一种纤维增强聚氨酯仿木及其成型方法
阅读说明：本技术 一种纤维增强聚氨酯仿木及其成型方法 (Fiber-reinforced polyurethane wood-like material and forming method thereof ) 是由 张金龙 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及仿木技术领域,尤其涉及一种纤维增强聚氨酯仿木及其成型方法。一种纤维增强聚氨酯仿木包括：基体和增强体,基体的成分包括聚醚多元醇、聚酯多元醇、发泡剂；聚醚多元醇的羟值为50-700mgKOH/g,官能度2.5-8,黏度为300-10000mPa·s；聚酯多元醇的羟值为200-500mgKOH/g,官能度为2.4-3,黏度小于等于5000mPa·s；增强体设置于基体内,为以纤维各向均匀分布的连续纤维毡织物。本发明的一种纤维增强聚氨酯仿木,具有以下优势：增强材料均匀排布,改善了产品性能均匀性,避免了应力集中现象,强度较高,并且具有良好的绝缘性和保温效果,整体成型效率高,可满足多种领域的仿木应用需求。(The invention relates to the technical field of wood imitation, in particular to a fiber reinforced polyurethane wood imitation and a forming method thereof. A fiber reinforced polyurethane wood-like article comprising: the components of the matrix comprise polyether polyol, polyester polyol and a foaming agent; the hydroxyl value of the polyether polyol is 50-700mgKOH/g, the functionality is 2.5-8, and the viscosity is 300-10000mPa & s; the hydroxyl value of the polyester polyol is 200-500mgKOH/g, the functionality is 2.4-3, and the viscosity is less than or equal to 5000mPa & s; the reinforcement is arranged in the matrix and is a continuous fiber felt fabric with uniformly distributed fibers in each direction. The fiber-reinforced polyurethane wood-like material has the following advantages: the reinforcing materials are uniformly distributed, the product performance uniformity is improved, the stress concentration phenomenon is avoided, the strength is higher, the insulating property and the heat preservation effect are good, the integral forming efficiency is high, and the wood-like application requirements in various fields can be met.)
技术领域
本发明涉及仿木
技术领域
，尤其涉及一种纤维增强聚氨酯仿木及其成型方法。背景技术
