CN101508190A - 具有纤维束的增强泡沫夹层结构以及采用缝纫-热膨胀固化成型的制备方法 - Google Patents

具有纤维束的增强泡沫夹层结构以及采用缝纫-热膨胀固化成型的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有纤维束的增强泡沫夹层结构以及采用缝纫-热膨胀固化成型的制备方法，是在预成型体的厚度方向上，按一定针长d1、针矩d3和列距d2将纤维束进行上下连续缝合在其上，实现将上面板、压缩芯材和下面板缝纫在一起；然后，在60℃～220℃温度下，使泡沫芯膨胀产生膨胀压力0.05MPa～0.7MPa，在该膨胀压力下固化30min～300min后，经冷却、脱模得到具有纤维束的增强泡沫夹层结 构。

Description

具有纤维束的增强泡沫夹层结构以及采用缝纫—热膨胀固化成型的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制作泡沫夹层结构的成型方法。更特别地说，是指一种在泡沫夹层结构的厚度方向上，采用缝纫增强—热膨胀固化的方法，使制得的泡沫夹层结构具有更强的承载力。
背景技术
泡沫夹层结构一般由上面板2、下面板3和夹在其中的泡沫塑料芯子1a组成(参见图2所示)。该泡沫夹层结构具有重量轻、刚度大、隔音、隔热、抗振等特点，在航空航天、交通运输、建筑等领域广泛应用。但是由于泡沫塑料的力学性能较低，在承载时容易出现泡沫压塌或面芯剥离等现象，这严重限制了泡沫夹层结构在主承力构件上的应用。
发明内容
为了克服现有泡沫夹层结构承载低的缺点，本发明提出一种采用缝纫增强—热膨胀固化的方法制作具有纤维束的增强泡沫夹层结构。具体成型方法是在预成型体的厚度方向上，按一定针长d1、针矩d3和列距d2将纤维束进行上下连续缝合在其上，实现将上面板、下面板和夹在其中的压缩芯材缝纫在一起；然后，在60℃～220℃温度下，使泡沫芯膨胀产生膨胀压力0.05MPa～0.7MPa，在该膨胀压力下固化30min～300min后，经冷却、脱模得到具有纤维束的增强泡沫夹层结构。
本发明的一种具有纤维束的增强泡沫夹层结构，是在预成型体的厚度方向上将纤维束采用缝纫工艺缝制在其上，具体步骤包括有：
第一步：制压缩芯材
将选取的泡沫塑料芯子放入第一模具中，然后将装有泡沫塑料芯子的第一模具置于热压机的平台上，在泡沫热变形温度60℃～240℃下施压0.05MPa～0.7MPa进行压缩处理，冷却至20℃～30℃后脱模得到压缩芯材；
泡沫塑料芯子的压缩前厚度记为h1，压缩芯材厚度记为h2，则有h2＝50％h1～98％h1；
泡沫塑料芯子可以是聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或其它类型泡沫塑料；
第二步：制预成型体
(A)平铺下面板材料形成下面板(3)；
(B)将第一步制得的压缩芯材置于步骤(A)制得的下面板(3)上，并在压缩芯材的上方平铺上面板材料形成上面板(2)，平铺好下面板(3)、压缩芯材(1)和上面板(2)即形成预成型体；
所述上面板(2)的铺设厚度为0.12mm～5mm，所述上面板2选用的材料可以为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；
所述下面板(3)的铺设厚度为0.12mm～5mm，所述下面板3选用的材料可以为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；
第三步：纤维束的连续缝纫
采用缝纫工艺将纤维束缝制在第二步制得的预成型体的厚度方向上形成缝合成型体；
所述纤维束(4)是碳纤维纱、芳纶纱、玻璃纤维纱或其它纤维纱，纤维束(4)的直径可以为0.1mm～2mm；
第四步：热膨胀固化
将缝合成型体放入第二模具中，在60℃～220℃温度下，使泡沫芯膨胀将产生0.05MPa～0.7MPa的膨胀压力，在该膨胀压力下固化30min～300min后，冷却至20℃～30℃，脱模制得具有纤维束的增强泡沫夹层结构。
本发明的具有纤维束的增强泡沫夹层结构的成型方法，通过采用缝纫工艺使得现有的泡沫夹层结构的抗压、抗剪和抗冲击性能得到了提高。在热膨胀固化过程中，由于压缩芯材在高温60℃～220℃条件下产生的膨胀压力0.05MPa～0.7MPa使得压缩芯材向上面板、下面板施压，从而保证纤维束不弯曲，提高了固化后的纤维束在增强泡沫夹层结构中的增强效率。
附图说明
