CN111349312A - 一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构泡沫材料领域，具体公开了一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，该结构泡沫材料包括三维网络结构纤维增强体和发泡树脂；三维网格结构纤维增强体包括由纤维组成的三维框架结构和在所述纤维增强结构泡沫材料结构Z轴方向缝编的连续纤维。与现有结构泡沫材料结构相比，本发明的结构泡沫材料实现了三维纤维网络、树脂和泡孔的均匀稳定分散，具有低密度、高机械强度、优异的握钉性能、可实现钢钉直接固定连接等特点，既解决了常规纤维填充结构泡沫密度大、轻量化效果差的问题，又解决了中空织物填充泡沫由于填充物密度低带来的握钉力不足的问题。
Description
技术领域
本发明属于结构泡沫材料领域，更具体的，涉及一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料。
背景技术
结构泡沫材料作为各种复合材料的夹芯结构的芯材使用，主要用来增加刚度、减轻重量。由于结构泡沫材料具备低密度、良好的比强度、吸水性低、隔音绝热效果好等特性，被广泛应用于风力发电、轨道交通、船舶、航空航天、建筑节能等领域。
随着结构泡沫材料应用领域的不断拓展和市场客户要求的逐渐提高，常见的聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PMI)、聚苯乙烯均聚或共聚类(PS或SAN)、聚酯(PET)等结构泡沫材料的材料内部结构示意图如图1所示，进行纤维增强的结构泡沫材料的材料内部结构示意图如图2所示。由于图1和图2中的结构泡沫材料没有形成三维网络结构等原因，导致一方面结构泡沫材料的抗拉强度，抗弯强度偏低，另一方面要进一步提高该结构泡沫材料的综合性能，必须加大纤维填充量，这样会造成材料密度明显增大，纤维与树脂体系粘度大幅度提升导致分散困难从而造成结构及性能不稳定等问题，严重影响结构泡沫材料的应用范围。
申请号为CN200510019078.9的中国发明专利公开了一种采用1～5％的植物纤维增强聚氨酯结构泡沫，制备得到力学强度良好的纤维增强聚氨酯结构泡沫，但是该方法所得材料密度大幅度提高，达到了0.3g/cm3以上。申请号为CN201621188070.5中国实用新型专利公开了一种轻量化大尺寸中空复合材料的搭接铺层方法，这种复合材料(材料结构如图3所示)主体由三维中空织物组成，利用三维中空织物的特性实现了材料的轻质高强。但是这种中空复合材料由于内部中空结构，加之填充物密度低，因而握钉力差，很难实现螺纹钢钉的直接连接固定。
发明内容
针对背景技术中现有结构泡沫材料存在的问题，本发明提出了一种具有良好抗拉强度、抗弯强度、抗剪切强度和抗冲击强度的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，该结构泡沫材料实现了三维纤维网络、树脂和泡孔的均匀分散，纤维填充量的加入不会导致结构泡沫材料密度大幅度提高；同时，该结构泡沫材料内部结构均匀，握钉力好，可以实现钢钉直接固定连接。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，包括三维网络结构纤维增强体和发泡树脂；所述三维网格结构纤维增强体包括由纤维组成的三维框架结构和在所述三维框架结构Z轴方向缝编的连续纤维。
优选所述连续纤维在所述纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向缝编形成的编缝层结构。
本发明纤维增强结构泡沫材料创造性的采用含Z轴方向连续纤维缝编的三维框架结构，形成了连续稳固的三维网络结构，有效的保证轻质结构泡沫材料在各个方向的综合力学性能，从而提高材料的抗拉强度和抗剪切强度，避免了常规依靠提高纤维填充量来增强材料性能的技术方案导致的材料密度迅速提高，纤维与发泡树脂体系难于均匀分散等问题。
为了提高三维框架结构的稳定性，本发明有多种结构可供选择，优选地，所述三维框架结构为长纤维搭接形成的搭接体、或者长纤维搭接形成的搭接体与连续纤维编织组成的纤维编织层(布)形成的纤维编织体结构。
进一步优选地，所述长纤维搭接体由长纤维无规则搭接组成。
