專利名稱：一種用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及纖維材料成形器和方法，是一種成形超輕超厚型的纖維材料的裝置與方法，該纖維材料可用作建筑材料、緩沖包裝材料和過濾材料，還可加工用作更高附加值利用的炭化陶瓷材料。
背景技術(shù)：
隨著社會的不斷進(jìn)步和人們生活水平的普遍提高，具有輕質(zhì)高強(qiáng)的材料獲得了快速的發(fā)展并成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，如國內(nèi)外一直致力于研究輕質(zhì)高強(qiáng)的建筑材料，以降低建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)的負(fù)荷和原料成本；再如可降解的緩沖包裝材料在世界各國禁止使用難降解的EPS發(fā)泡塑料后受到了空前的重視，對于緩沖包裝材料而言，不僅要求輕質(zhì)的特點(diǎn)，而且還要求具有很好的緩沖等性能和可降解性。因此當(dāng)前社會中人們在追求材料強(qiáng)度的同時，更加注重材料的比重、環(huán)境友好性和外觀等，產(chǎn)品豐富多樣，覆蓋了很大部分的加工材料，特別是具有輕質(zhì)高強(qiáng)的可降解材料將會越來越受到人們的青睞。
我國在研究可降解的輕質(zhì)纖維材料與國外發(fā)達(dá)國家還有相當(dāng)?shù)木嚯x，其中輕質(zhì)厚型的植物纖維材料的研究在我國還屬于起步階段。在國內(nèi)主要進(jìn)行了以下相關(guān)的研究我國主要采用傳統(tǒng)的接觸式熱傳遞方法(即平壓法)生產(chǎn)輕質(zhì)植物纖維材料(密度為0.3-0.5g/cm3)材料的研究中，采用異氰酸酯或添加酚醛樹脂PF與AC發(fā)泡劑(6％偶氮二甲酰胺)進(jìn)行發(fā)泡反應(yīng)，以填充刨花板材料中刨花的間隙，將刨花牢固地結(jié)合在一起。
我國采用接觸式熱傳遞方法進(jìn)行制造的材料具有許多還為解決的難題(1)如該方法成形時間長、能耗大、材料性能差異大和尚不能制造密度更低的材料；(2)另外多數(shù)采用的脲醛樹脂UF或酚醛樹脂PF在制造和使用中均存在嚴(yán)重的甲醛污染問題。而且接觸式熱傳遞技術(shù)存在成形時間長、能耗高、材料性能較差和不能滿足較高厚度的材料成形要求，及其成形裝置復(fù)雜與占地面積大等問題。
美國、日本等國家在進(jìn)行輕質(zhì)纖維材料進(jìn)行了廣泛的研究，主要采用接觸式熱傳遞技術(shù)和噴射蒸汽的平壓方法進(jìn)行制造。如日本研究者在對傳統(tǒng)的平壓機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)加工的噴射蒸汽的裝置中，采用蒸汽噴射平壓成型的方法并添加發(fā)泡性酚醛樹脂(PF)、發(fā)泡性脲醛樹脂(UF)或膠粘型異氰酸酯制造出輕質(zhì)纖維材料，在膠粘劑內(nèi)通過添加化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡反應(yīng)。國外采用的噴射蒸汽成形纖維材料的成形技術(shù)中，主要是在傳統(tǒng)的平壓機(jī)進(jìn)行改造加工和在纖維表面添加發(fā)泡型脲醛樹脂UF或酚醛樹脂PF等，但該種方法存在蒸汽損耗大、成形裝置復(fù)雜與占地面積大，以及存在污染物的產(chǎn)生等缺點(diǎn)。本發(fā)明采用發(fā)泡型MPU聚氨酯樹脂還沒有進(jìn)行相關(guān)研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種活塞式成形超輕超厚型的纖維材料的成形器，該裝置通過噴射高溫飽和蒸汽到纖維材料內(nèi)進(jìn)行傳熱、反應(yīng)，可制造超輕質(zhì)、厚型纖維材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述成形超輕超厚型的纖維材料的方法。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器，其特征在于主筒體內(nèi)設(shè)有板上布滿大量的微型噴射孔的上篩板(6)和下篩板(7)，下篩板(7)位于主筒體(5)底部，主筒體(5)與下錐體(8)連通，錐體(8)上開有蒸汽噴入口(9)；上篩板(6)位于下篩板(7)的上方，與連接件(4)連接，連接件(4)還與張緊螺桿(2)連接，主筒體(5)頂部設(shè)有上法蘭蓋板(3)，用于封閉主筒體(5)；張緊螺桿(2)上端與轉(zhuǎn)動手柄(1)連接。
所述噴射孔(20)直徑為3mm。
所述所述主筒體(5)位于支座(10)上，支座(10)為弧形，中間為空腔。
