CN107351852B - 轻质纤维增强酚醛三明治板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质纤维增强酚醛三明治板材及其制备方法，由两个面层和两个面层之间的芯材层组成，或者由两个三明治面层和两个三明治面层之间的芯材层组成，芯材层为纤维增强酚醛轻质泡沫层。本发明的板材解决了酚醛泡沫性脆的问题，板材由里向外均是阻燃性能较佳的酚醛材料，因此板材的阻燃性能优异，可耐150℃～180℃的高温，并且在高温下板材强度保持率高，能够满足机车车辆的防火要求。板材的芯材和面层均是轻质材料，能够满足车辆轻量化要求。板材的芯材和面层均使用纤维增强，芯材中的纤维可有效增加酚醛泡沫的强度和刚度，面层中的纤维同样可有效增加酚醛板材的强度和刚度，得到的三明治板材兼具较好的强度和刚度。

Description

轻质纤维增强酚醛三明治板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料板材，具体涉及一种轻质、阻燃的纤维增强酚醛三明治板材及其制备方法。
背景技术
对于交通车辆，特别是高速列车，轻量化对于其降低动能效果非常明显；动能=1/2mv2，所以轻量化（m降低）能抑制随高速化而增大的制动吸收能。例如：列车速度由220km/h提高到270km/h，如果车体重量不变，动能增加了50%左右；但如果车体重量降低30%，动能仅增加5%左右。我国普通列车的车体结构自重在14t左右，而国外高速客车则在7.5～10t以下。根据相关报道，车辆的重量下降10%，运行能耗可下降7%。
交通车辆的轻量化复合材料发展迅速，采用复合材料板材是保证车辆性能同时实现轻量化设计的一条重要途径。
近年开发制备的主要轻量化材料之一是三明治结构板材，三明治结构是一种特殊的复合材料结构类型，三明治夹芯结构是通过在重量轻而相对厚的芯材两侧贴上两层薄而坚固又抗拉的面板所组成。三明治夹芯结构有着典型的轻重量、高刚性和高强度特征。当三明治夹芯结构承受弯曲载荷时，其工作原理有些类似工字钢，工字钢翼板（如三明治夹芯结构的面板）承载平面压缩和拉伸荷载，而工字钢腹板承受剪切载荷（如结构三明治夹芯结构的芯材）。像使用传统的工字钢一样，当上下面板之间的距离被进一步分开，结构就能获得更大比例的刚性。较厚的芯材能达到同样的效果，但它也能提供一个总体的低比重，这就获得了较高的刚度-重量比。
三明治结构板材的芯材通常采用蜂窝芯材或泡沫芯材，从而得到蜂窝芯材三明治结构板材或泡沫芯材三明治结构板材。具体的，蜂窝芯材有PP蜂窝、铝蜂窝、芳纶蜂窝等，泡沫芯材有PVC、PET、PEI、PMI、PF泡沫、泡沫铝等种类。三明治结构板材的面层通常采用铝板、玻纤增强PP、纤维增强环氧板、纤维增强酚醛板等。
对于蜂窝芯材三明治结构板材，使用过程中蜂窝夹层结构表现出一些缺点，如蜂窝和面层的粘接接触面积相对较小，抗疲劳性能较差；蜂窝的开孔容易渗水导致芯材和面层的粘接破坏等；另外板材的制造工艺上不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺。
对于泡沫芯材三明治结构板材，除了发泡铝作为芯材，当其它有机泡沫作芯材时，板材的防火安全性就成了问题。
对于轨道车辆用板材，除了轻量化要求，阻燃性也是非常重要的性能指标。常见的碳纤维（或玻纤、芳纶纤维）增强环氧或乙烯基酯树脂复合材料，以及高强度有机物泡沫，相对于优质阻燃酚醛复合材料，在阻燃、烟密度、烟气毒性、耐温等方面都还比较有限。但是酚醛泡沫性脆，要得到高模量的酚醛泡沫材料及三明治板材，存在很大的难度。
