一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统
阅读说明：本技术 一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统 (Continuous glass fiber reinforced polyurethane foam material forming process and system thereof ) 是由 董入贵 刘烨 管涌 郑安呐 陈璟 于 2021-05-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统,包括,形成聚醚多元醇混合物,将聚醚多元醇混合物和异氰酸酯分别加入两个储罐中；将疏松后的连续玻纤丝经牵引设备,牵引通过垂直设置的成型模具,同时聚醚多元醇和异氰酸酯双组分经发泡机充分混合后多方向注射至模具腔内,超声处理充分浸润玻纤丝；浸渍后的玻纤在微波作用下发泡、固化；冷却定型装置和定长切割,得到连续玻纤增强的聚氨酯发泡型材。本发明通过模具垂直设置,设置高真空浸渍区、超声浸润装置、微波熟化装置,更有利于玻纤在模具内腔中的均匀分散及排布,规避了玻纤在模具中下垂,导致内腔下部玻纤密度高,上部密度低,孔隙大的缺陷。(The invention discloses a molding process and a system of a continuous glass fiber reinforced polyurethane foam material, which comprises the steps of forming a polyether polyol mixture, and respectively adding the polyether polyol mixture and isocyanate into two storage tanks; drawing the loosened continuous glass fiber filaments through a vertically arranged forming die by drawing equipment, simultaneously fully mixing polyether polyol and isocyanate bi-components by a foaming machine, then injecting the mixture into a die cavity in multiple directions, and fully infiltrating the glass fiber filaments by ultrasonic treatment; foaming and curing the impregnated glass fiber under the action of microwave; and cooling and shaping the mixture by a shaping device and cutting the mixture at a fixed length to obtain the continuous glass fiber reinforced polyurethane foaming section. According to the invention, the mold is vertically arranged, and the high vacuum impregnation area, the ultrasonic infiltration device and the microwave curing device are arranged, so that the uniform dispersion and arrangement of glass fibers in the inner cavity of the mold are facilitated, and the defects of high glass fiber density at the lower part of the inner cavity, low glass fiber density at the upper part and large pores caused by the sagging of the glass fibers in the mold are avoided.)
技术领域
