CN112109262A - 一种eps泡沫成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种EPS泡沫成型方法，采用梯度加热一次成型，直接将芯材发泡和复合板材的固化成型连续完成，无须更换模具单独生产加工泡沫芯材，简便快捷。芯材发泡过程中产生的内源压力可有效复合芯材表面的碳纤维预浸料，本发明制备的成品的机械强度接近或高于现有热膨胀工艺制备的EPS泡沫复合板材。本发明中热膨胀是一个渐增的过程，可以避免初始压力过大的现象，同时在固化的后期能够加载足够的压力，无须考虑加压的时机。

Description

一种EPS泡沫成型方法
技术领域
本发明涉及EPS泡沫复合板材领域，特别涉及一种EPS泡沫成型方法。
背景技术
常规的复合材料成型工艺中，成型的固化压力来自于外部压力源，如负压、压力袋、热压罐和模压等。热膨胀模压工艺与之不同，它是利用膨胀系数相对较大的软膜本身作为膨胀源，以刚性材料作为阴模，复合材料蒙皮置于两者之间。当模具受热后，材料由于本身热膨胀系数较大而膨胀，但软膜的膨胀受到膨胀系数较小外部刚性模具的限制，所以在模腔内部产生压力。常用的软膜一般是具有很高膨胀系数的硅橡胶，已经在复合材料成型中早已得到应用，一般称为软膜法成型工艺，又称热膨胀工艺。如果把硅橡胶换成泡沫塑料，成型出来的产品就是泡沫夹层结构，关键是泡沫芯材是否能够为成型夹层结构提供足够的压力。
现有技术中很多将热膨胀工艺应用到泡沫夹层结构的成形中，实际上是一种共固化工艺，即预先制备好聚苯乙烯泡沫芯材，铺叠上预浸料后，蒙皮与夹层结构共固化成型。在夹层结构成型过程中，泡沫芯材能够提供压力来自于芯材中发泡成型后残余的发泡剂，再次升温加热后发泡剂使得泡沫再次膨胀，从而为夹层结构的成形提供足够的压力。与使用硅橡胶热膨工艺不同，这种工艺内部软膜也会成为成型的夹层结构的一部分。泡沫热膨胀的产物是夹层结构，是一个整体的产物而硅橡胶作为软膜成型的是上下两块复合材料层合板，硅橡胶与复合材料层合板最终是分离的。
但上述复合成型方法需要预先制备聚苯乙烯泡沫芯材，需要重复发泡成型步骤预先制备芯材，芯材的成型经历颗粒装填模具，升温、加压、发泡成型、降温等步骤，费时费力，能耗较大。
复合材料热压成型工艺，压力的施加时机主要是由树脂体系固化过程中的粘度状态来确定，加压点必须在凝胶点附近。从粘度回升的阶段是施加压力的理想阶段，加压过早会使得温度提高后粘度非常低的树脂从模具的缝隙中流出，造成制品的缺胶。加压过晚，树脂已经固化，加压没有任何意义。传统中高温固化条件下的模压法，是在复合材料成型的初始阶段就加载了全部压力，如果模具密封性不够高，会造成成型后期树脂大量流失，热压罐的出现很好的解决了这一问题，它能控制在粘度上升阶段加载压力，但同时也增加了制造成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：解决现有热膨胀工艺制备泡沫夹层复合材料中的缺陷和问题。
为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
一种EPS泡沫成型方法，采用梯度加热一次成型法制备EPS泡沫复合板材，具体步骤如下：
(1)铺料：在模具的凹模底部平铺若干层碳纤维预浸料，再在碳纤维预浸料上平铺熟化后的预发泡EPS颗粒，随后下压上模排出气泡并压实，抬起上模后在预发泡EPS颗粒上平铺若干层碳纤维预浸料，下压上模至初始压力为0.05～0.06MPa；
(2)芯材发泡：加热模具至95℃，保温8～10min，加热过程中缓慢连续上抬上模，保持恒压0.18～0.28MPa；
(3)固化成型：当上模上抬至泡沫复合板材的预设厚度时，固定上模，模具升温至100～103℃，保温15～20min进行固化，随后空冷成型即得EPS泡沫复合板材。
