CN110065287A - 一种泡芯相变夹层结构复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种泡芯相变夹层结构复合材料及其制备方法，该复合材料包括上\下面层、泡沫芯层和加强筋；所述上\下面层和加强筋为玻璃纤维增强聚氨酯复合材料；泡沫芯层为聚氨酯硬质并携带微胶囊相变储能材料；本发明将上\下面层、泡沫芯层和加强筋一体化热压成型制得的夹层复合材料，在同种工艺条件下完成固化和发泡，使面层和芯层的层间剪切强度提升，避免了层间开裂等问题。在泡沫芯层中引入的加强筋结构，使夹层复合材料整体力学强度和刚度得以提升，其抗冲击性能较大大增强，尤其是泡沫夹层的强度和模量比表层强度高，避免了脆性等问题，其还具有调温控温功能，在轻质高强性能基础上有效增加材料的功能性，实现材料的轻量化和功能化。
Description
技术领域
本发明属于功能夹层复合材料技术领域，具体涉及一种泡芯相变夹层结构复合材料及其制备方法。
背景技术
泡沫夹层结构由于比刚度和比强度高、质量轻、稳定性良好、耐疲劳等优势在航空航天领域得到了广泛地应用，此外，泡沫夹层的各向同性特性使其具有良好的透波性能，因此，泡沫夹层结构不仅可以作为结构件使用，也可以作为功能件使用。目前，泡沫夹层结构在船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域得到了广泛的应用，依次对其进行研究具有重要的现实意义。
然而，现有的泡沫夹层结构的抗冲击性能较弱，尤其泡沫夹层的强度和模量比表层强度低，且许用应变小，具有一定的脆性，受到冲击载荷作用后更容易产生损伤，损伤产生之后若继续承载，会出现裂纹扩展，影响结构的承载能力和使用可靠性。纤维增强复合材料(FRP)由于其比强度高、比刚度高、阻尼性能优和耐腐蚀等性能，在航天工程、车辆工程、民用基础和建筑等领域得到广泛的应用。随着全球节能降耗的需求，现代新型材料逐渐向高性能化、轻量化和功能化趋势发展。以聚氨酯为基体的玻璃纤维增强复合材料具有优异的力学性能、耐腐蚀性和化学稳定性，在建筑、通讯交通运输、体育器材、电子电器、航天航空等领域应用广泛，其中聚氨酯硬泡因具有相对密度小、压缩比强度高、隔音降噪和减振的优点，被广泛应用。
目前，针对夹层复合材料的研究较多，但几乎都采用多步完成，即将芯层和面层进行单独制备或购成品，采用胶黏剂粘接或机械连接，如发明专利CN201811335126.9公开了一种碳纤维复合材料泡沫夹层结构及其成型工艺方法，将碳纤维表皮和PVC泡沫芯材用增强纤维和环氧树脂胶粘粘到一起，再使用热压机层压工艺加热加压。但该方法得到的夹层复合材料存在易老化失效、气味大或应力集中等缺陷；发明专利CN100532069C公开了一种PMI泡沫夹层结构的热成型方法。该方法包括采用真空袋/烘箱或真空袋/热压罐成型技术，采用整块PMI泡沫平板热成型凹面雷达罩，其泡沫夹层成型加工难度大、易破损，次品率高，且成型后泡沫厚度不能满足不同入射角对应的最佳厚度。限制了上述方法在实际工业中的应用。目前关于夹层复合材料一体化成型的制备工艺鲜有报道。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供了一种泡芯相变夹层结构复合材料，解决传统粘接或机械连接夹层结构复合材料其抗冲击性能较弱，尤其是泡沫夹层的强度与表层剪切强度低，胶接层易老化或应力集中等问题。
本发明还提供上述泡芯相变夹层结构复合材料及其制备方法，解决现有技术工艺复杂、一体化成型难度较大的问题。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种泡芯相变夹层结构复合材料，包括上\下面层、泡沫芯层和加强筋；所述泡沫芯层设置在所述上\下面层之间，所述上\下面层之间还设置有纵横交错的加强筋，所述上\下面层为玻璃纤维增强聚氨酯复合材料；泡沫芯层为聚氨酯硬质并携带微胶囊相变储能材料；加强筋为玻璃纤维增强聚氨酯复合材料；所述上\下面层、泡沫芯层和加强筋一体化热压成型。
