CN104250979B - 复合材料减震井盖及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料减震井盖及其制造方法，井盖包括骨架结构层，以及填充在所述骨架结构层内的热塑性复合材料层；所述骨架结构层具有至少一层，每层骨架结构层为由碳纤维拉挤夹芯型材纵横交错排布形成的格栅，所述复合材料层填充在格栅方格内；所述骨架结构层的两侧分别形成有所述复合材料层；所述复合材料层为织物、用于增强强度的第一短切纤维、用于吸声的第一功能填料增强热塑性复合材料层，所述型材腔内填充发泡材料。本发明结构合理、整体性好，加工简单、承载力大、吸声阻尼减震、韧性好、耐磨、使用寿命长，可满足不同使用场所的需求。

Description

复合材料减震井盖及其制造方法

技术领域

本发明涉及复合材料井盖，具体地说，涉及一种碳纤维拉挤夹芯型材格栅骨架结构增强热塑性复合材料减震井盖及其制造方法。

背景技术

复合材料井盖是近几年兴起的一种纤维增强高分子材质的井盖，具有重量轻、耐腐蚀、噪声小、使用寿命长的优点，且无回收价值，可有效杜绝“城市黑洞”的出现。目前，已有大量相关技术涉及到复合材料井盖，如现有技术中的一种钢塑复合井盖及其制备方法，采用钢条网状骨架结构增强PVC树脂，虽然提高了井盖承载力，但是钢与树脂线膨胀系数差异太大结合面容易分层，影响使用寿命，且笨重，车压噪声大，夜晚行车碾压井盖扰民；另一项纤维增强树脂基复合材料井盖，是以网状或筛状玻纤为增强筋分布于井盖内或背面，其玻纤增强筋的结构分布形态不合理，基体为不饱和聚酯，且非高温模压一次成型，遇重载背面容易开裂，影响减震和承载能力，脆性大，抗疲劳效果差，影响使用寿命。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何实现井盖防盗，并提高其承载能力、抗疲劳和消声减震性能，延长井盖的使用寿命。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种复合材料减震井盖，其包括：骨架结构层，以及填充在所述骨架结构层内的热塑性复合材料层；所述骨架结构层具有至少一层，每层骨架结构层为由碳纤维拉挤夹芯型材纵横交错排布形成的格栅，所述复合材料层填充在格栅方格内；所述骨架结构层的两侧分别形成有所述复合材料层；所述复合材料层为织物、用于增强强度的第一短切纤维、用于吸声的第一功能填料增强热塑性复合材料层，所述型材腔内填充发泡材料。

其中，所述型材由大于等于24K的大丝束碳纤维或该大丝束碳纤维与其他纤维混杂增强热固性树脂或热塑性树脂经拉挤或拉缠工艺成型制得，所述型材横截面形状为矩形、梯形、正方形、三角形、“日”字型、“田”字型或“O”字型，所述型材在井盖中间位置排列紧密，在井盖两边排列稀疏，相邻型材的间隔距离为50～250mm。

其中，所述其他纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种；所述热固性树脂为环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂或呋喃树脂；所述热塑性树脂为聚氯乙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、丙烯酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丙二酯、或聚对苯二甲酸丁二酯。

其中，所述型材腔内填充的发泡材料为聚氨酯发泡材料、聚苯乙烯发泡材料、或酚醛发泡材料；且所述发泡材料中填充有用于吸声的第二功能填料、以及用于增强强度的第二短切纤维。

其中，所述第一短切纤维和第二短切纤维分别采用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维中的一种或几种；所述织物的组织形态为单轴向、双轴向、多轴向、平纹、斜纹、缎纹或2.5D织物；所述第一短切纤维和第二短切纤维的长度分别为1-5mm。

其中，所述第一功能填料和第二功能填料分别为炼钢炉渣粉、燃煤炉渣粉或高炉渣粉中一种或几种；所述第一功能填料和第二功能填料的目数分别为100-400目。

本发明还提供了一种基于上述任一项复合材料减震井盖的制造方法，其包括以下步骤：

1）向碳纤维拉挤夹芯型材的型腔内灌注含有用于增强强度的第二功能填料、用于吸声的第二短切纤维的发泡材料，使其充分发泡充满型腔固化；

2）向金属模具中喷外脱模剂，铺设织物，将热塑性树脂、助剂、用于吸声的第一功能填料和用于增强强度的第一短切纤维混合充分，按预设厚度铺于织物上，重复操作，达到所述织物/树脂层铺层厚度；

