一种热自膨胀功能的泡沫体及其制备方法与流程

本发明涉及纤维复材成型领域，尤其涉及一种热自膨胀功能的泡沫体及其制备方法。

背景技术：

硬质泡沫材料具有密度小、吸能缓冲能力强、吸声性能好等优点，常被用于三明治夹芯结构的设计，使得夹芯结构材料具有不同于传统结构材料的优异性能，如轻重量、高刚性和高强度等。在航空航天、汽车制造、体育休闲等方面具有广阔的应用前景。现有技术中最典型的三明治夹芯结构复合材料通常由面板(碳纤维或玻璃纤维增强材料)、芯材(硬质泡沫)、胶合层组成，常用的制备方法是在硬质泡沫外涂覆胶合层，然后包裹碳布/玻布预浸料，进一步成型制品。

现有技术方案存在的问题：

1、为了使成型制品的碳纤维或玻璃纤维增强材料面层和硬质泡沫芯材之间相互配合，粘结牢固，不脱层，必须使用胶合层，增加工序和成本。

2、因为一些硬质泡沫的耐温性差，不能承受常用的碳纤维或玻璃纤维增强材料成型温度140-180℃，即高温收缩，导致成型过程中制品表观不良，报废率增加。

3、胶合层和硬质泡沫均无向外的膨胀压力，同样使得模压成型制品存在缺胶等表观缺陷，增加了后段修补工序。

4、专利cn107901449a“一种轻质高强的高能胶-硬质泡沫的复材结构的制备方法”公开了一种轻质高强的高能胶-硬质泡沫的复材结构，结构为：内层硬质泡沫，中间包裹高能胶，外层为纤维预浸布。虽然可以解决上述两个方面的问题，但存在高能胶本身粘性不够，与硬质泡沫初粘性差，尤其针对复杂制件时，高能胶与硬质泡沫的层间贴合操作难以保证完全无气泡，造成不好操作的问题。同时本发明在使用上更加方便，减少了裁剪和在硬质泡沫芯材外包裹高能胶的工序。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硬质泡沫复合材料的中间结构。

为实现上述目的，本发明提供一种热自膨胀功能的泡沫体，其特征在于，里层是硬质泡沫，外层是热自膨胀树脂，所述热自膨胀树脂的自由膨胀倍率为1-20倍，膨胀压力为0.1-20mpa。

进一步，所述硬质泡沫的密度30-300kg/m³。

进一步，所述硬质泡沫为pu、pvc、pet、pmi、pei、pp、eva、eps。

进一步，所述热自膨胀树脂的组成为，30-70重量份热固性树脂，0-20重量份增韧剂，1-20重量份发泡剂，0-20重量份稀释剂；0-30重量份阻燃剂依次加入搅拌桶中，搅拌均匀制备得到；所述热自膨胀树脂层的自由膨胀倍率为1-20倍，膨胀压力为0.1-20mpa。

进一步，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂；

任选的，增韧剂为橡胶类增韧剂或热塑性树脂；优选的，所述橡胶类增韧剂为液体聚硫橡胶或液体丁腈橡胶；所述热塑性树脂为聚醚砜、聚砜、聚酰亚胺或聚苯醚；

任选的，发泡剂为化学发泡剂或物理发泡剂，优选的，化学发泡剂为偶氮二异丁氰或偶氮二甲酰胺，物理发泡剂为可膨胀微球；

任选的，稀释剂为活性稀释剂或有机溶剂；优选的，活性稀释剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚或c12-14脂肪缩水甘油醚，有机溶剂为酯类、酮类；

任选的，阻燃剂为添加型阻燃剂或无机阻燃剂或反应型阻燃剂；优选的，添加型阻燃剂为溴系、磷氮系或氮系，无机阻燃剂为三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝或硅系；反应型阻燃剂为2,3-二溴丙醇、二溴苯酚或四溴邻二甲酸酐。

