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结构和其它复合材料及其制造方法

结构和其它复合材料及其制造方法

根据本发明,我们开发了具有优异性能,包括高耐压强度、高抗张强度、高切变强度和高强度重量比的结构和其它复合材料及其制造方法。本发明材料还具有易于制造以及制造成本低的附加优点。本发明材料的优异性能使得该材料适用于许多最终应用。例如,许多物质可被运用到本发明材料上而不会熔融、溶解或降解其基础结构。这有助于本发明材料与基本上任何表面或底材结合。而且,本发明材料和许多底材之间的结合特别牢固,使形成的结合制品适用于各种需要的应用。本发明材料可制成各种各样的尺寸、形状、密度,以及多层形式等等。

优选地,当从多组分(如双组分)体系制备可聚合组分(如可发泡的可聚合组分)时,首先将多孔性材料仅与一种可聚合组分中混合,然后再将第二组分引入到反应容器中。一般来说,优选首先将多孔性材料和双组分体系中粘度更大的组分相混合。例如,多孔性材料的表面可基本上完全被涂上可聚合组分的前体。可选地,多孔性材料的表面可只是部分被涂上可聚合组分的前体。

实施例3制造示例性的PetriFoamTM材料如上所述,反应混合物中各成分的比例取决于最终产品的预期物理性质,因此在未确定材料的最终应用时,不能详细说明其成分比例。

预期用于本发明实践的示例性多孔性材料包括聚烯烃(如,包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等及其混合物和/或共聚物在内的微珠),砂砾和其它二氧化硅基材料,玻璃珠,陶瓷,蛭石,珍珠岩,粉煤灰骨料(lytag),粉碎的飞尘,未燃碳,活性炭等,以及上述物质中任意两种或两种以上的混合物。鉴于本发明中可采用许多多孔性材料,在本发明的某些具体实施方式中考虑采用除聚苯乙烯之外的多孔性材料。

在采用接枝共聚物体系的情况下,可通过多步骤或单步骤聚合法进行制备。例如,在采用多步骤方法的情况下,可允许第一聚合物组分在多孔性材料的孔内部进行聚合,此后,带有第一聚合物的多孔性材料可进行其它的步骤,使第二聚合物组分直接地或通过连接物与第一聚合物组分相连接而形成将多孔性材料包封其中并渗入其内的基体。在一种示例性的单步骤方法中,以使第一聚合物优先被分配在多孔性材料的孔内部的方式选择或引入第一聚合物,以使第二聚合物优先被分配在多孔性材料的外部的方式选择或引入第二聚合物,以及进行聚合反应(在连接分子存在或不存在的条件下),使第一聚合物组分和第二聚合物组分相互接枝。

发明详述

本发明基于优选的氨基甲酸酯基体的制剂的优点之一是这些制剂在固化过程中基本不会释放出挥发性有机化合物(VOCs),这是与许多传统生成气体的制剂所不同的。

实施例1所述的制剂2(IPS 3001-10LV)是一种双组分硬质水发泡聚氨酯结构材料。对于要求坚硬或坚固表面的应用中,该材料也提供了优异的性能,并且可用作木材的低成本替代物。由聚氨酯材料可容易地模压出部件,否则就会要求进行耗费劳力的雕刻或切板制作。将该材料的典型物理性质列入表2中。

本发明的又一种实施方式提供了制造具有改进性质,包括抗压模量为至少20,000psi,弯曲模量为约10,000psi-约14,000psi的结构和其它复合材料的方法,该方法包括:结合多孔性材料和生成气体的可聚合组分而得到预聚合混合物,将此预聚合混合物置于使生成气体的可聚合组分进行聚合的条件下,从而制得固化的制品,以及随后使固化的制品受到足够长时间的压缩压力作用,从而使制品获得预期的物理性质,所述压缩压力的范围为约5-10,10-40,40-80,80-100,100-400,400-800,800-1600,1600-3000,3000-5000或5000-10,000psi或更高。

进一步在这一方面,本发明的制品还可以制品在制备期间受到的压缩百分比来描述。通过在受限制的空间(如模具)内使制剂发生理化膨胀而调节压缩率,或者通过向装在模具或其它受限空间内生成气体的或其它的聚合物体系施加外部压力而调节压缩率。在制备期间,本发明的材料受到的压缩率可小到为5-10vol%,如文中所预期的,压缩率可高达并超过80或90vol%。在需要提高强度的应用中,压缩率的范围优选为约5,10,15,20,25或30vol%至约35,40,45,50,55,60,65,70或75vol%。

