专利名称：轻质强化泡沫板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及材料领域，尤其是一种作为结构材料的轻质强化泡沫板及其制备方法。
背景技术：
轻质夹芯结构因其卓越的比刚度和比强度特性而在航空航天、现代交通(高速火车车体、动车或地铁车体、房车车厢、大客车及面包车车体)、船舶(游艇制造)、能源生产(风机叶片等)等众多工业领域得到广泛应用，其中，最常用的芯材为蜂窝芯和结构泡沫芯。蜂窝芯的平压(垂直于板面方向)性能优异、剪切强度高、材料成本相对低廉，但与面板粘接面积小而易产生分层破坏，隔热隔音性能低下，难以制成曲面外形，加工成本高。结构泡沫芯则正好相反。结构泡沫芯的最大优点是与制作夹芯结构面板的纤维材料(如玻璃纤维或碳纤维)层叠一起后可通过RTM (Resin transfer moulding，树脂传递模塑)或RIM (Resin infusion moulding，树脂吸塑)一次性注胶共固化，使得无论多大的制品都能实现一次成型，大大降低了夹芯结构的加工成本并能确保制品的外形精度，泡沫芯与面板之间的比表面积远高于蜂窝芯与面板之间的比表面积，使得泡沫夹芯结构具有更高的抗分层和抗剥离强度。此外，通过热压、切割成小块拼贴甚至发泡成曲面形状，也很容易实现泡沫芯夹层结构与制品的任意曲面外形一致。泡沫芯的另一个长处是隔热、保温与隔声性能优异，尤其适合用于载人飞行器、地面交通车辆、高铁、动车、地铁或轻轨车体的制造。但是，结构泡沫芯的平压与剪切刚度和强度明显低于相同密度的蜂窝芯，承受弯曲、冲击等横向载荷作用的能力不足，并且材料成本高昂。几乎所有的高分子材料都可以经发泡制成轻质泡沫板，但不同高分子材料的发泡工艺不同，所得到的泡沫板的力学性能也不一样。有些高分子材料的发泡工艺复杂，成本高昂，由此制成的泡沫板的力学性能则相对较高，称为结构泡沫板，夹芯结构中的泡沫芯板主要取自这类材料；另一类高分子材料的发泡工艺简单，制成的普通泡沫板成本低廉，主要用于包装、隔热、浮力等领域，其力学性能一般远低于前一类结构泡沫板的力学性能。例如，相同密度的结构泡沫板如PVC (聚氯乙烯)、PEI (聚醚酰亚胺)、PMI (聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫板的单价(每kg售价)高出硬质PU (聚氨酯)等普通泡沫板单价的一个数量级以上，这是因为在较低密度范围内，前者的平压与剪切模量和强度高出后者的一个数量级。如密度为 60kg/m3的PMI结构泡沫板的压缩模量和压缩强度分别是74MPa和1. 47MPa,而相同密度的硬质PU泡沫板的压缩模量与压缩强度则分别是2. SMI^a和0. 19MPa，前者高出后者一个数量级以上，虽然后者在隔热、保温、隔声方面的表现要优于前者。很显然，如果能通过强化手段，在基本不增加或很少增加材料成本的前提下，大幅提高如PU等普通泡沫板的模量与强度尤其是平压和剪切力学性能，使其能作为结构泡沫板使用，并能超过目前结构泡沫板的力学性能，无疑将具有十分重要的意义和应用价值。对泡沫板力学性能进行强化的方法有两类一类称为后置法，另一类称为前置法。后置法是在发泡完成后置入增强体。目前最成功的后置方法是所谓Z-pin法，是将直径细小(约0. 5mm左右)的金属针或浸胶碳纤维针沿平压方向置入泡沫板内(由于χ、y 坐标通常位于板平面内，ζ坐标沿板的厚度方向，故将沿厚度方向布置的Pin针称为Z-pin 针)。人们发现，当成对置入的Pin针与泡沫板外法线成20° 30°之间的夹角时对泡沫板的平压性能和剪切性能可起到协同增强作用，增强效果最佳，这就是业内十分熟悉的X-cor板 (成对置入X状的金属或碳纤维针的泡沫芯板)，其变异K-cor板是将伸出板面的针头压弯与板面齐平。X-cor与K-cor皆已注册成商标。另一种在实际中得到成功应用的后置法是缝纫法，就是将上下面板纤维布与泡沫芯板用芳纶等纤维缝合成一体，再通过RTM或RIM浸胶固化成型，众多穿过芯板的缝线浸胶(虽然存在浸胶不完全的可能)固化后起到Z向增强作用。