CN101053961A - 三维立体夹芯承力复合板的制备方法 - Google Patents

三维立体夹芯承力复合板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维立体夹芯承力复合板的制备方法，首先在轻质芯材的上下分别铺上上面板内层和下面板内层形成预编织体；然后采用立体编织工艺将上面板内层、轻质芯材和下面板内层编织在一起形成三维立体夹芯结构体；然后分别在上面板内层和下面板内层铺上上面板外层和下面板外层，形成预成型体；最后采用真空成型工艺将酚醛树脂导入预成型体内，且保持0.05～0.09MPa的真空度，在20℃～200℃温度条件下固化0.5～5h后取出，经打磨、去边处理，即制得高阻燃三维立体夹芯承力复合板。采用本发明的制备方法，有效地解决了普通复合板易分层、承力差、金属复合板易腐蚀、树脂基复合板阻燃性差等问题。使夹芯复合板可以用于高剪切和高压缩应用的场合，扩大了应用的领域和范围。

Description

三维立体夹芯承力复合板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高承力性能且为三维立体夹芯结构的复合板，及其采用立体编织工艺、真空辅助RTM成型工艺制备复合板的方法。
背景技术
复合板一般由上面板、芯材(放置在上、下面板之间的位置)和下面板组成，其制备方法一般将上面板与芯材与下面板先胶粘在一起，然后采用热压成型技术压制成所需结构特征的复合板进行成品销售。采用胶粘、热压成型制备得到的复合板存在着上、下面板与芯材的结合处易产生分层缺陷。其复合板的分层结合处不牢固时不仅会使产品的整体强度差，还会由于存在缝隙会使产品吸水率增加之后造成芯材隔热效果的降低；同时，在环境温度较低的状况下芯材因冻胀使分层结合处脱开。上、下面板由于温度变化也会导致复合板变形等问题。
用复合板作为轨道车辆的地板或壁板，一旦结合处发生分层，在高速运行过程中发生摩擦易产生噪音，影响车厢内的视听环境；用于舰船的地板或壁板，结合处发生分层，海水浸入地板或壁板，加大了腐蚀，缩短了舰船的使用周期，同时也增加了舰船的重量。
发明内容
本发明的目的是提出一种制备三维立体夹芯承力复合板的方法，采用立体编织工艺将与轻质芯材接合的两个内层编织在一起，解决了复合板易分层的缺陷；采用真空辅助RTM(树脂传递模塑Resin Transfer Moulding)成型工艺将酚醛树脂浸入预成型复合板内，增强了支承结构的纤维束与纤维束之间的剪力，有效地提高了本发明制备得到的复合板的承重力。
本发明的一种三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其有下列制备步骤：
第一步，选取8～40mm厚的轻质芯材，并在所述轻质芯材的下方铺上0.1～5.0mm厚的下面板内层，在所述轻质芯材的上方铺上0.1～5.0mm厚的上面板内层，形成预编织体；
第二步，采用立体编织工艺在第一步中形成的预编织体的厚度方向上织入承力柱形成三维立体夹芯结构体；
第三步，在第二步中形成的三维立体夹芯结构体的上方铺上0.1～5.0mm厚的上面板外层，在三维立体夹芯结构体的下方铺上0.1～5.0mm厚的下面板外层，形成预成型体；
第四步，采用真空辅助RTM成型工艺将树脂导入第三步中形成的预成型体内，且保持0.05～0.09Mpa的真空度，在20℃～200℃温度条件下固化0.5～5h，然后经打磨、去边处理，即制得三维立体夹芯承力复合板。
所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法中选取的原材料有：轻质芯材为酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫或者交联PVC泡沫；所述树脂为酚醛树脂、不饱和树脂、环氧树脂或者双马树脂；上面板内层、下面板内层、上面板外层和下面板外层为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或聚酯纤维制成的二维织物或三维织物；承力柱为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或聚酯纤维的纤维束，承力柱直径为0.8～10mm，设有2000～20000个/m2。
所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其制得的复合板平压强度为4.6～15.3MPa，弯曲强度16.8～45.8MPa，冲击强度大于100KJ/m2。
