本發(fā)明屬于高分子復合材料技術領域，本發(fā)明涉及一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，尤其是涉及一種應用在橋梁、鐵路、輕軌及地鐵等領域的高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法，還可推廣到市政建設、化工、船舶、裝甲車、貨車等領域作為步道板使用，并可在重載鐵路、普通鐵路、明面橋、道岔等作為復合材料合成軌枕使用。

背景技術：

目前橋梁、鐵路、輕軌及地鐵等領域采用的板材，如人行步道板、電纜槽蓋板、軌枕等大都采用鋼筋混凝土或活性粉末混凝土制作而成，產品重量重、施工困難；且表面粗糙，不美觀，長期使用后，產品極易出現裂紋，造成一定的安全隱患。為了解決施工困難的問題，有的采用木質材料進行替代，不僅需要消耗大量的優(yōu)質木材，而且木材在受到長期的日曬雨淋以及江水、海水的腐蝕后，腐蝕比較嚴重，出現了大量的裂紋、缺陷及蟲蛀孔洞?；旧?，使用5年后就必須更換，大大增加了產品的維護及更換成本。有的采用玻璃鋼材料進行替代，但是玻璃鋼材料在生產中，加入了大量的粉料，經日曬雨淋后，很容易出現粉化現象，質量不穩(wěn)定，產品耐候性及耐老化性能差，長期使用后，存在安全隱患，同時其制品重量也較重，施工比較困難，若將玻璃鋼材料做成空心結構，其力學性能大大降低，尤其是螺栓抗拔強度太低，存在安全隱患，一般5～10年就必須更換。有的使用纖維增強聚氨酯泡沫材料，但其纖維含量低，強度低，在重載鐵路及普通鐵路軌枕強度測試過程中出現了嚴重塌陷，不適合應用在重載鐵路及普通鐵路中，僅適合應用在國內外的輕軌及地鐵鐵路線路中。

目前國內外研究的纖維增強聚氨酯泡沫材料，所用的聚氨酯均由聚醚多元醇與異氰酸酯反應而成，其采用的聚醚多元醇官能度較高，聚氨酯反應時間及固化速率很快，基本上3分鐘左右的時間即可固化，并且其選用的聚醚多元醇粘度大，流動性差，很難在聚氨酯固化前解決聚氨酯與纖維浸漬均勻的問題，故國內外目前制作的纖維增強聚氨酯泡沫材料制品中纖維含量低，且聚氨酯與纖維浸漬不均勻，局部聚氨酯含量多，泡沫大，局部纖維含量多，出現干紗現象，致使制作的材料強度低，且強度不均勻，質量不穩(wěn)定。而且由于其纖維含量低，樹脂含量高，在生產中，樹脂發(fā)泡膨脹產生大量的飛邊，不僅造成了產品的浪費，制作成本的增高，而且對設備及模具造成了極大的損傷。不僅如此，還由于其無法解決聚氨酯與纖維的浸漬問題，故其未制作出較高玻纖含量的纖維增強聚氨酯泡沫材料制品，更未制作出較高玻纖含量的較高密度的纖維增強聚氨酯泡沫材料制品。目前，尚未見報道并且市場上未見到密度高于840kg/m³且纖維含量高于60％的纖維增強聚氨酯泡沫材料及制品。

技術實現要素：

針對目前混凝土材料、木制板材、玻璃鋼材料板材及低纖維含量的纖維增強聚氨酯泡沫板材等技術上的不足，本發(fā)明的目的是提供一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法，其綜合性能優(yōu)于以上材質的板材，能夠進行有效的替代。

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，其以聚氨酯樹脂和增強纖維為基體材料，以質量份計，聚氨酯樹脂的配方及聚氨酯樹脂與增強纖維的質量比例如下：

在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。

進一步，所述增強纖維為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、鋼纖維中的任意一種或多種混合。

進一步，所述增強纖維以長纖維為主體，還包括短切纖維和纖維氈。

進一步，所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑。

進一步，所述抗紫外劑為UV類抗紫外劑。

本發(fā)明的一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，具有如下優(yōu)點：

通過采用低羥值低官能度的混合型聚醚多元醇，降低了聚氨酯樹脂反應的活性，延長了聚氨酯樹脂的固化時間，增加了其與增強纖維的浸漬時間，同時采用的聚醚多元醇，其粘度較低，流動性好，增加了其與增強纖維的浸漬能力，使其與增強纖維浸漬更加均勻；

