹陷部之间。
参见图5A，当形状记忆聚合物段激活（例如，被加热至高于其转变温度）时，形状记忆聚合物的段的用于填充该对对齐的第一和第二凹陷部的横截面将扩张。当形状记忆聚合物冷却时，第一管道和第二管道将通过在成对对齐的凹陷部中的形状记忆段的过盈配合来接合。
在一些实施例中，在第一管道节中形成第一键槽的多个凹陷部可以在第二管道节中与单个共用第二键槽对齐。在一些实施例中，可使单个键放置于第二键槽内。可随后使第一和第二管道节对齐，使得第一键槽的凹陷部中的两个或更多个与第二键槽对齐而使键定位于对齐的凹陷部和第二键槽之间。当键被加热至高于其转变温度时，该键将膨胀而填充第一键槽的两个或更多个凹陷部和第二键槽的对应部分，从而在管道节之间形成干涉结合。或者，在一些实施例中，形成键的多个段可以设置在形成第一键槽的多个凹陷部内。然后，当所述段被加热至高于它们的转变温度时，所述段将膨胀而填充第一键槽的两个或更多个凹陷部和第二键槽的对应区域，从而在管道节之间形成干涉结合。
一般来讲，键的长度经选择以提供所需的机械干涉结合强度。然而，无论键长度和相对于该键长度的键槽长度，当激活时，键长度的减小会导致键槽的某些部分不被形状记忆聚合物填充。因此，键本身不提供在键槽的整个长度上的流体密封性压力密封。
在一些实施例中，可将一个或多个密封件与键组合使用。因为密封件未必需要有助于管道之间的结合，所以在此类密封件的选择、位置和材料方面存在很大灵活性。可以使用任何已知密封件，包括如O形环。
例如，参见图6A和图6B，将第一管道310插入到第二管道320中，使得第一键槽312和第二键槽322基本上对齐。将包含形状记忆聚合物的键330设置于第一键槽312和第二键槽322之间所形成的腔体中。如图所示，O形环390部分地凹陷到第二管道320的凹槽395中。当管道节被接合时，将O形环390设置在第一管道310和第二管道320之间，从而形成密封如流体密封性密封。一般来讲，O形环抵靠第一管道的平滑外表面被压缩，从而形成流体密封性密封。在一些实施例中，可根据需要而使用多个O形环或其他密封件，以实现所需的密封并防止渗漏。
参见图6B，当通过例如将形状记忆聚合物加热至高于其转变温度来激活时，键330的长度减小并且垂直于其长度的该键的横截面尺寸增加。因此，键330在第一管道和第二管道之间提供机械干涉结合，同时O形环390独立地提供所需的密封件。
虽然上文实施例涉及两个管道的接合，但方法、材料和概念同样地适用于其他管道节。例如，在一些实施例中，所述管道节中的一个可以是配件或耦接头，例如弯头（如45°或90°弯头）、T形接头、Y形接头、十字头、顶盖、变径接头、扩张器等等。例如，参见图7，90°弯头400与第一管道410连接。第一键槽412相对于第一管道410的外表面凹陷。第一管道410被插入90°弯头400的第一末端401中。第一键槽412与第二键槽422对齐，其相对于弯头400的第一末端401的内表面凹陷。将第一键430设置在第一键槽412和第二键槽422之间形成的腔体中。当激活时，形状记忆聚合物在横截面上将扩张，基本上填充第一键槽412和第二键槽422，从而通过机械干涉结合将第一管道410结合至弯头400的第一末端401。相似地，第二管道节可接合至90°弯头400的第二末端403。即，第二管道节可插入到第二末端403中，使得第二管道节中的键槽将与弯头400的第三键槽423对齐。形状记忆聚合物键可随后用于在弯头400和第二管道之间形成机械干涉结合。另外，虽然未示出，弯头末端中的一者或两者可以包括密封件，例如O形环。
在一些实施例中，可以通过使用阻挡件来简化第一和第二管道节中的键槽的对齐。参见图8和图9，第一管道510包括第一键槽512，其相对于外表面514凹陷并且位于与第一管道510的第一末端501距离L1处。
联轴器520包括第二键槽522，其相对于联轴器520的内表面523凹陷。联轴器520也包括从内表面523朝联轴器520的中心突出的阻挡件560。阻挡件560位于与第二键槽522距离L2处。在一些实施例中，该阻挡件可以是周向环。在一些实施例中，该阻挡件可以包含一个或多个不连续元件，例如柱子。
