CN115648777B - 一种高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型的高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，涉及航空航天技术领域。该复合蜂窝芯地板包括依次粘接的第一面板、第一蜂窝芯、第二面板、第二蜂窝芯和第三面板；所述第一蜂窝芯的孔格内切圆直径小于所述第二蜂窝芯；所述第二面板包括板体和包覆在所述板体外的发泡层，所述第一面板、所述板体和所述第三面板由增强复合阻燃材料制成，所述第一面板的厚度大于所述第三面板，所述第三面板的厚度大于所述板体。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，且特别涉及一种高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板。
背景技术
蜂窝芯结构因其质量轻、强度高等优异性能，逐渐被应用于民用航空飞机上，例如应用于飞机得货舱地板等。飞机在飞行过程中，除了受到常规的拉压弯剪力外，还受拉剪、压弯、冲击等复合力作用，复杂的承力形式以及重量限制对飞机地板提出了高强度要求。
目前飞机货舱地板生产方法主要是以热固性酚醛树脂为唯一树脂原材料来制造，包括中国商飞C919、ARJ21飞机使用的美国TGC公司的4223型和4809型地板，但现有地板生产技术门槛高，且力学性能、燃烧性能较热塑性树脂偏低，夹层板复合制造过程翘曲变形偏大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
一种高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，包括依次粘接的第一面板、第一蜂窝芯、第二面板、第二蜂窝芯和第三面板；所述第一蜂窝芯的孔格内切圆直径小于所述第二蜂窝芯；所述第二面板由树脂发泡材料制成，所述第一面板和所述第三面板由增强复合阻燃材料制成，且所述第一面板的厚度大于所述第三面板。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述第一面板/第三面板按照以下步骤制得：
在环氧树脂中加入固化剂、交联剂和阻燃剂，加热混合得到第一溶液；
将增强纤维分散在甲基丙烯酸四氢糠基酯和硅烷偶联剂的混合溶液中，加热得到第二溶液；
将所述第二溶液缓慢滴加到所述第一溶液中，在60～90℃条件下反应5～8h后，搅拌混合，得到预成型树脂；
在所述预成型树脂中加入相变材料后制成薄膜；
根据厚度需求将所述薄膜和纤维织物进行复合，得到所述第一面板/第三面板。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述固化剂为双氰胺；所述交联剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈和氢过氧化异丙苯中的一种或多种。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述增强纤维选自陶瓷纤维、碱土金属硅酸盐纤维和聚四氟乙烯纤维中的一种或多种；所述纤维织物为玻璃纤维织物和/或碳纤维织物。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述阻燃剂根据以下步骤制得：
将乙二胺、氯仿和N,N-二甲基苯胺混合后，在冰水浴条件下，逐一滴加苯基二氯磷酸酯，然后在40～50℃下反应4～8h，得到中间体；
将所述中间体溶解在丙酮中，在冰水浴得条件下加入三聚氯氰溶液，反应4～6h后，加入二甲基咪唑和三乙胺，加热至75～95℃反应4～8h后，经过分离、洗涤、干燥，得到所述阻燃剂。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述第二面板根据以下步骤制得：将聚酯、丙三醇和叔胺进行熔融共混后，加入玄武岩纤维和顺丁烯二酸酐熔融共混后，造粒得到改性聚酯材料；将所述改性聚酯材料进行热压成型，得到板体；将所述板体置于高压反应釜中，通入超临界气体作为发泡剂，在12～18MPa、120～180℃条件下反应1～5h，得到所述第二面板。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述第一蜂窝芯和所述第二蜂窝芯均为Nomex蜂窝芯或Kevlar蜂窝芯；所述第一蜂窝芯的高度小于所述第二蜂窝芯。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，其根据以下步骤制得：
