CN112644106A - 一种植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料，所述复合材料以聚氨酯硬质泡沫作为芯材，树脂基植物纤维作为外包覆层；所述树脂基植物纤维中树脂体系的原料组成为：以不饱和聚酯树脂为基准，复合引发剂用量为不饱和聚酯树脂的2‑5wt％，脱模剂用量为不饱和聚酯树脂的3‑6wt％。本发明产品既具有低吸湿性、高耐腐蚀性、高尺寸稳定性、质轻、可连续生产的特性，又能提高强度和环保性。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其是涉及一种植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着户外休闲场所的增多，户外座椅作为休憩行为的直接载体，其需求也显著增多，多应用于公园、居民小区、校园、商场和游乐场等公共场所。户外座椅为人们的生活带来了极大的便利。
常见的户外座椅主要包括木制结构、金属结构和塑木结构三种。其中木质结构吸湿性强，容易被雨水浸湿腐败，因此木材需要定期进行涂刷油漆等维护，使用年限短且维护成本高。另外木制结构强度低、易发生变形。
中国专利CN 204930952 U中，将super-therm隔热层涂覆在钢结构座椅本体的表面，可以有效达到表面温度适宜人体接触的温度，且钢结构座椅本体不易扭曲变形，对人体安全，舒适度高。但是隔热层与钢结构的界面结合差，隔热层易与钢结构座椅本体脱离，容易造成座椅腐蚀，且钢结构座椅存在质量重的问题。
中国专利CN 108501168 A涉及一种塑木公园座椅的生产工艺，它兼备热塑性聚合物和木材的主要优点，具有防虫蛀、尺寸稳定性高、不开裂、不翘曲等优点，可广泛用作户外地板、泳池包边、花箱、树池、篱笆、垃圾桶、遮阳板、座凳、椅条、靠背条、休闲桌面、指示牌、宣传栏、横梁、码头铺板、水上通道、扶手、护栏、栅栏、隔断、花架走廊、户外凉亭等。但是其中掺杂的木质材料吸水性高，严重限制了其在户外座椅中的使用。
因此，制备一种轻质、环保、吸水性低、耐腐蚀、无需定期维护的户外座椅非常必要。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料及其制备方法与应用。本发明产品既具有低吸湿性、高耐腐蚀性、高尺寸稳定性、质轻、可连续生产的特性，又能提高强度和环保性。
本发明的技术方案如下：
一种植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料，所述复合材料以聚氨酯硬质泡沫作为芯材，树脂基植物纤维作为外包覆层；
所述树脂基植物纤维中树脂体系的原料组成为：以不饱和聚酯树脂为基准，复合引发剂用量为不饱和聚酯树脂的2-5wt％，脱模剂用量为不饱和聚酯树脂的3-6wt％。
聚氨酯硬质泡沫芯材的闭孔率在90％以上。
不饱和聚酯树脂为196型不饱和聚酯树脂。
复合引发剂为叔戊基过氧化苯甲酸和过氧化苯甲酰的混合物，两者混合比例为1:1；所述脱模剂为硬质酸锌、二甲基硅油、乳化硅油中的一种或多种。
所述植物纤维为亚麻、剑麻、黄麻中的一种或多种。
一种所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚氨酯硬质泡沫裁成合适的尺寸，制得聚氨酯硬质泡沫芯材；
(2)采用旋转芯轴通过排纱系统对植物纤维进行排纱，从纱筒外壁引出植物纤维，使植物纤维束平行布置，单层厚为2-3mm；
(3)通过动力系统牵引，在生产线的起始端连续不断地送入步骤(2)处理的植物纤维和聚氨酯硬质泡沫芯材，依次经过浸胶槽、导向模具、加热模具后在生产线的末端进行切割，制得聚氨酯硬质泡沫外围包覆植物纤维的复合材料。
步骤(2)中，纤维经过了预处理，预处理的方法为：将植物纤维进行清洗干燥，随后在3％的NaOH溶液中碱化1h，之后清洗，再在3％十六烷基三甲基氯化铵活性剂溶液中反应1h。
步骤(3)中，选用滚筒浸滞法，浸胶槽中树脂体系的原料组成为：以不饱和聚酯树脂为基准，复合引发剂用量为不饱和聚酯树脂的2-5wt％，脱模剂用量为不饱和聚酯树脂的3-6wt％；加热模具的内壁尺寸为150mm×50mm，长度为900mm。
步骤(3)中，经过加热模具时包括预热区、凝胶区和固化区，三个区的加热温度分别为140-150、155-165、145-155℃；动力系统牵引的拉挤速率为10-15cm/min。
一种所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料用于制备室外座椅的应用，。
本发明有益的技术效果在于：
本发明具有轻质、低吸湿性和高强耐腐蚀的性能特点，本发明复合材料采用FRP作为面板，泡沫作为芯材，构成一种高效构件形式。其内部芯材既可承受一定的剪力，又可对面层提供有效支撑，从而在一定程度上避免出现局部变形过大、剪切破坏等情况。
