CN107877970B - 一种隔热三维中空复合板及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔热三维中空复合板，其为夹层结构，包括芯层和位于芯层的厚度方向的两侧的增强层，所述芯层包括泡沫层和布置在泡沫层中的由树脂A制成的增强筋，所述增强层由三维中空复合材料制备而成；所述增强层经树脂B复合到泡沫层上，增强筋贯穿泡沫层后连接到增强层上。该复合板兼具有泡沫材料的优异隔热性能以及三维中空复合材料的力学性能，扩大了隔热板的使用范围。本申请还公开了上述复合板的用途。

Description

一种隔热三维中空复合板及其应用
技术领域
本发明涉及一种隔热中空复合板，具体涉及一种隔热三维中空复合板及其应用。
背景技术
目前，隔热板主要有泡沫夹层板，泡沫夹层板由上下蒙皮和中间泡沫芯层组成，其中蒙皮与芯层之间通过二次胶粘而成，由于蒙皮厚度较薄且存在明显胶接弱界面层，使得该泡沫夹层板的抗冲击性能、抗分层能力和整体刚度均较差。
三维中空复合材料是一种呈夹层结构的夹层复合材料，构成夹层结构的基础是表层的经纱、纬纱和连接两个表层并形成芯部的Z向纤维。基于该夹层结构的材料具有轻量化、抗冲击、抗分层、隔音、隔热等特性，有效避免了传统泡沫夹层板易于分层、剥离以及耐冲击性差的缺陷，已经在航空航天、船舶领域和轨道交通等领域有所应用。
虽然三维中空复合材料的隔热性能优异，但其使用范围却越来越受到限制，这主要是冷藏车板、方舱板、活动营房板和房车板等领域对材料隔热性能的要求越来越高，这些三维中空复合材料的隔热性能已不能满足技术要求。
开发能够兼顾泡沫材料的优异隔热性能以及三维中空复合材料的力学性能的新型复合板结构就显得尤为迫切。
发明内容
为解决上述问题，本申请提出了一种隔热三维中空复合板，该复合板兼具有泡沫材料的优异隔热性能以及三维中空复合材料的力学性能，扩大了隔热板的使用范围，具体的技术方案如下：
该隔热三维中空复合板为夹层结构，包括芯层和位于芯层的厚度方向的两侧的增强层，所述芯层包括泡沫层和布置在泡沫层中的由树脂A制成的增强筋，所述增强层由三维中空复合材料制备而成；
所述增强层经树脂B复合到泡沫层上，增强筋贯穿泡沫层后连接到增强层上。优选地，树脂A与树脂B为同一规格的树脂。优选地，泡沫层的制作材料为聚氨酯泡沫、聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫、聚氯乙烯泡沫或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫中的一种。
本发明中的隔热三维中空复合板中的增强层采用三维中空复合材料制备，三维中空复合材料作为一种目前常用的复合材料，其具有的轻量化、抗冲击、抗分层、隔音、隔热等特性被携带到本发明中，而芯层采用泡沫材料制造，泡沫材料的隔热和轻质也同样保留在本发明中，为保证增强层与泡沫层的有效连接，在本申请中，增强层经树脂复合在泡沫层上，同时在泡沫层中设置了采用树脂制成的增强筋，该增强筋连接到增强层上。经过增强筋的连接作用，使两个增强层连接在一起，而在传统的夹层式的复合板中，增强层仅仅粘结在泡沫层的外表面上，由于泡沫层中的泡沫粒子本身易于被撕裂，以及泡沫粒子相互之间的粘结性也较弱，因此泡沫板的抗分层性能较差，当复合板受到外加载荷(如冲击、平拉、剪切、弯曲等)时，复合板极易被撕裂分层，而且由于泡沫板的抗压强度较低，在复合板受到外力时，主要由增强层来抵抗外力，泡沫层所能贡献的抵抗力较少。
而在本申请中，在泡沫层中设置了增强筋，该增强筋采用树脂制成，采用树脂制成的增强筋具有超过泡沫板数十倍的抗拉强度，当隔热三维中空复合板受到外力时，由于增强筋具有相当高的抗拉伸、压缩和剪切强度，也提高了本发明的抗拉伸、压缩和剪切强度，抗拉强度可达到现有夹层结构材料的2倍以上，避免了复合材料在长时间使用过程中出现分层现象；三维中空复合材料的特殊结构使得在相同重量下，三维中空复合材料厚度更高，其刚度更强，复合材料整体的抗变形能力更佳。