按照顺序将所述第一面板、所述第一蜂窝芯、所述第二面板、所述第二蜂窝芯和所述第三面板进行进行叠放；
将叠放后的所述第一面板、所述第一蜂窝芯、所述第二面板、所述第二蜂窝芯和所述第三面板进行预热处理；
对预热处理后的产品进行热压处理，得到所述复合蜂窝芯地板。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述预热处理的过程为：在100～120℃条件下放置1～2h。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述热压处理过程为：热压温度为180～200℃，热压时间为3～5h。
本发明实施例的高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板的有益效果是：
通过设置双层蜂窝芯的结构，可以使得地板具有更好的抗压强度和抗冲击性能，上侧的面板较厚且蜂窝芯的孔格较小，强度更好，下侧的面板较薄且蜂窝芯的孔格加大，抗弯曲性能更好，使得该地板结构能够满足航空飞机的特殊要求。此外，在两个蜂窝芯之间以树脂发泡制成的第二面板间隔开，进一步提供更优异的耐弯折性能，树脂发泡材料具有吸收震动降噪的功能，能够减少飞机飞行过程在气流等因素产生的噪音。地板的上下两侧面板为增强复合阻燃材料，为地板提供良好的结构稳定性和优异的阻燃性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1的复合蜂窝芯地板的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板进行具体说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，包括依次粘接的第一面板11、第一蜂窝芯12、第二面板13、第二蜂窝芯14和第三面板15。第一蜂窝芯12的孔格内切圆直径小于第二蜂窝芯14。第二面板13由树脂发泡材料制成，第一面板11和第三面板15由增强复合阻燃材料制成，且第一面板11的厚度大于第三面板15。
通过设置双层蜂窝芯的结构，可以使得地板具有更好的抗压强度和抗冲击性能，上侧的面板较厚且蜂窝芯的孔格较小，强度更好，下侧的面板较薄且蜂窝芯的孔格加大，抗弯曲性能更好，使得该地板结构能够满足航空飞机的特殊要求。此外，在两个蜂窝芯之间以树脂发泡制成的第二面板间隔开，进一步提供更优异的耐弯折性能，树脂发泡材料具有吸收震动降噪的功能，能够减少飞机飞行过程在气流等因素产生的噪音。地板的上下两侧面板为增强复合阻燃材料，为地板提供良好的结构稳定性和优异的阻燃性能。
具体地，第一面板/第三面板按照以下步骤制得：
S11，在环氧树脂中加入固化剂、交联剂和阻燃剂，加热混合得到第一溶液。具体地，在40～60℃条件下加热搅拌0.5～1h，得到第一溶液。
S12，将增强纤维分散在甲基丙烯酸四氢糠基酯和硅烷偶联剂的混合溶液中，加热得到第二溶液。具体地，加热温度为70～80℃。
S13，将第二溶液缓慢滴加到第一溶液中，在60～90℃条件下反应5～8h后，搅拌混合，得到预成型树脂。
S14，在预成型树脂中加入相变材料后制成薄膜。具体地，例如可以通过溶液浇筑方式获得薄膜。进一步地，相变材料的质量为预成型树脂的3～6％。
S15，根据厚度需求将薄膜和纤维织物进行复合，得到第一面板/第三面板。具体地，第一面板11的厚度大于第三面板15。例如，可以通过调控薄膜的厚度实现对面板厚度的调控。
进一步地，步骤S11中，按照质量份数计，环氧树脂为100份、固化剂为20～30份、交联剂为1～3份、阻燃剂为1～10份。进一步地，固化剂为双氰胺；交联剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈和氢过氧化异丙苯中的一种或多种。
进一步地，步骤S11中，阻燃剂根据以下步骤制得：
将乙二胺、氯仿和N,N-二甲基苯胺混合后，在冰水浴条件下，逐一滴加苯基二氯磷酸酯，然后在40～50℃下反应4～8h，得到中间体；将中间体溶解在丙酮中，在冰水浴得条件下加入三聚氯氰溶液，反应4～6h后，加入二甲基咪唑和三乙胺，加热至75～95℃反应4～8h后，经过分离、洗涤、干燥，得到阻燃剂。