上\下面层和加强筋均采用玻璃纤维增强聚氨酯复合材料，因此具有冲击韧性优异、阻尼减振和耐疲劳等优势；并且，泡芯层采用的聚氨酯硬质泡沫具有比强度高，发泡工艺通用性强，性质稳定，环保无气味和易于加工；其次，上下面层利用加强筋相连，进一步提高了泡芯夹层结构的刚度和力学性能。上\下面层、泡沫芯层和加强筋一体化热压成型在同种工艺条件下完成固化和发泡，使面层和芯层的层间剪切强度提升，避免了层间开裂等问题。
进一步，所述玻璃纤维增强聚氨酯复合材料包括如下质量份的组分：多元醇PPG10~60份，多异氰酸酯MDI 20~80份，玻璃纤维 30~75份；
所述泡沫芯层包括如下质量份的组分：聚氨酯预聚体 30~85份、发泡剂 2~10份、泡沫稳定剂 1~6份和微胶囊相变材料 5~55份。
进一步，所述上\下面层为玻璃纤维布增强聚氨酯树脂，厚度为1~2mm。
进一步，所述泡沫芯层的密度为30~90kg/m3，相变温度为21~30℃，相变焓值为50~120 J/g。这样，相转变温度与人体外表温度相近，舒适宜人。所述微胶囊采用SiO2为壳层，与聚氨酯硬泡相容性更好，不易迁移，应用安全。
进一步，所述泡沫芯层的厚度为5~10mm。这样制得的泡芯夹层结构，既可以保证具有良好的抗冲击性能，又以便携带较多量的相变储能粒子。
上述泡芯相变夹层结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1）称取上\下面层、加强筋和泡沫芯层的组分原料；
2）将多元醇PPG进行除水处理，然后匀速加入多异氰酸酯搅拌混合，加热反应，反应结束后真空除起泡，即得到预聚体溶液；
3）将聚氨酯预聚体与微胶囊相变材料、发泡剂、泡沫稳定剂搅拌混合均匀，得到芯层发泡料；
4）根据实际需要，在模具的上\下面层和加强筋的位置上预铺设玻璃纤维，然后将步骤2）得到的预聚体溶液在真空条件下浸润玻璃纤维，待浸润完成后，在模具中均匀倒入步骤3）制得的芯层发泡料，关闭并锁紧模具，在40~80℃，固化1~4h，即得到所述泡芯相变夹层结构。
进一步，步骤3）中所述聚氨酯预聚体的制备方法同步骤2）。
进一步，所述除水处理的温度为115~120℃，时间为1~3h。
进一步，所述加热反应温度为40~80℃，时间为1~4h。
进一步，所述浸润时间为10~15min。
本发明中，泡芯层采用环保型物理发泡剂，发泡温和，孔径和性能可根据实际应用领域进行调整。同时，利用芯层携带微胶囊相变储能材料，赋予泡芯夹层复合材料调温控温的功能性。所述加强筋采用与上下面层同种工艺的玻璃纤维增强聚氨酯，以便上下面层和加强筋结构一体固化成型，以提升整体刚度和力学性能，且可根据材料的服役工况进行设计不同的筋结构。在制备过程中对上下面层和泡芯层所用的聚氨酯预聚体进行严格的温度控制，得以实现有较长的适用期以保证有足够的结构设计操作时间，在芯层采用加强肋结构中间肋结构进行了特殊设计，从而保证了芯层发泡对肋结构不影响，以保证整体的力学性能。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明泡芯夹层结构复合材料中，利用加强筋结构辅助连接和支撑上下面层，提升整体力学强度；聚氨酯硬质泡沫芯层，具有隔热效果好、比强度高、发泡性能优异，且在泡沫芯层中引入的加强筋结构，使夹层复合材料整体力学强度和刚度得以提升。
2、本发明采用聚氨酯泡芯相变夹层结构复合材料组分配方，通过一体化成型制得的夹层复合材料，上下面层和芯层在同种工艺条件下完成固化和发泡，使面层和芯层的层间剪切强度提升，避免了层间开裂等问题。同时也避免常规方法中存在无胶黏剂或机械连接的气味、易老化失效和应力集中等缺陷，还成功利用硬泡芯层携带相变储能材料，赋予夹层复合材料的调温控温功能，在轻质高强性能基础上有效增加材料的功能性，实现材料的轻量化和功能化。
