CN110629553A - 具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料及其制备方法 - Google Patents

具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：制备多个相同的长方体经编间隔织物，准备2个相同的PET非织布，将多个长方体经编间隔织物沿矩形阵列方向排列在第一PET非织布上，将第二PET非织布盖在多个长方体经编间隔织物上，得到三明治结构；将三明治结构于170～190℃保持10～30min，得到三维结构，将发酵液倒入发酵模具中，将三维结构具有凹凸结构和具有平板结构的PET非织布分别各自放在发酵液上，室温下固化，脱模后形成三维柔性复合发泡材料。本发明将纺织材料和增韧材料相结合，通过二次发泡工艺制备具有凹凸结构核心和梯度表面三维柔性复合发泡材料，增强了三维柔性复合发泡材料的机械性能。

Description

具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料及其 制备方法
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体来说涉及一种具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性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，申请人尝试通过添加纳米粒子(石墨烯、碳纳米管、二氧化硅等)来提高聚氨酯泡沫的机械性能。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；织物作为增强材料添加到聚氨酯泡沫塑料中，虽然能提高材料的冲击强度，但是通常会降低复合材料的弯曲和拉伸强度。如何建立具有良好机械性能的聚氨酯泡沫结构成为亟待研究的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料的制备方法。
本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的三维柔性复合发泡材料，该三维柔性复合发泡材料为三明治夹心结构，以含有不同含量SEBS-g-MAH的软质聚氨酯发泡(聚氨酯泡沫)作为面层，以具有凹凸结构的三维织物面板(长方体经编间隔织物+PET非织布)作为芯层，具有梯度变化、高效吸能的特点。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备多个相同的长方体经编间隔织物，每个长方体经编间隔织物的制备方法为：准备多个相同的正方形的经编间隔织物，将多个经编间隔织物沿其厚度方向进行连接，得到所述长方体经编间隔织物；
在所述步骤1中，所述经编间隔织物的厚度为2.5～4mm，网眼的尺寸为4～6mm。
在所述步骤1中，所述经编间隔织物的边长为20～50mm。
在所述步骤1中，将多个经编间隔织物沿其厚度方向进行粘接，粘接采用热熔胶。
在所述步骤1中，所述长方体经编间隔织物的厚度为7.5～12mm。
步骤2，准备2个相同的PET非织布：第一PET非织布和第二PET非织布，将多个长方体经编间隔织物沿矩形阵列方向排列在第一PET非织布上，将所述第二PET非织布盖在所述多个长方体经编间隔织物上，以使所述多个长方体经编间隔织物位于所述第一 PET非织布和第二PET非织布之间，得到三明治结构；
在所述步骤2中，所述第一PET非织布为长方形，其边长为230～450mm,沿所述矩形阵列横向和纵向任意相邻的2个所述长方体经编间隔织物的距离为10～40mm。
在所述步骤2中，所述第一PET非织布的厚度为1～3mm，熔点为150～170℃，面密度为150～350g/m2。
步骤3，将所述三明治结构于170～190℃保持10～30min，得到三维结构，其中，所述三维结构的一个PET非织布为平板结构，另一个PET非织布为凹凸结构；
步骤4，准备一发酵模具，将发酵液倒入发酵模具中，将所述三维结构具有所述凹凸结构的PET非织布放在所述发酵液上，室温20～25℃下固化30～90min，脱模后形成所述三维柔性复合发泡材料的上表面(即上层的聚氨酯泡沫)；
步骤5，将发酵液倒入发酵模具中，将所述三维结构具有所述平板结构的PET非织布放在所述发酵液上，室温20～25℃下固化30～90min，脱模后形成所述三维柔性复合发泡材料的下表面即可(即下层的聚氨酯泡沫)，其中，所述发酵液的制备方法为：将聚醚多元醇和马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)搅拌至均匀，再超声至少5min，以除去气泡，再加入异氰酸酯，于900～1200rpm的转速下搅拌8～12s，得到所述发酵液，其中，按质量份数计，所述聚醚多元醇、马来酸酐接枝的氢化苯乙烯- 丁二烯嵌段共聚物和异氰酸酯的比为(140～150)：(5～8)：(45～49)。
