CN113423563A - 通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法 - Google Patents

通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法、通过该方法所制得的复合材料及其用途。根据本发明的方法包括优选使用具体克重的聚酯脱模布、增强材料和/或多孔介质等。根据本发明的方法所制得的聚氨酯复合材料不仅具有良好的物理性质，还具有令人满意的外表面，无需另行处理外表面。

Description

通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法
本发明涉及通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法、通过该方法所制得的复合材料及其用途。
聚氨酯复合材料被广泛用于各种领域，例如：拉挤窗框、家电家具和风机叶片。近年来，聚氨酯复合材料在制备风机叶片方面的优越性受到越来越多的关注。风能被认为是目前能获得的最干净且最环保的能源之一。因此，风力涡轮机一直为市场所需求。与传统的环氧树脂制成的风机叶片相比，由聚氨酯复合材料制成的风机叶片具有成本较低以及力学性能更佳的优点。然而，聚氨酯对水敏感，并且在聚氨酯复合材料的制备中需要用到的脱模布通常含有一定量的水。怎样降低脱模布以及其它原材料的含水率由此一直是业内的难题。
WO2007038930A1公开了一种生产纤维增强产品的RTM方法，以及所生产的纤维增强复合材料，该方法包括以下步骤：a）将至少一个多孔构件（104）置于模具（103）中；b）将一个或多个强化纤维层（102）置于模具中；c） 引入树脂用于穿过多孔构件分配到纤维层；以及d）让树脂固化和让分配构件聚结以形成连续层。
CN102632622A公开了一种纤维增强树脂基复合家具材料及其制备方法，其解决了现有材料的技术问题。其以热固性树脂为基体，以编织纤维作为增强材料，以夹心材料为中间层。该材料可广泛用于家具制造。
CN103260860A公开了一种真空辅助树脂传递模塑（VARTM）方法，该方法包括：提供真空辅助树脂传递模具组件，其包括具有第一模具表面和第二模具表面的模具，当层压板组件置于第一模具表面上时，设置模具以使层压板组件包围在第一和第二模具表面之间的空间内；提供层压板组件及相应的部件和材料以便通过VARTM方法制备树脂制品。
尽管有以上公开，市场仍急需效率更高的且更优的生产聚氨酯复合材料的方法。
在本发明的一个方面中，提供了通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法，其包括以下步骤：
将一个或多个增强材料层置于模具中；
将至少一个克重为50 g/m2至150 g/m2、优选80 g/m2至100 g/m2的聚酯脱模布置于所述模具中；
引入聚氨酯树脂并使其固化以得到聚氨酯复合材料。
优选地，根据本发明的方法还包括在引入聚氨酯树脂之前将夹芯材料置于所述模具中的步骤。
优选地，所述聚酯脱模布选自由连续纤维通过机织方法制成的平纹布、斜纹布、缎纹布或者由连续纤维通过针织方法制成的织物或者由连续纤维直接通过缝编方法制成的织物。所述聚酯脱模布可以置于增强材料与模具之间，或者，在有夹芯材料或多孔部件时，也可以置于增强材料和/或夹芯材料与多孔部件（例如导流网）之间。
优选地，所述夹芯材料选自巴沙木、PVC泡沫、SAN泡沫、聚氨酯泡沫、PS泡沫、PMI泡沫和PET泡沫。
优选地，在引入聚氨酯树脂之前将至少一个多孔结构件置于所述模具的内部所放置的各层（例如增强材料层和脱模布等）的最上层或最下层。所述多孔部件，亦可称为多孔材料，是指具有由相互贯通的孔洞形成的网络结构的材料。
优选地，根据本发明的方法还包括在使聚氨酯树脂固化后将脱模布和多孔结构件剥离的步骤。
优选地，所述增强材料优选玻璃纤维乱丝层、玻璃纤维织物和玻璃纤维纱网、裁断或碾碎的玻璃纤维或矿物纤维以及基于聚合物纤维、矿物纤维、碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的纤维垫、纤维非织造物和纤维针织物及其混合物，更优选玻璃纤维垫或玻璃纤维非织造物。
优选地，所述增强材料为含水率<0.1重量%、优选<0.09重量%、特别优选0.01至0.05重量%的纤维增强材料，基于所述纤维增强材料的总重量计。
优选地，根据本发明的方法还包括以下步骤：
