CN111440431B - 一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料、含有该材料的异形工字钢及应用 - Google Patents

一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料、含有该材料的异形工字钢及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚氨酯材料及其应用，尤其涉及一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料及其应用，属于材料技术领域。一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，包括以下重量份的组分：55‑75份无碱玻璃纤维纱、12‑35份玻璃纤维织物、15‑20份双组份聚氨酯树脂、5‑8份双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂和2‑6份聚氨酯专用色浆。本发明的有益效果：聚氨酯材料原料来源丰富、性价比高；利用该聚氨酯材料制得的型材表面平整光滑，无气泡，不易产生裂纹，不易分层剥离，经实际测试和工程使用满足设计要求。

Description

一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料、含有该材料的异形工 字钢及应用
技术领域
本发明涉及一种聚氨酯材料及其应用，尤其涉及一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料、含有该材料的异形工字钢及应用，属于材料技术领域。
背景技术
国内外土建工程中使用复合材料结构件并不常见，尤其是在承载力比较大且比较特殊的结构中还是比较慎重的；这是因为复合材料的力学特性是各向异性的，一般玻璃纤维增强树脂基复合材料的刚性只有钢材的四分之一，这就决定了这种复合材料构件只能用在承载力不大的结构中使用。针对这种情况，国内外一直以来都在研发适用于高刚性、高强度的纤维增强复合材料应用于工程结构领域；在近十年前，欧美国家几家大公司相继研发出来了一种适用于拉挤成型工艺的双组份聚氨酯树脂，这种树脂通过纤维增强后而制得的复合材料型材的各项性能指标远远超过了采用纤维增强“不饱和聚酯树脂”和“环氧乙烯基树脂”甚至在某些指标上甚至超过了“环氧树脂”的某些力学性能性能；而且，其采用拉挤成型工艺又比“环氧树脂”的要好。国外最早研发出来的双组份聚氨酯树脂的公司有“拜尔公司”、“巴斯夫公司”和“亨斯迈曼公司”等；尽管国外研发的这种双组份聚氨酯树脂比较早，但是，在实际采用拉挤成型工艺生产工程结构领域用的高性能型材方面未见有大的应用领域；在国内，这几年前后有几家公司也在研发这种双组份聚氨酯树脂；然而，在国内，采用双组份聚氨酯树脂制作截面尺寸比较大、截面形式比较复杂的结构型材很少见，现在国内外基本上都是生产一些简单截面和厚度比较薄(一般小于8mm) 的平板、方管、矩形管、圆管、槽钢等产品，而对于生产制品截面形状比较复杂的、厚度比较厚的和截面尺寸比较大的制品，国内外还在不断地摸索研究中，还没有一套比较完善的和成熟的设计技术可供借鉴，更没有所得制品是否能达到相应的强度要求的标准。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的无法采用双组份聚氨酯材料制作尺寸大，截面形式复杂的结构型材的缺陷，提出一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，可应用于大型或截面形状复杂的结构型材中。
本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，包括以下重量份的组分：55-75份无碱玻璃纤维纱、 12-35份玻璃纤维织物、17-23份“粘度”为340mPa.s～450mPa.s 的拉挤型双组份聚氨酯树脂、5-8份双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂和 2-6份聚氨酯专用色浆。
上述配方中，所述双组分聚氨酯树脂为双组份聚氨酯树脂混合使用。
所述“粘度”为110mPa.s～450mPa.s的拉挤型双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂为反应型阻燃剂按照2-4份混合使用。
所述无碱玻璃纤维纱、玻璃纤维纱为采用4800Tex或9600Tex无碱玻璃纤维无捻粗纱或者聚氨酯树脂专用无碱玻璃纤维无捻粗纱和无碱玻璃纤维四轴向布或者毡以及无碱玻璃纤维针织复合毡铺层。
所述聚氨酯专用色浆是将所需颜色的色粉或者所需颜色的原浆加入到双组份聚氨酯树脂的“白料”中，经过搅拌和研磨后即配制而成。