本发明选择天然生长的植物纤维作为增强纤维，具有易回收、环保更轻质的优点。
本发明选择高温引发剂和低温引发剂混合物作为引发体系，既能加快固化速度，有效提高生产效率，又能降低放热峰温度，满足泡沫芯材对温度的要求；本发明选择硬质泡沫作为芯材，质轻、具有一定强度、价格便宜；
本发明具有较低的吸湿性和优异的耐腐蚀性能，并且制备的结构表面工整，避免了后续使用过程中的定期的刷漆等维护过程；
本发明生产线末端的切割装置和前端的泡沫续接装置，可以生产符合顾客需要长度的材料，改善木质结构有限长度带来的限制，避免了较复杂的木材续接过程，可以实现连续生产。
本发明兼备热塑性聚合物和木材的主要优点，具有防虫蛀、尺寸稳定性高、不开裂、不翘曲等优点，可广泛用作户外地板、泳池包边、花箱、树池、篱笆、垃圾桶、遮阳板、座凳、椅条、靠背条、休闲桌面、指示牌、宣传栏、横梁、码头铺板、水上通道、扶手、护栏、栅栏、隔断、花架走廊、户外凉亭等。
附图说明
图1为本发明复合材料的截面示意图；
图中：1、聚氨酯硬质泡沫；2、树脂基植物纤维。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1：
一种所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚氨酯硬质泡沫裁成宽高尺寸为140mm×40mm，制得聚氨酯硬质泡沫芯材；
(2)采用旋转芯轴通过排纱系统对亚麻纤维进行排纱，从纱筒外壁引出植物纤维，使亚麻纤维束平行布置，单层厚为2mm；
(3)通过动力系统牵引，在生产线的起始端连续不断地送入步骤(2)处理的亚麻纤维和聚氨酯硬质泡沫芯材，依次经过浸胶槽、导向模具、加热模具后在生产线的末端进行切割，制得聚氨酯硬质泡沫外围包覆亚麻纤维的复合材料；
浸胶槽中树脂体系的原料组成为：100份196型不饱和聚酯树脂，1份高温引发剂叔戊基过氧化苯甲酸，1份低温引发剂过氧化苯甲酰混合物，3份硬质酸锌，采用机械混合法混合均匀。
加热模具的内壁尺寸为150mm×50mm，长度为900mm；经过加热模具时包括预热区、凝胶区和固化区，三个区的加热温度分别为140、155、145℃；动力系统牵引的拉挤速率为10cm/min。
实施例2：
一种所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚氨酯硬质泡沫裁成宽高尺寸为140mm×40mm，制得聚氨酯硬质泡沫芯材；
(2)采用旋转芯轴通过排纱系统对亚麻纤维进行排纱，从纱筒外壁引出植物纤维，使亚麻纤维束平行布置，单层厚为2mm；
亚麻纤维经过了预处理，预处理的方法为：将亚麻纤维进行清洗干燥，随后在3％的NaOH溶液中碱化1h，之后清洗，再在3％十六烷基三甲基氯化铵活性剂溶液中反应1h。
(3)通过动力系统牵引，在生产线的起始端连续不断地送入步骤(2)处理的亚麻纤维和聚氨酯硬质泡沫芯材，依次经过浸胶槽、导向模具、加热模具后在生产线的末端进行切割，制得聚氨酯硬质泡沫外围包覆亚麻纤维的复合材料；
浸胶槽中树脂体系的原料组成为：100份196型不饱和聚酯树脂，1.5份高温引发剂叔戊基过氧化苯甲酸，1.5份低温引发剂过氧化苯甲酰混合物，4份硬质酸锌，采用机械混合法混合均匀。
加热模具的内壁尺寸为150mm×50mm，长度为900mm；经过加热模具时包括预热区、凝胶区和固化区，三个区的加热温度分别为150、165、155℃；动力系统牵引的拉挤速率为10cm/min。
实施例3：
一种所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚氨酯硬质泡沫裁成宽高尺寸为140mm×40mm，制得聚氨酯硬质泡沫芯材；
(2)采用旋转芯轴通过排纱系统对剑麻纤维进行排纱，从纱筒外壁引出植物纤维，使剑麻纤维束平行布置，单层厚为3mm；
剑麻纤维经过了预处理，预处理的方法为：将剑麻纤维进行清洗干燥，随后在3％的NaOH溶液中碱化1h，之后清洗，再在3％十六烷基三甲基氯化铵活性剂溶液中反应1h。
(3)通过动力系统牵引，在生产线的起始端连续不断地送入步骤(2)处理的剑麻纤维和聚氨酯硬质泡沫芯材，依次经过浸胶槽、导向模具、加热模具后在生产线的末端进行切割，制得聚氨酯硬质泡沫外围包覆剑麻纤维的复合材料；
浸胶槽中树脂体系的原料组成为：100份196型不饱和聚酯树脂，1份高温引发剂叔戊基过氧化苯甲酸，1份低温引发剂过氧化苯甲酰混合物，3份硬质酸锌，采用机械混合法混合均匀。
加热模具的内壁尺寸为150mm×50mm，长度为900mm；经过加热模具时包括预热区、凝胶区和固化区，三个区的加热温度分别为140、155、145℃；动力系统牵引的拉挤速率为10cm/min。
实施例4：
一种所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚氨酯硬质泡沫裁成宽高尺寸为140mm×40mm，制得聚氨酯硬质泡沫芯材；
