CN113896940A - 一种纤维增强酚醛发泡材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维增强酚醛发泡材料及其制备方法，所述发泡材料由酚醛树脂和纤维材料制备得到的预浸料压制而成，预浸料中酚醛树脂与纤维增强材料的质量比为3.2‑4.5：1；制备方法包括以下步骤：(1)将酚醛树脂和发泡剂充分搅拌，制备出酚醛树脂胶液，所述发泡剂的初始发泡温度为110℃～120℃，最高发泡温度为150℃～170℃；(2)将纤维增强材料浸入酚醛树脂胶液中进行浸胶；(3)通过连续浸胶、烘烤进行初步发泡，收卷裁片，得到预浸料；(4)将预浸料进行堆叠，压制20‑30min，使得预浸料二次发泡并最终固化。该纤维增强酚醛板材是用来制造轨道交通领域风道的原材料，具有阻燃、保温、低密度的特点，满足轨道交通车辆轻量化、高阻燃、环保的要求。

Description

一种纤维增强酚醛发泡材料及其制备方法
技术领域
本发明属于轨道交通材料领域，尤其涉及一种纤维增强酚醛发泡材料及其制备方法。
背景技术
轨道交通领域目前用的风道材料主要用的是铝合金材料和纤维增强酚醛发泡等材料，其中铝合金具有质量大、隔热性差的缺点，而纤维增强酚醛发泡材料一般密度都高于160g/cm3，难以实现进一步轻量化，无法满足轨道交通车辆的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现纤维增强酚醛发泡材料的轻量化，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种纤维增强酚醛发泡材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种纤维增强酚醛发泡材料，所述发泡材料由酚醛树脂和纤维材料制备得到的预浸料压制而成，预浸料中酚醛树脂与纤维增强材料的质量比为3.2-4.5：1；所述发泡材料的板材厚度为10mm～30mm，密度为≥75g/cm3。
优选的，所述预浸料厚度为1.5mm～3.5mm，面密度为220g/m2～280g/m2。
优选的，所述发泡材料由两步发泡制备而成，第一步发泡为制备预浸料时，酚醛树脂和发泡剂进行初步发泡，第二步发泡为压制预浸料时，预浸料压制进行二次发泡。
一般的纤维增强酚醛发泡材料密度最低只能到160g/cm3，在满足力学性能的前提下，不能实现更大的轻量化，传统的酚醛泡沫密度可以到更低，但缺乏纤维增强与微球发泡支撑，力学性能很低，且容易粉化；
低密度纤维增强酚醛发泡材料采用一定发泡温度与尺寸的发泡剂，与一定凝胶时间与固含量的甲阶酚醛树脂混配，涂敷在玻纤毡上，并通过特定工艺，在烘道内实现一次发泡，在热压过程中实现材料的二次发泡，在材料多次发泡后，密度最小化，力学性能也能满足使用要求。
在同一个技术构思下，本申请还提供一种纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将酚醛树脂和发泡剂充分搅拌，制备出酚醛树脂胶液，所述发泡剂为碳氢化合物-热塑性高分子发泡剂，发泡剂微球的平均球直径为30～40um，发泡剂的初始发泡温度为110℃～120℃，最高发泡温度为150℃～170℃；
(2)将纤维增强材料浸入酚醛树脂胶液中进行浸胶；
(3)通过连续浸胶、烘烤进行初步发泡，温度控制在80℃～140℃，收卷裁片，得到预浸料；
(4)将预浸料进行堆叠，压制20-30min，使得预浸料二次发泡并最终固化；
(5)取出板材，切割边缘。
本申请选择碳氢化合物-热塑性高分子发泡剂并控制发泡剂的微球平均球直径以及发泡剂的发泡温度性质，使得树脂与发泡剂的发泡温度能够匹配，既要保证树脂在第一次加热发泡过程中，具备一定的固化度，不至于过硬影响发泡剂第二次发泡，又要保证发泡剂在第一次发泡没有完全发泡，还具备进一步发泡的能力。二次模压发泡过程中，发泡剂能够进一步充分发泡，树脂也进一步固化，达到最终的强度。
优选的，步骤(1)中所述酚醛树脂粘度在800～1500mPa.s/25℃，凝胶时间为98s～110s@150℃，由苯酚与甲醛在碱催化作用下发生加成缩聚反应得到，其固含量大于65％，PH值8.0～9.0；所述发泡剂壳体为热塑性丙烯酸聚合物，内核为烷烃类气体，所述发泡剂为耐溶剂型发泡剂。
本申请控制酚醛树脂粘度范围，能够更好的涂敷上玻纤布，不至于流挂。
优选的，步骤(1)中充分搅拌的搅拌速度为30-80r/min，搅拌时间为30-60min。
优选的，步骤(1)中所述的酚醛树脂胶液中的酚醛树脂与发泡剂的质量比为9.5-12:1。
优选的，步骤(2)中所述纤维增强材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及聚乙烯纤维中的至少一种，面密度为30-150g/m2。
