地下设施用热固性塑料及其制备方法

摘要

本发明公开一种地下设施用热固性塑料，该塑料由以下质量份的各组分组成：热固性树脂100份，内脱模剂8~12份，无机矿物填料400~500份，引发剂 2~4份，增稠剂0.4~1.0份，工艺助剂10~20份，连续玻璃纤维220~300份。本发明还公开一种上述热固性塑料的制备方法，本发明的塑料具有可替代传统混凝土、金属材料和热塑性塑料等地下设施用材料，既具有混凝土，金属材料的高强度特点，又兼具热塑性塑料防潮，耐腐蚀，保养更换便捷，防霉变，成本低的优势，且强度高，吸水率低，耐腐蚀，尺寸精确，维修更换便捷，燃烧不坍塌，不产生有毒烟气，具有低发热量的优点。

权利要求

1.一种地下设施用热固性塑料，其特征在于：该塑料由以下质量份的各组分组成：所述热固性树脂为不饱和聚酯树脂、酚醛树脂中的一种或两种的混合；所述的内脱模剂为硬脂酸锌；所述的引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯；所述的增稠剂为氧化镁；所述的无机矿物填料采用粒径为80～110μm的氢氧化铝微粉；所述的工艺助剂为Lubrizol路博润公司的SOLPLUS D540；所述的连续玻璃纤维为定向排布的玻璃纤维。

2.一种权利要求1所述的地下设施用热固性塑料的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：(1)按照配方先将热固性树脂、工艺助剂、内脱模剂、引发剂、无机矿物填料依次加入高速分散机内混合20～40分钟；再将增稠剂加入混合3～5分钟得到糊状混合物；

(2)将步骤(1)混合分散所得的糊状混合物倒入浸润用的托盘容器中；

(3)将连续的玻璃纤维束通过钻有有序排列孔洞的板，实现多束的玻璃纤维在一个方向上有序的排布；

(4)将有序排布的玻璃纤维通过装有糊状混合物的托盘容器，使糊状混合物均匀的粘附在玻璃纤维表面；

(5)再在粘附有混合物的玻璃纤维上下表面覆盖聚乙烯薄膜；

(6)置于常温下7～10天，揭去聚乙烯薄膜，即可根据生产需要模压成型。

3.根据权利要求2所述的地下设施用热固性塑料的制备方法，其特征在于：所述的热固性树脂为不饱和聚酯树脂、酚醛树脂中的一种或两种的混合，工艺助剂为Lubrizol路博润公司的SOLPLUS D540，内脱模剂为硬脂酸锌，引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯，无机矿物填料采用粒径为80～110μm的氢氧化铝微粉，连续玻璃纤维为定向排布的玻璃纤维。

说明书

地下设施用热固性塑料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及热固性塑料技术领域，具体涉及一种地下设施用热固性塑料（Lower Calorific Thermosetting Compound,简称LCTC）及其制备方法。

背景技术

[0002] 热固性塑料经过几十年的发展，从制造工艺到应用已日趋成熟，在整个发展过程中，传统材料如金属、塑料等始终面临它的挑战。热固性塑料具有许多特点，可以实现总体成本、可靠性能、外观、安全性、易保养性和环境等综合因素的最佳组合。

[0003] 热固性塑料和金属材料相比：有良好的设计适应性，包括高集约化的零部件；高精密度的成型公差，可省去许多机械操作，良好的表面外观（含可成型着色和表面花纹）；在恶劣环境中的耐腐蚀性；高的比强度；显著的介电强度和耐漏电痕迹性；低的热导率、微波穿透性和良好的抗凹痕性；低的工装成本等。

[0004] 热固性塑料和传统热塑性塑料相比：尺寸精确，稳定性好并且在广泛的温度范围内保持良好的强度；在成型时对从薄到厚截面的设计适应性好；为满足非常特殊的要求和成本的配方自由度高，可加快进入市场的速度；不熔溶；阻燃和低的发烟密度；在恶劣的环境下耐溶剂性；按照体积计材料成本低。

