CN106671526A - 一种纤维增强复合板、其制备方法和应用 - Google Patents

一种纤维增强复合板、其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种纤维增强复合板、其制备方法和应用，该复合板包括：工作层和复合在所述工作层上的加强层；所述工作层由短切纤维增强聚氨酯发泡材料制成；所述加强层由连续纤维增强树脂复合材料制成。本发明提供的纤维增强复合板可作为铁路平车地板，具有合适的握钉力，较好的摩擦系数，很高的阻燃性，优良的力学稳定性和耐候、耐腐性等，其使用寿命可达10年以上。本发明提供的纤维增强复合板制成的铁路平车地板在承载能力、形变、连接螺栓松紧度以及履带反复碾压后的表面状况等方面，均明显优于木地板。

Description

一种纤维增强复合板、其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合板材技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合板、其制备方法和应用。
背景技术
铁路平车主要用于运送钢材、木材、汽车、机械设备等体积或重量较大的货物，也可借助集装箱运送其他货物。平车能适应国防需要，装载各种军用装备。目前，我国铁路平车多采用木质地板。平车木地板结构较为简单，主要由木地板、压铁、压条、垫木、埋木卡铁及螺栓组成。
平车采用木质地板能够较方便地钉入圆钉、扒锔钉，以便将挡木等加固器材固定，同时木材与装载货物之间具有较高的摩擦系数，便于对所装载货物进行加固。但是，铁路平车木地板普遍存在性能不稳定、不耐腐，容易破损，阻燃性差、易发生火灾等问题，无法保证车辆的运行安全。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种纤维增强复合板、其制备方法和应用，本发明提供的纤维增强复合板可作为铁路平车地板，具有优良的力学稳定性、适合的握钉力以及具备耐候、耐腐蚀的特点，使用寿命长。
本发明提供一种纤维增强复合板，其包括：
工作层和复合在所述工作层上的加强层；
所述工作层由短切纤维增强聚氨酯发泡材料制成；
所述加强层由连续纤维增强树脂复合材料制成。
优选地，所述短切纤维增强聚氨酯发泡材料中短切纤维选自短切玻璃纤维、短切碳纤维或短切玄武岩纤维。
优选地，所述短切纤维增强聚氨酯发泡材料中短切纤维的质量含量大于0且小于等于60％。
优选地，所述连续纤维增强树脂复合材料中树脂选自聚氨酯、环氧树脂或不饱和聚酯。
优选地，所述连续纤维增强树脂复合材料中连续纤维选自连续玻璃纤维或连续碳纤维。
优选地，所述连续纤维包括双向编织连续纤维布和连续纤维纱。
优选地，所述工作层和加强层通过胶粘剂相复合。
本发明提供一种纤维增强复合板的制备方法，包括以下步骤：
将短切纤维与聚氨酯发泡原料混合后，进行发泡，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料，形成工作层；
采用连续纤维增强树脂复合材料，制成加强层；
将所述工作层与加强层复合，得到纤维增强复合板。
优选地，所述短切纤维与聚氨酯发泡原料的混合在高速搅拌下进行。
本发明还提供一种铁路平车地板，其由上文所述的纤维增强复合板制成。
与现有技术相比，本发明提供的纤维增强复合板主要为工作层和加强层构成的板状结构，其中，工作层为用短切纤维增强的聚氨酯发泡结构，加强层由连续纤维增强树脂复合材料制成。在本发明中，所述工作层具有可钉可刨的性能，其功能是保证复合板的表面摩擦系数，握钉力和压缩强度等。同时，工作层中的短纤维呈不规则的弥散性分布，使复合板的工作层具有各项同性的特点，力学稳定性好，能解决木材各项异性的问题。所述加强层能增加复合板强度，提高其承载能力。本发明复合板整体为树脂板材，相较于木材具有很高的阻燃性，耐老化、耐疲劳、耐高低温和耐候性、耐腐性等。因此，本发明提供的纤维增强复合板可作为铁路平车地板，具有合适的握钉力，较好的摩擦系数，很高的阻燃性，优良的力学稳定性和耐候性、耐腐性，其使用寿命可达10年以上。本发明提供的纤维增强复合板制成的铁路平车地板在承载能力、形变、连接螺栓松紧度以及履带反复碾压后的表面状况等方面，均明显优于木地板。
附图说明
图1为本发明实施例提供的纤维增强复合板的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的纤维增强复合板的工艺流程简图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种纤维增强复合板，其包括：
