纖維增強的聚氨酯復合材料板材的制作方法
【專利摘要】具有至少12mm厚度的纖維增強的聚氨酯復合材料板材含有至少20wt%的包埋于聚氨酯聚合物基體中的增強纖維，所述聚氨酯聚合物基體的計算的交聯(lián)點間分子量為450至2500。所述復合材料板材具有優(yōu)異的載荷性能并顯示出載荷下微小的永久變定。
【專利說明】纖維增強的聚氨酯復合材料板材
[0001]本發(fā)明涉及纖維增強的聚氨酯復合材料板材，并涉及制備那些板材的方法。
[0002]在許多應用中使用高載荷的板材。有時將這些板材用作支撐車行交通或人行交通的臨時性或永久性表面。還發(fā)現(xiàn)這些板材用于建筑應用(作為增強材料)和諸如柵板(grating)、下水道井蓋、橋面板和船體的應用中。通常需要板材承受巨大的所施加的載荷并且這樣做沒有永久性的形變。常常地，有地方政府規(guī)定的在特定應用中必須滿足的載荷和永久變定的性能標準。
[0003]由于這些板材需要巨大的載荷容量，所以它們一般由金屬(主要是鑄鐵或鑄鋼)或混凝土制造。金屬和混凝土板材具有非常笨重的缺點。它們的重量可以使板材非常難于搬運。即使小板材常常是如此重以致于它們不能容易地手動搬移。人們認為提舉這些板材的扭傷造成了搬運它們的工人當中的許多肌骨胳疾病。金屬板材的另外的問題在于金屬具有相當大的報廢價值，且由于該原因，板材常常被偷從而可以將它們作為廢料販賣。
[0004]復合材料板材潛在地提供了較低重量和低報廢價值的優(yōu)勢。這些復合材料包括包埋于聚合物基體中的增強材料，一般是纖維型的。復合材料板材的挑戰(zhàn)在于達到所需的機械強度。為了達到這種高強度，如US6，656，405所述，已使用由組合成連續(xù)性纖維束的纖維組成的特定的增強材料來制備復合材料板材。通過使纖維束形成經(jīng)緯排列來制備增強層。將這些層堆疊在模具中，并具有插入相鄰層之間的阻隔物。隨后將可固化的樹脂材料注入模具中并使其固化，以形成復合材料。通過這種方式可以達到足夠的機械強度。
[0005]前述方法的問題在于它需要特定的增強材料及阻隔材料。這些顯著地增加了原料成本。生產(chǎn)成本也高，這是因為必須將增強層和阻隔層堆疊在模具中，這增加了工藝的復雜性和周期時間。
[0006]需要制備具有必需機械強度的復合材料板材的更有成本效益的方法。
[0007]本發(fā)明一方面是具有至少12mm厚度的纖維增強的聚氨酯復合材料板材，其中纖維增強的聚氨酯復合材料含有至少 30wt%的包埋于聚氨酯聚合物基體中的增強纖維，所述聚氨酯聚合物基體的計算的交聯(lián)點間分子量是430至2500。
[0008]申請者已令人驚訝地發(fā)現(xiàn)當聚合物基體是具有430至2500的計算的交聯(lián)點間分子量的聚氨酯時，制備得到了具有極高機械強度的板材。通過聚氨酯聚合物基體的選擇，即使使用簡單和廉價的增強材料，如無規(guī)取向的短(至多150mm)長度纖維、連續(xù)性粗紗、簡單的無紡纖維氈或機紡纖維氈等，可以得到高機械強度。這使得制備方法簡化和生產(chǎn)成本降低。在具體的實施方式中，通過噴射法(如Kraus-Maffei"LFI"方法)制備板材,在該方法中將由形成聚氨酯的組合物潤濕的纖維噴射在模具中或模板(form)上，接著閉合模具或以其它方式對組合物施加壓力，和在模具中或模板上固化形成聚氨酯的組合物?？晒┻x擇地，使用如結(jié)構(gòu)反應注塑(SRM)法的技術可以制造板材，在SRIM方法中，將纖維增強材料引入模具中，閉合模具，和將形成聚氨酯的組合物注入模具中，在模具中它固化以形成復合材料。另一合適的制造方法是增強反應注塑(RRIM)法，在該方法中將纖維分散于液體的聚氨酯前體中，使該前體通過混合頭，在混合頭中該前體與其它反應物混合，且隨后將其注入閉合的模具中，在模具中使其固化。[0009]本發(fā)明的其它優(yōu)點包括高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(其容許在寬溫度范圍使用)、低吸水性和低表面可燃性。
[0010]本發(fā)明的復合材料板材包括至少12mm厚的纖維增強的聚氨酯復合材料。復合材料板材可以進一步地含有其它層或組件，例如涂層，它可以賦予有用的性能，如耐候性、更高的摩擦系數(shù)(用于防滑或耐滑)，或出于美觀原因。板材還可以包括功能部件，如把手。
[0011]通常不認為復合材料板材的形狀對本發(fā)明是至關重要的，盡管可能需要特定的形狀用于特定的應用。因此，復合材料的形狀可以是矩形或其它規(guī)則或不規(guī)則多邊形、圓形、橢圓形、或任何其它有用的形狀。