还有另外其它的后置法尝试如纤维柱法(见中国发明专利申请号200710071679. 3)。 虽然X-cor和缝纫法已成功实现工业应用，但由于后置入的增强体与泡沫基体之间的界面性能差，而且置入的针或线的直径过于细小，为阻止其整体失稳，需要支撑材料(即泡沫板) 具有足够的刚度和韧性，一般仍然需要采用结构泡沫板制作X-cor或缝纫夹层板。此外，这些后置增强结构体的方法不仅工艺复杂、成本高，而且若置入的针/线过密或Pin针直径稍大还有可能破坏泡沫板的整体性。前置法是在发泡前引入增强体，比如将增强体添加到发泡剂中再发泡，包括添加短切纤维、金属或陶瓷颗粒、空心微球、碳纳米管、纳米蒙脱土等。人们发现，当这些添加物的添加量较低时对泡沫板力学性能的提高幅度有限，但若加大添加量则会带来另一方面的困难，就是较高的添加量会阻碍发泡膨胀，并且使得泡沫孔(开孔或闭孔)的形貌难以控制。 此外，这些添加物皆为非结构件(即，不能作为结构承力件使用)，其本身尺度的局限难以对泡沫板产生如同X-cor或缝纫法的增强效果。当只希望沿某个方向比如沿平压(板面的外法线)方向提高性能时，均勻混入这些非结构增强体并非很有效，尽管也有人尝试在发泡过程中施加磁场，使得添加的铁磁颗粒在一定程度上定向排布来实现力学性能的定向增强， 但增强效果依然有限。很显然，要提高前置法的增强效果就必须引入结构增强体。在发泡前置入结构增强体的长处有两个
1、增强体的结构形式和结构尺寸可以在很大范围内不受约束，这便于实现对泡沫板更有效的强化，而后置法则一般只能置入直径细小的针、线结构；
2、发泡后的泡沫基体与结构增强体之间的界面结合远比后置法引入的增强体与基体之间的界面结合要牢固，从而，可以降低对泡沫材料本身力学性能的要求。这两个长处将使普通泡沫材料用作为结构泡沫材料成为可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种轻质强化泡沫板，其在平压性能和剪切性能上都有较大幅度的提高。本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述轻质强化泡沫板的制备方法。本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是一种轻质强化泡沫板，以发泡材料为基体材料，并由遍布基体材料内的增强体增强，所述的增强体为结构型增强体，在泡沫板成型前预先置于发泡模具中，在发泡材料发泡后由发泡材料包埋，其中，所述的结构型增强体具有可供发泡材料进入内部的中空结构，并且增强体承载能力最大的轴向与泡沫板的平压方向一致或与平压方向有一个不超过45°的夹角。按设计要求预先准备结构型增强体，具有中空的结构特点以及“离散”型特征，以便发泡材料能够顺利进入增强体内部，“离散”的含义是指这些结构型增强体之间不会构成发泡材料流动的死角，也就是说发泡材料可以在这些增强体彼此之间流动穿行并通过发泡将它们全部包埋。应当指出的是，本发明提到的中空结构并不简单指由外壳包裹的内部空心结构， 而是指只要在结构内部的任意位置形成有设计空心(并非材料缺陷所形成的空泡)，且无论该空心是闭口、一处开口或多处开口，换言之，只要从结构中的一点到结构中的任意其它点的连线上出现有非结构材料点(空心点)，或者用数学语言描述，只要从结构的任意一个截面截开后出现有两个或以上的单联通区域，或者一个或以上的多联通区域，就都属于本发明所述的中空结构范畴。例如薄壁的管状结构，其内部为空心，而管两端可以为封闭也可以为开口，由内部空心形成两端闭口、或一端开口、或两端开口的管状中空结构。需指出的是，为使外部的发泡材料进入空心结构的内部，必要时还可以在管薄壁上还需开设有孔或槽等。又例如棱柱结构，多数个横截面相同或不同的柱体骨架竖直排列，构成棱柱状中空结构；或多数个横截面相同或不同的柱体骨架在竖直排列后，再由截面相同或不同的横向柱体连接成一个整体，构成棱柱状中空结构。再例如网状结构，由刚性的丝、线织成渔网状片材，或由薄板冲压后形成网眼板材，再由这种片材或板材构成网状的中空结构。