进一步，所述三维中空复合材料为树脂基复合材料，三维中空复合材料中的树脂基体与增强体的质量比为10:5-10:20；所述增强体为三维中空织物，该三维中空织物包括两层面层和位于两层面层之间的中间绒经，所述面层和中间绒经采用连续纤维整体编织而成。优选地，三维中空复合材料的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂或双马来酰亚胺树脂中的一种。优选三维中空复合材料中的树脂基体与树脂A和树脂B为同一规格的树脂。连续纤维优选无碱玻璃纤维。
在上述设计中，三维中空织物的两层面层经中间绒经相连接，而中间绒经与面层采用连续纤维整体编织而成，保证了中间绒经与面层的有效连接，在完成树脂的浸渍后，使增强层具有较高的抗弯能力。
进一步，所述三维中空织物的中间绒经的结构呈“8”字形。所述的“8”字形是指三维中空织物的两个面层之间具有间隔，其中一个面层的纤维在经过这个间隔后形成另一个面层时，途径间隔的纤维呈交叉状，这些途径间隔的纤维就成为三维中空织物的中间绒经，由于类似数字“8”，故称之为“8”字形结构。采用“8”字形结构可以有效地改善中空织物绒经自动回弹性，从而保证三维中空织物的力学性能。
进一步，在泡沫层中开设有沿芯层的厚度方向延伸的筋孔，所述筋孔为通孔，所述增强筋穿过筋孔后连接到增强层上。为方便增强筋的制作，首先在泡沫层中开设筋孔，然后在筋孔中注入树脂，树脂在流出筋孔后自然与增强层中的树脂基体融合在一起，在筋孔中的树脂凝固后成为增强筋，在形成增强筋的同时完成增强筋与增强层的连接。
进一步，所述增强筋与树脂基体经共固化而一体形成。即在生产隔热三维中空复合板时，增强筋与树脂基体采用共固化工艺进行固化，采用共固化的方式来同时固化增强筋与树脂基体，可使增强筋与三维中空复合材料顺利地连接在一起，形成一个整体，即本发明中的树脂部分能够形成一个连续体，提高了本发明的抗分层性能。
具体地，所述筋孔均匀地在泡沫层上，该筋孔为圆孔，筋孔的直径为0.5mm-5mm。在每个筋孔可形成一根增强筋，上述筋孔的布置能够使两个增强层之间形成稳定的连接，紧密地将泡沫层夹持在中间。
具体地，三维中空织物的厚度为2-20mm，保证三维中空织物增强复合材料的稳定性，避免高厚度中空织物复合材料受到外加载荷较早发生绒经失稳破坏；芯层的厚度为2-50mm，保证整体复合材料隔热性能，同时避免因泡沫厚度过高导致泡沫中增强筋引入的工艺性变差。
本发明中的隔热三维中空复合板的体密度为≤220kg/m3；导热系数为≤0.03W/(K×m)；压缩强度≥3MPa；复合材料滚筒剥离强度≥80(N.mm)/mm；隔热三维中空复合板组装后满足承载≥500kg/m2，平面度≤1.5mm。
本发明的综合有益效果如下：
1、力学性能：本发明结构中面层为三维中空复合材料，其面层与中间绒经采用连续纤维整体编织而成，其抗分层强度是传统夹层结构的2倍以上，避免了复合材料在长时间使用过程中出现分层现象；三维中空复合材料的特殊结构使得在相同重量下，三维中空复合材料厚度更大，其刚度更强，复合材料整体的抗变形能力更佳；芯层采用增强筋补强的泡沫结构，其芯层抗剪切强度更高，复合材料整体力学性能更好。
2、隔热性能
本发明新型隔热中空复合板结构的隔热性能取决于体系中各组分的导热系数，基于三维中空复合材料优异的导热系数和泡沫结构更佳的隔热性能，复合材料的整体隔热性能更好。
3、轻量化
本发明新型隔热中空复合板结构轻量化取决于各组分结构的密度，该体系中各组分密度均较低，尤其是三维中空复合材料的体积密度约为传统复合材料密度的1/4，使得复合材料整体轻量化效果明显。
4、可设计性强
本发明新型隔热中空复合板结构可设计性强，主要表现在芯层结构和面层结构均具有较强的可设计性，可以通过集成优化实现匹配使用工况的最优轻量化、力学性能和热性能的方案。
除此之外，本发明中的隔热三维中空复合板能够采用一次性成型，工艺简单、能耗低、成本低、综合性能好且可批量化生产，具有优异的推广价值。
本申请还提出了一种上述技术方案的用途，该隔热三维中空复合板用于制作冷藏车板、方舱板、活动营房板或房车板。冷藏车板、方舱板、活动营房板或房车板具有轻量化、抗冲击和隔热要求，采用本申请中的隔热三维中空复合板来制作这些物品，能够达到上述要求。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图。