中国专利文献CN 103802413A (申请号201410007978.0）公开了一种酚醛树脂复合夹芯板，包括第一板体、 第二板体，所述第一板体与第二板体之间设有夹心层，所述第一板体、第二板体采用酚醛树脂板材，所述第一板体、第二板体的内表面为粗糙面，夹心层的两侧通过环氧树脂胶分别与第一板体、第二板体的粗糙面粘接。该发明通过对粘接表面处理的粗糙处理，加大粘接表面的粗糙度、增大与夹心层之间的粘接面积，提高粘接强度，采用酚醛树脂，抗压强度低、耐老化性、质量轻、防火性能好，特别适用于防火等综合要求比较高的场合。该专利虽没有公开采用的芯材种类，但其采用后期粘接的方法，对于泡沫芯材，粘接面泡沫强度低，对于蜂窝芯材，粘接面积小，得到的板材都存在粘接强度低，板材抗振动疲劳性较差的问题；且其采用的环氧树脂胶的韧性和阻燃性能均较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种轻质、阻燃性好的纤维增强酚醛三明治板材及其制备方法。
实现本发明第一目的的技术方案是一种轻质纤维增强酚醛三明治板材，由两个面层和两个面层之间的芯材层组成，芯材层为纤维增强酚醛轻质泡沫层，密度为100～400kg/m3，面层为纤维增强酚醛复合板。
或者由两个三明治面层和两个三明治面层之间的芯材层组成，芯材层为纤维增强酚醛轻质泡沫层，密度为100～400kg/m3，三明治面层由夹心层和其两侧的面层板组成，其中夹心层为纤维增强酚醛重质泡沫层，密度为400～1500kg/m3，面层板为纤维增强酚醛复合板。
所述芯材层中由酚醛树脂发泡得到酚醛泡沫，芯材层中增强酚醛泡沫的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
所述面层由酚醛树脂和纤维织物固化得到，面层的增强纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
所述三明治面层的夹心层中由酚醛树脂发泡得到酚醛泡沫， 三明治面层的面层板为纤维增强酚醛复合板，由酚醛树脂和纤维织物固化得到；夹心层和面层板中的增强纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
实现本发明第二目的的第一种技术方案是一种如上所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法，该板材由两个面层和两个面层之间的芯材层组成，制备方法包括以下步骤：
① 准备形成面层的预浸料胶布；将酚醛树脂和固化剂搅拌均匀后得到树脂液，采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成预浸料胶布。
②准备形成芯材层的发泡胶片；将发泡型酚醛树脂、表面活性剂、增韧剂、发泡剂、固化剂混合均匀得到发泡液，采用手糊或浸胶工艺，将发泡液与纤维织物制成发泡胶片，或者采用捏合压片方式将发泡液与短切纤维制成发泡胶片。
③ 在步骤②得到的发泡胶片两侧复合步骤①得到的预浸料胶布得到发泡固化复合体，发泡胶片两侧的预浸料胶布的层数可以相同，也可以不同。
④ 将步骤③中得到的发泡固化复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～4小时，得到轻质纤维增强酚醛三明治板材。
上述步骤②中的表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种；固化剂与步骤①中使用的固化剂相同，均为酸固化剂，包括有机酸、无机酸、酯类促进剂和溶剂，酸固化剂中有机酸的质量浓度为1%～30%，无机酸的质量浓度为10%～50%，酯类促进剂的质量浓度为1%～70%。
实现本发明第二目的的第二种技术方案是一种如上所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法，该板材由两个三明治面层和两个三明治面层之间的芯材层组成，制备方法包括以下步骤：
①制备三明治面层。
（a）准备形成三明治面层的面层板的预浸料胶布；将酚醛树脂和固化剂搅拌均匀后得到树脂液，采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成预浸料胶布。
（b）准备形成三明治面层的夹心层的发泡胶片；将发泡型酚醛树脂、表面活性剂、增韧剂、发泡剂、固化剂混合均匀得到发泡液，采用手糊或浸胶工艺，将发泡液与纤维织物制成发泡胶片，或者采用捏合压片方式将发泡液与短切纤维制成发泡胶片。
