一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610681252.4 (22)申请日 2016.08.17 (71)申请人 中国铁道科学研究院铁道建筑研究 所 地址 100081 北京市海淀区大柳树路2号 申请人 中国铁道科学研究院 上海禹术防水工程技术有限公司 (72)发明人 牛斌沙磊曾志斌牛嘉禾 范霆高健 (74)专利代理机构 北京轻创知识产权代理有限 公司 11212 代理人 杨立 (51)Int.Cl. C08G 18/48(2006.01) C08K 13/04(2006.01) C08K 7/14(2006。

2、.01) C08K 7/06(2006.01) C08L 77/10(2006.01) C08J 5/04(2006.01) (54)发明名称 一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成 板材及其制作方法 (57)摘要 本发明涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨 酯硬泡合成板材及其制作方法， 其以聚氨酯树脂 和增强纤维为基体材料， 包括混合型聚醚多元 醇、 阻燃剂、 硬泡稳定剂、 偶联剂、 催化剂、 发泡 剂、 抗氧剂、 抗紫外剂、 异氰酸酯、 增强纤维， 其中 增强纤维的含量大于60。 本发明通过采用低羟 值低官能度的混合型聚醚多元醇、 使用偶联剂等 多种技术手段， 解决了聚氨酯树脂与增强纤维浸 渍不充。

3、分的问题， 从而提高了增强纤维含量， 能 够制作出密度高于840kg/m3且增强纤维含量大 于60的纤维增强聚氨酯硬泡材料制品， 弥补了 纤维增强聚氨酯泡沫合成板材的技术空白， 使其 产品规格及性能多元化， 满足不同的技术指标要 求。 权利要求书2页 说明书11页 附图1页 CN 106349446 A 2017.01.25 CN 106349446 A 1.一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 其以聚氨酯树脂和增强纤维为基体 材料， 其特征在于， 以质量份计， 聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的质量比例如 下： 2.根据权利要求1所述一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 其。

4、特征在于， 所 述增强纤维为玻璃纤维、 碳纤维、 芳纶纤维、 钢纤维中的任意一种或多种混合。 3.根据权利要求1或2所述一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 其特征在 于， 所述增强纤维以长纤维为主体， 还包括短切纤维和纤维毡。 4.一种如权利要求3所述高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制作方法， 其特 征在于， 采用连续成型工艺制作而成， 其连续成型工艺包括放卷长纤维及纤维毡、 注射聚氨 酯树脂、 加入短切纤维、 均匀浸渍、 履带式层压主机内固化、 冷却、 定长切割七个工序。 5.根据权利要求4所述一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制作方法， 其 特征在于， 所述均匀浸渍具。

5、体是将聚氨酯树脂通过高压发泡机、 移动浇注设备及对应的工 装均匀浸渍在增强纤维的表面及内部。 6.根据权利要求4所述一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制作方法， 其 特征在于， 所述履带式层压主机是由履带式层压机及侧边挡块共同组成， 侧边挡块固定在 履带式层压机上， 模腔的高度及宽度依据挡块的尺寸进行调整。 7.根据权利要求4至6任一项所述一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制 作方法， 其特征在于， 定长切割后的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 其厚度为 10mm100mm。 8.根据权利要求4至6任一项所述一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制 作方法， 其特征在。

6、于， 定长切割后的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 其宽度为 100mm600mm。 权利要求书 1/2 页 2 CN 106349446 A 2 9.根据权利要求4至6任一项所述一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制 作方法， 其特征在于， 定长切割后的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 其密度为 200kg/m32000kg/m3。 权利要求书 2/2 页 3 CN 106349446 A 3 一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法 技术领域 0001 本发明属于高分子复合材料技术领域， 本发明涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨 酯硬泡合成板材， 尤其是涉及一种应。

7、用在桥梁、 铁路、 轻轨及地铁等领域的高纤维含量纤维 增强聚氨酯硬泡合成板材及其制作方法， 还可推广到市政建设、 化工、 船舶、 装甲车、 货车等 领域作为步道板使用， 并可在重载铁路、 普通铁路、 明面桥、 道岔等作为复合材料合成轨枕 使用。 背景技术 0002 目前桥梁、 铁路、 轻轨及地铁等领域采用的板材， 如人行步道板、 电缆槽盖板、 轨枕 等大都采用钢筋混凝土或活性粉末混凝土制作而成， 产品重量重、 施工困难； 且表面粗糙， 不美观， 长期使用后， 产品极易出现裂纹， 造成一定的安全隐患。 为了解决施工困难的问题， 有的采用木质材料进行替代， 不仅需要消耗大量的优质木材， 而且木材在。

