三明治结构复合材料及其制备和应用的制作方法

本发明涉及水产养殖技术领域，特别是涉及一种三明治结构复合材料及其制备和应用。

背景技术：

国内工厂化养殖水产系统中，采用的传统的养殖池主要分为混凝土水产养殖池、聚丙烯(pp)水产塑料养殖池和玻璃钢水产养殖池三种。通过比较分析，传统的水产养殖池均具有各自的缺点。混凝土养殖池：表面粗糙，特别是养殖池内表面，由于混凝土的密实性较差，内表面的微孔容易藏污纳垢、滋生病菌，保温效果一般，施工时限长，不可以拆卸。聚丙烯养殖池：耐候性较差，保温性能差，机械强度一般，因此聚丙烯养殖池一般只能做小于80m²的养殖池。养殖池的种种弊端制约着水产养殖的发展。

虽然玻璃钢养殖池较其他养殖池性能有所改善，但是传统的玻璃钢养殖池保温性能差，并且施工方便性差。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统玻璃钢养殖池存在保温性能差、施工方便性差等问题，提供一种三明治结构复合材料，其具备良好的适用于水产养殖池的性能，用该三明治结构复合材料拼接成的养殖池，可以实现可拆卸拼接、施工方便，可重复利用。

本发明的目的之一是提供一种三明治结构复合材料的制备方法，所述三明治结构复合材料包括依次层叠的第一层、中间层及第二层；所述第一层和第二层为玻璃钢层，所述中间层为泡沫芯材层，包括如下制备步骤：

将树脂与固化剂混合，制备基质树脂；

用所述基质树脂浸润玻璃纤维织物和/或玻璃纤维毡，得玻璃钢预成型层，将所述玻璃钢预成型层置于所述中间层的两侧，压合、固化即得玻璃钢层夹合泡沫芯材层结构的三明治结构复合材料。

在其中一些实施例中，所述树脂与固化剂的质量比为(3～4.5):1；所述玻璃钢层中树脂的重量含量为28～60％。

在其中一些实施例中，所述树脂为环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。

在其中一些实施例中，所述树脂为环氧树脂，此时每100份环氧树脂中还配合加入3～20份的极性热塑性弹性体。本发明实施例所述的极性热塑性弹性体例如eva(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)。

在其中一些实施例中，所述泡沫芯材的密度是40～400g/cm³，热导率为0.029～0.08w/m×k，极限剪切应力为0.371～2.00mpa，平压强度为1.88～4.5mpa。

在其中一些实施例中，所述泡沫芯材的密度是60～80g/cm³，热导率为0.029～0.04w/m×k。

在其中一些实施例中，所述泡沫芯材层设置玻璃钢层的两个表面上均开设有若干纵向凹槽和横向凹槽，相邻的所述纵向凹槽之间的间距、相邻的所述横向凹槽之间的间距均为5～35mm，所述凹槽的宽度为5～10mm，所述凹槽的深度为所述泡沫芯材层厚度的5～95％。

在其中一些实施例中，所述纵向凹槽和横向凹槽的交叉处还开设有垂直于泡沫芯材层的孔，所述孔的孔径与所述凹槽的宽度一致。

在其中一些实施例中，所述玻璃钢层的厚度为1～5mm，所述泡沫芯材的厚度为5～300mm。

在其中一些实施例中，所述玻璃钢层的厚度为2.5～3.5mm，所述泡沫芯材的厚度为20～30mm。

本发明的目的之二是提供一种三明治结构复合材料，采用包括上述的方法制备获得。

本发明的目的还在于提供上述的三明治结构复合材料作为养殖池壁材中的应用。

本发明的再一目的是提供一种养殖池，包括采用上述的三明治结构复合材料拼装而成的池壁。

在其中一些实施例中，养殖池的池底采用软质膜材，所述的软质膜材为热塑性树脂防渗膜。

在其中一些实施例中，所述的热塑性树脂防渗膜选自热塑性树脂编织膜、热塑性树脂流延膜、热塑性树脂吹塑膜中的一种。

与现有技术相比，本发明实施例存在如下的有益效果：

本发明实施例通过采用树脂、固化剂的混合物浸润玻璃纤维，然后在泡沫芯层上直接形成玻璃钢层，将玻璃钢层的形成、玻璃钢层与泡沫芯层的结合有机统一起来，摈弃了直接将基质玻璃纤维板采用粘合胶黏合于泡沫芯层上的常规操作，获得的三明治结构复合材料既能保持玻璃钢刚性强、耐老化的特点，又能利用结构泡沫剪切强度高、韧性好以及具有缓冲、保温的性能，更能够提升各层结合的牢固程度、增强机械性能，还可以确保玻璃钢层外表面的光滑度从而获得良好的自清洁效果。