本发明涉及聚氨酯复合材料制备
技术领域
，特别是涉及一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统。背景技术
聚氨酯(PU)发泡材料在冰箱保温层、鞋底、建筑墙板、床垫、汽车内饰件等有广泛应用。
目前，已有采用连续纤维增强硬质聚氨酯型材的拉挤制备技术用于各类承力结构制品的制备，但是由于工艺条件的限制，存在的缺陷有：
第一，采用高压将聚氨酯原料强行挤压到增强纤维之间，迫使无法排出的空气被挤压在增强纤维与树脂之间，形成较差的界面结合，导致最终获得的增强聚氨酯型材的机械性能较差；第二，采用高压强行挤压工艺，聚氨酯根本无法发泡，根本无法获得增强聚氨酯微孔发泡型材；第三，由于现有的固有成型工艺系统，模具水平设置，玻纤在模具中下垂，导致内腔下部玻纤密度高，上部密度低，孔隙大，因此影响其力学性质，力学性质不佳，同时，通过普通的玻纤浸润工艺，浸润效果差，影响最终产品的力学性能。
因此，本领域亟需一种适当浸润效率、材料力学性能优良的连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型工艺。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型工艺中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中一个目的是，克服现有连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型工艺中的不足，提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺，包括，
将交联剂、催化剂、表面活性剂、微晶纤维素、胍类齐聚物、阻燃剂加入聚醚多元醇和聚酯多元醇中，形成聚醚多元醇混合物，将聚醚多元醇混合物和异氰酸酯分别加入两个储罐中，并保持两个储罐20℃恒温；
将连续玻纤束经过烘道除去表面吸附的水分，再经蓬松处理装置处理后使之呈极度蓬松的状态；
将疏松后的连续玻纤丝经牵引设备，牵引通过垂直设置的成型模具，同时聚醚多元醇和异氰酸酯双组分经发泡机充分混合后高速、多方向注射至模具腔内，超声处理，充分的浸润玻纤丝；
浸渍后的玻纤在微波作用下发泡、固化；
经过冷却定型装置和定长切割设备，从而得到连续玻纤增强的聚氨酯发泡型材。
作为本发明所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺的一种优选方案，其中：所述成型模具中，发泡固化温度为25～40℃，起泡时间为1～2.5min，发泡交联时间为1～2min，固化时间为5～10min。
作为本发明所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺的一种优选方案，其中：所述超声处理，超声频率为40KHz，超声功率为0.5～2KW。
作为本发明所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺的一种优选方案，其中：所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料，包括，
聚醚多元醇混合物和异氰酸酯组成的发泡体系和增强材料；
其中，聚醚多元醇混合物为交联剂、催化剂、表面活性剂、微晶纤维素、胍类齐聚物、阻燃剂、聚醚多元醇和聚酯多元醇组成的混合物；
其中，以发泡体系中各原料的重量份计，所述聚醚多元醇为75～85份，所述聚酯多元醇为10～25份，所述交联剂为0.5～2份，所述催化剂0.2～1份，所述表面活性剂为0.5～2份，所述微晶纤维素为0.5～3份，所述胍类齐聚物为0.2～2份，所述异氰酸酯为100～110份；
其中，增强材料为采用表面活化预处理后的连续玻纤丝；
所述增强材料与聚醚多元醇混合物和异氰酸酯组成的发泡体系的质量比为0.5～2：1。
作为本发明所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺的一种优选方案，其中：所述聚醚多元醇混合物，其浸润度为86.6～99.6％，所述浸润度的计算公式如下：
其中，ρ产品为实验产品的密度，ρ标准为标准产品的密度，S为产品的截面积，n为玻纤的股数，Tex为每股玻纤1000m的质量。
作为本发明所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺的一种优选方案，其中：所述聚醚多元醇混合物的黏度在40℃时为200～400mPa.s，平均官能度处于2～5之间。
