CN100485001C - 连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品及其共挤成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的复合材料型材制品及其共挤成型工艺，它是以硬质聚氨酯微泡为基体，以经过表面浸润剂处理的连续玻纤纱为增强材料，且连续玻纤纱在基体内的分布是呈单向连续相的，基体材料与增强材料占制品总重量的比例为：35-60%和40-65%。其共挤成型工艺包括：改性异氰酸酯和组合聚醚的配置；连续玻纤纱的梳理分散；玻纤纱连续地通过成型模具的共注腔、加热发泡固化区域和冷却定型区域，同时双组份聚氨酯原液均匀地浸润玻纤纱；共注体依次通过加热发泡固化区域和冷却定型区域得到连续的型材制品；定长切割。本发明所获得的产品除优良的机械性能外还具有不吸水，耐腐绝缘，使用寿命长等特点，可应用于铁路轨枕、集装箱壁板、建筑结构型材、运动器材等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种玻璃纤维增强热固性复合材料。尤其是涉及一种连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品及其共挤成型工艺。
背景技术
聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品种之一。它主要由有机异氰酸酯和多元醇化合物反应制得。根据所用的原料不同和配方的变化，可以制成软质、半硬质和硬质泡沫塑料等品种。硬质泡沫塑料方面：密度较小的主要用于保温材料，如冰箱、热水器和管道的保温；高密度聚氨酯硬质泡沫塑料也即所述的硬质聚氨酯微泡，具有天然木材可锯可刨可钉等性能，能用来制作仿木质的工艺品和装饰件，如画框、镜框以及汽车内饰件等。硬质聚氨酯泡沫塑料相对密度小、保温性能好、成型简便等优点是人们所熟知的，但是这种塑料与其他材料如硬木、玻璃钢相比，强度差得较多，限制了它的应用范围。如果将玻璃纤维增强材料加入到硬质聚氨酯泡沫塑料基体中，其强度可提高3～4倍。另外，玻璃纤维的长度不同则增强的效果也有明显的差异。短切纤维的增强已有一些应用，可以用作一些次结构件，如大客车的行李架、小车的顶棚内饰、建筑墙板等部件。但其强度还是较低，不能应用于某些承重结构件。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种可以进一步提高玻纤增强聚氨酯制品的强度与刚度的连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品及其共挤成型工艺。
本发明的目的是这样实现的：一种连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，其特征在于它以硬质聚氨酯微泡为基体，以经过表面浸润剂处理的连续玻纤纱为增强材料，且连续玻纤纱在基体内的分布是呈单向连续相的，所述基体材料与增强材料占制品总重量的比例为：基体材料35-60％，增强材料40-65％。
本发明连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，所述基体材料的原料主要由组合聚醚和改性异氰酸酯组成，
所述组合聚醚主要由聚醚、硅烷类匀泡剂、复合催化剂和发泡剂组成，
所述基体材料中各原料的重量组份为：
聚醚 100份
硅烷类匀泡剂 1.5-2.5份
复合催化剂 0.8-1.8份
发泡剂 2-9份
改性异氰酸酯 115-125份，
在聚氨酯基体密度相同的情况下，玻璃纤维的含量越高，则制品的密度越大，强度越高，但对基体材料的粘度要求越低，配方设计的难度也变大。经测算，当玻纤含量在50％左右时，制件的原材料直接费用较低。
所述的硬质聚氨酯微泡是指发泡倍数较低，也即发泡体密度较高的聚氨酯泡沫塑料，该配方的自由泡密度为150～270kg/m3。
本发明连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，所述改性异氰酸酯是在异氰酸酯化合物结构中引入1.5％～2.5％磷元素或适量的卤素，以改善制品的耐燃烧性能。
本发明连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，所述复合催化剂是胺类和有机锡类催化剂的组合，可以便于更好地调控发泡固化反应的速率，两者的组合重量比为胺类催化剂：有机锡类催化剂＝1：1～3.5。
本发明连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，采用苯胺甲基三甲氧基硅烷偶联剂对玻纤纱表面进行处理，使界面的结合显著改善，增强的效果明显提高。
本发明连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品的共挤成型工艺，该工艺主要包括以下工艺步骤：
1)、改性异氰酸酯和按配方制备好的组合聚醚分别加入两原料贮罐中，并对两原料贮罐采用水浴加热，
