CN117702347A - 一种多孔环氧复合板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多孔环氧复合板及其制备方法，属于减振降噪板技术领域。本发明提供了一种多孔环氧复合板，包括三维中空织物、多孔环氧树脂泡沫和环氧树脂；所述三维中空织物的上下面层为含玻璃纤维的编织体；所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织形成中空结构；所述环氧树脂包裹在所述三维中空织物的上下面层表面和三维中空织物芯部的纤维束表面，与三维中空织物形成三维中空复合材料；所述多孔环氧树脂泡沫填充在所述三维中空复合材料的中空芯部；所述多孔环氧树脂泡沫中含有短切纤维。本发明提供的多孔环氧复合板在保证良好的减振降噪性能的同时，具有良好的抗弯曲、抗冲击的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于减振降噪板技术领域，具体涉及一种多孔环氧复合板及其制备方法。
背景技术
随着时代的进步，船舶制造技术的迅猛发展，人们对船舶安全性与舒适性的重视程度与日俱增。船舶振动噪声是影响船舶舒适性的主要因素，因此船舶振动噪声的控制设计在现代船舶设计制造中占有重要地位。但是由于舰船、潜艇和海洋工程结构上人员活动空间狭小，各类设备安放较为密集，其结构性能的好坏直接影响人员舒适度与设备功能性的实现。
船舶与海洋工程装备大型化、高速化、复杂化和工作状态极端化的发展也越来越重要，其也会面临轻量化、振动与降噪等问题，因此使材料具有轻量化、减振与降噪品质已逐渐成为衡量各类装备材料性能的重要指标。
夹芯复合板的芯层结构多为泡沫、橡胶、蜂窝等，其面板结构多为纯金属材料。由于中间芯层的特殊结构使得夹芯复合板在船舶制造技术方面得到了很好的应用。但是现有的夹芯复合板的减振降噪、抗冲击等力学性能较差，不能满足日益严峻的世界格局，因此需要提高夹芯复合板的力学性能及减振降噪性能。
多孔环氧树脂泡沫，是一种良好夹芯材料，具有重量轻、加工成型方便且具有良好的减振降噪性能，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑等领域。但是市面上的多孔环氧树脂泡沫在保证良好的减振降噪性能时，其抗弯曲、抗冲击的力学性能较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多孔环氧复合板及其制备方法和应用。本发明提供的多孔环氧复合板在保证良好的减振降噪性能的同时，具有良好的抗弯曲、抗冲击的力学性能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种多孔环氧复合板，包括三维中空织物、多孔环氧树脂泡沫和环氧树脂；所述三维中空织物的上下面层为含玻璃纤维的编织体；所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织形成中空结构；所述环氧树脂包裹在所述三维中空织物的上下面层表面和三维中空织物芯部的纤维束表面，与三维中空织物形成三维中空复合材料；所述多孔环氧树脂泡沫填充在所述三维中空复合材料的中空芯部；所述多孔环氧树脂泡沫中含有短切纤维。
优选的，所述多孔环氧复合板的密度为0.2～3g/cm3。
优选的，所述三维中空织物的高度为1～5cm；所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织呈“8”字型结构。
优选的，所述含玻璃纤维的编织体包括玻璃纤维编织体、玻璃纤维与碳纤维编织体或玻璃纤维与芳纶纤维编织体。
优选的，所述短切纤维包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和石英纤维中的一种或几种；所述短切纤维的长度为0.1～1cm。
本发明提供了上述方案所述多孔环氧复合板的制备方法，包括以下步骤：
通过真空导流的方法，将第一固化剂与第一环氧树脂的混合料导流进入三维中空织物，进行固化，所述三维中空织物的上下面层表面及三维中空织物芯部纤维束表面被环氧树脂包裹，得到三维中空复合材料；