另外，应在不出现失稳情况下，将这些增强体承压能力最强的轴向布置在泡沫板性能最需要强化的方向。一般来说，泡沫板的平压性能最重要，因此将增强体的轴向沿平压方向布置。在上述方案的基础上，所述的结构型增强体的直径或者增强体外切圆的直径为 5 500mm，在泡沫板中的布置密度为1 10000根/1000000mm2。具体的，增强体的直径或者增强体外切圆的直径可以为5、10、20、30、40、50、60、 70、80、90、100、120、150、180、200、220、250、280、300、320、350、380、400、420、450、480 或 500mmo具体的，增强体在泡沫板中的布置密度可以为1、4、5、8、10、15、20、50、100、150、 200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1500、1800、2000、2200、2500、2800、3000、 3200、3500、3800、4000、4200、4500、4800、5000、5500、6000、7000、8000、9000 或 10000 根 /1000000mm2。进一步，所述的结构型增强体的直径或外切圆的直径优选范围为10 200mm，在泡沫板中的布置密度优选范围为6 3000根/1000000mm2。在上述方案的基础上，所述的结构型增强体为管状结构、棱柱状结构、骨架状结构、格栅结构、桁架结构、网状结构中的一种或他们的组合。除了以上这几种结构之外，结构型增强体还可以是多面体结构、板式结构、蜂窝状结构、鸟巢状结构等其它结构形式，但以管状结构为更佳。在上述方案的基础上，所述管状结构的横截面为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形中的一种。其中，以截面为圆形的管状结构为最佳。截面可以是闭口也可以是开口截面。在上述方案的基础上，所述棱柱状结构为单一棱柱或多个单一棱柱的组合体，其中，单一棱柱状结构是为三棱柱、四棱柱、五棱柱、六棱柱中的一种。截面可以是闭口也可以是开口截面。在上述方案的基础上，所述格栅状结构为格栅搭成的“井”字形、三角形、“田”字形中的一种。在上述方案的基础上，所述的多数个结构型增强体在基体材料中呈三角形、四边形、五边形或六边形排布。具体的，以圆形截面的管状结构型增强体为例，多数个这样的增强体在泡沫板中的排布可以是方形的，即，在每个单位边长的方形区域内布置一个圆管，或者等价地，在每个单位边长的方形区域的四角处各布置一根圆管；也可以是按等边三角形排布，即，在每个单位边长的等边三角形的三个角点处各布置一根圆管。还可以按特定要求的非等边三角形或其他几何形状排布。在上述方案的基础上，所述的结构型增强体为由金属材料、陶瓷材料、普通高分子材料、纤维增强高分子基复合材料、竹材、木材中的一种或其组合制成。金属材料如铝合金、镁合金、钛合金、不锈钢、铜镍合金等。纤维增强高分子基复合材料中，用以增强的纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、石墨纤维、碳化硅(SiC)纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、棉麻纤维或芦苇纤维等。在上述方案的基础上，所述的发泡材料的组分包括原材料和发泡剂，其他组分还可以包括催化剂、稳定剂、增塑剂、表面活性剂等。其中，所述的原材料为可以实现发泡的高分子材料、陶瓷材料、金属材料中的一种或多种组合，所述的原材料为颗粒状、粉末状或液体状。优选为流动性更佳的液体状。可以实现发泡的高分子材料如PVC、PEI、PMI、PP (聚丙烯)、PE (聚乙烯)、PU、PS (聚苯乙烯)、ABS (丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)、酚醛树脂、环氧树脂等，可以进行发泡的陶瓷材料如氧化铝、高岭土、氮化硅、硼化物等，甚至可以是制成泡沫的金属材料如纯铝、 不锈钢泡沫材料等。针对高分子材料的发泡剂可以是热固性的，也可以是热塑性的。例如，采用发泡注射机将双组份的PU发泡液体在注射枪前端混合均勻后，注入闭合的模具内。通过发泡，将模具内的增强结构完全包埋。发泡可以采用开模发泡，也可以是闭模发泡，闭模发泡前需要将移开的端板与模具固定。一种上述轻质强化泡沫板的制备方法，采用以下一步法发泡制备，或采用两步法发泡制备