参见图9，将第一管道510插入到联轴器520中。可以选择距离L1和L2，使得当第一管道510的第一末端501接触阻挡件560时，第一管道510不能进一步插入到联轴器520中并且第一键槽512和第二键槽522基本上对齐。在激活之后，键530基本上填充两个键槽并且在第一管道和联轴器之间形成机械干涉结合。虽然图8和图9的实施例涉及管道和联轴器，但可以使用任何两个管道节。另外，可以包括各种实施例的其他特征，例如密封件（例如，O形环）。
使用阻挡件还可以简化形成管道组件的工艺。例如，如果阻挡件和第二键槽之间的距离是已知的（例如，标准化的或测得的），则管道工可以迅速且容易地定位在第一管道节上应该形成对应的第一键槽的位置。然后，使用通用工具例如管道切割器在现场在适当位置处形成第一键槽。
在一些实施例中，本发明的键提供一种用于接合管道节的迅速、方便的方法。在一些实施例中，该方法是可逆的。一般来讲，第一管道节包含相对于第一管道节的外表面凹陷的第一键槽，而第二管道节包含相对于第二管道节的内表面凹陷的第二键槽。这些键槽可以通过任何已知方式形成，包括例如浇注和模铸（即，当浇注或模铸初始管道节时形成该键槽），或加工（例如，该键槽在管道节形成之后被研磨或雕刻到该管道节中）。
一般来讲，键槽的形状和尺寸并无特别限制。在一些实施例中，特别是当在管道壁尺寸被固定之后形成键槽时，键槽的最大深度将受管道的壁厚度以及键槽区域中管道的最小可接受剩余厚度的控制。在一些实施例中，可以选择键槽的尺寸（连同该键的暂时（即，可逆变形的）尺寸和持久（即，未变形的）尺寸）以提供所需的接头强度。
在一些实施例中，键槽可以相对于管道的一个表面为凹陷并且相对于相对表面为凸起的。例如，参见图1A，第一键槽112相对于管道110的外表面114为凹陷的，并且相对于内表面为凸起的。即，第一键槽112向内朝管道110的中心突出，部分地阻碍穿过管道的流路。（还可参见图5A的第一凹陷部212a、212b和212c。）相似地，第二键槽122相对于管道120的内表面123为凹陷的并且相对于相对的外表面为凸起的。即，第二键槽122远离第二管道120的中心突出。（还可参见图5A的第二凹陷部222a、222b和222c。）
在一些实施例中，可能有利的是使一个或两个键槽保持与它们的相对表面齐平。例如，如图6a中所示，第一键槽312相对于第一管道310的外表面为凹陷的，但并未向内朝管道310的中心突出。（也参见图7的第一键槽412和图8的第一键槽512。）因此，与图1的第一键槽112相反，图6a的第一键312未阻碍穿过第一管道310的流体的流动。虽然未示出，但在一些实施例中，也可以形成第二键槽，使得其未从第二管道节的外表面突出。然而，因为此类突出将不阻碍流动并且在键槽的区域中的管道厚度将会更大，所以可能有利的是使第二键槽从第二管道节的外表面突出。
一般来讲，将第一管道节插入到第二管道节中，并且使第一键槽和第二键槽对齐。将包含形状记忆聚合物的键设置在第一键槽和第二键槽之间。在一些实施例中，在第一和第二管道节中的至少一个中的键槽的深度和宽度足以使得该键可放置于键槽内，进而使该键从键槽的凸起最小或无凸起。一般来讲，该键从该键槽中的任何凸起均可阻碍第一管道节插入到第二管道节中。因此，在一些实施例中，在将第一管道节插入到第二管道节中之前，该键完全凹陷在键槽内。
一旦管道节按需要对齐，则可以通过例如将形状记忆聚合物加热至高于其转变温度来激活该键。在激活之前，可以调节或甚至分离管道节。因此，在一些实施例中，本发明的方法允许在形成相邻管道、配件、或耦接头之间的任何持久连接之前使管路“干装配”到一起。
在激活之后，该键往往会返回其持久、未变形尺寸。即，长度减小，并且垂直于该长度的横截面扩张，使得该键至少部分地填充与该键的减小长度相对应的第一键槽和第二键槽的部分。该键开始时被设置在键槽内且凸起最小或无凸起，但当加热时，横截面尺寸充分地扩张以至少部分地填充（并且在一些实施例中基本上填充）两个键槽的深度。为了具有足够的扩张以填充两种键槽的深度，在一些实施例中有必要具有很大的长度减小，例如至少10%的长度减小。