将混有发泡剂的第二环氧树脂、第二固化剂和短切纤维混合，得到混合物料；
将所述混合物料灌注到所述三维中空复合材料的中空芯部中，进行发泡，在所述三维中空复合材料的中空芯部形成多孔环氧树脂泡沫，得到所述多孔环氧复合板。
优选的，所述真空导流的真空度为0.1～0.2MPa。
优选的，所述第一固化剂与第一环氧树脂的混合料的总质量与三维中空织物的质量比为(3～4)：3。
优选的，所述固化的温度为100℃，时间为3h。
优选的，所述发泡的温度为100～160℃，保温时间为30～45min。
本发明提供了一种多孔环氧复合板，包括三维中空织物、多孔环氧树脂泡沫和环氧树脂；所述三维中空织物的上下面层为含玻璃纤维的编织体；所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织形成中空结构；所述环氧树脂包裹在所述三维中空织物的上下面层表面和三维中空织物芯部的纤维束表面，与三维中空织物形成三维中空复合材料；所述多孔环氧树脂泡沫填充在所述三维中空复合材料的中空芯部；所述多孔环氧树脂泡沫中含有短切纤维。本发明通过在三维中空复合材料中填充多孔环氧树脂泡沫，所述三维中空复合材料由上下两层玻璃纤维织物面层及玻璃纤维束中空芯部组成，其中空芯部的玻璃纤维束对多孔环氧树脂泡沫起到“钢筋混凝土”作用，面层玻璃纤维织物面层能够提高多孔环氧泡沫的抗冲击、抗弯曲性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明三维中空织物进行导流时的实验设备示意图；
图2为本发明实施例1制备得到的三维中空复合材料的实物图；
图3为本发明实施例1制备得到的多孔环氧复合板实物图；
图4为抗弯曲性能对比图；
图5为抗冲击性能对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种多孔环氧复合板，包括三维中空织物、多孔环氧树脂泡沫和环氧树脂；所述三维中空织物的上下面层为含玻璃纤维的编织体；所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织形成中空结构；所述环氧树脂包裹在所述三维中空织物的上下面层表面和三维中空织物芯部的纤维束表面，与三维中空织物形成三维中空复合材料；所述多孔环氧树脂泡沫填充在所述三维中空复合材料的中空芯部；所述多孔环氧树脂泡沫中含有短切纤维。
若无特殊说明，本发明所用原料均为市售。
本发明提供的多孔环氧复合板包括三维中空织物；所述三维中空织物的高度优选为1～5cm，进一步优选为2～4cm。在本发明中，所述三维中空织物的上下面层为含玻璃纤维的编织体；所述含玻璃纤维的编织体优选包括玻璃纤维编织体、玻璃纤维与碳纤维编织体或玻璃纤维与芳纶纤维编织体。本发明对所述玻璃纤维与碳纤维编织体或玻璃纤维与芳纶纤维编织体中各纤维的用量没有特别的要求，采用本领域熟知的即可。
在本发明中，所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织形成中空结构；所述芯部位于上下面层之间；所述三维中空织物的芯部优选由玻璃纤维束编织呈“8”字型结构。本发明对所述三维中空织物芯部的玻璃纤维的孔隙大小、纤维束含量不做限定，采用本领域熟知的即可。
在本发明的具体实施例中，所述三维中空织物的型号为E20-900，高度为20mm，克重2000g/m2。
本发明提供的多孔环氧复合板包括环氧树脂。在本发明中，所述环氧树脂包裹在所述三维中空织物的上下面层表面和三维中空织物芯部的纤维束表面，对三维中空织物的纤维起到固定增强的作用，与三维中空织物形成三维中空复合材料。
本发明提供的多孔环氧复合板包括多孔环氧树脂泡沫。在本发明中，所述多孔环氧树脂泡沫填充在所述三维中空复合材料的中空芯部；所述多孔环氧树脂泡沫中含有短切纤维；所述短切纤维优选包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和石英纤维中的一种或几种；所述短切纤维的长度优选为0.1～1cm，进一步优选为0.2～0.7cm，更优选为0.3～0.5cm。在本发明中，所述多孔环氧树脂泡沫的孔隙大小根据发泡密度可调，结构为均匀闭孔。