[0012]纖維增強的聚氨酯復合材料可以具有12mm或更多的厚度，優(yōu)選15mm或更多，更優(yōu)選25mm或更多，至多100mm,優(yōu)選至多約50mm。纖維增強的聚氨酯復合材料可以由兩層或更多層堆疊和粘合在一起的較薄層組成。
[0013]板材一般將具有至少150mm和常常是至少250mm的凈寬(clear opening),其厚度如上所述。凈寬典型地為至多2米，和更典型地為至多約I米。凈寬是可以內(nèi)切于底座(seating)(如果有)之間的板材的無阻區(qū)域的最大圓的直徑。板材可以具有較厚或較薄的部分，如，凸起的邊。板材(如柵板)在有效截面內(nèi)可以具有薄的部分或甚至是孔。
[0014]纖維增強的聚氨酯復合材料包括至少20wt%的包埋于聚氨酯聚合物基體中的增強纖維。增強纖維可以占纖維增強的復合材料的總重量的至多60%。當纖維以機紡氈(常常的情況是當通過SRIM法制備復合材料時)的形式存在時，它們優(yōu)選地占復合材料的重量的20%至50%。當纖維是無規(guī)取向的短(長度小于150mm)纖維(通常的情況是當通過噴射法或RRM法制備復合材料時)時，它們優(yōu)選地占復合材料重量的至少30%，更優(yōu)選復合材料重量的至少35%和仍然更優(yōu)選復合材料重量的至少40%，優(yōu)選其重量的至多55%和更優(yōu)選其重量的至多50%。
[0015]聚氨酯聚合物基體的特征在于具有430至2500的計算的交聯(lián)點間分子量。聚氨酯聚合物基體是異氰酸酯化合物與異氰酸酯-反應性化合物的反應產(chǎn)物。計算的交聯(lián)點間分子量(Mc)將那些多異氰酸酯化合物和那些異氰酸酯-反應性化合物的官能度(每分子含有異氰酸酯基團或異氰酸酯-反應性基團的數(shù)目)和當量與異氰酸酯指數(shù)一起列入考慮，如下:
【權利要求】
1.具有至少12mm厚度的纖維增強的聚氨酯復合材料板材，其中所述纖維增強的聚氨酯復合材料含有至少20wt%的包埋于聚氨酯聚合物基體中的增強纖維，所述聚氨酯聚合物基體的計算的交聯(lián)點間分子量是430至2500。
2.權利要求1的復合材料板材，其具有至少150mm的寬度。
3.權利要求2的復合材料板材，其中所述纖維增強的聚氨酯復合材料具有至少25mm的厚度。
4.前述權利要求的任一項的復合材料板材，其中所述纖維增強的聚氨酯復合材料含有30wt%至60wt%的纖維。
5.前述權利要求的任一項的復合材料板材，其中所述纖維具有12mm至150mm的長度，且在所述聚氨酯聚合物基體中無規(guī)地取向。
6.前述權利要求的任一項的復合材料板材，其中所述聚氨酯聚合物基體是包括聚合的MDI并具有100至200的異氰酸酯當量和2.2至4.0的平均異氰酸酯官能度的異氰酸酯組分和含有如下所述的異氰酸酯-反應性化合物的多元醇組分的反應產(chǎn)物:所述異氰酸酯-反應性化合物具有125至300的每個異氰酸酯-反應性基團對應的平均當量和每分子平均具有2.0至3.5個異氰酸酯-反應性基團。
7.前述權利要求的任一項的復合材料板材的制備方法，其包含將采用形成聚氨酯的組合物潤濕的纖維噴射在模具中或模板上，閉合所述模具或?qū)λ瞿０迨┘訅毫?，和在所述模具中或所述模板上固化所述形成聚氨酯的組合物，其中所述纖維具有12mm至150mm的長度，和所述形成聚氨酯的組合物是下列物質(zhì)的混合物:Ca)異氰酸酯組分，其包括聚合的MDI并具有100至200的異氰酸酯當量和2.2至4.0的平均異氰酸酯官能度，和(b)含有如下所述的異氰酸酯-反應性化合物的多元醇組分:所述異氰酸酯-反應性化合物具有125至300的每個異氰酸酯-反應性基團對應的平均當量和每分子平均具有2.0至3.5個異氰酸酯-反應性基團。
8.權利要求1的復合材料板材的制備方法，其包含(A)將纖維增強材料引入模具的空腔中，(B)將形成聚氨酯的組合物引入所述模具中，使得所述形成聚氨酯的組合物在所述纖維增強材料的纖維之間滲透，和(C)在所述纖維增強材料的存在下于所述模具中固化所述形成聚氨酯的組合物，其中所述形成聚氨酯的組合物是下列物質(zhì)的混合物:(a)異氰酸酯組分，其包括聚合的MDI并具有100`至200的異氰酸酯當量和2.2至4.0的平均異氰酸酯官能度，和(b)含有如下所述的異氰酸酯-反應性材料的多元醇組分:所述異氰酸酯-反應性材料具有約125至300的每個異氰酸酯-反應性基團對應的平均當量和每分子平均具有2.0至3.5個異氰酸酯-反應性基團。
【文檔編號】C08J5/24GK103459475SQ201280014803
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年2月1日 優(yōu)先權日:2011年2月4日
【發(fā)明者】P.迪娜, C.科科尼, L.博塔塞利 申請人:陶氏環(huán)球技術有限責任公司