CN110183720A - 一种仿柚子皮结构复合发泡材料及其制备方法 - Google Patents

一种仿柚子皮结构复合发泡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿柚子皮结构复合发泡材料及其制备方法。方法是：步骤1、将聚醚多元醇与异氰酸酯搅拌均匀后，倒入放置有阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖织物，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡，固化后脱模，得到一次发泡产品；步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；步骤3、将聚醚多元醇与水搅拌均匀得到混合物；将混合物与异氰酸酯搅拌均匀后，倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡，固化后脱模，得到复合发泡材料。将阵列结构模具、纺织材料和多孔材料相结合，通过二次发泡工艺制备仿生柚子皮结构复合材料，提高了整体的抗冲击和缓冲吸能效果。

Description

一种仿柚子皮结构复合发泡材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料领域，具体是一种仿柚子皮结构复合发泡材料及其制备方法。
背景技术
目前，聚氨酯发泡材料的机械性能较差，研究者通过添加纳米粒子(石墨烯、碳纳米管、二氧化硅)等来提高聚氨酯硬泡的机械性能。但是添加剂亲疏水性质和添加浓度对聚氨酯泡沫泡孔结构影响很大，且添加剂成核作用明显且分布不均匀，以至于会破坏泡孔形态；短玻璃纤维作为增强材料添加到硬质聚氨酯泡沫塑料中，虽然能提高材料的弯曲和拉伸强度，但是通常会降低复合材料的冲击强度。
较为成熟的柚子，从数十米高处落下，而内部的果实却完好无损，这完全得益于其内部的多级结构。首先多孔结构的梯度变化，对应力波的传递起到吸收作用；其次大量垂直纤维束与泡孔结构的紧密结合形成类似阵列结构，既提高了基体强度又有助于改善能量的吸收传递；最后表层油皮的包裹作用将三者完美结合一起发挥出最大的缓冲吸能特性。所以如何将仿柚子皮梯度结构应用于聚氨酯泡沫微观分级结构来建立高效吸能结构成为亟待研究的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种仿柚子皮结构复合发泡材料及其制备方法。
本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特点在于该方法包括如下步骤：
步骤1、将聚醚多元醇与异氰酸酯混合搅拌均匀后，倒入放置有阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖织物，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡，固化后脱模，得到一次发泡产品；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇与水混合搅拌均匀，得到混合物；将混合物与异氰酸酯混合搅拌均匀后，倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡，固化后脱模，得到复合发泡材料。
本发明解决所述材料技术问题的技术方案是，提供一种根据所述方法得到复合发泡材料，其特征在于该材料为仿生柚子皮结构，以织物作为柚子皮结构的表皮层，以两次发泡过程的产物作为柚子皮结构的梯度泡沫结构，以两次发泡过程形成的阵列结构界面作为纤维管束；纤维管束用于两次发泡过程的产物之间的粘结。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明将阵列结构模具、纺织材料和多孔材料相结合，通过二次发泡工艺制备仿生柚子皮结构复合材料，增强了泡沫材料的机械性能。采用织物进行表面结构和垂直纤维结构强化，并通过阵列结构模具结合二次发泡工艺得到具有有序点阵缓冲结构和阵列结构界面的梯度分级结构复合材料，不仅建立了仿生表皮层结构，同时也利用微观的泡孔分级结构，有效改善应力波的传递，增加了能量吸收能力，提高了整体的抗冲击和缓冲吸能效果。
(2)采用可调尺寸和截面形状的阵列结构模具，实现点阵缓冲结构和梯度泡孔尺寸可调。同时可以选择与不同材质的多孔材料、不同泡孔尺寸的材料和不同种类添加剂相结合作为功能性填充，增加了复合材料的功能加工选择性。
(3)在以泡沫为主要承载单元的基础上，增加了新的内部承载单元，如填充物(膨胀蛭石、功能型纤维、微胶囊或二氧化硅气凝胶等)、表皮层织物结构等，进一步改善了复合材料的应用性能。
(4)本复合发泡材料能够应用于缓冲包装、个体防护、保温隔热、阻燃、吸音、电磁屏蔽、金属吸附等领域，实现了材料学、纺织学和安全科学的学科交叉，是纺织技术和材料复合技术在安全学的应用和延伸。
附图说明
图1为本发明一种实施例的复合发泡材料的仿柚子皮结构的截面图；
图2为本发明一种实施例的复合发泡材料结构示意图；
图3为本发明一种实施例的圆柱阵列结构模具示意图；
图4为本发明一种实施例的复合发泡材料制备流程图；
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法(简称方法)，其特点在于该方法包括如下步骤：
