一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法与流程

本发明属于高分子复合材料技术领域，本发明涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，尤其是涉及一种应用在桥梁、铁路、轻轨及地铁等领域的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法，还可推广到市政建设、化工、船舶、装甲车、货车等领域作为步道板使用，并可在重载铁路、普通铁路、明面桥、道岔等作为复合材料合成轨枕使用。

背景技术：

目前桥梁、铁路、轻轨及地铁等领域采用的板材，如人行步道板、电缆槽盖板、轨枕等大都采用钢筋混凝土或活性粉末混凝土制作而成，产品重量重、施工困难；且表面粗糙，不美观，长期使用后，产品极易出现裂纹，造成一定的安全隐患。为了解决施工困难的问题，有的采用木质材料进行替代，不仅需要消耗大量的优质木材，而且木材在受到长期的日晒雨淋以及江水、海水的腐蚀后，腐蚀比较严重，出现了大量的裂纹、缺陷及虫蛀孔洞。基本上，使用5年后就必须更换，大大增加了产品的维护及更换成本。有的采用玻璃钢材料进行替代，但是玻璃钢材料在生产中，加入了大量的粉料，经日晒雨淋后，很容易出现粉化现象，质量不稳定，产品耐候性及耐老化性能差，长期使用后，存在安全隐患，同时其制品重量也较重，施工比较困难，若将玻璃钢材料做成空心结构，其力学性能大大降低，尤其是螺栓抗拔强度太低，存在安全隐患，一般5～10年就必须更换。有的使用纤维增强聚氨酯泡沫材料，但其纤维含量低，强度低，在重载铁路及普通铁路轨枕强度测试过程中出现了严重塌陷，不适合应用在重载铁路及普通铁路中，仅适合应用在国内外的轻轨及地铁铁路线路中。

目前国内外研究的纤维增强聚氨酯泡沫材料，所用的聚氨酯均由聚醚多元醇与异氰酸酯反应而成，其采用的聚醚多元醇官能度较高，聚氨酯反应时间及固化速率很快，基本上3分钟左右的时间即可固化，并且其选用的聚醚多元醇粘度大，流动性差，很难在聚氨酯固化前解决聚氨酯与纤维浸渍均匀的问题，故国内外目前制作的纤维增强聚氨酯泡沫材料制品中纤维含量低，且聚氨酯与纤维浸渍不均匀，局部聚氨酯含量多，泡沫大，局部纤维含量多，出现干纱现象，致使制作的材料强度低，且强度不均匀，质量不稳定。而且由于其纤维含量低，树脂含量高，在生产中，树脂发泡膨胀产生大量的飞边，不仅造成了产品的浪费，制作成本的增高，而且对设备及模具造成了极大的损伤。不仅如此，还由于其无法解决聚氨酯与纤维的浸渍问题，故其未制作出较高玻纤含量的纤维增强聚氨酯泡沫材料制品，更未制作出较高玻纤含量的较高密度的纤维增强聚氨酯泡沫材料制品。目前，尚未见报道并且市场上未见到密度高于840kg/m³且纤维含量高于60％的纤维增强聚氨酯泡沫材料及制品。

技术实现要素：

针对目前混凝土材料、木制板材、玻璃钢材料板材及低纤维含量的纤维增强聚氨酯泡沫板材等技术上的不足，本发明的目的是提供一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法，其综合性能优于以上材质的板材，能够进行有效的替代。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，其以聚氨酯树脂和增强纤维为基体材料，以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的质量比例如下：

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、钢纤维中的任意一种或多种混合。

进一步，所述增强纤维以长纤维为主体，还包括短切纤维和纤维毡。

进一步，所述偶联剂为硅烷偶联剂。

进一步，所述抗紫外剂为UV类抗紫外剂。

本发明的一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，具有如下优点：

通过采用低羟值低官能度的混合型聚醚多元醇，降低了聚氨酯树脂反应的活性，延长了聚氨酯树脂的固化时间，增加了其与增强纤维的浸渍时间，同时采用的聚醚多元醇，其粘度较低，流动性好，增加了其与增强纤维的浸渍能力，使其与增强纤维浸渍更加均匀；

通过增加偶联剂，大大提高了填料在聚氨酯树脂中的润湿性和分散性，增加了聚氨酯树脂与增强纤维的浸渍能力及粘合能力，使聚氨酯树脂与增强纤维浸渍更加彻底，并提高聚氨酯树脂的浸渍增强纤维的浸透速度，解决了增强纤维过多，不易浸渍的问题，从而使材料强度性能大幅度提高及强度均匀性更加稳定；另外，通过添加偶联剂，还可以大大提高材料的电气性能；

通过采用低羟值低官能度的混合型聚醚多元醇、使用偶联剂等多种技术手段，解决了聚氨酯树脂与增强纤维浸渍不充分的问题，从而提高了增强纤维含量，能够制作出密度高于840kg/m³且增强纤维含量大于60％的纤维增强聚氨酯硬泡材料制品，弥补了纤维增强聚氨酯泡沫合成板材的技术空白，使其产品规格及性能多元化，满足不同的技术指标要求。