在上述技术方案中，所述马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物 (SEBS-g-MAH)的粒径为180-320μm，分子量为15～30万。
在上述技术方案中，所述聚醚多元醇和马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)在400～500rpm的转速下搅拌30～60min至均匀。
在上述技术方案中，将发酵液放入发酵模具后，膨胀系数为为4000～6000，膨胀系数的计算公式如下：
膨胀系数(mm3/g)＝发酵模具的发泡容积(mm3)/聚醚多元醇和异氰酸酯的总质量(g)。
上述制备方法获得的三维柔性复合发泡材料。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明将纺织材料和增韧材料(SEBS-g-MAH)相结合，通过二次发泡工艺制备具有凹凸结构核心和梯度表面三维柔性复合发泡材料，增强了三维柔性复合发泡材料的机械性能。采用SEBS-g-MAH作为填料进行表面结构强化，并通过长方体经编间隔织物和低熔点的PET非织布结合二次发泡工艺得到具有凹凸结构的三维织物面板为核心、 SEBS-g-MAH含量梯度变化的聚氨酯泡沫为面层的三维柔性复合发泡材料，不仅建立了柔韧的表皮层结构，同时也利用梯度变化和凹凸结构，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)通过改变长方体经编间隔织物的尺寸和在低熔点的PET非织布上的排布距离可制备不同规格的具有凹凸结构的三维织物面板。同时可以选择与不同材质的多孔材料和不同种类添加剂相结合作为聚氨酯泡沫，增加了三维柔性复合发泡材料的功能加工选择性。
(3)在以纯泡沫为主要承载单元的基础上，增加了新的内部承载单元，如填料SEBS-g-MAH、织物结构等，进一步改善了复合材料在缓冲方面的应用性能。
(4)本三维柔性复合发泡材料能够应用于缓冲包装、个体防护、保温隔热等领域，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为实施例3所得柔性发泡复合材料实物和其微观结构图，其中，a)上层的聚氨酯泡沫的微观结构图，b)上层的聚氨酯泡沫与三维织物面板的PET非织布的界面微观结构图,c)三维柔性发泡复合材料实物图，d)下层的聚氨酯泡沫与三维织物面板的PET 非织布的界面微观结构图e)位于三维织物面板下方的PET非织布的横截面微观结构图；图2为实施例1～4所得三维柔性复合发泡材料的力学性能，其中，图(a)为应力值，图(b)为接触力峰值，冲击时间和能量吸收；
图3为实施例2、6～7所得三维柔性复合发泡材料的力学性能，其中，图(a)为应力值，图(b)为接触力峰值，冲击时间和能量吸收；
图4为不同冲击能量对三维柔性复合发泡材料(实施例1)接触力峰值的影响，图4中的插图为三维柔性复合发泡材料实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
下述实施例所涉及的药品购买源如下：
药品 规格 厂家
聚醚多元醇 1.05g/cm<sup>3</sup>(相对密度) 深圳市科盛达贸易有限公司
异氰酸酯 1.25g/cm<sup>3</sup>(相对密度) 深圳市科盛达贸易有限公司
SEBS-g-MAH 250μm(粒径) 东莞市洪力塑胶原料有限公司
下述实施例所涉及的仪器及其型号如下：
实施例1～7
一种具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备多个相同的长方体经编间隔织物，每个长方体经编间隔织物的制备方法为：准备多个相同的正方形的经编间隔织物，将多个经编间隔织物沿其厚度方向进行粘接，得到长方体经编间隔织物，粘接采用热熔胶；其中，经编间隔织物的厚度为3.3mm，网眼的尺寸为4mm。经编间隔织物的边长为X mm。长方体经编间隔织物的厚度为9.9mm。
步骤2，准备2个相同的PET非织布：第一PET非织布和第二PET非织布，将多个长方体经编间隔织物沿矩形阵列方向排列在第一PET非织布上(即横向为N个，纵向为N个)，将第二PET非织布盖在全部的长方体经编间隔织物上，以使多个长方体经编间隔织物位于第一PET非织布和第二PET非织布之间，得到三明治结构；其中，第一PET非织布为正方形，其边长为300mm，沿矩形阵列横向和纵向任意相邻的2个长方体经编间隔织物的距离为Y mm。第一PET非织布的厚度为1.5mm，熔点为160℃，面密度为250g/m2。