作为优选，该玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料至少由以下重量份的组份制成：60份～70份的无碱玻璃纤维纱、25份～17份的玻璃纤维织物、23份～17份的“粘度”为110mPa.s～450mPa.s的拉挤型双组份聚氨酯树脂、5份～8份双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、3份～ 5份聚氨酯专用色浆。
作为另一种优选，该玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料至少由以下重量份的组份制成：60份～70份的无碱玻璃纤维纱、25份～17份的玻璃纤维织物、21份～19份的“粘度”为1100mPa.s～450mPa.s 的拉挤型双组份聚氨酯树脂、5份～8份双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、3份～5份聚氨酯专用色浆。
作为另一种优选，该玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料至少由以下重量份的组份制成：65份～75份的无碱玻璃纤维纱、20份～12份的玻璃纤维织物、18份～20份的“粘度”为110mPa.s～450mPa.s 的拉挤型双组份聚氨酯树脂、5份～8份双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、2.5份～4份聚氨酯专用色浆。
作为另一种优选，该玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料至少由以下重量份的组份制成：55份～60份的无碱玻璃纤维纱、32份～27份的玻璃纤维织物、15份～20份的“粘度”为110mPa.s～450mPa.s 的拉挤型双组份聚氨酯树脂、5份～8份双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、2份～6份的聚氨酯专用色浆。
作为另一种优选，所述双组份聚氨酯树脂为双组份聚氨酯树脂按照一定比较混合使用以及也可以采用现有国产的相同类型的双组份聚氨酯树脂。
作为另一种优选，所述双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂为反应型阻燃剂按照一定比例混合使用。
本发明进一步公开一种含有玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料的异形工字钢，所述异形工字钢由作为底部面的下椽板，作为肋部的腹板和作为顶部面的两个对称的空腔组成；所述下椽板的上表面为水平，下表面具有朝向上表面的对称凹陷，所述上表面的中部具有与其垂直并向上延伸的腹板，所述腹板的顶端分别向两外侧延伸并回到延伸原点构成空腔,所述两个对称的空腔之间具有间隔层，所述间隔层与所述腹板位于同一平面。所述异形工字钢的铺层材料是外表面采用玻璃纤维多轴向毡包覆，两个空腔内表面采用针织复合毡包覆，所述下椽板的中间夹一层玻璃纤维多轴向毡，其它材料为玻璃纤维纱增强材料。
进一步地，所述多轴向毡包为±
Figure RE-GDA0002523877000000041
-250/250g/㎡+
Figure RE-GDA0002523877000000042
- 600g/㎡+短切纱-300g/㎡+化纤表面毡-45g/㎡玻璃纤维多轴向复合毡；所述针织复合毡包为短切纱-300g/㎡+化纤表面毡-45g/ ㎡玻璃纤维复合毡；下椽板中间夹一层±45°-250/250g/㎡+90°- 600g/㎡+短切纱-300g/㎡玻璃纤维多轴向复合毡；在腹板至下椽板和两孔外表面各包覆一层90°-600g/㎡+短切纱-300g/㎡玻璃纤维多轴向复合毡；玻璃纤维增强材料均为9600Tex规格的专用玻璃纤维纱。
与上述结构相近的另一个结构是：所述下缘板远离腹板的表面为水平，靠近腹板的表面具有对称的凹陷，所述下缘板的下表面为水平。该设计可以增加实际使用长度，且保证其强度。
本发明再进一步提供玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料在异形工字钢中的应用，包括以下步骤：
第一步、分别取无碱玻璃纤维纱和玻璃纤维织物，经过预成型模进入注胶盒和成型模具中；
第二步，取双组份聚氨酯树脂中的“白料”按照所述比例加入双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、聚氨酯专用色浆搅拌均匀后倒入“注胶机”上的“白料”存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封好，与此同时，将双组份聚氨酯树脂的“黑料”加入“注胶机”上的“黑料”存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封好，然后根据树脂固化比例调整“注胶机”的“白料”和“黑料”的混合比例经注胶机混合器混合均匀后即可开始注入“注胶盒”中成型；