优选的，步骤(2)中所述酚醛树脂胶液与纤维增强材料的质量比为3.2-5:1。
优选的，步骤(2)(3)中所述浸胶、烘烤发生在浸胶机内，浸胶机控制纤维增强材料与离型膜走速为2m/min-4m/min，烘道长度为30m～50m，挤胶棍之间的间距为0.15-0.3mm，所述烘烤为多段烘烤，烘道温度分段四段设置，分别为80-90℃，125-140℃，130-140℃，90℃-100℃。
此处烘道温度进行四段设置，一方面使树脂中的水分充分挥发，树脂初步固化，发泡剂第一次发泡，另一方面，控制各温度段的发泡温度在发泡剂的承受范围内，特别使最高温度段时间不宜过长，过长会导致发泡剂泡体破裂。
优选的，步骤(1)中所述堆叠厚度为10mm～30mm；步骤(2)中压制发生在压机内，控制压机温度在120℃～135℃，压制前在压机四周垫入10mm～30mm的垫块，压制时每隔1～4min进行排气，使得预浸料二次发泡。
以往的发泡预浸料发泡完成后密度较大，预浸料堆叠层数较多，堆叠后得到的厚度大于压制厚度，直接通过压缩使层间结合紧密，压制过程中，发泡剂几乎丧失发泡能力。本申请中预浸料本身在初步固化时保证了一定的固化度，发泡并未完全，且堆叠层数较少，堆叠后与最终压制厚度等厚，或小于压制厚度，压制过程中，发泡剂第二次充分发泡，填充模具厚度中的空隙，使产品密度降低。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明的低密度纤维增强酚醛发泡材料，一般的纤维增强酚醛发泡材料密度最低只能到160g/cm3，在满足力学性能的前提下，不能实现更大的轻量化，传统的酚醛泡沫密度可以到更低，但缺乏纤维增强与微球发泡支撑，力学性能很低，且容易粉化；低密度纤维增强酚醛发泡材料采用一定发泡温度与尺寸的发泡剂，与一定凝胶时间与固含量的甲阶酚醛树脂混配，涂敷在玻纤毡上，并通过特定工艺，在烘道内实现一次发泡，在热压过程中实现材料的二次发泡，在材料多次发泡后，密度最小化，力学性能也能满足使用要求；
2)本发明的纤维增强酚醛发泡材料制备方法，该纤维增强酚醛预浸料及板材是用来制造轨道交通领域风道的原材料，具有阻燃、保温、低密度的特点，能满足轨道交通车辆轻量化、高阻燃、环保的要求，最低密度达到了75g/cm3；
3)采用该板材制作的风道等产品满足轨道交通产品的力学性能要求；
4)采用热塑性材质发泡剂，与该树脂友好结合，并通过低密度的增强纤维，能有效的提高产品的韧性与力学性能，疲劳性能优越，可以满足轨道交通30年全寿命使用要求。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明做更全面、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，并不是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：
一种纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配比，将酚醛树脂与发泡剂加入容器中，充分搅拌，搅拌速度为30-80r/min，搅拌时间为30-60min，制备出酚醛树脂胶液。
酚醛树脂由苯酚与甲醛在碱催化作用下发生加成缩聚反应得到，其固含量大于65％，PH值8.0～9.0；粘度在800～1500m Pa.s/25℃，凝胶时间为98～110s@150℃，发泡剂壳体为热塑性丙烯酸聚合物，内核为烷烃类气体，在受一定温度后会发生膨胀，发泡剂微球的平均球直径为30～40um，初始发泡温度为110℃～120℃，最高发泡温度为150℃～170℃；
酚醛树脂胶液中的酚醛树脂与发泡剂的质量比为9.5-12:1。
(2)步骤(1)中得到酚醛树脂胶液导入浸胶槽内，使用浸胶机控制纤维增强材料与离型膜走速为2m/min-4m/min，烘道长度为30m～50m，挤胶棍之间的间距为0.15-0.3mm，烘道温度分段四段设置，分别为80-90℃，125-140℃，130-140℃，90℃-100℃；
纤维增强材料为玻璃纤维，面密度为50g/m2；酚醛树脂胶液与纤维增强材料的质量比为3.2-5:1；
(3)经过连续浸胶，烘烤初步发泡与固化，通过烘道80～140℃，多段温度加热；收卷裁片，制备出酚醛树脂发泡预浸料；
(4)预浸料出来厚度为1.5mm～3.5mm左右，面密度为220g/m2～280g/m2。手感松软，带黏性；
(5)将已制备的初步发泡预浸料按照每10mm板材3层数进行堆叠；
(6)调节平板压机至120℃～135℃，四周垫入10mm～30mm的垫块；
(7)将已堆叠好的预浸料至于平板压机中；
(8)合模压制，压制时间为20min～30min，其中每隔2min，开模进行排气，该过程使预浸料第二次充分发泡，填满型腔厚度，并最终固化；
