一种热塑模塑格栅、制备方法、应用及其中间体材料与流程

本发明涉及格栅技术领域，尤其涉及一种热塑模塑格栅、制备方法、应用及其中间体材料。

背景技术：

格栅是一种土工合成材料，常用作路基、路面、涵洞、土坡等结构的筋材，起到延长路基的使用寿命、防止路面塌陷或产生裂纹、保持地面美观整齐、防止水土流失等作用。模塑格栅，目前特指玻璃钢(简称frp)格栅，又名玻璃钢格板，是一种用玻璃纤维作增强材料，不饱和聚酯树脂为基体，通过特殊的玻璃纤维交错编织和树脂浇注整体模压制备而成的带有许多规则分布的矩形、方形空格的板状材料，具有双向同性的力学特征。可广泛应用于石油、化工电子、电力、纸业、印染、电镀、海洋勘探、污水处理等行业的工作平台、设备平台、钻井平台、走道、地沟盖板等，是腐蚀环境中的理想产品，同时也适用于民用建筑设施上。

模塑格栅起源与上世纪六十年代的美国，我国自上世纪九十年初开始引进模塑格栅产品及相关技术。几十年来，虽国内在格栅形貌、材料配方、成型工艺及设备等方面也努力进行过多项改进尝试，但均未取得较有突破性的技术成果。

例如，在传统仅由横、纵肋壁组成的模塑格栅形状结构的基础上，专利cn205777074u公布了一种添加横纵加强肋的改型玻璃钢模塑格栅；专利cn205975255u公布了一种上表面设置有凸起肋、下表面设置有排水凹槽的汽车服务店用的玻璃钢模塑格栅；专利cn107629476a公布了一种高性能彩色抗静电玻璃纤维增强模塑。可以看出，关于格栅产品本身的专利申请只是在外形、颜色和功能上进行了简单改进。

在生产设备上，专利cn205009616u公布了一种玻璃钢模塑格栅生产设备，改善了传统液压缸活塞杆易出现扭断问题，其他设备结构无明显改变；专利cn105773992a公布了一种玻璃钢模塑格栅自动压实装置，通过机械活动压板和振动代替人工压实排泡过程，意图解决因人为因素影响而造成的玻璃钢模塑格栅质量合格率低，同时降低工人的劳动强度，提高工作效率的问题；专利cn106956444a提出一种纤维格栅模塑成型一体机，通过在传统模塑格栅模具上方设置自动排纱装置、两侧面添加树脂灌注装置、后侧添加排气装置，实现了纤维格栅编织、注塑、压紧排气、加热、冷却、脱模全工艺流程的一体化生产；专利cn201721044u设计了一种异形角度的模塑格栅一次成型设备，解决传统模塑格栅角度斜面排纱困难、浇注树脂溢流和异形角度模塑格栅脱模这三大难题。

虽有上述相关专利申请，但目前国内的实际生产情况是：模具、生产工艺、材料体系等仍就保持着几十年前从国外引进时的状态——手动对纤维进行逐层缠绕铺覆、对液态树脂进行逐层瓢浇、人工挤压排气泡，如此重复多次后升温模具，再使热固性树脂缓慢发生固化，最后冷却脱模修整。整个生产过程存在以下几个亟待解决的重大问题：

(1)生产环境恶劣、气味重，对工人健康伤害大、对环境不友好；

(2)格栅制备周期长达一小时或更长，效率低、人工劳动强度大；

(3)自动化水平差、人工成本高；

(4)过度依赖工人技术水平，产品质量不稳定；

(5)人工铺放纤维导致纤维含量很难高于30％，格栅性能有限；

(6)树脂易流动，导致可成型格栅形状单一；

(7)玻璃钢材料不可回收或不易于回收，固废产生较多，难以处理；

(8)树脂粘度大，易粘附环境物品，难清理，生产环境脏乱。

因此，提供一种材料易于回收、生产环境友好、生产效率高、可自动化生产、产品质量稳定、纤维含量高、形状复杂多样、可设计性强的新型热塑模塑格栅及创新制备方法是亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明的一个目的是提供一种热塑模塑格栅，该热塑模塑格栅通过设置相互垂直的纵向肋和横向肋，调整格栅肋的原料组成，得到纤维含量高、热膨胀匹配好、耐候、耐腐蚀、耐温、耐磨损、可设计性强的热塑模塑格栅。

本发明第二个目的是提供一种热塑模塑格栅的制备方法中的中间体材料，通过制备的中间体材料再进一步制备热塑模塑格栅，实现热塑模塑格栅的快速成型，提高生产效率；同时能通过调节中间体材料的原材料组分和比例含量、形状或结构，实现模塑格栅种纤维含量、种类、分布方式、树脂配方等便于调节的目的。