2)、连续玻纤纱先经过烘道去除表面吸附水分，再通过梳理机进行梳理分散后使之呈单丝状均匀分布，
3)、在牵引装置的牵引下分散后的玻纤纱连续地通过成型模具的浸胶室即共注腔、加热发泡固化区域和冷却定型区域，同时组合聚醚和改性异氰酸酯双组份经高压发泡机混合后得到的聚氨酯原液在成型模具共注腔的注料口通过机械手控制的自动移动扫描装置均匀地浸润玻纤纱，使出料、浸胶保持均匀状态，
4)、玻纤纱与聚氨酯原液的共注体依次通过成型模具的加热发泡固化区域和冷却定型区域，使共注体发泡固化定型从而得到连续的型材制品，
5)、采用红外自动跟踪测长切断机对型材制品进行定长的切割。
本发明连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品的共挤成型工艺，所述两原料贮罐水浴温度25±3℃，使原料控制在基本恒温状态以保持料的粘度，从而保证产品的质量和一致性；所述玻纤纱烘道温度80±5℃，成型模具加热发泡固化区域温度60±2℃，冷却定型区域温度17±3℃，牵引线速度2.0±0.2m/min。
本发明连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，该制品用于铁路轨枕、集装箱壁板、建筑结构型材或运动器材。
本发明的材料属于一种热固性复合材料。对复合材料而言，制品的性能主要取决于基体材料和增强材料的选择、工艺路线的制定和实施以及界面的处理三个方面。
一、考虑到本发明的材料主要的应用方向是承重结构件，因此基体材料要做成高密度微泡结构的泡沫塑料，这样粘度很低的发泡剂用量较用于保温材料的相比，必须大大减少，从而造成物料体系粘度增大，对玻纤纱的浸润不利。所以，本发明通过尽量选用低粘度原料、生产时双组份水浴加温等办法来解决这一问题。另外考虑到纯聚氨酯的阻燃性能较差，而结构型材通常都有阻燃的要求，因此在异氰酸酯化合物结构中引入磷元素或卤素，以改善制品的耐燃烧性能。
二、针对与聚氨酯泡沫塑料基体的结合，选用合适的玻璃纤维表面处理剂，使两者的界面结合优良，提高增强效果。
三、通过玻璃纤维梳理机对玻纤纱进行梳理使之分散后呈单丝状均匀分布，以保证聚氨酯原液浸润的充分性和均匀性，并在梳理前将纱表面的吸附水分烘干以免影响发泡固化反应和界面结合。
四、通过专门的设备和装置使聚氨酯双组份料搅拌后得到的原液连续地浸润经梳理分散干燥过的连续玻纤纱，采用共挤成型的方法，使制品的生产能够连续化。
通过不同的试验方案所做成的样件或成品，发明人都进行了性能测试。从测试结果分析，认为硬质聚氨酯微泡基体材料经连续玻纤纱增强后，机械性能和热性能均有大幅度提高，可以作为承重结构件使用。下表为不同玻纤含量，不同密度的该类材料的性能比较表：
| 玻纤含量％ | 0 | 41 | 46 | 52 | 60 | 测试标准 |
| 制品密度g/cm<sup>3</sup> | 0.50 | 0.56 | 0.68 | 0.74 | 0.81 | GB1033-86 |
| 拉伸强度Mpa | 12 | 59 | 78 | 83 | 94 | ASTMD638 |
| 拉伸模量Mpa | 677 | 6152 | 8900 | 9240 | 10208 | ASTMD638 |
| 弯曲强度Mpa | 15 | 76 | 103 | 117 | 132 | ASTMD790 |
| 弯曲模量Mpa | 1460 | 6875 | 10109 | 12238 | 13565 | ASTMD790 |
| 冲击强度KJ/m<sup>2</sup> | 8 | 40 | 57 | 69 | 86 | ISO-180-1993(E) |
| 热变形温度℃ | 59 | 70 | 82 | 95 | 104 | ISO-75-1987(E) |
本发明以玻纤连续相的形式增强硬质聚氨酯微泡的复合材料，在短切玻纤增强的基础上，其机械性能尤其是拉伸强度、弯曲强度会有较大幅度的提高。从而应用于某些承重结构件。值得一提的是：制品密度相同的情况下，玻纤增强的聚氨酯泡沫塑料制品与纯聚氨酯泡沫塑料相比，机械性能提高的同时材料的成本反而下降，使产品的性价比得到提高。
本发明所获得的产品除优良的机械性能外还具有不吸水、耐腐绝缘、使用寿命长等特点，并具备天然木材的加工性能。
附图说明
图1为本发明硬质聚氨酯微泡与连续玻纤纱共挤成型的工艺流程图。
图2为本发明硬质聚氨酯微泡与连续玻纤纱共挤成型的工艺流程方框图。
图中：玻纤纱1、烘道2、导板I 3、玻纤纱梳理机4、导板II 5、成型模具6、原料储罐I 7、原料储罐II 8、计量泵I 9、计量泵II10、高压发泡机11、同步牵引装置12、切割装置13、型材制品14、成品15、共注腔6.1、加温发泡固化区6.2、冷却定型区6.3、水夹套7.1、搅拌头11.1。具体实施方式
参见图1：合成轨枕
(1)基体材料的制备
异氰酸酯加入2.2％磷进行改性后装入储罐。
组合聚醚的配制：聚醚 100份
三乙醇胺 0.3份
丁基辛酸亚锡 1.0份
硅油 2份
发泡灵 2.5份
防老剂 0.2份