（c）在步骤（b）得到的发泡胶片两侧复合步骤（a）得到的预浸料胶布得到三明治面层3的发泡固化复合体，发泡胶片两侧的预浸料胶布的层数可以相同，也可以不同。
（d）将步骤（c）中得到的发泡固化复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～4小时得到三明治面层。
②准备形成芯材层的发泡胶片；将发泡型酚醛树脂、表面活性剂、增韧剂、发泡剂、固化剂混合均匀得到发泡液，采用手糊或浸胶工艺，将发泡液与纤维织物制成发泡胶片，或者采用捏合压片方式将发泡液与短切纤维制成发泡胶片。
③取两块步骤①制备的三明治面层，在每块三明治面层的内表面上涂刷胶粘剂或铺设粘接胶膜，然后与步骤②准备的发泡胶片复合，发泡胶片被粘结固定在两块三明治面层中间，将得到的复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～4小时，得到轻质纤维增强酚醛三明治板材。
上述步骤①的第（b）步中，将100份发泡型酚醛树脂、1～3份表面活性剂、1～10份增韧剂、1～3份发泡剂、3～10份固化剂混合均匀得到发泡液。
进一步的，步骤①的第（b）步中，表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种；固化剂为酸固化剂，包括有机酸、无机酸、酯类促进剂和溶剂，酸固化剂中有机酸的质量浓度为1%～30%，无机酸的质量浓度为10%～50%，酯类促进剂的质量浓度为1%～70%。上述步骤②中将100份发泡型酚醛树脂、1～3份表面活性剂、1～10份增韧剂、4～10份发泡剂、3～10份固化剂混合均匀得到发泡液。
进一步的， 步骤②中，表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种；固化剂为酸固化剂，包括有机酸、无机酸、酯类促进剂和溶剂，酸固化剂中有机酸的质量浓度为1%～30%，无机酸的质量浓度为10%～50%，酯类促进剂的质量浓度为1%～70%。
可选择的，所述胶粘剂为酚醛胶或聚氨酯胶，所述粘接胶膜为聚氨酯胶膜或环氧胶膜。
本发明具有积极的效果：
（1）本发明的三明治板材的芯材和两侧的面层采用的均是酚醛复合材料，酚醛材料制品在火焰延伸、燃烧热释放、产烟密度、烟气毒性性能方面是最佳的。芯材是纤维增强酚醛泡沫，面层为单层的纤维增强酚醛复合板或者是三明治结构的纤维增强酚醛复合板。
作为芯材的酚醛泡沫轻质高强，导热系数0.05 W/m·K以下，可以隔热保温，也可隔离外部火源对车内的延伸，还可以隔音28dB而降噪，并且酚醛材质耐腐蚀性能优良。
酚醛树脂的阻燃低烟毒（FST）特性优于其它的有机高分子材料，不添加阻燃剂，燃烧后形成致密的结构炭层，减缓热量和氧气的侵入；同时酚可以捕获自由基，减缓分解反应。由酚醛树脂制成的面层纤维增强酚醛复合板经检测，阻燃性能可以达到BS6853的Ⅰa级。
本发明的板材通过对酚醛泡沫进行纤维增强，并且在酚醛泡沫中添加增韧剂，解决了酚醛泡沫性脆的问题，使得增强的酚醛泡沫可作为理想的夹心层材料。板材由里向外均是阻燃性能较佳的酚醛材料，因此板材的阻燃性能优异，板材可耐150℃～180℃的高温，并且在高温下板材强度保持率高，能够满足机车车辆的防火要求。
（2）本发明的纤维增强酚醛三明治板材的芯材和面层均是轻质材料，芯材是酚醛轻质泡沫，面层的比重为1.3～1.7，能够满足车辆轻量化要求。
（3）本发明的三明治板材的芯材和面层均使用纤维增强，芯材中的纤维可有效增加酚醛泡沫的强度和刚度，面层中的纤维同样可有效增加酚醛板材的强度和刚度，得到的三明治板材兼具较好的强度和刚度。
（4）本发明的第一种三明治板材可将表面受到的压力转化为层间剪切力和另一面层的拉伸力，第二种多层三明治板材则可将表面受到的压力转化为6个层间结合面的剪切力、3个面层和2个芯材的拉伸力，因此本发明板材整体的抗压、抗弯强度大。
附图说明
图1为实施例1的纤维增强酚醛三明治板材的结构示意图；
图2为实施例2的纤维增强酚醛三明治板材的结构示意图；
上述附图中的标记如下：芯材层1，面层2，三明治面层3，夹心层31，面层板32。
具体实施方式