随着人们生活水平的日益提高，对优质木材的需求量越来越大。但是，木材成长周期普遍较长，人类快速增长的木材需求，导致了森林被大面积的毁坏，造成了水土流失，土地沙漠化，生态环境被严重破坏。为解决优质木材短缺的问题及保护自然环境，人们开始研制各式各样的仿木材料，包括各类胶合板、木塑复合材料、玻璃钢复合材料、聚氨酯仿木材料等等。其中聚氨酯仿木材料因比强度高、成型工艺多样，防腐绝缘、保温隔热性能好，且环保等综合优势，因此获得日益广泛的应用。
但是，制作仿木的工艺不同，材料不同，形成的仿木质量也千差万别。例如，公开号为CN 109304874 A的中国发明专利提出一种纤维增强聚氨酯泡沫板的连续生产工艺，所述板材的增强材料包含连续玻璃纤维、玻璃纤维毡、短切玻璃纤维三种增强材料，三种增强材料难以均匀排布造成产品性能均匀性欠佳，并且短切纤维容易裸露于板材表面造成表面平整性差或应力集中现象。公开号为CN108148166 A的中国发明专利提出了一种连续玻璃纤维毡增强聚氨酯泡沫复合材料，该泡沫具有良好的低温压缩强度和保温性能，适用于LNG船保温领域。但该发明是将增强材料提前铺设于模具中，然后浇注聚氨酯在模具中发泡固化成型，需要在模具中固化2小时，并且在保温房后熟化48h以上，整体成型效率较低，此外该板材密度较低，强度较低，不适合作为承力部件使用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种纤维增强聚氨酯仿木，采用以聚氨酯硬质泡沫为基体，以纤维各向均匀分布的连续纤维毡织物为增强材料，解决了增强材料难以均匀排布造成产品性能均匀性欠佳，并且短切纤维容易裸露于板材表面造成表面平整性差和应力集中现象，以及整体成型效率较低，板材密度较低，强度较低，不适合作为承力部件使用等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种纤维增强聚氨酯仿木，包括：基体，通过聚氨酯树脂发泡形成的硬质聚氨酯泡沫，所述基体的成分包括聚醚多元醇、聚酯多元醇、发泡剂；
所述聚醚多元醇的羟值为50-700mgKOH/g，官能度2.5-8，黏度为300-10000mPa·s；
所述聚酯多元醇的羟值为200-500mgKOH/g，官能度为2.4-3，黏度小于等于5000mPa·s；
增强体，设置于所述基体，所述增强体为以纤维各向均匀分布的连续纤维毡织物。
进一步的，所述聚醚多元醇包括第一聚醚多元醇和第二聚醚多元醇；
所述第一聚醚多元醇的羟值为300-700mgKOH/g，官能度4-8，黏度不超过10000mPa·s；
所述第二聚醚多元醇的羟值为50-400mgKOH/g，官能度2.5-4.0，黏度为300-2000mPa·s。
进一步的，所述基体的成分配比为：所述第一聚醚多元醇30-70重量份，所述第二聚醚多元醇10-30重量份，所述聚酯多元醇20-40重量份，所述发泡剂0.3-10重量份，阻燃剂5-15重量份，催化剂0.1-1重量份，表面活性剂1-3重量份，紫外吸收剂0.2-0.5重量份，抗氧剂0.2-0.5重量份，多异氰酸酯100-150重量份。
进一步的，所述发泡剂还包含化学发泡剂——水。
进一步的，所述阻燃剂为三(2-氯乙基)磷酸酯、三(2-氯丙基)磷酸酯、磷酸三乙酯、甲基磷酸二甲酯、三氧化二锑中的一种或几种组合。
一种纤维增强聚氨酯仿木的成型方法，用于制造如上述任意一项所述的纤维增强聚氨酯仿木，所述成型方法包括：
S100、准备聚氨酯树脂材料；
将多异氰酸酯按照指定比例注入到第一浇注容器内，将第一聚醚多元醇、第二聚醚多元醇、聚酯多元醇、发泡剂、阻燃剂、催化剂、表面活性剂、紫外吸收剂和抗氧剂按指定比例混合后注入第二浇注容器内；
S200、纤维增强材料在传输设备上排布，并且，通过传输设备牵引移动；
S300、浇注所述聚氨酯树脂；
通过所述传输设备将所述纤维增强材料牵引到所述第一浇注容器和所述第二浇注容器处，所述多异氰酸酯与所述第一聚醚多元醇、所述第二聚醚多元醇、所述聚酯多元醇、所述发泡剂、所述阻燃剂、所述催化剂、所述表面活性剂、所述紫外吸收剂和所述抗氧剂混合后浇注于所述纤维增强材料上；
S400、将所述聚氨酯树脂均匀浸渍到所述纤维增强材料中；
S500、在高温环境下，固化所述聚氨酯注胶，并且，通过物理发泡剂的汽化或所述聚氨酯注胶内的化学反应形成纤维增强聚氨酯仿木。
进一步的，在步骤S200中，包括：
S210、铺设下层脱模纸。
进一步的，在步骤S400中，包括：
