钢/聚氨酯夹层板及其制备方法与应用与流程

本发明属于夹层板的制备领域，尤其涉及一种钢/聚氨酯夹层板及其制备方法与应用。

背景技术：

夹层板结构是由两层面板中夹有夹芯的复合材料结构，被广泛应用于航天航空、船舶制造、土木工程等领域，以其优异的轻质量、高强度以及一些功能性特点而成为现代科学研究的重点。新型的夹层板结构有很多种，如波纹板、蜂窝板、栅格芯材、点阵材料、纳米材料、立体桁架夹芯结构等。

聚氨酯弹性体是聚氨酯合成材料中一个较为特殊的品种，其结构由软段多元醇、硬段异氰酸酯两种链段构成，通过改变软硬段种类及比例，可以得到所需的物理状态及力学性能，即可通过调节原料来满足钢/聚氨酯夹层板不同的受力特性。

以往的船舶设计过程中，通过增加结构尺寸，结构数量来提高结构强度，以此满足规范规定的强度要求，此必将导致船舶运载能力下降，经济效益低下。而采用轻量化船体结构材料，对于减少船舶自重、增加船舶载货量、提高新船能效设计指数具有重要意义，在如今航运较为萧条的市场环境下，研制新型轻型结构和新型材料成为各高校、科研单位的关注焦点。聚氨酯材料凭借其优秀的力学性能在国内具有广阔的应用市场。然而到目前为止，钢/聚氨酯夹层板少有工程领域的相关应用，究其原因，传统的夹层板制备工艺较为复杂，且有很多工艺问题未有得到妥善的解决。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是提供一种比刚度、比强度高且减振效果强的钢/聚氨酯夹层板；

本发明的第二目的是提供该夹层板的制备方法；

本发明的第三目的是提供该夹层板的应用。

技术方案：本发明的钢/聚氨酯夹层板，包括上钢面板，下钢面板，设于上钢面板及下钢面板间的若干立柱，将上钢面板及下钢面板相连接以形成中部空腔、四周密封结构的边界，以及填充于中部空腔内的聚氨酯芯材；所述聚氨酯芯材按质量分数包括：二苯甲烷二异氰酸酯20～50％、分子量为400的聚丙烯二醇47.4～77.4％、1,4—丁二醇0.5～3％、二丁基锡二月桂酸酯0.1～0.5％及固化剂2～10％。

进一步说，边界可为中空方管或c型板，中空方管内填充聚氨酯芯材。固化剂可为3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷或二甲硫基甲苯二胺。

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法，包括如下步骤：

(1)将上钢面板及下钢面板进行预处理后，在两者间设置若干立柱，并在上钢面板及下钢面板间设置边界以形成中部空腔、四周密封结构；

(2)在上钢面板上设置浇筑孔，通过该浇筑孔向空腔内浇筑聚氨酯芯材，再硫化后制得夹层板。

本发明在制备时先通过在上下钢面板间设置若干立柱，不仅利于空腔的形成，能够有效避免由于上钢面板自重而导致空腔不规则变形，且能够在不改变夹层板整体重量的同时，增强夹层板的承载能力，能够承受面板内的剪切垂向平均载荷；同时，浇筑聚氨酯芯材时通过在上钢面板上设置浇筑孔，相比于直接灌入芯材，能够有效减少空腔内部起泡的形成，且有效避免浇枪堵塞等问题。

进一步说，制备工艺的步骤(2)中，浇筑时空腔与水平面的夹角为0～15°或者45～90°。当浇筑时空腔与水平面的夹角为45～90°时，浇筑孔位于上钢面板水平向的中间部位，并沿上钢板面的竖向间隔排列。当浇筑时空腔与水平面的夹角为0～15°时，浇筑孔设于上钢面板的中间部位或两侧，并沿钢板面的竖向间隔排列，同时上钢面板的上端设有排气孔。优选的，浇筑孔竖向间隔20～40cm。