附图说明

图1为本发明实施例制备三明治结构复合材料流程示意图；

图2为本发明实施例采用三明治结构复合材料制备养殖池的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的养殖池俯视示意图；

其中，养殖池10，池壁11，可拆卸连接件111，三明治结构复合材料112,玻璃钢层1121，泡沫芯材层1122，池底12。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的三明治结构复合材料及其制备和应用作进一步详细的说明。

1、三明治结构复合材料及其制备方法

本发明实施例所要制备的三明治结构复合材料包括上表面层、下表面层及上表面层、下表面层之间夹合的中间层，所述中间层包括第一面、第二面，所述上表面层设置于所述第一面，所述下表面层设置于所述第二面；所述上表面层、下表面层为玻璃钢层，所述中间层为泡沫芯材层。

请参照图1，三明治结构复合材料的制备方法包括如下步骤：

(1)将树脂与固化剂混合，制备基质树脂；

(2)用所述基质树脂浸润玻璃纤维织物和/或玻璃纤维毡，得玻璃钢预成型层，将所述玻璃钢预成型层置于所述中间层的两侧，压合、固化即得玻璃钢层夹合泡沫芯材层结构的三明治结构复合材料。

上述步骤(2)的实现方式可以是a，也可以是b，具体地：a、用所述基质树脂浸润玻璃纤维和/或玻璃纤维毡，然后将所述玻璃纤维和/或玻璃纤维毡依次压合、固化在泡沫芯材的第一面、第二面，分别在泡沫芯材的第一面、第二面形成玻璃钢层，即得玻璃钢层夹合泡沫芯材结构的三明治结构复合材料；b、将依次铺设于模具的玻璃纤维和/或玻璃纤维毡、泡沫芯材、玻璃纤维和/或玻璃纤维毡置于真空容器中，采用抽真空的方式抽入所述基质树脂、浸润所述玻璃纤维和/或玻璃纤维毡，所述玻璃纤维和/或玻璃纤维毡于真空下压合、固化，在泡沫芯材的第一面、第二面形成玻璃钢层，即得玻璃钢层夹合泡沫芯材结构的三明治结构复合材料。实施例中采用的真空容器可以是真空袋。

本发明实施例采用浸润的方式，使玻璃钢层的制备、玻璃钢层与泡沫芯材层的黏合有机统一起来，能够提高各层的结合牢度，更重要的是，在玻璃钢层的外表面形成基质树脂层，有效避免玻璃钢层中的玻璃纤维外露从而增加三明治结构复合材料的表面光滑度，表面光滑度的增加能够有效避免藏污纳垢、滋生病菌，增加三明治结构复合材料使用中的卫生性能、降低人工清洁成本。

上述制备方法中，(1)将树脂与固化剂混合，制备基质树脂，对于该步骤：

所述树脂与固化剂的质量比为(3～4.5):1，所述树脂为环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯树脂中的一种或几种。进一步地，所述树脂为环氧树脂，此时每100份环氧树脂中还配合加入3～20份的极性热塑性弹性体，可以理解的是本发明实施例所述的极性热塑性弹性体例如eva(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)，所述的份具体指重量份。通过配方的改进，基质树脂与玻璃纤维织物、玻璃纤维毡能够很好的结合，同时，该基质树脂还与泡沫芯材具备很好的粘合性能，而且还能调节混合物整体的黏度、流动性能、固化时间，提高浸润涂覆效果及效率。同时，为了获得性能优异的三明治结构复合材料本申请还将玻璃钢层中树脂的重量含量限定为28～60％。通过树脂种类优化，玻璃钢层韧性更好、能够更持久的耐受海水冲刷。

上述制备方法中，(2)用所述基质树脂浸润玻璃纤维和/或玻璃纤维毡，然后将所述玻璃纤维和/或玻璃纤维毡依次压合、固化在泡沫芯材的第一面、第二面，分别在泡沫芯材的第一面、第二面形成玻璃钢层，即得玻璃钢层夹合泡沫芯材结构的三明治结构复合材料；该步骤包括但不限于如下具体情况：

1)先在模具铺设泡沫芯材，再将纤维织物或/和纤维毡铺其表面，用基质树脂浸润、再压合，形成双层结构；然后翻转双层结构，在泡沫芯材的另一面铺设纤维织物或/和纤维毡铺、再浸润、压合，最后形成三层结构。