3、本发明夹层复合材料采用的一体化热压成型技术，简化了实验工艺，制备工艺简便，实施性、通用性和可设计性强，所述原料易于获得，且价格相对低廉，具有良好的工程应用和市场前景。
说明书附图
图1为本发明泡芯相变夹层结构复合材料结构示意图；
图2为各类型泡芯相变夹层结构复合材料的力学性能对比图；
图3为实施例1与对比例3制备的泡芯相变夹层结构复合材料在升温过程中控温效率图；
图4为实施例1与对比例3制备的泡芯相变夹层结构复合材料在降温过程中控温效率图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
一、一种泡芯相变夹层结构复合材料
参见图1，一种泡芯相变夹层结构复合材料，包括上\下面层1、泡沫芯层2和加强筋3；所述泡沫芯层2设置在所述上\下面层1之间，所述上\下面层1之间还设置有纵横交错的加强筋3，所述上\下面层1为高强玻璃纤维增强聚氨酯复合材料；泡沫芯层2为聚氨酯硬质并携带微胶囊相变储能材料；加强筋3为玻璃纤维增强聚氨酯复合材料。所述上\下面层1、泡沫芯层2和加强筋3在同一工艺条件下一体化热压成型技术形成。
其中，所述玻璃纤维增强聚氨酯复合材料按如下质量份的组分：多元醇PPG 10~60份，多异氰酸酯MDI 20~80份，玻璃纤维 30~75份；
泡沫芯层2采用如下质量份的组分：聚氨酯预聚体 30~85份、发泡剂 2~10份、泡沫稳定剂 1~6份和微胶囊相变材料 5~55份。
所述上\下面层1为玻璃纤维布增强聚氨酯树脂，尺寸为300×300mm，厚度为1~2mm。
所述泡沫芯层2为聚氨酯硬泡可携带微胶囊相变粒子，采用物理发泡剂制备聚氨酯硬泡，密度为30-90kg/m3，厚度为5~10mm，相变温度为21~30℃，相变焓值为50~120 J/g。所述加强筋3为玻璃纤维增强聚氨酯复合材料。
二、一种泡芯相变夹层结构复合材料的制备方法
实施例1
1）称取聚氨酯泡芯相变夹层结构复合材料的原料，按以下质量份数的组分：多元醇PPG30份，多异氰酸酯MDI 40份、玻璃纤维30份、聚氨酯预聚体30份、发泡剂正戊烷2份、有机硅泡沫稳定剂1份和二氧化硅包覆十八烷微胶囊相变材料15份。
2）将多元醇PPG在115℃下除水处理2h，然后匀速加入多异氰酸酯搅拌混合，40℃反应4h，反应结束后真空除泡3min，即得到预聚体溶液；
3）将聚氨酯预聚体与微胶囊相变材料、发泡剂、泡沫稳定剂搅拌混合均匀，得到芯层发泡料；
4）根据实际需要，在模具的上\下面层和加强筋的位置上预铺设玻璃纤维，然后将步骤2）得到的预聚体溶液在真空条件下浸润玻璃纤维10~15min，待浸润完成后，在模具中均匀倒入步骤3）制得的芯层发泡料，关闭并锁紧模具，在80℃，固化1h，即得到所述泡芯相变夹层结构。
制得的泡芯相变夹层结构中聚氨酯硬泡芯层携带微胶囊相变材料粒子，微胶囊采用SiO2为壳层，密度为55kg/m3，厚度为10mm，相变储能材料相变温度为21℃左右，相变焓值为120 J/g，为人体适宜温度，聚氨酯泡沫相变芯层总厚度为8mm。
实施例2
1）称取聚氨酯泡芯相变夹层结构复合材料的原料，按以下质量份数的组分：多元醇PPG40份，多异氰酸酯MDI 50份、玻璃纤维50份、聚氨酯预聚体60份、正戊烷发泡剂4份、有机硅泡沫稳定剂2份和微胶囊相变材料30份。
2）将多元醇PPG在120℃下除水处理2h，然后匀速加入多异氰酸酯搅拌混合，50℃反应2h，反应结束后真空除泡3min，即得到预聚体溶液；
3）将聚氨酯预聚体与微胶囊相变材料、发泡剂、泡沫稳定剂搅拌混合均匀，得到芯层发泡料；
4）根据实际需要，在模具的上\下面层和加强筋的位置上预铺设玻璃纤维，然后将步骤2）得到的预聚体溶液在真空条件下浸润玻璃纤维10~15min，待浸润完成后，在模具中均匀倒入步骤3）制得的芯层发泡料，关闭并锁紧模具，在80℃，固化1h，即得到所述泡芯相变夹层结构。