具体地，在一个具体实施例中，将33.2g乙二胺、200mL氯仿和12.5g N,N-二甲基苯胺混合后，在冰水浴条件下，逐一滴加40.6g苯基二氯磷酸酯，然后在45℃下反应6h，得到中间体。将中间体溶解在200mL丙酮中，在冰水浴得条件下加入23.5g三聚氯氰溶液，反应5h后，加入22.1g二甲基咪唑和36.5g三乙胺，加热至80反应6h后，经过分离、洗涤、干燥，得到阻燃剂。
通过上述方式获得的阻燃剂，能够形成高分子量的含磷阻燃成分，包括含咪唑结构的阻燃成分和和含三嗪环结构的阻燃成分，该阻燃剂分子量较大，应用于聚合物材料中，能够提高成炭量，减少熔滴现象，赋予产品良好的阻燃效果。
进一步地，在步骤S13中，增强纤维选自陶瓷纤维、碱土金属硅酸盐纤维和聚四氟乙烯纤维中的一种或多种。第一溶液和第二溶液混合时，保证增强纤维的质量为环氧树脂的10～30％。进一步地，边搅拌边滴加第二溶液。
进一步地，在步骤S14中，相变材料选自石蜡、多元醇、聚乙二醇和、赤藓醇中的一种或多种。通过在树脂中加入相变材料，相变材料能在燃烧发生时吸收大量热量，阻止燃烧进程，进一步提高面板的阻燃效果。
进一步地，在步骤S15中，薄膜和纤维织物的复合过程例如可以是在纤维织物的上下表面铺贴薄膜，然后通过热压方式对薄膜和纤维织物进行复合。具体地，纤维织物例如可以为玻璃纤维织物、碳纤维织物或二者的混合。
本发明实施例中，第一面板/第三面板的制备过程中，在增强纤维上引入极性较强的四氢糠基基团，与硅氧烷基团共水解缩聚，使得增强纤维能够与环氧树脂形成良好的复合效果，面板的强度和耐久性更优良。
进一步地，第二面板13根据以下步骤制得：
S21，将聚酯、丙三醇和叔胺进行熔融共混后，加入玄武岩纤维和顺丁烯二酸酐熔融共混后，造粒得到改性聚酯材料。具体地，熔融共混的温度为50～80℃，熔融共混的时间为1～5min。
S22，将改性聚酯材料进行热压成型，得到板体。
S23，将板体置于高压反应釜中，通入超临界气体作为发泡剂，在12～18MPa、120～180℃条件下反应1～5h，得到第二面板13。
在第二面板的制备过程中，以聚酯为主体成分，添加丙三醇，以叔胺为催化剂，熔融共混后，顺丁烯二酸酐进行扩链，一方面能够与玄武岩纤维进行原位复合，增强第二面板的抗压强度。另一方面，能够形成交联网络结构，具有良好的抗撕裂和回复能力，使得第二面板在受到各个方向上作用力时，能够进行压力分散，提高产品的耐弯折性能。
在步骤S21中，聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯或二者的混合物。进一步地，按照重量份数计，聚酯为100份、丙三醇为0.5～2份、叔胺为1～5份、玄武岩纤维为5～10份、顺丁烯二酸酐为5～10份。
进一步地，第一蜂窝芯12和第二蜂窝芯14均为Nomex蜂窝芯或Kevlar蜂窝芯。进一步优选地，第一蜂窝芯12的高度小于第二蜂窝芯14。可以理解的是，第一蜂窝芯12和第二蜂窝芯14的高度方向为其轴向方向。通过控制蜂窝芯的高度，赋予第一蜂窝芯12具有更高的强度、第二蜂窝芯14更好的耐弯折能力。
可以理解的是，Nomex蜂窝芯或Kevlar蜂窝芯可以通过市售产品获得。
进一步地，本实施例的复合蜂窝芯地板根据以下步骤制得：
S31，按照顺序将第一面板11、第一蜂窝芯12、第二面板13、第二蜂窝芯14和第三面板15进行进行叠放；
S32，将叠放后的第一面板11、第一蜂窝芯12、第二面板13、第二蜂窝芯14和第三面板15进行预热处理；
S33，对预热处理后的产品进行热压处理，得到复合蜂窝芯地板。
进一步地，在步骤S32中，预热处理的过程为：在100～120℃条件下放置1～2h。预热处理使得各层材料形成微熔状态，在后续热压过程中，能够在各层材料之间形成更好的粘接力。
进一步地，在步骤S33中，热压处理过程为：热压温度为180～200℃，热压时间为3～5h。
通过热压的方式实现各层材料的复合，制备流程简单。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种复合蜂窝芯地板，按以下步骤获得：
1)第一面板/第三面板制备：