更进一步说，制备工艺的步骤(2)中，硫化是在100～120℃条件下硫化10～14h。

本发明的钢/聚氨酯夹层板应用于船体板材。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该钢/聚氨酯夹层板不仅比刚度、比强度高，减振效果强，且质量高，瑕疵品少；同时，其制法不仅能够优化夹层板制备生产线，提高工厂生产效率，缩短工期，提升经济效益，且能够大规模批量生产，制备不同规格尺寸的夹层板。

附图说明

图1为本发明钢/聚氨酯夹层板的结构示意图；

图2为本发明上钢面板上的浇筑孔的示意图；

图3为本发明制备的夹层板焊接热变形图；

图4为本发明制备的夹层板焊接热影响区温度场图；

图5为本发明不同二苯甲烷二异氰酸酯含量下的聚氨酯芯材热失重图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明的聚氨酯芯材中，二苯甲烷二异氰酸酯购自烟台万华聚氨酯股份有限公司，聚丙烯二醇、1,4—丁二醇、二丁基锡二月桂酸酯及固化剂购自江苏优特新材料科技有限公司。

本发明的钢/聚氨酯夹层板包括上钢面板1，下钢面板2，设于上钢面板1及下钢面板2间的若干立柱，将上钢面板1及下钢面板2相连接以形成中部空腔、四周密封结构的边界3，以及填充于中部空腔内的聚氨酯芯材4。其中，边界3可为c型板或填充聚氨酯芯材的中空方管，如图1所示。

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法，包括如下步骤：

(1)将上钢面板1及下钢面板2进行预处理后，在上钢面板1及下钢面板2间设置若干立柱，并在上钢面板1及下钢面板2间设置边界3以形成中部空腔、四周密封结构；

(2)在上钢面板1上设置浇筑孔5，通过该浇筑孔5向空腔内浇筑聚氨酯芯材，再将该夹层板在100～120℃条件下硫化时间10～14h即可。

在进行浇筑芯材时，浇筑孔5的设置根据空腔与水平面的夹角而定。当浇筑时空腔与水平面的夹角为45～90°时，浇筑孔5设于上钢面板1水平向的中间部位，并沿上钢板面1的竖向间隔排列，间隔20～40cm，如图2所示；而当浇筑时空腔与水平面的夹角为0～15°时，浇筑孔5设于上钢面板1的中间部位或两侧，此时设于中间部位或设于两侧根据浇筑时的流量大小而定，当流量较大时设于上钢面板1的中间部位，而当流量较小时，可设置在上钢面板1的两侧，并沿上钢板面1的竖向间隔排列，间隔20～40cm，同时在上钢面板1的最上端设有排气孔。

实施例1

聚氨酯芯材按质量分数包括：硬段材料二苯甲烷二异氰酸酯30％、软段材料分子量为400的聚丙烯二醇62.7％、扩链剂1,4—丁二醇2％、催化剂二丁基锡二月桂酸酯0.3％及固化剂3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷5％。

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法包括如下步骤：

(1)聚氨酯芯材制备：将二苯甲烷二异氰酸酯、聚丙烯二醇加入反应釜，在60℃、常压预聚反应2h，形成聚氨酯预聚体，将其置入浇筑机a料筒，在浇筑机b料筒中加入1,4—丁二醇、二丁基锡二月桂酸酯及3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷，常温常压混合制得聚氨酯芯材；

(2)空腔制备：首先对上钢面板及下钢面板进行处理，即对于板厚超过5mm的面板可以采用喷砂、喷丸等，而对于板厚低于5mm的面板采用60目砂纸或抛光机打磨；再次，在上钢面板及下钢面板间设置若干以矩形点阵形式排列的立柱，立柱的一端与上钢面板连接固定，另一端与下钢面板连接固定，立柱间间隔40cm并呈矩形分布；其次，将上钢面板及下钢面板间的边界设置方管或c型板以形成中部空腔、四周密封结构；