2)可以先铺设玻璃纤维织物或/和玻璃纤维毡于模具，然后用基质树脂浸润玻璃纤维织物或/和玻璃纤维毡，再铺设泡沫芯材，然后在泡沫芯材表面再铺设玻璃纤维织物或/和玻璃纤维毡，再涂刷基质树脂浸润，最后进行压合、固化。

不管属于哪种情况，采用的模具优选为表面光滑的模具，例如玻璃模具。这样更加有利于制备出表面光滑的玻璃钢层。通过控制模具内表面的光滑程度，能够使得树脂、固化剂的混合物基于光滑的模具形成固化表面，提升玻璃钢层外表面的光滑程度，玻璃钢层表面越光滑，就能越好的避免污垢沉积及微生物寄生。

对于本发明实施例而言，可以理解的是，铺设玻璃纤维织物、玻璃纤维毡的层数可以是一层，也可以是多层，如果制备的三明治结构复合材料用于拼接100立方米规模以内的养殖池，那么铺设一层玻璃纤维织物或者玻璃纤维毡已经足够满足要求；如果用于拼接100立方米规模以上的养殖池，那么三明治结构复合材料所要承受的压力等必然相应增加，所以可以适当增加玻璃纤维织物或者玻璃纤维毡的铺设层数。

本发明实施例的泡沫芯材优选密度是40～400g/cm³、热导率为0.029～0.08w/m×k、极限剪切应力为0.371～2.00mpa、平压强度为1.88～4.5mpa的泡沫芯材，通过采用优选类型的泡沫芯材，不仅能够实现保温性能，而且还能起到优化结构的作用，从而提升三明治结构复合材料的机械性能、缓冲性能，并且能够使得三明治结构复合材料的重量、体积达到最优水准，施工方便性良好。

本发明实施例采用基质树脂浸润玻璃纤维织物或者玻璃纤维毡，固化时间不低于20min。本发明实施例在压合时，采用的压力范围优选0.1～0.4mpa。本发明实施例中，压合是跟固化是同步的。可以理解的是，固化温度可以由树脂和固化剂的种类来决定，一般不饱和树脂(例如乙烯基树脂)可以常温固化(10℃以上即可)。环氧树脂有些是可以常温固化的，有些是需要加热固化的(部分需要加热到100℃才能固化)。时间方面，固化的时间，一般都建议大于等于20分钟，但具体还是看不同树脂和固化剂的类型。

本发明实施例采用的泡沫芯材，在使用前还可以对其表面进行处理，包括：在所述泡沫芯材的第一面、第二面上分别开设有若干纵向凹槽和横向凹槽，相邻的所述纵向凹槽之间的间距、相邻的所述横向凹槽之间的间距均为5～35mm，所述凹槽的宽度为5～10mm，所述凹槽的深度为所述第一面、第二面距离的5～95％。通过这样设计，能够使得基质树脂渗透、填充到凹槽中，固化后所得三层结构能够实现相互咬合，有利于结构稳定性、机械强度、耐冲刷性的提高。同时还通过对凹槽宽度、间距、深度的限制，实现了在挖空部分泡沫芯材时依然不影响整体的保温性能，实现结构稳定与优势性能的兼顾。

进一步地，所述纵向凹槽和横向凹槽的交叉处还开设有垂直于所述第一面、第二面的孔，所述孔的孔径与所述凹槽的宽度一致。可以理解的是所述的孔可以是穿孔也可以是盲孔，孔的设置能够使得更多的基质树脂浸入、成型于泡沫芯材层内部，实现构稳定性、机械强度、耐冲刷性的进一步提高。

本发明实施例制备出的三明治结构复合材料中，所述玻璃钢层的厚度优选为1～5mm，所述泡沫芯材的厚度优选为5～300mm。发明人发现，在该结构层厚度限定范围内，本申请能够获得较为稳定的三明治结构复合材料，并且兼顾轻质、高强的效果。采用该层厚度设置的三明治结构复合材料能够实现大规格养殖池的拼接，承受较大的水压。

2、养殖池

本实施例的养殖池请参见图2，是采用上述三明治结构复合材料制备的养殖池，养殖池的池壁是将三明治结构复合材料采用可拆卸的拼装方式拼接而成的；养殖池的池底采用软质膜材，所述的软质膜材为热塑性树脂防渗膜。所述的热塑性树脂防渗膜可选自热塑性树脂编织膜、热塑性树脂流延膜、热塑性树脂吹塑膜。