一步法发泡将结构型增强体按设计要求布置在发泡模具中，再将发泡材料注入(灌入或打入)发泡模具内，发泡材料发泡后同时将结构型增强体内外的空隙填充，制成强化泡沫板；
两步法发泡先将发泡材料注入结构型增强体内，发泡后将结构型增强体的内部空隙填充，再将填充后的结构型增强体按设计要求布置在发泡模具内，向发泡模具内第二次注入(灌入或打入)发泡材料，发泡材料发泡后将结构型增强体之间的空隙填充，制成强化泡沫板。具体的，准备一个具有足够刚度、至少有一个端盖板可移动的发泡模具，最好是带加热和温控装置的模具，模具内布置有中空结构型增强体或者中空结构增强体内预先填充有泡沫，发泡工艺可采用但不限于挤出发泡、注塑发泡、模塑发泡、压延发泡、粉末发泡、喷涂发泡等形式。当发泡完成后，取出内嵌有增强结构的泡沫板或泡沫块，再对泡沫块沿厚度方向进行切割，即得到强化泡沫板。本发明的有益效果是
通过合理的结构型增强体的设计，采用中空的结构型增强体，配合材料的选择，可以得到Z向性能大幅提高、等效密度增加不大的强化泡沫板。
图1为由四个三角形截面的棱柱状结构构成的结构型增强体。图2为由三个四边形截面的棱柱状结构构成的结构型增强体。图3为由三个六边形截面的棱柱状结构构成的结构型增强体。图4为实施例1中圆形截面的管状结构型增强体在泡沫板中呈方形排布的示意图。图5为实施例1中嵌入铝合金管增强体的PU泡沫板的照片。图6为实施例2中圆形截面的管状结构型增强体在泡沫板中呈三角形排布的示意图。图7为实施例4中的“井”字形格栅结构型增强体。图8为实施例5中用于构建“井”字形格栅的网状增强体的照片。图9为实施例7中由板材折成具有相同长度直角边的三角柱。图10为实施例7中由板材切割成的空心盖板或底板。
具体实施例方式实施例1
在1. 9m'0. 7m'0. 03m的模具(面积1330000 mm2)内，按每IOOOOmm2布置一根圆形截面的管状结构型增强体(见示意图4)，增强体壁厚1mm，直径50mm，长度30mm，与模具的深度相同，一共平行布置有133根增强体，增强体的轴向与模具的深度方向一致，即与泡沫板的平压方向一致，将增强体在模具内固定。增强体分别采用5种不同材料制造
(A)不锈钢管，密度7.8g/cm3,弹性模量210GPa,压缩强度IOOOMPa, 133根管段重 4. 7907kg ；
(B)铝合金管，密度2.7g/cm3,弹性模量71GPa，压缩强度350MPa，133根管段重 1. 6585kg ；
(C)镁合金管，密度1.74g/cm3,弹性模量45GPa，压缩强度270MPa, 133根管段重 1. 0693kg ；
(D)碳纤维增强环氧树脂管，密度1.65g/cm3，弹性模量(沿管轴方向)135GPa，压缩强度(沿管轴方向)900MPa, 133根管段重1. 0135kg ；
(E)玻璃纤维增强环氧树脂管，密度2. 05g/cm3，弹性模量(沿管轴方向)42GPa，压缩强度(沿管轴方向)700MPa, 133根管段重1. 2595kg。采用闭模发泡，将模具上盖板压在各圆形截面增强体的上端，并与模具固定。向模具内注射密度为20kg/m3的PU发泡材料(含有发泡剂)，由于与模腔壁和圆管面的挤压，所发出的泡沫密度约30kg/m3，泡沫重1. 18kgo假定单位面积(100mm' 100mm)上的承载完全由所埋的圆形截面增强体担当，即，完全忽略泡沫对强化泡沫板Z向的强度与刚度贡献，计算出 5种不同增强体的强化泡沫板的等效性能参数如下
(A)密度149. 6kg/m3，Z 向模量 3. 23GPa，Z 向压缩强度 15. 4MPa ；
(B)密度71. lkg/m3，Z 向模量 1. 09GPa, Z 向压缩强度 5. 39MPa ；
(C)密度56. 3kg/m3，Z 向模量 0. 69GPa，Z 向压缩强度 4. 16MPa ；