在引入聚氨酯树脂之前，将一层薄膜置于模具中所设置的所述层之上，并将薄膜的周边与模具密封，通过使用真空泵将薄膜抽紧。然后，将第二层薄膜置于其上并固定住第二层薄膜，将第一层薄膜和第二层薄膜在其周边密封并预留进风通道和出风通道。加热模具，同时使热风填充在第一层薄膜和第二层薄膜之间，以便给第一层薄膜的上表面提供与模温接近的温度。
该方法的一个优选实施方案包括在引入聚氨酯树脂的反应性混合物之前干燥设置在模具中的所述层和部件的另外步骤。
通过实验，已经令人惊讶地发现，根据本发明的方法提供了更优选的、含水率更低的聚酯脱模布等原材料，有效地降低了干燥脱模布和纤维增强材料等原材料的温度，缩短了干燥时间，有效地去除了所得聚氨酯复合材料的表面缺陷，得到了物理性质优异且表面情况令人满意的聚氨酯复合材料。根据本发明的方法有效地提高了聚氨酯复合材料的生产效率和品质，并由此节省了成本。
在本发明方法的一个示例性实施方案中，使用根据图3的真空灌注装置，并且该方法包括以下步骤：
-将一个或多个增强材料层置于模具中；
-将至少一个克重为50 g/m2至150 g/m2、优选80 g/m2至100 g/m2的聚酯脱模布置于所述模具中；
-任选地，将另外的部件或材料置于所述模具中；
-将至少一个薄膜置于模具中所设置的所述层以及任选地所述部件和其它材料之上，并且将（一个或多个）薄膜的周边与模具密封；
-用注胶管线（45）将反应注胶装置（40）与所述模具中的第一注胶口（31）连接，并且所述注胶管线（45）可以有利地包括与真空源（47）连接的侧向可关闭的出口（46）；
-然后，包括设置在其中的所述层和部件（21）的模具（5）、注胶管线（45）以及任选地反应注胶装置可以经由真空源（47）和干燥通道（32）干燥，所述干燥通道可用于利用真空源（34）抽空模具（5）或用于提供干燥气体；
-然后，借助所述反应注胶装置经由注胶管线（45）通过注胶口（31）将所述聚氨酯树脂以反应性混合物的形式引入模具（5）中，同时通过抽真空源（34）经由干燥通道（32）将模具（5）抽空，
-以及在模具（5）中使聚氨酯复合材料固化，优选在加热下进行。
反应注胶装置（40）优选包括至少两个用于容纳聚氨酯树脂的组分的储罐（48，49）、真空装置（50）和计量装置（44a，44b）以及混合单元（43），每个计量装置（44a，44b）通过进料管线（41，42）与储罐（48，49）连接，在所述混合单元中将来自进料单元（44a，44b）的组分混合在一起。
当通过将脱气的组分从储罐（48，49）经由注胶管线（41，42）、进料单元（44a，44b）和混合单元（43）引入注胶管线（45）而从组分开始注入聚氨酯树脂时，真空源（47）的出口（46）需要在聚氨酯树脂到达之前关闭。
在本发明的另一个方面中，提供了由根据本发明的通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法获得的聚氨酯复合材料。在本发明的又一个方面中，提供了根据本发明的聚氨酯复合材料在涡轮风机叶片中的用途。
在本发明的又一个方面中，提供了聚氨酯产品，其包括由根据本发明的通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法获得的聚氨酯复合材料。
优选地，所述聚氨酯产品选自涡轮风机叶片、天线罩、单层或者夹层板材，优选涡轮风机叶片的梁帽、腹板、叶根和/或叶壳。
附图说明
现在将结合附图对本发明进行示例性说明，其中：
图1显示了根据本发明的制备聚氨酯复合材料的方法中所用的模具及其上所设置的各层，其中，1表示（一个或多个）增强材料层；2表示注胶管线；3表示脱模布和多孔结构层；4表示抽气管线（pumping line）；5表示模具。
图2显示了在35℃下真空除湿0.5小时后引入聚氨酯树脂所得到的聚氨酯复合材料的表面情况，其中，左图为对比实施例1，右图为实施例1。
图3显示了根据本发明优选实施方案的反应注胶装置40及模具，其中，5表示模具；21表示增强材料层和脱模布；31表示第一注胶口；32表示干燥通道；41、42表示进料管线；43表示混合单元；44a、44b表示进料单元；45表示注胶管线；46表示可关闭出口；47表示抽真空源；48、49表示储罐；50表示抽真空装置。
现在对本发明的各方面进行详细说明。
根据本发明的第一个方面，提供了通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法，其包括以下步骤：
将一个或多个增强材料层置于模具中；
将至少一个克重为50 g/m2至150 g/m2、优选80 g/m2至100 g/m2的聚酯脱模布置于所述模具中；