进一步，其制备方法如下：

裁切：根据制品的尺寸裁切硬质泡沫；

喷涂或灌注：所述喷涂为，在硬质泡沫外层，喷涂一层热自膨胀树脂即可；所述灌注为，将裁切好的硬质泡沫装入模具，然后在模具内灌注热自膨胀树脂；开模取出即可。

进一步，所述喷涂为将热自膨胀树脂均匀喷涂在硬质泡沫外层的手工喷涂或全自动喷涂，喷涂方式是传统的空气喷涂或者热喷涂；优选的，采用十字交叉喷涂的方法，喷1-3遍。

任选的，所述灌注的方式是常压或是将模具抽真空后导入热自膨胀树脂；灌注的速率为1-2kg/min。

进一步，所述喷涂或灌注步骤中，热自膨胀树脂层的厚度在0.05-0.5mm。

本发明还提供一种所述热自膨胀功能的泡沫体的制备方法，包括如下步骤，

裁切：根据制品的尺寸裁切硬质泡沫；

喷涂或灌注：所述喷涂为，在硬质泡沫外层，喷涂一层热自膨胀树脂即可；所述灌注为，将裁切好的硬质泡沫装入模具，然后在模具内灌注热自膨胀树脂；开模取出即可。

任选的，所述喷涂为将热自膨胀树脂均匀喷涂在硬质泡沫外层的手工喷涂或全自动喷涂，喷涂方式是传统的空气喷涂或者热喷涂；优选的，采用十字交叉喷涂的方法，喷1-3遍。

任选的，所述灌注的方式是常压或是将模具抽真空后导入热自膨胀树脂；灌注的速率为1-2kg/min。所述灌注是将硬质泡沫固定在模具内，然后将热自膨胀树脂灌入模具，填满硬质泡沫和模具之间的空腔。

进一步，所述喷涂或灌注步骤中，热自膨胀树脂层的厚度在0.05-0.5mm。

本发明的热自膨胀树脂在常温或50-100℃下，具有合适的流动性，粘度范围15-40s(涂4杯测试)，满足喷涂和灌注的工艺要求。

本发明的热自膨胀树脂层能通过受热膨胀，有效解决硬质泡沫高温情况下收缩造成的报废，以及模压成型过程中造成制品表观不良的问题；

本发明的热自膨胀树脂层同时起到硬质泡沫和面层粘结的作用，并且初粘性强，有效消除界面层间气泡，便于操作。

本发明的热自膨胀树脂与硬质泡沫一体成型，界面的气泡更少，结合力更强，有利于均匀的提升制品强度。同时一体成型的泡沫结构，具有适合于异性制品成型的效果。

本发明的热自膨胀树脂层可以添加有阻燃剂成分，添加后所制备得到的制品具有更好的阻燃效果。

本发明所述热自膨胀功能的泡沫体用于制备夹芯复合材料结构件，具有强度高、质量轻、层间粘结好、不易脱层分裂、耐冲击等优异性能，可以应用于复杂结构的夹芯结构复材件领域。

附图说明

图1是本发明所述热自膨胀功能的泡沫体结构的截面示意图。

图2是热自膨胀功能的泡沫体的应用所得的制品的结构示意截面图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

以下实施例的热自膨胀树脂的组成为，30-70重量份热固性树脂，0-20重量份增韧剂，1-20重量份发泡剂，0-20重量份稀释剂；0-30重量份阻燃剂依次加入搅拌桶中，搅拌均匀制备得到；所述热自膨胀树脂层的自由膨胀倍率1-20倍，膨胀压力0.1-20mpa。

任选的，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂；

任选的，增韧剂为橡胶类增韧剂或热塑性树脂；优选的，所述橡胶类增韧剂为液体聚硫橡胶或液体丁腈橡胶；所述热塑性树脂为聚醚砜、聚砜、聚酰亚胺或聚苯醚；

任选的，发泡剂为化学发泡剂或物理发泡剂，优选的，化学发泡剂为偶氮二异丁氰或偶氮二甲酰胺，物理发泡剂为可膨胀微球；

任选的，稀释剂为活性稀释剂或有机溶剂；优选的，活性稀释剂为1,4-丁二醇二缩水甘油醚或c12-14脂肪缩水甘油醚，有机溶剂为酯类、酮类；

任选的，阻燃剂为添加型阻燃剂或无机阻燃剂或反应型阻燃剂；优选的，添加型阻燃剂为溴系、磷氮系或氮系，无机阻燃剂为三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝或硅系；反应型阻燃剂为2,3-二溴丙醇、二溴苯酚或四溴邻二甲酸酐。