S410、通过振动的方式使浇注在所述纤维增强材料表面的聚氨酯树脂快速均匀的渗透入纤维增强材料内部；
S420、铺设上层脱模纸；
S430、通过挤压的方式排除所述纤维增强材料内的空气气泡，通过在所述纤维增强材料的两侧设置的压辊进行挤压，两侧的所述压辊的间距可调。
进一步的，S600、裁切所述纤维增强聚氨酯仿木。
进一步的，通过成型装置进行仿木成型，所述成型装置包括：
传输设备，包括：
传送带；
履带机模具，纤维增强材料通过传送带和履带机模具牵引，从所述传送带向所述履带机模具方向传送；
浇注设备，设置于所述传送带和所述履带机模具之间，包括第一浇注容器和第二浇注容器，所述第一浇注容器和所述第二浇注容器与浇注器连接，通过所述浇注器将聚氨酯注胶浇注于所述纤维增强材料上；
振动设备，设置于所述浇注设备和所述履带机模具之间；
压辊设备组，包括：
第一压辊机构，设置于所述传送带的上方，通过所述第一压辊机构和所述传送带夹持所述纤维增强材料；
第二压辊机构，设置于所述浇注设备和所述履带机模具之间，包括上层压辊和下层压辊，通过所述上层压辊和所述下层压辊的挤压排除所述纤维增强材料内的空气气泡。
相对于现有技术，本发明所述的一种纤维增强聚氨酯仿木，具有以下优势：
本技术方案优点在于采用以聚氨酯硬质泡沫为基体，以纤维各向均匀分布的连续纤维毡织物为增强材料，增强材料均匀排布，改善了产品性能均匀性，避免了应力集中现象，提高了整体成型效率，通过调整工艺参数，可制备不同密度、不同性能的增强型聚氨酯仿木制品，以满足不同领域等应用需求。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的成型装置结构的示意图。
附图标记说明：
1-传送带，2-履带机模具，3-浇注设备，31-第一浇注容器，32-第二浇注容器，33-浇注器，331-横扫部件，332-梳型注胶管，4-振动设备，5-压辊设备组，51-第一压辊机构，52-第二压辊机构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明中涉及“第一”、“第二”、“上”、“下”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“上”、“下”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当实施例之间的技术方案能够实现结合的，均在本发明要求的保护范围之内。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种纤维增强聚氨酯仿木，包括：基体和增强体。
基体通过聚氨酯树脂发泡形成的硬质聚氨酯泡沫，所述基体的成分包括聚醚多元醇、聚酯多元醇、发泡剂。所述聚醚多元醇的羟值为50-700mgKOH/g，官能度2.5-8，黏度为300-10000mPa·s。所述聚酯多元醇的羟值为200-500mgKOH/g，官能度为2.4-3，黏度小于等于5000mPa·s。
增强体设置于所述基体，所述增强体为以纤维各向均匀分布的连续纤维毡织物。
采用以聚氨酯硬质泡沫为基体，以纤维各向均匀分布的连续纤维毡织物为增强材料，增强材料均匀排布，改善了产品性能均匀性，表面平整性，避免了应力集中现象，提高了整体成型效率，提高了板材密度和强度，适合作为承力部件使用。
具体的，所述聚醚多元醇包括第一聚醚多元醇和第二聚醚多元醇。所述第一聚醚多元醇的羟值为300-700mgKOH/g，官能度4-8，黏度不超过10000mPa·s，优选为羟值400-500mgKOH/g，官能度4.5-5.0，黏度不超过4000mPa·s。所述第二聚醚多元醇的羟值为50-400mgKOH/g，官能度2.5-4.0，黏度为300-2000mPa·s，优选的为羟值100-200mgKOH/g，官能度2.7-3.0，黏度500-1000mPa·s。
进一步的，所述基体的成分配比为：所述第一聚醚多元醇30-70重量份，所述第二聚醚多元醇10-30重量份，所述聚酯多元醇20-40重量份，所述发泡剂0.3-10重量份，阻燃剂5-15重量份，催化剂0.1-1重量份，表面活性剂1-3重量份，紫外吸收剂0.2-0.5重量份，抗氧剂0.2-0.5重量份，多异氰酸酯100-150重量份。