(D)密度54. 9kg/m3，Z 向模量 2. 08GPa, Z 向压缩强度 13. 9MPa ；
(E)密度61. lkg/m3，Z 向模量 0. 65GPa，Z 向压缩强度 10. 8MPa。不难看出，上述(C)、(D)、(E)三种强化泡沫板的Z向弹性模量和压缩强度都分别超过相近密度(密度为60kg/m3)的PVC结构泡沫板模量和强度(分别为35MPa和0. 25MPa) 的近20倍或20倍以上，而(B)强化泡沫板的密度虽略有提高，但比模量(模量与密度之比) 和比强度(强度与密度之比)也几乎是PVC结构泡沫板对应性能的20倍。采用铝合金管为增强材料制成的强化PU泡沫板如图5所示(由于切割的钝边效果导致管端“厚度”超过了管壁实际厚度)，实际强化PU泡沫板的模量与强度应高于上述简化计算值。各种方案得到的这种泡沫板可用于风机叶片、房车、高铁等地面交通车辆车体的制造。实施例2
5种圆形截面的管状结构型增强体的材料分别与实施例1中的相同，但按等边三角形排布，在每个边长为IOOmm的等边三角形的顶点处各布置一只圆管，在2. 3πΓ 0. 8πΓ 0. 03m的模具内共布置180根增强体，每根圆管长30mm，增强体的轴向与模具的深度方向一致，即与泡沫板的平压方向一致(如图6所示)。增强体的内、外均由硬质PU泡沫填充，泡沫的平均密度为30kg/m3。假定单胞(即边长为IOOmm的等边三角形)上的承载完全由所埋的圆形截面增强体担当并忽略泡沫板的边缘影响，计算出此种情况下5种不同增强体材料得到的强化泡沫板的等效性能参数如下
(A)密度168. lkg/m3，Z 向模量 3. 73GPa，Z 向压缩强度 17. 8MPa ；
(B)密度77. 5kg/m3，Z 向模量 1. 26GPa, Z 向压缩强度 6. 22MPa ；
(C)密度60.4kg/m3，Z向模量0. 8GPa，Z向压缩强度4. 8MPa ；
(D)密度58.9kg/m3，Z向模量2. 4GPa，Z向压缩强度16MPa ；
(E)密度65. 9kg/m3，Z 向模量 0. 75GPa，Z 向压缩强度 12. 4MPa。实施例3
增强体的材料、结构尺寸以及在发泡模具内的排布方式与实施例1或实施例2相同，但采用酚醛树脂作为发泡剂原材料。虽然酚醛泡沫在保温、隔热性能方面略低于PU泡沫板的性能，但酚醛泡沫的一个重要优势是防火性能好，在阻燃方面它具有特殊的优良性能。其重量轻，刚性大，尺寸稳定性好，耐化学腐蚀，耐热性好，难燃，自熄，低烟雾，耐火焰穿透，遇火无洒落物，价格低廉的优势，使得酚醛泡沫在轨道交通、地面交通、载人飞行器等领域具有特殊应用价值。然而，酚醛泡沫的最大弱点是脆性大，韧性不足，很难通过X-Pin针或缝纫法等后置方法来改善其力学性能的不足。但是，通过一步法发泡，即将结构型增强体均勻分布在发泡模具内，然后将发泡材料注入发泡模具内进行发泡，将增强体内外的空隙填充，制成的强化酚醛泡沫板就能表现出有效强化后的力学性能。通过向模具内注入酚醛树脂发泡材料(包括发泡剂)，假定圆形截面增强体内外的等效酚醛泡沫分别为60kg/m3。同样忽略增强体内外泡沫对平压性能的贡献，那么，添加5 种不同材料的增强圆管后的强化酚醛泡沫性能参数如下
(A)不锈钢圆管增强、方形排布，等效密度179.lkg/m3，Z向模量3. 23GPa, Z向压缩强度 15. 4MPa ；
(B)铝合金圆管增强、方形排布，等效密度100.6kg/m3, Z向模量1. 09GPa, Z向压缩强度 5. 39MPa ；
(C)镁合金圆管增强、方形排布，等效密度85.9kg/m3，Z向模量0. 69GPa, Z向压缩强度 4. 16MPa ；
(D)碳纤维复合材料圆管增强、方形排布，等效密度84.5kg/m3, Z向模量2. 08GPa, Z向压缩强度13. 9MPa ；
(E)玻璃纤维复合材料圆管增强、方形排布，等效密度90.6kg/m3, Z向模量0. 65GPa, Z 向压缩强度10. 8MPa ；
(F)不锈钢圆管增强、等边三角形排布，等效密度197.6kg/m3, Z向模量3. 73GPa, Z向压缩强度17. 8MPa ；