一般来讲，本发明的方法在相邻管道节之间例如在两个管道之间、管道与耦接头之间、或管道与配件之间提供机械接头。因此，在一些实施例中，本发明的方法还包括冷却该键以在第一管道节和第二管道节之间形成机械干涉结合。
在某些实施例中，所形成的接头是可逆的。例如，在某些实施例中，可将键重新加热至高于形状记忆聚合物的转变温度。然后，可将第一管道节相对于第二管道节而重新定位。在重新冷却该键之后，可以重新形成第一管道节和第二管道节之间的机械干涉结合。因此，管道接头的调节可需要最小的努力和返工，此不同于管道接合的现有方法（例如，粘合剂和焊接）–在现有方法中常常需要在新管道节中切割粘合剂或焊接接头并配入新的节段以跨接间隙。
在一些实施例中，本发明的方法和材料还提供用于重新装配管道网的方便方式。例如，在一些实施例中，可以重新加热用于将特定管道节保持在位的所述键，并且移除管道节。然后，可以将新的、相同或不同的管道节连同适当的键一起插入。然后，在激活新键的形状记忆聚合物之后，通过所得到的机械干涉配合，可以将新管道节稳固地保持就位。
实例
实例1。为制作原料催化剂溶液，将在氮气下经烘箱干燥的500mL烧瓶填装WCl6（2.00g,0.005mol,Sigma-Aldrich,St.Louis,Missouri）和约100mL甲苯（无水的，Sigma-Aldrich,St.Louis,MO)。搅拌该混合物1小时，同时用氮气吹扫。经由注射器加入壬基苯酚(1.1g,0.005mol,Sigma-Aldrich)，并在氮气吹扫下搅拌溶液4小时。然后采用注射器，加入2,4-戊二酮(0.77g,0.008mol,AcrosOrganics)，并且在氮气吹扫下搅拌溶液17小时。加入无水二环戊二烯（250mL，1.84mol，来自TCIAmerica，并且含有4%亚乙基降冰片烯）。将烧瓶置于60℃油浴中，并且在溶液上施加真空1.5小时以移除甲苯和其他包括一些二环戊二烯的挥发物。此时，另外加入二环戊二烯以使溶液的总重量回到高达250g，并且另外装入2,4-戊二酮(0.77g,0.008mol,AcrosOrganics)。
如下使用该原料催化剂溶液以制作反应性混合物A。将经烘箱干燥的125mL的锥形瓶用隔膜封盖并用氮气吹扫。使用注射器，加入5-亚乙基-2-降冰片烯(9.1mL,AcrosOrganics)、乙基三氯乙酸盐(0.08mL,AldrichChemical)和2.8mL上述原料催化剂溶液。
如下制备反应混合物B。将IRGANOX1010酚类氧化剂(0.22g,CibaSpecialtyChemicalCorp,Tarrytown,NY)置于经烘箱干燥的125mL锥形瓶中，然后用隔膜封盖并用氮气吹扫。加入亚乙基降冰片烯(8.3mL)和SANTICIZER261a邻苯二甲酸盐增塑剂(2.4mLFerroCorp.)，并且搅拌该混合物直至IRGANOX1010溶解。然后加入氯化二乙基铝(Sigma-Aldrich,St.Louis,MO)在二环戊二烯中的1.0mL的10体积%溶液。
合并反应性混合物A和B以形成呈弧形式的形状记忆聚合物。将反应性混合物A(11mL)装到注射器中。用反应性混合物B(11mL)填充单独的注射器。将这些注射器装入注射器泵中并且连接至静态搅拌器。在小于30秒的时间内，将两种溶液注射到内径4.8mm(0.19英寸)的软塑料管中。样品在固化时放热，然后从管中移除所得的形状记忆聚合物。
然后将聚合物杆切割成10.2cm（4英寸）长的多个节。这些节在120℃烘箱中加热，并且用手拉伸直至直径减小至2.3mm（0.09英寸），并且在冷却之后，它们保持该细长形状。然后环绕2.4cm（0.96英寸）直径铜管道配件将这些杆缠绕成三圈线圈，并且将该线圈的末端夹持在一起。然后，该线圈在70℃烘箱中加热10分钟。在冷却之后，将该线圈从管道配件上移除，并且保持其线圈形状。然后，该线圈被切割成约270度的弧，并且被砂磨以将其厚度减小至2.0mm（0.08英寸）而形成键。
