基于超临界发泡一体化成型的建筑模板及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑塑料建筑模板技术领域，具体涉及一种基于超临界发泡一体化成型的建筑模板及其制备方法和应用。

背景技术

市场常见的建筑塑料模板有三大类型：(1)中空塑料模板，其特点是中间层为中空格构，挤出成型，对成型模具要求较高；力学性能较低，弹性模量1500MPa以下；且材质均一性较低，使用过程中易发生局部屈服，降低施工质量，存在施工安全隐患；其改进型产品为在其表面粘附纤维增强片材，提高其力学强度，弹模可达3000MPa；(2)结皮发泡板材，主要是挤出成型，需要对发泡结构进行精确控制，以保证产品质量稳定；弹模1300MPa；热变形维卡温度较低，需要较多的背楞支撑，施工劳动力需要大；(3)背楞格构式塑料模板，多为模压成型的长纤维增强材料；设备要求高，力学性能较佳，但是结构不均一的问题；产品成本较高且单位面积重量较大，单片模板面积有限。上述三种塑料模板产品均存在步骤繁多，生产制备工序复杂，费事费力，且中间层均一性得不到保障，成本较高。

CN105604312A公开的纤维增强建筑模板，包括板芯，及覆在板芯上下表面的面层；板芯包括多层粘结为一体的带有木质纤维的木皮，相邻木皮的木质纤维方向相互垂直；面层包括复合连接为一体的1层-4层纤维增强预浸料片层；面层与板芯之间通过粘结层连接为一体。但该建筑模板需要采用特殊粘结材料，并没有涉及如何兼具高弹性模量和低产品质量。

CN205777465U公开一种中空塑料建筑模板，包括上层板、下层板和芯层板，芯层板通过热熔的方式热压在上层板和下层板之间，上层板和下层板的外表面为平滑状，芯层板的上表面和下表面分别设置横向加强筋和竖向加强筋，且竖向加强筋和竖向加强筋的截面积均为等腰梯形结构，横向加强筋的截面积所形成的等腰梯形的腰大于竖向加强筋的截面所形成的等腰梯形的腰。但该建筑模板并没有涉及如何兼具高弹性模量和低产品质量。

因此，亟需一种一体化成型的建筑塑料模板的制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有建筑塑料模板存在弹性模量低、中间层结构不均一、单位面积重量大，以及建筑模板的制备方法需要专门粘结工序、工艺繁杂、成本高等问题，提供一种基于超临界发泡一体化成型的建筑模板及其制备方法和应用，该建筑模板的芯层结构具有均一性，在满足弹性模量条件下，降低模板单位质量；同时，该方法减少工艺流程，降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于超临界发泡一体化成型的建筑模板，该建筑模板包括：芯层，以及分别设置在芯层上下表面的上面层和下面层，其特征在于，所述芯层为聚丙烯超临界发泡层，所述上面层和下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层；

其中，所述聚丙烯超临界发泡层由聚丙烯片材经超临界流体浸泡发泡制得，且在所述聚丙烯超临界发泡层的制备过程中，所述芯层与上面层、下面层连接为一体。

本发明第二方面提供一种基于超临界发泡一体化成型的建筑模板的制备方法，该方法包括：将聚丙烯片材、上面层和下面层以“夹芯”结构置于可密闭的高压容器中，然后通入超临界流体对所述聚丙烯片材进行浸泡发泡，得到的聚丙烯超临界发泡层作为芯层，所述上面层、下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层；

其中，在所述浸泡发泡的过程中，所述芯层与上面层、下面层连接为一体。

本发明第三方面提供一种第一方面提供的建筑模板，或者，第二方面提供的方法制得的建筑模板在建筑土木工程领域、混凝土现场浇筑施工工程领域、以及工业化装配式建筑领域中的构件厂混凝土浇筑工艺过程中的应用。

相比现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明提供的建筑模板使用聚丙烯超临界发泡层作为芯层，在同等力学(如，弹性模量)条件下，能够有效降低建筑模板的单位面积质量，进而提高了建筑模板产品的使用效率；此外，本发明提供的建筑模板的芯层具有均一性；

(2)本发明提供的方法，集聚丙烯片材发泡(即，芯层制备)、芯层与上面层、下面层的粘附于一体，不使用特殊粘结材料，无需专门粘接工序，一体化成型效果更佳；该方法简化生产环节，降本增效；同样质量的原材料可以制备更多的建筑模板，节材环保。