一種快速成形超輕厚型纖維材料的方法飽和蒸汽從錐體(8)上開有蒸汽噴入口(9)通入主筒體(5)內(nèi)，經(jīng)由布滿噴射孔(20)的下篩板進(jìn)入主筒體(5)內(nèi)上篩板(6)和下篩板(7)之間混有發(fā)泡性樹脂的纖維體，加熱纖維體和樹脂，使之快速進(jìn)行交聯(lián)固化、發(fā)泡反應(yīng)，使得該多微孔纖維體成形，并具有的強(qiáng)度，制造超輕質(zhì)厚型的纖維材料。
該發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1.采用噴射高溫壓力蒸汽的快速熱傳遞技術(shù)進(jìn)行制造超輕質(zhì)厚型的纖維材料，具有無污染、能耗少、裝備簡單、快速成型等特點(diǎn)，制造相同厚度的纖維材料，其成型時間大約為傳統(tǒng)的接觸式熱模壓方法的1/10～1/5，屬于一次成型工序。
2.在該材料成形加入MPU-20型聚氨酯樹脂，既可與纖維表面的絕大多數(shù)活性基團(tuán)反應(yīng)以保證纖維間一定的結(jié)合強(qiáng)度，且其端基-NCO還可與滲透中的H2O分子反應(yīng)生成數(shù)量的氣體以提高纖維間接觸強(qiáng)度，以達(dá)到多微孔的目標(biāo)。
3.本發(fā)明設(shè)計的活塞式成形器及其成形系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗少、成本低和運(yùn)行穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn)，可制造超輕質(zhì)(0.05～0.45g/cm3)、厚型(20～200mm)的纖維材料，與傳統(tǒng)的纖維材料的通常密度(≥0.55g/cm3)和厚度(12～40mm)相比，在密度、厚度和材料強(qiáng)度性能上更為靈活。
4.采用高溫蒸汽來成形纖維材料，可大大提高材料生物可降解性，并有效殺死纖維中大量殘存的大腸桿菌、霉菌等有物質(zhì)。


圖1為本發(fā)明用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中上篩板和下篩板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中連接件的結(jié)構(gòu)示意圖；具體實(shí)施方式
為進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。
如圖1所示，本發(fā)明用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器主要包括轉(zhuǎn)動手柄1、張緊螺桿2、上法蘭蓋板3、連接件4、主筒體5、上篩板6、下篩板7、下錐體8、蒸汽噴入口9和支座10。主筒體5位于支座10上，支座10為弧形，中間為空腔，下錐體8設(shè)置在支座10的空腔內(nèi)，與主筒體5連通，下錐體8上開有蒸汽噴入口9；上篩板6和下篩板7為噴射孔板，如圖2所示，上篩板6和下篩板7的板上布滿大量的微型噴射孔，噴射孔直徑約3mm；上篩板6和下篩板7位于主筒體5內(nèi)，下篩板7位于主筒體5底部，主筒體5下端與下錐體8連通；下篩板7上的微型噴射孔20用于蒸汽進(jìn)入纖維材料內(nèi)的通道，下篩板7由主成筒體5和低部錐體內(nèi)間嵌入固定，可在成形前后自由取出。上篩板6位于下篩板7的上方，與連接件4連接，連接件4還與張緊螺桿2連接，主筒體5頂部設(shè)有上法蘭蓋板3，用于封閉主筒體5；張緊螺桿2從上方穿過上法蘭蓋板3，伸出主筒體5，并與轉(zhuǎn)動手柄1連接。上篩板6微型噴射孔20用于殘余氣體或蒸汽排出，并可用于研究中的傳感器數(shù)據(jù)線的通入。
如圖3所示，連接件4為中間設(shè)有中間孔30，中間孔30下端為空腔32的拱橋結(jié)構(gòu)。張緊螺桿2通過中間孔30伸入連接件4內(nèi)，并通過鋼銷與連接件4連接在一起，連接件4兩端設(shè)有孔31，通過沉孔螺栓與上篩板連接在一起，這樣可以通過轉(zhuǎn)動手柄1轉(zhuǎn)動張緊螺桿2在開有內(nèi)螺紋的上法蘭蓋板3來控制上篩板6的上、下移動，從而調(diào)節(jié)纖維體的厚度和密度。
成形器運(yùn)作時張緊螺桿2由轉(zhuǎn)動手柄1的旋轉(zhuǎn)可在上法蘭蓋板3上、下移動，并通過連接件4來控制上篩板6的上、下移動，以控制纖維材料的厚度和密度。由上蓋板3、主筒體5和下錐體8組成纖維材料的主要成形區(qū)域?；煊邪l(fā)泡性樹脂的纖維體分布在上篩板6和下篩板7之間，蒸汽通過蒸汽噴入口9進(jìn)入到下錐體內(nèi)，進(jìn)而在壓力的作用下通過下篩板上噴射孔進(jìn)入具有微孔結(jié)構(gòu)的纖維體中，蒸汽在纖維體內(nèi)的通道內(nèi)流動并與樹脂發(fā)生反應(yīng)，以及加熱纖維體和樹脂使之快速交聯(lián)固化反應(yīng)。材料成形后，將上蓋板3打開并將張緊螺桿2系統(tǒng)移開，最后將成形好后的纖維材料體取出。