[0005] 与地面相比，地下设施环境有如下一些特性：①封闭性；②恒温性；③人为因素的从属性；④自然因素的侵蚀性等。建造在岩土中的地下设施为一封闭体，既受到围岩介质的物理、化学和生物性因素的作用和影响，也受到建筑物的功能、材料、经济和技术等人为因素的制约。地下建筑物内部缺少阳光直接照射，光线暗淡。围岩和建筑材料可能放射出有害气体或射线，人们的生产和生活活动也会产生有毒物质、臭味和尘土，引起空气污染。室内潮湿，壁面温度低，负辐射大，空气中负离子含量少。蚊、蝇害虫及细菌、病毒繁殖快，生存期长。

[0006] 传统的建筑材料如混凝土在地下潮湿环境中易发生物理和化学侵蚀，影响其耐久性，严寒地区由于潮湿环境易发生冻融破坏。而且，在地下设施中还存在施工不方便，施工周期长等缺点。而传统金属材料在地下潮湿环境更易发生腐蚀，维修保养难度高，费用高。热塑性塑料虽然能够解决上述混凝土和金属材料的腐蚀的问题，但其却存在如下致命缺陷：地下设施密闭，通风不畅，一旦发生火灾，热塑性塑料会燃烧，产生大量有毒烟气，释放大量燃烧热，并熔溶，发生结构性坍塌，对地下设施本身结构和其中的人员生命安全产生威胁，不利于地下设施结构的稳定性和人员的疏散和逃生。

发明内容

[0007] 本发明针对现有技术的上述不足，提供一种可替代传统混凝土、金属材料和热塑性塑料等地下设施用材料，既具有混凝土，金属材料的高强度特点，又兼具热塑性塑料防潮，耐腐蚀，保养更换便捷，防霉变，成本低的优势，且强度高，吸水率低，耐腐蚀，尺寸精确，维修更换便捷，燃烧不坍塌，不产生有毒烟气，具有低发热量的地下设施用热固性塑料。

[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种地下设施用低发热量热固性塑料，该塑料由以下质量份的各组分组成：

[0009] 热固性树脂 100份

[0010] 内脱模剂 8~12份

[0011] 无机矿物填料 400~500份

[0012] 引发剂 2~4份

[0013] 增稠剂 0.4~1.0份

[0014] 工艺助剂 10~20份

[0015] 连续玻璃纤维（玻纤） 220~300份。

[0016] 本发明所述热固性树脂为不饱和聚酯树脂（不饱和聚酯树脂是热固性树脂中最常用的一种，它是由饱和二元酸、不饱和二元酸和二元醇缩聚而成的线形聚合物，经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶液，简称UP），酚醛树脂中的一种或两种的混合。

[0017] 本发明所述内脱模剂为硬脂酸锌（或称硬脂酸锌微粉）。

[0018] 本发明所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯。

[0019] 本发明所述增稠剂为氧化镁（或称氧化镁微粉）、硬脂酸锌微粉或氢氧化铝微粉中的一种。

[0020] 在燃料化学中，表示燃料质量的一种重要指标。单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量。通常用热量计（卡计）测定，或由燃料分析结果算出。热固性塑料中含有热固性树脂等有机成分，因此必须尽可能的降低其在整体中的比例，增加无机物的比例。氢氧化铝是用量最大和应用最广的无机阻燃添加剂。氢氧化铝作为阻燃剂不仅能阻燃，而且可以防止发烟、不产生滴下物、不产生有毒气体。但通常所使用的氢氧化铝由于高填充时会引起体系粘度的直线上升，一般的使用份数不会超过200质量份。而且通用的市售润湿分散剂很难在高比例氢氧化铝填充时使体系降低到满足玻纤浸润的要求。 本发明通过调整了无机矿物填料的粒径和加入量，还对配方中其他组分的含量进行调整以配合无机矿物填料以及玻璃纤维的含量达到更高。低发热量主要取决于无机物的占总体的比例，本发明无机矿物填料采用粒径为80~110μm的氢氧化铝微粉。

