一高强度高性能薄壁玻璃钢天线罩产品的研发及产业化总结报告.docx
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一高强度高性能薄壁玻璃钢天线罩产品的研发及产业化总结报告
项目研发总结报告
高强度高性能薄壁玻璃钢天线罩产品的研发及产业化
南京华格电汽塑业
2021年11月
一、研究背景
二、配方设计与材料选择
一、新型聚氨酯树脂
二、固化剂
3、填料
4、内脱模剂
五、光稳固剂
六、其它助剂
7、增强材料
三、基础研究工作总结
一、实验配方
二、实验进程
3、实验结果分析
4、标准样品的性能测试
五、小批量生产工作总结
四、批量生产标准化
五、知识产权
六、结论
一、研究背景
天线罩市场对以后的需求将向薄壁、高强度、高性能方向进展,天线罩要紧以热塑性材料和玻璃钢材料为主,传统热塑性材料天线罩由于耐热、耐老化性能有局限性,在恶劣环境及气候下的利用受到了阻碍,玻璃钢天线罩能够知足此类恶劣气候下的利用要求,但其自身DK较高,阻碍着利用性能。
解决玻璃钢天线罩现有问题的方式只有将其介电常数降低、壁厚减薄、增加其透波性;同时壁厚减薄将会直接阻碍到整体天线罩的强度。
传统玻璃钢天线罩要紧以玻璃纤维、不饱和聚酯为要紧材料,辅以填料、固化剂、增进剂等辅料;产品的发射面积壁厚在2.0—2.5mm,介电常数一样为:
3.8—4.2之间,信号损失较大,由于壁厚较厚造成产品重量较重,单件产品的单价较高,给后续的天线高空安装带来必然的麻烦。
为此客户提出薄壁玻璃钢产品的需求,天线罩产品发射面积壁厚降低到1.0—1.5mm,介电常数操纵在3.8以下,同时保证单件产品的单价不变或降低,产品强度符合整机强度要求。
但依托现有的不饱和聚酯配方体系存在着薄壁产品脆,容易断裂;若是将聚氨酯树脂引入生产系统中,利用聚氨酯的优良的冲击韧性,将会解决此类问题,但聚氨酯树脂因其自身反映体系中混合物水分含量是必需严格操纵的,因为随着水的含量增多,反映速度会增加,专门是在催化剂存在下,异氰酸酯与水的反映可加速进行,水与异氰酸酯反映活性尽管比伯羟基低,却与仲羟基相当。
在聚氨酯泡沫塑料之外的聚氨酯制品生产中,水含量是必需严格操纵的,因为水与异氰酸酯反映,会生产不稳固的氨基甲酸,易再分解成二氧化碳和胺。
另外在预聚体中,水分还会降低预聚体中异氰酸酯(-NCO)的含量。
为此,这种的聚氨酯材料对生产环境中的水、玻璃纤维中的水,各类辅料中的水,都有着严格的要求,大尺寸工业化异型材的持续化批量生产是无法实现的。
要想将此类材料应用于持续化大规模生产就必需解决其对水分的灵敏性。
本项目的目标是依照高性能薄壁天线罩的特点和要求,自主研发高刚性、高透波、低损耗新型复合材料天线罩技术的研发及产业化。
相关产品需要知足以下要求:
(1)优化配方,降低聚氨酯树脂材料对水的灵敏性,实现持续化大规模玻璃钢天线罩产品生产。
(2)电性能优良,具体表此刻介电常数低,介质损耗低,以增加材料本身的透波性能。
(3)机械性能优良,具体表此刻强度高,厚度薄,在知足结构强度要求的前提下,厚度越薄,产品的透波能越好。
(4)耐久性优良,利用寿命长,具体表此刻耐候性、耐侵蚀性能好。
二、配方设计与材料选择
一、新型聚氨酯树脂
大体原理:
将异氰酸酯(-NCO)与羟基化合物(-OH)在反映釜中聚合成低聚物,并引入不饱和双键;在与玻璃纤维复合时,再利用过氧化物打开双键,提供自由基聚合反映生成高聚物。
聚氨酯树脂是指主链含氨基甲酸酯(-NHCOO-)重复结构单元的一类聚合物,一样由异氰酸酯(-NCO)与羟基化合物(-OH)聚合而成,具有良好的耐油性、韧性、耐磨性、耐老化性和粘合性。
聚氨酯树脂自1937年德国Bayer教授发明以来,已普遍的应用于软泡、硬泡、弹性体、纤维、合成革、胶粘剂、密封剂和涂料等领域,但应用于纤维增强复合材料专门是大型玻璃钢天线罩目前还无成功的案例。
聚氨酯树脂由于含有极性极强的氨基甲酸酯(-NHCOO-)基团,且异氰酸酯(-NCO)具有超级活泼的反映性,因此与玻璃纤维的界面粘结力超级优良,是复合材料的力学基体。