图1是本发明制得的具有纤维束的泡沫夹层结构的结构示意图。
图1A是本发明制得的具有纤维束的泡沫夹层结构的前板面的结构图。
图1B是图1的A—A视图。
图2是现有泡沫夹层结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明的一种具有纤维束的增强泡沫夹层结构，由压缩芯材1、上面板2、下面板3和纤维束4构成，压缩芯材1设置在上面板2与下面板3之间形成预成型体，纤维束4缝制在预成型体的厚度方向上。本发明的具有纤维束的增强泡沫夹层结构的厚度为6mm～80mm。
在本发明中，具有纤维束的增强泡沫夹层结构的长度方向记为x，具有纤维束的增强泡沫夹层结构的厚度方向记为z，具有纤维束的增强泡沫夹层结构的宽度方向记为y。所述的预成型体的厚度方向即为z方向。
本发明的具有纤维束的增强泡沫夹层结构，为了提高预成型体的抗压、抗剪和抗冲击性能，纤维束4作为支撑或增强件是按照y方向进行缝纫的。而x方向上纤维束4的缝纫工艺如图1A所示，即纤维束是沿a→b→c→d→e的缝纫次序进行的，这样便在本发明的具有纤维束的泡沫夹层结构的前板面5和后板面上形成连续的交叉纤维束，能够有效地提高增强泡沫夹层结构在x方向上的抗压、抗剪和抗冲击力。
为了提高预成型体的整体抗压和抗冲击性能，在预成型体的上板面6上，纤维束4的缝纫工艺如图1B所示，纤维束4按照一定的针长d1、针矩d3和列距d2穿透缝制在预成型体上，能够有效地提高增强泡沫夹层结构在z方向上的抗压和抗冲击力。针长d1＝5mm～100mm。针矩d3＝5mm～100mm。列距d2＝5mm～100mm。
在本发明中，针长d1是指纤维束4在缝纫过程中停留在预成型体的上面板2和下面板3上的纤维束段长度。针矩d3是指每两个纤维束段之间的距离。列距d2是指每两个纤维束段在x方向上的间距。
在本发明中，泡沫塑料芯子1可以是聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或其它类型泡沫塑料。
在本发明中，上面板2选用的材料可以是碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；这些预浸料中的树脂体系可以是环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂以及其它热固性或热塑性树脂体系。
在本发明中，下面板3选用的材料可以是碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；这些预浸料中的树脂体系可以是环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂以及其它热固性或热塑性树脂体系。
在本发明中，纤维束4可以是碳纤维纱、芳纶纱、玻璃纤维纱或其它纤维纱。纤维束4的直径可以为0.1mm～2mm。
为了得到具有纤维束的增强泡沫夹层结构，本发明采用了缝纫增强—热膨胀固化的组合方式来制备，其包括有下列步骤：
第一步：制压缩芯材
将选取的泡沫塑料芯子放入第一模具中，然后将装有泡沫塑料芯子的第一模具置于热压机的平台上，在泡沫热变形温度60℃～240℃下施压0.05MPa～0.7MPa进行压缩处理，冷却至20℃～30℃后脱模得到压缩芯材；
泡沫塑料芯子在厚度方向上的压缩前厚度记为h1，压缩芯材在厚度方向上的厚度记为h2，则有h2＝50％h1～98％h1。
泡沫塑料芯子可以是聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或其它类型泡沫塑料。
第二步：制预成型体
(C)平铺下面板材料形成下面板3；
(D)将第一步制得的压缩芯材置于步骤(A)制得的下面板3上，并在压缩芯材的上方平铺上面板材料(铺上的上面板材料形成上面板2)，平铺好下面板3、压缩芯材1和上面板2即形成预成型体；
所述上面板2的铺设厚度为0.12mm～5mm。所述上面板2选用的材料可以为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；
所述下面板3的铺设厚度为0.12mm～5mm，所述下面板3选用的材料可以为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；
第三步：纤维束的连续缝纫
采用缝纫工艺将纤维束缝制在第一步制得的预成型体的厚度方向上形成缝合成型体；