制得的泡芯相变夹层结构中聚氨酯硬泡芯层携带微胶囊相变材料粒子，微胶囊采用SiO2为壳层，密度为60kg/m3，厚度为8mm，相变储能材料的相变温度为25℃左右，相变焓值为60 J/g，为人体适宜温度，聚氨酯泡沫相变芯层总厚度为8mm。
实施例3
1）称取聚氨酯泡芯相变夹层结构复合材料的原料，按以下质量份数的组分：多元醇PPG60份、多异氰酸酯MDI 70份、65份玻璃纤维、聚氨酯预聚体60份、正戊烷发泡剂3份、有机硅泡沫稳定剂2份和微胶囊相变材料50份。
2）将多元醇PPG在120℃下除水处理2h，然后匀速加入多异氰酸酯搅拌混合，50℃反应2h，反应结束后真空除泡3min，即得到预聚体溶液；
3）将聚氨酯预聚体与微胶囊相变材料、发泡剂、泡沫稳定剂搅拌混合均匀，得到芯层发泡料；
4）根据实际需要，在模具的上\下面层和加强筋的位置上预铺设玻璃纤维，然后将步骤2）得到的预聚体溶液在真空条件下浸润玻璃纤维10~15min，待浸润完成后，在模具中均匀倒入步骤3）制得的芯层发泡料，关闭并锁紧模具，在80℃，固化1h，即得到所述泡芯相变夹层结构。
制得的泡芯相变夹层结构中聚氨酯硬泡芯层携带微胶囊相变材料粒子，密度70kg/m3，厚度为10mm，相变储能材料的相变温度为28℃，相变焓值为50J/g，为人体适宜温度，聚氨酯泡沫相变芯层总厚度为8mm。
采用本发明聚氨酯泡芯相变夹层结构复合材料组分配方，通过上述方法一体化制得的夹层复合材料，上下面层和芯层在同种工艺条件下完成固化和发泡，所制得聚氨酯硬质泡沫芯层，具有隔热效果好、比强度高、发泡性能优异。夹层复合材料的上下面层采用筋层相连，且采用一体化热压成型技术，简化了实验工艺，使复合材料力学性能得以提升。
对比例1
同实施例1，但泡沫芯层无加强筋且未携带微胶囊相变粒子。
对比例2
同实施例1，但泡沫芯层无加强筋。
对比例3
同实施例1，但泡沫芯层未携带微胶囊相变粒子。
三、性能检测
1、泡芯相变夹层结构复合材料的力学性能
将实施例1~3和对比例1~3制备的泡芯夹层结构复合材料进行弯曲强度和剪切强度性能测试，结果如图2和表1所示。
从图中可以看出，在芯层采用加强筋结构进行辅助连接后，对比芯层无加强筋结构的夹层复合材料弯曲和剪切强度性能提升近3倍，力学性能主要由加强筋和上/下面层间协同作用承担，且加入微胶囊相变粒子后对力学性能影响较小。
2、泡芯相变夹层结构复合材料的调温控温效率
将实施例1~3和对比例1~3制备的泡芯相变夹层结构复合材料进行融冻试验，测试夹芯材料的在升温和降温过程中的控温效率。将实施例1和对比例3的夹芯复合材料制备成测试样品同时置于50℃的环境中进行升温过程中控温效率对比测试；完成升温测试后，迅速将实施例1~3和对比例1~3样品置于冰水中测试降温过程中控温效率，结果如表1、图3和图4所示。
从图3可以看出，泡芯相变夹层复合材料含有二氧化硅包覆十八烷的微胶囊相变粒子时，在升温过程中控温能力更为优异，随着温度逐渐升到50 ℃过程中，使夹层结构的温度处于28 ℃环境以下的时长达到1110 s，较未添加相变粒子的夹层复合材料使环境温度维持在28 ℃以下的能力提升了3倍，控温效果明显。
从图4可以看出，泡芯相变夹层复合材料含有二氧化硅包覆十八烷的微胶囊相变粒子时，在降温过程中具有良好的控温能力从50 ℃开始降温，夹层结构复合材料的温度控制在25 ℃以上的时间为1470 s，较未添加相变粒子的夹层复合材料使环境温度维持在25℃以上的能力提升了2.2倍，控温效果明显。
表1
| 弯曲强度MPa | 剪切强度kN | 将样品置于50 ℃时维持28℃以下的时间 | 将样品从50 ℃置于冰水中，维持25℃以上的时间 | |
| 实施例1 | 185 | 6.8 | 1110s | 1470s |
| 实施例2 | 190 | 7.8 | 1200s | 1500s |
| 实施例3 | 180 | 6.5 | 1150s | 1480s |
| 对比例1 | 38 | 1.9 | 200s | 620s |