本发明第三个目的是提供一种热塑模塑格栅的制备方法，通过制备特定的中间体材料及调整相应的工艺步骤，实现具有生产环境友好、材料可回收、绿色环保、成型效率高、可自动化生产、产品质量稳定、人工成本低等特点的热塑模塑格栅的生产制备的目的。

本发明第四个目的是提供一种热塑模塑格栅的制备方法在生产型材中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种热塑模塑格栅，由纵向肋、横向肋组成，所述纵向肋和横向肋相互垂直交接形成若干格栅孔，所述格栅肋包含10-80％体积百分比的增强纤维和20-90％体积百分比的热塑性树脂。

优选的，所述热塑模塑格栅中增强纤维体积百分比为20-60％，热塑性树脂体积百分比为40-80％。

优选的，所述纤维可以呈相间分布、整体均匀分布或其他任意可成型的分布形式。

优选的，所述纤维为单向连续纤维增强形式或织物增强形式，优选单向连续纤维增强形式。

优选的，所述纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、高密度聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维等无机或有机纤维中的任意一种或多种混杂纤维或增强纤维和树脂纤维的混合纤维。

优选的，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙、abs、聚乳酸、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮等热塑性树脂中的一种或几种混合。

优选的，所述热塑模塑格栅中还包含色母、阻燃剂、相容剂、抗氧剂、抗uv、无机粉体、脱模剂、消泡剂等填料或助剂中的一种或几种。

优选的，所述热塑模塑格栅还包含横向加强肋、纵向加强肋或者覆盖纵向肋条及横向肋条的面板。

优选的，所述热塑模塑格栅的横纵肋不设置拔模斜度或者设置有一定的拔模斜度，拔模斜度为1～15度。

优选的，所述热塑模塑格栅的长度l为1000～5000mm，宽度w为500～2000mm，高度h为10～80mm，厚度t为2～15mm。

优选的，所述热塑模塑格栅的格栅孔为正方形、矩形、三角形或其他几何形状，开孔率20％～80％，面密度3～150kg/m²。

优选的，所述热塑模塑格栅的格栅孔形状为矩形时，格栅孔长度a和宽度b为10～120mm。

本发明还提供一种热塑模塑格栅制备方法中的中间体材料，所述中间体材料为与上述热塑模塑格栅组分和比例含量相同或近似的一维线型复合材料。

发明人首次提出将纤维、树脂颗粒和各种添加剂等提前复合到一起，制备具有一定厚度和宽度尺寸结构的复合材料线材，在制备热塑模塑格栅时，直接将复合线材铺放到模具中，通过中间体材料进一步加工制备热塑模塑格栅，实现热塑模塑格栅的快速成型，提高生产效率；同时能通过调节中间体材料的原材料组分和比例含量、形状或结构，实现模塑格栅种纤维含量、种类、分布方式、树脂配方等便于调节的目的；具有方便操作、成型时间短、纤维浸渍充分、纤维分布方便设计等优点。

优选的，所述中间体材料的宽度尺寸与格栅模具凹槽宽度相近，优选小于等于模具凹槽宽度；其长度尺寸小于卷轴中纤维纱线的长度；亦可根据实际生产工艺需要，将中间体材料切断成与格栅模具凹槽长度相当的长度尺寸，并优选小于等于模具凹槽长度。

优选的，所述中间体材料中的纤维为被热塑性树脂完全浸渍(孔隙率小于5％)或非完全浸渍状态(孔隙率大于5％)。

优选的，所述中间体材料的横截面形状为圆棒形、矩形、正方形、梯形、椭圆形或其他形状。

优选的，所述中间体材料的截面形状在全长度尺寸上为等截面或有变截面特征的线材或型材。

优选的，所述中间体材料为全复合材料或带有包覆层的包覆型复合材料，所述包覆层的包覆形式为四周包覆、上下包覆、左右包覆或具有包覆结构特征的其他结构形式。

优选的，所述包覆型复合材料内部被包覆的复合材料与中间体材料的整体截面为同一种截面形状或不同截面形状。

优选的，所述包覆型复合材料的包覆层为不带有增强纤维的热塑树脂或带有短纤维增强的热塑性树脂，其配方组分与被包覆的复合材料中树脂体系的配方组分相近、相同或不同。亦可根据实际需要，使用与复合材料中树脂体系不同的配方组分。