作为本发明所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺的一种优选方案，其中：所述微晶纤维的长度为10～50μm，微晶纤维表面的羟基个数为11～14×1019个。
作为本发明所述连续玻纤增强聚氨酯发泡材料的成型工艺的一种优选方案，其中：所述聚酯多元醇包括聚己二甲酸缩甲基乙二醇酯；
所述聚醚多元醇包括甘油聚环氧乙烷与乙二胺聚环氧丙烷按照体积比1:1组合而成的复合物；
所述交联剂包括乙二醇；
所述催化剂包括由三乙醇胺、三乙烯二胺、四甲基乙二胺按质量比1:1:1组成的复合物。
本发明再一个目的是，提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料拉挤成型工艺的成型系统。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型工艺的成型系统，包括，
玻纤预处理装置，包括烘道、导板和玻纤梳理机和穿纱板；
成型装置，包括模具、抽真空装置、超声浸润装置、微波熟化装置和进料装置，其中，模具垂直设置，抽真空装置和进料装置设置在模具的上端，微波熟化装置设置在超声浸润装置下端；
原料存贮装置，包括料泵A、料泵B和挤出发泡机，所述挤出发泡机与进料装置连通；
冷却定型装置；
牵引装置；
切割装置。
本发明有益效果：
(1)本发明提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统，通过模具垂直设置，同时，设置高真空浸渍区、超声浸润装置、微波熟化装置，更有利于玻纤在模具内腔中的均匀分散及排布，规避了水平设置时因重力作用，玻纤在模具中下垂，导致内腔下部玻纤密度高，上部密度低，孔隙大的缺陷。
(2)本发明提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统，通过模具垂直设置，更有利于玻纤的充分浸润，模具垂直时，树脂从上部注入内腔，在重力作用下往下部流动并充分浸润玻纤，避免了模具水平设置时，树脂垂直向下流动、积聚在底部，导致内腔下层玻纤及树脂的量都比上层多，从而同一截面上物料密度形成差异；同时，本发明通过模具垂直设置，物料在牵引作用下向下移动，树脂向上发泡，避免了水平设置时树脂回流现象，从而导致发泡效果不佳，产品力学性能下降的“缺陷”。
(3)本发明提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统，通过模具垂直设置，同时结合特定的聚醚多元醇浸润度，实现最佳的产品力学性能，本发明中树脂的粘度在浸润玻纤的过程中起到极其关键的作用，浸润的程度又影响着树脂与玻纤之间的界面结合，从而对于产品的力学性能有着重要的影响，本发明引入浸润度的概念，在特定的玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺系统条件下，结合特定的浸润度，实现良好的浸润效果，最终实现产品最佳的力学特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的基础实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型系统图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
(1)基体原料的配制：将发泡体系中各原料的重量份计，按如下配比配制组合聚醚，充分混合后，加入A储罐中；
组合聚醚的浸润度的计算公式如下：
其中，ρ产品为实验产品的密度，ρ标准为标准产品的密度，S为定型产品的截面积，n为玻纤的股数，Tex为每股玻纤1000m的质量；
计算得到组合聚醚的浸润度99％；
组合聚醚的黏度在40℃时为300mPa.s，平均官能度为3.2；
同时将异氰酸酯加入储罐B中，其中异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI) 105份
(2)增强材料：采用KH550硅烷偶联剂对表面进行预处理的连续玻纤丝，所述基体原料与增强材料的重量占比为5：5。
(3)成型工艺：
图1为本发明实施例连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型系统图，本发明连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型系统，包括，
玻纤预处理装置100，包括烘道101、导板102和玻纤梳理机103和穿纱板104；