| 对比例2 | 20 | 2 | 1000s | 1200s |
| 对比例3 | 182 | 8 | 270s | 660s |
综上，本发明采用一体化成型泡芯夹层复合材料，无胶黏剂或机械连接的气味、易老化失效和应力集中等缺陷，且成功利用硬泡芯层携带相变储能材料，赋予夹层复合材料于调温控温功能，在轻质高强性能基础上有效增加材料的功能性，实现材料的轻量化和功能化。并且，本发明泡芯夹层结构复合材料中，利用加强筋结构辅助连接和支撑上下面层，提升整体力学强度，在泡沫芯层中引入的加强筋结构，夹层复合复合材料整体力学强度和刚度得以提升。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围的，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种泡芯相变夹层结构复合材料，其特征在于，包括上\下面层、泡沫芯层和加强筋；所述泡沫芯层设置在所述上\下面层之间，所述上\下面层之间还设置有纵横交错的加强筋，所述上\下面层为玻璃纤维增强聚氨酯复合材料；泡沫芯层为聚氨酯硬质并携带微胶囊相变储能材料；加强筋为玻璃纤维增强聚氨酯复合材料；所述上\下面层、泡沫芯层和加强筋一体化热压成型。
2.根据权利要求1所述泡芯相变夹层结构复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维增强聚氨酯复合材料包括如下质量份的组分：多元醇PPG 10~60份，多异氰酸酯MDI 20~80份，玻璃纤维 30~75份；
所述泡沫芯层包括如下质量份的组分：聚氨酯预聚体 30~85份、发泡剂 2~10份、泡沫稳定剂 1~6份和微胶囊相变材料 5~55份。
3.根据权利要求1所述泡芯相变夹层结构复合材料，其特征在于，所述上\下面层为玻璃纤维布增强聚氨酯树脂，厚度为1~2mm。
4.根据权利要求1所述泡芯相变夹层结构复合材料，其特征在于，所述泡沫芯层的密度为30~90kg/m3，相变温度为21~30℃，相变焓值为50~120 J/g。
5.根据权利要求1所述泡芯相变夹层结构复合材料，其特征在于，所述泡沫芯层的厚度为5~10mm。
6.一种泡芯相变夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按照权利要求2称取上\下面层、加强筋和泡沫芯层的组分原料；
2）将多元醇PPG进行除水处理，然后匀速加入多异氰酸酯搅拌混合，加热反应，反应结束后真空除泡，即得到预聚体溶液；
3）将聚氨酯预聚体与微胶囊相变材料、发泡剂、泡沫稳定剂搅拌混合均匀，得到芯层发泡料；
4）根据实际需要，在模具的上\下面层和加强筋的位置上预铺设玻璃纤维，然后将步骤2）得到的预聚体溶液在真空条件下浸润玻璃纤维，待浸润完成后，在模具中均匀倒入步骤3）制得的芯层发泡料，关闭并锁紧模具，在40~80℃，固化1~4h，即得到所述泡芯相变夹层结构。
7.根据权利要求6所述泡芯相变夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述聚氨酯预聚体的制备方法同步骤2）。
8.根据权利要求6所述泡芯相变夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述除水处理的温度为115~120℃，时间为1~3h。
9.根据权利要求6所述泡芯相变夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述加热反应温度为40~80℃，时间为1~4h。
10.根据权利要求6所述泡芯相变夹层结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述浸润时间为10~15min。
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