CN101100121A - 一种金属-聚氨酯-金属夹层板材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种金属-聚氨酯-金属夹层板材及其制造方法。夹层板芯材采用密实型聚氨酯弹性体，由聚合物多元醇A与异氰酸酯B反应制得，即将A与B按质量比100∶50～90比例于20～40℃混合均匀；并采用先快后慢的两步法浇注，即根据夹心板尺寸大小，开始以150～240Kg/min的速度浇注至空腔2/3～4/5位置时，再以50～100Kg/min的速度浇注至空腔满；室温固化后即为一种由性能优良，芯材与金属板内表层牢固粘接而形成的金属-聚氨酯-金属夹层板材。本发明采用室温固化工艺，可进行现场施工，灵活、方便、简单，适用性广。设备投入少，易于实现工业化生产。该夹层板可用作船舶、桥梁、渡桥、高层建筑等结构材料。

Description

一种金属-聚氨酯-金属夹层板材及其制造方法
技术领域
本发明涉及复合结构材料，更具体地说涉及一种可用作结构材料的金属-聚氨酯-金属夹层板材及其制造方法。
技术背景
聚氨酯-金属夹层板是在两层金属板之间注入聚氨酯弹性体，由聚氨酯弹性体芯材与金属内表层牢固粘接而形成的金属、聚氨酯弹性体、金属复合结构。与钢板相比，该夹层板材具有结构简单、重量轻、加工方便、抗冲击、耐疲劳、减震、消音、隔热等优点，可作为能承受较大外力的结构组件，替代钢质构件应用于船舶、桥梁、渡桥、高层建筑、地下工程、道路工程等领域，具有广泛的应用前景，为此受到国内外研发人员的高度关注。例如中国专利00806796.1公开了由聚异氰酸酯加聚产物组成的复合零部件，该专利为克服现有技术中金属板与聚合物之间易发生分离的现象，采用聚异氰酸酯加聚产物含有0.1～50％的至少一种气体，可避免聚合物的收缩及由此引起的金属板与聚合物之间粘附力的损伤。但气体的存在会在上下金属板之间存在无效空间而影响夹层材料的结构强度，导致该复合件不能充当结构材料使用。中国专利99807065.3介绍了包含密实型多异氰酸酯加聚产物的复合体组件。该技术仍存在以下不足：(1)为了达到复合体组件的阻燃要求，需要加入5～50％重量的阻燃剂。为了降低复合体组件聚氨酯芯材的热膨胀系数，需要加入10～70％重量的填料。由于这些阻燃剂和填料大部分为固体物质，熔点较高，有些是无机物，基本上不熔不溶。这些添加的材料以固体形式存在于液态的多元醇中，极易沉降，造成多元醇组分不均匀而影响芯材性能。甚至会导致管道堵塞而不能正常施工；(2)为了保障聚氨酯芯材与金属面板粘接牢固，金属板使用前需要喷砂处理，该技术受复合体组件尺寸和施工形式的限制，在复合体组件尺寸大和现场施工的条件下，该工艺无法正常实施；(3)为了保证芯材聚氨酯的性能，需要在50～150℃下反应。该反应条件增加了现场施工的难度，在实际操作中，特别是大型结构件的制作中，该温度条件是难以达到的，即使能达到也要消耗大量的能源，且需要增添额外的辅助设备；(4)该技术在浇注过程中采用同一浇注速度，由于浇注量通常为200Kg/min左右，浇注速度比较快，容易造成排气口排气不顺而产生气泡，同时也由于浇注速度快，浇注料与金属面板的冲击也容易产生气泡。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述聚氨酯-金属复合体组件的不足之处，通过改进芯材的配方，提出一种由性能优良，聚氨酯体系组成均匀的聚氨酯弹性体作芯材，并与金属板内表层牢固粘接而形成的金属-聚氨酯-金属夹层板材。该夹层板可用作船舶、桥梁、渡桥、高层建筑等结构材料。
本发明的另一个目的是提供一种成型工艺简单，聚氨酯弹性体芯材与金属板内表层粘接牢固，并设备投资少，容易工业化的金属-聚氨酯-金属夹层板材的制造方法。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种金属-聚氨酯-金属夹层板材，选用该领域通用的金属材料作为上下面板，根据使用条件的不同选择其种类、厚度，厚度在4～50mm之间；夹层板芯材采用密实型聚氨酯弹性体，该聚氨酯弹性体由聚合物多元醇A与异氰酸酯B反应制得，厚度在20～120mm之间。