最近几年来,聚氨酯树脂采纳注入式浸胶的方式,已能够利用拉挤工艺,应用于生产非发泡的玻璃纤维增强复合材料;但只适合应用于结构形式简单,尺寸较小的产品,持续稳固生产的问题并未能完全解决。
本项目开发的新型聚氨酯树脂,固化后的分子结构与通用聚氨酯树脂固化后的分子结构大体一致,且固化方式类似于不饱和聚酯树脂。
因此,这种树脂的固化物性能应该与通用聚氨酯树脂相当,且工艺特性与不饱和聚酯树脂一致。
理论上,适合利用拉挤工艺生产玻璃纤维增强复合材料,且制品性能优良,将这种新型聚氨酯树脂应用到薄壁射频天线罩的生产制造上,解决壁薄、低介电常数、低介电损耗、环境友好等方面的技术难题。
二、固化剂
固化的含义是指:
黏流态树脂体系发生交联反映而转变成为不溶、不熔的具有体型网状结构的固态树脂的全进程,俗称树脂的固化。
树脂的固化进程伴随着物理状态的转变,即由黏流态转变成具有必然硬度的固态。
这种物理性能的转变是微观化学结构转变的宏观表现。
树脂的固化既指树脂在转化进程中的物理转变,又指转化进程中的化学转变。
热固性树脂交联固化一样具有三个不同的时期。
一样,新型聚氨酯树脂的固化进程也分为凝胶、硬化和熟化三个特点时期:
凝胶时期是指树脂从黏流态到失去流动性形成凝胶状时期,这一时期大约需要几分钟到几十分钟;硬化时期是从凝胶到具有必然硬度和固定形状的时期,这一时期大约需要几十分钟到几小时;熟化时期是指从硬化时期到制品达到要求硬度,具有稳固的化学与物理性能而可供利用的时期。
那个时期是一个很漫长的进程,通常需要几天到几十天时刻,操纵和把握树脂的这些固化特点,能够灵活的利用树脂,充分发挥树脂的特性。
固化剂加入到新型聚氨酯树脂中时,新型聚氨酯树脂中的双键与交联单体发生交联反映,随着反映程度的提高,树脂交联固化程度增大,树脂开始凝胶,然后硬化,最终熟化,冷却后产品的力学性能显著增加。
固化剂要紧分为以下三大类:
(1)过氧化酰类:
RCOO:
OOCR
如:
(过氧化苯甲酰)
(2)过氧化酯类:
RCOO:
OR’
如:
(过氧化苯甲酸叔丁酯)
(3)过氧化酮类:
一样为混合物
如:
过氧化甲乙酮(MEKP)、过氧化异丁基甲基甲酮(LM-P)
3、填料
填料在拉挤工艺配方中是超级重要的组成部份,利用适当,能够改善树脂系统的加工性和固化后制品的性能,也能够显著降低复合材料的本钱。
如利用不妥,也会严峻阻碍加工性能和制品性能。
一样来讲,任何粉状矿物都可看成填料。
填料对液体树脂系统的阻碍是提高粘度,产生触变,加速或阻滞固化,减少放热。
在所阻碍的工艺因素中,最重要的是对粘度与流变性的阻碍。
而阻碍粘度的主若是填料的吸油率。
吸油率上升那么粘度上升,或换句话说,在维持相同粘度情形下,吸油率越低,那么该种填料的添加量就能够够越大。
几种经常使用填料的吸油率值见表1;
表1经常使用填料的吸油率
填料
吸油率(%)
高岭土
40
氢氧化铝
20-40
重质碳酸钙
17
表面活化重质碳酸钙
16
依照本项目产品对低DK值、综合强度、可大规模持续生产的特性要求,选择高岭土、氢氧化铝、表面活化重质碳酸钙进行实验对照。
4、内脱模剂
内脱模剂具有极低的表面自由能,能均匀浸湿模具表面,达到脱模成效。
优良的脱模成效是保证拉挤成型工艺顺利进行的要紧条件。
内脱模剂是将其直接加入到树脂中,在必然加工温度条件下,从树脂基体渗出扩散到固化制品表面,在模具和制品之间形成一层隔离膜,起到脱模作用。
五、光稳固剂
由于天线罩型材需要在户外利用,这将不可幸免地使其受到太阳光的辐照。
达到地球的太阳电磁辐射中99.9%的能量集中在紫外区、可见光区和红外区,其中紫外线(波长<400nm)约占7~8%,可见光(波长400~760nm)约占46~50%,红外线(>760nm)约占43~46%。
由爱因斯坦提出的光量子公式可知,尽管抵达地球的太阳辐射光谱中紫外光只占总太阳能的7~8%,但其波长最短,光子能量最大,对聚合物的危害最大。
抵达地面的紫外线能量足以破坏聚合物的化学键,引发自动氧化反映。
紫外光吸收剂是一类能强烈地、选择性地吸收紫外光的化合物,能够利用自身分子结构的特性将光能转换成热能,最后以热能或无害的低能辐射方式将其吸收的能量释放,幸免塑料材料发生光氧化反映。