工作层和复合在所述工作层上的加强层；
所述工作层由短切纤维增强聚氨酯发泡材料制成；
所述加强层由连续纤维增强树脂复合材料制成。
本发明提供的纤维增强复合板具有很高的阻燃性，优良的力学稳定性和耐候性、耐腐性，可作为铁路平车地板应用，具有10年以上的使用寿命。
参见图1，图1为本发明实施例提供的纤维增强复合板的截面示意图。图1中，1为工作层，2为加强层，3为加强筋。本发明提供的纤维增强复合板主要由工作层1和加强层2两部分组成，其中，所述工作层也可称为功能层，其由短切纤维增强聚氨酯发泡材料制成。
在本发明中，所述短切纤维增强聚氨酯发泡材料中短切纤维优选自短切玻璃纤维、短切碳纤维或短切玄武岩纤维，更优选为短切玻璃纤维(简称短切玻纤)；玻纤在加强强度和成本等综合指标方面较佳。所述短切纤维是相对于连续纤维界定的，也称短纤维，其纤维长度可为1mm～20mm，优选为3mm～15mm，更优选为6mm～10mm。本发明采用市售的短切纤维产品即可，如市售的长度小于10mm的无碱玻璃纤维。在本发明实施例中，短纤维在工作层中不规则的弥散性分布，使复合板的工作层具有各项同性的特点。在本发明实施例中，所述短切纤维增强聚氨酯发泡材料中短切纤维的质量含量优选大于0且小于等于60％，更优选为30～50％。
在本发明中，所述工作层为用短切纤维增强的聚氨酯发泡结构，能保证复合板的表面摩擦系数，握钉力、抗劈力和压缩强度等，具有可钉可刨的性能。在本发明的实施例中，所述工作层的密度为0.5～1g/cm3；压缩强度为0.5～15MPa。
本发明提供的纤维增强复合板包括加强层2，其复合在工作层1上。所述加强层也称增强层，其由连续纤维增强树脂复合材料制成，强度高、寿命长，耐老化腐蚀且平整度好，能增加复合板强度，提高其承载能力。
在本发明中，所述连续纤维增强树脂复合材料中树脂优选自聚氨酯、环氧树脂或不饱和聚酯，更优选为聚氨酯。本发明实施例的加强层树脂材料优选为聚氨酯，其更容易与工作层复合，性能更好。所述连续纤维增强树脂复合材料中连续纤维优选自连续玻璃纤维或连续碳纤维，更优选为连续玻璃纤维。在本发明的优选实施例中，所述连续纤维包括双向编织连续纤维布和连续纤维纱，其厚度可为1mm～30mm、克重为400～2000g/m2。所述加强层可由树脂、玻璃纤维纱和玻璃纤维布组成；玻纤含量为50％到90％，树脂含量为10％～50％。
在本发明的实施例中，所述加强层的密度为1.5～2.2g/cm3；纵向拉伸强度≥600MPa,横向拉伸强度≥120MPa。本发明实施例将所述加强层与工作层通过胶粘剂相复合；优选采用高黏切、抗老化的胶粘剂，复合性能更好，防开裂。其中，所述胶粘剂层的厚度可为0.2mm～2mm，可忽略不计。
在本发明中，与工作层的接触面上，所述加强层优选设置有若干凸起，嵌入到上部的工作层内，进一步提高复合板的刚度，使工作层与加强层连接性能更好。所述凸起可称为加强筋，其形状、尺寸、数量及其分布状态，可根据不同应用方向而不同。在本发明的一些实施例中，所述加强层上的加强筋：宽度为1mm到20mm，高度为0mm到40mm，间距为0mm到298mm；形状为圆形、柱形、梯形等相搭配。在本发明的实施例中，所述加强层是一体成型，且带有均匀分布的加强筋。
在本发明的实施例中，所述纤维增强复合板的密度为0.4～1g/cm3。其中，所述工作层的厚度可为35mm～70mm；加强层的厚度可为1mm～35mm。
本发明提供了一种纤维增强复合板的制备方法，包括以下步骤：
将短切纤维与聚氨酯发泡原料混合后，进行发泡，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料，形成工作层；
采用连续纤维增强树脂复合材料，制成加强层；
将所述工作层与加强层复合，得到纤维增强复合板。
参见图2，图2为本发明实施例提供的纤维增强复合板的工艺流程简图。本发明实施例将聚氨酯发泡原料中的A料、B料和短纤维分别加料至各自的料斗，充分混合均匀，然后通过入料口导入模腔内进行发泡，得到功能层或工作层。
聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称(英文简称为PU)，本发明中的聚氨酯发泡材料是由异氰酸酯、多元醇和发泡剂等原料发泡形成的硬质聚合物发泡材料。在本发明聚氨酯发泡原料中，异氰酸酯可为甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)。聚氨酯用多元醇主要有聚醚多元醇和聚酯多元醇，本发明多采用聚醚多元醇。本发明实施例主要以水为发泡剂，发泡效果好。在本发明的实施例中，A料、B料为本领域技术人员熟知的对应的聚氨酯白料、黑料；A料和B料的质量比可为100：(100～120)，采用市售产品即可。
在本发明中，所述短切纤维与聚氨酯发泡原料的混合优选在高速搅拌下进行，以充分混合均匀。在本发明实施例中，所述高速搅拌的速度大于等于6000转/分。所述短切纤维的种类、长度等内容与前文所述的内容一致，在此不再赘述。
本发明将所述短切纤维与聚氨酯发泡原料混合后，进行发泡，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料。其中，所述发泡可在室温下进行，如20～30℃，优选23～25℃。在本发明的实施例中，本发明优选发泡1～5min，保模时长1小时以上，熟化时长24小时以上，形成功能层。此处，发泡时间为搅拌反应的时间；保模时长指在模具中的时间，熟化一般是指将模具置于烤箱中烘烤，本发明对此没有特殊限制。
本发明实施例采用连续纤维增强树脂复合材料，制成加强层。其中，连续纤维和树脂等原料的内容如前文所述；可通过本领域常用的挤拉模压的方式制成加强层。
得到所述功能层和加强层后，本发明实施例将两者复合成双层结构，得到成品纤维增强复合板。此外，本发明实施例可通过传动装置实现连续生产。
在复合之前，本发明实施例可将加强层进行打磨等表面处理，便于后续的复合工序。本发明优选采用胶粘剂，将工作层与加强层通过挤拉模压的方式复合，得到纤维增强复合板。其中，所述胶粘剂的内容如前文所述；所述加强层的加强筋等内容也如前文所述。
本发明还提供了一种铁路平车地板，其由上文所述的纤维增强复合板制成。采用本发明提供的纤维增强复合板作为铁路平车地板，具有很高的阻燃性，优良的力学稳定性和耐潮、耐腐性等，使用寿命长。并且，该纤维增强复合板便于运送和应用，不容易刺伤人员。此外，该纤维增强复合板的环保性能可靠，无毒、无害、无污染，且可完全回收。
本发明提供的纤维增强复合板制成的铁路平车地板在承载能力、形变、连接螺栓松紧度以及履带反复碾压后的表面状况等方面，均明显优于木地板。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的纤维增强复合板、其制备方法和应用进行具体地描述。
以下实施例中，所用的物料均采用市售产品；所用的短切玻璃纤维的长度为6mm，B料为多亚甲基多苯基异氰酸酯PM-200的黑料，A料为组合聚醚多元醇DQT-503的白料。
实施例1
在6000转/分的速度下，将80g短切玻璃纤维与聚氨酯发泡原料的A料100g、B料100g混合，充分混合均匀后，通过入料口导入模腔于室温下发泡1min，保模时长1小时，熟化时长24小时，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料，形成厚度为66mm的工作层；所述工作层的密度为0.55g/cm3，压缩强度为6MPa。
将聚氨酯原料液浸渍双向编织连续玻璃纤维布，在模腔中，得到连续纤维增强树脂复合材料，制成厚度为4mm的加强层；加强层上带有均匀分布的加强筋；加强层由聚氨酯、玻璃纤维纱和玻璃纤维布组成；玻纤含量为50％，树脂含量为50％。所述加强层的密度为1.8g/cm3；横向拉伸强度为120MPa。
将所述加强层进行打磨，然后采用聚氨酯胶粘剂，将所述工作层与打磨后的加强层通过挤拉模压的方式复合，得到厚度为70mm的纤维增强复合板成品。
实施例2
在6000转/分的速度下，将92.25g短切玻璃纤维与聚氨酯发泡原料的A料100g、B料105g混合，充分混合均匀后，通过入料口导入模腔于室温下发泡5min，保模时长1小时，熟化时长24小时，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料，形成厚度为66mm的工作层；所述工作层的密度为0.6g/cm3，压缩强度为8MPa。
将聚氨酯原料液浸渍双向编织连续玻璃纤维布，在模腔中，得到连续纤维增强树脂复合材料，制成厚度为4mm的加强层；加强层上带有均匀分布的加强筋；加强层由聚氨酯、玻璃纤维纱和玻璃纤维布组成；玻纤含量为60％，树脂含量为40％。所述加强层的密度为2g/cm3；横向拉伸强度为150MPa。
将所述加强层进行打磨，然后采用环氧树脂胶粘剂，将所述工作层与打磨后的加强层通过挤拉模压的方式复合，得到厚度为70mm的纤维增强复合板成品。