图2是三维中空织物的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1，在图1适当标注的箭头H表示芯层的厚度方向，该芯层的厚度方向也即为隔热三维中空复合板的厚度方向。
该隔热三维中空复合板为夹层结构，包括芯层30和位于芯层30的厚度方向H的两侧的增强层，芯层30包括泡沫层31和布置在泡沫层31中的由树脂A制成的增强筋32。为方便描述，将位于芯层30两侧的增强层分别称为第一增强层10和第二增强层20，第一增强层10和第二增强层20均由三维中空复合材料制备而成，且均由树脂B复合到泡沫层31上，增强筋32贯穿泡沫层31后连接到第一增强层10和第二增强层20上。
在本实施例中，三维中空复合材料为树脂基复合材料，其中增强体为三维中空织物，该三维中空织物包括两层面层和位于两层面层之间的中间绒经，面层和中间绒经采用连续纤维整体编织而成。具体以第一增强层10为例来说明树脂基复合材料的具体结构，制成第一增强层10的树脂基复合材料包括树脂基体12和复合在树脂基体12中的三维中空织物11，三维中空织物11包括面层111、面层113和连接面层111和面层113的中间绒经112，在三维中空织物11的断面上，中间绒经112的结构呈“8”字形。第二增强层20的结构与第一增强层10的结构相同，简述如下，第二增强层20的树脂基复合材料包括树脂基体22和复合在树脂基体22中的三维中空织物21，三维中空织物21包括面层211、面层213和连接面层211和面层213的中间绒经212，在三维中空织物21的断面上，中间绒经212的结构呈“8”字形。
以下参照图2对三维中空织物的结构作进一步的描述，图2为三维中空织物11的结构示意图，三维中空织物11包括面层111、面层113和连接面层111和面层113的中间绒经112，面层111与面层113之间具有间隔100，面层111与面层113的结构相同，两者均由纬向纤维60和经向纤维50编织而成，其中经向纤维50在沿面层111延伸的过程中，部分经向纤维50偏离面层111经间隔100后进入到面层113中，从面层111进入到面层113的经向纤维在间隔100的部分成为绒经1121。同时面层113中的部分纤维会偏离面层113进入到面层111中，从面层113进入到面层111的经向纤维在间隔100的部分成为绒经1122，这些绒经1121、1122形成中间绒经112，观察三维中空织物11的横断面，绒经1121与绒经1122呈交叉状，由于类似数字“8”，故称之为“8”字形结构。采用“8”字形结构后，有效地改善中空织物绒经自动回弹性，从而保证三维中空织物的力学性能。
为表示清楚，在图2中，其中的一根经向纤维51用双点化线表示，该经向纤维51在从面层111进入到面层113时，会形成一段绒经1121，经向纤维51在面层113行走一段距离后会重新返回到面层111，形成另一段绒经1124，同一根经向纤维在三维中空织物中延伸时，会多次往返面层111与面层113，由此形成多根绒经，由此使面层111、113和中间绒112采用连续纤维整体编织而成。
在图2中，绒经1122与绒经1123由同一根经向纤维在往返面层111与面层113时所形成。
本实施例中，为便于形成增强筋32，在泡沫层31上开设了若干筋孔33，筋孔33为沿芯层的厚度方向H延伸的通孔，通过在筋孔33中注入树脂A而形成增强筋32，注入到筋孔33中的树脂A会自然与两个增强层融合在一起，筋孔33均匀地在泡沫层31上，该筋孔33为圆孔，筋孔的直径为2mm，筋孔呈矩阵排列，相邻筋孔的中心距为20mm。在其它实施例中，筋孔的直径还可以为0.5mm、1mm、2mm、4mm或5mm，当然也可以为0.5mm-5mm之间的其它容易数值。相邻筋孔之间的距离不宜太大，也不宜太小，比较适宜的范围是10mm-40mm之间。
本实施例中的每个增强层的厚度为5mm，面密度为1.5kg/m2，而等厚度的传统蒙皮夹芯板的面密度为10kg/m2。三维中空织物采用无碱玻璃纤维整体编织而成，三维中空复合材料中的树脂基体为环氧树脂，树脂基体与增强体的质量比为10:8。