优选地，所述碳纤维预浸料由碳纤维毡料采用溶液浸渍法加工获得，溶液浸渍法所用胶液由42重量份环氧树脂和3重量份固化剂混合而成；所述环氧树脂采用工业乙醇稀释至粘度为0.7Pa·s后用于胶液配制。
优选地，所述固化剂为2-乙基-4-甲基咪唑。
优选地，所述熟化后的预发泡EPS颗粒的预发泡倍数为4～6，预发泡条件为80℃，2min。
优选地，所述上层或下层碳纤维预浸料的厚度不超过芯材厚度的1/10。
优选地，所述碳纤维预浸料的单层厚度为0.1～0.5cm。
本发明获得的有益效果：
采用梯度加热一次成型，直接将芯材发泡和复合板材的固化成型连续完成，无须更换模具单独生产加工泡沫芯材，简便快捷。芯材发泡过程中产生的内源压力可有效复合芯材表面的碳纤维预浸料，本发明制备的成品的机械强度接近或高于现有热膨胀工艺制备的EPS泡沫复合板材。本发明中热膨胀是一个渐增的过程，可以避免初始压力过大的现象，同时在固化的后期能够加载足够的压力，无须考虑加压的时机。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
实施例1：采用梯度加热一次成型法制备EPS泡沫复合板材，具体步骤如下：
(1)碳纤维预浸料碳的制备：将碳纤维毡料浸渍于胶液中，胶液由42重量份环氧树脂和3重量份固化剂混合而成；所述环氧树脂采用工业乙醇稀释至粘度为0.7Pa·s，后用于胶液配制，固化剂为2-乙基-4-甲基咪唑。浸渍后的碳纤维预浸料的单层厚度为0.1cm。
(2)EPS珠粒的预发泡和熟化：EPS珠粒的预发泡条件为80℃，2min。熟化条件为22～26℃，静置8～10h，熟化后的预发泡EPS颗粒的预发泡倍数为4～6，EPS珠粒发泡倍数过大时，无法发泡成型高密度的芯材，且在固化保温阶段容易塌陷，而EPS珠粒发泡倍数过小时，珠粒体积过小，容易导致芯材密度局部不均匀，影响力学强度。
(3)铺料：在模具的凹模底部平铺若干层碳纤维预浸料，再在碳纤维预浸料上平铺熟化后的预发泡EPS颗粒，随后下压上模排出气泡并压实，抬起上模后在预发泡EPS颗粒上平铺若干层碳纤维预浸料，下压上模至初始压力为0.05MPa；按成品中芯材的容重计算熟化后的预发泡EPS颗粒的上料重量；所述成品中芯材的容重为150g/L；芯材容重过低极易导致固化保温时芯材塌陷，且由于EPS颗粒较少，无法在固化后期提供足够的压力，导致发泡和固化复合失败。芯材容重过大容易导致固化后期的压力过高，造成EPS颗粒的浪费。上层或下层碳纤维预浸料的铺贴厚度均为芯材厚度的1/10，即1cm。
(4)芯材发泡：加热模具至95℃，内部温度约为93℃，保温8min，加热过程中缓慢连续上抬上模，保持恒压0.18MPa；上模连续上抬过程中给予芯材充分的发泡空间，保持恒压是为了在上抬过程中一直保持EPS颗粒填充充分的状态，防止出现孔隙或裂痕等，保证发泡过程均匀密实。
(5)固化成型：当上模上抬至泡沫复合板材的预设厚度10cm时，固定上模，模具升温至100℃，内部温度约为98～99℃保温15min进行固化，随后空冷成型即得EPS泡沫复合板材。保温时间过长，如超过20min，极易导致芯材中EPS颗粒熔融，直接导致芯材塌陷。
实施例2：其余均与实施例1相同，不同之处在于下压上模至初始压力为0.06MPa；成品中芯材的容重为250g/L；浸渍后的碳纤维预浸料的单层厚度为0.2cm，上层或下层碳纤维预浸料的铺贴厚度均为芯材厚度的1/20。
芯材发泡：加热模具至95℃，保温10min，加热过程中缓慢连续上抬上模，保持恒压0.28MPa；
固化成型：当上模上抬至泡沫复合板材的预设厚度8cm时，固定上模，模具升温至103℃，保温20min进行固化，随后空冷成型即得EPS泡沫复合板材。
