防火膨胀型酚醛树脂基无机纤维增强复合材料与制作方法

摘要

防火膨胀型酚醛树脂基无机纤维增强复合材料，由酚醛树脂、可膨胀性石墨、无机纤维增强材料以及固化剂、辅助剂成分。采用层压、模压、注射方法复合而成，可制成各种条状、环状、板状及各种复杂形状的制品，其制品可以作为结构材料使用，也可以经过表面装饰作为装饰材料使用。当遇火灾时，制品表面可膨胀性石墨及表面酚醛树脂炭化形成多层防火碳层，成为隔绝或削弱热传递的材料，可以防止火焰继续燃烧复合材料。不产生或很少产生燃烧时放出的浓烟或有毒气体。本复合材料适于制作飞机、轮船船舱、火车车厢、地铁车厢、电梯厢等高速交通工具，建筑物内部防火材料、军事装备、消防工具等，既可以作结构材料也可以作装饰材料使用，该材料遇火不燃烧具有相当卓越的防火效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种防火膨胀型酚醛树脂基无机纤维增强复合材料与制作方法。特别涉及适用于飞机、轮船、火车车厢、地铁车厢、公汽车厢、电梯厢等高速运输工具，建筑物内部防火、高层建筑物的承力结构防火层及消防工具及军用装备等的复合材料与制作方法。

背景技术

一般高速运输工具的车厢等装饰材料及部分结构材料是采用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨脂等塑料来装饰，用不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂为基体的无机纤维(高纤维、碳纤维)增强的复合材料为结构材料，但以上材料遇火灾时，其材质都不同程度的易遇火燃烧并产生浓烟及有毒气体，对人们的生命安全造成严重危害。

以前也有部分有关的防火膨胀性材料，如美国专利第5047449号提到用硅橡胶，金属氧化物硼砂与云母或蛭石所组成的复合材料。美国专利5508321号及4694030号中使用硅橡胶结合膨胀石墨硅酸盐或磷酸盐等组合而成的防火膨胀物，上述复合材料，在火灾发生时也非常有用，但有机硅橡胶成本高，其成型性较差，制造成本非常高，使用受到限制，而且与火接触时，其膨胀层结构不坚韧，受火力吹蚀容易松散，不能作为结构材料使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于飞机、轮船、火车车厢、地铁车厢、公汽车厢、电梯厢等高速运输工具，建筑物内部防火、高层建筑物的承力结构防火层、消防工具及军用装备等的防火膨胀型酚醛树脂基无机纤维增强复合材料及其制备方法。

本发明的防火膨胀型酚醛树脂基无机纤维增强复合材料组成物包括：(1)酚醛树脂；(2)可膨胀性石墨；(3)无机纤维增强材料；(4)固化剂；(5)辅助剂。

该组成物各组分的重量配比为：

(1)酚醛树脂50～80重量份，         (2)可膨胀性石墨5～40重量份

(3)无机纤维强材料5～40重量份，    (4)固化剂2～8重量份

(5)辅助剂1～5重量份

本发明使用的酚醛树脂为热塑性粒状酚醛树脂，粒径为0.1～3mm，最佳为悬浮法合成的粒状热塑性酚醛树脂。

本发明使用的可膨胀石墨为天然石墨，或石油碳系人工石墨、焦碳系人工石墨，经过层间处理制得具有受热大于200℃时膨胀特性的石墨制品，既可单独使用其中的一种，也可以使用其中两种以上石墨的混合物，其粒径一般为20-200目，最好的粒径范围在20-50目。

本发明使用的无机纤维增强材料包括：

(a)70mm以下短碳纤维材料，70mm以上长碳纤维材料及碳纤维网带和布。

(b)玻璃纤维材料包括70mm以下碱短纤维、70mm以下中碱短纤维、70mm以下无碱短纤维、70mm以下石英短纤维、70mm以下其他特种玻璃纤维，70mm以上长纤维及其玻璃网带和布。

其中，长纤维及网带、布等一般用于层压制品。模压、注射工艺一般采用短纤维，最佳纤维长度范围为30～50mm。

本发明使用的固化剂为六次甲基四胺、多聚甲醛中任何一种，或二者的混合物，用量范围为酚醛树脂重量的5-12％之间，最佳使用量为酚醛树脂重量的8-10％。

本发明使用的辅助剂，一般起辅助作用，根据制品要求选择使用。其辅助剂包括着色剂苯胺黑、氧化铁红，其粒度为100～120目，用于改善制品的外观；润滑剂硬脂酸、硬脂酸锌，主要用于方便制品的脱模；增塑剂二甲苯、苯乙烯主要用于提高树脂的可塑性及流动性等，辅助剂总用量为酚醛树脂重量的1～7％。

本复合材料的制备方法，根据制品的形状及其他要求，可采用以下成型工艺方法中的任何一种方法制作：

1、层压成型工艺，其步骤是：

1)将酚醛树脂、可膨胀性石墨、固化剂、辅助剂混合均匀，与无机纤维制品(一般使用长碳纤维、长玻璃纤维及其它们的布、网带等制品)分层叠合在层压机模具中，2)加温加压，在165±5℃、6～8MPa压力下压10～30分钟成型；3)在100～180℃，2小时条件下进行后固化处理，修饰后即得到成品。工艺流程见图1。

2、模压成型工艺，其步骤是：

1)将酚醛树脂、可膨胀性石墨、固化剂、辅助剂等与无机短纤维混合均匀后，制成模压料，2)放入模压机模具中，在温度140～180℃，压力50～80MPa下压制20～120分钟，压制成型，3)在100～180℃，2小时条件下进行后固化处理，修饰后即得到成品。压制时间根据塑件的壁厚而定，小制品为20～40分钟，中制品为60～90分钟，大制品为90～120分钟。工艺流程见图2。

3、注射成型工艺，其步骤是：

1)将酚醛树脂、可膨胀性石墨、固化剂、辅助剂等与无机短纤维混合均匀后，2)放入注塑机加热110～180℃到软化，在背压5～15×10⁵Pa之间，注入模具，模具温度在100-180℃之间，50-110秒后脱模，3)在100～180℃，，2小时条件下进行后固化处理，修饰后即得到成品。工艺流程见图3。

本发明的复合材料，具有遇明火时，表面的酚醛树脂迅速碳化与膨胀的石墨形成多层防火碳层，能隔绝或削弱热传递，使材料不燃烧、不发烟、不产生有毒气体，加上该材料的比重较轻，是非常优秀的防火材料。

本发明的防火膨胀型酚醛树脂基无机纤维增强复合材料，主要基体材料为酚醛树脂，比有机硅树脂成本低，而且制品成型容易，由于采用无机纤维增强，其力学性能非常优秀，能作为结构材料使用。

附图说明

图1为本发明的复合材料层压成型工艺图。

图2为本发明的复合材料模压成型工艺图。

图3为本发明的复合材料注射成型工艺图。

具体实施方式

实施例1：按重量取酚醛树脂50份，天然石墨20份，短碳纤维(70mm)20份，多聚甲醛4份，苯乙烯3份，按前述模压工艺制成复合材料，经测试防火性能优异，能作为防火结构材料。

实施例2～5：按重量取酚醛树脂，石油碳系人工石墨，玻璃纤维，六次甲基四胺，硬脂酸，按前述层压工艺制成复合材料，配方及测试结果如下表。

实施例结果如表