如本领域人员所易知,可涂覆到本发明材料上的涂料是多种多样的。可用于本发明材料的涂料包括Portland水泥(通常以水中的淤浆形式涂覆,或者与二氧化硅基材料一起应用,使处理后的制品获得阻燃性质)、石膏、凝胶涂层、清漆涂层、带颜色的涂层、防粘涂料、防滑涂料、粘合剂、耐擦性涂料、金属化涂料等。图8提供了覆有涂料的本发明材料的示意图。对于某些涂料,提高涂料对本发明制品的粘附能力是有利的。这可通过各种方式实现,例如采用物理和/或化学方法蚀刻这类制品的表面。因此,如文中所述,可增加制品要涂覆涂料的表面积,从而提高涂料对被处理制品的粘附能力。

任选地,可采用既非导电体也非传热体的填料。这类填料可用于使本发明的制剂具有另一些性质,如降低固化材料热膨胀性,降低介电常数,改进韧性,增加疏水性等。这类填料的例子包括合成材料,如全氟代烃聚合物,热塑性聚合物(如聚丙烯),热塑性弹性体,聚-对亚苯基对苯二甲酰亚胺(paraphenylene terephthalimide),玻璃纤维,石墨板,石墨纤维,尼龙,人造丝,再生聚合物,再生固体材料,固体废料,固体聚合材料,金属废料,重新研磨的碎片(re-ground chips),碎片,粉末,纸,碎屑,橡胶,玻璃,中空聚合物微珠,实心聚合物微珠,中空玻璃珠,实心玻璃珠,玻璃废料,回收的组合木瓦(recycledcomposition shingles),回收的沥青,回收的屋顶材料,回收的水泥,回收的轮胎,碳,以及各种其他的工业处理后的或消费后的塑料和其他材料,等等。填料也可包括天然存在的材料,如云母,烟化石英(fumedsilica),熔融硅石,沙,锯屑,砂砾,石头骨料(stone aggregate),棉,麻,稻壳,椰子壳纤维,虾壳体(shrimp carcasses),竹纤维,纸,爆玉米花,爆玉米花集料,骨头,种子,碎稻草纤维(如来自水稻、小麦或大麦)等等,以及上述物质中任意两种或两种以上的混合物。填料可以是多孔性的,也可是相对无孔的。在采用多孔性填料的情况下,本发明材料的聚合物基体可延伸到这类填料内部和周围,从而可能进一步加强本发明材料的强度。

欲将面材和/或涂料施加到本发明的材料上时,可对本发明材料将要施加面材和/或涂料的表面进行物理和/或化学磨蚀,以增加底材的孔隙率,并提高面材和/或涂料粘附于其上的能力。例如,本发明的材料可进行喷沙和/或化学蚀刻或磨蚀处理,从而磨蚀表层,使本发明材料的表面更易于覆盖面材和/或涂料。在本发明的一些实施方式中,可将面材和/或涂料施加到支撑物的任何一侧。这种结构的示意图参见图9。

本文中所采用的“高强度重量比(high strength-to-weight ratio)”是指本发明的材料虽然重量较轻,但仍具有高得惊人的强度。例如,重量只为现有技术材料一小部分的本发明制品能提供与重量大得多的材料,如木材或水泥相同的或更好的性能。与制备本发明材料的各个材料分别制成的材料的强度重量比相比,例如与由聚合物如聚氨酯制得的材料的强度重量比相比,本发明材料的强度重量比也大大超出了预期值。

根据本发明的一个方面,提供了结构和其它复合材料,包括:多孔性材料(porous material),其中该多孔性材料的直径为约0.05mm-约60mm,而微珠密度为约0.1kg/m3-约1000kg/m3,典型的微珠密度范围为约1kg/m3-约100kg/m3,以及聚合物(polymer),其中该聚合物是由可在低于该多孔性材料熔点的温度下固化的可聚合组分制备而来,其中该聚合物包封该多孔性材料,且其中含有聚合物的丝(filaments)或其它凸出部分(otherprojections)延伸到多孔性材料的内部。正如本领域技术人员易知,聚合物材料可以以不同程度延伸到多孔性材料的内部,这取决于诸如聚合物体系的粘度、多孔性材料的孔径,以及体系承受的压力,和类似因素。