然后将该键插入到位于铜管道耦合器的内侧上的键槽中。耦合器具有22.4mm（0.88英寸）的内孔，并且该耦合器中的键槽足够深，使得当该键处于键槽中时该键不阻碍该配件的孔。用管子切割器从一端绕整个周长6.4mm（0.25英寸）刻划外径为22.1mm（0.87英寸）的一件铜管道。然后使用锉刀来将该初始刻痕加宽成0.30mm（0.012英寸）深且1.8mm（0.07英寸）宽的键槽。然后，将管道插入到耦合器中，并且管道中的键槽靠近耦合器内的键槽并且使键设置于这些键槽之间。将该组件在150℃烘箱中加热5分钟。在冷却之后，将管道稳固地附接于耦合器内，并且管道不能从耦合器中用手移除。
为拆开该配合，将管道/耦合器组件在150℃烘箱中重新加热5分钟。当还很热时，用手从耦合器成功地拔出管道。移除该键，并且发现其变短且厚度已增加至3.8mm（0.15英寸）。
实例2。环绕1.6cm（0.62英寸）外径的铜管道将实例1中所述的一件2.3mm（0.09英寸）直径的细长的形状记忆聚合物杆缠绕成两圈线圈，并且该线圈的末端被夹持在一起。然后，用热风枪轻轻地加热该线圈，直至其明显地软化并环绕管道密闭。在冷却之后，将该线圈从管道配件上移除，并且保持线圈形状。然后，将该线圈切割成两个各约270度的键。
通过将两个外O形环密封件从其凹槽中移除但将两个内O形环密封件留在其凹槽中保持于就位上，改进内径为16.5mm（0.65英寸）的“StreamTech2”铜耦合器（得自MuellerIndustries）。然后，将形状记忆聚合物键插入到耦合器中的两个最外侧凹槽中（即键槽）。将聚合物键的内侧砂磨以移除突出到配件的孔中的任何聚合物。
用管子切割器从一端绕整个周长23mm（0.9英寸）刻划外径为15.7mm（0.62英寸）的两件铜管道。然后使用锉刀将这些初始孔加宽成约0.30mm（0.012英寸）深和1.8mm（0.07英寸）宽的键槽。然后，将管道插入到铜耦合器的各端中。管道中的键槽靠近耦合器内的外部凹槽（键槽），并且使键设置在它们之间。用热风枪将该组件加热45秒。在冷却之后，管道稳固地附接于耦合器内，并且不能用手移除。
将管道组件的末端各自连接至再循环水浴，并且穿过铜管道组件抽吸水。水的温度从25℃升高至80℃，并随后维持在80℃下30分钟。无水从管道组件中渗漏。
实例3。将直径为6mm（0.25英寸）的30.5cm（12英寸）长的ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）杆（得自PlasticsInternational,EdenPrairie,MN）在140℃烘箱中加热。然后，用手拉伸该杆并使其冷却，得到直径减小至3到4mm（0.12-0.16英寸）之间的细长的杆。环绕22.1mm（0.87英寸）外径的铜管道将该细长的杆缠绕成两圈线圈，并且线圈的末端被夹持在一起。然后，用热风枪轻轻地加热该线圈，直至其明显地软化并环绕管道密闭。在冷却之后，将该线圈从管道配件上移除，并且保持线圈形状。然后将该线圈切割成约270度的弧以形成键。
将该ABS形状记忆聚合物键插入到实例1中所用管道耦合器的键槽中。将聚合物键的内侧砂磨以移除突出到键槽外并进入配件的孔的任何聚合物。将来自实例1的管道插入到耦合器中，使得管道上的键槽与耦合器中的键槽对齐，并且将ABS形状记忆聚合物键设置在两个键槽之间。用热风枪将该组件加热90秒。在冷却之后，管道稳固地附接于耦合器内，并且不能用手移除。
为拆开该配合，用热风枪将管道/耦合器组件重新加热60秒。当还很热时，用手从耦合器成功拔出管道。移除形状记忆聚合物键，并且发现其变短超过30%。
在不脱离本发明范围和精神的前提下，本发明的各种修改和更改对本领域内的技术人员来说将是显而易见的。
Claims (23)
1.一种将第一管道节接合至第二管道节的方法，所述第一管道节包含相对于第一管道节的外表面凹陷的第一键槽，所述第二管道节包含相对于第二管道节的内表面凹陷的第二键槽，所述方法包括：
将所述第一管道节插入到所述第二管道节中；
使所述第一键槽与所述第二键槽对齐；