成型装置200，包括模具201、抽真空装置202、超声浸润装置203、微波熟化装置204和进料装置205，其中，模具201垂直设置，抽真空装置202和进料装置203设置在模具201的上端，微波熟化装置204设置在超声浸润装置203下端；
原料存贮装置300，包括料泵A301、料泵B302和挤出发泡机303，所述挤出发泡机303与进料装置205连通；
冷却定型装置400；
牵引装置500；
切割装置600。
具体的，本发明连续玻纤增强聚氨酯微孔发泡型材成型系统中，成型装置200垂直设置(指垂直与水平面)，更有利于玻纤的充分浸润，模具垂直时，树脂从上部注入模具201内腔，在重力作用下往下部流动并充分浸润玻纤，避免了模具水平设置时，树脂垂直向下流动、积聚在底部，导致内腔下层玻纤及树脂的量都比上层多，从而同一截面上物料密度形成差异；同时，本发明通过模具垂直设置，物料在牵引作用下向下移动，树脂向上发泡，避免了水平设置时树脂回流现象，从而导致发泡效果不佳，产品力学性能下降的不足。
进一步的，将交联剂、催化剂、表面活性剂、微晶纤维素、胍类齐聚物、阻燃剂按配比加入聚醚、聚酯多元醇中形成聚醚多元醇混合物，充分搅拌混合后加入料泵A301中，将异氰酸酯加入料泵B302中，并保持两个料泵20℃恒温；
模具201内通过抽真空装置202高速抽空，在封闭下形成高真空；
将玻纤束原料经过烘道101除去表面吸附的水分，再经导板102、玻纤梳理机103处理后使之呈极度蓬松的状态，通过穿纱板104从模具201顶端导入模具201，使富含空气的纤维突遇真空，于是在模具201中进一步脱气蓬松，并迅速脱除干净纤维中富含的空气；
聚醚多元醇和异氰酸酯双组分经发泡机充分混合后，通过进料装置205，以420mL/min速率多方向注射至模具203内，由于纤维已不含夹带的空气，从而可以充分浸渍增强纤维，同时让胶液汇集、堆积在此工段，纤维就会均匀地如同浸入胶槽一般浸入胶液，更有利于纤维的浸润；
接下来结合超声浸润装置203的超声作用，更有利于胶液分散在每束玻纤的纤维之间，从而实现最充分的浸渍；
接下来物料经过1min左右起泡时间后，进入微波熟化装置204(温度控制在60℃)，在无压状态下自由发泡，并在1min后完成发泡与交联，之后5min基本完成固化；
再经冷却定型装置400处理后，通过牵引装置500送入切割装置600中切割，得到连续玻纤增强的聚氨酯发泡型材。
(4)测得连续玻纤增强的聚氨酯发泡型材制品的密度为0.70，玻纤含量为50％，国际著名品牌公司产品的密度为0.68，玻纤含量为49％，与实施例1较为接近，其主要力学性能与国际著名品牌公司产品比较如表1所示。
表1
可以看到实施例1中的制品和国际著名品牌公司的产品密度和玻纤含量相差不大，但是力学性能却优异很多，同时测得实施例1中的制品霉变等级为0级，氧指数为32％，完全可以实现铁路轨枕的工业化应用。
对照例1
(1)依据实施例1的配方制备型材；
(2)成型工艺：
模拟现有增强聚氨脂拉挤技术(CN110802852A)，即模具水平放置；
实施例1与对照例1性能对比见表2。
表2
由表2可以清楚看得到，按照现有增强聚氨脂拉挤技术，采用完全相同的材料配方，得到的增强聚氨脂型材的密度大，模具水平放置，树脂垂直向下流动、积聚在底部，导致内腔下层玻纤及树脂的量都比上层多，从而同一截面上物料密度形成差异，从而对其力学性能产生不良影响。
而实施例1将模具垂直放置，树脂在玻纤内部浸润更充分，发泡更均匀，同一截面上玻纤分布更均匀，因而密度相对更低，整体力学性能更优。
对照例2
在实施例1的工艺基础上，不采用超声浸润装置，制得板材，结果见表3。
表3
从表3可以看出，超声浸润装置对型材密度影响不明显。不采用超声浸润装置制得的型材整体力学性能都偏低，这是因为超声作用使玻纤更均匀的分布在树脂体系中，同时树脂更充分的浸润、包裹到每根玻纤丝，从而两者界面结合效果更佳理想，所以提升了型材的整体强度。
对照例3
在实施例1的工艺基础上，不设置微波熟化装置204，即：替换为常规加热板加热，温度控制在60℃，在无压状态下自由发泡，并在1min后完成发泡与交联，之后5min基本完成固化，再经冷却定型装置400处理后，通过牵引装置500送入切割装置600中切割，得到连续玻纤增强的聚氨酯发泡型材最终制得板材成品，结果见表4。
表4
从表4可以看出，常规加热板加热属于热传导，传热慢，不均匀，型材内部发泡及固化速度低于表层，所以发泡及固化不均匀，性能较差。而微波加热更均匀，发泡更均匀，整体性能更好。
对照例4
组合聚醚的浸润度的计算公式如下：