通過增加偶聯(lián)劑，大大提高了填料在聚氨酯樹脂中的潤濕性和分散性，增加了聚氨酯樹脂與增強纖維的浸漬能力及粘合能力，使聚氨酯樹脂與增強纖維浸漬更加徹底，并提高聚氨酯樹脂的浸漬增強纖維的浸透速度，解決了增強纖維過多，不易浸漬的問題，從而使材料強度性能大幅度提高及強度均勻性更加穩(wěn)定；另外，通過添加偶聯(lián)劑，還可以大大提高材料的電氣性能；

通過采用低羥值低官能度的混合型聚醚多元醇、使用偶聯(lián)劑等多種技術手段，解決了聚氨酯樹脂與增強纖維浸漬不充分的問題，從而提高了增強纖維含量，能夠制作出密度高于840kg/m³且增強纖維含量大于60％的纖維增強聚氨酯硬泡材料制品，彌補了纖維增強聚氨酯泡沫合成板材的技術空白，使其產品規(guī)格及性能多元化，滿足不同的技術指標要求。

通過提高增強纖維的質量比例，使增強纖維的質量比例大于60％，不僅減少了制作成本，而且大大的提高了同等密度下纖維增強聚氨酯硬泡合成板材的強度，同時產品更加致密，吸水量等指標等大幅降低，提高了產品的耐水性能；

通過添加硬泡穩(wěn)定劑，避免了聚氨酯泡沫泡孔過大問題的發(fā)生，使聚氨酯硬泡更加均勻，更加穩(wěn)定。

通過添加阻燃劑，不僅降低了聚醚多元醇的粘度，使其流動性好，而且增強了材料的阻燃性能；

通過添加抗氧劑，增強了材料的耐濕熱老化的性能；

通過添加抗紫外劑，進一步增強了材料的抗紫外日光老化的性能；

通過增加短切纖維，使材料更加致密，進一步提高了產品的強度；

通過增加纖維氈，進一步提高了產品的抗彎曲強度。

本發(fā)明提供的一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，能夠有效的取代目前優(yōu)質的木質板材、混凝土板材、玻璃鋼板材及國內外研究的低纖維含量的纖維增強聚氨酯泡沫合成板材，可廣泛應用于鐵路、橋梁、輕軌及地鐵的建設，并可推廣到化工步道板、海邊棧道、貨車甲板、船舶甲板、市場景觀等領域，并可在重載鐵路、普通鐵路、明面橋、道岔等作為復合材料合成軌枕使用。

本發(fā)明還涉及一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材的制作方法，采用連續(xù)成型工藝制作而成，其連續(xù)成型工藝包括放卷長纖維及纖維氈、注射聚氨酯樹脂、加入短切纖維、均勻浸漬、履帶式層壓主機內固化、冷卻、定長切割七個工序。

進一步，所述均勻浸漬具體是將聚氨酯樹脂通過高壓發(fā)泡設備、移動澆注設備及對應的工裝均勻浸漬在增強纖維的表面及內部。

進一步，所述履帶式層壓主機是由履帶式層壓機及側邊擋塊共同組成，側邊擋塊固定在履帶式層壓機上，模腔的高度及寬度依據擋塊的尺寸進行調整。

進一步，定長切割是通過切割機進行的，切割后的高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，其厚度為10mm～100mm，寬度為100mm～600mm，密度為200kg/m³～2000kg/m³。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材的生產工藝示意圖；

圖2為本發(fā)明高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材的結構示意圖。

附圖中，各標號所代表的部件列表如下：

1、紗架，2、高壓發(fā)泡設備，3、移動澆注設備，4、履帶式層壓主機，5、切割機，6、長纖維，7、短切纖維，8、聚氨酯樹脂，9、高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明涉及一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材9，其以聚氨酯樹脂8和增強纖維為基體材料，以質量份計，聚氨酯樹脂8的配方及聚氨酯樹脂8與增強纖維的質量比例如下：

