CN102529252B - 一种高抗冲耐磨隔热复合板材 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高抗冲耐磨隔热复合板材，适用重型车辆的载重或承重部件。该板材至少包含一层隔热聚双环戊二烯外层、一层纤维增强树脂蒙皮层、夹心层以及富胶层。该复合板材隔热性能好，并具有一定的阻燃性，使用该板材替代车辆钢材料部件的轻量化效果可达50%。
Description
技术领域
本发明涉及一种高抗冲耐磨隔热复合板材，该复合板材适用于重型车辆的载重或承重部件。
背景技术
一般重型车辆的载重或承重部件为金属材料，虽然能满足运输车辆的使用需求，但是由于其高质量，减少了其运载货物的能力，增加了燃料的消耗，金属材料的车厢还存在的问题在于保温性能差，冬天车厢内温度等于车外温度，夏天则远高于车外温度，不利于对于温度要求较高的货物的运输。因此车辆的轻量化需求被提上日程，使用纤维增强复合材料代替金属材料，克服纤维增强复合材料韧性差，难以经受冲击及摩擦，以及保温性能差的缺点，对重型车辆的载重或承重部件进行减重成为研究热点。
另外，金属材料作为车辆的载重或承重部件的另一项缺陷是不具备隔热功能。每当盛夏或隆冬都需要借助于空调调节车内环境中的温度，而这需要消耗大量的能源。而使用纤维增强复合材料虽然可以或多或少的减轻这个问题，但是由于无法完全阻挡红外线的穿透带来或带走热流量，因此仍难彻底解决该问题。
通常纤维增强复合材料对冲击载荷比较敏感，在使用中最致命的损伤往往因冲击引起。当冲击速度很高时，复合材料层合板将被穿透；而在冲击速度降低时，会产生不同破坏形式，例如基体开裂、纤维断裂和分层。所以对增强复合材料结构安全威胁最大的是冲击损伤，冲击损伤是复合材料损伤的主要研究对象。大部分复合材料的损伤不是一下造成的，往往是经过多次低能量冲击之后材料失效。复合材料在使用过程中受到低能冲击时，大部分情况并没有明显的目视损伤，但却在层合表面生成不可视的浅表面分层，从而形成潜在的危险，内部损伤的存在可造成复合材料在刚度和强度上的极大损失。
重型车辆主要运载矿石、煤块、沙土及金属材料等，车厢与货物直接接触，在运输和装卸过程中不间断的经受冲击，而且还与装载的货物之间发生各种摩擦碰撞。因此，要求重型车辆的载重或承重部件需要足够的强度、韧性及耐磨性。
本发明的目的是提供一种耐摩擦、耐冲击的阻燃型复合材料板材，使之适用于重型车辆的载重或承重部件的使用要求，并同时能实现轻量化、改善保温性能的目标。沈阳理工大学的专利200810230215.7提供了一种复合材料封闭货车车厢，箱体包括外层、中层和内层，外层由胶衣层和结构层组成，中层由金属框架和玻璃钢板组成，内层为结构层，虽然在一定程度上减轻了箱体自重，提高了防撞击能地，但是其侧重点在于改善车厢的环境保温、绝热、防冻能力以及防震和防噪声功能，难以最大程度的降低自重、提高抗冲击和耐磨性能。本发明专利使用聚双环戊二烯结合纤维增强的复合材料结构，提供一种具有高抗冲、耐磨的复合板材，在减轻车厢自重，提高载重车辆的运力的同时，降低了燃料的消耗，暗合了现代社会发展的趋势。
发明内容
为了解决上述现有的载重车辆存在的问题，实现本发明的目的，本发明提供一种高抗冲耐磨隔热复合板材。
具体的技术方案如下：一种高抗冲耐磨隔热复合板材，至少包含一层纤维增强树脂层作为蒙皮层，蒙皮层外复合一层隔热聚双环戊二烯树脂层，在隔热聚双环戊二烯与蒙皮层之间形成一层富胶层，蒙皮层内为夹心层。其中蒙皮层使用的增强纤维可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维，使用的树脂基体可以是环氧树脂、聚氨酯、乙烯基树脂、聚酯、酚醛树脂中的一种；纤维增强蒙皮层纤维含量为55~70wt%。夹芯层可以使用轻木材料、铝制蜂窝、聚氨酯蜂窝、聚氯乙烯蜂窝、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫。在夹芯层中芯材之间以及蒙皮外部可以安装加强筋，加强筋可以是预制型材或三维编织物。
本发明隔热聚双环戊二烯层由以下A、B两组分原料制成(重量份)：
其中A组分包括：
55-60份双环戊二烯单体
10-15份改性氢氧化铝
1-1.5份催化剂
1-5份纳米半导体金属氧化物
B组分包括：
40-65份双环戊二烯单体
0.5-0.8份三甲基铝或三乙基铝
A与B体积比为1∶1。