步骤3，将三明治结构于180℃保持20min，得到三维结构，其中，三维结构的一个PET非织布为平板结构，另一个PET非织布为凹凸结构，如图1c所示；
步骤4，准备一330×350×20mm3的发酵模具，将200.2g发酵液倒入发酵模具中，将三维结构具有凹凸结构的PET非织布放在发酵液上，室温20～25℃下固化1h，脱模后形成三维柔性复合发泡材料的上表面，其中，步骤4中发酵液的制备方法为：将聚醚多元醇和马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)在机械搅拌器450 rpm的转速下搅拌40min至均匀，再于超声波震荡仪中于室温20～25℃超声5min，以除去搅拌过程中产生的气泡，再加入异氰酸酯，在机械搅拌器于1000rpm的转速下搅拌10s，得到发酵液，其中，马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)的粒径为250μm，分子量为20万。按质量份数计，聚醚多元醇、马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和异氰酸酯的比为144.4：7.7：48.1。
步骤5，将198.3g发酵液倒入发酵模具中，将三维结构具有平板结构的PET非织布放在发酵液上，室温20～25℃下固化1h，脱模后形成三维柔性复合发泡材料的下表面即可，其中，步骤5中发酵液的制备方法为：将聚醚多元醇和马来酸酐接枝的氢化苯乙烯- 丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)在机械搅拌器450rpm的转速下搅拌40min至均匀，再于超声波震荡仪中于室温20～25℃超声5min，以除去搅拌过程中产生的气泡，再加入异氰酸酯，在机械搅拌器于1000rpm的转速下搅拌10s，得到发酵液，其中，马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)的粒径为250μm，分子量为20万。按质量份数计，聚醚多元醇、马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和异氰酸酯的比为144.4：5.8：48.1。
将发酵液放入发酵模具后，膨胀系数为6000，膨胀系数的计算公式如下：
膨胀系数(mm3/g)＝发酵模具的发泡容积(mm3)/聚醚多元醇和异氰酸酯的总质量(g)。
实施例1～7所得三维柔性复合发泡材料的实物图及其微观结构(扫描电子显微镜) 见图1，三维柔性复合发泡材料的压缩性能(万能试验机测得)和缓冲性能(落锤冲击试验机测得)的影响见图2和图3。不同冲击能量对三维柔性复合发泡材料接触力峰值的影响见图4。
图1(c)显示三维柔性复合发泡材料(实施例3)由两层软质聚氨酯发泡作为面层，具有凹凸结构的三维织物面板作为芯层组合而成，微观结构图1(a)显示三维柔性复合发泡材料上表面的泡孔密度较大，图1(b)和图1(d)显示软质聚氨酯发泡与三维织物面板表层形成泡孔密度较小的致密界面，图1(e)显示，软质聚氨酯发泡并未完全浸入三维织物面板，形成以经编间隔织物为载体的空气层，吸收更多的冲击能量，增强三维柔性复合发泡材料的抗冲击性。
图2(a)显示三维柔性复合发泡材料在压缩应变为50％和70％的应力值随着X的增加而增加，当X为50mm时，三维柔性复合发泡材料的应力值达到最大，相比X为20mm 的应力值分别提升132％和144％(压缩应变依次为50％和70％)。由图2(b)可以看出，当X为40mm时，三维柔性复合发泡材料的接触力峰值达到最低，达到接触力峰值所用的时间最长，吸收的能量最多。即当Y值固定为20mm时，间隔织物的尺寸为40-50mm (即X值)可有效改善三维柔性复合发泡材料的压缩性能和缓冲性能。
图3(a)显示三维柔性复合发泡材料在压缩应变为50％和70％的应力值随着Y的增加而降低，当Y为10mm时三维柔性复合发泡材料的应力值最大，相比于Y为40mm的应力值分别提升53％和73％(压缩应变依次为50％和70％)。由图3(b)可以看出，当 Y为30-40mm时，三维柔性复合发泡材料的接触力峰值达到最低，达到接触力峰值所用的时间最长，吸收的能量最多。即当X值固定为30mm时，间隔织物间的距离为10mm (即Y值)可有效改善三维柔性复合发泡材料的压缩性能；间隔织物间的距离为30-40mm (即Y值)可有效改善三维柔性复合发泡材料的缓冲性能。