第三步、上述玻璃纤维增强材料在注胶盒中充分浸透树脂基体后经成型模上的三个加热板进行固化加热，三个加热区的温度分别设置为：90-110℃、160-170℃、165-180℃，经过牵引，出模，冷却后按照产品定长尺寸进行切割即得。
本发明中所采用的双组份聚氨酯树脂是由“多元醇”和“异氰酸酯”按照一定比例均匀混合而成的，在国内通常称之为“白料”和“黑料”；“白料”的化学名称：多元醇(Polyol)，2、“黑料”的化学名称：异氰酸酯(Isocyante)。
聚氨酯材料原料来源丰富、性价比高，本发明的有益效果：利用该聚氨酯材料制得的型材表面平整光滑，无气泡，不易产生裂纹，不易分层剥离，经实际测试后完全满足在地下工程或工程领域中使用的比较特殊的力学性能设计要求和防腐蚀、透电磁波、绝缘以及耐低温性能等要求。通过此次设计验证我们获得了双组份玻璃纤维(也可以采用玄武岩纤维、炭纤维和多种混杂纤维等)增强双组份聚氨酯树脂复合材料实际设计成型工艺各方面的经验，可供在今后应用于相似地下工程结构用的纤维增强复合材料结构件方面借鉴；与此同时，也可以将这种双组份聚氨酯树脂复合材料的应用领域在国内进一步推广。
附图说明
图1为本发明一个实施例的结构示意图。图中1.异形工字钢的外表面都是采用定制的玻纤多轴向复合毡；2.两孔内表面采用玻纤针织复合毡；3.下椽板中间夹一层定制的玻纤多轴向复合毡；4.全部采用玻璃纤维纱。
图2为本发明另一个实施例的结构示意图。
图3为图1的测试状态示意图。
图4为本发明一个实施例测试过程承载力曲线示意图，图中横坐标表示位移mm，纵坐标表示试验力kN。
具体实施方式
实施例
下面结合实施例对本发明作出进一步说明。
本实施例中异形工字钢的结构如图1所示，含有玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料的异形工字钢，由作为底部面的下椽板，作为肋部面的腹板和作为顶部面的两个对称的空腔组成；下椽板的表面为水平，中间具有与其垂直并向上延伸的腹板，腹板的顶端分别向两外侧延伸并回到延伸原点构成空腔。两个对称的空腔之间具有间隔层，间隔层与所述腹板位于同一平面。异形工字钢的铺层材料是外表面采用多轴向毡包1，两个空腔内表面采用针织复合毡包2，下椽板的中间夹一层多轴向毡3，其它材料4为玻璃纤维增强材料。多轴向毡包为±
Figure RE-GDA0002523877000000061
-250/250g/㎡+
Figure RE-GDA0002523877000000062
-600g/㎡+短切纱-300g/㎡+化纤表面毡-45g/㎡玻璃纤维复合毡；针织复合毡包为短切纱-800g/㎡+ 化纤表面毡-45g/㎡玻璃纤维复合毡；下椽板中间夹一层±45°- 250/250g/㎡+90°-600g/㎡+短切纱-300g/㎡玻璃纤维复合毡；在腹板至下椽板和两孔内侧两边外表面复合在内层再各夹一层90°- 600g/㎡+短切纱-300g/㎡玻璃纤维复合毡；玻璃纤维增强材料均为 9600Tex规格的专用玻璃纤维纱。
本实施例中，各组分及来源分别为：
双组份聚氨酯树脂选自：双组份聚氨酯树脂SK 97007系列，购自亨斯迈化学研发中心(上海)有限公司；或双组份聚氨酯树脂CC6226 系列，购自巴斯夫聚氨酯特种产品(中国)有限公司。也可以采用南京聚发新材料有限公司生产相同类型的双组份聚氨酯树脂。
双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂可选择：反应型阻燃剂或者添加型阻燃剂。
制得一批玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，配方如下：
表1
Figure RE-GDA0002523877000000071
Figure RE-GDA0002523877000000081
按照表1中配比进行制备产品，制备方法包括以下步骤：第一步、分别取无碱玻璃纤维纱和玻璃纤维织物，经过预成型模进入注胶盒和成型模具中；
第二步，取双组份聚氨酯树脂中的“白料”按照所述比例加入双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、聚氨酯专用色浆搅拌均匀后倒入“注胶机”上的“白料”存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封好，与此同时，将双组份聚氨酯树脂的“黑料”加入“注胶机”上的“黑料”存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封好，然后根据树脂固化比例调整“注胶机”的“白料”和“黑料”的混合经注胶机混合后即可开始注入成型；