a.按照重量份数计，备取环氧树脂为100份、双氰胺为15份、偶氮二异丁腈为1份、阻燃剂为8份；将上述原料混合，在50℃条件下加热搅拌1h，得到溶液A。其中，阻燃剂的制备方法为：将33.2g乙二胺、200mL氯仿和12.5g N,N-二甲基苯胺混合后，在冰水浴条件下，逐一滴加40.6g苯基二氯磷酸酯，然后在45℃下反应6h，得到中间体。将中间体溶解在200mL丙酮中，在冰水浴得条件下加入23.5g三聚氯氰溶液，反应5h后，加入22.1g二甲基咪唑和36.5g三乙胺，加热至80反应6h后，经过分离、洗涤、干燥，得到阻燃剂。
b.将20份聚四氟乙烯纤维分散在含有30份甲基丙烯酸四氢糠基酯和3份硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在75℃条件下加热搅拌1h，得到溶液B。
c.将溶液B缓慢滴加到溶液A中，在80℃下反应5h后，搅拌混合，得到预成型树脂。
d.在预成型树脂中加入4wt％的赤藓醇，浇筑得到薄膜。
e.在两层薄膜间夹设玻璃纤维织物，热压得到板材。
控制薄膜厚度，得到厚度为3mm的第一面板11和厚度为1mm的第三面板15。
第二面板制备：
a.按照质量份数计，将100份聚酯PET、1份丙三醇和3份叔胺在55℃下熔融共混2min后，加入10份玄武岩纤维和8份顺丁烯二酸酐，在55℃下熔融共混2min，造粒得到改性聚酯材料。
b，将改性聚酯材料进行热压成型，得到板体。
c，将板体置于高压反应釜中，通入CO2流体作为发泡剂，在16MPa、150℃条件下反应2h，得到厚度为3mm的第二面板13。
3)提供不同规格的Nomex蜂窝芯，以孔格内切圆直径为2.2mm、高度为4mm的Nomex蜂窝芯为第一蜂窝芯12，以孔格内切圆直径为4.2mm、高度为8mm的Nomex蜂窝芯为第二蜂窝芯14。
4)按照顺序将第一面板11、第一蜂窝芯12、第二面板13、第二蜂窝芯14和第三面板15进行进行叠放；在120℃下放置1h。然后在180℃热压3h得到复合蜂窝芯地板。
实施例2
本实施例提供一种复合蜂窝芯地板，按以下步骤获得：
1)第一面板/第三面板制备：
a.按照重量份数计，备取环氧树脂为100份、双氰胺为20份、偶氮二异丁腈为2份、阻燃剂为7份；将上述原料混合，在50℃条件下加热搅拌1h，得到溶液A。其中，阻燃剂与实施例1相同。
b.将20份聚四氟乙烯纤维分散在含有30份甲基丙烯酸四氢糠基酯和3份硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在75℃条件下加热搅拌1h，得到溶液B。
c.将溶液B缓慢滴加到溶液A中，在80℃下反应5h后，搅拌混合，得到预成型树脂。
d.在预成型树脂中加入4wt％的赤藓醇，浇筑得到薄膜。
e.在两层薄膜间夹设碳纤维织物，热压得到板材。
控制薄膜厚度，得到厚度为3mm的第一面板11和厚度为1mm的第三面板15。
第二面板制备：
a.按照质量份数计，将100份聚酯PET、2份丙三醇和5份叔胺在55℃下熔融共混2min后，加入10份玄武岩纤维和5份顺丁烯二酸酐，在55℃下熔融共混2min，造粒得到改性聚酯材料。
b，将改性聚酯材料进行热压成型，得到板体。
c，将板体置于高压反应釜中，通入N2流体作为发泡剂，在16MPa、150℃条件下反应2h，得到厚度为3mm的第二面板13。
3)提供不同规格的Nomex蜂窝芯，以孔格内切圆直径为2.2mm、高度为4mm的Nomex蜂窝芯为第一蜂窝芯12，以孔格内切圆直径为4.2mm、高度为8mm的Nomex蜂窝芯为第二蜂窝芯14。
4)按照顺序将第一面板11、第一蜂窝芯12、第二面板13、第二蜂窝芯14和第三面板15进行进行叠放；在100℃下放置2h。然后在180℃热压3h得到复合蜂窝芯地板。
实施例3
本实施例提供一种复合蜂窝芯地板，与实施例1的区别之处在于：
1)第一面板/第三面板制备：
a.按照重量份数计，备取环氧树脂为100份、双氰胺为15份、阻燃剂为8份；将上述原料混合，在50℃条件下加热搅拌1h，得到溶液A。其中，阻燃剂与实施例1相同。
b.将20份聚四氟乙烯纤维分散在含有3份硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在75℃条件下加热搅拌1h，得到溶液B。
c.将溶液B缓慢滴加到溶液A中，在80℃下反应5h后，搅拌混合，得到预成型树脂。
d.对预成型树脂进行浇筑，得到薄膜。
e.在两层薄膜间夹设玻璃纤维织物，热压得到板材。
控制薄膜厚度，得到厚度为3mm的第一面板11和厚度为1mm的第三面板15。