附图说明

图1是实施例1提供的建筑模板S1的结构示意图。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明第一方面提供一种基于超临界发泡一体化成型的建筑模板，该建筑模板包括：芯层，以及分别设置在芯层上下表面的上面层和下面层，其特征在于，所述芯层为聚丙烯超临界发泡层，所述上面层和下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层；

其中，所述聚丙烯超临界发泡层由聚丙烯片材经超临界流体浸泡发泡制得，且在所述聚丙烯超临界发泡层的制备过程中，所述芯层与上面层、下面层连接为一体。

本发明提供的建筑模板集发泡、面层的粘结于一体，不使用特殊的粘结材料，降低了建筑模板的成本；使用超临界流体发泡聚丙烯制得聚丙烯超临界发泡层，提高芯层结构的均一性，在同等力学(如，弹性模量)条件下，能够明显降低了建筑模板的产品质量，从而提高了建筑模板的使用效率。

根据本发明，优选地，所述建筑模板的厚度为10-25mm，优选为10-15mm；弹性模量为2000-4000MPa，优选为2500-3500MPa；单位面积质量≤5kg/m

在本发明中，没有特殊情况说明下，厚度参数采用螺旋测微器测得，弹性模量参数和单位面积质量参数均采用JG/T 418-2013塑料模板测试得到。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述芯层的厚度为9-21mm，例如，9mm、10mm、12mm、15mm、20mm、21mm，以及任意两个数值组成的范围中的任意值，优选为9-12mm；所述上面层和下面层的厚度各自独立地为0.5-2mm，例如，0.5mm、1mm、1.5mm、2mm，以及任意两个数值组成的范围中的任意值，优选为0.5-1mm。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述聚丙烯芯层与片材的厚度比为1：10-25，例如，1:10、1:12、1:14、1:15、1:20、1:25，以及任意两个数值组成的范围中的任意值，优选为1：10-15。

本发明的设计目的，由面层(即，上面层和下面层)提供强度，芯层提供轻量化效果；芯层的厚度在一定范围以内，面层越厚，则建筑模板的力学性能越好；面层过厚力学性能会下降且自重较大，面层太薄起不到提高力学性能的效果。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述芯层与上面层、下面层的粘接面为粗糙状，且所述上面层与下面层的外表面为光滑状。这样设置，能提高粗糙度，增加两层物料的粘接接触面积，改善粘接效果。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述聚丙烯超临界发泡层的发泡倍率为2-10倍，优选为3-8倍；平均泡孔直径为30-75μm，优选为50-65μm；泡孔密度为10

在本发明中，没有特殊情况说明下，发泡倍率参数采用致密塑料密度与同材质发泡塑料的表观密度之比方法测得；泡孔平均直径参数采用GB/T128811-91测得；泡孔密度参数是利用液氮将发泡制品脆断，制成小片，将其断面向上粘在铜片上进行喷金处理，利用扫描电子显微镜对断面进行观察测得。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述超临界流体选自CO

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述聚丙烯片材由共聚聚丙烯制得，所述共聚聚丙烯的重均分子量为10

在本发明中，没有特殊情况说明下，重均分子量参数采用凝胶色谱法测得；熔体质量流动速率参数根据GB/T 3682-2018测得。

本发明对所述浸泡发泡的条件具有较宽的选择范围，只要经所述聚丙烯片材经超临界流体浸泡发泡制得的聚丙烯超临界发泡层作为芯层，以及将所述芯层、上面层和下面层连接为一体即可。优选地，所述浸泡发泡的过程包括：浸泡阶段、饱和阶段和卸压阶段。

在本发明中，没有特殊情况说明下，所述浸泡阶段旨在将聚丙烯片材和超临界流体经互相浸润熔为一体；饱和阶段旨在使所述超临界流体在聚丙烯片材中达到饱和度；卸压阶段通过工艺条件破坏超临界流体在聚丙烯片材中的稳定性，使超临界流体瞬间转变成气态，完成发泡的目的，由于聚丙烯超临界发泡层在发泡状态下处于熔融状态，能够与上面层和下面层进行粘接组装，得到建筑模板。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述浸泡阶段的条件包括：温度为80-120℃，优选为90-110℃；压力为5-12MPa，优选为8-10MPa；时间为10-40min，优选为25-35min。

在本发明中，没有特殊情况说明下，所述压力为表压。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述饱和阶段的条件包括：温度为130-180℃，优选为145-165℃；压力为15-30MPa，优选为18-25MPa；时间为15-50min，优选为25-30min。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述卸压阶段的条件包括：卸压速率为150-250MPa/s，优选为180-220MPa/s。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述纤维增强热塑性片层由纤维制品和热塑性聚合物制得。