(3)浇筑芯材制备夹层板：在上钢面板的纵向中部设置若干依次沿面板竖向排列的浇筑孔，间隔30cm，将空腔设置成与水平面成45°夹角，并将浇筑机调整到浇筑流量15kg/min，由浇枪或浇管通过浇筑孔由下而上注入空腔内，浇筑完成后，将其置于100℃的烘箱内充分硫化14h，制得夹层板。

将该实施例制备的聚氨酯芯材进行力学性能检测可知，拉伸强度55mpa，屈服强度(rp0.2)37mpa，密度1140kg/m³，泊松比为0.441，弹性模量2352mpa，硬度邵氏d65，伸长率60％，该聚氨酯弹性体界面粘结力强，具有良好的力学性能。同时对该实施例制备的夹层板进行性能检测可知，其在厚度为2-10-2的情况下，拉伸强度为拉伸强度120mpa，弹性模量为82gpa，伸长率钢板30％，芯材60％。

实施例2

聚氨酯芯材按质量分数包括：硬段材料二苯甲烷二异氰酸酯20％、软段材料分子量为400的聚丙烯二醇77.4％、扩链剂1,4—丁二醇0.5％、催化剂二丁基锡二月桂酸酯0.1％及固化剂二甲硫基甲苯二胺2％。

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法包括如下步骤：

(1)聚氨酯芯材制备：将二苯甲烷二异氰酸酯、聚丙烯二醇加入反应釜，在60℃、常压预聚反应2h，形成聚氨酯预聚体，将其置入浇筑机a料筒，在浇筑机b料筒中加入1,4—丁二醇、二丁基锡二月桂酸酯及二甲硫基甲苯二胺，常温常压混合制得聚氨酯芯材；

(2)空腔制备：首先对上钢面板及下钢面板进行处理，即对于板厚超过5mm的面板可以采用喷砂、喷丸等，而对于板厚低于5mm的面板采用60目砂纸或抛光机打磨；再次，在上钢面板及下钢面板间设置若干以矩形点阵形式排列的立柱，立柱的一端与上钢面板连接固定，另一端与下钢面板连接固定，立柱间间隔40cm并呈矩形分布；其次，将上钢面板及下钢面板的边界设置方管或c型板以形成中部空腔、四周密封结构；

(3)浇筑芯材制备夹层板：在上钢面板的纵向中部设置若干依次沿面板竖向排列的浇筑孔，间隔30cm，将空腔设置成与水平面成60°夹角，并将浇筑机调整到浇筑流量15kg/min，由浇枪或浇管通过浇筑孔由下至上注入空腔内，浇筑完成后，将其置于100℃的烘箱内充分硫化14h，制得夹层板。

将该实施例制备的聚氨酯芯材进行力学性能检测可知，拉伸强度52mpa，屈服强度(rp0.2)37mpa，密度1120kg/m³，泊松比为0.441，弹性模量2000mpa，硬度邵氏d65，伸长率60％，该聚氨酯弹性体界面粘结力强，具有良好的力学性能。同时对该实施例制备的夹层板进行性能检测可知，其在厚度为2-10-2的情况下，拉伸强度为117mpa，弹性模量为79gpa，伸长率钢板30％，芯材65％。

实施例3

聚氨酯芯材按质量分数包括：硬段材料二苯甲烷二异氰酸酯50％、软段材料分子量为400的聚丙烯二醇47.4％、扩链剂1,4—丁二醇0.5％、催化剂二丁基锡二月桂酸酯0.1％及固化剂二甲硫基甲苯二胺2％。

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法包括如下步骤：

(1)聚氨酯芯材制备：将二苯甲烷二异氰酸酯、聚丙烯二醇加入反应釜，在60℃、常压预聚反应2h，形成聚氨酯预聚体，将其置入浇筑机a料筒，在浇筑机b料筒中加入1,4—丁二醇、二丁基锡二月桂酸酯及二甲硫基甲苯二胺，常温常压混合制得聚氨酯芯材；

