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玻璃鋼復合材料船舶夾層結構中的泡沫芯材

  結構泡沫芯材的歷史回顧

  玻璃鋼/復合材料(FRP/CM)中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、丙烯腈-苯乙烯(SAN)、聚醚酰亞胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亞胺 (PMI)等泡沫,其中PS和PUR泡沫通常僅作為浮力材料,而不是結構用途。目前PVC泡沫已幾乎完全代替PUR泡沫而作為結構芯材,只是在一些現場發泡的結構中除外。

  嚴格意義上講,第一種用在承載構件夾層結構中的結構泡沫芯材是使用異氰酸酯改性的PVC泡沫,或稱交聯PVC。第一個采用PVC泡沫夾芯的夾層結構是保溫隔熱車廂。交聯PVC的生產工藝是由德國人林德曼在上世紀30年代后期發明的。二次大戰以后法國將該工藝列入戰爭賠償中,由克勒貝爾蕾洛雷特塑料公司(Kleber Renolit)開始生產Klegecell®交聯PVC泡沫,主要是一些用在保溫隔熱車廂中的低密度產品。
上世紀50-60年代,克勒貝爾蕾洛雷特塑料公司給幾家歐洲公司發放了PVC泡沫的生產許可證。另外兩家美國公司,B.F歌德雷奇(B.F Goodrich)和佳士邁威(Johns-Manville)也買到了許可證開始生產,但是幾年以后就停產。當所有的生產許可證都過期以后,交聯PVC的生產工藝過程轉為公開。進入70年代以后,多數原來的歐洲許可生產廠家也已停產。目前兩個主要的生產廠家是戴博(Diab)公司的Divinycell®和Klegecell®系列PVC泡沫及愛瑞柯斯(Airex)公司的Herex®系列PVC泡沫。

  20世紀40年代后期,林德曼使用高壓氣體作為發泡劑,制造出未經過改性的PVC泡沫,也叫線性PVC泡沫。

  英國于1943年首先制成聚苯乙烯泡沫塑料,1944年美國道化學有限公司用擠出法大批量的生產聚苯乙烯泡沫塑料。

  第二次世界大戰期間,德國拜爾的試驗人員對二異氰酸酯及羥基化合物的反應進行研究,制得了PUR硬質泡沫塑料、涂料和粘合劑。1952年,拜爾公司報道了軟質聚氨酯泡沫塑料的研究成果。

  1993年,加拿大的ATC公司開始生產SAN泡沫。其制造工藝和線性PVC相似。

  PMI泡沫是由德國羅姆(Rohm)公司于1966年首先用丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯熱塑性樹脂在180oC下發泡并交聯制作聚甲基丙烯酰亞胺泡沫的技術,接著日本的積水化學公司于1967年使用輻射交聯方法制作聚甲基丙烯酰亞胺泡沫。

  夾層結構的工作原理及優點

  作為孔隙材料芯材可以起到減輕結構的重量,增加結構的剛度,提高結構的強度等作用。夾層結構一般是由上面板、上面板與芯材的粘結層、芯材、下面板與芯材的粘結層以及下面板所構成,這五個要素組成了一個整體的夾層結構。夾層結構傳遞荷載的方式類似于工字梁(見圖1),上下面板(翼板)主要承受由彎矩引起的面內拉壓應力和面內剪應力,而芯材(腹板)主要承受由橫向力產生的剪應力
 
  為了使夾層結構的各要素能協同承載,面板與芯材之間的粘接層必須能傳遞荷載,這樣至少應具備和芯材一樣的強度。通常,如果加載以后,夾層結構的芯材發生破壞,其破壞位置一般位于粘接層下面的芯材部分,因為粘接層芯材表面的孔隙中由于填充了膠粘劑/樹脂,提高了粘接層泡沫的強度。選擇正確的膠粘劑對夾層結構的強度也有非常重要的意義,通常在選擇膠粘劑的時候除了強度以外,還需要考慮使用溫度、煙霧條件及其與芯材的面板材料的兼容性。如果選擇與面板材料共固化,則膠粘劑或膠膜的固化條件需要與面板的共固化條件相一致。

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