所述硬质泡沫采用pu、pvc、pet、pmi、pei、pp、eva、eps均可。

以下实施例结合附图1和附图2的示意图来说明。其中1是热自膨胀树脂，2是硬质泡沫，3是模具，4是纤维预浸布。

实施例1：热自膨胀功能的泡沫体的制备

裁切：根据制品的尺寸裁切硬质泡沫；

喷涂：在硬质泡沫外层，喷涂一层热自膨胀树脂即可。采用十字交叉喷涂一遍的方式，涂层厚度0.1mm。

所制备得到热自膨胀功能的泡沫体：

指触初粘性，手指按压热自膨胀树脂层表面15s，树脂层粘手，但没有转移到手指上；

将制备得到的泡沫体放入150℃烘箱中加热30分钟，发泡倍率(加热前后的体积比)为1：1.18。

将制备得到的泡沫体放入等体积的密闭模具内150℃下加热，产生的膨胀压力为0.11mpa。

实施例2：热自膨胀功能的泡沫体的制备

裁切：根据制品的尺寸裁切硬质泡沫；

喷涂：在硬质泡沫外层，喷涂一层热自膨胀树脂即可。采用十字交叉喷涂三遍的方式，涂层厚度0.3mm。

所制备得到热自膨胀功能的泡沫体：

指触初粘性，手指按压热自膨胀树脂层表面5s，树脂层粘手，但没有转移到手指上；

将制备得到的泡沫体放入150℃烘箱中加热30分钟，发泡倍率(加热前后的体积比)为1：1.46。

将制备得到的泡沫体放入等体积的密闭模具内150℃下加热，产生的膨胀压力为0.58mpa。

实施例3：热自膨胀功能的泡沫体的制备

裁切：根据制品的尺寸裁切硬质泡沫；

灌注：将裁切好的硬质泡沫装入模具，然后在模具内灌注热自膨胀树脂；开模取出即可。

按照硬质泡沫和模具之间空腔体积的1.1倍计算所需热自膨胀树脂用量(是指热自膨胀树脂的用量为硬质泡沫和模具之间空隙的体积的1.1倍以下均同此)。

灌注速率控制在1.5kg/min。

所制备得到热自膨胀功能的泡沫体：

指触初粘性，手指按压热自膨胀树脂层表面8s，树脂层粘手，但没有转移到手指上；

将制备得到的泡沫体放入150℃烘箱中加热30分钟，发泡倍率(加热前后的体积比)为1：1.1。

将制备得到的泡沫体放入等体积的密闭模具内150℃下加热，产生的膨胀压力为0.1mpa。

实施例4：热自膨胀功能的泡沫体的制备

裁切：根据制品的尺寸裁切硬质泡沫；

灌注：将裁切好的硬质泡沫装入模具，然后在模具内灌注热自膨胀树脂；开模取出即可。

按照硬质泡沫和模具之间空腔体积的1.1倍计算所需热自膨胀树脂用量；

灌注速率控制在2kg/min。

所制备得到热自膨胀功能的泡沫体：

指触初粘性，手指按压热自膨胀树脂层表面10s，树脂层粘手，但没有转移到手指上；

将制备得到的泡沫体放入150℃烘箱中加热30分钟，发泡倍率(加热前后的体积比)为1：1.35。

将制备得到的泡沫体放入等体积的密闭模具内150℃下加热，产生的膨胀压力为0.42mpa。

实施例5：热自膨胀功能的泡沫体的应用

使用方法如下：

1)裁切碳布或玻布预浸料。

2)根据结构设计，在实施例1-4任一所得的热自膨胀功能的泡沫体外包裹碳布/玻布预浸料。

3)放入模具成型：成型温度100-200℃。成型时间10-120min。

4)冷却，脱模，取出制品。制品的结构示意截面图见图2。

对比例的制备方法：

1)根据制品的尺寸裁切硬质泡沫。

2)在硬质泡沫外层涂覆胶合层。

3)根据结构设计，包裹碳布/玻布预浸料。

4)放入模具成型：成型温度100-200℃。成型时间10-120min。

5)冷却，脱模，取出制品。

实施例5和对比例的效果对比实验见表1。

表1实施例5和对比例的效果对比实验表

制品密度：按照制品质量除以制品体积计算。

弯曲强度：参照iso14125纤维增强塑料复合材料的弯曲性能测试。

抗冲击性能：重复将一定质量的球从不同高度落下，记录预浸布与泡沫脱层时的次数。

从表1可以看出，按照本发明方法的制品和对比例相比，密度更小，弯曲强度更好，抗冲击性能也更好。

所得的制品具有如下优良效果：

1)热自膨胀树脂层受热膨胀后的密度由50-1000kg/m³降低至10kg/m³，比纯硬质泡沫的密度30-300kg/m³更低，获得的制品质量更轻；

2)热自膨胀树脂具有膨胀力，弥补了使用纯硬质泡沫高温收缩造成的的制品外观不良等缺陷，制品表观无缺胶、针孔等缺陷；

3)纤维预浸布的层间结合更加紧密，制品力学强度(和纯硬质泡沫相比)提升10％以上；

4)综合成本下降(和纯硬质泡沫相比)30％以上；

5)操作流程缩短，节省工序，提高产品良率；

6)通过添加阻燃剂组分，热自膨胀树脂层的阻燃等级可以达到ul94-v0，拓宽了其应用领域；

7)提升了硬质泡沫和纤维预浸布的结合强度，不易脱层，制品耐冲击性能提升10％以上，并且可以满足高低温交变实验测试条件。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。