3）打磨掉型材外表面的脱模剂，在步骤2）中铺设好的织物/树脂层上沿纵向或横向间隔平行铺设通长贯通的步骤1）中填充好的型材，铺设1-2层织物包裹型材，进一步在铺设好的型材间沿横向或纵向间隔平行铺设型材，形成格栅骨架结构层；

4）在形成的型材格栅方格内交替铺设织物和预设厚度的热塑性树脂、助剂、用于吸声的第一功能填料和用于增强强度的第一短切纤维混合料，直至与型材达到同一高度；

5）重复步骤3）和4），达到预设的型材格栅骨架结构层数，其中相邻骨架结构层间的通长贯通型材铺设夹角为90°；

6）在步骤5）形成的骨架结构层上交替铺设织物和热塑性树脂、助剂、用于吸声的第一功能填料和用于增强强度的第一短切纤维混合物至所述织物/树脂层铺层厚度；

7）采用一次加热模压成型，固化冷却脱模后，进行打磨修边。

（三）有益效果

上述技术方案所提供的复合材料减震井盖及其制造方法，结构合理、整体性好，加工简单、承载力大、吸声阻尼减震、韧性好、抗冲击、抗疲劳、抗损伤、耐磨、使用寿命长，可满足不同使用场所的需求。

附图说明

图1为实施例1复合材料减震井盖的主视结构示意图；

图2为实施例1所述复合材料减震井盖的剖面示意图；

图3为实施例2所述复合材料减震井盖的剖面示意图；

图4为实施例3所述复合材料减震井盖的剖面示意图；

图5为实施例4所述复合材料减震井盖的剖面示意图。

图中，1：骨架结构层；2：复合材料层；11：型材；21：织物；12：发泡材料；22：热塑性树脂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1-5所示，一种碳纤维拉挤夹芯型材格栅骨架结构增强热塑性复合材料减震井盖，包括骨架结构层1，以及填充在所述骨架结构层1内的热塑性复合材料层2；所述骨架结构层1具有至少一层，每层骨架结构层1为由碳纤维拉挤夹芯型材11纵横交错排布形成的格栅，所述复合材料层2填充在格栅方格内；所述骨架结构层1的两侧分别形成有所述复合材料层2；所述复合材料层2为织物、用于增强强度的第一短切纤维、用于吸声的第一功能填料增强热塑性复合材料层，所述型材11腔内填充发泡材料12。所述发泡材料12中填充有用于吸声的第二功能填料、以及用于增强强度的第二短切纤维。

下面以具体的实例详细介绍本发明消声减震井盖的结构和制造过程。

实施例1

一种碳纤维拉挤夹芯型材格栅骨架结构增强热塑性复合材料减震井盖，尺寸：Φ800×90mm，外形结构：鱼肚型，见图2，设计的承载等级参照GB/T23858-2009《检查井盖》为E600，用于货运站、码头、机场等区域，为本发明内容所涉及的复合材料井盖中的一种。

原料选择：型材11选用“日”型24K碳纤维增强环氧树脂拉挤型材，规格为30mm×25mm×3mm，发泡材料12选用聚氨酯树脂，第一功能填料和第二功能填料均选用300目高炉渣粉，第一短切纤维和第二短切纤维均选用长度为3mm的24K短切碳纤维，织物21选用24K碳纤维斜纹织物，热塑性树脂22选用聚氯乙烯。

本实施例井盖的制备过程包括如下步骤：

1）将聚醚多元醇、发泡剂六氟丁烷、催化剂TEA（三乙醇胺）、MDI（二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯）、泡沫稳定剂硅油、高炉渣粉和短切碳纤维用高速搅拌器搅拌均匀，其中发泡混合物料、高炉渣粉和短切碳纤维的重量配比为100份：30份：10份，使其充分发泡充满型材11的型腔固化；

2）向金属模具中喷外脱模剂，铺设碳纤维织物21，将热塑性树脂22-选用聚氯乙烯树脂，助剂-选用热稳定剂三碱式硫酸铅和二碱式亚磷酸铅、主增塑剂DOP、辅增塑剂ESO、外润滑剂金属皂类、内润滑剂聚乙烯蜡、改性剂ACR、抗氧剂168、紫外线吸收剂UV-531，高炉渣粉和短切碳纤维混合充分，其中聚氯乙烯混合物料、高炉渣粉和短切碳纤维的重量配比为100份：25份：8份，按树脂层4mm厚铺于织物21上，重复操作，直到碳纤维织物/树脂铺层厚度为8mm；

