1.本发明涉及一种短玻璃纤维增强环氧泡沫及其制备方法，属于复合材料技术领域。
背景技术：
2.高性能泡沫芯材在航空航天等领域获得了广泛应用，主要用于产品的减重。目前获得应用的芯材品种主要由聚氨酯泡沫和聚甲基丙烯酰亚胺（pmi）泡沫。聚氨酯泡沫是比较早期用于航空航天领域的轻质芯材，具有良好的室温力学性能和低成本特点，但该类泡沫的耐温性较差，温度高于70℃后留力学性大幅度下降，温度高于130℃后基本丧失承载能力，在长期使用温度高于70℃的场合限制了其应用。pmi泡沫是目前广泛用于航空航天领域的的高性能泡沫芯材，其具有力学性能好，耐温性好，通过适当的后处理玻璃化转变温度可高达250℃，但pmi泡沫采用的是固体发泡的方式，使用过程中需先将其制备成板材，然后采用机械加工或者热成型的方式得到所需的形状，无法直接发泡成所需的形状，机械加工成本高，加上pmi泡沫原材料也很昂贵，高昂的原材料成本和使用成本限制了其应用领域的扩大，以及在低成本领域的推广。因此，兼具良好力学性能、高耐热性能、具有良好发泡工艺性能和低成本特点的泡沫芯材，将具有良好的应用前景。
技术实现要素：
3.本发明克服了现有技术的不足，提供了一种发泡工艺性和成本与聚氨酯泡沫相当，耐热性能和高温力学性与pmi泡沫相当的环氧泡沫及其制备方法，该环氧泡沫克服了聚氨酯泡沫耐温性不够的缺点，以及pmi泡沫的高成本、无法直接发泡成型的不足，具有广阔的应用前景。
4.本发明的技术解决方案如下：由环氧树脂、固化剂、异氰酸酯、有机锡化合物、水、气相二氧化硅、和短切玻璃纤维组成。其中所述的环氧树脂的质量份数份数为100，固化剂的质量份数为0.5～10，异氰酸酯质量份数为250-350，有机锡化合物的用量为异氰酸酯的0.1%～1%，水的质量份数为0.5～3，气相二氧化硅的量为环氧树脂的0-~10%，短切玻璃纤维为异氰酸酯质量的0～20%。
5.所述的环氧树脂在室温下为粘度不大于20000mpa.s的液体，以确保其在发泡过程中易于与其它组分混合均匀，发泡料中环氧树脂的用量为100份。
6.所述的固化剂要求含有活泼氢，可与环氧树脂和异氰酸酯在室温下发生反应，固化剂的结构可谓脂肪胺类或咪唑类，发泡料中固化剂的质量份数为0.5～10份，咪唑类的优选范围为1～2份，脂肪胺类固化剂的优选范围为3～8份，固化剂用量越大，气泡时间越短，泡沫表干时间也越短。
7.所述的异氰酸酯为多亚甲基多异氰酸酯（papi）、二苯基甲烷二异氰酸酯（mdi），发泡料中异氰酸酯的质量份数为250～350，优选范围为优选范围为280～320，papi的用量越大，泡沫的密度越大，耐热性也越好。
8.所述的有机锡化合物为双正丁基氧化锡、双正丁基氧化锡、二月桂酸二丁基锡的一种或者几种的混合物，用量为异氰酸酯用量的0.1～1%，优选范围为异氰酸酯用量的0.3～0.8%。有机锡化合物添加量越大，泡沫在低于180℃固化后的耐热性越好，但高于180℃固化后的性能影响不大。
9.所述的水可为自来水或者蒸馏水，水的添加量根据泡沫的密度决定，发泡料中水的质量份数为0.5～3份，水的添加量越大，泡沫的密度越小。
10.所述的气相二氧化硅无特殊的要求，主要为提高环氧泡沫的力学性能而添加，发泡料中气相二氧化硅的添加量为环氧树脂质量的0～10%，优选范围为3～5%。添加量与泡沫基体的密度有关，泡沫的基体的密度越大，可添加的气相二氧化硅的量也越大。
11.所述的短切玻璃纤维长度要求2-5mm，对其玻璃纤维的种类无特殊要求，可为e玻璃纤维、s玻璃纤维、石英玻璃纤维等，添加量为异氰酸酯的0～20%，优选添加量为5-10%。添加量与泡沫基体的密度有关，泡沫的基体的密度越大，可添加短切玻璃纤维的量也越大。
12.所述的短玻璃纤维增强环氧泡沫制备方法，通过以下步骤实现：第一步：称取一定量的环氧树脂、按比例加入有机锡化合物、水和固化剂，先用搅拌机搅拌均匀，再用三辊研究研磨两遍，然后真空脱泡得到混合物a；第二步：向混合物a中加入气相二氧化硅，用搅拌机搅拌至无干粉后用三辊研磨机研磨三遍，研磨过程中需控制研磨辊间距0.5～1mm，避免气相二氧化硅破损，真空脱泡口得到混合物b；第三步：称取一定量的异氰酸酯，向异氰酸酯中按比例加入短切玻璃纤维，用高速剪切分散机将玻璃纤维分散均匀，真空脱泡得到混合物c；第四步：根据泡沫基体的密度要求，称取一定量的混合物b和混合物c；第五步：将混合物b和混合物c用搅拌机搅拌均匀，搅拌机转速不小于1500r/min，搅拌施加10-15s，必须在起泡前停止搅拌。并将其导入模具中，自然状态发泡得到未固化的环氧泡沫a；第六步：待室温下环氧泡沫表面变硬后，从40度开始，以每10℃为一温度梯度、每个温度下保温1h，直到180℃保温1h结束，在烘箱中使环氧泡沫充分固化，得到固化后的环氧泡沫产品。
13.所述短玻璃纤维增强环氧泡沫如果需要在发泡的同时具备产品形状，则需将发泡料倒入闭合的发泡模中。如果环氧泡沫的长期使用温度大于150℃，则还需要将泡沫在215℃保温2h的后固化处理以获得最佳性能。