（实施例1）
见图1，本实施例的轻质纤维增强酚醛三明治板材由两个面层2和两个面层2之间的芯材层1组成。
所述芯材层1为纤维增强酚醛轻质泡沫层，密度为100～400kg/m3，厚度为4mm～20mm。
芯材层1中由酚醛树脂发泡得到酚醛泡沫。芯材层1中增强酚醛泡沫的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
所述面层2为纤维增强酚醛复合板，面层2的比重为1.3～2.0，厚度为0.5mm～2mm。
面层2由酚醛树脂和纤维织物固化得到。面层2的增强纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
本实施例的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法包括以下步骤：
① 准备形成面层2的预浸料胶布。
将酚醛树脂和固化剂搅拌均匀后得到树脂液，每1kg酚醛树脂加入固化剂60g；采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成预浸料胶布，该预浸料胶布经过固化即成为三明治板材的面层2。
本实施例所用的酚醛树脂按照中国专利文献CN 104356325A（申请号201410593338.2）的实施例1的步骤①的方法制得。
所述的固化剂为酸固化剂，包括有机酸、无机酸、酯类促进剂和溶剂，将有机酸、无机酸、酯类促进剂溶解于溶剂中得到酸固化剂，酸固化剂中有机酸的质量浓度为1%～30%，无机酸的质量浓度为10%～50%，酯类促进剂的质量浓度为1%～70%。有机酸可以从苯磺酸、对甲苯磺酸、二甲苯磺酸、苯酚磺酸中选择，无机酸可以从磷酸、多聚磷酸、次磷酸、工业盐酸、工业硫酸中选择，合成酯类促进剂的酸为上述有机酸或无机酸中的一种，合成酯类促进剂的的醇为甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、二丙二醇、三丙二醇、丙三醇、季戊四醇、苯甲醇、苄醇、三羟甲基丙烷、苯酚中的一种；溶剂可以从水、甲醇、乙醇、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、二丙二醇、三丙二醇、丙三醇、苯甲醇、苄醇中选择。本实施例称取二甲苯磺酸0.7kg、磷酸0.5kg，三羟甲基丙烷多聚磷酸酯0.9kg，加入0.9kg水中，混合搅拌均匀配成酸固化剂待用。
所述的纤维织物的形式是方格布、短切毡、针刺毡、连续毡、缝编复合毡、夹芯缝编复合毡、 经编布、单向布、多轴向布中的一种，形成织物的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。本实施例中的纤维织物是玻璃纤维方格布。
②准备形成芯材层1的发泡胶片。
将100份发泡型酚醛树脂、3份表面活性剂、10份增韧剂、6份发泡剂、6份固化剂混合均匀得到发泡液，然后采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成发泡胶片，该发泡胶片经过发泡后成为纤维增强酚醛轻质泡沫层1。
本实施例所用的发泡型酚醛树脂是常州诺法新材料科技有限公司的INF1018A牌号的酚醛树脂。
所述表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，本实施例中使用的是聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯和聚乙烯吡咯烷酮。
所述增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，本实施例中使用的是聚乙烯醇缩醛。
所述发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种，本实施例中使用的是正己烷。
所述固化剂与步骤①中所用的固化剂相同。