[0021] 为了增加无机物的填充量并抵消高填充量造成的对玻璃纤维的浸润不佳，本发明添加并通过试验调整了工艺助剂的种类，本发明选择了Lubrizol路博润公司的SOLPLUS D540，用于降低体系的粘度。

[0022] 为了满足地下设施结构部件的高强度要求，本发明通过试验调整了玻纤的类型，本发明选用定向排布的玻璃纤维作为增强材料。

[0023] 本发明要解决的另一个技术问题是，提供上述地下设施用低发热量热固性塑料的制备方法，步骤如下：

[0024] （1）按照配方先将热固性树脂、工艺助剂、内脱模剂、引发剂、无机矿物填料依次加入高速分散机内混合20~40分钟；再将增稠剂加入混合3~5分钟得到糊状混合物；

[0025] （2）将步骤（1）混合分散所得的糊状混合物倒入浸润用的托盘容器中；

[0026] （3）将连续的玻璃纤维束通过钻有有序排列孔洞的板，实现多束的玻璃纤维在一个方向上有序的排布；

[0027] （4）将有序排布的玻璃纤维通过装有糊状混合物的托盘容器，使糊状混合物均匀的粘附在玻璃纤维表面；

[0028] （5）再在粘附有混合物的玻璃纤维上下表面覆盖聚乙烯薄膜（在最终的热固性塑料中不存在该聚乙烯薄膜，薄膜相当于一个必要的包装，能有效防止材料中的挥发成分挥发）；

[0029] （6）置于常温下7~10天，揭去聚乙烯薄膜，即可根据生产需要模压成型。

[0030] 上述步骤（3）中的有序排列指：在一定面积的木板上设有等距排列的相同直径的孔，市售连续玻纤（通过铂合金板以机械拉丝方法拉制的无限长的纤维，称为连续玻璃纤维，通称长纤维）都是成束的，多束之间放置在一起很容易交叉、乱向，将多束的连续玻纤每束穿过木板上的一个孔，通过孔拉伸出来后使每束玻纤都相互平行，即实现上述的多束的玻璃纤维在一个方向上有序的排布。

[0031] 本发明的优点和有益效果：

[0032] 1.本发明的热固性塑料，通过添加适当比例的无机矿物填料达到低热量（现有技术的热固性材料的热值为20 MJ/Kg左右，我们的最低可达4.3MJ/Kg，远远低于现有技术）的目的，采用氢氧化铝作为阻燃剂不仅能阻燃，而且可以防止发烟、不产生滴下物、不产生有毒气体。但通常所使用的氢氧化铝由于高填充时会引起体系粘度的直线上升，一般的使用份数不会超过200质量份；而且通用的市售润湿分散剂很难在高比例氢氧化铝填充时使体系降低到满足玻纤浸润的要求。 本发明通过调整了无机矿物填料的粒径（粒径为80~110μm的氢氧化铝微粉）和加入量，以及配方中其他组分的含量进行调整以配合无机矿物填料以及玻璃纤维的含量达到更高，从而成功克服了现有氢氧化铝存在的份数不会超过
200质量份、容易一起体系粘度上升等缺陷。制备出低发热量、强度高、粘度低的热固性塑料。

[0033] 2.本发明的热固性塑料，通过各个组分的调整以及用量配比的确定，充分发挥各个组分之间的协同作用，制备出的塑料可替代传统混凝土、金属材料和热塑性塑料等地下设施用材料，既具有混凝土，金属材料的高强度特点，又兼具热塑性塑料防潮，耐腐蚀，保养更换便捷，防霉变，成本低的优势，且强度高，吸水率低，耐腐蚀，尺寸精确，维修更换便捷，燃烧不坍塌，不产生有毒烟气，具有低发热量的优点。