步骤1、将聚醚多元醇与异氰酸酯用机械搅拌器以600-3000r/min的速度混合搅拌5-30s后搅拌均匀，迅速倒入放置有阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖织物，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡12-24h后，固化，固化后脱模，得到一次发泡产品；
聚醚多元醇与异氰酸酯的质量比为3-5:1；
所述织物采用面密度(克重)为200-500g/m2的非织造布、碳纤维布(碳织物)、机织物或经编间隔织物；具体是尼龙非织造布、涤纶非织造布、碳纤维布或双面涤纶经编间隔织物；
所述阵列结构模具可采用圆柱阵列结构模具；圆柱阵列结构是由若干个实心圆柱体以阵列形式排列形成的结构，其中每一个圆柱的直径为8-16mm；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇与水用机械搅拌器以800-2000r/min的速度搅拌混合1-3min后搅拌均匀，得到混合物；将混合物与异氰酸酯用机械搅拌器以600-3000r/min的速度搅拌，搅拌5-30s后搅拌均匀，迅速倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡12-24h后，固化，固化后脱模，得到复合发泡材料。
聚醚多元醇与水的质量比为100:0-3；混合物与异氰酸酯的质量比为3-5:1；
发泡模具采用方形槽；
优选地，在步骤3中，可以在混合物中添加膨胀蛭石、功能型纤维、微胶囊或二氧化硅气凝胶等；其中膨胀蛭石的粒径为10-50μm，聚醚多元醇与膨胀蛭石的质量比为100:0-3；纤维采用碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯或玻璃纤维等，用于增强复合发泡材料的性能；二氧化硅气凝胶的粒径为10-30nm，聚醚多元醇与二氧化硅气凝胶的质量比为100:0-3；
本发明同时提供了一种根据所述方法得到的仿柚子皮结构复合发泡材料(简称材料)，其特征在于该材料为仿生柚子皮结构，以织物作为柚子皮结构的表皮层，以两次发泡过程的产物作为柚子皮结构的梯度泡沫结构，以两次发泡过程形成的阵列结构界面作为纤维管束；纤维管束用于两次发泡过程的产物之间的粘结。
实施例1
步骤1、将质量比为4:1的聚醚多元醇与异氰酸酯用机械搅拌器以1200r/min的速度混合搅拌15s后搅拌均匀，迅速倒入放置有直径为8mm的圆柱阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖一层尼龙非织造织物(面密度为300g/m2)，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡12h后，固化，固化后脱模，得到一次发泡产品；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇与水(水的质量是聚醚多元醇质量的2wt％)用机械搅拌器以800r/min的速度搅拌混合2min后搅拌均匀，得到混合物；将质量比为4:1的混合物与异氰酸酯用机械搅拌器以1500r/min的速度搅拌，搅拌15s后搅拌均匀，迅速倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡24h后，固化，固化后脱模，得到复合发泡材料，具有隔热保温、缓冲功能。
实施例2
步骤1、将质量比为4:1的聚醚多元醇与异氰酸酯用机械搅拌器以1200r/min的速度混合搅拌15s后搅拌均匀，迅速倒入放置有直径为12mm的圆柱阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖一层尼龙非织造织物(面密度为500g/m2)，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡12h后，固化，固化后脱模，得到一次发泡产品；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇、水和粒径30μm膨胀蛭石颗粒(水和膨胀蛭石颗粒的质量均为聚醚多元醇质量的2wt％)用机械搅拌器以1000r/min的速度搅拌混合1.5min后搅拌均匀，得到混合物；将质量比为4:1的混合物与异氰酸酯用机械搅拌器以2000r/min的速度搅拌，搅拌10s后搅拌均匀，迅速倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡24h后，固化，固化后脱模，得到复合发泡材料，具有隔热保温、吸音、缓冲功能。
实施例3
步骤1、将质量比为4:1的聚醚多元醇与异氰酸酯用机械搅拌器以1500r/min的速度混合搅拌13s后搅拌均匀，迅速倒入放置有直径为16mm的圆柱阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖一层碳织物(面密度为200g/m2)，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡12h后，固化，固化后脱模，得到一次发泡产品；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇、水和长度为5mm玻璃纤维束(水和玻璃纤维的质量均为聚醚多元醇质量的1wt％)用机械搅拌器以800r/min的速度搅拌混合3min后搅拌均匀，得到混合物；将质量比为4:1的混合物与异氰酸酯用机械搅拌器以1800r/min的速度搅拌，搅拌11s后搅拌均匀，迅速倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡24h后，固化，固化后脱模，得到复合发泡材料，具有隔热保温、电磁屏蔽、缓冲功能。