具体的，所述的聚氨酯发泡树脂发泡剂包含化学发泡剂——水，以及环保型物理发泡剂：1,1,1,3,3五氟丙烷(HFC-245fa)、反式1-氯-3,3,3-三氟丙烯(HFO-1233zd(E))、液态二氧化碳中的一种或几种组合。对于密度大于300kg/m3的增强型聚氨酯泡沫产品，优选化学发泡剂——水作为发泡剂；对于密度小于300kg/m3的增强型聚氨酯泡沫，优选化学发泡剂与物理发泡剂组合作为发泡剂。
所述的聚氨酯发泡树脂所用的多异氰酸酯，优选黏度100-300mPa·s,异氰酸根含量为30-32％的多苯基多亚甲基多异氰酸酯(聚合MDI)。
进一步的，所述阻燃剂为三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、三(2-氯丙基)磷酸酯(TCPP)、磷酸三乙酯(TEP)、甲基磷酸二甲酯(DMMP)、三氧化二锑中的一种或几种组合。优选性能稳定且价格低廉的TCCP或TCEP与三氧化二锑组合作为复合阻燃剂。
所述的聚氨酯发泡树脂催化剂是由胺类催化剂和有机锡催化剂组合的复合催化剂，所得组合料具有较长的起发时间(3min以上)及较快的后固化速度，有利于纤维增强材料的充分浸渍和产品的快速固化脱模。
一种纤维增强聚氨酯仿木的成型方法，用于制造如上述任意一项所述的纤维增强聚氨酯仿木，所述成型方法包括：
S100、准备聚氨酯树脂材料；
将聚合MDI按照指定比例注入到第一浇注容器内，将第一聚醚多元醇、第二聚醚多元醇、聚酯多元醇、发泡剂、阻燃剂、催化剂、表面活性剂、紫外吸收剂和抗氧剂按指定比例混合后注入第二浇注容器内。
S200、纤维增强材料在传输设备上排布，并且，通过传输设备牵引移动；
S210、铺设下层脱模纸。
纤维增强材料为多层纤维连续毡或连续纤维织物，其面密度为300-900g/m2。
S300、浇注所述聚氨酯树脂；
通过所述传输设备将所述纤维增强材料牵引到所述第一浇注容器和所述第二浇注容器处，所述多异氰酸酯与所述第一聚醚多元醇、所述第二聚醚多元醇、所述聚酯多元醇、所述发泡剂、所述阻燃剂、所述催化剂、所述表面活性剂、所述紫外吸收剂和所述抗氧剂混合后浇注于所述纤维增强材料上。
S400、将所述聚氨酯树脂均匀浸渍到所述纤维增强材料中；
S410、通过振动的方式使浇注在所述纤维增强材料表面的聚氨酯树脂快速均匀的渗透入纤维增强材料内部；
S420、铺设上层脱模纸；
S430、通过挤压的方式排除所述纤维增强材料内的空气气泡，通过在所述纤维增强材料的两侧设置的压辊进行挤压，两侧的所述压辊的间距可调。其中，间距调节保证可排除纤维增强材料内部的空气气泡，但不会将树脂挤出。
S500、在高温环境下，固化所述聚氨酯树脂，并且，通过物理发泡剂的汽化或所述聚氨酯树脂内的化学反应形成聚氨酯泡沫。
S600、裁切所述纤维增强聚氨酯仿木。
进一步的，如图1所示，通过成型装置进行仿木成型，所述成型装置包括：传输设备、浇注设备3、振动设备4和压辊设备组5。
传输设备包括：传送带1和履带机模具2。
在步骤S200中，纤维增强材料排布于传送带1上。
履带机模具2，纤维增强材料通过传送带1和履带机模具2牵引，从所述传送带1向所述履带机模具2方向传送，传送带1转动线速度和履带机模具2转动线速度相同，以确保纤维增强材料的平整排布。经过聚氨酯树脂充分浸渍的纤维增强材料被牵引进入履带机模具2，履带机模具2温度设置为50-100℃，速度为0.5m/min-3.0m/min，速度与增强材料牵引速度相同，聚氨酯树脂在履带机模具2内发生发泡和固化。
浇注设备3，设置于所述传送带1和所述履带机模具2之间，包括第一浇注容器31和第二浇注容器32，所述第一浇注容器31和所述第二浇注容器32与浇注器33连接，通过所述浇注器33将聚氨酯树脂浇注于所述纤维增强材料上。
浇注器33包括横扫部件331和梳型注胶管332，横扫部件331可以在纤维增强材料的宽度方向上移动，移动速度、范围及频率可以设置。梳型注胶管332总长度为100-500mm，在梳型注胶管332设有多个注胶孔(图中未示)，每个注胶孔43间距为10-30mm，孔径1-3mm。