本发明使用改性氢氧化铝作为阻燃剂来提高聚双环戊二烯阻燃性能。单纯的氢氧化铝与双环戊二烯的相容性差，而对氢氧化铝进行表面处理，利用改性剂的极性部分与氢氧化铝作用、非极性部分与双环戊二烯单体相容作用，强化氢氧化铝与聚双环戊二烯材料中界面相互作用，以改善氢氧化铝与双环戊二烯单体的相容性。所述改性剂可以是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、高级脂肪酸及其盐或硬脂酸及其盐。
纳米半导体金属氧化物，可以是Sn、Sb的氧化物，或它们的复合氧化物，例如SnO2、SbO3，氧化物的粒径小于100nm。
任何适于双环戊二烯聚合的催化剂均适于本发明，例如钨系催化剂或钼系催化剂。
本发明中的复合板制备方法包括如下步骤：将纤维增强织物按模具形状大小铺放于第一层，纤维增强织物可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维中的任意一种或者几种，织物可以使以上纤维混编而成的纤维毡、机织纤维布、针织纤维布、编织纤维布、缝织纤维布、斜纹布、平纹布和单向布，或者是单一纤维编织而成然后通过交替铺设得到混杂增强体，在局部应力较大的部分，以碳纤维和芳纶纤维为主要铺设层。另外，根据强度设计要求还可以设置加强筋。芯材与加强筋铺设完毕后再次铺设外层蒙皮所需纤维织物。铺设的织物沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠。在铺层上铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空，当真空度达到0.1Mpa后在模具中灌入树脂，固化成型。将成型的夹芯板制件嵌入反应注射成型模具中，在模具中注入聚双环戊二烯反应原料，聚合后得到由聚双环戊二烯包覆的板材。
本发明中的夹心板制备方法也可使用如下步骤：预先将聚双环戊二烯成型为聚双环戊二烯壳体制件。将纤维增强织物按模具形状大小铺放于第一层，纤维增强织物可以是碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、凯夫拉纤维中的任意一种或者几种，织物可以使以上纤维混编而成的纤维毡、机织纤维布、针织纤维布、编织纤维布、缝织纤维布、斜纹布、平纹布和单向布，或者是单一纤维编织而成然后通过交替铺设得到混杂增强体，在局部应力较大的部分，以碳纤维和芳纶纤维为主要铺设层。另外，根据强度设计要求还可以设置加强筋。芯材与加强筋铺设完毕后再次铺设外层蒙皮所需纤维织物。铺设的织物沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠。在铺层上放置聚双环戊二烯壳体制件，在聚双环戊二烯壳体制件上铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空，当真空度达到一定程度后在模具中灌入树脂，成型。最后获得复合有聚双环戊二烯壳体制件的夹心板材。
本发明的高抗冲耐磨隔热复合板材的有益效果如下：
1、广泛应用于重型卡车车厢，以及与此相关的矿山、铁路、公路运输重型车辆及货斗上的载重或承重部件中，其替代钢材料部件的轻量化效果可达50%；2、隔热性能优异；3、外层的聚双环戊二烯具有阻燃性，使复合材料板材具有优秀的阻燃性能；4、本发明的复合材料板材的生产工艺污染小，成本低，适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明的高抗冲耐磨隔热复合板材的结构示意图。
附图标记说明：
1—聚双环戊二烯层；2—富胶层；3—蒙皮层；4—夹心层
具体实施方式
下面结合具体实施例和比较例进一步说明本发明复合材料板的耐磨、耐冲击性能、阻燃性能以及隔热性能。
其中实施例中使用的隔热聚双环戊二烯材料由以下A、B两组分原料制成(重量份)：
其中A组分包括：55份双环戊二烯单体；10份硅烷偶联剂改性氢氧化铝；1.5份钨系催化剂 ；3份纳米SbO3；
B组分包括： 55份双环戊二烯单体；0.8份三乙基铝 ；
A与B体积比为1∶1。
实施列1
将双环戊二烯A、B组分按1:1的比例混合均匀，通过注射头注射入一面带有导流槽的聚双环戊二烯壳体模具中，控制模具温度在80℃~85℃，带固化完成后取出聚双环戊二烯壳体。将壳体置于真空辅助树脂传递模塑模具上；并将5层玻璃纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于壳体上，而后铺设一层轻木芯材；再次铺设5层玻璃纤维平纹布，铺设完毕后将织物沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠。最后铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体，控制蒙皮层纤维含量为50%，加热至80℃固化成型。