8、受到长期的日晒 雨淋以及江水、 海水的腐蚀后， 腐蚀比较严重， 出现了大量的裂纹、 缺陷及虫蛀孔洞。 基本 上， 使用5年后就必须更换， 大大增加了产品的维护及更换成本。 有的采用玻璃钢材料进行 替代， 但是玻璃钢材料在生产中， 加入了大量的粉料， 经日晒雨淋后， 很容易出现粉化现象， 质量不稳定， 产品耐候性及耐老化性能差， 长期使用后， 存在安全隐患， 同时其制品重量也 较重， 施工比较困难， 若将玻璃钢材料做成空心结构， 其力学性能大大降低， 尤其是螺栓抗 拔强度太低， 存在安全隐患， 一般510年就必须更换。 有的使用纤维增强聚氨酯泡沫材料， 但其纤维含量低， 强度低， 在重载铁路及普。

9、通铁路轨枕强度测试过程中出现了严重塌陷， 不 适合应用在重载铁路及普通铁路中， 仅适合应用在国内外的轻轨及地铁铁路线路中。 0003 目前国内外研究的纤维增强聚氨酯泡沫材料， 所用的聚氨酯均由聚醚多元醇与异 氰酸酯反应而成， 其采用的聚醚多元醇官能度较高， 聚氨酯反应时间及固化速率很快， 基本 上3分钟左右的时间即可固化， 并且其选用的聚醚多元醇粘度大， 流动性差， 很难在聚氨酯 固化前解决聚氨酯与纤维浸渍均匀的问题， 故国内外目前制作的纤维增强聚氨酯泡沫材料 制品中纤维含量低， 且聚氨酯与纤维浸渍不均匀， 局部聚氨酯含量多， 泡沫大， 局部纤维含 量多， 出现干纱现象， 致使制作的材料强度低。

10、， 且强度不均匀， 质量不稳定。 而且由于其纤维 含量低， 树脂含量高， 在生产中， 树脂发泡膨胀产生大量的飞边， 不仅造成了产品的浪费， 制 作成本的增高， 而且对设备及模具造成了极大的损伤。 不仅如此， 还由于其无法解决聚氨酯 与纤维的浸渍问题， 故其未制作出较高玻纤含量的纤维增强聚氨酯泡沫材料制品， 更未制 作出较高玻纤含量的较高密度的纤维增强聚氨酯泡沫材料制品。 目前， 尚未见报道并且市 场上未见到密度高于840kg/m3且纤维含量高于60的纤维增强聚氨酯泡沫材料及制品。 发明内容 0004 针对目前混凝土材料、 木制板材、 玻璃钢材料板材及低纤维含量的纤维增强聚氨 酯泡沫板材等技术上。

11、的不足， 本发明的目的是提供一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合 成板材及其制作方法， 其综合性能优于以上材质的板材， 能够进行有效的替代。 说明书 1/11 页 4 CN 106349446 A 4 0005 本发明解决上述技术问题的技术方案如下： 一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡 合成板材， 其以聚氨酯树脂和增强纤维为基体材料， 以质量份计， 聚氨酯树脂的配方及聚氨 酯树脂与增强纤维的质量比例如下： 0006 0007 在上述技术方案的基础上， 本发明还可以做如下改进。 0008 进一步， 所述增强纤维为玻璃纤维、 碳纤维、 芳纶纤维、 钢纤维中的任意一种或多 种混合。 0009 进一步， 。

12、所述增强纤维以长纤维为主体， 还包括短切纤维和纤维毡。 0010 进一步， 所述偶联剂为硅烷偶联剂。 0011 进一步， 所述抗紫外剂为UV类抗紫外剂。 0012 本发明的一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 具有如下优点： 0013 通过采用低羟值低官能度的混合型聚醚多元醇， 降低了聚氨酯树脂反应的活性， 延长了聚氨酯树脂的固化时间， 增加了其与增强纤维的浸渍时间， 同时采用的聚醚多元醇， 其粘度较低， 流动性好， 增加了其与增强纤维的浸渍能力， 使其与增强纤维浸渍更加均匀； 0014 通过增加偶联剂， 大大提高了填料在聚氨酯树脂中的润湿性和分散性， 增加了聚 氨酯树脂与增强纤维的浸渍。