本发明制备一种三维立体夹芯承力复合板的方法的优点在于：(1)采用立体编织工艺成型的承力柱，形成了高抗分层性能及高承力性能的复合板夹芯材料体系的一部分，有效地阻止了与芯材接合处分层的问题；(2)采用真空辅助RTM工艺浸入树脂，使得树脂浸润均匀，树脂含量稳定，在密闭空间中完成树脂浸润，不会向大气散发有害气体污染环境；(3)本发明提出的制备方法能够节约原材料消耗，制备过程中可以根据施工要求选取轻质芯材的尺寸，该尺寸为本发明复合板的主参量，并根据该主参量分别选取面板内层和外层；制备结束后只需对复合板的外部进行常规的打磨、去边处理即为可供销售的成品；(4)对于轻质芯材选取酚醛泡沫材料，使本发明复合板有效地起到了高阻燃，低烟低毒的特性；(5)承力柱是采用编织工艺与芯材成为一整体结构，其具有了高抗分层特性；(6)树脂的浸入有效地提高了本发明复合板的防水防腐功能等特性。
附图说明
图1是采用本发明方法制备得到的复合板的剖视图。
图中：1.轻质芯材    2.上面板内层    3.上面板外层    4.下面板内层5.下面板外层    6.承力柱
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种制备三维立体夹芯承力复合板的方法，有下列制备步骤：
第一步，选取8～40mm厚的轻质芯材1，并在所述轻质芯材1的下方铺上0.1～5.0mm厚的下面板内层4，在所述轻质芯材1的上方铺上0.1～5.0mm厚的上面板内层2，形成预编织体；
第二步，采用立体编织工艺在第一步中形成的预编织体的厚度方向上织入承力柱6形成三维立体夹芯结构体；
第三步，在第二步中形成的三维立体夹芯结构体的上方铺上0.1～5.0mm厚的上面板外层3，在三维立体夹芯结构体的下方铺上0.1～5.0mm厚的下面板外层5，形成预成型体；
第四步，采用真空辅助RTM成型工艺将树脂导入第三步中形成的预成型体内，且保持0.05～0.09Mpa的真空度，在20℃～200℃温度条件下固化0.5～5h，然后经打磨、去边处理，即制得三维立体夹芯承力复合板。根据产品使用环境温度的不同，会选取不同温度条件下的树脂，由于树脂的合成反应条件不同，所得树脂的固化温度也不同。制备得到的三维立体夹芯承力复合板中其上面板内2和上面板外层3(或下面板内4和下面板外层5)中浸润树脂的含量占上面板内2和上面板外层3(或下面板内4和下面板外层5)整体重量的百分比，经测试树脂含量为30～50％。
在本发明中，第二步中采用立体编织工艺选用日本HASHIMA株式会社制造的型号为HSQ-100DC设备，是将上面板内层2、轻质芯材1和下面板内层4叠加成叠层结构后进行立体编织织入承力柱6(纤维束)。第四步中采用真空辅助RTM成型工艺选用美国格拉斯公司制造的型号为SPARTAN-RTM设备，是将树脂导入第三步中形成的预成型体中，且保持0.05～0.09Mpa的真空度，并在20℃～200℃温度条件下固化0.5～5h，形成三维立体夹芯承力复合板。
在上述制备方法中可供选取的原材料为：轻质芯材1为酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫或者交联PVC泡沫；所述树脂为酚醛树脂、不饱和树脂、环氧树脂或者双马树脂；上面板内层2、下面板内层4、上面板外层3和下面板外层5为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或聚酯纤维制成的二维织物或三维织物；承力柱6为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或聚酯纤维的纤维束，承力柱直径为0.8～10mm，设有2000～20000个/m2。
经本发明的制备方法获得的复合板，其结构特征为：承力柱6(纤维束)是穿过叠加的上面板内层2、轻质芯材1和下面板内层4的，承力柱6可以是有规则的织入，也可以是无规则的织入，其织入的多个承力柱6可以是在产品厚度方向上均匀设置的构图，也可以根据使用要求进行不规则分布。上面板内层2、下面板内层4、上面板外层3和下面板外层5的大小与轻质芯材1适配。上面板内层2与上面板外层4，下面板内层3与下面板外层5之间的结合是通过采用真空辅助RTM成型工艺导入的树脂浸润后在一定温度条件下同时固化来连成一体的。
本发明制备方法中引入的立体编织工艺为常规纺织业中的编织技术，采用立体编织工艺克服了目前粘接制作复合板技术中造成的芯材与外层经一段使用时间后易分层的问题。
为了对本发明制备得到的复合板进行抗压力测试，下面将列举例子进行说明。测试设备有万能实验机CMT5504(深圳新三思公司制造)，冲击试验机CJ-25(深圳新三思公司制造)，氧指数试验仪JF-3(南京江宁分析仪器厂制造)，马弗炉SX-8-10(天津中簧制造)。
实施例1：制备传统玻璃纤维夹芯结构复合板
复合板结构               选用原材料