按化学结构分要紧有二苯甲酮类、苯并三唑类、三嗪类和水杨酸酯类,而运用最为普遍的那么是二苯甲酮类和苯并三唑类紫外光吸收剂。
光稳固剂是一类具有空间位阻效应的有机胺类化合物。
(1)四甲基哌啶的仲胺基被高分子材料光、热氧老化产生的氢过氧化物等过氧化物所氧化,转变成氮氧自由基NO·,该氧化反映破坏掉能引发高分子材料降解进程的部份活性物质,使其变成相对稳固的羟基化合物;
(2)氧化所产生的氮氧自由基NO·捕捉高分子材料所产生的具有破坏性的活性基团,例如R·、RO·、ROO·等自由基;也使其转变成相对稳固的化合物(如R-R、R-O-R、R-O-O-R);
(3)在此进程中,氮氧自由基NO·取得再生,继续和材料中其他自由基反映。
如此周而复始,大大延缓了塑料材料的光、热氧老化速度。
另外,HALS还具有猝灭单线态氧的功能,使其从激发态转变成基态,在光老化的链引发前干与光氧化反映的进行。
因此,HALS具有分解氢过氧化物、猝灭激发态氧、能捕捉自由基、本身循环再生及可自身协同的能力,不仅是高效的光稳固剂,同时也是高效的抗氧剂。
在高空利用的天线罩受到紫外光的作用比较强烈,同时具有在户外利历时刻长、高空不易改换等特点;因此,选择适当的紫外光吸收剂和光稳固剂并用,利用助剂的协同作用提高新型聚氨酯材料型材的户外利用的长期稳固性。
六、其它助剂
在玻璃钢天线罩拉挤生产中还须依照制品的特殊要求和工艺需要添加一些其它辅助材料,大致有:
(1)偶联剂:
能够增加增强材料与树脂之间粘合强度,提高玻璃钢的性能,改善界面状态,有利于制品的耐老化、耐应力及电绝缘性能,本项目采纳硅烷偶联剂。
(2)阻聚剂:
在生产中树脂配方料常会发生自聚,能够适当添加,以延长适用期。
本项目采纳对苯二酚。
7、增强材料
增强材料要紧用于增强制品横向和纵向的弯曲强度,拉伸强度等力学性能,在拉挤生产进程中,增强材料渗透树脂后,按最终制品的形状均匀散布,在高温固化进程中,新型聚氨酯树脂通过固化反映,将增强材料粘结成整体,形成最终制品。
拉挤工艺用的增强材料主若是玻璃纤维及其制品。
本项目所用玻璃纤维制品的品种有:
(1)无捻粗纱:
直接纱(4800tex);
(2)玻璃纤维毡片:
持续毡;
(3)玻璃纤维缝编织物;
三、基础研究工作总结
一、实验配方
为制备出性能优良的玻璃钢天线罩,本实验别离在不同树脂基体(不饱和聚酯树脂、新型聚氨酯树脂)中添加不同种类、不同含量的填料(活化重钙、氢氧化铝、二氧化硅)和引发剂(bpo、lm-p、AW),各配方中的原料比如表2。
表2不同实验配方中的原料比
序号
材料名称
方案1
方案2
方案3
方案4
方案5
方案6
方案7
方案8
1
不饱和聚酯
100
100
100
100
100
0
0
0
2
新型聚氨酯树脂
0
0
0
0
0
100
100
100
3
活化重钙
20
20
20
0
0
20
0
0
4
二氧化硅
0
0
0
20
10
0
10
20
5
氢氧化铝
0
0
0
0
10
0
10
0
6
PE微粉
0
0
1
0
0
0
5
5
7
脱模油
8
色糊
4
4
4
4
4
4
4
4
9
分散剂
10
紫外光稳定剂(uv-p)
11
紫外光吸收剂(uv-5411)
12
bpo
13
lm-p
1
0
1
1
1
1
0
0
14
AW
0
0
0
0
0
15
偶联剂
1
1
1
1
1
1
1
1
二、实验进程
(1)样品制备
现将玻璃纤维与树脂料通过拉挤工艺制成1.0mm厚度测试样品,试样的取位区,一样宜距板材边缘(已切除工艺毛边)30mm以上,最小不得小于20mm。
取位区躲开气泡、分层、树脂淤积、皱褶、翘曲、错误铺层等缺点。
纤维增强塑料一样为各向异性,应按各向异性材料的两个主方向或预先规定的方向(例如板的纵向和横向)切割试样,且严格保证纤维方向和铺层方向与实验要求相符。
纤维增强塑料试样应采纳硬质合金刃具或砂轮片等加工。
加工时要避免试样产生分层、刻痕和局部挤压等机械损伤。
加工试样时,可采纳水冷却(禁止用油)。
加工后,应在适宜的条件下对试样及时进行干燥处置。
(2)测试方式与标准
介电性能:
按标准GB/T1409-2006进行测试,采纳介电常数测试仪测试每一个样品的介电常数和介电损耗值。
拉伸性能:
按标准GB/T1447-2005进行测试,将哑铃形试条于温度为23℃、拉伸速度为5mm/min条件下来进行拉伸实验,测试其拉伸强度、拉伸模量等力学性能;
弯曲性能:
按标准GB/T1449-2005进行测试,将标准样条于温度为23℃,压向速度为2mm/min的条件下在实验机上测试材料的弯曲强度和弯曲模量;
冲击性能:
按标准GB/T1451-2005进行测试,用铣好2mm缺口的标准样条于温度为23℃条件下来测试材料的冲击强度。
实验采纳的悬臂梁摆锤冲击实验机来进行材料的冲击实验;
3、实验结果分析
(1)介电性能测试对照分析
表3是各样品(厚度:
1.0mm)的低频介电性能对照测试结果,从表中能够看出,以新型聚氨酯树脂为玻璃钢树脂基体样品的介电常数和介电损耗值均低于不饱和聚酯树脂为玻璃钢树脂基体的样品,说明其样品的电性能优良,透波性能好。
表3介电性能对比测试结果
试样编号
介电常数(Dielectricconstant)
介电损耗tanσ
103Hz
106Hz
103Hz
106Hz
测试值
平均值
测试值
平均值
测试值
平均值
测试值
平均值
1-1
5.268
5.350
5.258
5.339
0.0140
0.0297
0.0219
0.0223
1-2
5.432
5.420
0.0454
0.0227
2-1
5.094
5.033
5.085
5.022
0.0084
-0.0018
0.0236
0.0240
2-2
4.971
4.958
-0.0119
0.0245
3-1
5.572
5.532
5.556
5.516
0.0237
0.0141
0.0266
0.0262
3-2
5.492
5.477
0.0044
0.0258
4-1
5.067
5.021
5.055
5.009
0.0047
-0.0018
0.0253
0.0262
4-2
4.974
4.963
-0.0083
0.0271
5-1
5.108
5.152
5.095
5.138
0.0350
0.0311
0.0275
0.0267
5-2
5.196
5.182
0.0272
0.0258
6-1
4.898
4.849
4.888
4.839
-0.0120
0.0071
0.0227
0.0233
6-2
4.800
4.789
0.0261
0.0239
7-1
4.462
4.656
4.453
4.645
-0.0232
-0.0141
0.0220
0.0250
7-2
4.849
4.837
-0.0051
0.0279
8-1
4.471
4.700
4.462
4.690
-0.0190
-0.0129
0.0225
0.0240
8-2
4.929
4.917
-0.0068
0.0256
(2)拉伸强度对照测试分析
从表4中能够看出,6#样品的最大力、拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、拉伸模量值均最大,说明6#样品的拉伸力学性能最好。
表4玻璃钢拉伸性能对照测试结果
样品
断裂伸长率
%
最大力
N
拉伸强度
Mpa
拉伸断裂应力
Mpa
拉伸屈服应力
Mpa
拉伸模量
Mpa
1
2
3
4
5
6
7
8
(3)弯曲性能对照测试分析
通过对上述样品的介电性能和力学性能测试结果分析,能够看出6#样品的性能最优,现对不同厚度(1#:
1.0mm,2#:
1.3mm,3#:
1.5mm)的6#样品进行弯曲性能测试,测试结果表5。
从表中能够看出,随着样品厚度的增加,其弯曲模量(0°)方向慢慢增大。
表5不同厚度样品的弯曲性能
性能
样品
弯曲模量(GPa)
弯曲强度(MPa)
0°
90°
0°
90°
1#
355
174
2#
524
219
3#
488
202
(4)冲击性能对照测试分析
对1#,2#,3#样品进行冲击性能测试,测试的冲击能量为5.5J,测试结果如表6。
从表中能够看出,随着厚度的增加,样品在0°方向上的冲击强度慢慢升高。