本发明对所述短切纤维的直径没有特别的要求，采用本领域熟知的直径即可。在本发明中，所述短切纤维可以提高多孔环氧泡沫自身的抗弯曲及抗冲击性能。当多孔环氧树脂泡沫受到冲击的时候，会因为短切纤维的存在而发生纤维与树脂之间的拔出及界面破坏，这就会增加破坏泡沫所需要的能量，对泡沫抗冲击性能的提升是有力的。
在本发明中，所述多孔环氧复合板的密度优选为0.2～3g/cm3，进一步优选为1～2.5g/cm3，更优选为1.5～2g/cm3。
本发明通过在三维中空复合材料中填充多孔环氧树脂泡沫，所述三维中空复合材料由上下两层玻璃纤维面层和中空芯部玻璃纤维束浸渍环氧树脂制备，对多孔环氧树脂泡沫进行增强，中空芯部的玻璃纤维束起到“钢筋混凝土”作用，面层玻璃纤维织物能够提高多孔环氧树脂泡沫的抗冲击、抗弯曲性能。
本发明提供了上述方案所述多孔环氧复合板的制备方法，包括以下步骤：
通过真空导流的方法，将第一固化剂与第一环氧树脂的混合料导流进入三维中空织物，进行固化，所述三维中空织物的上下面层表面及三维中空织物芯部纤维束表面被环氧树脂包裹，得到三维中空复合材料；
将混有发泡剂的第二环氧树脂、第二固化剂和短切纤维混合，得到混合物料；
将所述混合物料灌注到所述三维中空复合材料的中空芯部中，进行发泡，在所述三维中空复合材料的中空芯部形成多孔环氧树脂泡沫，得到所述多孔环氧复合板。
本发明通过真空导流的方法，将第一固化剂与第一环氧树脂的混合料导流进入三维中空织物，进行固化，所述三维中空织物的上下面层表面及三维中空织物芯部纤维束表面被环氧树脂包裹，得到三维中空复合材料。
在本发明对所述第一固化剂与第一环氧树脂的混合料的制备方法没有特别的要求，采用本领域熟知的制备方法即可。本发明对所述第一环氧树脂和第一固化剂的种类和配比没有特别的要求，采用本领域熟知的种类和配比即可。在本发明的具体实施例中，所述第一环氧树脂和第一固化剂种类及其配比为商家提供，所述第一环氧树脂的型号为IN2，第一固化剂的型号为AT30，所述第一环氧树脂与第一固化剂的质量配比为10：3。
所述导流之前，本发明优选将三维中空织物平铺在光滑的平板上，并用真空袋进行密封，在真空袋的进出口连接导流管，进口插入盛有第一固化剂与第一环氧树脂混合料的容器中，出口连接真空泵。在本发明中，所述真空导流的真空度优选为0.1～0.2MPa，进一步优选为0.13～0.18MPa。本发明优选采用真空泵控制真空度。在本发明中，所述第一固化剂与第一环氧树脂的混合料的总质量与三维中空织物的质量比优选为(3～4)：3，进一步优选为3:3或4:3。
所述导流结束后，本发明优选将所述真空袋拆除，然后将所得三维中空织物放入干燥箱中进行固化，所述三维中空织物的上下面层及三维中空织物芯部纤维束被环氧树脂包裹，得到三维中空复合材料。在本发明中，所述固化的温度优选为100℃，时间优选为3h。
本发明将混有发泡剂的第二环氧树脂、第二固化剂和短切纤维混合，得到混合物料。
在本发明中，所述将混有发泡剂的第二环氧树脂、第二固化剂和短切纤维混合优选包括以下步骤：
将混有发泡剂的第二环氧树脂加入捏合机中，在转速500rpm下搅拌5min后，加入短切纤维，然后增加搅拌转速至1000rpm，继续搅拌5～15min，进一步优选5～10min；最后加入第二固化剂保持转速1000rpm，继续搅拌5～15min，进一步优选10～15min。
本发明对第二环氧树脂中发泡剂的量不做特殊要求，根据商家提供，所述混有发泡剂的第二环氧树脂型号为K880a，所述第二固化剂为对应于混有发泡剂的第二环氧树脂型号的K880b。
在本发明中，所述混有发泡剂的第二环氧树脂的总质量与第二固化剂的质量比优选为4.4:1。在本发明中，所述短切纤维的添加量优选为所述混有发泡剂的第二环氧树脂和第二固化剂总质量的0.05～30wt％，进一步优选为2～25wt％，更优选为5～15wt％。
得到所述混合物料后，本发明优选将所述混合物料盛出备用。
得到所述混合物料和所述三维中空复合材料后，本发明将所述混合物料灌注到所述三维中空复合材料的中空芯部中，进行发泡，在所述三维中空复合材料的中空芯部形成多孔环氧树脂泡沫，得到所述多孔环氧复合板。