上面板外层3 玻璃纤维毡30g/m2+二维玻璃纤维织物2000g/m2；
上面板内层2 二维玻璃纤维织物500g/m2；
下面板内层4 二维玻璃纤维织物500g/m2；
下面板外层5 玻璃纤维毡30g/m2+二维玻璃纤维织物2000g/m2；
轻质芯材1 酚醛泡沫，密度0.08±0.002g/cm3；
树脂含量 36.2％。
复合板加工尺寸以轻质芯材1的长、宽为一参照量，在本实例中，截取酚醛泡沫轻质芯材1的尺寸1200×2400×20mm，上面板外层3和下面板外层5的厚度分别为2.5mm，下面板内层4和上面板内层2的厚度分别为0.5mm。
制备方法为：将下面板外层5平铺于一加工板(是HSQ-100DC设备的一部分)上，按照叠加铺层模式在其上方铺下面板内层4、酚醛泡沫轻质芯材1、上面板内层2和上面板外层3；铺层结束后，采用真空辅助RTM成型工艺，且在0.075Mpa的真空度使酚醛树脂对玻璃纤维材料进行浸润，待浸润完毕后，加温至60℃，保持该温度1.5h，使树脂固化。经打磨、去边处理，制得无承力柱结构的传统夹芯复合板。
经测试上述传统夹芯复合板的性能为：平压强度0.42MPa，弯曲强度3.7MPa，冲击强度9.6KJ/m2，氧指数67.1％。
实施例2：制备玻璃纤维高阻燃三维立体夹芯承力复合板
复合板结构             选用原材料
上面板外层3 玻璃纤维毡30g/m2+二维玻璃纤维织物2000g/m2；
上面板内层2 二维玻璃纤维织物500g/m2；
下面板内层4 二维玻璃纤维织物500g/m2；
下面板外层5 玻璃纤维毡30g/m2+二维玻璃纤维织物2000g/m2；
轻质芯材1 酚醛泡沫，密度0.08±0.002g/cm3；
树脂含量 36.5％；
承力柱6 4800TEX玻璃纤维束。
复合板加工尺寸以轻质芯材1的长、宽为一参照量，在本实例中，截取无粉化型酚醛泡沫轻质芯材1的尺寸1200×2400×20mm，上面板外层3和下面板外层5的厚度分别为2.5mm，下面板内层4和上面板内层2的厚度分别为0.5mm。
制备方法为：将下面板内层4平铺于一加工板(是HSQ-100DC设备的一部分)上，并在其上方铺酚醛泡沫轻质芯材1和上面板内层2，形成预编织体；采用立体编织工艺在上述预编织体的厚度方向上织入均匀布局的承力柱6(4800TEX玻璃纤维束，承力柱6直径3.1mm，设有4000个/m2)形成三维立体夹芯结构体；然后在三维立体夹芯结构体的上下分别铺上面板外层3和下面板外层5，铺层结束后，采用真空辅助RTM成型工艺，且在0.075MPa的真空度使酚醛树脂对玻璃纤维材料进行浸润，待浸润完毕后，加温至60℃，保持该温度5h，使树脂固化，经打磨、去边处理，制得玻璃纤维高阻燃三维立体夹芯承力复合板。
经测试上述玻璃纤维高阻燃三维立体夹芯承力复合板的性能为：平压强度6.3MPa，弯曲强度20.2MPa，冲击强度大于100KJ/m2，氧指数71.0％。
在本实例中，轻质芯材1选取酚醛泡沫，导入的树脂为酚醛树脂，制备得到的复合板材料体系具有最低的导热系数，最优的阻燃性能，经测试其氧指数(OI)＞65.0，烟密度等级(SDR)＜8，耐温性好，在-196～180℃范围内，导热系数为0.03w/(m.k)。酚醛树脂选取国营常熟塑料厂生产的型号为NR9430。
实施例3：制备碳纤维三维立体夹芯承力复合板
复合板结构                选用原材料
上面板外层3 碳纤维毡30g/m2+二维碳纤维织物2000g/m2；
上面板内层2 二维碳纤维织物500g/m2；
下面板内层4 二维碳纤维织物500g/m2；
下面板外层5 碳纤维毡300g/m2+二维碳纤维织物2000g/m2；
轻质芯材1 交联PVC泡沫，密度0.05±0.002g/cm3；
树脂含量 36.5％；
承力柱6 2400TEX碳纤维束。
尺寸与实施例2相同，制备方法中，导入的树脂为不饱和树脂，承力柱6直径1.2mm，设有8000个/m2承力柱6，固化温度为150℃，保持该温度2h，其它工艺与实施例2相同。
经测试上述碳纤维三维立体夹芯承力复合板的性能为：平压强度15.3MPa，弯曲强度45.8MPa，冲击强度大于100KJ/m2，氧指数36.7％。
实施例4：制备芳纶纤维三维立体夹芯承力复合板
复合板结构               选用原材料
上面板外层3 芳纶纤维毡30g/m2+二维芳纶纤维织物2000g/m2；
上面板内层2 二维芳纶纤维织物500g/m2；
下面板内层4 二维芳纶纤维织物500g/m2；
下面板外层5 芳纶纤维毡30g/m2+二维芳纶纤维织物2000g/m2；
轻质芯材1 聚氨酯泡沫，密度0.06±0.002g/cm3；
树脂含量 36.5％；
承力柱6 4800TEX芳纶纤维束。