其中，ρ产品为实验产品的密度，ρ标准为标准产品的密度，S为定型产品的截面积，n为玻纤的股数，Tex为每股玻纤1000m的质量
计算得到不同的聚醚多元醇的浸润度：
试验1：浸润度为82％；
试验2：浸润度为87％；
试验3：浸润度为90％；
试验4：浸润度为95％；
按照实施例1中的制备工艺，制得板材成品，测定聚氨酯发泡型材板材成品的性质，结果见表5。
表5
从表5可以看出，不同浸润度制备的型材密度差异不明显，这是因为注入体系内的组合料量是一定的，但型材的性能差异非常明显。从表5看出，浸润度越高，型材整体力学强度越高，说明组合料和玻纤经过充分的包裹，两者相容性更好。
对照例5
在实施例1的基础上，配置聚醚多元醇混合物的平均官能度依次为：
试验5：聚醚多元醇混合物的平均官能度为2.5；
试验6：聚醚多元醇混合物的平均官能度为3；
试验7：聚醚多元醇混合物的平均官能度为3.5；
试验8：聚醚多元醇混合物的平均官能度为4；
按照实施例1中的制备工艺，制得板材成品，测定聚氨酯发泡型材板材成品的性质，测定聚氨酯发泡型材板材成品的性质，结果见表6。
表6
对照例6
在实施例1的基础上，设置不同的微晶纤维参数，试验如下：
试验9：微晶纤维的长度为5μm，微晶纤维表面的羟基个数为1.1×1019个；
试验10：微晶纤维的长度为10μm，微晶纤维表面的羟基个数为1.3×1020个；
试验11：微晶纤维的长度为40μm，微晶纤维表面的羟基个数为1.2×1020个；
试验12：微晶纤维的长度为50μm，微晶纤维表面的羟基个数为1.4×1020个；
试验13：微晶纤维的长度为50μm，微晶纤维表面的羟基个数为1.6×1020个；
试验14：微晶纤维的长度为60μm，微晶纤维表面的羟基个数为1.6×1020个；
按照实施例1中的制备工艺，制得板材成品，测定聚氨酯发泡型材板材成品的性质，结果见表7。
表7
可以看出，微晶纤维的长度必须控制在10～50μm之间，过短起不了成核剂作用，过长微晶纤维会穿过多个泡孔，明显破坏泡孔的结构，降低了材料的性能。同时微晶纤维表面的羟基个数必须在11～14×1019个，过少起不到成核剂的作用，过多大幅度提高了体系的交联度，影响了泡孔的发起。
本发明中复合聚醚的黏度在40℃时需控制在200～400mPa.s范围内，高于该设定黏度无法达到良好的浸渍，黏度太低，组合料在模具内流动性太高，无法控制发泡及固化，这一点无容置疑，是材料成败的关键。可以看出，复合聚醚的平均官能度要处于2～5之间，否则不能正常发泡，也是材料成败的一个关键。
同时，本发明体系的A料、B料以及玻纤控制在工艺温度±2.5℃范围内，这些物料一旦超出该范围，无论是对化学反应还是对发泡的气孔结构都会造成破坏。本发明垂直系统纤维是垂直的，所以纤维不会偏向一边，因而可以按照分丝板的排列而分布。
本发明提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统，通过模具垂直设置，同时，设置高真空浸渍区、超声浸润装置、微波熟化装置，更有利于玻纤在模具内腔中的均匀分散及排布，规避了水平设置时因重力作用，玻纤在模具中下垂，导致内腔下部玻纤密度高，上部密度低，孔隙大的缺陷。
本发明提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统，通过模具垂直设置，更有利于玻纤的充分浸润，模具垂直时，树脂从上部注入内腔，在重力作用下往下部流动并充分浸润玻纤，避免了模具水平设置时，树脂垂直向下流动、积聚在底部，导致内腔下层玻纤及树脂的量都比上层多，从而同一截面上物料密度形成差异；同时，本发明通过模具垂直设置，物料在牵引作用下向下移动，树脂向上发泡，避免了水平设置时树脂回流现象，从而导致发泡效果不佳，产品力学性能下降的“缺陷”。
本发明提供一种连续玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺及其系统，通过模具垂直设置，同时结合特定的聚醚多元醇浸润度，实现最佳的产品力学性能，本发明中树脂的粘度在浸润玻纤的过程中起到极其关键的作用，浸润的程度又影响着树脂与玻纤之间的界面结合，从而对于产品的力学性能有着重要的影响，本发明引入浸润度的概念，在特定的玻纤增强聚氨酯发泡材料成型工艺系统条件下，结合特定的浸润度，实现良好的浸润效果，最终实现产品最佳的力学特性。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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