表6不同厚度样品的抗冲击强度的对照分析
1#
抗冲击强度
0°
kJ/m2
66
90°
35
2#
抗冲击强度
0°
kJ/m2
90°
3#
抗冲击强度
0°
kJ/m2
90°
4、标准样品的性能测试
通过对标准样品的各项力学性能进行测试,其测试结果如表7所示,其中:
1.0-1.5mm厚度产品的要紧基体树脂为新型聚氨酯树脂,2.3mm厚度产品的要紧基体树脂为不饱和聚酯树脂。
表7标准样品力学性能的测试分析
样品厚度
单位
介电常数(2G)
/
介电损耗(2G)
/
表面硬度
度
55
46
/
拉伸强度
0°
Mpa
258
423
429.35
90°
48.36
弯曲强度
0°
Mpa
355
488.39
420
90°
174
202.97
弯曲模量
0°
Mpa
5430
12574
12254
13550
90°
5070
4797
4878
7109
冲击强度
0°
KJ/m2
66
121.42
90°
35
35.20
综上,以新型聚氨酯树脂为基体树脂生产的样品其介电常数低,介质损耗小;另外,该样品的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击性能都达到预期的目标。
五、小批量生产工作总结
(1)小批量生产目的
在上述实验工作的基础上,咱们采纳自行选择和设计的以新型聚氨酯树脂基材料为基础对基站天线外罩制备系统装置进行中试。
对设备进行试运转检查,调试设备至正常运行;
查验模具适应性和精度;
查验配方的稳固性和与设备、模具的适应性。
(2)配方
配料设计:
新型聚氨酯树脂100份,脱模剂1.0~1.5份,紫外光稳固剂(份,紫外线吸收剂份,分散剂份,色浆2—4份,活化重钙20份,固化剂份,固化剂份,偶联剂份。
(3)设备与产品
搅拌设备为变频搅拌机,如下图。
搅拌机设备图
产品为美国康普产品,如下图。
产品图
拉挤设备由纱架、导纱板、浸料槽及12T玻璃钢拉挤设备等生产线组成,如下图。
纱架
导纱板
浸料槽
12T玻璃钢拉挤设备
(4)生产工艺
配方原料高速搅拌:
在高速混合机中加入新型聚氨酯树脂树脂、脱模剂、抗UV剂、紫外线吸收剂、分散剂、色浆在转速800-1000rpm的中速条件下搅拌5~10min后加入碳酸钙填料,加完后将转速调至1500rpm,搅拌30min,将转速调至1000rpm加入引发剂、偶联剂继续搅拌10min后即为树脂配方料。
拉挤成型工艺:
拉挤成型工艺操纵条件为:
四、批量生产标准化
(1)穿纱标准
(2)生产作业标准
(3)配料作业标准
五、知识产权
该项目研发进程中,共申请了专利3件。
(1)发明专利:
一种阻聚剂及包括该阻聚剂的玻璃钢异型材,申请号:
,该专利已取得授权(授权日期:
2021年09月23日)。
(2)有效新型专利:
一种玻纤毡切割装置,申请号:
,该专利已取得授权(授权日期:
2021年02月11日)。
(3)有效新型专利:
一种自动化冲孔装置,申请号:
,该专利已取得授权(授权日期:
2021年04月15日)。
六、结论
该项目实现了用新型聚氨酯树脂生产壁厚小于1.5mm的玻璃钢天线罩,该产品实现了在户外环境下最低限度地阻碍天线发射,接收通信信号的能力。
项目要紧从产品的电学性能,机械性能,耐候性三个方面进行测试研究。
产品的介电常数和介电损耗均较低,电性能优良,透波能力好;在发射面积厚度在1.0—1.5mm的薄壁情形下,其综合强度能够知足天线装配的结构强度要求;产品耐候性,耐侵蚀性能好,利用寿命长;产品在整个生产进程中持续稳固,利于大量量生产;通过了第三方检测机构的相关检测;该项目产品的技术已处于国内领先地位,符合当前国内外市场同类产品的需求,截至2021年8月,该项目已实现销售收入7228.26万元。
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- 强度 性能 薄壁 玻璃钢 天线罩 产品 研发 产业化 总结报告
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