优选地，所述三维网络结构纤维增强体中，长纤维和连续纤维为玻璃纤维，玄武岩纤维，碳纤维，芳纶纤维的任意一种。
优选地，所述长纤维长度为1～10cm，纤维单丝直径为1～50μm，再优选为5～20μm；长纤维搭接体的体密度为10～2000kg/m3。
优选地，所述连续纤维编织体的体密度为10～2000kg/m3，再优选为100～1000kg/m3；所述连续纤维的单丝直径为1～50μm，再优选为5～20μm。
优选地，所述连续纤维在纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向随机缝编，进一步优选在纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向上的横向和竖向各进行一组缝边，形成横向竖向相互交叉的两组编缝结构。
优选地，所述Z轴方向缝编的连续纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、植物纤维的一种或几种。
优选地，所述Z轴方向缝编的连续纤维缝编密度为1～500根/100cm2，纤维单丝直径为5～20μm。
优选地，所述发泡树脂体系包括树脂或树脂与填料的组合物；优选所述发泡树脂体系中，泡孔孔径为1～500μm。
进一步优选地，所述树脂为酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、乙烯基树脂、丙烯酸树脂中的一种或几种，优选所述填料为氢氧化铝、氧化铝、氢氧化镁、氧化镁和碳酸钙中的一种或几种。
优选地，所述三维网络结构纤维增强体与发泡树脂体系的质量比为10:100～70:30。
优选地，所述纤维增强结构泡沫材料的密度为100～1000kg/m3。
相对现有技术，本发明的有益效果在于：
与现有结构泡沫/纤维增强结构泡沫材料结构相比，本发明的结构泡沫材料中纤维采用了包括三维网格结构纤维增强体在内的三维网络连接，三维网格结构纤维增强体由纤维组成的三维框架结构和在所述纤维增强结构泡沫材料结构沿Z轴方向缝编的连续纤维组成。该结构在保持结构泡沫低密度的同时，显著提升了其抗拉、抗弯、抗剪切和抗冲击强度等性能，可实现钢钉直接固定连接，同时解决了常规纤维填充结构泡沫密度大、轻量化效果差和中空织物填充泡沫由于填充物密度低带来的握钉力不足的问题。
本发明的结构泡沫材料从材料的三维框架结构出发，在Z轴方向使用连续纤维进行编缝形成编缝层结构，创造性的形成连续稳固增强的三维网格结构，最大程度的发挥了纤维三维增强体对材料的力学性能的提升作用，所形成的三维框架的内部为连续结构，极大地拓展该结构泡沫材料的应用领域。
本发明制备过程操作简单，可连续化生产，生产效率高，成本低，适合批量化生产。
附图说明
附图1为对比例1中结构泡沫材料内部结构示意图。
附图2为对比例2中短纤维增强结构泡沫材料内部结构示意图。
附图3为对比例3中三维中空织物增强结构泡沫材料内部结构示意图。
附图4为本发明三维网络结构的纤维增强泡沫材料(长纤维无规则搭接体+Z轴缝编纤维+发泡树脂)内部结构示意图。
附图5为本发明三维网络结构的纤维增强泡沫材料(长纤维无规则搭接体、连续纤维编织布+Z轴缝编纤维+发泡树脂)内部结构示意图。
附图6为本发明附图4和附图5所示三维网络结构的纤维增强泡沫材料俯视结构示意图。
附图7为本发明附图4所示三维网络结构的截面结构示意图。
附图8为本发明附图5所示三维网络结构的截面结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
本实施例提供一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫，包括质量分数为25％的三维网络结构碳纤维增强体和质量分数为75％的发泡环氧树脂，其内部结构情况如附图5、附图6和附图8所示。
三维网络结构碳纤维增强体包括碳纤维无规则搭接形成的搭接体与连续碳纤维编织组成的多层连续碳纤维编织布形成的纤维编织体结构，所述纤维编织体结构的体密度为800kg/m3；本实施例纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向缝编有连续碳纤维，本实施例优选在Z轴方向上的横向和竖向各进行一组缝边，形成横向竖向相互交叉的两组编缝结构。
