船用玻璃钢/复合材料夹层结构中的泡沫芯材

1、 结构泡沫芯材的历史回顾

       玻璃钢／复合材料( 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)、丙烯腈一苯乙烯(SAN)、聚醚酰亚胺(PE T\及聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)等泡沫，其中PS和PUR泡沫通常仅作为浮力材料，而不是结构用途。目前PVC泡沫已几乎完全代替PUR泡沫而作为结构芯材，只是在一些现场发泡的结构中除外。

       严格意义上讲，第1种用在承载构件夹层结构中的结构泡沫芯材是使用异氰酸酯改性的PVC泡沫，或称交联PVC。第1个采用PVC泡沫夹芯的夹层结构是保温隔热车厢。交联PVC的生产工艺是由德国人林德曼在20世纪30年代后期发明的。二次大战以后法国将该工艺列入战争赔偿中，由克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司( Kleber Renolit)开始生产Klegecell交联PVC泡沫，主要是一些用在保温隔热车厢中的低密度产品。

20世纪50～60年代，克勒贝尔蕾洛雷特塑料公司给几家欧洲公司发放了PVC泡沫的生产许可证。另外2家美国公司，B．F歌德雷奇(B．F Goodrich)和佳士迈威(Johns - Manville)也买到了许可证开始生产，但是几年以后就停产。当所有的主产许可证都过期以后，交联PVC的生产工艺过程转为公开。进入20世纪70年代以后，多数原来的欧洲许可生产的厂家也已停产。目前2个主要的生产厂家是戴博(Diab)公司的Divinycell和Klegecell系列PVC泡沫及爱瑞柯斯(Airex)公司的Herex系列PVC泡沫。

       20世纪40年代后期，林德曼使用高压气体作为发泡剂，制造出未经过改性的PVC泡沫，也叫线性PVC泡沫。

       英国于1943年首先制成聚苯乙烯泡沫塑料，1944年美国道化学有限公司用挤出法大批量生产聚苯乙烯泡沫塑料。

       第二次世界大战期间，德国拜尔的试验人员对二异氰酸酯及羟基化合物的反应进行研究，制得了PUR硬质泡沫塑料、涂料和粘合剂。1 952年，拜尔公司报道了软质聚氨酯泡沫塑料的研究成果。

      1993年，加拿大的ATC公司开始生产SAN泡沫。其制造工艺和线性PVC相似。

       PMI泡沫是由德国罗姆(Ro hm)公司于1966年首先采用丙烯腈、甲基丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸酯热塑性树脂在180。C-F发泡并交联制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫的技术，接着日本的积水化学公司于1967年使用辐射交联方法制作聚甲基丙烯酰亚胺泡沫。

2、夹层结构的工作原理及优点

      夹层结构一般是由上面板、上面板与芯材的粘结层、芯材、下面板与芯材的粘结层以及下面板所构成，这5个要素组成了1个整体的夹层结构。夹层结构传递荷载的方式类似于工字梁，见图1。上下面板（翼板）主要承受由弯矩引起的面内拉压应力和面内剪应力，而芯材（腹板）主要承受由模向力产生的剪应力，见图2。

      作为子L隙材料，芯材可以起到减轻结构重量，增加结构刚度，提高结构强度等作用。为了使夹层结构的各要素能协同承载，面板与芯材之间的粘接层必须能传递荷载，因此至少应具备和芯材一样的强度。通常，如果加载以后，夹层结构的芯材发生破坏，其破坏位置一般位于粘接层下面的芯材部分，因为粘接层芯材表面的孔隙中由于填充了胶粘剂／树脂，提高了粘接层泡沫的强度。选择正确的胶粘剂对夹层结构的强度也有非常重要的意义，通常在选择胶粘剂的时候除了强度以外，还需要考虑使用温度、烟雾条件及其与芯材和面板材料的兼容性。如果选择与面板材料共固化，则胶粘剂或胶膜的固化条件需要与面板的共固化条件相一致。