(G)铝合金圆管增强、等边三角形排布，等效密度106.9kg/m3，Z向模量1. 26GPa, Z向压缩强度6. 22MPa ；
(H)镁合金圆管增强、等边三角形排布，等效密度89.9kg/m3，Z向模量0. 8GPa, Z向压缩强度4. 8MPa ；
(I)碳纤维复合材料圆管增强、等边三角形排布，等效密度88.3kg/m3，Z向模量2. 4GPa, Z向压缩强度16MPa ；
(J)玻璃纤维复合材料圆管增强、等边三角形排布，等效密度95. 4kg/m3，Z向模量 0. 75GPa, Z 向压缩强度 12. 4MPa。这些性能与未强化的密度为60kg/m3的纯酚醛硬质泡沫板相比，Z向模量与压缩强度都分别提高100倍以上。实施例4
发泡模具与实施例1的相同，但结构型增强体采用格栅状结构，在单位面积 (IOOmm' 100mm)内由这种板条构成的格栅结构横截面尺寸如图7所示，为0. 5mm厚、30mm宽的板条组成的“井”字形格栅，板条的宽度方向与模具的深度方向，即与泡沫板的厚度方向 (平压方形)一致。板条的下底边沿长度方向每间隔25mm有5mm宽(沿板条长度方向)、10mm 深(沿板条宽度方向)的开口，便于发泡材料穿过这些开口进入每一个井字格栅。盖上模具的上端板并将其与模框锁定后，格栅状结构型增强体的相对位置便被固定在模具内。这种情况下，可不必采用其它固定格栅的方案。增强体材料同实施例1 包括 (A)不锈钢、(B)铝合金、(C)镁合金、(D)碳纤维增强环氧树脂和(E)玻璃纤维增强环氧树脂，其中，碳纤维和玻璃纤维分别沿板条宽度(即模具的深度)方向排列。假定泡沫的密度为 30kg/m3，还假定单位面积(100mm'100mm)上的承载完全由所埋的“井”字形格栅结构型增强体担当，所计算出的由5种不同增强体材料得到的强化泡沫板的等效性能参数如下
(A)密度149.6kg/m3，Z向模量4. 2GPa, Z向压缩强度20MPa ；
(B)密度83.4kg/m3，Z向模量1. 42GPa, Z向压缩强度7MPa ；
(C)密度64.2kg/m3, Z向模量0. 9GPa，Z向压缩强度5. 4MPa ；
(D)密度62.4kg/m3，Z向模量2. 7GPa, Z向压缩强度18MPa ；
(E)密度61.lkg/m3，Z向模量0. 84GPa，Z向压缩强度14MPa。实施例5
本实施例与实施例4的方案相同，但构建格栅的板为类似“钢板网”的网板，参见图8。 这种网板与实心板相比不仅具有更为优异的比强度(强度与质量之比)和比刚度(刚度与质量之比)特性，而且众多贯穿的网眼更便于发泡材料在发泡过程中的流动。实施例6
在1. 3m' Im' Im的钢制模具内，在每个边长为50mm的等边三角形的三个顶点布置三根圆形截面的管状结构型增强体，增强体的壁厚0. 5mm,外径25mm，长度1000mm，一共平行布置有604根增强体，增强体高度与模具的深度相同，即其轴向与模具的深度方向一致，也与泡沫板的厚度方向(平压方向)一致，将增强体在模具内固定。在圆管状结构型增强体的侧壁上沿直径线对打若干直径为8mm的穿孔，形成网眼。增强体采用5种不同材料，包括(A)不锈钢、(B)铝合金、(C)镁合金、(D)碳纤维增强塑料和(E)玻璃纤维增强塑料，其中碳纤维和玻璃纤维分别沿圆管的轴向排列并且基体采用热变形温度超过200°C的耐高温乙烯基树脂。通过挤塑机将混有起泡剂的PVC熔融体挤入模腔内，其中模腔内的温度达到 180°C，在此温度下完成PVC发泡，冷却后得到内嵌有圆管状增强体的PVC泡沫方柱。应用切割机将方柱切割成25mm厚的板材，其中，切割机的刀口与柱内布置的圆管轴向垂直。由此，得到Z向强度和刚度大幅提高的PVC结构泡沫板，若PVC的密度为30mm，所得到的增强 PVC结构泡沫板的Z向性能与实施例2中的对应泡沫板的力学性能相似。这些泡沫板可用于风机叶片、游艇等的制造。实施例7