振动设备4，设置于所述浇注设备3和所述履带机模具2之间。振动设备4可以上下振动，振动频率为1-50HZ，振幅10-50mm，通过振动设备4可以使浇注在纤维增强材料表面的聚氨酯树脂快速均匀的渗透入纤维增强材料内部。
压辊设备组5，包括：第一压辊机构51和第二压辊机构52。
第一压辊机构51设置于所述传送带1的上方，通过所述第一压辊机构51和所述传送带1夹持所述纤维增强材料。
如图1所示的传输设备为单层纤维增强材料排布与传送带1上，与一组第一压辊机构51配合。当排布多层纤维增强材料时，每层纤维增强材料均排布于一个传送带1上，并配合一组第一压辊机构51。
第二压辊机构52，设置于所述浇注设备3和所述履带机模具2之间，包括两对以上的上层压辊和下层压辊，通过所述上层压辊和所述下层压辊的挤压排除所述纤维增强材料内的空气气泡。
第二压辊机构52的每对上层压辊和下层压辊之间的距离可调，通过压辊间距调整，可有效排除连续毡内空气气泡，且不会挤出纤维毡内部的树脂。生产的聚氨酯泡沫聚氨酯仿木泡孔均匀细腻。
以下以不同的配方和工艺参数，通过上述成型方法形成的纤维增强聚氨酯仿木为实施例，说明各种纤维增强聚氨酯仿木形成的结果。
实施例1
实施例1采用的聚氨酯树脂配方为：第一聚醚多元醇50份，第二聚醚多元醇20份，聚酯多元醇30份，阻燃剂10份，发泡剂HFC-245fa 9份和水0.5份，复合催化剂0.8份，紫外吸收剂0.25份，抗氧剂：0.25份，聚合MDI 120份。
连续成型工艺参数为：
增强材料：6层面密度450g/m2玻璃纤维连续毡。
聚氨酯树脂浇注流量：18.6kg/min；
模具运行速度：1.2m/min；
模具截面尺寸：1220mm×100mm；
成型温度：80℃；
根据本实施例中的工艺参数，所制备的聚氨酯泡沫板材基本性能如表1。
表1
注：除表观密度外，其他项均为延厚度方向进行测试的结果，下同。
实施例1生产的产品具有较低的导热系数，适用于对保温性能要求较高，对载荷性能要求不高的聚氨酯仿木领域。
实施例2
实施例2采用的聚氨酯树脂配方为：发泡剂1.0份水，复合催化剂0.5份，聚合MDI135份，其他组分与实施例1相同。
连续成型工艺参数为：
增强材料：4层450g/m2玻璃纤维连续毡
聚氨酯树脂浇注流量：10.8kg/min
模具运行速度：1.0m/min
模具截面尺寸：1220mm×30mm；
成型温度：70℃
根据本实施例中的工艺参数，所制备的聚氨酯泡沫板材基本性能如表2。
表2
实施例2生产的聚氨酯泡沫产品具有相对较低的导热系数及良好的力学性能(与普通木材相比)，适用于对保温性能及防腐绝缘性能要求较高，同时对载荷性能有一定要求的聚氨酯仿木领域。
实施例3
实施例3采用的聚氨酯树脂配方为：发泡剂0.7份水，复合催化剂0.3份，聚合MDI125份，其他组分与实施例1相同。。
连续成型工艺参数为：
增强材料：4层面密度为600g/m2玻璃纤维连续毡；
聚氨酯树脂浇注流量：6.7kg/min；
模具运行速度：0.8m/min；
模具截面尺寸：1220mm×18mm；
成型温度：70℃。
根据本实施例中的工艺参数，所制备的聚氨酯泡沫板材基本性能如表3。
表3
实施例3生产的聚氨酯泡沫产品具有优异的力学性能，与优质松木、柏木胶合板等材料力学性能相当，同时具有较好的保温、阻燃效果及较低的吸水率，适用于对保温性能有一定要求，同时对防腐性能、载荷性能要求较高的聚氨酯仿木领域，例如海运集装箱底板、人造地板等等。
实施例4
实施例4采用的聚氨酯树脂配方为：发泡剂0.4份水，复合催化剂0.2份，聚合MDI110份，其他组分与实施例1相同。
连续成型工艺参数为：
增强材料：15层面密度为900g/m2玻璃纤维织物，分成3层进行注胶；
聚氨酯树脂浇注流量：11.2kg/min；
模具运行速度：0.6m/min；
模具截面尺寸：620mm×60mm；
成型温度：70℃。
根据本实施例中的工艺参数，所制备的聚氨酯泡沫板材基本性能如表4。
表4
实施例4生产的聚氨酯泡沫产品具有优异的力学性能，可用于载荷性能要求较高领域，例如铁路轨枕，仿木建筑大梁、立柱等等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
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