3）打磨掉拉挤夹芯型材11外表面的脱模剂，在步骤2）中铺设好的织物/树脂层上中间位置沿纵向铺设一根通长贯通的型材11，铺设1层织物21包裹型材11，再在中间位置沿横向铺设两根型材11，形成一层格栅骨架结构层1；

4）在形成的型材格栅方格内交替铺设碳纤维织物21和厚度为8mm的上述步骤2）中所述的聚氯乙烯树脂、助剂、高炉渣粉和短切碳纤维混合料，直至与型材11达到同一高度；

5）重复步骤3）和4），共形成三层型材格栅骨架结构层1，其中相邻骨架结构层间的通长贯通型材铺设夹角为90°，每层中间位置的相邻型材间隔为75mm，边沿位置的相邻型材间隔为115mm；

6）在步骤5）形成的骨架结构层1上交替铺设织物21和4mm厚度的上述步骤2）中所述的聚氯乙烯树脂、助剂、高炉渣粉和短切碳纤维混合料至较模具高度高出1mm左右，夯实压平；

7）再经一次加热模压成型，固化冷却脱模后，进行打磨修边。

实施例2

一种碳纤维拉挤夹芯型材格栅骨架结构增强热塑性复合材料减震井盖，尺寸：Φ800×75mm，外形结构：加肋型，见图3，设计的承载等级参照GB/T23858-2009《检查井盖》为D400，用于城市主路、公路、高等级公路、高速公路等区域，为本发明内容所涉及的复合材料井盖中的一种。

原料选择：型材11选用“田”型24K碳纤维/芳纶纤维混杂（碳纤/芳纤/树脂体积比为35：25：40）增强环氧树脂拉挤型材，规格为30mm×30mm×2.5mm，发泡材料12选用聚苯乙烯树脂，第一功能填料和第二功能填料分别选用300目的炼钢炉渣粉和280目高炉渣粉，第一短切纤维和第二短切纤维分别选用长度为3mm的24K短切碳纤维和3mm的短切玻璃纤维，织物21选用24K碳纤维平纹织物，热塑性树脂22选用聚酰胺树脂。

本实施例井盖的制备过程包括如下步骤：

1）将聚苯乙烯塑料珠粒、发泡剂戊烷、高炉渣粉和短切玻璃纤维用高速搅拌器搅拌均匀，其中发泡混合物料、高炉渣粉和短切玻璃纤维的重量配比为100份：25份：20份，使其充分发泡充满型材11的型腔固化；

2）向金属模具中喷外脱模剂，铺设碳纤维织物21，将热塑性树脂22-选用聚酰胺树脂，助剂-选用抗氧剂330、紫外线吸收剂UV-0，炼钢炉渣粉和短切碳纤维混合充分，其中聚酰胺树脂混合物料、炼钢炉渣粉和短切碳纤维的重量配比为100份：20份：10份，按树脂层3.5mm厚铺于织物21上，重复操作，直到碳纤维织物/树脂铺层厚度为7mm；

3）打磨掉拉挤夹芯型材11外表面的脱模剂，在步骤2）中铺设好的织物/树脂层上沿横向铺设通长贯通的型材11，铺设一层织物21包裹型材11，再沿纵向铺设型材11，形成一层格栅骨架结构层1，中间位置的相邻型材间隔为80mm，边沿位置的相邻型材间隔为120mm；

4）在形成的型材格栅方格内交替铺设碳纤维织物21和厚度为10mm的上述步骤2）中所述的聚酰胺树脂、助剂、炼钢炉渣粉和短切碳纤维混合料，直至与型材11达到同一高度；

5）重复步骤3）和4），共形成两层型材格栅骨架结构层1，其中相邻骨架结构层间的通长贯通型材铺设夹角为90°；

6）在步骤5）形成的骨架结构层1上交替铺设织物21和4mm厚度的上述步骤2）中所述的聚酰胺树脂、助剂、炼钢炉渣粉和短切碳纤维混合料至较模具高度高出1mm左右，夯实压平；

7）再经一次加热模压成型，固化冷却脱模后，进行打磨修边。

实施例3

一种碳纤维拉挤夹芯型材格栅骨架结构增强热塑性复合材料减震井盖，尺寸：Φ800×85mm，外形结构：加肋型，见图4，设计的承载等级参照GB/T23858-2009《检查井盖》为C125，用于住宅小区、背街小巷、仅有轻型机动车或小车行驶的区域，道路两边路缘石开始0.5m以内，为本发明内容所涉及的复合材料井盖中的一种。