实施例3：其余均与实施例1相同，不同之处在于下压上模至初始压力为0.055MPa；成品中芯材的容重为200g/L；浸渍后的碳纤维预浸料的单层厚度为0.5cm，上层或下层碳纤维预浸料的铺贴厚度均为芯材厚度的1/15。
芯材发泡：加热模具至95℃，保温9min，加热过程中缓慢连续上抬上模，保持恒压0.22MPa；
固化成型：当上模上抬至泡沫复合板材的预设厚度15cm时，固定上模，模具升温至101℃，保温17min进行固化，随后空冷成型即得EPS泡沫复合板材。
热膨胀模压法最基本的要求首先是能泡沫作为芯材能否提供压力，是否在复合材料的两侧存在热膨胀系数相差很大的不同种材料，从而能在固化过程中产生足够的压力来排除空隙，降低孔隙率，提高产品的质量。泡沫夹层结构的成型是以发泡后泡沫本身作为内膨胀源，而外部是以刚性材料作为模具。100kg/m3的聚苯乙烯泡沫塑料的膨胀系数可以达到65×10-6/℃左右，而钢在20～200℃的膨胀系数在12.6×10-6/℃，相差几乎5倍。因此，所选的聚苯乙烯芯材材料可以被选为作为热膨胀模压法的材料。
模压法要求在复合材料成型的过程中为复合材料的成型提供充足的压力。目前，在国际上公认的航空航天复合材料成型的压力为0.6MPa。某些特殊的热固性树脂基体材料在固化的过程中可能需要更高的压力。但对于泡沫夹层结构，由于其特殊的内部结构，在固化过程中并不需要这么大的成型压力。文献显示，0.2～0.3MPa的压力足够泡沫夹层结构成型所需，反而压力过大没有进一步提高其综合性能。由于热膨胀模压法的原理是利用芯材中残留的物理发泡剂再次膨胀为泡沫夹层提供成型压力，压力大小就是关键，如果压力过小，对蒙皮的成型没有任何帮助。
以实施例1为例，在上模上设置压力感应器，用于监测发泡和固化成型过程中温度对压力状况的影响：
表1温度对模具内压的影响
模具温度(℃) 模具内部压力(MPa)
25 0.05
35 0.06
45 0.07
55 0.085
65 0.10
75 0.12
85 0.155
95 0.18
发泡保温结束 0.18
100℃ 0.24
固化保温结束 0.29
分析泡沫芯材热膨胀提供压力增长先慢后快的原因，泡沫芯材的热膨胀一方面由于聚苯乙烯本身具有的热膨胀系数；另外，闭孔泡沫中残余的发泡剂在受热气化产生压力，引起软化的泡孔受力变形也会使得泡沫膨胀。而外部的刚性模具阻碍了这一膨胀，于是在复合材料蒙皮固化时候提供压力，表1显示泡沫芯材在75℃以前压力的增长较慢，起主导作用是聚苯乙烯本身的热膨胀系数以及泡孔中的熟化过程中进入的空气受热膨胀，在加热过程中产生了近似线性的膨胀，但可以看出此膨胀系数相对较小；而在高于75℃后，压力急剧增长，这主要是残余发泡剂气化产生的一个额外的压力，加上此时由于泡沫本身的软化，表面张力相对于低温时更小，容易产生更大的内部压力，这时候的压力是两者作用的总和，所以造成后期压力的急剧增长。
对照实施例1：其余均与实施例1相同，不同之处在于以固化成型的保温时间为变量，设置5min、10min、15min、20min、25min、30min组别测定不同保温时间下模具内部压力的变化：
表2固化成型的不同保温时间对模具内部压力的影响
Figure BDA0002668878490000051
当保温时间超过25min时，模具内的压力迅速降低，主要是由于保温时间过长，导致芯材中EPS颗粒熔融，直接导致芯材塌陷，引起压力变化为负值。
对照实施例2：其余均与实施例1相同，不同之处在于以EPS珠粒的预发泡倍数为变量，设置预发泡平均倍数为0、2、4、6、8、10、20进行复合板材的制备，测定板材的力学强度。
表3 EPS珠粒的预发泡倍数对复合板材力学强度的影响
Figure BDA0002668878490000052
Figure BDA0002668878490000061