聚合物多元醇A由占A总质量60～80％的四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚、10～40％的阻燃聚醚和3～10％的醇类扩链剂组成；异氰酸酯B由占B总质量70～95％的二异氰酸酯和5～30％的多异氰酸酯组成。
所述四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚和阻燃聚醚优选平均官能度为1.5～3之间，分子量为500～1500之间。
所述二异氰酸酯优选液化二苯基甲烷二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯，所述多异氰酸酯优选多亚甲基多苯基异氰酸酯、TDI三聚体或三苯基甲烷三异氰酸酯。
本发明金属-聚氨酯-金属夹层板材的制造方法，包括下列步骤：
先将金属板内表面打磨，清洁干净，然后将金属板平行固定，两板之间的间距在20～120mm范围内，四周密封形成浇注空腔；
然后将聚合物多元醇A与异氰酸酯B按质量比100∶50～90比例于20～40℃混合均匀，并采用先快后慢的两步法浇注工艺浇注到空腔中，根据夹心板尺寸大小，开始采用150～240Kg/min的速度浇注至空腔2/3～4/5位置时，再采用50～100Kg/min的速度浇注，直到空腔浇注满，室温固化3～5小时后即成为制品。
与现有聚氨酯-金属复合体组件相比，本发明的夹层板材的聚氨酯配方体系均匀、加工适用性广、粘接牢固、芯材气泡少、芯材成型收缩小等优点，优点分述如下：
1、芯材聚氨酯配方合理，体系均匀，不分层、不沉降
本发明采用添加阻燃聚醚的方法来提高芯材聚氨酯材料的阻燃性能。同时使用多异氰酸酯增加体系的交联密度，降低热膨胀系数。配方体系中不使用固体物质，且各成分的比重接近，体系均匀，在加工条件下不分层、不沉降。
2、金属-聚氨酯-金属夹层板材的强度高，性能好，聚氨酯芯材与金属面板粘接性能好
由于本发明采用的多异氰酸酯作为聚氨酯体系羟基组分的交联剂，可提高聚氨酯芯材与金属面板的粘接强度。
由于本发明采用了先快后慢的两步法浇注工艺，既保证了浇注效率，又减少了芯材中气泡的形成，使芯材具有良好的力学性能和粘接性能；采用的变速浇注法，后期由于浇注速度慢，能减缓浇注料与金属面板的冲击程度，减少气泡形成，并有利于浇注后期的排气，使聚氨酯芯材与金属面板紧密结合而提高粘接强度，同时采用室温固化，固化后体积收缩小，进一步提高了聚氨酯芯材与金属面板的粘接性能。
3、本发明加工方便，适用性广
采用表面打磨的方法对金属板进行表面处理，不受夹层板尺寸的影响，并且可进行现场施工，灵活方便，适用性广；采用室温固化工艺，工艺简单，施工方便。
4、设备投入少，成型工艺简单，易于实现工业化生产。
具体实施方式
通过如下实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1
一种金属-聚氨酯-金属夹层板材及其制造方法包括下列步骤：面板选用8mm厚的A3钢，表面经打磨清洁后，平行固定，两板之间距离为115mm，四周密封好形成1.2m3的浇注空腔。
聚氨酯配合体系中，聚合物多元醇A选用平均官能度为2、平均分子量为1350的四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚100重量份，官能度为3、平均分子量为500的氯代阻燃聚醚58.3重量份，1，4丁二醇8.3重量份，真空脱水至水分含量低于0.05％备用；异氰酸酯B选用100重量份的液化二苯基甲烷二异氰酸酯、5.3重量份的TDI三聚体，混合均匀，密封备用。
然后采用高压浇注机，将A与B按质量比100∶60的比例于25℃混合均匀，并边混合边浇注，浇注采用先快后慢的两步法浇注工艺，先以230Kg/min的速度浇注至空腔2/3位置时，再采用95Kg/min的浇注速度浇注，直到空腔浇注满，室温固化3小时后即成为本发明金属-聚氨酯-金属夹层板材。该夹心板材可用作船舱底板材料。
实施例2
一种金属-聚氨酯-金属夹层板材及其制造方法包括下列步骤：面板选用25mm厚的D3钢，表面经打磨清洁后，平行固定，两板之间距离为75mm，四周密封好形成1m3的浇注空腔。