在1. 3m' Im' 30mm的钢制模具内，按每IOOOOmm2布置一根四棱柱，每个四棱柱分别由四根厚度为Imm的板材折成相同长度直角边的三角柱后构造而成，每个直角边长为3mm(如图 9所示)，再用边长50mm、厚度Imm的板材挖去中间部分(挖去的面积为44mnT 44mm)，制成天窗状盖板和底板(如图10所示)。然后，将四根三角柱分别与窗盖板和窗底板在四个角点处通过粘接或焊接，制成图2中所示的单个四棱柱结构。也可以根据上述方法制成图1中所示的三棱柱及图3中所示的六棱柱。分别采用5种不同材料制成四棱柱结构型增强体
(A)不锈钢，密度7.8g/cm3，弹性模量210GPa，压缩强度lOOOMPa，130根四棱柱(假定略去三角柱与窗盖板和窗底板之间粘接或焊接导致的重量增减)重2. 174kg ；
(B)铝合金，密度2.7g/cm3，弹性模量71GPa，压缩强度350MPa，130根四棱柱(假定略去三角柱与窗盖板和窗底板之间粘接或焊接导致的重量增减)重0. 7525kg ；(C)镁合金，密度1.74g/cm3，弹性模量45GPa，压缩强度270MPa，130根四棱柱(假定略去三角柱与窗盖板和窗底板之间粘接或焊接导致的重量增减)重0. 485kg ；
(D)碳纤维增强环氧复合材料，密度1.65g/cm3，弹性模量(沿棱柱方向)135GPa，压缩强度(沿棱柱方向)900MPa，130根四棱柱(假定略去三角柱与窗盖板和窗底板之间粘接导致的重量增加)重0. 4599kg ；
(E)玻璃纤维增强环氧复合材料，密度2.05g/cm3，弹性模量(沿棱柱方向)42GPa，压缩强度(沿棱柱方向)700MPa，130根四棱柱(假定略去三角柱与窗盖板和窗底板之间粘接导致的重量增加)重0. 5714kg。假定聚氨酯或酚醛泡沫的密度为60kg/m3，还假定单位面积(100mm' 100mm)上的承载完全由所埋的四棱柱担当，所计算出的由5种不同材料四棱柱增强得到的强化聚氨酯泡沫板或强化酚醛泡沫板的等效性能参数如下
(A)不锈钢四棱柱增强的强化泡沫板等效密度115.3kg/m3，Z向模量0. 552GPa, Z向压缩强度2. 4MPa ；
(B)铝合金四棱柱增强的强化泡沫板等效密度78.9kg/m3，Z向模量0. 17GPa, Z向压缩强度 0. 84MPa ；
(C)镁合金四棱柱增强的强化泡沫板等效密度72kg/m3，Z向模量0. IlGPa, Z向压缩强度 0. 65MPa ；
(D)碳纤维复合材料四棱柱增强的强化泡沫板等效密度71.4 kg/m3，Z向模量0. 32GPa, Z向压缩强度2. 16MPa ；
(E)玻璃纤维复合材料四棱柱增强的强化泡沫板等效密度74.2 kg/m3, Z向模量 0. IGPa, Z 向压缩强度 1. 68MPa。实施例8
海岛式大型浮板可由玻璃钢面板夹泡沫芯制成，其中泡沫芯不仅要求密度低，而且要求沿面压方向具有足够高的强度和刚度，并且，泡沫芯的成本要低。在細‘2πΓ 1. 5m的模具内，沿每个边长为500mm的四边形单胞内布置一根圆形截面的管状结构型增强体，增强体的壁厚2mm，外径250mm，长度1500mm，一共平行布置有32根增强体，增强体高度与模具的深度相同，即其轴向与模具的深度方向一致，也与泡沫板的厚度方向(平压方向)一致，将增强体在模具内固定。增强体采用2种不同材料，包括(A) 45#优质碳素钢，密度7. 85g/cm3,弹性模量 2IOGPa,压缩强度IOOOMPa ； (B)铝合金，密度2. 7g/cm3,弹性模量71GPa，压缩强度350MPa。将密度为30kg/m3的PU注入模具内发泡，使得增强圆管内外皆由硬质PU泡沫包埋，不计增强体，发泡后的平均密度约为38kg/m3。由此，得到等效性能参数如下
(A) 45#钢管增强的泡沫墩等效密度86. 7kg/m3，单胞的等效压缩模量1. 31MPa,等效压缩强度6. 2MPa。(B)铝合金管增强的泡沫墩等效密度54. 6kg/m3,单胞的等效压缩模量0. 44GPa,等效压缩强度2. 2MPa。将若干个这样的强化泡沫墩夹在玻璃纤维布中间，上下表面及周边皆由纤维布包覆，再采用乙烯基树脂通过RIM方法使纤维浸胶，固化后制成的玻璃钢夹芯板，具有密度小、强度高、刚度大、耐腐蚀、成本低的优势，可用于海洋开发包括建造海上机场。