实施列2
将5层玻璃纤维平纹布以及3层碳纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于壳体上，而后铺设一层轻木芯材以及碳纤维复合材料加强方管；再次铺设5层玻璃纤维平纹布以及3层碳纤维平纹布，铺设完毕后将织物沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠。最后铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体，控制蒙皮层纤维含量为80%，加热至80℃固化成型。
将成型后的复合板固定于反应注射成型的模具中间，将双环戊二烯A、B组分按1:1的比例混合均匀，通过注射头注射入模具中，控制模具温度在80℃~85℃，待固化完成后取出成品。
比较例1
将5层玻璃纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于壳体上，而后铺设一层轻木芯材；再次铺设5层玻璃纤维平纹布，铺设完毕后将织物沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠。最后铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1Mpa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体，控制蒙皮层纤维含量为80%，加热至80℃固化成型。
性能测试：
1、实施例1、2与比较例1的耐磨与抗冲击性能比较见下表：
表1
| 表面磨耗（1） | 冲击性能（2） | |
| 实施例1 | 171mg | 微痕 |
| 实施例2 | 170mg | 微痕 |
| 比较例1 | 1325mg | 板材破坏 |
（1）磨耗试验测试方法：使用泰伯尓耐磨测试仪，磨耗轮为H22,测量试验样品在施加1000g载荷，由磨耗轮摩擦1000转情况下的质量损耗。
（2）冲击性能测试：使用YJ-8625落球冲击试验机，落球重量2082g，落球高度2m。
2、实施例1、2与比较例1的阻燃性能比较见下表：
表2
| 氧指数/％（3） | 水平燃烧（4） | |
| 实施例1 | 20.2 | HB40 |
| 实施例2 | 23 | HB40 |
| 比较例1 | 25.3 | HB75 |
（3）氧指数测试方法：按照GB/T2406-1993进行氧指数测定；
（4）水平燃烧测试方法：按照GB/T2408-2008进行水平燃烧测试。
3、实施例1、2与比较例1的隔热性能比较见下表：
表2
| 1h后环境温差 ℃（5） | |
| 实施例1 | 52 |
| 实施例2 | 50.5 |
| 比较例1 | 59.5 |
（5）1h后环境温差的测试方法：将同样规格的实施例1、2和比较例1置于同样的辐射热源下，1h后测量与环境的温差。
Claims (1)
1.一种高抗冲耐磨隔热复合板材的制备方法，具体步骤如下：将5层玻璃纤维平纹布以及3层碳纤维平纹布以0/90°交叉铺叠于壳体上，而后铺设一层轻木芯材以及碳纤维复合材料加强方管；再次铺设5层玻璃纤维平纹布以及3层碳纤维平纹布，铺设完毕后将织物沿周边缝合、胶连、重叠或搭靠；最后铺设导流织物和真空膜，密封模具与真空膜的结合处，抽真空至真空度达到0.1MPa后引入含有固化剂及添加剂的环氧树脂液体，控制蒙皮层纤维含量为80%，加热至80℃固化成型；将成型后的复合板固定于反应注射成型的模具中间，将双环戊二烯A、B组分按1:1的比例混合均匀，通过注射头注射入模具中，控制模具温度在80℃~85℃，待固化完成后取出成品；
其中使用的聚双环戊二烯材料由以下A、B两组分原料制成，以重量份计： A组分包括：55份双环戊二烯单体；10份硅烷偶联剂改性氢氧化铝；1.5份钨系催化剂，3份纳米SbO3 ；B组分包括： 55份双环戊二烯单体；0.8份三乙基铝 ；A与B体积比为1∶1。
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