图4显示三维柔性复合发泡材料(实施例1)接触力峰值随着外界冲击能量的增加而增大，且落锤作用在三维柔性复合发泡材料的上表面所受的接触力峰值比作用在下表面所受的接触力峰值要低。这是因为当落锤作用于三维柔性复合发泡材料上表面时，上层PET非织布的凹凸结构可以更大的面积吸收和分散外界的冲击能量，从而承受更小的接触力。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有凹凸结构核心和梯度表面的三维柔性复合发泡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备多个相同的长方体经编间隔织物，每个长方体经编间隔织物的制备方法为：准备多个相同的正方形的经编间隔织物，将多个经编间隔织物沿其厚度方向进行连接，得到所述长方体经编间隔织物；
步骤2，准备2个相同的PET非织布：第一PET非织布和第二PET非织布，将多个长方体经编间隔织物沿矩形阵列方向排列在第一PET非织布上，将所述第二PET非织布盖在所述多个长方体经编间隔织物上，以使所述多个长方体经编间隔织物位于所述第一PET非织布和第二PET非织布之间，得到三明治结构；
步骤3，将所述三明治结构于170～190℃保持10～30min，得到三维结构，其中，所述三维结构的一个PET非织布为平板结构，另一个PET非织布为凹凸结构；
步骤4，准备一发酵模具，将发酵液倒入发酵模具中，将所述三维结构具有所述凹凸结构的PET非织布放在所述发酵液上，室温20～25℃下固化30～90min，脱模后形成所述三维柔性复合发泡材料的上表面；
步骤5，将发酵液倒入发酵模具中，将所述三维结构具有所述平板结构的PET非织布放在所述发酵液上，室温20～25℃下固化30～90min，脱模后形成所述三维柔性复合发泡材料的下表面即可，其中，所述发酵液的制备方法为：将聚醚多元醇和马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS-g-MAH)搅拌至均匀，再超声至少5min，以除去气泡，再加入异氰酸酯，于900～1200rpm的转速下搅拌8～12s，得到所述发酵液，其中，按质量份数计，所述聚醚多元醇、马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物和异氰酸酯的比为(140～150)：(5～8)：(45～49)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述经编间隔织物的厚度为2.5～4mm，网眼的尺寸为4～6mm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述经编间隔织物的边长为20～50mm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，将多个经编间隔织物沿其厚度方向进行粘接，粘接采用热熔胶。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述长方体经编间隔织物的厚度为7.5～12mm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述第一PET非织布为长方形，其边长为230～450mm,沿所述矩形阵列横向和纵向任意相邻的2个所述长方体经编间隔织物的距离为10～40mm。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述第一PET非织布的厚度为1～3mm，熔点为150～170℃，面密度为150～350g/m2。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物的粒径为180-320μm，分子量为15～30万；所述聚醚多元醇和马来酸酐接枝的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物在400～500rpm的转速下搅拌30～60min至均匀。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将发酵液放入发酵模具后，膨胀系数为为4000～6000，膨胀系数的计算公式如下：
膨胀系数(mm3/g)＝发酵模具的发泡容积(mm3)/聚醚多元醇和异氰酸酯的总质量(g)。
10.如权利要求1～9中任意一项所述制备方法获得的三维柔性复合发泡材料。
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