13、能力及粘合能力， 使聚氨酯树脂与增强纤维浸渍更加彻底， 并 提高聚氨酯树脂的浸渍增强纤维的浸透速度， 解决了增强纤维过多， 不易浸渍的问题， 从而 使材料强度性能大幅度提高及强度均匀性更加稳定； 另外， 通过添加偶联剂， 还可以大大提 高材料的电气性能； 0015 通过采用低羟值低官能度的混合型聚醚多元醇、 使用偶联剂等多种技术手段， 解 决了聚氨酯树脂与增强纤维浸渍不充分的问题， 从而提高了增强纤维含量， 能够制作出密 度高于840kg/m3且增强纤维含量大于60的纤维增强聚氨酯硬泡材料制品， 弥补了纤维增 强聚氨酯泡沫合成板材的技术空白， 使其产品规格及性能多元化， 满足不同的技术指标要 。

14、说明书 2/11 页 5 CN 106349446 A 5 求。 0016 通过提高增强纤维的质量比例， 使增强纤维的质量比例大于60， 不仅减少了制 作成本， 而且大大的提高了同等密度下纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的强度， 同时产品更 加致密， 吸水量等指标等大幅降低， 提高了产品的耐水性能； 0017 通过添加硬泡稳定剂， 避免了聚氨酯泡沫泡孔过大问题的发生， 使聚氨酯硬泡更 加均匀， 更加稳定。 0018 通过添加阻燃剂， 不仅降低了聚醚多元醇的粘度， 使其流动性好， 而且增强了材料 的阻燃性能； 0019 通过添加抗氧剂， 增强了材料的耐湿热老化的性能； 0020 通过添加抗紫外剂， 进。

15、一步增强了材料的抗紫外日光老化的性能； 0021 通过增加短切纤维， 使材料更加致密， 进一步提高了产品的强度； 0022 通过增加纤维毡， 进一步提高了产品的抗弯曲强度。 0023 本发明提供的一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 能够有效的取代目 前优质的木质板材、 混凝土板材、 玻璃钢板材及国内外研究的低纤维含量的纤维增强聚氨 酯泡沫合成板材， 可广泛应用于铁路、 桥梁、 轻轨及地铁的建设， 并可推广到化工步道板、 海 边栈道、 货车甲板、 船舶甲板、 市场景观等领域， 并可在重载铁路、 普通铁路、 明面桥、 道岔等 作为复合材料合成轨枕使用。 0024 本发明还涉及一种高纤维含量。

16、纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的制作方法， 采用连 续成型工艺制作而成， 其连续成型工艺包括放卷长纤维及纤维毡、 注射聚氨酯树脂、 加入短 切纤维、 均匀浸渍、 履带式层压主机内固化、 冷却、 定长切割七个工序。 0025 进一步， 所述均匀浸渍具体是将聚氨酯树脂通过高压发泡设备、 移动浇注设备及 对应的工装均匀浸渍在增强纤维的表面及内部。 0026 进一步， 所述履带式层压主机是由履带式层压机及侧边挡块共同组成， 侧边挡块 固定在履带式层压机上， 模腔的高度及宽度依据挡块的尺寸进行调整。 0027 进一步， 定长切割是通过切割机进行的， 切割后的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬 泡合成板材， 其厚度为。

17、10mm100mm， 宽度为100mm600mm， 密度为200kg/m32000kg/m3。 附图说明 0028 图1为本发明高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的生产工艺示意图； 0029 图2为本发明高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的结构示意图。 0030 附图中， 各标号所代表的部件列表如下： 0031 1、 纱架， 2、 高压发泡设备， 3、 移动浇注设备， 4、 履带式层压主机， 5、 切割机， 6、 长纤 维， 7、 短切纤维， 8、 聚氨酯树脂， 9、 高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材。 具体实施方式 0032 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述， 所举实例只用于。

18、解释本发明， 并 非用于限定本发明的范围。 0033 本发明涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9， 其以聚氨酯树脂8和 增强纤维为基体材料， 以质量份计， 聚氨酯树脂8的配方及聚氨酯树脂8与增强纤维的质量 说明书 3/11 页 6 CN 106349446 A 6 比例如下： 0034 0035 所述增强纤维为玻璃纤维、 碳纤维、 芳纶纤维、 钢纤维中的任意一种或多种混合。 0036 所述增强纤维以长纤维6为主体， 还包括短切纤维7和纤维毡。 0037 所述偶联剂为硅烷偶联剂。 0038 所述抗紫外剂为UV类抗紫外剂。 0039 本发明还涉及一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9。