按上述配方准确计量后在反应釜中混合1小时后出料装罐。
改性异氰酸酯与组合聚醚重量比为1.05：1，通过高压发泡机的自动计量系统进行设定。
(2)增强材料：采用苯胺甲基三甲氧基硅烷偶联剂进行表面处理的无碱无捻连续玻纤粗纱。所述基体材料与增强材料占制品总重量的比例为：基体材料50％，增强材料50％。
(3)制造工艺：
1)、改性异氰酸酯和按配方制备好的组合聚醚分别加入两原料贮罐中，并对两原料贮罐采用水浴加热，
2)、连续玻纤纱先经过烘道去除表面吸附水分，再通过梳理机进行梳理分散后使之呈单丝状均匀分布，
3)、在牵引装置的牵引下分散后的玻纤纱连续地通过成型模具的浸胶室即共注腔、加热发泡固化区域和冷却定型区域，同时组合聚醚和改性异氰酸酯双组份经高压发泡机混合后得到的聚氨酯原液在成型模具共注腔的注料口通过机械手控制的自动移动扫描装置均匀地浸润玻纤纱，使出料、浸胶保持均匀状态，
4)、玻纤纱与聚氨酯原液的共注体依次通过成型模具的加热发泡固化区域和冷却定型区域，使共注体发泡固化定型从而得到连续的型材制品，
5)、采用红外自动跟踪测长切断机对型材制品进行定长的切割。
工艺参数：两原料贮罐水浴温度25±3℃，玻纤纱烘道温度80±5℃，成型模具加热发泡固化区域温度60±2℃，冷却定型区域温度17±3℃，牵引线速度2.0±0.2m/min。
制品截面尺寸为220×140。
(4)主要物理性能：制品密度0.75g/cm3，玻纤含量55％，弯曲强度132Mpa，弯曲模量11027Mpa，冲击强度83KJ/m2。
按上述方法制造的合成轨枕能替代原木质或混凝土轨枕，预计使用寿命可以长达60年以上，长期经济评估可节约经费30％左右。
实施例2：集装箱壁板
(1)基体材料的配制
组合聚醚的配方：聚醚 100份
三亚乙基二胺 0.8份
辛酸亚锡 1.0份
硅油 2份
发泡灵 4.7份
防老剂 0.1份
配制及其它参照实例1
(2)增强材料：参照实例1
(3)制品工艺：参照实例1，截面尺寸为1000×16。
(4)主要物理性能：制品密度0.58g/cm3，玻纤含量49％，弯曲强度81Mpa，弯曲模量7930Mpa，冲击强度60KJ/m2。
该板材具有优良的机械性能、耐水防腐性能和尺寸稳定性，是一种以塑代钢、以塑代木的轻质结构复合材料板材，应用前景良好。
Claims (5)
1、一种连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，其特征在于它是以硬质聚氨酯微泡为基体，以经过表面浸润剂处理的连续玻纤纱为增强材料，且连续玻纤纱在基体内的分布是呈单向连续相的，所述基体材料与增强材料占制品总重量的比例为：基体材料35-60％，增强材料40-65％，
所述基体材料的原料主要由组合聚醚和改性异氰酸酯组成，
所述组合聚醚主要由聚醚、硅烷类匀泡剂、复合催化剂和发泡剂组成，
所述基体材料中各原料的重量组份为：
聚醚 100份
硅烷类匀泡剂 1.5-2.5份
复合催化剂 0.8-1.8份
发泡剂 2-9份
改性异氰酸酯 115-125份，
所述改性异氰酸酯是在异氰酸酯化合物结构中引入1.5％～2.5％磷元素。
2、根据权利要求1所述的一种连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，其特征在于所述复合催化剂是胺类和有机锡类催化剂的组合，两者的组合重量比为胺类催化剂：有机锡类催化剂＝1：1～3.5。
3、根据权利要求1所述的一种连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品，其特征在于采用苯胺甲基三甲氧基硅烷偶联剂对玻纤纱表面进行处理。
4、一种如权利要求1所述的连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品的共挤成型工艺，其特征在于该工艺主要包括以下工艺步骤：
1)、改性异氰酸酯和按配方制备好的组合聚醚分别加入两原料贮罐中，并对两原料贮罐采用水浴加热，
2)、连续玻纤纱先经过烘道去除表面吸附水分，再通过梳理机进行梳理分散后使之呈单丝状均匀分布，
3)、在牵引装置的牵引下分散后的玻纤纱连续地通过成型模具的浸胶室即共注腔、加热发泡固化区域和冷却定型区域，同时组合聚醚和改性异氰酸酯双组份经高压发泡机混合后得到的聚氨酯原液在成型模具共注腔的注料口通过机械手控制的自动移动扫描装置均匀地浸润玻纤纱，
4)、玻纤纱与聚氨酯原液的共注体依次通过成型模具的加热发泡固化区域和冷却定型区域，使共注体发泡固化定型从而得到连续的型材制品，
5)、采用红外自动跟踪测长切断机对型材制品进行定长的切割。
5、根据权利要求4所述的连续玻纤纱增强硬质聚氨酯微泡的型材制品的共挤成型工艺，其特征在于所述两原料贮罐水浴温度25±3℃，玻纤纱烘道温度80±5℃，成型模具加热发泡固化区域温度60±2℃，冷却定型区域温度17±3℃，牵引线速度2.0±0.2m/min。
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