一种轻质高强聚氨酯复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料制备，具体涉及一种轻质高强聚氨酯复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，聚氨酯树脂以其韧性好、固化快、无苯乙烯烟雾等优点使其复合材料脱颖而出。随着人们对聚氨酯成型技术的掌握和在控制其反应性以延长其适用期方面的进步，聚氨酯已进入长期由不饱和聚酯和乙烯基酯树脂占据主导地位的复合材料领域。

2、在过去，聚氨酯复合材料主要是用结构反应注射法（srim）成型的汽车内饰件和外部件，如皮卡车箱、车底板、行李架、内门板等（聚氨酯经过发泡）。然而在近几年中，聚氨酯复合材料发展了拉挤、缠绕、真空灌注和长纤维喷射等技术，主要用不发泡的聚氨酯复合材料来制造窗框、浴缸、电灯杆和卡车、越野车的大型部件等。与其他材料相比，用聚氨酯拉挤可产生多种效益。它可以提高制品中玻璃纤维含量而使制品强度大大提高。例如，用玻璃纤维与聚氨酯树脂拉挤窗框，所得窗框的强度比pvc窗框高8倍，其导电性比铝低40倍，因而绝缘性能好得多。同时，因为聚氨酯拉挤窗框的脆性更小，它们不会开裂而经久耐用。

3、高性能聚氨酯玻璃纤维复合材料是一种以高硬度聚氨酯弹性体为基体材料，玻璃纤维为增强材料，采用连续拉挤工艺生产的一种具有高强度、高模量、轻质高分子复合材料。聚氨酯拉挤技术的产品不仅比传统材料具有更高的强度、更好的隔热保温效果，而且更轻质环保。其应用领域十分宽广，从最初的华丽浴缸，到冲浪和滑雪板，再到今天的窗框、集装箱地板等创新应用，聚氨酯复合材料已融入日常生活的方方面面。

4、由于聚氨酯本身弹韧性较好，质量较轻，但其机械强度并不高，而通过纤维强化或硬质填料虽可提高强度，但也提高了密度，不利于材料的轻量化，同时还存在纤维与聚氨酯树脂间的结合问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种轻质高强聚氨酯复合材料及其制备方法。

2、本发明的目的采用以下技术方案来实现：

3、一种轻质高强聚氨酯复合材料，包括增强纤维和改性聚氨酯树脂，其中，所述改性聚氨酯树脂的制备方法包括以下步骤：

4、s1、前体引发剂制备

5、称取4,4'-磺酰二酚并加入在氢氧化钾水溶液中，充分搅拌至完全溶解后，加入双（三苯基膦）氯化亚胺，继续搅拌反应10-60min，分离沉淀并分别以去离子水和丙酮洗涤，真空干燥，得到前体引发剂；

6、s2、嵌段聚合物制备

7、称取所述前体引发剂并溶解在环己烷溶剂中，加入三乙基硼烷和苯基环氧乙烷，在通入二氧化碳气体的条件下升温至50-60℃并保温搅拌反应12-20h，加入异氰酸酯，将反应体系继续在50-60℃和1-10 bar的二氧化碳气氛中搅拌反应1-4h，反应完成后加入二氯甲烷稀释反应体系，在甲醇中沉淀，分离沉淀并以无水甲醇洗涤，将所述沉淀真空干燥制得所述改性聚氨酯树脂。

8、在一些优选的实施方式中，所述增强纤维在所述轻质高强聚氨酯复合材料中的的质量比例为1-15wt%。

9、在一些优选的实施方式中，所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或高分子聚合物纤维。

10、在一些优选的实施方式中，所述增强纤维的形态为连续纤维、纤维带或纤维布。

11、在一些优选的实施方式中，所述4,4'-磺酰二酚与所述双（三苯基膦）氯化亚胺的质量比例为1：（2.2-2.4）。

12、在一些优选的实施方式中，所述前体引发剂与所述三乙基硼烷、所述苯基环氧乙烷、所述异氰酸酯的质量比例为（0.02-0.03）：（0.12-0.13）：10：（1.5-2.1）。