引入聚氨酯树脂并使其固化以得到聚氨酯复合材料。
可用于本发明的聚酯脱模布，是指由聚酯纤维制成的脱模布。聚酯纤维（PET纤维，俗称“涤纶”）是指由多种二元醇和芳族二元羧酸或其酯经缩聚生成的聚酯为原材料所制成的纤维的统称。
优选地，所述聚酯脱模布选自由连续纤维通过机织方法制成的平纹布、斜纹布、缎纹布或者由连续纤维通过针织方法制成的织物或者由连续纤维直接通过缝编方法制成的织物。
所述聚酯脱模布可以置于增强材料与模具之间，或者可以置于增强材料和/或夹芯材料与多孔部件（例如导流网）之间。所述多孔部件，亦可称为多孔材料，是指具有由相互贯通的孔洞形成的网络结构的材料。其结构可为由大量多面体形状的孔洞在空间中聚集形成的三维结构。可用于本发明的多孔部件优选为导流介质。导流介质是指一种具有多孔结构的物质，其可以是通过编织、机织、针织、挤出或者钩编而得到的材料、泡沫或者本身具有筛或网状结构的物质。具体而言，其包括但不限于编织型导流网、压制型导流网、连续纤维毡；还有混合型导流网，例如，通过将编织型导流网（woven infusion net）、压制型导流网、连续毡和短切毡等纤维织物中的两种或更多种混合而成。本领域技术人员知悉，可以用作导流介质的材料包括但不限于聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、聚苯醚（PPO）、聚丙烯、ABS和玻璃纤维织物等。具有多孔结构的物质的面密度优选为100 g/m2至500 g/m2。多孔部件或导流介质主要用于帮助在干燥过程中抽真空，以及在引入聚氨酯液体材料过程中进行导流。
可用于本发明的模具包括但不限于风机叶片和/或其部件模具、飞机和/或其部件模具、船体和/或其部件模具、车体和/或其部件模具等等。在本发明的实施方案中，所述模具优选为可用于以聚氨酯真空灌注工艺制造风机叶片和/或其部件的模具。所述模具可以包括加热功能。
在本发明的实施方案中，根据本发明的方法以选自模具加热、电热毯加热、电热膜加热、微波加热、红外加热和吹热风加热中的一种、两种或更多种的方式加热脱模布、纤维增强材料、多孔部件和/或夹芯材料。所述电热毯加热或电热膜加热是指通过对垫在模具下或者覆盖在薄膜外的电热毯或电热膜通电来加热。本领域其它常规的加热方法也可用于本发明。
优选地，还包括在引入聚氨酯树脂之前将夹芯材料置于所述模具中的步骤。优选地，所述夹芯材料选自巴沙木、PVC泡沫、SAN泡沫、聚氨酯泡沫、PS泡沫、PMI泡沫和PET泡沫。
优选地，在引入聚氨酯树脂之前将至少一个多孔结构件置于所述模具的内部所放置的各层（例如增强材料层和脱模布等）的最上层或最下层。
优选地，还包括在使聚氨酯树脂固化后将脱模布和多孔结构件剥离的步骤。
优选地，所述增强材料优选玻璃纤维乱丝层、玻璃纤维织物和玻璃纤维纱网、裁断或碾碎的玻璃纤维或矿物纤维以及基于聚合物纤维、矿物纤维、碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的纤维垫、纤维非织造物和纤维针织物及其混合物，更优选玻璃纤维垫或玻璃纤维非织造物。
优选地，所述增强材料为含水率<0.1重量%、优选<0.09重量%、特别优选0.01至0.05重量%的纤维增强材料，基于所述纤维增强材料的总重量计。在本发明的某些实施方案中，所选的玻璃纤维布的含水率<0.1重量%，经真空除湿，其含水率为0.01至0.05重量%。
优选地，根据本发明的方法进一步包括以下步骤：
在引入聚氨酯树脂之前，将一层薄膜置于模具中所设置的所述层之上，并将薄膜的周边与模具密封，通过使用真空泵将薄膜抽紧。然后，将第二层薄膜置于其上并固定住第二层薄膜，将第一层薄膜和第二层薄膜在其周边密封并预留进风通道和出风通道。加热模具，同时使热风填充在第一层薄膜和第二层薄膜之间，以便给第一层薄膜的上表面提供与模温接近的温度。
在本发明方法的一个示例性实施方案中，使用根据图3的真空灌注装置，并且该方法包括以下步骤：
-将一个或多个增强材料层置于模具中；
-将至少一个克重为50 g/m2至150 g/m2、优选80 g/m2至100 g/m2的聚酯脱模布置于所述模具中；
-任选地，将另外的部件或材料置于所述模具中；
-将至少一个薄膜置于模具中所设置的所述层以及任选地所述部件和其它材料之上，并且将（一个或多个）薄膜的周边与模具密封；
-用注胶管线（45）将反应注胶装置（40）与所述模具中的第一注胶口（31）连接，并且所述注胶管线（45）可以有利地包括与真空源（47）连接的侧向可关闭的出口（46）；