本发明还提供一种热塑模塑格栅的制备方法，该制备过程包含中间体材料制备，将中间体材料填入到格栅成型模具凹槽中，加热模具使中间体材料熔融，合模，加压，排气泡，冷却定型，脱模，修整，最后得成品。

优选的，所述将中间体材料填入到格栅成型模具凹槽中的铺放方法为按照一定的路径进行连续缠绕铺放、将定长裁切的中间体材料进行横纵方向彼此平行交叉铺放、上下交错穿插铺放或预先将中间体材料成型为与目标热塑模塑格栅具有相同网格间距的二维薄层格栅网后将格栅网整体逐层铺入热塑模塑格栅模具中。

优选的，所述模具加热温度为100～400℃，优选150～250℃。

优选的，所述加压压力为0.1～20mpa，优选3～8mpa。通过加压使多层的中间体材料牢牢的粘接在一起，同时加强纤维进一步浸渍。

优选的，所述冷却方式采用油冷、水冷、风冷、自然冷却等方式中的一种或多种组合。

优选的，所述冷却温度为20～150℃，优选60～130℃。

优选的，脱模后还可依据实际需要对成型格栅进行热处理。

本发明还公开了上述热塑模塑格栅的制备方法在生产热塑模塑格栅、加筋型热塑模塑格栅、窨井盖、其他井盖、微孔型、楼梯踏板、甲板、可拉挤工艺制备的型材(t、i、u、π等)中的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本申请通过先制备特定的中间体材料及调整相应的工艺步骤，制备得到的热塑模塑格栅具有生产环境友好、材料可回收、绿色环保、成型效率高、可自动化生产、产品质量稳定、人工成本低、纤维含量高、格栅性能高、纤维分布方式可设计性强、形状复杂多样、树脂可选范围广的优点。

(2)本申请提供热塑模塑格栅的制备方法不仅适用于的传统形状的格栅，还适用于热塑模塑格栅及其衍生品，包括加筋型热塑模塑格栅、窨井盖、其他井盖、微孔型、楼梯踏板、甲板、可拉挤工艺制备的型材(t、i、u、π等)，适用范围广泛。

附图说明

图1为纤维相间分布形式的热塑模塑格栅的结构示意图；

图2为纤维均匀分布形式的热塑模塑格栅的结构示意图；

图3为等网格间距热塑模塑格栅的结构示意图；

图4为本实施例一中不等网格间距热塑模塑格栅的结构示意图；

图5为本实施例另一种不等网格间距热塑模塑格栅的结构示意图；

图6为本实施例一种包含横、纵加强肋的加强型热塑模塑格栅的结构示意图；

图7为本实施例另一种包含横、纵加强肋的加强型热塑模塑格栅的结构示意图；

图8为带有面板的盖板型热塑模塑格栅的结构示意图；

图9为等截面尺寸特征的中间体材料示意图；

图10为变截面尺寸特征的中间体材料示意图；

图11为6种中间体材料的结构示意图；

图12为热塑模塑格栅的制备方法流程图；

图13为连续铺放法制备热塑模塑格栅的结构示意图；

图14为横、纵平行交叉铺放法制备热塑模塑格栅的结构示意图；

图15为横纵同处一平面型格栅网的结构示意图；

图16为横纵分处两平面平行交叉型格栅网的结构示意图；

图17为横纵分处两平面上下穿插型格栅网的结构示意图；

图18为利用格栅网整体铺放法制备热塑模塑格栅的结构示意图。

其中，10、复合材料；11、热塑树脂包覆层；101、纤维单丝；102、热塑树脂。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例1

一种热塑模塑格栅，由纵向肋、横向肋组成，所述纵向肋和横向肋相互垂直交接形成若干格栅孔，所述格栅肋成分包含：体积百分比为3:7的增强纤维和热塑性树脂。

作为一种优选的实施例，所述纤维可以呈相间分布(如图1所示)、整体均匀分布(如图2所示)或其他任意可成型的分布形式。

作为一种优选的实施例，所述热塑模塑格栅的形状可以是只包含横向肋和纵向肋且等网格间距的传统型热塑模塑格栅(如图3所示)、只包含横向肋和纵向肋的不等网格间距热塑模塑格栅(如图4、图5所示)、包含横向加强肋和(或)纵向加强肋的加强型热塑模塑格栅(如图6、图7所示)、带有面板的盖板型热塑模塑格栅(如图8所示)。

作为一种优选的实施例，所述纤维为单向连续纤维增强形式或织物增强形式，优选单向连续纤维增强形式。

作为一种优选的实施例，所述纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维、高密度聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维等无机或有机纤维中的任意一种或多种混杂纤维或增强纤维和树脂纤维的混合纤维。