通过提高增强纤维的质量比例，使增强纤维的质量比例大于60％，不仅减少了制作成本，而且大大的提高了同等密度下纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的强度，同时产品更加致密，吸水量等指标等大幅降低，提高了产品的耐水性能；

通过添加硬泡稳定剂，避免了聚氨酯泡沫泡孔过大问题的发生，使聚氨酯硬泡更加均匀，更加稳定。

通过添加阻燃剂，不仅降低了聚醚多元醇的粘度，使其流动性好，而且增强了材料的阻燃性能；

通过添加抗氧剂，增强了材料的耐湿热老化的性能；

通过添加抗紫外剂，进一步增强了材料的抗紫外日光老化的性能；

通过增加短切纤维，使材料更加致密，进一步提高了产品的强度；

通过增加纤维毡，进一步提高了产品的抗弯曲强度。

本发明提供的一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，能够有效的取代目前优质的木质板材、混凝土板材、玻璃钢板材及国内外研究的低纤维含量的纤维增强聚氨酯泡沫合成板材，可广泛应用于铁路、桥梁、轻轨及地铁的建设，并可推广到化工步道板、海边栈道、货车甲板、船舶甲板、市场景观等领域，并可在重载铁路、普通铁路、明面桥、道岔等作为复合材料合成轨枕使用。

本发明还涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制作方法，采用连续成型工艺制作而成，其连续成型工艺包括放卷长纤维及纤维毡、注射聚氨酯树脂、加入短切纤维、均匀浸渍、履带式层压主机内固化、冷却、定长切割七个工序。

进一步，所述均匀浸渍具体是将聚氨酯树脂通过高压发泡设备、移动浇注设备及对应的工装均匀浸渍在增强纤维的表面及内部。

进一步，所述履带式层压主机是由履带式层压机及侧边挡块共同组成，侧边挡块固定在履带式层压机上，模腔的高度及宽度依据挡块的尺寸进行调整。

进一步，定长切割是通过切割机进行的，切割后的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，其厚度为10mm～100mm，宽度为100mm～600mm，密度为200kg/m³～2000kg/m³。

附图说明

图1为本发明高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的生产工艺示意图；

图2为本发明高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、纱架，2、高压发泡设备，3、移动浇注设备，4、履带式层压主机，5、切割机，6、长纤维，7、短切纤维，8、聚氨酯树脂，9、高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9，其以聚氨酯树脂8和增强纤维为基体材料，以质量份计，聚氨酯树脂8的配方及聚氨酯树脂8与增强纤维的质量比例如下：

所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、钢纤维中的任意一种或多种混合。

所述增强纤维以长纤维6为主体，还包括短切纤维7和纤维毡。

所述偶联剂为硅烷偶联剂。

所述抗紫外剂为UV类抗紫外剂。

本发明还涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9的制作方法，采用连续成型工艺制作而成，其连续成型工艺包括放卷长纤维6及纤维毡、注射聚氨酯树脂8、加入短切纤维7、均匀浸渍、履带式层压主机4内固化、冷却、定长切割七个工序。

所述均匀浸渍具体是将聚氨酯树脂8通过高压发泡设备2、移动浇注设备3及对应的工装均匀浸渍在增强纤维的表面及内部。

所述履带式层压主机4是由履带式层压机及侧边挡块共同组成，侧边挡块固定在履带式层压机上，模腔的高度及宽度依据挡块的尺寸进行调整。

定长切割是通过切割机5进行的，切割后的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，其厚度为10mm～100mm，宽度为100mm～600mm，密度为200kg/m³～2000kg/m³。

如图1所示，本发明高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的连续成型工艺通过图中所示的装置进行，先在纱架1放卷长纤维及纤维毡、注射聚氨酯树脂、加入短切纤维，再通过高压发泡设备2、移动浇注设备3及对应的工装实现均匀浸渍，然后在履带式层压主机4内固化，冷却后通过切割机5对固化后的板材进行切割。

如图2所示，切割后得到的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9中，内部设有沿长度方向延伸的长纤维6和短切纤维7，其外部包裹有聚氨酯树脂8，固化即得所述高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9。纤维毡可以设置在包裹住长纤维6和短纤维7的聚氨酯树脂8的外侧表面。具体的，长纤维6和短纤维7可以自身排列成多排，并交替间隔设置，形成矩阵式阵列结构，聚氨酯树脂8包裹在长纤维6和短纤维7外，形成长方体形的板材，其厚度为10mm～100mm，宽度为100mm～600mm，密度为200kg/m³～2000kg/m³，优选的，其表观总密度在800kg/m³-1800kg/m³。