在本发明中，对所述纤维增强热塑性片材层的制备方法不作限定，可以采用熔融浸渍法制得。

在本发明的一种具体实施方式中，所述纤维增强热塑性片材由纤维制品和热塑性聚合物经熔融浸渍制得，其中，熔融浸渍的温度为150-250℃，优选为180-250℃。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述纤维增强热塑性片层中，所述纤维制品和热塑性聚合物的重量比为2-9：1，优选为5-8：1。采用优选的重量比，更有利于提高纤维增强热塑性片层的力学性能参数。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述纤维选自碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述热塑性聚合物的重均分子量为10

根据本发明一种特别优选的实施方式，该建筑模板包括：芯层，以及分别设置在芯层上下表面的上面层和下面层，其特征在于，所述芯层为聚丙烯超临界发泡层，所述上面层和下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层；

其中，所述聚丙烯超临界发泡层由聚丙烯片材经超临界流体浸泡发泡制得，且在所述聚丙烯超临界发泡层的制备过程中，所述芯层与上面层、下面层连接为一体；

其中，所述聚丙烯超临界发泡层的发泡倍率为2-10倍，平均泡孔直径为30-75μm，泡孔密度为10

其中，所述聚丙烯片材与芯层的厚度比为1：10-25。

本发明第二方面提供一种基于超临界发泡一体化成型的建筑模板的制备方法，该方法包括：将聚丙烯片材、上面层和下面层以“夹芯”结构置于可密闭的高压容器中，然后通入超临界流体对所述聚丙烯片材进行浸泡发泡，得到的聚丙烯超临界发泡层作为芯层，所述上面层、下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层；

其中，在所述浸泡发泡的过程中，所述芯层与上面层、下面层连接为一体。

在本发明中，没有特殊情况说明下，“夹芯”结构是指在可密闭的高压容器中，聚丙烯片材位于所述上面层和下面层之间。

在本发明中，没有特殊情况说明下，所述聚丙烯片材、纤维增强热塑性片层的物性参数均依照上述限定，本发明在此不作赘述。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述浸泡发泡的过程包括：浸泡阶段、饱和阶段和卸压阶段。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述浸泡阶段的条件包括：温度为80-120℃，优选为90-110℃；压力为5-12MPa，优选为8-10MPa；时间为10-40min，优选为25-35min。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述饱和阶段的条件包括：温度为130-180℃，优选为145-165℃；压力为15-30MPa，优选为18-25MPa；时间为15-50min，优选为25-30min。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述卸压阶段的条件包括：卸压速率为150-250MPa/s，优选为180-220MPa/s。

在本发明中，只要将所述聚丙烯片材、上面层和下面层按照上面层、聚丙烯片材和下面层的结构设置于所述高压容器内即可。优选地，所述聚丙烯片材平放于所述高压容器中，优选平放于所述高压容器的中部。这样设置避免聚丙烯片材发泡时，聚丙烯超临界发泡层沿上面层、下面层周边溢出，影响模板平整度。

在本发明的一些实施方式中，优选地，所述上面层粘附于所述高压容器的顶部，所述下面层粘附于所述高压容器的底部。这样的设置具有预固定效果，便于控制产品质量，避免粘接发泡过程中面层材料的移动。

在本发明的一种具体实施方式中，优选地，所述上面层和下面层的间距为9-21mm，优选为9-12mm。

本发明第三方面提供一种第一方面提供的建筑模板，或者，第二方面提供的方法制得的建筑模板在建筑土木工程领域、用于混凝土现场浇筑施工工程领域、以及工业化装配式建筑领域中的构件厂混凝土浇筑工艺过程中的应用。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

在实施例和对比例中，没有特殊情况说明下，所述高压容器均为可密闭的高压容器。

发泡倍率参数采用致密塑料密度与同材质发泡塑料的表观密度之比方法测得；

泡孔平均直径参数采用GB/T 128811-91测得；

泡孔密度参数是利用液氮将发泡制品脆断，制成小片，将其断面向上粘在铜片上进行喷金处理，利用扫描电子显微镜对断面进行观察测得；

重均分子量参数采用凝胶色谱法测得；

熔体质量流动速率参数根据GB/T 3682-2018测得；

厚度参数采用螺旋测微器测得；

弹性模量参数和单位面积质量参数均采用JG/T 418-2013塑料模板测试得到。

实施例1-8和对比例1-2制得芯层(P1-P8和DP1-DP2)和建筑模板(S1-S8和DS1-DS2)的物性参数均列于表1。

实施例1

(1)将厚度为1.5mm的上面层粘附于高压容器的顶部，厚度为1.5mm的下面层粘附于高压容器的底部，上面层和下面层的间距为10mm；将聚丙烯片材(厚度1mm)平放于高压容器的中部；