[0034] 3.本发明的热固性塑料，首次提出通过控制氢氧化铝的粒径来弥补过多无机矿物填料带来的体系粘度升高的缺陷，而且氢氧化铝的加入量明显高于现有技术该填料的加入量、从而降低了材料的发热量；并且，还克服了通用的市售润湿分散剂很难在高比例氢氧化铝填充时使体系降低到满足玻纤浸润的要求不足，本发明氢氧化铝的添加量高于传统用量，从而有效保证了材料的阻燃性能，及时遇到高温、明火等突发现象，也能保证低下设施不坍塌、不熔融、无有毒气体释放，从而有效保证了人员的安全。本发明还通过调整玻璃纤维的排布，实现了增加材料的整体强度的目的。

[0035] 4.本发明的热固性塑料，制备方法简单，快速，通过控制加料顺序、混合时间、玻璃纤维的排布类型等，制备出强度高、发热量低的热固性塑料。

附图说明

[0036] 图1 本发明钻有有序排列孔洞的板结构示意图。

[0037] 图2 本发明使用的连续的玻璃纤维穿过钻有有序排列孔洞的板的结构示意图。

[0038] 如图所示：1.板，2.孔洞，3.连续玻璃纤维束。

具体实施方式

[0039] 下面通过实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

[0040] 本发明的原料为市售常规原料，设备为行业常规使用设备。

[0041] 实施例 1:不同无机矿物填料的粒径和加入量的地下设施用低发热量热固性塑料（LCTC）

[0042] 无机矿物加入量对热固性塑料发热量影响较大，而粒径直接影响了无机矿物的加入量。

[0043] （1）按配方计量组分称取：

[0044] 不饱和聚酯树脂 100份

[0045] 硬脂酸锌微粉 8份

[0046] 110μm氢氧化铝微粉 500份

[0047] 过氧化苯甲酸叔丁酯 4份

[0048] 氧化镁 0.4份

[0049] D540 10份

[0050] 连续玻璃纤维 220份

[0051] 将不饱和聚酯树脂、D540、硬脂酸锌微粉、过氧化苯甲酸叔丁酯、氢氧化铝微粉计量后有序加入高速分散机内混合分散20分钟，再将增稠剂氧化镁计量后混合分散5分钟得糊状混合。

[0052] （2）将所得糊状混合物倒入浸润用的托盘容器中；

[0053] （3）将连续的玻璃纤维束3通过钻有有序排列孔洞2的木板1，实现多束的连续玻璃纤维在一个方向上有序的排布；

[0054] （4）将有序排布的玻璃纤维通过装有糊状混合物的托盘容器，使糊状混合物均匀的粘附在玻璃纤维表面；

[0055] （5）再在粘附有混合物的玻璃纤维上下表面覆盖聚乙烯薄膜。

[0056] （6）置于常温下10天，即可根据生产需要模压成型（模压成型为行业常规模压成型技术）。

[0057] 依据应用在不同安全等级部件上，所要求的热值也不同，表1为D540加入10份时选用不同氢氧化铝微粉粒径对加入量的影响，以及不同加入量对热值的影响。

[0058] 表1：

[0059]粒径μm 11010090 80
氢氧化铝微粉最大加入份数 482464446435
热值MJ/Kg 4.35.87.89.6

[0060] 由表1中显示的数据可以看出，粒径越小，导致其总体表面积增加，使粘度增加，加入量减小，有机物比例升高，而造成热值即放热量升高。反之，粒径越大，加入量增大，而造成热值即放热量下降。

[0061] 实施例 2:不同工艺助剂含量的地下设施用低发热量热固性塑料（LCTC）[0062] 不同无机矿物种类，加入量对热固性塑料发热量影响较大，而粒径直接影响了无机矿物的加入量。