-然后，包括设置在其中的所述层和部件（21）的模具（5）、注胶管线（45）以及任选地反应注胶装置可以经由真空源（47）和干燥通道（32）干燥，所述干燥通道可用于利用真空源（34）抽空模具（5）或用于提供干燥气体；
-然后，借助所述反应注胶装置经由注胶管线（45）通过注胶口（31）将所述聚氨酯树脂以反应性混合物的形式引入模具（5）中，同时通过抽真空源（34）经由干燥通道（32）将模具（5）抽空，
-以及在模具（5）中使聚氨酯复合材料固化，优选在加热下进行。
实验结果表明，根据本发明的方法提供了更优选的、含水率更低的聚酯脱模布等原材料，有效地降低了干燥脱模布和纤维增强材料等原材料的温度，缩短了干燥时间，得到了物理性质优异且表面情况令人满意的聚氨酯复合材料。根据本发明的方法有效地提高了聚氨酯复合材料的生产效率和表面品质，并由此节省了成本。
根据本发明的另一个方面，提供了由根据本发明的通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法获得的聚氨酯复合材料。
在某些实施方案中，根据本发明的聚氨酯复合材料不仅物理性质良好，而且没有表面缺陷。其方便进一步加工，非常适合用于大型聚氨酯产品。
在本发明的又一个方面中，提供了根据本发明的聚氨酯复合材料在涡轮风机叶片中的用途。
在本发明的又一个方面中，提供了聚氨酯产品，其包括由根据本发明的通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法获得的聚氨酯复合材料。
优选地，所述聚氨酯产品选自涡轮风机叶片、天线罩、单层或者夹层板材，优选涡轮风机叶片的梁帽、腹板、叶根和/或叶壳。
除非另行说明，否则本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域技术人员通常理解的相同含义。当本说明书中术语的定义与本发明所属领域技术人员通常理解的含义有矛盾时，以本文中所述的定义为准。
除非另行说明，否则说明书和权利要求书中使用的表达成分的量、反应条件等的所有数值要理解为被术语“约”修饰。
本文中所用的术语“和/或”是指所提及的要素之一或全部。
本文中所用的术语“包括”和“包含”涵盖只存在所提及要素的情形以及除了所提及要素还存在其它未提及要素的情形。
除非另行说明，否则本发明中所有百分比均指重量百分比。
现在通过实施例以说明而非限制的目的描述本发明。
实施例
材料说明：
聚酯脱模布（克重：95 g/m2）：购自沥高科技股份有限公司（LEADGO-TECH Co.,Ltd.）；
尼龙脱模布（克重：80 g/m2）：购自沥高科技股份有限公司；
薄膜：厚度50μm，购自沥高科技股份有限公司；
胶条（牌号：WD209）：购自上海康达化工新材料股份有限公司（Shanghai KangdaNew Materials Co., Ltd.）；
玻璃纤维布（双轴布，含水率<0.1重量%）：购自重庆国际复合材料有限公司（Chongqing Polycomp International Corp.）；
保温毯（规格：宽-1米，长-2米，厚度-30毫米）：购自相关市场；
导流网：购自相关市场；
聚氨酯树脂（原材料牌号：Baydur 78BD085 和Desmodur 44CP20）：购自科思创聚合物（中国）有限公司（Covestro Polymers (China) Co., Ltd.）。
测试方法说明：
脱模布的克重：即每单位面积的重量，具体为脱模布的重量除以其面积所得值；
含水率：(W1-W2)/W1，其中W1为直接取样后的重量，W2为烘干后的重量；
温度测试：使用红外测温枪监测表面温度。
实施例
实施例和对比实施例的聚氨酯复合材料的制备：
实施例1和对比实施例1：
将玻璃纤维布、聚酯脱膜布（在对比实施例1中为尼龙脱模布）、导流网和一层薄膜铺设在模具上。将薄膜的周边与模具密封，通过使用真空泵将薄膜抽紧。加热模具，0.5小时后停止加热。冷却至室温后注入聚氨酯树脂，使其固化后得到聚氨酯复合材料（对比实施例1的表面情况示于图2左图，实施例1的表面情况示于图2右图）。
实验结果表明，如图所示，在相同的除湿条件下，使用聚酯脱模布的聚氨酯复合材料的表面几乎没有缺陷，可见，使用聚酯脱模布能够提高除湿效率；而在相同条件下使用尼龙脱模布的聚氨酯复合材料的表面缺陷非常明显，表明除湿效率低，需要更高的温度或延长的除湿时间。更高的温度意味着需要更长的时间来冷却至室温，这对生产效率是个极大的考验。根据本发明的制备聚氨酯复合材料的方法成功地克服了聚氨酯对水敏感的不利因素，获得了具有优异的物理性质和表面品质的聚氨酯复合材料，使得聚氨酯复合材料现在可应用于一些大型制品如风机叶片，由此促进了相关环保产业的发展。