原料选择：型材11选用48K碳纤维/玻璃纤维混杂（碳纤/玻纤/树脂体积比为30：25：45）增强环氧树脂拉挤方管，规格分别为100mm×45mm×5mm和50mm×30mm×2mm，发泡材料12选用酚醛树脂，第一功能填料和第二功能填料分别选用400目的燃煤炉渣粉和400目高炉渣粉，第一短切纤维和第二短切纤维分别选用长度为5mm的24K短切碳纤维和5mm的短切玻璃纤维，织物21选用24K碳纤维/玻纤交织斜纹织物，热塑性树脂22选用丙烯酸酯树脂。

本实施例井盖的制备过程包括如下步骤：

1）将酚醛树脂、发泡剂五氟丙烷、高炉渣粉和短切玻璃纤维用高速搅拌器搅拌均匀，其中发泡混合物料、高炉渣粉和短切玻璃纤维的重量配比为100份：35份：5份，使其充分发泡充满型材11的型腔固化；

2）向金属模具中喷外脱模剂，铺设碳纤维/玻纤织物21，将热塑性树脂22-选用丙烯酸酯树脂，助剂-选用抗氧剂DLTP、紫外线吸收剂UV234，燃煤炉渣粉和短切碳纤维混合充分，其中丙烯酸酯混合物料、燃煤炉渣粉和短切碳纤维的重量配比为100份：20份：5份，按树脂层2.5mm厚铺于织物21上，重复操作，直到碳纤维织物/树脂铺层厚度为5mm；

3）打磨掉拉挤夹芯型材11外表面的脱模剂，在步骤2）中铺设好的织物/树脂层上设定位置（见图4）沿纵向铺设两根通长贯通的型材11，铺设一层织物21包裹型材11，再在设定位置沿横向铺设六根型材11，形成一层格栅骨架结构层1；

4）重复步骤3），铺设第二层型材格栅骨架结构层1，相邻骨架结构层1间的通长贯通型材铺设夹角为90°，该层中间位置的相邻型材间隔为45mm，边沿位置的相邻型材间隔为50mm；

5）在形成的型材格栅间格内交替铺设织物21和厚度为10mm的上述步骤2）中所述的丙烯酸酯树脂、助剂、燃煤炉渣粉和短切碳纤维混合料，直至与型材11达到同一高度；

6）在步骤5）形成的骨架结构层1上交替铺设织物21和3mm厚度的上述步骤2）中所述的丙烯酸酯树脂、助剂、燃煤炉渣粉、短切碳纤维混合料至较模具高度高出1mm左右，夯实压平；

7）再经一次加热模压成型，固化冷却脱模后，进行打磨修边。

实施例4

一种碳纤维拉挤夹芯型材格栅骨架结构增强热塑性复合材料减震井盖，尺寸：Φ800×60mm，外形结构：平底型，见图5，设计的承载等级参照GB/T23858-2009《检查井盖》为B125，用于人行道、非机动车道、小车停车场及地下停车场，为本发明内容所涉及的复合材料井盖中的一种。

原料选择：型材11选用48K碳纤维/玻璃纤维混杂（碳纤/玻纤/树脂体积比为10：43：47）增强环氧树脂拉挤方管，规格分别为35mm×30mm×3mm，发泡材料12选用聚氨酯树脂，第一功能填料和第二功能填料均选用200目燃煤炉渣粉，第一短切纤维和第二短切纤维均选用长度为2mm的短切玻璃纤维，织物21选用玻璃纤维三轴向织物，热塑性树脂22选用聚丙烯树脂。

1）将聚醚多元醇、发泡剂五氟丙烷、催化剂TEA（三乙醇胺）、MDI（二苯基甲烷-4,4’-二异氰酸酯）、泡沫稳定剂硅油、燃煤炉粉和短切玻璃纤维用高速搅拌器搅拌均匀，其中发泡混合物料、燃煤炉渣粉和短切玻璃纤维的重量配比为100份：50份：30份，使其充分发泡充满型腔固化；

2）向金属模具中喷外脱模剂，铺设玻璃纤维三轴向织物21，将热塑性树脂22-聚丙烯树脂，助剂-选用抗老化剂1010、紫外线吸收剂UV-326，燃煤炉渣粉和短切玻璃纤维混合充分，其中聚丙烯树脂混合物料、燃煤炉渣粉和短切玻璃纤维的重量配比为100份：35份：20份，按树脂层5mm厚铺于织物21上，重复操作，直到玻璃纤维织物/树脂铺层厚度为15mm；