所述的纤维织物的形式是方格布、短切毡、针刺毡、连续毡、缝编复合毡、夹芯缝编复合毡、 经编布、单向布、多轴向布中的一种，形成织物的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。本实施例中的纤维织物是玻璃纤维针刺毡。
③ 在步骤②得到的发泡胶片两侧复合步骤①得到的预浸料胶布得到发泡固化复合体，发泡胶片两侧的预浸料胶布的层数可以相同，也可以不同。本实施例中发泡胶片两侧放置的预浸料胶布的层数相同，均为6层。
④ 将步骤③中得到的发泡固化复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～4小时，本实施例中在80℃下发泡、固化3小时。在这过程中，位于复合体中间的发泡胶片中的酚醛树脂发泡形成纤维增强的酚醛泡沫，位于两侧的发泡胶片中的酚醛树脂固化得到纤维增强酚醛复合板，从而得到本实施例的轻质纤维增强酚醛三明治板材，整体板材比重为0.51。
对本实施例制得的轻质纤维增强酚醛三明治板材的力学性能测试如下：
弯曲性能测试：按照ASTMD790-10的弯曲性能测试方法，测得板材弯曲强度为40.5MPa，弯曲模量为1460MPa。
由上述数据可知，本发明的复合材料板材具有高强度、高韧性，适用于机车墙板、地板等领域。
（实施例2）
见图2，本实施例的轻质纤维增强酚醛三明治板材由两个三明治面层3和两个三明治面层3之间的芯材层1组成。
所述芯材层1为纤维增强酚醛轻质泡沫层，密度为100～400kg/m3，厚度为4mm～20mm。
芯材层1中由酚醛树脂发泡得到酚醛泡沫。芯材层1中增强酚醛泡沫的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
所述三明治面层3由夹心层31和其两侧的面层板32组成。
夹心层31为纤维增强酚醛重质泡沫层，密度为400～1500kg/m3，厚度为2mm～4mm。
夹心层31中由酚醛树脂发泡得到酚醛泡沫。夹心层31中的增强纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
面层板32为纤维增强酚醛复合板，面层板32的比重为1.3～1.7，厚度为0.1mm～0.5mm。
面层板32由酚醛树脂和纤维织物固化得到。面层板32的增强纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
本实施例的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法包括以下步骤：
①制备三明治面层3。
（a）准备形成三明治面层3的面层板32的预浸料胶布。
将酚醛树脂和固化剂搅拌均匀后得到树脂液，每1kg酚醛树脂加入固化剂60g；采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成预浸料胶布，该预浸料胶布经过固化即成为三明治面层3的面层板32。
本实施例所用的酚醛树脂是按照中国专利文献CN 104356325A（申请号201410593338.2）的实施例1的步骤①的方法制得的。
所用的固化剂与实施例1中使用的固化剂相同，也是酸固化剂，将有机酸、无机酸、酯类促进剂溶解于溶剂中得到酸固化剂，酸固化剂中有机酸的质量浓度为1%～30%，无机酸的质量浓度为10%～50%，酯类促进剂的质量浓度为1%～70%。
所述的纤维织物的形式是方格布、短切毡、针刺毡、连续毡、缝编复合毡、夹芯缝编复合毡、 经编布、单向布、多轴向布中的一种，形成织物的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。本实施例中的纤维织物是玻璃纤维方格布。
（b）准备形成三明治面层3的夹心层31的发泡胶片。
将100份发泡型酚醛树脂、2份表面活性剂、4份增韧剂、2份发泡剂、6份固化剂混合均匀得到发泡液，然后采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成发泡胶片，该发泡胶片经过发泡后成为纤维增强酚醛重质泡沫层31。
本实施例所用的发泡型酚醛树脂是常州诺法新材料科技有限公司的INF1018A牌号的酚醛树脂。