作为一种优选的实施例，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龙、abs、聚乳酸、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、热塑性聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮等热塑性树脂中的一种或几种混合。

作为一种优选的实施例，所述热塑模塑格栅中还包含色母、阻燃剂、相容剂、抗氧剂、抗uv、无机粉体、脱模剂、消泡剂等填料或助剂中的一种或几种。

作为一种优选的实施例，所述热塑模塑格栅的横纵肋不设置拔模斜度或者设置有一定的拔模斜度，拔模斜度为1～15度。

作为一种优选的实施例，所述热塑模塑格栅的长度l为1000～5000mm，宽度w为500～2000mm，高度h为10～80mm，厚度t为2～15mm。

作为一种优选的实施例，所述热塑模塑格栅的格栅孔为正方形、矩形、三角形或其他几何形状，开孔率20％～80％，面密度3～150kg/m²。

作为一种优选的实施例，所述热塑模塑格栅的格栅孔形状为矩形时，格栅孔长度a和宽度b为10～120mm。

一种热塑模塑格栅的制备方法中的中间体材料，所述中间体材料为与上述热塑模塑格栅组分和比例含量相同或近似的一维线型复合材料。

作为一种优选的实施例，所述中间体材料的宽度尺寸与格栅模具凹槽宽度相近，优选小于等于模具凹槽宽度；其长度尺寸小于卷轴中纤维纱线的长度；亦可根据实际生产工艺需要，将中间体材料切断成与格栅模具凹槽长度相当的长度尺寸，并优选小于等于模具凹槽长度。

作为一种优选的实施例，所述中间体材料中的纤维为被热塑性树脂完全浸渍(孔隙率小于5％)或非完全浸渍状态(孔隙率大于5％)。

作为一种优选的实施例，所述中间体材料的横截面形状为圆棒形、矩形、正方形、梯形、椭圆形或其他形状。

作为一种优选的实施例，所述中间体材料的截面形状在全长度尺寸上为截面形状在全长度尺寸上可以是等截面的(如图9所示)，亦可是为方便成型而进行特殊设计过的具有变截面特征(如图10所示)的线材或型材。

作为一种优选的实施例，所述中间体材料为全复合材料10或带有热塑树脂包覆层11的包覆型复合材料，所述包覆层的包覆形式为四周包覆、上下包覆、左右包覆或具有包覆结构特征的其他结构形式(如图11所示)。

作为一种优选的实施例，所述包覆型复合材料内部被包覆的复合材料与中间体材料的整体截面为同一种截面形状或不同截面形状。

优选的，所述包覆型复合材料的包覆层为不带有增强纤维的热塑树脂或带有短纤维增强的热塑性树脂，其配方组分与被包覆的复合材料中树脂体系的配方组分相近、相同或不同。即可根据实际需要，使用与复合材料中树脂体系不同的配方组分。

如图12所示，本申请提供一种热塑模塑格栅的制备方法，该制备过程包含中间体材料制备，将中间体材料填入到格栅成型模具凹槽中，加热模具使中间体材料熔融，合模，加压，排气泡，冷却定型，脱模，修整，最后得成品。

作为一种优选的实施例，所述将中间体材料填入到格栅成型模具凹槽中的铺放方法可以是按照一定的路径进行连续缠绕铺放(如图13所示)；亦可是将定长裁切的中间体材料进行横、纵方向彼此平行交叉铺放(如图14所示)或上下交错穿插铺放；亦或是预先将中间体材料成型为与目标热塑模塑格栅具有相同网格间距的二维薄层格栅网，如横纵同处同一平面型格栅网(如图15所示)、横纵分处两平面平行交叉型格栅网(如图16所示)、横纵分处两平面上下穿插型格栅网(如图17所示)，然后将格栅网整体逐层铺入热塑模塑格栅模具中(如图18所示)。

作为一种优选的实施例，所述模具加热温度为100～400℃，优选150～250℃。

作为一种优选的实施例，所述加压压力为0.1～20mpa，优选3～8mpa。通过加压使多层的中间体材料牢牢的粘接在一起，同时加强纤维进一步浸渍。

作为一种优选的实施例，所述冷却方式采用油冷、水冷、风冷、自然冷却等方式中的一种或多种组合。

作为一种优选的实施例，所述冷却温度为20～150℃，优选60～130℃。

作为一种优选的实施例，脱模后还可依据实际需要对成型格栅进行热处理。

实施例2：

一种新型热塑性热塑模塑格栅，由纵向肋、横向肋组成，所述纵向肋和横向肋相互垂直交接形成若干格栅孔，所述格栅肋由如下体积百分比的原料组成：30％玻璃纤维(gf)、50％聚丙烯(pp)、15％阻燃剂、4.5％相容剂、0.5％抗氧剂，格栅高度h为38mm，格栅横纵网格间距a、b均为40mm，格栅网格厚度t为5mm，格栅长度l为2000mm，格栅宽度w为1000mm。