(9)开模，取板材，切割边缘毛边。
一种纤维增强酚醛发泡材料，由本实施例的制备方法制备而成，厚度为10～30mm，密度≥75g/cm3。
所述板材力学性能如表1：
表1实施例1板材力学性能
Figure BDA0003348164380000041
Figure BDA0003348164380000051
实施例2：
一种低密度纤维增强酚醛发泡板材制备方法，预浸料的制备方法与实施例1相同，其余步骤和条件如下：
(1)将已制备的初步发泡预浸料按照每10mm板材4层数进行堆叠；
(2)调节平板压机至120℃～135℃，四周垫入10mm～30mm的垫块；
(3)将已堆叠好的预浸料至于平板压机中；
(4)合模压制，压制时间为20min～30min，其中每隔2min，开模进行排气，该过程使预浸料第二次充分发泡，填满型腔厚度，并最终固化；
(5)开模，取板材，切割边缘毛边。
所述的板材密度≥100g/cm3，力学性能如表2：
表2实施例2板材力学性能
Figure BDA0003348164380000052

Claims (10)

1.一种纤维增强酚醛发泡材料，其特征在于，所述发泡材料由酚醛树脂和纤维材料制备得到的预浸料压制而成，预浸料中酚醛树脂与纤维增强材料的质量比为3.2-4.5：1；所述发泡材料的板材厚度为10mm～30mm，密度为≥75g/cm3。
2.如权利要求1所述的纤维增强酚醛发泡材料，其特征在于，所述预浸料厚度为1.5mm～3.5mm，面密度为220g/m2～280g/m2。
3.如权利要求1所述的纤维增强酚醛发泡材料，其特征在于，所述发泡材料由两步发泡制备而成，第一步发泡为制备预浸料时，酚醛树脂和发泡剂进行初步发泡，第二步发泡为压制预浸料时，预浸料压制进行二次发泡。
4.一种纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将酚醛树脂和发泡剂充分搅拌，制备出酚醛树脂胶液，所述发泡剂为碳氢化合物-热塑性高分子发泡剂，发泡剂微球的平均球直径为30～40um，发泡剂的初始发泡温度为110℃～120℃，最高发泡温度为150℃～170℃；
(2)将纤维增强材料浸入酚醛树脂胶液中进行浸胶；
(3)通过连续浸胶、烘烤进行初步发泡，温度控制在80℃～140℃，收卷裁片，得到预浸料；
(4)将预浸料进行堆叠，压制20-30min，使得预浸料二次发泡并最终固化；
(5)取出板材，切割边缘。
5.如权利要求4所述的纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述酚醛树脂粘度在800～1500mPa.s/25℃，凝胶时间为98s～110s@150℃，由苯酚与甲醛在碱催化作用下发生加成缩聚反应得到，其固含量大于65％，PH值8.0～9.0；所述发泡剂壳体为热塑性丙烯酸聚合物，内核为烷烃类气体，所述发泡剂为耐溶剂型发泡剂。
6.如权利要求4或5所述的纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的酚醛树脂胶液中的酚醛树脂与发泡剂的质量比为9.5-12:1。
7.如权利要求4所述的纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述纤维增强材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及聚乙烯纤维中的至少一种，面密度为30-150g/m2。
8.如权利要求4或7所述的纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述酚醛树脂胶液与纤维增强材料的质量比为3.2-5:1。
9.如权利要求4所述的纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)(3)中所述浸胶、烘烤发生在浸胶机内，浸胶机控制纤维增强材料与离型膜走速为2m/min-4m/min，烘道长度为30m～50m，挤胶棍之间的间距为0.15-0.3mm，所述烘烤为多段烘烤，烘道温度分段四段设置，分别为80-90℃，125-140℃，130-140℃，90℃-100℃。
10.如权利要求4所述的纤维增强酚醛发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述堆叠厚度为10mm～30mm，所述压制发生在压机内，控制压机温度在120℃～135℃，压制前在压机四周垫入10mm～30mm的垫块，压制时每隔1～4min进行排气，使得预浸料二次发泡。
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