本發(fā)明涉及一種高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板。
背景技術(shù)：
發(fā)生在高速公路上的事故之所以增加，除了交通管制問(wèn)題，還有一部分原因是由于設(shè)置在高速公路上的交通安區(qū)設(shè)施的不合理，以及安全設(shè)施材料不理想所造成的。我國(guó)的高速公路發(fā)展較發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，但發(fā)展速度卻很快，導(dǎo)致很多安全設(shè)施規(guī)范都是參照其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。護(hù)欄的安全問(wèn)題是高速公路的極為重要的問(wèn)題，由于中央隔離護(hù)欄設(shè)施和路側(cè)護(hù)欄設(shè)施材料不夠理想和安全而造成的交通事故往往都是特別嚴(yán)重的，約占事故的30％，比重較大而嚴(yán)重。防撞護(hù)欄的設(shè)置以及材料是實(shí)踐中最為常見(jiàn)的一種交通安全設(shè)施，所以，我國(guó)急需適合我國(guó)國(guó)情的安全護(hù)欄材料形式。
上世紀(jì)20年代，最早開始對(duì)護(hù)欄系統(tǒng)進(jìn)行研究的國(guó)家是美國(guó)，他們開始在國(guó)內(nèi)各處建立大規(guī)模的實(shí)車足尺試驗(yàn)場(chǎng)，具有最尖端的試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量?jī)x器，在此基礎(chǔ)上通過(guò)系統(tǒng)的科學(xué)理論分析，模擬各種情況下的碰撞過(guò)程，并通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這為他們?cè)谧o(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)置方面提供了有效的科學(xué)依據(jù)，并大規(guī)模的對(duì)護(hù)欄的設(shè)置設(shè)計(jì)和高速公路其它安全防護(hù)設(shè)施進(jìn)行研究和制定規(guī)范。繼美國(guó)之后，其他發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)也開始著手對(duì)護(hù)欄裝置進(jìn)行系統(tǒng)性的研究并投入使用(但并沒(méi)有較好的材料突破，文獻(xiàn)記載的主要為金屬和PVC材料以及玻璃纖維增強(qiáng)材料)。而國(guó)內(nèi)對(duì)護(hù)欄系統(tǒng)的研究上相對(duì)美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，沒(méi)有太多的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)方法和設(shè)備也不夠先進(jìn)和完善，在科研成果上比其它發(fā)達(dá)國(guó)家相差很多(主要以引進(jìn)為主)。從1984年，隨著我國(guó)高速公路交通事故發(fā)生率的不斷上升，交通部意識(shí)到交通安全設(shè)施的重要性，開始對(duì)高速公路護(hù)欄進(jìn)行深入的研究探索，交通部公路科學(xué)研究所通過(guò)借鑒國(guó)外技術(shù)，首次提出了波形梁護(hù)欄。1992到1993年交通部仿照美國(guó)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)，得到了一些數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，為制定我國(guó)護(hù)欄性能標(biāo)準(zhǔn)提供了有力的實(shí)踐依據(jù)，并為護(hù)欄設(shè)置設(shè)計(jì)的合理化和標(biāo)準(zhǔn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1994年，我國(guó)對(duì)各種剛性、半剛性和柔性護(hù)欄從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到施工的整個(gè)過(guò)程，制定了系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)。1997到2000年，在先前對(duì)碰撞試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步深入研究，在護(hù)欄碰撞試驗(yàn)領(lǐng)域研究更上一層樓，對(duì)于大、重型貨車行走的車道以及山區(qū)高速的研究在《公路三波形梁鋼護(hù)欄》有詳細(xì)的介紹。從七五期間開始，我國(guó)對(duì)護(hù)欄特別是高速公路護(hù)欄展開了系統(tǒng)性的研究，但多數(shù)是通過(guò)有限元軟件對(duì)護(hù)欄進(jìn)行仿真分析。
復(fù)合材料選用的纖維性能介紹