如图1所示，纤维束4在缝合成型体的长度方向的板面上(即前板面5)采用交叉缝纫技术，纤维束4在缝合成型体的厚度方向上采用了连续的上下缝纫技术。本发明中涉及的缝纫技术在缝纫技术领域中为常规工艺手段。
所述纤维束4可以是碳纤维纱、芳纶纱、玻璃纤维纱或其它纤维纱。纤维束4的直径可以为0.1mm～2mm。
第四步：热膨胀固化
将缝合成型体放入第二模具中，在60℃～220℃温度下，使泡沫芯膨胀将产生0.05MPa～0.7MPa的膨胀压力，在该膨胀压力下固化30min～300min后，冷却至20℃～30℃，脱模制得具有纤维束的增强泡沫夹层结构。
在此步骤中，(1)是对缝合成型体进行固化，因此避免或减小了纤维束的屈曲，使具有纤维束的泡沫夹层结构的抗压、抗冲击力学性能进一步得到提高。(2)在加压方式不是采用传统的压机、热压罐或真空袋，而是仅采用一个密封的、刚性的、可加热的模具即可，有效地降低了生产成本。(3)与传统的泡沫夹层结构热压成型工艺不同，应用了泡沫塑料芯在高温(60℃～220℃)下的热膨胀产生的压力，而不用考虑泡沫芯材的蠕变性能对夹层结构厚度的影响，改变纤维束在受压下的屈曲。
在本发明中，所使用的第一模具与第二模具的结构是相同的。是一个能够密封的、刚性的、可加热的模具，该模具的外形是根据本发明制得的增强泡沫夹层结构的外形相关，增强泡沫夹层结构的外形可以是一个圆柱体、六面体或者五面体等。
在本发明中，采用了较为普通的缝纫方式将纤维束缝制在预成型体上，对现有制作预成型体(如图2所示的泡沫夹层结构，即背景技术中介绍的具体结构)的机械设备未作改动，因此，其制备方法简单可控，易于工业化生产。
经本发明制备方法得到的具有纤维束的增强泡沫夹层结构，纤维束在固化后成为了缝纫增强件(纤维柱)，该纤维柱起到了支撑的同时，也提高了增强泡沫夹层结构在厚度方向上的抗压力、抗剪力和抗冲击的作用。
实施例1：制20mm厚的增强泡沫夹层结构
第一步：制压缩芯材
将选取36mm厚的聚氨酯泡沫放入第一模具中，然后将装有聚氨酯泡沫的第一模具置于热压机的平台上，在泡沫热变形温度90℃下施压0.1MPa进行压缩处理，然后冷却至30℃脱模得到18mm厚压缩芯材；
第二步：制预成型体
(A)平铺1mm厚的玻璃纤维预浸料，形成下面板3；
(B)将压缩芯材1平铺在下面板3上，然后在压缩芯材1的上方平铺1mm厚的玻璃纤维预浸料，平铺好下面板3、压缩芯材1和上面板2即形成预成型体；
第三步：纤维束的连续缝纫
采用缝纫工艺将直径为0.5mm的纤维束缝制在第二步制得的预成型体的厚度方向上形成缝合成型体；
如图1所示，纤维束4在增强泡沫夹层结构的长度方向的前板面5上采用了交叉缝纫技术，纤维束4在增强泡沫夹层结构的厚度方向上采用了连续的上下缝纫技术(如上板面6上经缝纫后的纤维束)。
第四步：热膨胀固化
将缝合成型体放入第二模具中，加热至80℃时，聚氨酯泡沫膨胀将产生0.2MPa的压力，在该压力下固化60min后冷却至30℃，脱模制得具有纤维束的增强泡沫夹层结构。
将实施例1制备的增强泡沫夹层结构进行承载压力测试：
测试设备为SAN—S—CMT5504万能力学试验机。
20mm厚的增强泡沫夹层结构能够承载的平压强度为1.2MPa，剪切强度为0.7MPa。
36mm厚的聚氨酯泡沫能够承载的平压强度为0.3MPa，剪切强度为0.1MPa。
实施例2：制78mm厚的增强泡沫夹层结构
为了得到具有纤维束的增强泡沫夹层结构，本发明采用了缝纫增强—热膨胀固化的组合方式来制备，其包括有下列步骤：
第一步：制压缩芯材
将选取90mm厚的酚醛泡沫放入第一模具中，然后将装有酚醛泡沫的第一模具置于热压机的平台上，在泡沫热变形温度150℃下施压0.3MPa进行压缩处理，然后冷却至25℃后脱模得到压缩芯材；
第二步：制预成型体
(A)平铺5mm厚的芳纶预浸料(芳纶上浸有双组份的环氧树脂)，形成下面板3；
(B)将压缩芯材1平铺在下面板3上，并在压缩芯材1的上方平铺3mm厚的碳纤维预浸料(碳纤维上浸有双组份的环氧树脂)，平铺好下面板3、泡沫塑料芯子1和上面板2即形成预成型体；
第三步：纤维束的连续缝纫
采用缝纫工艺将直径为1mm的纤维束缝制在第二步制得的预成型体的厚度方向上形成缝合成型体；
第四步：热膨胀固化
将缝合成型体放入第二模具中，加热至130℃温度下，使酚醛泡沫膨胀产生0.5MPa的压力，在该压力下固化30min后冷却至30℃，脱模制得具有纤维束的增强泡沫夹层结构。
将实施例2制备的增强泡沫夹层结构进行承载压力测试：
测试设备为SAN—S—CMT5504万能力学试验机。