权利要求
1.一种轻质强化泡沫板，以发泡材料为基体材料，并由遍布基体材料内的增强体增强， 其特征在于所述的增强体为结构型增强体，在泡沫板成型前预先置于发泡模具中，在发泡材料发泡后由发泡材料包埋，其中，所述的结构型增强体具有可供发泡材料进入内部的中空结构，并且增强体承载能力最大的轴向与泡沫板的平压方向一致或与平压方向有一个不超过45°的夹角。
2.根据权利要求1所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述的结构型增强体的直径或外切圆的直径为5 500mm，在泡沫板中的密度为1 10000根/1000000mm2。
3.根据权利要求1所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述的中空结构型增强体为管状结构、棱柱状结构、骨架状结构、格栅结构、桁架结构、网状结构中的一种或它们的组I=I O
4.根据权利要求3所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述管状结构的横截面为圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形中的一种。
5.根据权利要求3所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述棱柱状结构为单一棱柱或多个单一棱柱的组合体，其中，单一棱柱为三棱柱、四棱柱、五棱柱、六棱柱中的一种。
6.根据权利要求3所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述格栅状结构为格栅搭成的“井”字形、三角形、“田”字形中的一种。
7.根据权利要求1至6之一所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述的多数个结构型增强体在基体材料中呈三角形、四边形、五边形或六边形排布。
8.根据权利要求1至6之一所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述的结构型增强体为由金属材料、陶瓷材料、普通高分子材料、纤维增强高分子基复合材料、竹材、木材中的一种或其组合制成。
9.根据权利要求1所述的轻质强化泡沫板，其特征在于所述的发泡材料的组分包括原材料和发泡剂，其中，所述的原材料为可以实现发泡的高分子材料、陶瓷材料、金属材料中的一种或多种组合，所述的原材料为颗粒状、粉末状或液体状。
10.一种针对权利要求1至9之一的轻质强化泡沫板的制备方法，其特征在于采用以下两种方法中的一种发泡制备一步法发泡将结构型增强体按设计要求布置在发泡模具内，将发泡材料注入发泡模具内，发泡材料发泡后同时将结构型增强体内外的空隙填充，制成强化泡沫板；两步法发泡先将发泡材料注入结构型增强体内，发泡后将结构型增强体的内部空隙填充，再将填充后的结构型增强体按设计要求布置在发泡模具内，向发泡模具内注入发泡材料，发泡材料发泡后将结构型增强体之间的空隙填充，制成强化泡沫板。
全文摘要
本发明涉及轻质强化泡沫板及其制备方法，以发泡材料为基体材料，并由遍布基体材料内的增强体增强，其特征在于所述的增强体为结构型增强体，在泡沫板成型前预先置于发泡模具中，在发泡材料发泡后由发泡材料包埋，其中，所述的结构型增强体具有可供发泡材料进入内部的中空结构，并且增强体承载能力最大的轴向与泡沫板的平压方向一致或与平压方向有一个不超过45°的夹角。制备方法包括一步法发泡和两步发泡法。优点是通过合理的结构型增强体的设计，采用中空的结构型增强体，配合材料的选择，可以得到Z向性能大幅提高、等效密度增加不大的强化泡沫板。
文档编号B32B3/12GK102407615SQ201110214900
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者王瑾, 黄争鸣 申请人:上海旗丰特种玻璃钢制品有限公司, 同济大学