制备上述gf/pp热塑性热塑模塑格栅的中间体材料为圆形等截面的包覆型复合材料线材，外形直径5mm。中间被包覆的为直径3.5mm的圆形复合材料线材，其由55％玻璃纤维、25％热塑性聚丙烯、15％阻燃剂、4.5％相容剂、0.5％抗氧剂构成；单侧包覆层厚度0.75mm，由80％聚丙烯、15％阻燃剂、4.5％相容剂、0.5％抗氧剂构成。

一种gf/pp热塑性热塑模塑格栅的制备方法，首先将模具加热至190℃，然后按照一定的铺放路径，采用连续缠绕法将上述圆形中间体材料填入到热塑模塑格栅模具中，在横纵凹槽各自填充10层中间体圆形线材后，加压5mpa，并保持5min，然后快速冷却至100℃，脱模修整后，码垛备用。

由此步骤制备的gf/pp热塑性热塑模塑格栅的成型周期30min，且其纤维具有相间型分布形式特征。

实施例3：

一种新型热塑性热塑模塑格栅，由纵向肋、横向肋组成，所述纵向肋和横向肋相互垂直交接形成若干格栅孔，所述格栅肋由如下体积百分比的原料组成：40％玻璃纤维(gf)、40％聚乙烯(pe)、12％阻燃剂、4％相容剂、2％色母、2％抗uv，格栅高度h为38mm，格栅横纵网格间距a、b均为38mm，格栅网格厚度t为5mm，格栅长度l为3660mm，格栅宽度w为1220mm。

制备上述gf/pe热塑性热塑模塑格栅的中间体材料为等截面的矩形长条包覆型复合材料，宽度5mm，厚度2mm。中间被包覆复合材料的宽度为5mm，厚度为1.2mm，其由65％玻璃纤维、25％聚乙烯、4％阻燃剂、5％相容剂、2％色母、1％抗uv构成；单侧包覆层厚度0.4mm，其由67％聚乙烯、25％阻燃剂、3％相容剂、2％色母、3％抗uv构成。

一种gf/pe热塑性热塑模塑格栅的制备方法，首先将上述矩形包覆型制备中间体材料制备成长度3660mm、宽度1220mm、网格间距38mm的二维平面格栅网格，然后将二维平面格栅网格铺放到热塑模塑格栅模具中，共计铺放19层，然后合模并加热模具至180℃，待聚乙烯全部熔融后，加压3mpa，并保持3min，然后冷却至80℃，脱模修整，码垛备用，

由此步骤制备的gf/pe热塑性热塑模塑格栅的成型周期20min，且其纤维具有相间型分布形式特征。

实施例4：

一种新型热塑性热塑模塑格栅，由纵向肋、横向肋组成，所述纵向肋和横向肋相互垂直交接形成若干格栅孔，所述格栅肋由如下体积百分比的原料组成：50％碳纤维(cf)、33％尼龙6(pa6)、2％相容剂、3％抗uv、8％阻燃剂、0.5％抗氧剂、3％脱模剂、0.5％消泡剂，格栅高度h为25mm，格栅横纵网格间距a、b均为38mm，格栅网格厚度t为5mm，格栅长度l为2440mm，格栅宽度w为1220mm。

制备上述gf/pp热塑性热塑模塑格栅的中间体材料由50％碳纤维、33％尼龙66、2％相容剂、3％抗uv、8％阻燃剂、0.5％抗氧剂、3％脱模剂、0.5％消泡剂构成。其外形形状特征为非等截面的长条状全复合材料片材，宽度尺寸5mm，厚度尺寸2.5mm，并每隔38mm矩形截面逐渐过渡为8.3mm宽、1.5mm厚的另一截面形状。

一种cf/pa66热塑性热塑模塑格栅的制备方法，首先将上述制备中间体材料分别裁切成若干长度为2440mm和1220mm尺寸的条带，然后分别进行横纵平行交替铺放，共计铺放10个循环后，加热模具至260℃，加压3mpa，保压3min，然后将模具冷却至120℃，脱模并修整，并进行90℃退火处理5h。

由此步骤制备的cf/pa6热塑性热塑模塑格栅的成型周期25min，且其纤维具有整体均匀分布形式特征。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。