养殖池10的结构示意如图3所示。11是池壁，111是可拆卸连接件，112是三明治结构复合材料,1121是玻璃钢层，1122是泡沫芯材层，12是池底。可以理解的是，该处所述的可拆卸连接件111可以有多种选择，例如螺栓等。

三明治结构复合材料的规格是依据目标养殖池的大小而设计，并且采用可拆卸连接的方式进行拼接，提高了养殖池在建设、搬迁中的施工方便性。通过成块的三明治结构复合材料与形成的所述池壁高度的控制，不仅能够制备规模不受限制的养殖池，使得制备的养殖池不仅能保持玻璃钢刚性强的特点、结构泡沫剪切强度高、韧性好以及具有缓冲、保温的性能，重要是确保养殖池在满载海水进行生产养殖时，能有效抵抗大面积水体产生的压力，同时能使养殖池内水体温度得到有效保持和稳定。

由于三明治结构复合材料本申请具备自清洁功能，能够有效避免藏污纳垢、滋生有害微生物，能够确保养殖生物长期处于良好的水体环境中，节约了人工清洁的劳力与财力，避免对养殖生物造成不必要的干扰，明显提高养殖效益。根据实践证明，本申请提供的养殖池内表面光滑，无微孔，在养殖了南美白对虾3造(约10个月，1造代表1次)后发现，这3造南美白对虾均无发病情况出现，池壁无明显的藻类生物残留。而且，经过简单的冲刷后，池壁恢复光洁。

本发明实施例摒弃传统养殖池使用的硬质材料作池底的做法，首次采用软质材料作为养殖池的底，摆脱了传统养殖池建设中经常受地势限制的困境，无需大规模地面推平处理即能实现养殖池建设。经过大量的尝试证明，采用软质的池底，能够很好缓冲养殖池满载海水时底部受到的压力，利用其柔软、防渗、光滑的特点，有效缓冲水体压力的同时提高养殖池对养殖场场地的适应性，不容易开裂。

参照上述实施内容，为了使得本申请的技术方案更加具体清楚、易于理解，现对本申请技术方案进行举例，但是需要说明的是，本申请所要保护的内容不限于以下实施例1～4。

实施例1～2

实施例1～2提供一种三明治结构复合材料及用该三明治结构复合材料拼装而成的养殖池。

三明治结构复合材料及其制备：实施例1-2三明治结构复合材料的制备步骤同上述(1)、(2)，其中步骤(2)采用a所述的实现形式。所涉及参数如下表1所示。

养殖池拼装：分别采用是以上制备三明治结构复合材料拼装成养殖池的池壁，然后将池壁底部与热塑性树脂防渗膜拼接，形成仅底部采用热塑性树脂防渗膜(具体为热塑性树脂编织膜)的可快速拼装的100立方米规模的水产养殖池。

实施例3-4

实施例3-4提供一种三明治结构复合材料及用该三明治结构复合材料拼装而成的养殖池。实施例3-4是实施例1的优化例，提供一种三明治结构复合材料，二者的制备步骤及参数同实施例1，相对于实施例1的优化之处仅在于：

实施例3中：树脂为环氧树脂828，每100重量份的环氧树脂828中加入3份的eva；

实施例4中，树脂为环氧树脂828，每100重量份的环氧树脂828中加入20份的eva。

养殖池拼装：分别采用实施例3、4制备三明治结构复合材料拼装成养殖池的池壁，然后将池壁底部与热塑性树脂防渗膜拼接，形成仅底部采用热塑性树脂防渗膜(具体为热塑性树脂编织膜)的可快速拼装的100立方米规模的水产养殖池。

发明人对三明治结构复合材料适用于养殖池的性能进行了测试，结果见表2。

根据表2的测试结果，实施例1、2提供的三明治结构复合材料在机械性能、海水适用性能均良好，具备较高的水产养殖池适用性。

所拼装而成的养殖池由于采用软质底，可以以地貌而设，降低了对养殖场地地面平整处理的成本。在养殖了南美白对虾3造(约10个月，1造代表1次)后发现，这3造南美白对虾均无发病情况出现，池壁无明显的藻类生物残留。养殖池保温性能良好，南美白对虾无死亡情况，养殖池壁也没有出现变软、膨胀、形变、裂缝、糙化、随日晒而变黄老化等现象，海水液面上下部位也没有因为海水波动冲刷导致的池壁表面出现微孔。经过简单的冲刷后，池壁恢复光洁，即可继续投入下一个养殖生产周期。