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維也稱超高模量聚乙烯(UHMPE)纖維，是繼碳纖維、芳綸纖維之后出現(xiàn)的第三代高性能纖維，它是由分子量超百萬(wàn)(現(xiàn)已發(fā)展到400～500萬(wàn))的聚乙烯通過(guò)凝膠(或熔融)紡絲后，經(jīng)高倍拉伸而形成的一種纖維，這種纖維密度低、質(zhì)量輕〔密度為0.97g/cm3〕，由于纖維經(jīng)高倍拉伸作用，其結(jié)晶度和軸向取向度都很高(結(jié)晶度高達(dá)99％，軸向取向度達(dá)95％以上)，從而使纖維的初始模量高達(dá)100GPa，軸向拉伸強(qiáng)度高達(dá)3～7GPa。而且纖維具有良好的耐化學(xué)性能、耐磨性、耐沖擊性能，吸水率很小，與生物的相容性能好等優(yōu)點(diǎn)。UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軸向拉伸比強(qiáng)度和比模量高，能量吸收性能優(yōu)異，它具有表面化學(xué)惰性，對(duì)酸、堿和有機(jī)溶劑有很強(qiáng)的抗腐蝕性；由于分子鏈上沒(méi)有不飽和基團(tuán)，其耐光、熱老化性能優(yōu)良，并且耐磨性能優(yōu)越，電絕緣和耐紫外光性能良好，軸向比強(qiáng)度和模量都很高，且能量吸收性和耐磨損性優(yōu)于芳綸，斷裂伸長(zhǎng)率大于高強(qiáng)碳纖維，這是現(xiàn)有其它高性能纖維的復(fù)合材料所無(wú)法比擬的。因此，UHMWPE纖維特增強(qiáng)復(fù)合材料別適合作為防護(hù)材料，被廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)、航空航天等許多重要領(lǐng)域。
附表 幾種纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種高速公路用纖維復(fù)合護(hù)欄板。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
本發(fā)明提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板包括下列重量份數(shù)的組分：高性能纖維60-100份；基料70-100份。
優(yōu)選的，高性能纖維選自超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維中的一種。
最佳選擇的高性能纖維選自超高分子量聚乙烯纖維，并織成一定寬度的平紋或斜紋的布，以便使纖維受力均勻。
優(yōu)選的，基料選自乙烯基酯樹脂(VER)、熱塑性樹脂(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PU)中的一種。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明采用新型復(fù)合材料-超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合制成，它集半剛性和柔性防護(hù)理念與一體，外形可沿用波形或其它形狀，但材料不同，屏棄了交通事故發(fā)生時(shí)剛性撞擊所帶來(lái)的駕乘人員和車輛的硬性傷害和二次傷害。
它有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.極強(qiáng)的抗沖擊力，其吸收能量性能優(yōu)于芳綸和其它任何材料；這種復(fù)合材料在以往的使用用途中，大部分應(yīng)用于軍事、警用和工業(yè)防護(hù)領(lǐng)域；可大大改善防撞性能，減少車內(nèi)人員的撞擊損傷。
2.新型護(hù)欄板的耐候性優(yōu)良，在零下196度到零上100度之間，具有抗腐蝕性、抗紫外線老化、耐低溫脆化等；用這種纖維制造的產(chǎn)品不會(huì)由于和酸、堿、污海水等接觸而損失其強(qiáng)度。
3.在車輛刮碰撞擊中不會(huì)產(chǎn)生火花，避免引燃燃油爆燃。
4.減少或避免了(金屬)護(hù)欄在受到撞擊力變形后對(duì)車輛和駕乘人員的二次傷害。
5.比重輕(0.97/cm3)，是鋼鐵的八分之一，在安裝和運(yùn)輸中可減少大量人力和財(cái)力。
6.免維護(hù)，不需要涂抹防腐漆，減少維護(hù)費(fèi)用，綜合投資費(fèi)用低于金屬護(hù)欄；尤其在沿海公路的防護(hù)欄板，由于空氣中的鹽分腐蝕，金屬護(hù)欄板的壽命非常短暫，每年需耗費(fèi)大量防腐費(fèi)用。
7.長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年使用壽命。因?yàn)?，超高分子量聚乙烯的分子量大，分子鏈長(zhǎng)且由單純的碳-碳鍵組成，沒(méi)有側(cè)鏈，所以不含任何芳香環(huán)、氨基、羥基或其它易受活性試劑攻擊的化學(xué)基團(tuán)，結(jié)晶度又高，因此在各種苛性環(huán)境中(如酸雨、海鹽)不會(huì)被侵蝕。而芳綸在紫外線和苛性環(huán)境中的壽命下降則很大。
8.因其獨(dú)特的工藝可設(shè)計(jì)性，可任意改變其截面，而這一點(diǎn)是金屬護(hù)欄所做不到的。
具體實(shí)施方式
實(shí)例一：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：超高分子量聚乙烯纖維85份；乙烯基酯樹脂(VER)80份。
制備方法如下：
將超高分子量聚乙烯纖維織成平紋或斜紋的布；將硅烷偶聯(lián)劑經(jīng)乙醇稀釋后(硅烷偶聯(lián)劑和乙醇的體積比是1:4)，經(jīng)軟輥涂覆超高分子量聚乙烯纖維布使其表面浸潤(rùn)處理后，再將超高分子量聚乙烯纖維布加溫至80度去掉乙醇后，用軟輥將乙烯基酯樹脂(VER)混合物均勻地涂在UHMWPE布上，再在溫度為100℃、壓力為2.4MPa的條件下熱壓成型，制備復(fù)合材料薄層，再將多層材料放入波浪形模具中，溫度為110-130℃，保持壓力為2.4-3.0MPa，時(shí)間5-10分鐘，脫模后得到的標(biāo)準(zhǔn)成品縱向剪切強(qiáng)度為11-13Mpa，縱向拉伸強(qiáng)度1.0-1.2Gpa橫向拉伸強(qiáng)度1.0-1.2Gpa。
實(shí)例二：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：超高分子量聚乙烯纖維90份；乙烯基酯樹脂(VER)85份。