其中，搭接体由平均长度为4cm的碳纤维无规则搭接组成，搭接体的体密度为200kg/m3，连续碳纤维布中连续纤维的单丝直径为5μm，多层纤维编织布中每层之间相隔4mm；Z轴方向缝编的连续碳纤维缝编密度为50根/100cm2，纤维单丝直径为5μm。
实施例2
本实施例提供一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫，包括质量分数为30％的三维网络结构玻璃纤维增强体和质量分数为70％的发泡酚醛树脂，其内部结构情况如附图4、附图6和附图7所示。
三维网络结构玻璃纤维增强体包括平均长度为12cm的玻璃纤维无规搭接组成的玻璃纤维搭接体和在纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向缝编有连续碳纤维，本发明所述缝编表示在Z轴方向随机缝编即可，本实施例优选在Z轴方向上的横向和竖向各进行一组缝边，形成横向竖向相互交叉的两组编缝结构。
其中，玻璃纤维搭接体的体密度为450g/m2，纤维单丝直径为20μm。Z轴方向缝编的连续芳纶纤维缝编密度为30根/100cm2，纤维单丝直径为10μm。
实施例3
本实施例提供一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫，包括质量分数为35％的三维网络结构玄武岩纤维增强体和质量分数为65％的发泡不饱和聚酯树脂，其内部结构情况如附图5、附图6和附图8所示。
三维网络结构玄武岩纤维增强体包括玄武岩纤维无规则搭接形成的搭接体与连续纤维编织组成的多层连续玄武岩纤维布形成的纤维编织体结构，所述纤维编织体结构的体密度为750kg/m3；本实施例纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向缝编有连续玻璃纤维，本实施例优选在Z轴方向上的横向和竖向各进行一组缝边，形成横向竖向相互交叉的两组编缝结构。
其中，搭接体由平均长度为5cm的玄武岩纤维无规则搭接组成，搭接体的体密度为250kg/m3，连续玄武岩纤维布中连续纤维的单丝直径为5μm，多层连续玄武岩纤维布中每层之间相隔3mm；Z轴方向缝编的连续玻璃纤维缝编密度为100根/100cm2，纤维单丝直径为20μm。
实施例4
本实施例提供一种新型三维结构的纤维增强结构泡沫，包括质量分数为20％的三维网络结构玻璃纤维增强体和质量分数为80％的发泡聚氨酯树脂，其内部结构情况如附图4、附图6和附图7所示。
三维网络结构玻璃纤维增强体包括平均长度为8cm的玻璃纤维无规搭接组成的玻璃纤维搭接体在所述纤维增强结构泡沫材料结构沿Z轴方向缝编的连续玻璃纤维，本发明所述缝编表示在Z轴方向随机缝编即可，本实施例优选在Z轴方向上的横向和竖向各进行一组缝边，形成横向竖向相互交叉的两组编缝结构。
其中，玻璃纤维搭接体的体密度为150g/m2，纤维单丝直径为20μm。Z轴方向缝编的连续玻璃纤维缝编密度为20根/100cm2，纤维单丝直径为20μm。
对比例1
本对比例提供一种聚氯乙烯结构泡沫材料，为现有常规结构泡沫材料，该结构泡沫材料采用硬质聚氯乙烯为基体树脂，偶氮二异丁腈为发泡剂制备得到，其内部结构示意图如图1所示。
对比例2
本对比例提供一种玻璃纤维增强的聚氨酯结构泡沫材料，为现有常规短纤维增强结构泡沫材料，其内部结构示意图如图2所示。本对比例聚氨酯结构泡沫材料包括质量分数为5％的玻璃纤维短纤和质量分数为95％的发泡聚氨酯树脂；其中，玻璃纤维增强体的玻璃纤维长度为3mm，单丝直径为20μm，发泡平均孔径为50μm。
对比例3
本对比例提供一种三维中空纤维织物增强的结构泡沫材料，为现有三维中空织物增强结构泡沫材料，其内部结构示意图如图3所示。本对比例结构泡沫材料包括质量分数为50％的三维中空织物和质量分数为50％的发泡环氧树脂。
实施例5性能测试
本实施例为实施例1～4和对比例1～3的材料性能测试，其中，相对密度，抗拉强度、横向抗剪切强度和抗弯强度按照纤维增强复合材料的相关测试标准来进行测试，弦向握钉力按照标准GB/T 14108来进行测试。