实施例1：

以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：羟值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 90份，羟值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 10份，阻燃剂10份，硬泡稳定剂5份，偶联剂15份，催化剂0.3份，发泡剂0.1份，抗氧剂0.3份，抗紫外剂0.3份，异氰酸酯120份；长纤维：430份，短切纤维10份，纤维毡5份。其中增强纤维含量为64％，制作密度1400±50Kg/m³纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格：260mm×50mm×3000mm。履带式层压主机参数设置：运行速度：0.4m/min，温度：90℃/60℃。按照本实施例的配方及运行条件制作的合成板材性能如表1所示。

表1

实施例2：

以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：羟值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 95份，羟值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 5份，阻燃剂10份，硬泡稳定剂3份，偶联剂5份，催化剂0.3份，发泡剂0.1份，抗氧剂0.3份，抗紫外剂0.3份，异氰酸酯110份；长纤维：410份，短切纤维10份，纤维毡0份。其中增强纤维含量为65％，制作密度1200±50Kg/m³纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格：240mm×50mm×3000mm。履带式层压主机参数设置：运行速度：0.6m/min，温度：90℃/60℃。按照本实施例的配方及运行条件制作的合成板材性能如表2所示。

表2

实施例3：

以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：羟值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 90份，羟值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 5份，阻燃剂15份，硬泡稳定剂5份，偶联剂10份，催化剂0.2份，发泡剂0.3份，抗氧剂0.5份，抗紫外剂0.5份，异氰酸酯115份；长纤维：520份，短切纤维5份，纤维毡1份。其中增强纤维含量为68.5％，制作密度1000±50Kg/m³纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格：500mm×30mm×3000mm。履带式层压主机参数设置：运行速度：0.5m/min，温度：90℃/70℃。按照本实施例的配方及运行条件制作的合成板材性能如表3所示。

表3

实施例4：

以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：羟值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 95份，羟值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 10份，阻燃剂5份，硬泡稳定剂5份，偶联剂10份，催化剂0.1份，发泡剂0.1份，抗氧剂0.25份，抗紫外剂0.25份，异氰酸酯125份；长纤维：460份，短切纤维10份，纤维毡0。其中增强纤维含量为65％，制作密度800±50Kg/m³纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格：200mm×60mm×3000mm。履带式层压主机参数设置：运行速度：0.4m/min，温度：80℃/70℃。按照本实施例的配方及运行条件制作的合成板材性能如表4所示。

表4

实施例5：

以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：羟值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 92份，羟值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 8份，阻燃剂10份，硬泡稳定剂2.5份，偶联剂15份，催化剂1份，发泡剂1份，抗氧剂1份，抗紫外剂1份，异氰酸酯100份；长纤维：1330份，短切纤维30份，纤维毡10份。其中增强纤维含量为85％，制作密度1500±50Kg/m³纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格：600mm×10mm×3000mm。履带式层压主机参数设置：运行速度：0.4m/min，温度：90℃/60℃。按照本实施例的配方及运行条件制作的合成板材性能如表5所示。

表5

实施例5：

以质量份计，聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下：羟值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 93份，羟值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 7份，阻燃剂10份，硬泡稳定剂2.5份，偶联剂15份，催化剂0.8份，发泡剂0.6份，抗氧剂0.7份，抗紫外剂0.5份，异氰酸酯135份；长纤维：1940份，短切纤维40份，纤维毡20份。其中增强纤维含量为88％，制作密度1800±50Kg/m³纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格：100mm×100mm×3000mm。履带式层压主机参数设置：运行速度：0.4m/min，温度：90℃/60℃。按照本实施例的配方及运行条件制作的合成板材性能如表6所示。

表6

对比例分析

本发明一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，通过采用低羟值低官能度的混合型聚醚多元醇，使用偶联剂等多种技术手段，解决了聚氨酯与纤维浸渍不充分的问题，从而提高了纤维含量，能够制作出密度高于840kg/m³且纤维含量大于60％的纤维增强聚氨酯硬泡材料制品，弥补了高纤维含量纤维增强聚氨酯泡沫合成板材的技术空白，使其产品规格及性能多元化，满足不同的技术指标要求。

通过提高增强纤维的质量比例，使增强纤维的质量比例大于60％，不仅减少了制作成本，而且大大的提高了同等密度下纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的强度，同时产品更加致密，吸水量等指标等大幅降低，提高了产品的耐水性能；

目前未见到产品密度高于840kg/m³且纤维含量高于60％的纤维增强聚氨酯泡沫材料及制品的报道及实物。通过本发明制作方法，制作密度为800±50kg/m³的材料，与国内外知名厂家制作的纤维增强聚氨酯泡沫合成材料及制品的实物进行测试对比，结果如表7所示

表7

对比分析结论

可见，本发明一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材，其纤维含量大于60％，在密度相差无几的情况下，所制作的材料，在力学性能、耐紫外老化性能、电气性能、耐水性能等多方面都远远优于国内外知名厂家的材料制品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。