制備方法如下：
將超高分子量聚乙烯纖維織成平紋或斜紋的布；將與實(shí)例一相同偶聯(lián)劑處理過(guò)的多層超高分子量聚乙烯纖維織成的各種紋路布，經(jīng)放繞機(jī)沁入乙烯基酯樹脂(VER)混合物的料槽中，經(jīng)多個(gè)軟輥使其沁抹均勻，經(jīng)牽伸機(jī)牽拉進(jìn)入15米以上長(zhǎng)度的波浪形定型模具中，模具溫度110-130℃，模具壓力2-3Mpa,牽拉速度3m/min，出模后由定長(zhǎng)切割鋸鋸斷，經(jīng)翻料臺(tái)上自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸下，這種作業(yè)方式為連續(xù)化生產(chǎn)。所得到的波浪形護(hù)欄板的縱向拉伸強(qiáng)度為1.0-1.2Gpa,橫向拉伸強(qiáng)度0.9-1.1Gpa。
實(shí)例三：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：超高分子量聚乙烯纖維75份，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)100份。
制備方法如下：
將超高分子量聚乙烯纖維織成平紋或斜紋的布；將與實(shí)例一相同方法用偶聯(lián)劑涂覆過(guò)的表面處理的多層超高分子量聚乙烯纖維布和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以75:100的比例，將纖維(或布)和樹脂放入波浪形模具加壓，模具溫度110-130℃，壓力2.5-4Mpa,時(shí)間2-6分鐘，脫模后即為成品。成品縱向剪切強(qiáng)度為12-17Mpa,縱向拉伸強(qiáng)度1.0-1.3Gpa。
實(shí)例四：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：超高分子量聚乙烯纖維75份；聚氨酯(PU)100份。
制備方法如下：
將超高分子量聚乙烯纖維織成平紋或斜紋的布；將與實(shí)例一相同方法用表面經(jīng)偶聯(lián)劑涂覆處理過(guò)的多層超高分子量聚乙烯纖維(布)和熱塑性改性聚氨酯(PU)，以一定的比例，操作流程與實(shí)例三相同，由于改性PU的分子鏈柔軟，所得護(hù)欄板的彈性較好，縱向剪切力為7-10Mpa，縱向拉伸強(qiáng)度為1.0-1.2Gpa.。
實(shí)例五：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：超高分子量聚乙烯纖維75份；熱塑性樹脂膜(PE)100份。
制備方法如下：
將超高分子量聚乙烯纖維織成平紋或斜紋的布；將與實(shí)例一相同方法用偶聯(lián)劑涂覆處理過(guò)的多層超高分子量聚乙烯纖維布與PE膜按比例和層數(shù)，縱向滾動(dòng)放入波浪形加熱模具中，經(jīng)牽伸機(jī)牽拉進(jìn)入連續(xù)的波浪形定型模具中，模具溫度110-120℃，模具壓力2.5-4Mpa,牽拉速度3m/min，時(shí)間2-6分鐘后脫模，出模后由定長(zhǎng)切割鋸鋸斷，經(jīng)翻料臺(tái)上自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸下，這種作業(yè)方式為連續(xù)化生產(chǎn)。所得增強(qiáng)復(fù)合板的縱向剪切強(qiáng)度為11-13Mpa，縱向拉伸強(qiáng)度1.0-1.2Gpa橫向拉伸強(qiáng)度1.0-1.2Gpa。
經(jīng)上述材料和工藝加工成型的“超高分子量聚乙烯纖維增強(qiáng)復(fù)合護(hù)欄板”，具有超高分子量聚乙烯纖維材料的所有優(yōu)異特性：極高的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊力，剛度小(柔度大)吸收能量的能力大，極好的耐低溫、耐各種腐蝕、耐候性優(yōu)良、耐磨損性和安全性都非常好，免除維護(hù)費(fèi)用，使用壽命極長(zhǎng)，安裝方便，并且能很好地提高保護(hù)車輛和駕乘人員生命免受二次傷害的概率，最大限度降低財(cái)產(chǎn)損失。
實(shí)例六：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：碳纖維85份；乙烯基酯樹脂(VER)80份。
制備方法同實(shí)施例一相同。
實(shí)例七：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：碳纖維90份；乙烯基酯樹脂(VER)85份。
制備方法同實(shí)施例二相同。
實(shí)例八：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：碳纖維75份，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)100份。
制備方法同實(shí)施例三相同。
實(shí)例九：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：碳纖維75份；聚氨酯(PU)100份。
制備方法同實(shí)施例四相同。
實(shí)例十：
本實(shí)施例提供的高性能纖維復(fù)合護(hù)欄板，包括下列重量份數(shù)的組分：碳纖維75份；熱塑性樹脂膜(PE)100份。
制備方法同實(shí)施例五相同。
當(dāng)然，上述說(shuō)明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)，作出的變化、改型、添加或替換，都應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。