实施例3、4的结果进一步优于实施例1和2，这说明在能够实现本申请基础效果后，如果对树脂的种类进行优化，将会获得更好的性能。

对比例1

本对比例是实施例1的对比例，提供一种三明治结构复合材料及其制备方法，与实施例1制备方法的区别仅在于：采用汉高聚氨酯8103、固化剂5400按质量比5：1的混合物替代实施例1所示配方的基质树脂，并且树脂在玻璃钢层的重量含量为25％。

对比例2

本对比例是实施例1的对比例，提供一种三明治结构复合材料及其制备方法，与实施例1制备方法的区别仅在于：所述泡沫芯材的密度为30g/cm³，热导率为0.015w/m×k，极限剪切应力为0.25mpa，平压强度为1.5mpa。

对比例3

本对比例是实施例1的对比例，提供一种三明治结构复合材料及其制备方法，包括步骤：

步骤1，利用开槽机在泡沫芯材的第一面和第二面上分别开设纵向凹槽若干条以及横向凹槽若干条，所述凹槽深度为2mm，宽度为2mm，所述凹槽相互间间距为40mm；

步骤2，采用手工方式将与实施例1配方相同的基质树脂均匀抹刷于泡沫芯材的第一面，每平方米使用胶液500g，凹槽内不涂；

步骤3，在涂基质树脂的泡沫芯材的一侧铺上酚醛树脂基玻璃纤维珠光板，另一侧重复步骤3，然后铺上另一块酚醛树脂基玻璃纤维珠光板；

步骤4，开启热压机，将温度设定为60℃，压强为0.8兆帕，压力为0.8兆帕×1500mm×2500mm＝3000000牛≈30.59吨，待温度到60℃后，将组合后的板材放入热压机，期间多余的胶液会先充满凹槽然后部分沿凹槽流出板材，20s后取出，在空气中冷却至室温。

分别采用对比例1-3制备的三明治结构复合材料拼装成养殖池的池壁，然后将池壁底部与热塑性树脂防渗膜拼接，形成仅底部采用热塑性树脂防渗膜(具体为热塑性树脂编织膜)的可快速拼装的100立方米规模的水产养殖池。

对比例1、2、3的三明治结构复合材料的适用于养殖池的性能测试结果见表3，根据表3可知，对比例1、2、3性能整体上差于实施例1。

用对比例1～3三明治结构复合材料拼装而成的养殖池进行水产养殖，在养殖了南美白对虾3造(约10个月，1造代表1次)过程中发现：

用对比例1三明治结构复合材料拼装而成的养殖池在养殖过程中，池壁寄生有肉眼可以观察到的绿色藻类生物，并且养殖池中的水会慢慢呈黄绿色，这3造南美白对虾平均死亡率约10％。

用对比例2、3三明治结构复合材料拼装而成的养殖池在养殖过程中，养殖池壁出现变软、膨胀、形变、裂缝、糙化、随日晒而变黄老化等现象，海水液面上下部位因为海水波动冲刷导致的池壁表面出现微孔，微孔中寄生有绿色藻类生物，并且沉积有南美白对虾的排泄物、饲料残留等，即便用力扫刷也难以恢复使用前的光洁，难以再重复利用。另外，这两个对比例的养殖池保温性能欠佳，也进一步加重了养殖过程中南美白对虾的死亡。

还需说明的是，发明人还尝试了以实施例1三明治结构复合材料拼装成池壁，同时，采用市购玻璃钢材为底，拼装成具有硬质池底的养殖池。该养殖池在使用前需要对使用场地进行平整，显著增加人力物力。即便如此，平整过的场地在环境湿度(例如雨水)、环境压力(包括来自养殖池压力)的情况下地面难免会自然而然的再次出现不平整，从而引发硬质池底的倾斜等，最终引发池壁的整体变性和内部结构的细微变化，无法继续循环利用。

综上所述，本发明实施例基于研发的特性良好的三明治结构复合材料，能够现场拼装养殖池的，能实现高效、简易地完成整个工厂化养殖的建设。模块化水产养殖池是在工厂直接完成标准构件的定制生产，运用简单拼装的方式在现场实施组装各种规格的水产养殖设施。模块化水产养殖池也可根据用户的不同需求定制养殖池规格，相对土建养殖池，具有较高的场地适应性并可反复装拆，克服了普通土建养殖池建设周期长、投资规模大、土地需求严格等方面的局限，具有造价低，安装便捷，施工快捷，合理利用场地的优势。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。