[0063] （1）按配方计量组分称取：

[0064] 酚醛树脂 100份

[0065] 硬脂酸锌微粉 10份

[0066] 100μm氢氧化铝微粉 450份

[0067] 过氧化苯甲酸叔丁酯 3份

[0068] 氧化镁 0.8份

[0069] D540 15份

[0070] 连续玻璃纤维 250份

[0071] 将酚醛树脂、D540、硬脂酸锌微粉、过氧化苯甲酸叔丁酯、氢氧化铝微粉计量后有序加入高速分散机内混合分散30分钟，再将增稠剂计量后混合分散4分钟得糊状混合。

[0072] （2）将所得糊状混合物倒入浸润用的托盘容器中。

[0073] （3）将连续的玻璃纤维束通过钻有有序排列孔洞的木板，实现多束的玻璃纤维在一个方向上有序的排布。

[0074] （4）将有序排布的玻璃纤维通过装有糊状混合物的托盘容器，使糊状混合物均匀的粘附在玻璃纤维表面。

[0075] （5）再在粘附有混合物的玻璃纤维上下表面覆盖聚乙烯薄膜。

[0076] （6）置于常温下8天，即可根据生产需要模压成型。

[0077] 工艺助剂的含量对热值的影响也是通过无机填料的加入量来调节的，表2为100μm氢氧化铝微粉选用不同D540含量对加入量的影响，以及不同加入量对热值的影响。

[0078] 表2：

[0079]D540 10 15 20
氢氧化铝微粉最大加入份数 460475488
热值MJ/Kg 6.15.04.2

[0080] 由表2中显示的数据可以看出，随着D540加入量增加，可加入的氢氧化铝微粉增加，无机物比例上升，热值即放热量下降，反之热值上升。

[0081] 实施例 3:不同玻纤排布类型的地下设施用低发热量热固性塑料（LCTC）[0082] 不同玻纤类型会对热固性塑料的强度产生较大影响。

[0083] （1）按配方计量组分称取：

[0084] 不饱和聚酯树脂 100份

[0085] 硬脂酸锌微粉 12份

[0086] 80μm氢氧化铝微粉 400份

[0087] 过氧化苯甲酸叔丁酯 2份

[0088] 氧化镁 1.0份

[0089] D540 20份

[0090] 连续玻璃纤维 300份

[0091] 将不饱和聚酯树脂、D540、硬脂酸锌微粉、过氧化苯甲酸叔丁酯、氢氧化铝微粉计量后有序加入高速分散机内混合分散25分钟，再将增稠剂计量后混合分散5分钟得糊状混合。

[0092] （2）将所得糊状混合物倒入浸润用的托盘容器中。

[0093] （3）将连续的玻璃纤维束通过钻有有序排列孔洞的木板，实现多束的玻璃纤维在一个方向上有序的排布。

[0094] （4）将有序排布的玻璃纤维通过装有糊状混合物的托盘容器，使糊状混合物均匀的粘附在玻璃纤维表面。

[0095] （5）再在粘附有混合物的玻璃纤维上下表面覆盖聚乙烯薄膜。

[0096] （6）置于常温下7天，即可根据生产需要模压成型。

[0097] 表3为不同玻纤排布类型对低发热量热固性塑料强度的影响。

[0098] 表3：

[0099]排布类型 乱向排布 定向排布
玻纤平行方向强度MPa 432 846
玻纤垂直方向强度MPa 421 325

[0100] 由表3中显示的数据可以看出，玻璃纤维的定向排布虽然在垂直方向上较乱向排布的强度低，但在平行方向上强度大幅度提高，只要产品压制时使受力方向与玻纤排布方向一致即可得到高强度的设施部件。

[0101] 本发明降粘剂的目的是使在制备过程中的体系粘度降低，有利于更好更均匀的浸润玻璃纤维，而增稠剂一般在30分钟中内不发挥或只发挥轻微增稠作用，在30分钟后（整个生产制备过程一般不需要30分钟）才起到增稠作用以提高体系粘度，使各组分不会相互发生沉降而分离，使材料的粘度增大利于最后的模压成型。