19、的制作方法， 采用 连续成型工艺制作而成， 其连续成型工艺包括放卷长纤维6及纤维毡、 注射聚氨酯树脂8、 加 入短切纤维7、 均匀浸渍、 履带式层压主机4内固化、 冷却、 定长切割七个工序。 0040 所述均匀浸渍具体是将聚氨酯树脂8通过高压发泡设备2、 移动浇注设备3及对应 的工装均匀浸渍在增强纤维的表面及内部。 0041 所述履带式层压主机4是由履带式层压机及侧边挡块共同组成， 侧边挡块固定在 履带式层压机上， 模腔的高度及宽度依据挡块的尺寸进行调整。 0042 定长切割是通过切割机5进行的， 切割后的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成 板材， 其厚度为10mm100mm， 宽度为100mm。

20、600mm， 密度为200kg/m32000kg/m3。 0043 如图1所示， 本发明高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的连续成型工艺通 过图中所示的装置进行， 先在纱架1放卷长纤维及纤维毡、 注射聚氨酯树脂、 加入短切纤维， 再通过高压发泡设备2、 移动浇注设备3及对应的工装实现均匀浸渍， 然后在履带式层压主 机4内固化， 冷却后通过切割机5对固化后的板材进行切割。 0044 如图2所示， 切割后得到的高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9中， 内部设 有沿长度方向延伸的长纤维6和短切纤维7， 其外部包裹有聚氨酯树脂8， 固化即得所述高纤 维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材9。 纤维毡可以。

21、设置在包裹住长纤维6和短纤维7的聚 氨酯树脂8的外侧表面。 具体的， 长纤维6和短纤维7可以自身排列成多排， 并交替间隔设置， 说明书 4/11 页 7 CN 106349446 A 7 形成矩阵式阵列结构， 聚氨酯树脂8包裹在长纤维6和短纤维7外， 形成长方体形的板材， 其 厚度为10mm100mm， 宽度为100mm600mm， 密度为200kg/m32000kg/m3， 优选的， 其表观总 密度在800kg/m3-1800kg/m3。 0045 实施例1： 0046 以质量份计， 聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下： 羟值400 480、 官能度13的聚醚多元醇A 90份，。

22、 羟值60160、 官能度12的聚醚多元醇B 10份， 阻 燃剂10份， 硬泡稳定剂5份， 偶联剂15份， 催化剂0.3份， 发泡剂0.1份， 抗氧剂0.3份， 抗紫外 剂0.3份， 异氰酸酯120份； 长纤维： 430份， 短切纤维10份， 纤维毡5份。 其中增强纤维含量为 64， 制作密度140050Kg/m3纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格： 260mm50mm3000mm。 履带式层压主机参数设置： 运行速度： 0.4m/min， 温度： 90/60。 按照本实施例的配方及 运行条件制作的合成板材性能如表1所示。 0047 表1 0048 0049 实施例2： 0050 以质量份计， 聚。

23、氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下： 羟值400 说明书 5/11 页 8 CN 106349446 A 8 480、 官能度13的聚醚多元醇A 95份， 羟值60160、 官能度12的聚醚多元醇B 5份， 阻燃 剂10份， 硬泡稳定剂3份， 偶联剂5份， 催化剂0.3份， 发泡剂0.1份， 抗氧剂0.3份， 抗紫外剂 0.3份， 异氰酸酯110份； 长纤维： 410份， 短切纤维10份， 纤维毡0份。 其中增强纤维含量为 65， 制作密度120050Kg/m3纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格： 240mm50mm3000mm。 履带式层压主机参数设置： 运行速度： 0.6m/min。

24、， 温度： 90/60。 按照本实施例的配方及 运行条件制作的合成板材性能如表2所示。 0051 表2 0052 0053 实施例3： 0054 以质量份计， 聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下： 羟值400 480、 官能度13的聚醚多元醇A 90份， 羟值60160、 官能度12的聚醚多元醇B 5份， 阻燃 剂15份， 硬泡稳定剂5份， 偶联剂10份， 催化剂0.2份， 发泡剂0.3份， 抗氧剂0.5份， 抗紫外剂 0.5份， 异氰酸酯115份； 长纤维： 520份， 短切纤维5份， 纤维毡1份。 其中增强纤维含量为 68.5， 制作密度100050Kg/m3纤维增强聚氨酯硬。