实施例3
在6000转/分的速度下，将105g短切玻璃纤维与聚氨酯发泡原料的A料100g、B料110g混合，充分混合均匀后，通过入料口导入模腔于室温下发泡，保模时长1小时，熟化时长24小时，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料，形成厚度为66mm的工作层。
将聚氨酯原料液浸渍双向编织连续玻璃纤维布，在模腔中，得到连续纤维增强树脂复合材料，制成厚度为4mm的加强层；加强层上带有均匀分布的加强筋；加强层由聚氨酯、玻璃纤维纱和玻璃纤维布组成；玻纤含量为70％，树脂含量为30％。
将所述加强层进行打磨，然后采用胶粘剂，将所述工作层与打磨后的加强层通过挤拉模压的方式复合，得到厚度为70mm的纤维增强复合板成品。
实施例4
在6000转/分的速度下，将110g短切玻璃纤维与聚氨酯发泡原料的A料100g、B料120g混合，充分混合均匀后，通过入料口导入模腔于室温下发泡，保模时长1小时，熟化时长24小时，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料，形成厚度为66mm的工作层。
将聚氨酯原料液浸渍双向编织连续玻璃纤维布，在模腔中，得到连续纤维增强树脂复合材料，制成厚度为4mm的加强层；加强层上带有均匀分布的加强筋；加强层由聚氨酯、玻璃纤维纱和玻璃纤维布组成；玻纤含量为80％，树脂含量为20％。
将所述加强层进行打磨，然后采用胶粘剂，将所述工作层与打磨后的加强层通过挤拉模压的方式复合，得到厚度为70mm的纤维增强复合板成品。
实施例5
对实施例1～2所得成品进行压缩强度等性能测试，检测方法和结果参见表1～2，表1为实施例所得成品的基本力学性能测试，表2为实施例所得成品的功能性项目测试。
表1实施例所得成品的基本力学性能测试
表2实施例所得成品的功能性项目测试
由表1～表2可知，本发明复合板整体为树脂板材，相较于木材具有很高的阻燃性，耐老化、耐疲劳、耐高低温和耐候性、耐腐性等。本发明提供的纤维增强复合板制成的铁路平车地板在承载能力、形变、连接螺栓松紧度以及履带反复碾压后的表面状况等方面，均明显优于木地板。本发明提供的纤维增强复合板可作为铁路平车地板，具有优良的力学稳定性、适合的握钉力和很高的阻燃性，以及具备耐候性、耐腐性等，其使用寿命可达10年以上。

Claims (10)

1.一种纤维增强复合板，其特征在于，包括：
工作层和复合在所述工作层上的加强层；
所述工作层由短切纤维增强聚氨酯发泡材料制成；
所述加强层由连续纤维增强树脂复合材料制成。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合板，其特征在于，所述短切纤维增强聚氨酯发泡材料中短切纤维选自短切玻璃纤维、短切碳纤维或短切玄武岩纤维。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合板，其特征在于，所述短切纤维增强聚氨酯发泡材料中短切纤维的质量含量大于0且小于等于60％。
4.根据权利要求1所述的纤维增强复合板，其特征在于，所述连续纤维增强树脂复合材料中树脂选自聚氨酯、环氧树脂或不饱和聚酯。
5.根据权利要求1所述的纤维增强复合板，其特征在于，所述连续纤维增强树脂复合材料中连续纤维选自连续玻璃纤维或连续碳纤维。
6.根据权利要求5所述的纤维增强复合板，其特征在于，所述连续纤维包括双向编织连续纤维布和连续纤维纱。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的纤维增强复合板，其特征在于，所述工作层和加强层通过胶粘剂相复合。
8.一种纤维增强复合板的制备方法，包括以下步骤：
将短切纤维与聚氨酯发泡原料混合后，进行发泡，得到短切纤维增强聚氨酯发泡材料，形成工作层；
采用连续纤维增强树脂复合材料，制成加强层；
将所述工作层与加强层复合，得到纤维增强复合板。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述短切纤维与聚氨酯发泡原料的混合在高速搅拌下进行。
10.一种铁路平车地板，其特征在于，由权利要求1～7中任一项所述的纤维增强复合板或权利要求8～9中任一项所述的制备方法制得的纤维增强复合板制成。
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