芯层中的泡沫层为聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫，厚度为10mm，体积密度为：60kg/m3，增强筋采用环氧树脂制成，且增强层经树脂B复合在芯层上。
在本实施例中，树脂A和树脂B的组分相同，均为环氧树脂，且与树脂基体所用的环氧树脂的组分相同。
本实施例中的隔热三维中空复合板的制作步骤如下，准备泡沫层、三维中空织物和环氧树脂，并在泡沫层上开设筋孔；然后将一层三维中空织物铺设在模板上，涂刷环氧树脂并完成，在将泡沫层铺设在三维中空织物上，然后在筋孔中注满环氧后，将另一层三维中空织物铺设在泡沫层上，继续涂刷环氧树脂并完成，整体模压，待环氧树脂固化后，完成。固化工艺为80℃/5h。
经检测，本实施中的隔热三维中空复合板的指标如下：
面密度为4kg/m2，体密度为200kg/m3；导热系数为0.029W/(K×m)；隔热三维中空复合板组装后满足承载500kg/m2和45m/s风载指标，平面度≤1mm；滚筒剥离强度≥105(N.mm)/mm，芯层的抗压缩强度4MPa。
与本实施例中的隔热三维中空复合板(20mm)等重的蒙皮夹芯复合板的厚度仅为12mm。
本实施例中的隔热三维中空复合板用于制作具有轻量化、抗冲击和隔热要求的冷藏车板、方舱板、活动营房板或房车板。
实施例2
本实施例与实施例1的基本相同，其不同在于：
在本实施例中，树脂A和树脂B的组分相同，均为不饱和聚酯树脂，且与树脂基体所用的树脂的组分相同。
筋孔的直径为5mm，筋孔呈矩阵排列，相邻筋孔的中心距为25mm。
本实施例中的每个增强层的厚度为15mm，面密度为3kg/m3(等厚度传统蒙皮的面密度为30kg/m2)。三维中空复合材料中的树脂基体为不饱和聚酯树脂，树脂基体与增强体的质量比为10:8。
芯层中的泡沫层为聚氨酯泡沫，芯层厚度为20mm，面密度为：120kg/m3，增强筋采用不饱和聚酯树脂制成，且增强层经树脂B复合在芯层上。
固化工艺为60℃/2h。
经检测，本实施中的隔热三维中空复合板的指标如下：
面密度为9.5kg/m2，体密度为150kg/m3；导热系数为0.026W/(K×m)；隔热三维中空复合板组装后满足承载900kg/m2和60m/s风载指标，平面度≤1.2mm；滚筒剥离强度≥98(N.mm)/mm，芯层的抗压缩强度3.1MPa。
与本实施例中的隔热三维中空复合板(50mm)等重的传统泡沫夹层复合材料的厚度为23mm。

Claims (5)

1.一种隔热三维中空复合板，其特征在于：
该隔热三维中空复合板为夹层结构，包括芯层和位于芯层的厚度方向的两侧的增强层，所述芯层包括泡沫层和布置在泡沫层中的由树脂A制成的增强筋，所述增强层由三维中空复合材料制备而成；
所述增强层经树脂B复合到泡沫层上，增强筋贯穿泡沫层后连接到增强层上；
在泡沫层中开设有沿芯层的厚度方向延伸的筋孔，所述筋孔为通孔，所述增强筋穿过筋孔后连接到增强层上；所述增强筋与树脂基体经共固化而一体形成；
所述三维中空复合材料为树脂基复合材料，三维中空复合材料中的树脂基体与增强体的质量比为10:5-10:20；
所述增强体为三维中空织物，该三维中空织物包括两层面层和位于两层面层之间的中间绒经，所述面层和中间绒经采用连续纤维整体编织而成；
三维中空织物的厚度为2-20mm，芯层的厚度为2-50mm；
所述三维中空织物的中间绒经的结构呈“8”字形。
2.根据权利要求1所述的隔热三维中空复合板，其特征在于：三维中空复合材料的树脂基体为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂或双马来酰亚胺树脂中的一种。
3.根据权利要求1所述的隔热三维中空复合板，其特征在于：
泡沫层的制作材料为聚氨酯泡沫、聚对苯二甲酸乙二醇酯泡沫、聚氯乙烯泡沫或聚甲基丙烯酰亚胺泡沫中的一种。
4.根据权利要求1所述的隔热三维中空复合板，其特征在于：所述筋孔均匀地分布在泡沫层上，该筋孔为圆孔，筋孔的直径为0.5mm-5mm。
5.权利要求1-4所述的任一隔热三维中空复合板的用途，该隔热三维中空复合板用于制作冷藏车板、方舱板、活动营房板或房车板。
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