表当EPS珠粒发泡倍数大于6时，无法发泡成型高密度的芯材，力学强度显著降低，当发泡倍数达到10时，固化保温阶段芯材塌陷，无法制备复合板材，因此力学强度记为0。当EPS珠粒发泡倍数小于4时，珠粒体积过小，容易导致芯材密度局部不均匀，力学强度显著降低。
对照实施例3：其余均与实施例1相同，不同之处在于以芯材的容重为变量，设置容重分别为50、100、150、200、250、300、350进行复合板材的制备，测定固化成型的保温阶段结束后的模具内压力及成品的力学强度。
表4芯材容重设计对工艺及成品的影响
容重(g/L) 弯曲强度(MPa) 模具内压力(MPa)
50 1.1 0.12
100 12 0.16
150 55 0.22
200 61 0.26
250 57 0.31
300 63 0.46
350 66 0.57
在实施例1的工艺下，容重低于100g/L时，由模具内压力可见EPS颗粒在发泡和固化成型过程中出现局部或整体熔融塌陷，因此成品的弯曲强度显著降低或无法最终成型。而容重大于300g/L时，随着芯材容重增大，板材的整体强度并没有出现大幅度提升，且后期的模具内压力较高，高出实际所需的模压压力，出现材料和压力的双重浪费。
对照实施例4：将EPS预发泡颗粒按实施例1中的容重，采用常规模压法预先发泡成型制备EPS芯材板材，再将碳纤维预浸料手糊铺叠于芯板的上下面，再进行固化成型，获得复合板材以作为对照。
表5不同加工工艺对复合板材的力学强度的影响
Figure BDA0002668878490000062
Figure BDA0002668878490000071
综上所述，采用梯度加热一次成型，直接将芯材发泡和复合板材的固化成型连续完成，无须更换模具单独生产加工泡沫芯材，简便快捷。芯材发泡过程中产生的内源压力可有效复合芯材表面的碳纤维预浸料，本发明制备的成品的机械强度接近或高于现有热膨胀工艺制备的EPS泡沫复合板材。本发明中热膨胀是一个渐增的过程，可以避免初始压力过大的现象，同时在固化的后期能够加载足够的压力，无须考虑加压的时机。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种EPS泡沫成型方法，其特征在于，采用梯度加热一次成型法制备EPS泡沫复合板材，具体步骤如下：
(1)铺料：在模具的凹模底部平铺若干层碳纤维预浸料，再在碳纤维预浸料上平铺熟化后的预发泡EPS颗粒，随后下压上模排出气泡并压实，抬起上模后在预发泡EPS颗粒上平铺若干层碳纤维预浸料，下压上模至初始压力为0.05～0.06MPa；
(2)芯材发泡：加热模具至95℃，保温8～10min，加热过程中缓慢连续上抬上模，保持恒压0.18～0.28MPa；
(3)固化成型：当上模上抬至泡沫复合板材的预设厚度时，固定上模，模具升温至100～103℃，保温15～20min进行固化，随后空冷成型即得EPS泡沫复合板材。
2.根据权利要求1中所述的一种EPS泡沫成型方法，其特征在于：所述碳纤维预浸料由碳纤维毡料采用溶液浸渍法加工获得，溶液浸渍法所用胶液由42重量份环氧树脂和3重量份固化剂混合而成；所述环氧树脂采用工业乙醇稀释至粘度为0.7Pa·s后用于胶液配制。
3.根据权利要求2中所述的一种EPS泡沫成型方法，其特征在于：所述固化剂为2-乙基-4-甲基咪唑。
4.根据权利要求1中所述的一种EPS泡沫成型方法，其特征在于：所述熟化后的预发泡EPS颗粒的预发泡倍数为4～6，预发泡条件为80℃，2min。
5.据权利要求1中所述的一种EPS泡沫成型方法，其特征在于：所述上层或下层碳纤维预浸料的厚度不超过芯材厚度的1/10。
6.根据权利要求5中所述的一种EPS泡沫成型方法的制备方法，其特征在于：所述碳纤维预浸料的单层厚度为0.1～0.5cm。
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