所述增強纖維為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、鋼纖維中的任意一種或多種混合。

所述增強纖維以長纖維6為主體，還包括短切纖維7和纖維氈。

所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑。

所述抗紫外劑為UV類抗紫外劑。

本發(fā)明還涉及一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材9的制作方法，采用連續(xù)成型工藝制作而成，其連續(xù)成型工藝包括放卷長纖維6及纖維氈、注射聚氨酯樹脂8、加入短切纖維7、均勻浸漬、履帶式層壓主機4內固化、冷卻、定長切割七個工序。

所述均勻浸漬具體是將聚氨酯樹脂8通過高壓發(fā)泡設備2、移動澆注設備3及對應的工裝均勻浸漬在增強纖維的表面及內部。

所述履帶式層壓主機4是由履帶式層壓機及側邊擋塊共同組成，側邊擋塊固定在履帶式層壓機上，模腔的高度及寬度依據擋塊的尺寸進行調整。

定長切割是通過切割機5進行的，切割后的高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，其厚度為10mm～100mm，寬度為100mm～600mm，密度為200kg/m³～2000kg/m³。

如圖1所示，本發(fā)明高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材的連續(xù)成型工藝通過圖中所示的裝置進行，先在紗架1放卷長纖維及纖維氈、注射聚氨酯樹脂、加入短切纖維，再通過高壓發(fā)泡設備2、移動澆注設備3及對應的工裝實現均勻浸漬，然后在履帶式層壓主機4內固化，冷卻后通過切割機5對固化后的板材進行切割。

如圖2所示，切割后得到的高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材9中，內部設有沿長度方向延伸的長纖維6和短切纖維7，其外部包裹有聚氨酯樹脂8，固化即得所述高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材9。纖維氈可以設置在包裹住長纖維6和短纖維7的聚氨酯樹脂8的外側表面。具體的，長纖維6和短纖維7可以自身排列成多排，并交替間隔設置，形成矩陣式陣列結構，聚氨酯樹脂8包裹在長纖維6和短纖維7外，形成長方體形的板材，其厚度為10mm～100mm，寬度為100mm～600mm，密度為200kg/m³～2000kg/m³，優(yōu)選的，其表觀總密度在800kg/m³-1800kg/m³。

實施例1：

以質量份計，聚氨酯樹脂的配方及聚氨酯樹脂與增強纖維的比例如下：羥值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 90份，羥值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 10份，阻燃劑10份，硬泡穩(wěn)定劑5份，偶聯(lián)劑15份，催化劑0.3份，發(fā)泡劑0.1份，抗氧劑0.3份，抗紫外劑0.3份，異氰酸酯120份；長纖維：430份，短切纖維10份，纖維氈5份。其中增強纖維含量為64％，制作密度1400±50Kg/m³纖維增強聚氨酯硬泡合成板材規(guī)格：260mm×50mm×3000mm。履帶式層壓主機參數設置：運行速度：0.4m/min，溫度：90℃/60℃。按照本實施例的配方及運行條件制作的合成板材性能如表1所示。

表1

實施例2：

以質量份計，聚氨酯樹脂的配方及聚氨酯樹脂與增強纖維的比例如下：羥值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 95份，羥值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 5份，阻燃劑10份，硬泡穩(wěn)定劑3份，偶聯(lián)劑5份，催化劑0.3份，發(fā)泡劑0.1份，抗氧劑0.3份，抗紫外劑0.3份，異氰酸酯110份；長纖維：410份，短切纖維10份，纖維氈0份。其中增強纖維含量為65％，制作密度1200±50Kg/m³纖維增強聚氨酯硬泡合成板材規(guī)格：240mm×50mm×3000mm。履帶式層壓主機參數設置：運行速度：0.6m/min，溫度：90℃/60℃。按照本實施例的配方及運行條件制作的合成板材性能如表2所示。

表2

實施例3：

以質量份計，聚氨酯樹脂的配方及聚氨酯樹脂與增強纖維的比例如下：羥值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 90份，羥值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 5份，阻燃劑15份，硬泡穩(wěn)定劑5份，偶聯(lián)劑10份，催化劑0.2份，發(fā)泡劑0.3份，抗氧劑0.5份，抗紫外劑0.5份，異氰酸酯115份；長纖維：520份，短切纖維5份，纖維氈1份。其中增強纖維含量為68.5％，制作密度1000±50Kg/m³纖維增強聚氨酯硬泡合成板材規(guī)格：500mm×30mm×3000mm。履帶式層壓主機參數設置：運行速度：0.5m/min，溫度：90℃/70℃。按照本實施例的配方及運行條件制作的合成板材性能如表3所示。