实施例4
步骤1、将质量比为4:1的聚醚多元醇与异氰酸酯用机械搅拌器以1500r/min的速度混合搅拌13s后搅拌均匀，迅速倒入放置有直径为16mm的圆柱阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖一层经编间隔织物(面层双面涤纶，面密度为200D，间隔丝为30D，厚度5mm，孔眼为圆形，直径为4mm)，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡12h后，固化，固化后脱模，得到一次发泡产品；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇、水和粒径为2mm包裹剪切增稠液的微胶囊(水和微胶囊的质量均为聚醚多元醇质量的2wt％)用机械搅拌器以1000r/min的速度搅拌混合2.5min后搅拌均匀，得到混合物；将质量比为4:1的混合物与异氰酸酯用机械搅拌器以2000r/min的速度搅拌，搅拌10s后搅拌均匀，迅速倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡24h后，固化，固化后脱模，得到复合发泡材料，具有缓冲功能。
实施例5
步骤1、将质量比为4:1的聚醚多元醇与异氰酸酯用机械搅拌器以1200r/min的速度混合搅拌15s后搅拌均匀，迅速倒入放置有直径为12mm的圆柱阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖一层尼龙非织造织物(面密度为500g/m2)，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡12h后，固化，固化后脱模，得到一次发泡产品；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇、水和粒径10nm二氧化硅气凝胶(水和二氧化硅气凝胶的质量均为聚醚多元醇质量的1wt％)用机械搅拌器以1000r/min的速度搅拌混合1.5min后搅拌均匀，得到混合物；将质量比为4:1的混合物与异氰酸酯用机械搅拌器以2000r/min的速度搅拌，搅拌10s后搅拌均匀，迅速倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡24h后，固化，固化后脱模，得到复合发泡材料，具有隔热保温、吸音、缓冲功能。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特点在于该方法包括如下步骤：
步骤1、将聚醚多元醇与异氰酸酯混合搅拌均匀后，倒入放置有阵列结构模具的发泡模具中；倾倒完成后，在其表面覆盖织物，然后盖上发泡模具盖板封闭发泡，固化后脱模，得到一次发泡产品；
步骤2、将步骤1得到的一次发泡产品的具有织物的一侧作为底面放置于发泡模具中；
步骤3、将聚醚多元醇与水混合搅拌均匀，得到混合物；将混合物与异氰酸酯混合搅拌均匀后，倒入步骤2的发泡模具中；倾倒完成后，盖上发泡模具盖板封闭发泡，固化后脱模，得到复合发泡材料。
2.根据权利要求1所述的仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特征在于步骤1中，聚醚多元醇与异氰酸酯的质量比为3-5:1。
3.根据权利要求1所述的仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特征在于步骤1中，所述织物采用非织造布、碳纤维布、机织物或经编间隔织物。
4.根据权利要求1所述的仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特征在于步骤1中，所述阵列结构模具采用圆柱阵列结构模具；圆柱阵列结构是由若干个实心圆柱体以阵列形式排列形成的结构，其中每一个圆柱的直径为8-16mm。
5.根据权利要求1所述的仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特征在于步骤3中，聚醚多元醇与水的质量比为100:0-3；混合物与异氰酸酯的质量比为3-5:1。
6.根据权利要求1所述的仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特征在于步骤3中，在混合物中添加膨胀蛭石、功能型纤维、微胶囊或二氧化硅气凝胶；其中膨胀蛭石的粒径为10-50μm，聚醚多元醇与膨胀蛭石的质量比为100:0-3；纤维采用碳纤维、芳纶纤维、高强聚乙烯或玻璃纤维；二氧化硅气凝胶的粒径为10-30nm，聚醚多元醇与二氧化硅气凝胶的质量比为100:0-3。
7.根据权利要求1所述的仿柚子皮结构复合发泡材料的制备方法，其特征在于发泡模具采用方形槽。
8.一种根据权利要求1-7任一所述方法得到复合发泡材料，其特征在于该材料为仿生柚子皮结构，以织物作为柚子皮结构的表皮层，以两次发泡过程的产物作为柚子皮结构的梯度泡沫结构，以两次发泡过程形成的阵列结构界面作为纤维管束；纤维管束用于两次发泡过程的产物之间的粘结。
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