25、泡合成板材规格： 500mm30mm 3000mm。 履带式层压主机参数设置： 运行速度： 0.5m/min， 温度： 90/70。 按照本实施例的 说明书 6/11 页 9 CN 106349446 A 9 配方及运行条件制作的合成板材性能如表3所示。 0055 表3 0056 0057 实施例4： 0058 以质量份计， 聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下： 羟值400 480、 官能度13的聚醚多元醇A 95份， 羟值60160、 官能度12的聚醚多元醇B 10份， 阻 燃剂5份， 硬泡稳定剂5份， 偶联剂10份， 催化剂0.1份， 发泡剂0.1份， 抗氧剂0.25份， 抗。

26、紫外 剂0.25份， 异氰酸酯125份； 长纤维： 460份， 短切纤维10份， 纤维毡0。 其中增强纤维含量为 65， 制作密度80050Kg/m3纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格： 200mm60mm3000mm。 履带式层压主机参数设置： 运行速度： 0.4m/min， 温度： 80/70。 按照本实施例的配方及 运行条件制作的合成板材性能如表4所示。 0059 表4 说明书 7/11 页 10 CN 106349446 A 10 0060 0061 0062 实施例5： 0063 以质量份计， 聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下： 羟值400 480、 官能度13的聚醚多元。

27、醇A 92份， 羟值60160、 官能度12的聚醚多元醇B 8份， 阻燃 剂10份， 硬泡稳定剂2.5份， 偶联剂15份， 催化剂1份， 发泡剂1份， 抗氧剂1份， 抗紫外剂1份， 异氰酸酯100份； 长纤维： 1330份， 短切纤维30份， 纤维毡10份。 其中增强纤维含量为85， 制 作密度150050Kg/m3纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格： 600mm10mm3000mm。 履带式 层压主机参数设置： 运行速度： 0.4m/min， 温度： 90/60。 按照本实施例的配方及运行条 件制作的合成板材性能如表5所示。 0064 表5 说明书 8/11 页 11 CN 106349446 。

28、A 11 0065 0066 0067 实施例5： 0068 以质量份计， 聚氨酯树脂的配方及聚氨酯树脂与增强纤维的比例如下： 羟值400 480、 官能度13的聚醚多元醇A 93份， 羟值60160、 官能度12的聚醚多元醇B 7份， 阻燃 剂10份， 硬泡稳定剂2.5份， 偶联剂15份， 催化剂0.8份， 发泡剂0.6份， 抗氧剂0.7份， 抗紫外 剂0.5份， 异氰酸酯135份； 长纤维： 1940份， 短切纤维40份， 纤维毡20份。 其中增强纤维含量 为88， 制作密度180050Kg/m3纤维增强聚氨酯硬泡合成板材规格： 100mm100mm 3000mm。 履带式层压主机参数设置。

29、： 运行速度： 0.4m/min， 温度： 90/60。 按照本实施例的 配方及运行条件制作的合成板材性能如表6所示。 0069 表6 说明书 9/11 页 12 CN 106349446 A 12 0070 0071 0072 对比例分析 0073 本发明一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 通过采用低羟值低官能度 的混合型聚醚多元醇， 使用偶联剂等多种技术手段， 解决了聚氨酯与纤维浸渍不充分的问 题， 从而提高了纤维含量， 能够制作出密度高于840kg/m3且纤维含量大于60的纤维增强 聚氨酯硬泡材料制品， 弥补了高纤维含量纤维增强聚氨酯泡沫合成板材的技术空白， 使其 产品规格及性能。

30、多元化， 满足不同的技术指标要求。 0074 通过提高增强纤维的质量比例， 使增强纤维的质量比例大于60， 不仅减少了制 作成本， 而且大大的提高了同等密度下纤维增强聚氨酯硬泡合成板材的强度， 同时产品更 加致密， 吸水量等指标等大幅降低， 提高了产品的耐水性能； 0075 目前未见到产品密度高于840kg/m3且纤维含量高于60的纤维增强聚氨酯泡沫 材料及制品的报道及实物。 通过本发明制作方法， 制作密度为80050kg/m3的材料， 与国内 外知名厂家制作的纤维增强聚氨酯泡沫合成材料及制品的实物进行测试对比， 结果如表7 所示 说明书 10/11 页 13 CN 106349446 A 1。

31、3 0076 表7 0077 0078 0079 对比分析结论 0080 可见， 本发明一种高纤维含量纤维增强聚氨酯硬泡合成板材， 其纤维含量大于 60， 在密度相差无几的情况下， 所制作的材料， 在力学性能、 耐紫外老化性能、 电气性能、 耐水性能等多方面都远远优于国内外知名厂家的材料制品。 0081 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和 原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说明书 11/11 页 14 CN 106349446 A 14 图1 图2 说明书附图 1/1 页 15 CN 106349446 A 15 。