所述表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，本实施例中使用的是聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯和水溶性硅油。
所述增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，本实施例中使用的是聚氨酯预聚体。
所述发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种，本实施例中使用的是正己烷。
所述固化剂与步骤a中所用的固化剂相同。
所述的纤维织物的形式是方格布、短切毡、连续毡、缝编复合毡、夹芯缝编复合毡、经编布、单向布、多轴向布中的一种，形成织物的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。本实施例中的纤维织物是碳纤维和玻璃纤维混合的针刺毡。
（c）在步骤（b）得到的发泡胶片两侧复合步骤（a）得到的预浸料胶布得到三明治面层3的发泡固化复合体，发泡胶片两侧的预浸料胶布的层数可以相同，也可以不同。本实施例中发泡胶片两侧放置的预浸料胶布的层数不同，外侧3层，内侧1层。此处所述的外侧是指三明治面层3朝向外部的一侧，所述的内侧是三明治面层3与芯材层1接触的一侧。
（d）将步骤（c）中得到的发泡固化复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～3小时，本实施例中在80℃下发泡、固化3小时，得到三明治面层3。
②准备形成芯材层1的发泡胶片。
将100份发泡型酚醛树脂、3份表面活性剂、6份增韧剂、5份发泡剂、6份固化剂混合均匀得到发泡液，然后采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成发泡胶片，该发泡胶片经过发泡后成为纤维增强酚醛轻质泡沫层1。
本实施例所用的发泡型酚醛树脂是常州诺法新材料科技有限公司的INF1018A牌号的酚醛树脂。
所述表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，本实施例中使用的是聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯和水溶性硅油。
所述增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，本实施例中使用的是聚氨酯预聚体。
所述发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种，本实施例中使用的是环戊烷。
所述固化剂与步骤①中所用的固化剂相同。
所述的纤维织物的形式是方格布、短切毡、连续毡、缝编复合毡、夹芯缝编复合毡、经编布、单向布、多轴向布中的一种，形成织物的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。本实施例中的纤维织物是碳纤维和玻璃纤维混合的针刺毡。
③取两块步骤①制备的三明治面层3，在每块三明治面层3的内表面上涂刷胶粘剂或铺设粘接胶膜，然后与步骤②准备的发泡胶片复合，发泡胶片被粘结固定在两块三明治面层3中间，将得到的复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～4小时，本实施例中在90℃下发泡、固化4小时，得到本实施例的轻质纤维增强酚醛三明治板材，整体板材比重为0.54。
所述胶粘剂为酚醛胶或聚氨酯胶，所述粘接胶膜为聚氨酯胶膜或环氧胶膜。本实施例采用的是聚氨酯胶。
按照实施例1的测试方法，本实施例制得的轻质纤维增强酚醛三明治板材的力学性能测试结构如下：弯曲强度为55MPa，弯曲模量为2342MPa。
（实施例3、三明治板材的制备方法）
本实施例制备的是实施例1的轻质纤维增强酚醛三明治板材，制备方法其余与实施例1相同，不同之处在于：