(2)空腔制备：首先对上钢面板及下钢面板进行处理，即对于板厚超过5mm的面板可以采用喷砂、喷丸等，而对于板厚低于5mm的面板需要采用60目砂纸或抛光机打磨；再次，在上钢面板及下钢面板间设置若干以矩形点阵形式排列的立柱，立柱的一端与上钢面板连接固定，另一端与下钢面板连接固定，立柱间间隔40cm并呈矩形分布；其次，将上钢面板及下钢面板间的边界设置方管或c型板以形成中部空腔、四周密封结构；

(3)浇筑芯材制备夹层板：在上钢面板的纵向中部设置若干依次沿面板竖向排列的浇筑孔，间隔40cm，将空腔设置成与水平面成90°夹角，并将浇筑机调整到浇筑流量15kg/min，由浇枪或浇管通过浇筑孔由下至上注入空腔内，浇筑完成后，将其置于100℃的烘箱内充分硫化14h，制得夹层板。

将该实施例制备的聚氨酯芯材进行力学性能检测可知，拉伸强度70mpa，屈服强度(rp0.2)42mpa，密度1140kg/m³，泊松比为0.441，弹性模量3200mpa，硬度邵氏d75，伸长率12％，该聚氨酯弹性体界面粘结力强，具有良好的力学性能。同时对该实施例制备的夹层板进行性能检测可知，其在厚度为2-10-2的情况下，拉伸强度为145mpa，弹性模量为107gpa，伸长率钢板30％，芯材10％。

实施例4

聚氨酯芯材按质量分数包括：硬段材料二苯甲烷二异氰酸酯30％、软段材料分子量为400的聚丙烯二醇56.5％、扩链剂1,4—丁二醇3％、催化剂二丁基锡二月桂酸酯0.5％及固化剂二甲硫基甲苯二胺10％。

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法包括如下步骤：

(1)聚氨酯芯材制备：将二苯甲烷二异氰酸酯、聚丙烯二醇加入反应釜，在60℃、常压预聚反应2h，形成聚氨酯预聚体，将其置入浇筑机a料筒，在浇筑机b料筒中加入1,4—丁二醇、二丁基锡二月桂酸酯及二甲硫基甲苯二胺，常温常压混合制得聚氨酯芯材；

(2)空腔制备：首先对上钢面板及下钢面板进行处理，即对于板厚超过5mm的面板可以采用喷砂、喷丸等，而对于板厚低于5mm的面板采用60目砂纸或抛光机打磨；其次，在上钢面板及下钢面板间设置若干以矩形点阵形式排列的立柱，立柱的一端与上钢面板连接固定，另一端与下钢面板连接固定，立柱间间隔40cm并呈矩形分布；最后，将上钢面板及下钢面板间的边界设置方管或c型板以形成中部空腔、四周密封结构；

(3)浇筑芯材制备夹层板：将浇筑孔沿上钢面板纵向轴线布置，分别距两边各15cm，沿面板竖向排列的浇筑孔，间隔40cm，并在上钢面板的最上端设置排气孔，将空腔设置成与水平面成15°夹角，并将浇筑机调整到浇筑流量15kg/min，由浇枪或浇管通过浇筑孔由下而上注入空腔内，浇筑机釜内加压浇筑，浇筑完成后，将其置于100℃的烘箱内充分硫化14h，制得夹层板。

将该实施例制备的聚氨酯芯材进行力学性能检测可知，拉伸强度55mpa，屈服强度(rp0.2)40mpa，密度1140kg/m³，泊松比为0.441，弹性模量2700mpa，硬度邵氏d70，伸长率30％，该聚氨酯弹性体界面粘结力强，具有良好的力学性能。同时对该实施例制备的夹层板进行性能检测可知，其在厚度为2-10-2的情况下，拉伸强度为117mpa，弹性模量为80gpa，伸长率钢板30％，芯材58％。