尽管上文针对本发明目的详细说明了本发明，但应理解的是，这种详细说明只是示例性的。除了权利要求书中请求保护的主题外，在不偏离本发明的精神及范围的情况下，本领域技术人员可以进行各种改变。

Claims (14)

1.通过真空灌注工艺制备聚氨酯复合材料的方法，包括以下步骤：
将一个或多个增强材料层置于模具中；
将至少一个克重为50 g/m2至150 g/m2、优选80 g/m2至100 g/m2的聚酯脱模布置于所述模具中；
引入聚氨酯树脂并使其固化以得到聚氨酯复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚酯脱模布选自由连续纤维通过机织方法制成的平纹布、斜纹布、缎纹布或者由连续纤维通过针织方法制成的织物或者由连续纤维直接通过缝编方法制成的织物。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括在引入聚氨酯树脂之前将夹芯材料置于所述模具中的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述夹芯材料选自巴沙木、PVC泡沫、SAN泡沫、聚氨酯泡沫、PS泡沫、PMI泡沫和PET泡沫。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在引入聚氨酯树脂之前将至少一个多孔结构件置于所述一个或多个增强材料层和脱模布的最上层或最下层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在使聚氨酯树脂固化后将聚酯脱模布和多孔结构件剥离的步骤。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述增强材料为含水率<0.1重量%、优选<0.09重量%、特别优选0.01至0.05重量%的纤维增强材料，基于所述纤维增强材料的总重量计。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述增强材料优选玻璃纤维乱丝层、玻璃纤维织物和玻璃纤维纱网、裁断或碾碎的玻璃纤维或矿物纤维以及基于聚合物纤维、矿物纤维、碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维的纤维垫、纤维非织造物和纤维针织物及其混合物，更优选玻璃纤维垫或玻璃纤维非织造物。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在引入聚氨酯树脂并使其固化之前，
将一层薄膜置于模具中所设置的所述层之上，并将所述薄膜的周边与模具密封，通过使用真空泵将薄膜抽紧，然后
将第二层薄膜置于其上并固定住第二层薄膜，将第一层薄膜和第二层薄膜在其周边密封并预留进风通道和出风通道，然后
加热模具，并且
使热风填充在第一层薄膜和第二层薄膜之间，以便给第一层薄膜的上表面提供与模温接近的温度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-将至少一个薄膜置于模具中所设置的所述层以及任选地所述部件和其它材料之上，并且将所述薄膜的周边与模具密封；
-用注胶管线（45）将反应注胶装置（40）与所述模具中的第一注胶口（31）连接，并且所述注胶管线（45）可以有利地包括与真空源（47）连接的侧向可关闭的出口（46）；
-然后，包括设置在其中的所述层和部件（21）的模具（5）、注胶管线（45）以及任选地反应注胶装置可以经由真空源（47）和干燥通道（32）干燥，所述干燥通道可用于利用真空源（34）抽空模具（5）或用于提供干燥气体；
-然后，借助所述反应注胶装置经由注胶管线（45）通过注胶口（31）将所述聚氨酯树脂以反应性混合物的形式引入模具（5）中，同时通过抽真空源（34）经由干燥通道（32）将模具（5）抽空，
-以及在模具（5）中使聚氨酯复合材料固化，优选在加热下进行。
11.由根据权利要求1至10中任一项所述的方法获得的聚氨酯复合材料。
12.由根据权利要求1至10中任一项所述的方法获得的聚氨酯复合材料在涡轮风机叶片中的用途。
13.聚氨酯产品，包括由根据权利要求1至10中任一项所述的方法获得的聚氨酯复合材料。
14.根据权利要求13所述的聚氨酯产品，其中所述聚氨酯产品选自涡轮风机叶片、天线罩、单层或者夹层板材，优选涡轮风机叶片的梁帽、腹板、叶根和/或叶壳。
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