步骤②准备形成芯材层1的发泡胶片时，将100份发泡型酚醛树脂、3份表面活性剂、8份增韧剂、5份发泡剂、6份固化剂混合均匀，将混合物料倒入捏合机中，再向捏合机中加入短切纤维，捏合均匀后，放入制片机内制成1～8mm的薄片，该薄片即为发泡胶片，表面覆隔离膜待用。
步骤③准备发泡固化复合体时，先将步骤②得到的发泡胶片两侧的隔离膜去掉，再在其两侧复合步骤①得到的预浸料胶布得到发泡固化复合体。
按照实施例1的测试方法，本实施例制得的轻质纤维增强酚醛三明治板材的力学性能测试结构如下：弯曲强度为38.5MPa，弯曲模量为1213MPa，整体板材比重为0.48。
（实施例4、三明治板材的制备方法）
本实施例制备的是实施例2的轻质纤维增强酚醛三明治板材，制备方法其余与实施例2相同，不同之处在于：
步骤①的第（b）步在准备形成三明治面层3的夹心层31的发泡胶片时，将100份发泡型酚醛树脂、3份表面活性剂、5份增韧剂、3份发泡剂、5份固化剂混合均匀，将混合物料倒入捏合机中，再向捏合机中加入短切纤维，捏合均匀后，放入制片机内制成1～1.5mm的薄片，该薄片即为发泡胶片，表面覆隔离膜待用。
第（c）步准备三明治面层3的发泡固化复合体时，先将步骤（b）得到的发泡胶片两侧的隔离膜去掉，再在其两侧复合步骤（a）得到的预浸料胶布得到发泡固化复合体。
除了夹心层31的发泡胶片可以采用本实施例的方法制备，芯材层1的发泡胶片也可以采用捏合压片的方法制备。
按照实施例1的测试方法，本实施例制得的轻质纤维增强酚醛三明治板材的力学性能测试结构如下：弯曲强度为50MPa，弯曲模量为2078MPa，整体板材比重为0.49。
（试验例、阻燃性）
对实施例1至实施例4制得的板材的阻燃性能进行检测，具体结果见下表1。
对于地板为内部水平朝上面，检测内容包括以下3方面，其中火焰延伸等级根据BS476-7产品火焰表面延伸等级确定的测试方法进行、毒性根据BS6853.B-1999英国轨道车辆材料防火测试标准附录B毒性的测定方法进行、烟物浓度根据BS6853.B-1999英国轨道车辆材料防火测试标准附录D烟雾浓度的测定方法进行。
表1、 实施例1至实施例4板材的阻燃性能
由表中数据可知，本发明的轻质纤维增强酚醛三明治板材的火焰延伸等级小于2级，毒性指数R小于5，烟密度要求A0(max)小于220，说明本发明的复合材料的达到了地板材料的1a级指标要求。
实施例1至实施例4的轻质纤维增强酚醛三明治板材烧灼后，平板表面均不鼓泡、不炸、不变形，断面均不分层，对火反应稳定。
综上，本发明的纤维增强酚醛三明治板材的芯材和面层均是轻质材料，能够满足车辆轻量化要求。
本发明的三明治板材的芯材和面层均使用纤维增强，芯材中的纤维可有效增加酚醛泡沫的强度和刚度，面层中的纤维同样可有效增加酚醛板材的强度和刚度，得到的三明治板材兼具较好的强度和刚度。 本发明的第一种三明治板材可将表面受到的压力转化为层间剪切力和另一面层的拉伸力，第二种多层三明治板材则可将表面受到的压力转化为6个层间结合面的剪切力、3个面层和2个芯材的拉伸力，因此本发明板材整体的抗压、抗弯强度大。
并且本发明的三明治板材阻燃性能佳，达到了轨道车辆严格的防火要求。

Claims (7)

1.一种轻质纤维增强酚醛三明治板材，其特征在于：
由两个三明治面层（3）和两个三明治面层（3）之间的芯材层（1）组成，芯材层（1）为纤维增强酚醛轻质泡沫层，密度为100～400kg/m3，三明治面层（3）由夹心层（31）和其两侧的面层板（32）组成，其中夹心层（31）为纤维增强酚醛重质泡沫层，密度为400～1500kg/m3，面层板（32）为纤维增强酚醛复合板。
2.根据权利要求1所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材，其特征在于：芯材层（1）中由酚醛树脂发泡得到酚醛泡沫，芯材层（1）中增强酚醛泡沫的纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材，其特征在于：三明治面层（3）的夹心层（31）为由酚醛树脂发泡得到的酚醛泡沫， 三明治面层（3）的面层板（32）为纤维增强酚醛复合板，由酚醛树脂和纤维织物固化得到；夹心层（31）和面层板（32）中的增强纤维是玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维、硼纤维、BN纤维、玄武岩纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维、PEEK纤维、LCP纤维中的一种或两种或两种以上的组合。