第三步、上述材料浸透树脂基体后经成型模上的三个加热板进行固化加热，三个加热区的温度分别设置为：90-110℃、160-170℃、 165-180℃，经过牵引，出模，冷却后按照产品定长尺寸进行切割即得。
表2试制打样时的各成型工艺参数
Figure RE-GDA0002523877000000082
说明：
经分别实施以上五种基体树脂混合材料组份方案和上表中的成型工艺参数后所制得到的样品无论在外观质量、各部位尺寸、树脂渗透情况、各类玻纤毡在成型定位和包覆情况都是良好的。这也说明我们设计和加工的“预成型模”适用性、可操作性还是比较合理的，“注胶盒”的结构尺寸设计也是满足双组份聚氨酯树脂在“注胶盒”内部的充分流动性和可将玻璃纤维增强材料全部渗透完全。在此试制过程中的各成型工艺参数的设置也是符合要求的，成品外形完整、外观无缺陷；经测试试件的内材性也是符合要求的。
除以上拉挤成型方法外，该玻璃纤维增强双组份聚氨酯树脂也可以采用“RTM法”和“真空注射法”来生产,但是生产效率低下。
玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料制得的异形工字钢进行材性测试，方法见表3：
表3
Figure RE-GDA0002523877000000091
Figure RE-GDA0002523877000000101
由上述数据可知，耐低温性试验：在-40℃环境中保持96h，随后进行测试，试样不变形、不开裂、不起泡；机械性能满足试样100mm 长度上承受3mm弯曲变形不断裂。
测试实施例1至5异形工字钢材性结果如表4：
表4
Figure RE-GDA0002523877000000102
为了确保在成型时使得“双组份聚氨酯树脂”在“短时间之内”可以充分“渗透”到全部“玻纤增强材料”里面，将原来所用国外公司生产相同双组份聚氨酯树脂的粘度为420mpas～500mPa.s的“粘度”降低到“粘度”＜200mPa.s后，经过研发试制，最终解决了降低“粘度”的要求；使用这种改性后的Urepul2115LV牌号的“低粘度”来打样后于19年4月1日送到“南京工业大学”使用型号为“Model/Secification-MTS 311.32”试验机进行整体力学性能测试，测试结果如下表：
表5五根2.2米长度两端无约束的异形工字钢集中载荷测试结果
Figure RE-GDA0002523877000000111
说明：
1、以上5根试件在加载力达到80KN时，除了弯曲变形之外，试件无论是外观和内表均没有出现开裂、分层等破坏现象。当2.2米长度的试件在两端无约束条件下实载达到90KN时其变形量达到了50mm，但试样仍然也没有出现局部开裂和破坏情况。试件在80KN时所产生的弯曲变形量完全符合国外用户质量要求。
2、测试工装是按照要求进行设计加工；测试用金属支撑架的两个支撑点的跨距是1.9米，集中荷载所用的是200mm×200mm的方形金属压头,具体形状详见下测试现场图2,图中5为本实施例成品。
3、压头下面两个金属向内侧的翻边(长度200mm)与异形工字钢的下椽两边上面接触以便将试验机施加在金属压头上面的作用力传递到异形工字钢中间位置的下椽上面，通过异形工字钢的下椽两边整根异形工字钢向下压弯，该测试方式可以进一步体现出本发明的异形工字钢的刚性较强，适用于高刚性、高强度的纤维增强复合材料构件。
将异形工字钢的实际使用长度再增加到3米，结构如图2所示，标号与图1相同，区别在于下缘板远离腹板的表面为水平，靠近腹板的表面具有对称的凹陷，且下缘板的下表面为水平。测试两支撑点间距2.8米，以便扩展其应用领域；按照要求测试了一根长度3米，测试支撑点间距2.8米，在集中荷载70KN作用下的这种异形工字钢的“变形量”达到74.6mm；此时异形工字钢仍然没有出现局部破坏现象。图4所示的是图2中将下椽板厚度增加到15mm和将下椽板下面改为平直的后的3米长度的异形工字钢实际测试时的载荷和变形量“曲线图”。
根据我们多次理论计算和实际测试后得到的结果来看，如果这种截面形状的异形工字钢的“承载力”达到70KN时，“变形量”不大于 55mm，测试支撑点间距仍然还是2.8米的话，只要将下椽板厚度再增加到25mm即可；下椽板的厚度尺寸的增加是不会影响异形工字钢型材在实际生产过程中的成型。
表6一根3米长度两端无约束的异形工字钢集中载荷测试结果
Figure RE-GDA0002523877000000131
根据19年4月1日的测试结果来看，在实际生产本发明的这种异形工字钢或者相似形状和使用功能的复合材料型材时，也可以直接使用Urepul2116FR牌号的“阻燃型双组份聚氨酯树脂”，不需要再在树脂中添加“阻燃剂”材料了，用这个牌号的树脂来生产复合材料型材的“燃烧性能”可达UL-94标准的V0级。