在本发明中，所述灌注优选包括将所述三维中空复合材料放入模具中进行预热，然后打开模具，将所述混合物料灌注至所述模具中，并迅速闭合所述模具的上模。本发明对所述混合物料的灌注量没有特别的要求，根据发泡密度进行调整即可。
在本发明中，所述预热优选在平板硫化机或干燥箱中进行，所述预热优选预热至80℃。
闭合所述模具的上模后，本发明优选将所述模具升温，进行发泡。
在本发明中，所述升温优选升温至所述发泡剂的发泡温度，然后进行保温。在本发明中，所述发泡优选在平板硫化机或干燥箱中进行；所述发泡的温度优选为100～160℃，进一步优选为110～140℃，更优选为120～135℃；所述发泡的保温时间优选为30～45min，进一步优选为35～40min。
完成所述发泡后，本发明优选将所述模具自然降至室温，得到所述多孔环氧复合板。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的多孔环氧复合板及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例所用三维中空织物的尺寸为150*120*20mm，购自苏州华基新材料科技有限公司，型号为E20-900，高度为20mm，克重2000g/m2。第一环氧树脂的型号为IN2；第一固化剂的型号为AT30，购自复材易购。混有发泡剂的第二环氧树脂的型号为K880a；第二固化剂的型号为K880b，购自惠州市致诚新材料科技有限公司；短切纤维的尺寸为0.2cm，购自苏州华基新材料科技有限公司。
将第一环氧树脂与第一固化剂在室温下混合搅拌10min，得到第一固化剂与第一环氧树脂的混合料；
如图1所示，将三维中空织物平铺在光滑的平板上，并用真空袋进行密封，在真空袋的进出口连接导流管，进口插入盛有第一固化剂与第一环氧树脂的混合料的容器中，出口连接真空泵，真空度为0.1MPa，进行导流；所述第一固化剂与第一环氧树脂的混合料的总质量与三维中空织物的质量比为4:3；所述导流结束后，将所述真空袋拆除，然后将所得三维中空织物放入干燥箱中进行固化，所述固化的温度为100℃，时间为3h，所述三维中空织物的上下面层表面及三维中空织物芯部的纤维束表面被环氧树脂包裹，得到三维中空复合材料；图2为所述三维中空复合材料的实物图。
将所述混有发泡剂的第二环氧树脂加入至捏合机中，室温500rpm搅拌5min，然后将短切纤维加入搅拌的捏合机中，待短切纤维全部投加结束，逐渐增加搅拌速度至1000rpm，继续搅拌5min，最后加入第二固化剂，所述混有发泡剂的第二环氧树脂的总质量与第二固化剂的质量比为4.4:1，保持搅拌速度1000rpm继续搅拌10min，得到均匀的混合物料，盛出备用；所述短切纤维的添加量为所述混有发泡剂的第二环氧树脂和第二固化剂总量的0.75wt％。
将三维中空复合材料放入模具中，随平板硫化机预热至80℃；然后打开模具，将所述混合物料加入至所述模具中，并迅速闭合模具的上模，升温至150℃，达到第二环氧树脂中发泡剂的发泡温度，保温30min，然后停止加热，在所述三维中空复合材料的中空芯部形成多孔环氧树脂泡沫，等待模具自然降温至室温，得到所述多孔环氧复合板。图3为本发明实施例1制备得到的多孔环氧复合板实物图。
对比例1
多孔环氧树脂泡沫制备：将所述混有发泡剂的第二环氧树脂加入至捏合机中，室温500rpm搅拌5min，然后将短切纤维缓慢加入搅拌的捏合机中，待短切纤维全部投加结束，逐渐增加搅拌速度至1000rpm，继续搅拌5min，最后加入第二固化剂，所述混有发泡剂的第二环氧树脂的总质量与第二固化剂的质量比为4.4:1，保持搅拌速度1000rpm继续搅拌10min，得到混合物料，盛出备用；所述短切纤维的添加量为所述混有发泡剂的第二环氧树脂和第二固化剂总量的0.75wt％；
将平板硫化机升温预热至80℃；然后打开模具，将所述混合物料加入至所述模具中，并迅速闭合模具的上模，升温至150℃，达到第二环氧树脂中发泡剂的发泡温度，保温30min，然后停止加热，等待模具自然降温至室温，得到所述多孔环氧树脂泡沫。
性能测试