其中，上面层和下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层，且纤维增强热塑性片层由碳纤维和聚丙烯(重均分子量为5×10

其中，聚丙烯片材由共聚聚丙烯制得，共聚聚丙烯的重均分子量为3.45×10

(2)向高压容器中通入超临界流体CO

其中，浸泡发泡的过程包括：浸泡阶段、饱和阶段和卸压阶段；浸泡阶段的条件包括：温度为100℃，压力为10MPa，时间为30min，饱和阶段的条件包括：温度为150℃，压力为20MPa，时间为15min，卸压阶段的条件包括：卸压速率为200MPa/s。

其中，所述建筑模板S1的结构示意图如图1所示，由图1可知，建筑模板S1由芯层，以及设置在芯层上下表面的上面层和下面层组成，且芯层具有结构均一的泡孔，芯层与上面层、下面层的粘接面为粗糙状，上面层和下面层的外表面为光滑状。

实施例2

(1)将厚度为1mm的上面层粘附于高压容器的顶部，厚度为1mm的下面层粘附于高压容器的底部，上面层和下面层的间距为12mm；将聚丙烯片材(厚度1mm)平放于高压容器的中部；

其中，上面层和下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层，且纤维增强热塑性片层由碳纤维和聚乙烯(重均分子量为2.6×10

其中，聚丙烯片材由共聚聚丙烯制得，共聚聚丙烯的重均分子量为2.46×10

(2)向高压容器中通入超临界流体CO

其中，浸泡发泡的过程包括：浸泡阶段、饱和阶段和卸压阶段；浸泡阶段的条件包括：温度为110℃，压力为8MPa，时间为40min，饱和阶段的条件包括：温度为145℃，压力为25MPa，时间为12min，卸压阶段的条件包括：卸压速率为220MPa/s。

其中，所述建筑模板S2的结构示意图与图1类似。

实施例3

(1)将厚度为0.5mm的上面层粘附于高压容器的顶部，厚度为0.5mm的下面层粘附于高压容器的底部，上面层和下面层的间距为9mm；将聚丙烯片材(厚度为0.6mm)平放于高压容器的中部；

其中，上面层和下面层各自独立地为纤维增强热塑性片层，且纤维增强热塑性片层由玻璃纤维和聚乙烯(重均分子量为8×10

其中，聚丙烯片材由共聚聚丙烯制得，共聚聚丙烯的重均分子量为1.82×10

(2)向高压容器中通入超临界流体CO

其中，浸泡发泡的过程包括：浸泡阶段、饱和阶段和卸压阶段；浸泡阶段的条件包括：温度为90℃，压力为9MPa，时间为45min，饱和阶段的条件包括：温度为165℃，压力为30MPa，时间为10min，卸压阶段的条件包括：卸压速率为180MPa/s。

其中，所述建筑模板S3的结构示意图与图1类似。

实施例4

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(1)中，将上面层和下面层的间距替换为15mm，其余条件相同，得到聚丙烯超临界发泡层作为芯层P4和建筑模板S4。

实施例5

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(1)中，将共聚聚丙烯的重均分子量替换为2.4×10

实施例6

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(1)中，在230℃、2.16kg条件下，共聚聚丙烯的熔体质量流动速率替换为4g/10min，其余条件相同，得到聚丙烯超临界发泡层作为芯层P6和建筑模板S6。

实施例7

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(1)中，在纤维增强热塑性片层中，碳纤维和聚丙烯的重量比替换为18:1，其余条件相同，得到聚丙烯超临界发泡层作为芯层P7和建筑模板S7。

实施例8

按照实施例1的方法，不同的是，步骤(2)中，将卸压速率替换为250MPa/s，其余条件相同，得到聚丙烯超临界发泡层作为芯层P8和建筑模板S8。

对比例1

按照实施例1的方法，不同的是，将上面层和下面层各自独立地替换为热塑性片层，且热塑性片层由聚丙烯(重均分子量为5×10

对比例2

按照CN105604312A公开的方法，得到芯层DP2和建筑模板DS2。

表1

/>

通过表1的结果可以看出，本发明提供的建筑模板具有较低的单位面积质量和较高的弹性模量，尤其是通过限定上下面层中纤维与热塑性聚合物的重量比，上下面层的间距，聚丙烯片材中共聚聚丙烯的重均分子量和熔体质量流速，以及特定的浸泡发泡工艺条件，能够进一步优化建筑模板的单位面积质量和弹性模量，即进一步提高建筑模板的综合性能。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。