将包含具有第一转变温度的第一形状记忆聚合物的第一键设置在所述第一键槽和所述第二键槽之间，其中所述第一键具有长度和垂直于所述长度的横截面；
将所述第一键加热至高于所述第一转变温度；和
减小所述长度并扩张所述第一键的所述横截面，使得所述第一形状记忆聚合物填充所述第一键槽和所述第二键槽二者的一部分，从而在所述第一管道节和所述第二管道节之间形成机械干涉结合，
其中所述第一或第二键槽包含多个第一凹陷部，另一键槽包含第二凹陷部，其中使所述第一键槽与所述第二键槽对齐包括使所述第一凹陷部中的两个或更多个与所述第二凹陷部的至少一部分对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一形状记忆聚合物冷却至低于所述第一转变温度。
3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述第二管道节具有相对于所述第二管道节的所述内表面凹陷的第三键槽，其中所述方法还包括：
将第三管道节插入到所述第二管道节中，所述第三管道节包含相对于第三管道节的外表面凹陷的第四键槽；
使所述第三键槽与所述第四键槽对齐；
将包含具有第二转变温度的第二形状记忆聚合物的第二键设置在所述第三键槽和所述第四键槽之间；
将所述第二键加热至高于所述第二转变温度；和
减小所述第二键的长度并扩张所述第二键的横截面，使得所述第二形状记忆聚合物基本上填充所述第三键槽和所述第四键槽二者的一部分。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中在将所述第一管道节插入到所述第二管道节中之前，将所述第一键放置于所述第一管道节的所述第一键槽内。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中在将所述第一管道节插入到所述第二管道节中之前，将所述第一键放置于所述第二管道节的所述第二键槽内。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一键槽包含第一周向凹槽，所述第二键槽包含第二周向凹槽，并且所述第一键包含弧。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一键槽包含多个第一凹陷部，所述第二键槽包含多个第二凹陷部，并且所述第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物，其中使所述第一键槽与所述第二键槽对齐包括将所述第一凹陷部的至少一部分与所述第二凹陷部的至少一部分对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部，并且其中在所述第一键槽和所述第二键槽之间设置包含具有所述第一转变温度的所述第一形状记忆聚合物的所述第一键包括将至少一个段设置在两个或更多个成对的第一和第二凹陷部之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物，并且其中将包含具有所述第一转变温度的所述第一形状记忆聚合物的所述第一键设置在所述第一键槽和所述第二键槽之间包括将至少一个段设置在两个或更多个成对的第一和第二凹陷部之间。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中将所述第一键加热至高于所述第一转变温度包括将热气体引导至所述第二管道节处。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第二管道节还包含从所述第二管道节的所述内表面突出的阻挡件，并且其中将所述第一管道节插入到所述第二管道节中包括插入所述第一管道节直至所述第一管道节接触所述阻挡件。
11.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：将所述第一键重新加热至高于所述第一形状记忆聚合物的所述第一转变温度；相对于所述第二管道节来重新定位所述第一管道节；和在所述第一管道节和所述第二管道节之间重新形成机械干涉结合。