(2)采用旋转芯轴通过排纱系统对剑麻纤维进行排纱，从纱筒外壁引出植物纤维，使剑麻纤维束平行布置，单层厚为3mm；
剑麻纤维经过了预处理，预处理的方法为：将剑麻纤维进行清洗干燥，随后在3％的NaOH溶液中碱化1h，之后清洗，再在3％十六烷基三甲基氯化铵活性剂溶液中反应1h。
(3)通过动力系统牵引，在生产线的起始端连续不断地送入步骤(2)处理的剑麻纤维和聚氨酯硬质泡沫芯材，依次经过浸胶槽、导向模具、加热模具后在生产线的末端进行切割，制得聚氨酯硬质泡沫外围包覆剑麻纤维的复合材料；
浸胶槽中树脂体系的原料组成为：100份196型不饱和聚酯树脂，1.5份高温引发剂叔戊基过氧化苯甲酸，1.5份低温引发剂过氧化苯甲酰混合物，4份硬质酸锌，采用机械混合法混合均匀。
加热模具的内壁尺寸为150mm×50mm，长度为900mm；经过加热模具时包括预热区、凝胶区和固化区，三个区的加热温度分别为150、165、155℃；动力系统牵引的拉挤速率为15cm/min。
测试例：
(1)吸湿性评价
将实施例中试样的吸水性能测试依据ASTM D5229M-04的标准进行，试样为50mm×150mm×50mm规格的长方形试样，每组试样不少于5个。具体测试过程为：室温吸水测试前，试样在干燥箱(60℃)中干燥24h后取出，并置于密封袋中冷却至室温，将冷却后的试样称重后浸泡在蒸馏水中(室温)，在规定的时间内取出，用滤纸将试样表面的水分擦干，并在取出试样内称取重量后再次放入。
| 产品 | 平衡吸湿率(％) |
| 木质结构 | 16.2 |
| 实施例1 | 9.8 |
| 实施例2 | 7.3 |
| 实施例3 | 7.1 |
| 实施例4 | 6.7 |
从上表可知：实施例1-4中的材料的吸湿性都显著低于木质结构；实施例3-4均高于实施例1中的吸湿性，说明植物纤维的碱化和活性剂预处理可以有效改善吸湿性。
Claims (10)
1.一种植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料，其特征在于，所述复合材料以聚氨酯硬质泡沫作为芯材，树脂基植物纤维作为外包覆层；
所述树脂基植物纤维中树脂体系的原料组成为：以不饱和聚酯树脂为基准，复合引发剂用量为不饱和聚酯树脂的2-5wt％，脱模剂用量为不饱和聚酯树脂的3-6wt％。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，聚氨酯硬质泡沫芯材的闭孔率在90％以上。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，不饱和聚酯树脂为196型不饱和聚酯树脂。
4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，复合引发剂为叔戊基过氧化苯甲酸和过氧化苯甲酰的混合物，两者混合比例为1:1；所述脱模剂为硬质酸锌、二甲基硅油、乳化硅油中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述植物纤维为亚麻、剑麻、黄麻中的一种或多种。
6.一种权利要求1所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚氨酯硬质泡沫裁成合适的尺寸，制得聚氨酯硬质泡沫芯材；
(2)采用旋转芯轴通过排纱系统对植物纤维进行排纱，从纱筒外壁引出植物纤维，使植物纤维束平行布置，单层厚为2-3mm；
(3)通过动力系统牵引，在生产线的起始端连续不断地送入步骤(2)处理的植物纤维和聚氨酯硬质泡沫芯材，依次经过浸胶槽、导向模具、加热模具后在生产线的末端进行切割，制得聚氨酯硬质泡沫外围包覆植物纤维的复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，纤维经过了预处理，预处理的方法为：将植物纤维进行清洗干燥，随后在3％的NaOH溶液中碱化1h，之后清洗，再在3％十六烷基三甲基氯化铵活性剂溶液中反应1h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，选用滚筒浸滞法，浸胶槽中树脂体系的原料组成为：以不饱和聚酯树脂为基准，复合引发剂用量为不饱和聚酯树脂的2-5wt％，脱模剂用量为不饱和聚酯树脂的3-6wt％；加热模具的内壁尺寸为150mm×50mm，长度为900mm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，经过加热模具时包括预热区、凝胶区和固化区，三个区的加热温度分别为140-150、155-165、145-155℃；动力系统牵引的拉挤速率为10-15cm/min。
10.一种权利要求1所述植物纤维包覆聚氨酯泡沫的复合材料的应用，其特征在于，用于制备室外座椅。
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