4.一种如权利要求1所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法，其特征在于该板材由两个三明治面层（3）和两个三明治面层（3）之间的芯材层（1）组成，制备方法包括以下步骤：
①制备三明治面层（3）；
（a）准备形成三明治面层（3）的面层板（32）的预浸料胶布；将酚醛树脂和固化剂搅拌均匀后得到树脂液，采用手糊或浸胶工艺，与纤维织物制成预浸料胶布；
（b）准备形成三明治面层（3）的夹心层（31）的发泡胶片；将发泡型酚醛树脂、表面活性剂、增韧剂、发泡剂、固化剂混合均匀得到发泡液，采用手糊或浸胶工艺，将发泡液与纤维织物制成发泡胶片，或者采用捏合压片方式将发泡液与短切纤维制成发泡胶片；
（c）在步骤（b）得到的发泡胶片两侧复合步骤（a）得到的预浸料胶布得到三明治面层3的发泡固化复合体，发泡胶片两侧的预浸料胶布的层数可以相同，也可以不同；
（d）将步骤（c）中得到的发泡固化复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～4小时得到三明治面层（3）；
②准备形成芯材层（1）的发泡胶片；将发泡型酚醛树脂、表面活性剂、增韧剂、发泡剂、固化剂混合均匀得到发泡液，采用手糊或浸胶工艺，将发泡液与纤维织物制成发泡胶片，或者采用捏合压片方式将发泡液与短切纤维制成发泡胶片；
③取两块步骤①制备的三明治面层（3），在每块三明治面层（3）的内表面上涂刷胶粘剂或铺设粘接胶膜，然后与步骤②准备的发泡胶片复合，发泡胶片被粘结固定在两块三明治面层（3）中间，将得到的复合体放入模具中，在60℃～100℃下进行发泡、固化成型1～4小时，得到轻质纤维增强酚醛三明治板材。
5.根据权利要求4所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法，其特征在于：
步骤①的第（b）步中，将100份发泡型酚醛树脂、1～3份表面活性剂、1～10份增韧剂、1～3份发泡剂、3～10份固化剂混合均匀得到发泡液；
步骤②中将100份发泡型酚醛树脂、1～3份表面活性剂、1～10份增韧剂、4～10份发泡剂、3～10份固化剂混合均匀得到发泡液。
6.根据权利要求5所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法，其特征在于：步骤①的第（b）步中，表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种；固化剂为酸固化剂，包括有机酸、无机酸、酯类促进剂和溶剂，酸固化剂中有机酸的质量浓度为1%～30%，无机酸的质量浓度为10%～50%，酯类促进剂的质量浓度为1%～70%；
步骤②中，表面活性剂为聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、水溶性硅油、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，增韧剂为聚乙烯醇缩醛、端羟基丁腈橡胶、聚氨酯预聚体中的一种，发泡剂为正戊烷、环戊烷、正己烷中的一种；固化剂为酸固化剂，包括有机酸、无机酸、酯类促进剂和溶剂，酸固化剂中有机酸的质量浓度为1%～30%，无机酸的质量浓度为10%～50%，酯类促进剂的质量浓度为1%～70%。
7.根据权利要求4所述的轻质纤维增强酚醛三明治板材的制备方法，其特征在于：所述胶粘剂为酚醛胶或聚氨酯胶，所述粘接胶膜为聚氨酯胶膜或环氧胶膜。
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