图4为本发明制备得到的多孔环氧复合板(实施例1)与多孔环氧树脂泡沫(对比例1)抗弯曲性能对比图，图4中“多孔环氧泡沫”指“多孔环氧树脂泡沫”。测试方法执行标准为GB/T1456-2021，《夹层结构弯曲性能试验方法》。经过测试，如表1所示，多孔环氧复合板的弯曲载荷为376N，多孔环氧泡沫的弯曲载荷为278N。
图5为本发明制备得到的多孔环氧复合板(实施例1)与多孔环氧树脂泡沫(对比例1)抗冲击性能对比图。测试方法执行的标准为ASTM D7136《Standard Test Method forMeasuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer MatrixComposite to a Drop-Weight Impact Event》。经过测试，如表1所示，多孔环氧复合板的冲击接触力为6204N，多孔环氧树脂泡沫的冲击接触力为4115N。
由图4～5可知，本发明制备得到的由三维中空织物增强的多孔环氧复合板的抗弯曲和抗冲击性能相比于没有三维中空织物增强的多孔环氧树脂泡沫具有显著的增加。
表1本发明多孔环氧复合板与多孔环氧树脂泡沫的弯曲及冲击性能对比表
| 样品 | 弯曲载荷/N | 冲击接触力/N |
| 多孔环氧复合板 | 376 | 6204 |
| 多孔环氧树脂泡沫 | 278 | 4115 |
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种多孔环氧复合板，其特征在于，包括三维中空织物、多孔环氧树脂泡沫和环氧树脂；所述三维中空织物的上下面层为含玻璃纤维的编织体；所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织形成中空结构；所述环氧树脂包裹在所述三维中空织物的上下面层表面和三维中空织物芯部的纤维束表面，与三维中空织物形成三维中空复合材料；所述多孔环氧树脂泡沫填充在所述三维中空复合材料的中空芯部；所述多孔环氧树脂泡沫中含有短切纤维。
2.根据权利要求1所述的多孔环氧复合板，其特征在于，所述多孔环氧复合板的密度为0.2～3g/cm3。
3.根据权利要求1所述的多孔环氧复合板，其特征在于，所述三维中空织物的高度为1～5cm；所述三维中空织物的芯部由玻璃纤维束编织呈“8”字型结构。
4.根据权利要求1所述的多孔环氧复合板，其特征在于，所述含玻璃纤维的编织体包括玻璃纤维编织体、玻璃纤维与碳纤维编织体或玻璃纤维与芳纶纤维编织体。
5.根据权利要求1或3所述的多孔环氧复合板，其特征在于，所述短切纤维包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和石英纤维中的一种或几种；所述短切纤维的长度为0.1～1cm。
6.权利要求1～5任意一项所述多孔环氧复合板的制备方法，包括以下步骤：
通过真空导流的方法，将第一固化剂与第一环氧树脂的混合料导流进入三维中空织物，进行固化，所述三维中空织物的上下面层表面及三维中空织物芯部纤维束表面被环氧树脂包裹，得到三维中空复合材料；
将混有发泡剂的第二环氧树脂、第二固化剂和短切纤维混合，得到混合物料；
将所述混合物料灌注到所述三维中空复合材料的中空芯部中，进行发泡，在所述三维中空复合材料的中空芯部形成多孔环氧树脂泡沫，得到所述多孔环氧复合板。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述真空导流的真空度为0.1～0.2MPa。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述第一固化剂与第一环氧树脂的混合料的总质量与三维中空织物的质量比为(3～4)：3。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述固化的温度为100℃，时间为3h。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述发泡的温度为100～160℃，保温时间为30～45min。
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