聚氨酯配合体系中，聚合物多元醇A选用平均官能度为3、平均分子量为500的四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚50重量份，官能度为2、平均分子量为1000的四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚50重量份，官能度为2、平均分子量为850的溴代阻燃聚醚28.6重量份，甲基丙二醇14.3重量份，真空脱水至水分含量低于0.05％备用；异氰酸酯选用100重量份的异佛尔酮二异氰酸酯、43重量份的多亚甲基多苯基异氰酸酯，混合均匀，密封备用。
然后采用高压浇注机，将A与B按质量比100∶50的比例于30℃混合均匀，并边混合边浇注，浇注采用先快后慢的两步法浇注工艺，先以200Kg/min的速度浇注至空腔4/5位置时，再采用70Kg/min的浇注速度浇注，直到空腔浇注满，室温固化4小时后即成为本发明金属-聚氨酯-金属夹层板材。该夹心板材可用作渡桥桥面材料。
实施例3
一种金属-聚氨酯-金属夹层板材及其制造方法包括下列步骤：面板选用45mm厚的E4钢，表面经打磨清洁后，平行固定，两板之间距离为30mm，四周密封好形成0.8m3的浇注空腔。
聚氨酯配合体系中，聚合物多元醇A选用平均官能度为2.4、平均分子量为700的四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚100重量份，官能度为1.7、平均分子量为1300的磷代阻燃聚醚15重量份，乙二醇10重量份，真空脱水至水分含量低于0.05％备用；异氰酸酯B选用100重量份的液化二苯基甲烷二异氰酸酯、11.1重量份的三苯基甲烷三异氰酸酯，混合均匀，密封备用。
然后采用高压浇注机，将A与B按质量比100∶85的比例于40℃混合均匀，并边混合边浇注，浇注采用先快后慢的两步法浇注工艺，先以160Kg/min的速度浇注至空腔4/5位置时，再采用60Kg/min的浇注速度浇注，直到空腔浇注满，室温固化5小时后即成为本发明金属-聚氨酯-金属夹层板材。该夹心板材可用作建筑材料。

Claims (5)

1、一种金属-聚氨酯-金属夹层板材，其特征在于：选用该领域通用的金属材料作为上下面板，根据使用条件的不同选择其种类、厚度，厚度在4～50mm之间；夹层板芯材采用密实型聚氨酯弹性体，该聚氨酯弹性体由聚合物多元醇A与异氰酸酯B反应制得，厚度在20～120mm之间。
2、一种金属-聚氨酯-金属夹层板材的制造方法，其特征在于：包括下列步骤：
先将金属板内表面打磨，清洁干净，然后将金属板平行固定，两板之间的间距在20～120mm范围内，四周密封形成浇注空腔；
然后将聚合物多元醇A与异氰酸酯B按质量比100∶50～90的比例于20～40℃混合均匀，并采用先快后慢的两步法浇注工艺，根据夹心板尺寸大小，开始以150～240Kg/min的速度浇注至空腔2/3～4/5位置时，再以50～100Kg/min的速度浇注，直到空腔浇注满，室温固化3～5小时后即成为制品。
3、根据权利要求2所述的一种金属-聚氨酯-金属夹层板材的制造方法，其特征在于：聚合物多元醇A由占聚合物多元醇总质量60～80％的四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚、10～40％的阻燃聚醚和3～10％的醇类扩链剂组成；异氰酸酯B由占异氰酸酯总质量70～95％的二异氰酸酯和5～30％的多异氰酸酯组成。
4、根据权利要求3所述的一种金属-聚氨酯-金属夹层板材的制造方法，其特征在于：所述四氢呋喃-环氧丙烷共聚醚和阻燃聚醚优选平均官能度为1.5～3之间，分子量为500～1500之间。
5、根据权利要求3所述的一种金属-聚氨酯-金属夹层板材的制造方法，其特征在于：所述二异氰酸酯为液化二苯基甲烷二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯，所述多异氰酸酯为多亚甲基多苯基异氰酸酯、TDI三聚体或三苯基甲烷三异氰酸酯。
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