14.本发明与现有技术相比的有益效果：（1）本发明的短玻璃纤维增强环氧泡沫具有明显高于聚氨酯泡沫的耐热性，玻璃化转变温度高达250℃，长期使用温度超过180℃，克服了聚氨酯泡沫130℃以上坍塌和收缩的缺点；（2）本发明的短玻璃纤维增强环氧泡沫具有优异的高温力学性能，130℃以上压缩强度超过1mpa，可用于耐高温的泡沫夹层复合材料领域，客服了聚氨酯泡沫高温力学性能较差的缺点；（3）本发明的短玻璃纤维增强环氧泡沫具有液体发泡填充特性，可依靠模具直接在发泡的过程中成型出产品所需的泡沫形状，克服了pmi泡沫只能采用机械加工或者热成
型出产品所需形状，导致制造成本高的缺点；（4）本发明的短玻璃纤维增强环氧泡沫原材料易得、价格低、生产周期短、适于大规模生产，克服了pmi泡沫原材料稀缺、价格高、生产工序复杂、生产周期长、泡沫尺寸和生产规模受限制的缺点；（5）本发明的短玻璃纤维增强环氧泡沫具有生产工艺灵活，即可采用块状泡沫机械加工成型、也可直接采用模具成型，同时，泡沫的固化工艺科根据使用环境选用合适的固化参数。
具体实施方式
15.以下结合具体实例对本发明进行详细说明。
16.实施例170kg/m3泡沫配方：环氧树脂e-51
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100份重三乙烯四胺固化剂
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3份重异氰酸酯papi
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280份重二月桂酸二丁基锡
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papi用量的0.3%水
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3份重气相二氧化硅
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环氧树脂用量的3%3mm短切玻璃纤维
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papi用量的5%制备工艺：第一步：称取环氧树脂、按比例加入有机锡化合物、水和固化剂，先用搅拌机搅拌均匀，再用三辊研究研磨两遍，然后真空脱泡得到混合物a；第二步：向混合物a中加入气相二氧化硅，用搅拌机搅拌至无干粉后用三辊研磨机研磨三遍，研磨过程中需控制研磨辊间距0.5～1mm，避免气相二氧化硅破损，真空脱泡口得到混合物b；第三步：称取异氰酸酯，向异氰酸酯中按比例加入短切玻璃纤维，用高速剪切分散机将玻璃纤维分散均匀，真空脱泡得到混合物c；第四步：按环氧树脂与papi比例为1:2.8称取混合物b和混合物c；第五步：将混合物b和混合物c用搅拌机搅拌均匀，搅拌机转速不小于1500r/min，搅拌施加10-15s，必须在起泡前停止搅拌。并将其导入模具中，自然状态发泡得到未固化的环氧泡沫a；第六步：待室温下环氧泡沫表面变硬后，从40度开始，以每10℃为一温度梯度、每个温度下保温1h，直到180℃保温1h结束，然后将泡沫在215℃保温2h固化，得到环氧泡沫。
17.短玻璃纤维增强环氧泡沫的密度、玻璃化转变温度和力学性能如表2所示。
18.实施例2110kg/m3泡沫配方：环氧树脂e-51
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100份重三乙烯四胺固化剂
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3份重异氰酸酯papi
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280份重
二月桂酸二丁基锡
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papi用量的0.3%水
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1.5份重气相二氧化硅
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环氧树脂用量的3%3mm短切玻璃纤维
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papi用量的5%制备工艺和环氧泡沫固化制度与实施例1相同，环氧泡沫的密度、玻璃化转变温度和力学性能如表2所示。
19.实施例3200kg/m3泡沫配方：环氧树脂e-51
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100份重三乙烯四胺固化剂
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3份重异氰酸酯papi
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300份重二月桂酸二丁基锡