13、在一些优选的实施方式中，所述异氰酸酯包括单异氰酸酯和二异氰酸酯，所述单异氰酸酯为丁基异氰酸酯、对甲苯基异氰酸酯、对异丙基苯基异氰酸酯中的一种或几种；所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯中的一种或几种。

14、在一些优选的实施方式中，所述增强纤维为改性纤维，所述改性纤维以玻璃纤维或碳纤维为基底进行表面改性制得。

15、在一些优选的实施方式中，所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：

16、称取丁香酚基丙烯酸酯并以甲醇溶解稀释至固含在0.5-2%，得到表面改性溶液，将玻璃纤维或碳纤维浸入到所述表面改性溶液中，搅拌反应1-30min，滤出后依次以去离子水、ph为8-10的碱性水溶液和去离子水洗涤，干燥后制得。

17、本发明的另一方面在于提供一种前述的轻质高强聚氨酯复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

18、（1）将所述增强纤维清洗干燥后备用；

19、（2）将步骤（1）所述增强纤维铺设在成型模具中，将所述改性聚氨酯树脂与所述强化纤维复合，冷却后开模制得所述复合材料。

20、本发明的有益效果为：

21、针对现有技术中的聚氨酯复合材料机械强度不高以及树脂基体与增强纤维间的问题，本发明通过聚氨酯树脂改性制备得到嵌段改性聚合物，在保证树脂的轻量化的同时提高了树脂的机械强度，具体的，本发明以双官能团鎓盐为引发剂，在三乙基硼的催化条件下，通过苯基环氧乙烷和二氧化碳合成改性聚碳酸酯嵌段，再加入异氰酸酯进行苯基环氧乙烷与异氰酸酯的共聚反应形成聚氨酯嵌段，制得所述改性聚氨酯树脂；更进一步的，本发明还通过对纤维进行表面改性提高树脂与纤维间的结合强度，具体的，基于丁香酚基丙烯酸酯制备的表面改性剂在纤维表面形成邻苯二酚底层结构，促进与聚氨酯树脂间的粘附作用，进而提高两者结合强度，同时提高复合材料的力学性能。

技术特征：

1.一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，包括增强纤维和改性聚氨酯树脂，其中，所述改性聚氨酯树脂的制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述增强纤维在所述轻质高强聚氨酯复合材料中的的质量比例为1-15wt%。

3.根据权利要求1所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或高分子聚合物纤维。

4.根据权利要求1所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述增强纤维的形态为连续纤维、纤维带或纤维布。

5.根据权利要求1所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述4,4'-磺酰二酚与所述双（三苯基膦）氯化亚胺的质量比例为1：（2.2-2.4）。

6.根据权利要求1所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述前体引发剂与所述三乙基硼烷、所述苯基环氧乙烷、所述异氰酸酯的质量比例为（0.02-0.03）：（0.12-0.13）：10：（1.5-2.1）。

7.根据权利要求1所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述异氰酸酯包括单异氰酸酯和二异氰酸酯，所述单异氰酸酯为丁基异氰酸酯、对甲苯基异氰酸酯、对异丙基苯基异氰酸酯中的一种或几种；所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述增强纤维为改性纤维，所述改性纤维以玻璃纤维或碳纤维为基底进行表面改性制得。

9.根据权利要求8所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料，其特征在于，所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：

10.根据权利要求1-9之一所述的一种轻质高强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开一种轻质高强聚氨酯复合材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域，包括增强纤维和改性聚氨酯树脂，其中，所述改性聚氨酯树脂是以双官能团鎓盐为引发剂，在三乙基硼的催化条件下，通过苯基环氧乙烷和二氧化碳合成改性聚碳酸酯嵌段，再加入异氰酸酯进行苯基环氧乙烷与对异氰酸酯的共聚反应形成聚氨酯嵌段制得；本发明通过聚氨酯树脂改性制备得到嵌段改性聚合物，在保证树脂的轻量化的同时提高了树脂的机械强度。技术研发人员：白大成,杨超,孙稳山,赵威,姚汉伟受保护的技术使用者：长春三友智造科技发展有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18