表3

實施例4：

以質量份計，聚氨酯樹脂的配方及聚氨酯樹脂與增強纖維的比例如下：羥值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 95份，羥值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 10份，阻燃劑5份，硬泡穩(wěn)定劑5份，偶聯(lián)劑10份，催化劑0.1份，發(fā)泡劑0.1份，抗氧劑0.25份，抗紫外劑0.25份，異氰酸酯125份；長纖維：460份，短切纖維10份，纖維氈0。其中增強纖維含量為65％，制作密度800±50Kg/m³纖維增強聚氨酯硬泡合成板材規(guī)格：200mm×60mm×3000mm。履帶式層壓主機參數設置：運行速度：0.4m/min，溫度：80℃/70℃。按照本實施例的配方及運行條件制作的合成板材性能如表4所示。

表4

實施例5：

以質量份計，聚氨酯樹脂的配方及聚氨酯樹脂與增強纖維的比例如下：羥值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 92份，羥值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 8份，阻燃劑10份，硬泡穩(wěn)定劑2.5份，偶聯(lián)劑15份，催化劑1份，發(fā)泡劑1份，抗氧劑1份，抗紫外劑1份，異氰酸酯100份；長纖維：1330份，短切纖維30份，纖維氈10份。其中增強纖維含量為85％，制作密度1500±50Kg/m³纖維增強聚氨酯硬泡合成板材規(guī)格：600mm×10mm×3000mm。履帶式層壓主機參數設置：運行速度：0.4m/min，溫度：90℃/60℃。按照本實施例的配方及運行條件制作的合成板材性能如表5所示。

表5

實施例5：

以質量份計，聚氨酯樹脂的配方及聚氨酯樹脂與增強纖維的比例如下：羥值400～480、官能度1～3的聚醚多元醇A 93份，羥值60～160、官能度1～2的聚醚多元醇B 7份，阻燃劑10份，硬泡穩(wěn)定劑2.5份，偶聯(lián)劑15份，催化劑0.8份，發(fā)泡劑0.6份，抗氧劑0.7份，抗紫外劑0.5份，異氰酸酯135份；長纖維：1940份，短切纖維40份，纖維氈20份。其中增強纖維含量為88％，制作密度1800±50Kg/m³纖維增強聚氨酯硬泡合成板材規(guī)格：100mm×100mm×3000mm。履帶式層壓主機參數設置：運行速度：0.4m/min，溫度：90℃/60℃。按照本實施例的配方及運行條件制作的合成板材性能如表6所示。

表6

對比例分析

本發(fā)明一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，通過采用低羥值低官能度的混合型聚醚多元醇，使用偶聯(lián)劑等多種技術手段，解決了聚氨酯與纖維浸漬不充分的問題，從而提高了纖維含量，能夠制作出密度高于840kg/m³且纖維含量大于60％的纖維增強聚氨酯硬泡材料制品，彌補了高纖維含量纖維增強聚氨酯泡沫合成板材的技術空白，使其產品規(guī)格及性能多元化，滿足不同的技術指標要求。

通過提高增強纖維的質量比例，使增強纖維的質量比例大于60％，不僅減少了制作成本，而且大大的提高了同等密度下纖維增強聚氨酯硬泡合成板材的強度，同時產品更加致密，吸水量等指標等大幅降低，提高了產品的耐水性能；

目前未見到產品密度高于840kg/m³且纖維含量高于60％的纖維增強聚氨酯泡沫材料及制品的報道及實物。通過本發(fā)明制作方法，制作密度為800±50kg/m³的材料，與國內外知名廠家制作的纖維增強聚氨酯泡沫合成材料及制品的實物進行測試對比，結果如表7所示

表7

對比分析結論

可見，本發(fā)明一種高纖維含量纖維增強聚氨酯硬泡合成板材，其纖維含量大于60％，在密度相差無幾的情況下，所制作的材料，在力學性能、耐紫外老化性能、電氣性能、耐水性能等多方面都遠遠優(yōu)于國內外知名廠家的材料制品。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。