对比例1
本对比例提供一种复合蜂窝芯地板，与实施例1的区别之处在于：
阻燃剂成分为市售的红磷阻燃剂。
对比例2
本对比例提供一种复合蜂窝芯地板，与实施例1的区别之处在于：
第二面板：
a.按照重量份数计，备取环氧树脂为100份、双氰胺为15份、偶氮二异丁腈为1份、阻燃剂为8份；将上述原料混合，在50℃条件下加热搅拌1h，得到溶液A。其中，阻燃剂与实施例1相同。
b.将20份聚四氟乙烯纤维分散在含有30份甲基丙烯酸四氢糠基酯和3份硅烷偶联剂的乙醇溶液中，在75℃条件下加热搅拌1h，得到溶液B。
c.将溶液B缓慢滴加到溶液A中，在80℃下反应5h后，搅拌混合，得到预成型树脂。
d.在预成型树脂中加入4wt％的赤藓醇，浇筑得到薄膜。
e.在两层薄膜间夹设玻璃纤维织物，热压得到板材。
控制薄膜厚度，得到厚度为3mm的第二面板13。
测试例
对实施例1～3和对比例1～2获得的复合蜂窝地板进行性能测定，结果如下表1所示。
表1
注：a中的测试项目以复合蜂窝芯地板为测试样品，b中的项目以第一面板为测试样品。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，其特征在于，包括依次粘接的第一面板、第一蜂窝芯、第二面板、第二蜂窝芯和第三面板；所述第一蜂窝芯的孔格内切圆直径小于所述第二蜂窝芯；所述第二面板由树脂发泡材料制成，所述第一面板和所述第三面板由增强复合阻燃材料制成，且所述第一面板的厚度大于所述第三面板；所述第一蜂窝芯的高度小于所述第二蜂窝芯；
所述第一面板/第三面板按照以下步骤制得：
在环氧树脂中加入固化剂、交联剂和阻燃剂，加热混合得到第一溶液；
将增强纤维分散在甲基丙烯酸四氢糠基酯和硅烷偶联剂的混合溶液中，加热得到第二溶液；所述增强纤维为聚四氟乙烯纤维；
将所述第二溶液缓慢滴加到所述第一溶液中，在60～90℃条件下反应5～8h后，搅拌混合，得到预成型树脂；
在所述预成型树脂中加入相变材料后制成薄膜；其中，所述相变材料选自石蜡、多元醇和聚乙二醇中的一种或多种；
根据厚度需求将所述薄膜和纤维织物进行复合，得到所述第一面板/第三面板；
所述第二面板根据以下步骤制得：将聚酯、丙三醇和叔胺进行熔融共混后，加入玄武岩纤维和顺丁烯二酸酐熔融共混后，造粒得到改性聚酯材料；将所述改性聚酯材料进行热压成型，得到板体；将所述板体置于高压反应釜中，通入超临界气体作为发泡剂，在12～18MPa、120～180℃条件下反应1～5h，得到所述第二面板；
所述复合蜂窝芯地板根据以下步骤制得：
按照顺序将所述第一面板、所述第一蜂窝芯、所述第二面板、所述第二蜂窝芯和所述第三面板进行叠放；
将叠放后的所述第一面板、所述第一蜂窝芯、所述第二面板、所述第二蜂窝芯和所述第三面板进行在100～120℃条件下放置1～2h进行预热处理；
对预热处理后的产品进行热压处理，得到所述复合蜂窝芯地板，热压温度为180～200℃，热压时间为3～5h。
2.根据权利要求1所述的高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，其特征在于，所述固化剂为双氰胺；所述交联剂选自偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈和氢过氧化异丙苯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，其特征在于，所述纤维织物为玻璃纤维织物和/或碳纤维织物。
4.根据权利要求1所述的高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，其特征在于，所述阻燃剂根据以下步骤制得：
将乙二胺、氯仿和N,N-二甲基苯胺混合后，在冰水浴条件下，逐一滴加苯基二氯磷酸酯，然后在40～50℃下反应4～8h，得到中间体；
将所述中间体溶解在丙酮中，在冰水浴得条件下加入三聚氯氰溶液，反应4～6h后，加入二甲基咪唑和三乙胺，加热至75～95℃反应4～8h后，经过分离、洗涤、干燥，得到所述阻燃剂。
5.根据权利要求1所述的高强度阻燃民用航空复合蜂窝芯地板，其特征在于，所述第一蜂窝芯和所述第二蜂窝芯均为Nomex蜂窝芯或Kevlar蜂窝芯；所述第一蜂窝芯的高度小于所述第二蜂窝芯。
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