实施例5

聚氨酯芯材组分及含量与实施例4相同

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法包括如下步骤：

(1)聚氨酯芯材制备：与实施例4相同；

(2)空腔制备：首先对上钢面板及下钢面板进行处理，即对于板厚超过5mm的面板可以采用喷砂、喷丸等，而对于板厚低于5mm的面板采用60目砂纸或抛光机打磨；其次，在上钢面板及下钢面板间设置若干以矩形点阵形式排列的立柱，立柱的一端与上钢面板连接固定，另一端与下钢面板连接固定，立柱间间隔40cm并呈矩形分布；最后，将上钢面板及下钢面板间的边界设置方管或c型板以形成中部空腔、四周密封结构；

(3)浇筑芯材制备夹层板：将浇筑孔沿上钢面板纵向轴线布置，分别距两边各15cm，沿面板竖向排列的浇筑孔，间隔40cm，并在上钢面板的上端设置排气孔，将空腔设置成与水平面成15°夹角，并将浇筑机调整到浇筑流量30kg/min，由浇枪或浇管通过浇筑孔由下而上注入空腔内，浇筑机釜内加压浇筑，浇筑完成后，将其置于100℃的烘箱内充分硫化14h，制得夹层板。

对该实施例制备的夹层板进行性能检测可知，其拉伸强度为117mpa，弹性模量为80gpa，伸长率钢板30％，芯材58％。

对比例1

聚氨酯芯材组分含量与实施例4相同

该对比例制备钢/聚氨酯夹层板的方法包括如下步骤：

(1)聚氨酯芯材制备步骤与实施例4相同；

(2)空腔制备：首先对上钢面板及下钢面板进行处理，即对于板厚超过5mm的面板可以采用喷砂、喷丸等，而对于板厚低于5mm的面板采用60目砂纸或抛光机打磨；其次，在上钢面板及下钢面板间设置若干以矩形点阵形式排列的立柱，立柱的一端与上钢面板连接固定，另一端与下钢面板连接固定，立柱间间隔40cm并呈矩形分布；最后，将上钢面板及下钢面板间的边界设置方管或c型板以形成中部空腔、四周密封结构；

(3)浇筑芯材制备夹层板：将浇筑孔沿上钢面板纵向轴线布置，分别距两边各15cm，沿面板竖向排列的浇筑孔，间隔40cm，并在上钢面板的下端设置排气孔，将空腔设置成与水平面成15°夹角，并将浇筑机调整到浇筑流量30kg/min，由浇枪或浇管通过浇筑孔注入空腔内，浇筑采用由上至下浇筑，浇筑完成后，将其置于100℃的烘箱内充分硫化14h，制得夹层板。

将上述实施例1-5及对比例1制备的六块钢/聚氨酯夹层板结构，将六块板通过拼装形成一块整板，并根据规范对整板进行声学隔声测试可知，钢/聚氨酯夹层板在同频噪声下，对比普通船用加筋板隔声性能提升一倍，与仿真结果误差5％以内。在完成声学测试后，将6块夹层板分解，进行破坏性的质量检测试验，其中立式浇筑的实施例1、2、3中，实施例1的效果最好，产生的气泡最少，且单个气泡的体积也是最小的，完全符合浇筑工艺的质量要求，气泡多集中在浇筑面的顶部20cm范围内，可以通过改变浇筑孔位置予以调整。实施例3的效果最差，由于浇筑角度太大，导致浇筑质量差的原因主要是垂直浇筑，当胶态的聚氨酯弹性体接触到空腔底部后形成冲击泡，由于聚氨酯固化过程会放热从而加快固化速度，导致很多冲击泡在上浮的过程中遇热固化，从而在芯材内部形成了较大的空腔缺陷；而实施例2中的效果介于上述两者之间，45°浇筑的效果也是六组中效果最佳的一组。

实施例4和5及对比例1三组采用的是卧式浇筑，且均采用15°的浇筑角度，其中实施例5的效果最佳，主要原因是浇筑流量较大，可以使得各部位气泡都有足够的上浮时间。而对比例1中，聚氨酯弹性体在胶态下黏度较大，采用自上而下浇筑导致很多先接触到钢面板的聚氨酯提前固化并且产生不均匀散热，从而导致该界面处产生两侧收缩率不同，在最后成品中的体现是该界面处形成一条缝隙，在很大程度上影响整体浇筑质量。