將纖維(通常為植物纖維)在高速分散中與MPU-20型聚氨酯樹脂均勻混合，在纖維表面均勻分布一定量的MPU-20型聚氨酯樹脂后，可在人工操作的過程中將該混合纖維均勻地分布在成形器中的主成形體中，按照材料的密度和厚度的要求下，通過成形器中的螺桿2對其施加一定壓力，這樣纖維材料內(nèi)部存在大量的微孔通道(包括縫隙、死穴和活通道)，即在成形器的低部下錐體8噴入高溫壓力蒸汽。具體是，由飽和蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的壓力蒸汽(1-7kgf/cm3)由不銹鋼軟管通入活塞式成形器的低部錐體后，經(jīng)由開設(shè)相當(dāng)多數(shù)量的噴射孔的下篩板7，進(jìn)入表面附有MPU-20型聚氨酯樹脂的多微孔纖維體，該蒸汽在壓力的作用下迅速在多孔纖維材料內(nèi)部滲透、擴(kuò)散，進(jìn)行瞬態(tài)的傳熱傳質(zhì)過程。在壓力、溫度的作用下，樹脂端基-NCO等基團(tuán)與纖維表面的-OH、-COOH或酚羥基等基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)固化反應(yīng)，與此同時，壓力蒸汽(H2O分子)在由纖維與纖維構(gòu)成的微孔道的運(yùn)動中，與部分纖維表面的樹脂端基-NCO進(jìn)行發(fā)泡反應(yīng)，生成CO2氣體形成擴(kuò)張力來提高纖維間的結(jié)合和接觸強(qiáng)度，以達(dá)到輕質(zhì)、多微孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度較高的目的，不需化學(xué)發(fā)泡劑且不含甲醛等有毒氣體釋放。
本發(fā)明方法具有無污染、能耗少、裝備簡單、快速成型等特點(diǎn)，制造相同厚度的纖維材料，其成型時間大約為傳統(tǒng)的接觸式熱模壓方法的1/10～1/5，屬于一次成型工序。其制造的纖維材料達(dá)到超輕質(zhì)(0.05～0.45g/cm3)、厚型(20～200mm)要求，與傳統(tǒng)的纖維材料的通常密度(≥0.55g/cm3)和厚度(12～40mm)相比，在密度、厚度和材料強(qiáng)度性能上更為靈活。
權(quán)利要求
1.一種用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器，其特征在于主筒體(5)內(nèi)設(shè)有板上布滿大量的微型噴射孔(20)的上篩板(6)和下篩板(7)，下篩板(7)位于主筒體(5)底部，主筒體(5)與下錐體(8)連通，錐體(8)上開有蒸汽噴入口(9)；上篩板(6)位于下篩板(7)的上方，與連接件(4)連接，連接件(4)還與張緊螺桿(2)連接，主筒體(5)頂部設(shè)有上法蘭蓋板(3)，用于封閉主筒體(5)；張緊螺桿(2)上端與轉(zhuǎn)動手柄(1)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器，其特征在于所述噴射孔(20)直徑為3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器，其特征在于所述主筒體(5)位于支座(10)上，支座(10)為弧形，中間為空腔。
4.一種快速成形超輕厚型纖維材料的方法，其特征在于蒸汽從錐體(8)上開有蒸汽噴入口(9)經(jīng)由布滿噴射孔(20)的下篩板進(jìn)入主筒體(5)內(nèi)的上篩板(6)和下篩板(7)之間，上篩板(6)和下篩板(7)之間混有發(fā)泡性樹脂的纖維體內(nèi)，蒸汽在多孔纖維體內(nèi)滲透過程中加熱纖維體和樹脂，使之快速進(jìn)行交聯(lián)固化反應(yīng)，同時蒸汽中的部分H2O分子與樹脂的活性基團(tuán)-NCO進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生CO2，制造超輕質(zhì)厚型的纖維材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于快速成形超輕厚型纖維材料的成形器與方法，該成形器主簡體(5)內(nèi)設(shè)有板上布滿大量的微型噴射孔(20)的上篩板(6)和下篩板(7)，主筒體(5)與下錐體(8)連通，錐體(8)上開有蒸汽噴入口(9)；上篩板(6)與連接件(4)連接，連接件(4)還與張緊螺桿(2)連接。其方法中，蒸汽在多孔纖維體內(nèi)滲透過程中加熱纖維體和樹脂，使之快速進(jìn)行交聯(lián)固化反應(yīng)，同時蒸汽中的部分H
文檔編號C09K3/00GK101067281SQ20071002854
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者陳克復(fù), 劉德桃, 李軍, 楊仁黨, 陳奇峰, 莫立煥, 田英姿 申請人:華南理工大學(xué)