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papi用量的0.3%水
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1.5份重气相二氧化硅
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环氧树脂用量的3%3mm短切玻璃纤维
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papi用量的5%制备工艺和环氧泡沫固化制度与实施例1相同，环氧泡沫的密度、玻璃化转变温度和力学性能如表2所示。
20.实施例4110kg/m3泡沫配方：环氧树脂e-51
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100份重三乙烯四胺固化剂
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3份重异氰酸酯papi
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280份重二月桂酸二丁基锡
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papi用量的0.3%水
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1.5份重气相二氧化硅
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环氧树脂用量的5%3mm短切玻璃纤维
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papi用量的10%制备工艺和环氧泡沫固化制度与实施例1相同，环氧泡沫的密度、玻璃化转变温度和力学性能如表2所示。
21.其他配方和性能见表1。
22.比较例1200kg/m3泡沫配方：环氧树脂e-51
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100份重三乙烯四胺固化剂
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3份重异氰酸酯papi
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200份重二月桂酸二丁基锡
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papi用量的0.3%水
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0.5份重气相二氧化硅
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环氧树脂用量的3%3mm短切玻璃纤维
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papi用量的5%制备工艺和环氧泡沫固化制度与实施例1相同，环氧泡沫的密度、玻璃化转变温度和力学性能如表2所示。
23.比较例2200kg/m3泡沫配方：环氧树脂e-51
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100份重三乙烯四胺固化剂
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3份重异氰酸酯papi
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400份重二月桂酸二丁基锡
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papi用量的0.3%水
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0.5份重
气相二氧化硅
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环氧树脂用量的3%3mm短切玻璃纤维
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papi用量的5%制备工艺和环氧泡沫固化制度与实施例1相同，环氧泡沫的密度、玻璃化转变温度和力学性能如表2所示。
24.表2 环氧泡沫固化物性能从表2可以看出：环氧泡沫比例超出本发明比例的比较例1和比较例2，比较例1由于papi比较少，泡沫耐温性、130℃压缩强度和180℃压缩强度等性能比较差。比较例2由于papi添加量大，泡沫的玻璃化转变温度、130℃压缩强度和180℃压缩强度等性能比较好，但发泡不充分，泡沫密度过大，无法满足航空航天领域的减重需求。
25.本发明未详细说明的部分为本领域技术人员公知的技术。