本发明上述实施例制备的钢/聚氨酯夹层板不仅具有结构轻量化的优势，且减振降噪，可应用于船体各适用部位板材。具体而言，从结构轻量化角度出发，可以采用钢/聚氨酯夹层板进行替换的平面部位有货舱区舱口盖、烟囱、甲板舱室等；从减振降噪角度、提高乘船舒适度的角度出发可以替换的平面部位有机舱平台、上层建筑所在的甲板部分、上层建筑中的横纵舱壁、艉尖舱前端壁、上层建筑前端壁、上层建筑各平台等。此外，本发明的钢/聚氨酯夹层板还能够代替船舶曲板，其代替船舶曲板一方面能够有效控制由水泵发出的振动及噪声干扰并且降低船舶自重提高船舶经济性能，另一方面用浇筑夹层曲板的方法代替现行的水火弯板技术，从工艺施工的角度能够大大降低制造周期，降低制造成本，而采用钢/聚氨酯夹层板代替的曲面结构包括船舶曲面外板、大型穿舱管件、曲面烟囱等结构。

然而在实际应用过程中，焊接可能无法完全避免，为探究本发明的夹层板的焊接变形和热影响温度场，将本发明的夹层板间相焊接，在焊接电流185a，焊接电压24v，焊接速度4mm/s，电弧长度30mm条件下进行仿真，获得的结果如下图3及图4所示。并且将本发明的聚氨酯芯材进行热失重分析(tg)实验，获得的结果如下图5所示(其中，图5中1为二苯基甲烷二异氰酸酯与聚丙烯二醇的质量比为1:1，2为二苯基甲烷二异氰酸酯与聚丙烯二醇的质量比为1:2)。结合图3至图5可知，本发明的聚氨酯芯材热分解初始温度约为190℃，因此，在对温度超过聚氨酯弹性体热分解温度的热影响区可采用岩棉作为芯材进行替换，进而能够有效避免因焊接导致的芯材热分解。

实施例6

聚氨酯芯材组分及含量与实施例4相同。

本发明制备钢/聚氨酯夹层板的方法包括如下步骤：

(1)聚氨酯芯材及空腔的制备与实施例4基本相同；

(2)浇筑芯材制备夹层板：将浇筑孔沿上钢面板纵向轴线布置，分别距两边各15cm，沿面板竖向排列的浇筑孔，间隔20cm，并在上钢面板的上端设置排气孔，将空腔设置成与水平面成0°夹角，并将浇筑机调整到浇筑流量30kg/min，由浇枪或浇管通过浇筑孔由下而上注入空腔内，浇筑机釜内加压浇筑，浇筑完成后，将其置于120℃的烘箱内充分硫化10h，制得夹层板。

对该实施例制备的夹层板进行性能检测可知，其在厚度为2-10-2的情况下，拉伸强度为117mpa，弹性模量为80gpa，伸长率钢板30％，芯材58％。

实施例7

聚氨酯芯材组分含量与实施例4相同，钢/聚氨酯夹层板的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于空腔的制备时采用60目、360目和800目砂纸及切削对上钢面板和下钢面板进行表面预处理，分别对制备的夹层板进行性能检测，可知，切削及60目砂纸打磨的样品平拉强度明显高于360目砂纸和800目砂纸，其中切削及60目砂纸打磨的样品其平拉强度4.75mpa，剪切强度达7.5mpa，由此可知，表面粗糙度对夹层板平拉强度和剪切强度具有较大影响。

通过上述实施例可知，本发明的钢/聚氨酯夹层板不仅比刚度、比强度高，且减振效果强，同时能够大规模批量生产。此外，本发明在浇筑时，浇筑孔浇筑完成后用预制的同尺寸塞口塞住10min以上，待夹层板硫化完成后将浇筑孔补焊完成。