测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，与对比例1中的PVC结构泡沫相比，本申请实施例1～4中一种新型三维结构的纤维增强结构泡沫的抗拉强度、抗弯强度和横向抗剪切强度有几倍的提升。与对比例2中的纤维增强PU结构泡沫材料相比，本申请实施例1～4中一种新型三维结构的纤维增强结构泡沫的横向抗剪切强度有成倍的提升，同时材料密度也有大幅度降低。与对比例3中的三维中空织物增强结构泡沫相比，本申请实施例1～4中一种新型三维结构的纤维增强结构泡沫的力学强度基本相当，但是弦向握钉力成倍提升，材料能够实现钢钉固定连接。
由此可见，本申请一种新型三维结构的纤维增强结构泡沫的结构显著提升了结构泡沫材料的抗拉强度、抗弯强度、抗剪切强度和抗冲击强度等性能。同时由于实现了三维纤维网络、树脂和泡孔的均匀分散，解决了纤维填充量加入导致结构泡沫材料密度大幅度提高的问题。该纤维增强结构泡沫材料的由于内部结构均匀，握钉力好，可以实现钢钉固定连接。
Claims (10)
1.一种三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，包括三维网络结构纤维增强体和发泡树脂；所述三维网格结构纤维增强体包括由纤维组成的三维框架结构和在所述纤维增强结构泡沫材料结构沿Z轴方向缝编的连续纤维。
2.根据权利要求1所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述三维框架结构为长纤维无规则搭接形成的搭接体、或者长纤维无规则搭接形成的搭接体与连续纤维编织组成的纤维编织层形成的纤维编织体结构。
3.根据权利要求2所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述三维网络结构纤维增强体中，长纤维和连续纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、植物纤维的一种或几种。
4.根据权利要求2或3所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述长纤维长度为1～10cm，纤维单丝直径为1～50μm，长纤维搭接体的体密度为10～2000kg/m3。
5.根据权利要求2或3所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述纤维编织体结构的体密度为10～2000kg/m3，所述连续纤维的单丝直径为1～50μm。
6.根据权利要求1所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述连续纤维在纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向随机缝编，优选在纤维增强结构泡沫材料沿Z轴方向上的横向和竖向各进行一组缝边，形成横向竖向相互交叉的两组编缝结构。
7.根据权利要求1所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述Z轴方向缝编的连续纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维、植物纤维的一种或几种。
8.根据权利要求1、6或7任一项所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述Z轴方向缝编的连续纤维缝编密度为1～500根/100cm2，纤维单丝直径1～50μm。
9.根据权利要求1所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述发泡树脂体系包括树脂或树脂与填料的组合物，所述泡孔孔径为1～500μm；优选所述树脂为酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、乙烯基树脂、丙烯酸树脂中的一种或几种，优选所述填料为氢氧化铝、氧化铝、氢氧化镁、氧化镁和碳酸钙中的一种或几种。
10.根据权利要求1～8任一项所述的三维网络结构的纤维增强结构泡沫材料，其特征在于，所述三维网络结构纤维增强体与发泡树脂体系的质量比为10:100～70:30。
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