除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种专用于异型工字钢的玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，其特征在于：
所述异形工字钢由作为底部面的下椽板，作为肋部面的腹板和作为顶部面的两个对称的空腔组成：所述下椽板的上表面为水平，下表面具有朝向上表面的对称凹陷；所述上表面的中部具有与其垂直并向上延伸的腹板，所述腹板的顶端分别向两外侧延伸并回到延伸原点构成空腔，所述两个对称的空腔之间具有间隔层，所述间隔层与所述腹板位于同一平面；
所述玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料包括以下重量份的组分：55-75份无碱玻璃纤维纱、12-35份玻璃纤维织物、17-23份“粘度”为340mPa.s~450mPa.s的拉挤型双组份聚氨酯树脂、5-8份双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂和2-6份聚氨酯专用色浆；
其中，所述无碱玻璃纤维纱、玻璃纤维织物为采用4400~9600Tex聚氨酯树脂专用无碱玻璃纤维纱和无碱玻璃纤维四轴向布或者毡以及无碱玻璃纤维针织复合毡铺层；
所述多轴向毡包为±45º—250/250g/m2+90º—600g/㎡+短切纱—300g/m2+化纤表面毡—45g/m2组成的玻璃纤维多轴向复合毡；所述针织复合毡为玻璃纤维短切纱—300g/m2+化纤表面毡—45g/m2组成的玻璃纤维针织复合毡：下椽板中间夹一层±45°—250/250g/m2+90°—600g/m2+短切纱—300g/m2玻璃纤维复合毡：在腹板至下椽板和两孔外侧两边外表面各包覆一层90°—600g/m2+短切纱—300g/m2玻璃纤维多轴向复合毡；玻璃纤维增强纱均为9600Tex规格的专用玻璃纤维纱。
2.根据权利要求1所述一种专用于异型工字钢的玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，其特征在于：所述双组分聚氨酯树脂为双组份聚氨酯树脂两种按照1：1.1~1.3份混合均匀。
3.根据权利要求1所述一种专用于异型工字钢的玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，其特征在于：所述双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂为反应型阻燃剂混合使用。
4.根据权利要求1所述一种专用于异型工字钢的玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，其特征在于：所述聚氨酯专用色浆是将所需颜色的色粉或者所需颜色的原浆按一定比例加入到双组份聚氨酯树脂的“白料”中，经过充分搅拌即配制而成。
5.根据权利要求1所述一种专用于异型工字钢的玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，其特征在于：所述下缘板远离腹板的上表面为水平，靠近腹板的上表面具有对称的凹陷，所述下缘板的下表面为水平。
6.根据权利要求1所述一种专用于异型工字钢的玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料，其特征在于：所述异形工字钢的铺层材料是外表面采用玻璃纤维多轴向毡包覆，两个空腔内表面采用玻璃纤维针织复合毡包，所述下椽板的中间夹一层玻璃纤维多轴向毡，其它材料为玻璃纤维纱增强材料。
7.权利要求1所述一种专用于异型工字钢的玻璃纤维增强双组份聚氨酯材料在异形工字钢中的应用，包括以下步骤：
第一步、按照设计要求分别取无碱玻璃纤维纱和玻璃纤维织物，经过预成型模进入注胶盒和成型模具中；
第二步，取双组份聚氨酯树脂中的“白料”按照所述比例加入双组份聚氨酯树脂专用阻燃剂、聚氨酯专用色浆搅拌均匀后倒入“注胶机”上的“白料”存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封好，与此同时，将双组份聚氨酯树脂的“黑料”加入“注胶机”上的“黑料”存放桶中并将桶盖固定螺栓拧紧密封好，然后根据双组份聚氨酯树脂固化比例调整“注胶机”上的“白料”和“黑料”的混合比例再经注胶机上的混合器混合均匀后即可开始注入注胶盒中的玻璃纤维增强材料中进行成型；
第三步、上述玻璃纤维增强材料在“注胶盒”中充分浸透树脂基体后经成型模上的三个加热板进行固化加热，三个加热区的温度分别设置为：90-110℃、160-170℃、165-180℃，经过牵引，出模，冷却后按照产品定长尺寸进行切割即得。
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