尺寸与实施例2相同，制备方法中，承力柱6直径2.3mm，设有2500个/m2承力柱6，固化温度为80℃，保持该温度4h，其它工艺与实施例2相同。
经测试上述芳纶纤维三维立体夹芯承力复合板的性能为：平压强度9.7MPa，弯曲强度31.6MPa，冲击强度大于100KJ/m2，氧指数34.1％。
实施例5：制备玻璃纤维三维立体夹芯承力复合板
复合板结构               选用原材料
上面板外层3 聚酯纤维毡30g/m2+三维聚酯纤维织物2000g/m2；
上面板内层2 三维聚酯纤维织物500g/m2；
下面板内层4 三维聚酯纤维织物500g/m2；
下面板外层5 聚酯纤维毡30g/m2+三维聚酯纤维织物2000g/m2；
轻质芯材1 聚乙烯泡沫，密度0.08±0.002g/cm3；
树脂含量 36.5％；
承力柱6 9600TEX玻璃纤维束。
尺寸与实施例2相同，制备方法中，导入的树脂为环氧树脂，承力柱6直径6mm，设有2000个/m2承力柱6，固化温度为150℃，保持该温度4h，其它工艺与实施例2相同。
经测试上述碳纤维高阻燃三维立体夹芯承力复合板的性能为：平压强度10.2MPa，弯曲强度29.6MPa，冲击强度大于100KJ/m2，氧指数22.7％。
采用本发明的制备方法，有效地解决了普通复合板易分层、承力差、金属复合板易腐蚀、树脂基复合板阻燃性差等问题。使夹芯复合板可以用于高剪切和高压缩应用的场合，扩大了应用的领域和范围。

Claims (8)

1、一种三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于有下列制备步骤：
第一步，选取8～40mm厚的轻质芯材(1)，并在所述轻质芯材(1)的下方铺上0.1～5.0mm厚的下面板内层(4)，在所述轻质芯材(1)的上方铺上0.1～5.0mm厚的上面板内层(2)，形成预编织体；
第二步，采用立体编织工艺在第一步中形成的预编织体的厚度方向上织入承力柱(6)形成三维立体夹芯结构体；
第三步，在第二步中形成的三维立体夹芯结构体的上方铺上0.1～5.0mm厚的上面板外层(3)，在三维立体夹芯结构体的下方铺上0.1～5.0mm厚的下面板外层(5)，形成预成型体；
第四步，采用真空辅助RTM成型工艺将树脂导入第三步中形成的预成型体内，且保持0.05～0.09Mpa的真空度，在20℃～200℃温度条件下固化0.5～5h，然后经打磨、去边处理，即制得三维立体夹芯承力复合板。
2、根据权利要求1所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于：所述轻质芯材(1)为酚醛泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫或者交联PVC泡沫。
3、根据权利要求1所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于：所述树脂为酚醛树脂、不饱和树脂、环氧树脂或者双马树脂。
4、根据权利要求1所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于：所述上面板内层(2)和所述下面板内层(4)为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或聚酯纤维制成的二维织物或三维织物。
5、根据权利要求1所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于：所述上面板外层(3)和所述下面板外层(5)为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或聚酯纤维制成的二维织物或三维织物。
6、根据权利要求1所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于：所述承力柱(4)为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维或聚酯纤维的纤维束，其直径为0.8～10mm，承力柱(4)设有2000～20000个/m2。
7、根据权利要求1所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于：制得的复合板平压强度为4.6～15.3MPa，弯曲强度16.8～45.8MPa，冲击强度大于100KJ/m2。
8、根据权利要求1所述的三维立体夹芯承力复合板的制备方法，其特征在于：所述树脂为酚醛树脂和所述轻质芯材(1)为酚醛泡沫的复合板的氧指数65.0～71.0％。
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