3）打磨掉拉挤夹芯型材11外表面的脱模剂，在步骤2）中铺设好的织物/树脂层上中间位置沿横向铺设通长贯通的型材11，铺设一层织物21包裹型材11，再在中间位置沿纵向铺设型材11，形成格栅骨架结构层1，中间位置的相邻型材间隔为50mm，边沿位置的相邻型材间隔为120mm；

4）在形成的型材格栅间格内交替铺设玻纤织物21和厚度为5mm的上述步骤2）中所述的聚丙烯树脂、助剂、燃煤炉渣粉和短切玻璃纤维混合料，直至与型材11达到同一高度；

5）在步骤4形成的骨架结构层1上交替铺设织物21和3mm厚度的上述步骤2）中所述的聚丙烯树脂、助剂、燃煤炉渣粉和短切玻璃纤维混合料至较模具高度高出1mm左右，夯实压平；

7）再经一次加热模压成型，固化冷却脱模后，进行打磨修边。

依照GB/T23858-2009《检查井盖》，对上述实施例中的复合材料井盖的承载能力、疲劳性能进行检测。结果如下：

（1）承载能力试验：以1kN/s～5kN/s的速率施加载荷直至标准规定相应的试验载荷F值，试验载荷施加上后应保持30s。检查井盖未出现影响使用功能的损坏即判定为合格。

（2）残留变形的检测：加载前，记录井盖几何中心位置的初始值，测量精度为0.1mm。以1kN/s～5kN/s的速率施加载荷，直至2/3试验载荷F值，然后卸载。此过程重复5次，最后记录下几何中心的最终值。根据初始值和第5次卸载后最终值的差别计算残留变形值。

（3）抗疲劳性能试验：以一定的速率施加载荷，直至1/3试验载荷F值，然后卸载。此过程循环多次，直到井盖被破坏所需要的循环次数。

由以上实施例可以看出，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明选用碳纤维拉挤夹芯型材格栅作为支撑骨架结构，且在井盖中间位置型材排列紧密，两边稀疏，分布合理，使每根型材处于最佳受力状态，型材与基体树脂界面结合好，产品一次加热模压成型，整体结构强度和刚度好，大幅度提高其承载能力，且不易分层。

（2）本发明在拉挤型材腔内填充发泡材料，功能填料选用炼钢炉渣粉、燃煤炉渣粉或高炉渣粉这类多孔材料，具有很好的吸声作用，同时实现了这类固体废弃物的资源化利用。

（3）本发明选用热塑性树脂为基体，织物为主增强材料，碳纤维增强热固性拉挤型材为骨架，既能发挥热固性拉挤型材、织物的刚性支撑作用，又能发挥热塑性树脂优异的韧性、抗冲击性、抗疲劳性、抗损伤性和阻尼性，有效增大振动衰减，在型材格栅间隔内、骨架结构的层之间及井盖上下部分形成阻尼-刚性减震块或层，达到很好的降噪效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种复合材料减震井盖的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)向碳纤维拉挤夹芯型材的型腔内灌注含有用于增强强度的第二功能填料、用于吸声的第二短切纤维的发泡材料，使其充分发泡充满型腔固化；

2)向金属模具中喷外脱模剂，铺设织物，将热塑性树脂、助剂、用于吸声的第一功能填料和用于增强强度的第一短切纤维混合充分，按预设厚度铺于织物上，重复操作，达到织物/树脂层铺层厚度；

3)打磨掉型材外表面的脱模剂，在步骤2)中铺设好的织物/树脂层上沿纵向或横向间隔平行铺设通长贯通的步骤1)中填充好的型材，铺设1-2层织物包裹型材，进一步在铺设好的型材间沿横向或纵向间隔平行铺设型材，形成格栅骨架结构层；

4)在形成的型材格栅方格内交替铺设织物和预设厚度的热塑性树脂、助剂、用于吸声的第一功能填料和用于增强强度的第一短切纤维混合料，直至与型材达到同一高度；

5)重复步骤3)和4)，达到预设的型材格栅骨架结构层数，其中相邻骨架结构层间的通长贯通型材铺设夹角为90°；

6)在步骤5)形成的骨架结构层上交替铺设织物和热塑性树脂、助剂、用于吸声的第一功能填料和用于增强强度的第一短切纤维混合物至所述织物/树脂层铺层厚度；

7)采用一次加热模压成型，固化冷却脱模后，进行打磨修边。