78mm厚的增强泡沫夹层结构能够承载的平压强度为6.5MPa，剪切强度为1.8MPa。
90mm厚的酚醛泡沫能够承载的平压强度为0.8MPa，剪切强度为0.24MPa。
实施例3：制10mm厚的增强泡沫夹层结构
为了得到具有纤维束的泡沫夹层结构，本发明采用了缝纫增强—热膨胀固化的组合方式来制备，其包括有下列步骤：
第一步：制压缩芯材
将选取12mm厚的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫放入第一模具中，然后将装有聚酰亚胺泡沫的第一模具置于热压机的平台上，在泡沫热变形温度240℃下施压0.5MPa进行压缩处理，然后冷却至30℃后脱模得到压缩芯材；
第二步：制预成型体
(A)平铺1mm厚的碳纤维预浸料(碳纤维上浸有双组份的环氧树脂)，形成下面板3；
(B)将压缩芯材1平铺在下面板3上，并在压缩芯材1的上方平铺1mm厚的碳纤维预浸料(碳纤维上浸有双组份的环氧树脂)，平铺好下面板3、泡沫塑料芯子1和上面板2即形成预成型体；
第三步：纤维束的连续缝纫
采用缝纫工艺将直径为2mm的纤维束缝制在第二步制得的预成型体的厚度方向上形成缝合成型体；
第四步：热膨胀固化
将缝合成型体放入第二模具中，加热至200℃温度下，使聚甲基丙烯酰亚胺泡沫膨胀产生0.7MPa的压力，在该压力下固化150min后，冷却至25℃，脱模制得具有纤维束的增强泡沫夹层结构。
将实施例2制备的增强泡沫夹层结构进行承载压力测试：
测试设备为SAN—S—CMT5504万能力学试验机。
10mm厚的增强泡沫夹层结构能够承载的平压强度为13.0MPa，剪切强度为4.0MPa。
12mm厚的聚甲基丙烯酰亚胺泡沫能够承载的平压强度为1.5MPa，剪切强度为0.4MPa。

Claims (4)

1、一种具有纤维束的增强泡沫夹层结构，其特征在于：由压缩芯材(1)、上面板(2)、下面板(3)和纤维束(4)构成，压缩芯材(1)设置在上面板(2)与下面板(3)之间形成预成型体，纤维束(4)缝制在预成型体的厚度方向上。
2、根据权利要求1所述的具有纤维束的增强泡沫夹层结构，其特征在于：增强泡沫夹层结构的厚度为6mm～80mm。
3、根据权利要求1所述的具有纤维束的增强泡沫夹层结构，其特征在于：增强泡沫夹层结构能够承载的平压强度为1.0MPa～14.0MPa，剪切强度为0.7MPa～4.1MPa。
4、一种采用缝纫—热膨胀固化成型制备具有纤维束的增强泡沫夹层结构的方法，其特征在于包括有下列步骤：
第一步：制压缩芯材
将选取的泡沫塑料芯子放入第一模具中，然后将装有泡沫塑料芯子的第一模具置于热压机的平台上，在泡沫热变形温度60℃～240℃下施压0.05MPa～0.7MPa进行压缩处理，冷却至20℃～30℃后脱模得到压缩芯材；
泡沫塑料芯子的压缩前厚度记为h1，压缩芯材厚度记为h2，则有h2＝50％h1～98％h1；
泡沫塑料芯子可以是聚氨酯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫、聚酰亚胺泡沫，聚甲基丙烯酰亚胺泡沫或其它类型泡沫塑料；
第二步：制预成型体
(A)平铺下面板材料形成下面板(3)；
(B)将第一步制得的压缩芯材置于步骤(A)制得的下面板(3)上，并在压缩芯材的上方平铺上面板材料形成上面板(2)，平铺好下面板(3)、压缩芯材(1)和上面板(2)即形成预成型体；
所述上面板(2)的铺设厚度为0.12mm～5mm，所述上面板2选用的材料可以为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；
所述下面板(3)的铺设厚度为0.12mm～5mm，所述下面板3选用的材料可以为碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、芳纶预浸料或其它纤维预浸料；
第三步：纤维束的连续缝纫
采用缝纫工艺将纤维束缝制在第二步制得的预成型体的厚度方向上形成缝合成型体；
所述纤维束(4)是碳纤维纱、芳纶纱、玻璃纤维纱或其它纤维纱，纤维束(4)的直径可以为0.1mm～2mm；
第四步：热膨胀固化
将缝合成型体放入第二模具中，在60℃～220℃温度下，使泡沫芯膨胀将产生0.05MPa～0.7MPa的膨胀压力，在该膨胀压力下固化30min～300min后，冷却至20℃～30℃，脱模制得具有纤维束的增强泡沫夹层结构。
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