12.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：将所述第一键重新加热至高于所述第一形状记忆聚合物的所述第一转变温度；和从所述第二管道节中移除所述第一管道节。
13.一种根据权利要求1至12中任一项所述的方法制得的接合的管道组件。
14.一种接合的管道组件，包含：
第一管道节，包含相对于所述第一管道节的外表面凹陷的第一键槽；
第二管道节，包含相对于所述第二管道节的内表面凹陷的第二键槽；和
第一键，包含第一形状记忆聚合物；
其中所述第一管道节的至少一部分设置在所述第二管道节内部，使得所述第一键槽与所述第二键槽对齐，并且所述第一键位于所述第一键槽和所述第二键槽之间并且至少部分地填充所述第一键槽和所述第二键槽，并且
其中所述第一或所述第二键槽包含多个第一凹陷部，另一键槽包含第二凹陷部，其中所述第一键槽和所述第二键槽对齐，使得所述第一凹陷部中的两个或更多个与所述第二凹陷部对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部，并且其中所述形状记忆聚合物位于所述成对的第一和第二凹陷部之间并且至少部分地填充所述成对的第一和第二凹陷部。
15.根据权利要求14所述的接合的管道组件，其中所述第一键基本上填充所述第一键槽和所述第二键槽的与所述第一键的长度相对应的一部分。
16.根据权利要求14或15所述的接合的管道组件，其中所述第二管道节还包含相对于所述第二管道节的所述内表面凹陷的第三键槽，并且其中所述管道组件还包含第三管道节和第二键，所述第三管道节具有相对于所述第三管道节的外表面凹陷的第四键槽，所述第二键包含第二形状记忆聚合物，其中所述第三管道节的至少一部分设置在所述第二管道节的内部，使得所述第三键槽与所述第四键槽对齐，并且所述第二键位于所述第三键槽和所述第四键槽之间并且至少部分地填充所述第三键槽和所述第四键槽。
17.根据权利要求16所述的接合的管道组件，其中所述第二键基本上填充所述第三键槽和所述第四键槽二者的与所述第二键的长度相对应的部分。
18.根据权利要求13至15中任一项所述的接合的管道组件，其中所述第一键槽包含第一周向凹槽，所述第二键槽包含第二周向凹槽，并且所述第一键包含弧。
19.根据权利要求13至15中任一项所述的接合的管道组件，其中所述第一和所述第二键槽中的至少一个具有弧形横截面。
20.根据权利要求13至15中任一项所述的接合的管道组件，其中所述第一和所述第二键槽中的至少一个具有选自三角形、矩形或梯形的横截面。
21.根据权利要求13至15中任一项所述的接合的管道组件，其中所述第一键槽包含多个第一凹陷部，所述第二键槽包含多个第二凹陷部，并且所述第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物，其中所述第一键槽和所述第二键槽对齐，使得所述第一凹陷部的至少一部分与所述第二凹陷部的至少一部分对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部，并且其中包含所述形状记忆聚合物的所述段位于所述成对的第一和第二凹陷部之间并且至少部分地填充所述成对的第一和第二凹陷部。
22.根据权利要求13至15中任一项所述的接合的管道组件，其中所述第一或第二键槽包含多个第一凹陷部，另一键槽包含第二凹陷部，并且所述第一键包含多个段，每个段包含形状记忆聚合物，其中所述第一键槽和所述第二键槽对齐，使得所述第一凹陷部中的两个或更多个与所述第二凹陷部对齐以形成多个成对的第一和第二凹陷部，并且其中包含所述形状记忆聚合物的所述段位于所述成对的第一和第二凹陷部之间并且至少部分地填充所述成对的第一和第二凹陷部。
23.根据权利要求13至15中任一项所述的接合的管道组件，其中所述第一管道节与从所述第二管道节的所述内表面突出的阻挡件接触。
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