CN101443390B - 蚕丝纤维复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了包含热塑性聚合物基质的蚕丝纤维增强的复合材料，它相对轻，同时具有高的抗冲击性。本发明的蚕丝纤维增强的复合材料允许最佳的冲击能耗散，使得它们的抗穿刺性高于20J/mm板厚，更优选大于30J/mm，最优选大于40J/mm。由于本发明的纤维复合材料的高抗冲击性，包含这种复合材料的面板或壳尤其适合于制备在其寿命周期中经历振动或处于穿刺危险下的物体。

Description

蚕丝纤维复合材料
发明领域
本发明涉及包含作为基质相的热塑性聚合物和作为增强相的蚕丝纤维的纤维复合材料，其中所述蚕丝纤维在所述复合材料内在至少两个方向上被组织。更特别地，本发明的蚕丝纤维复合材料具有高的抗穿刺性。本发明还涉及包含本发明的纤维复合材料的面板或壳以及包含这样的面板或壳的物体。
发明背景
天然纤维复合材料最近在复合材料研究团体以及工业上吸引了相当多的关注。这是由于天然纤维的一系列潜在的优点，特别是其环境性能方面的潜在优点。天然纤维是可再生的资源，并且甚至当它们的复合材料废物被焚烧时，它们也不引起二氧化碳净排放到环境中(即，这些材料是CO2中性的)。在其加工过程中排放某一有效量的CO2(这由于能耗导致)，但这一数量比在制造合成纤维如玻璃纤维和碳纤维过程中排放的有效量低得多。天然纤维固有地是可生物降解的，这可以是有益的。由于其相对低的密度，对于某些纤维如亚麻、大麻和洋麻来说，获得了与玻璃纤维的性能相当的高的比机械性能。其他的优点是潜在的低成本和当种植天然纤维时所需的相对低的投资。此外，这些纤维典型地是比玻璃或碳纤维较小磨蚀的，例如导致在纺织品加工中较低的磨损和导致可能较低的因纤维粉尘导致的职业健康危险。还有，公众通常欣赏天然材料的使用。
本发明涉及蚕丝纤维复合材料。蚕丝纤维具有以上针对天然纤维列出的许多优点。蚕丝纤维具有特别高的断裂应变，并且本发明显示了这一性能如何可以被转化成非常坚韧的复合材料。
JP3653635公开了增强的复合材料，它包括热塑性聚合物，更特别地聚琥珀酸丁二酯、聚丙烯或聚乳酸酯作为基质相和蚕丝织物作为增强相。所述蚕丝织物是斜纹织物或者平纹织物，其中在纬向和经向上纤维的密度相差大于12％，即织物在重量上并因此在强度上不平衡。使用这种不平衡的织物典型地导致在复合材料的各纤维方向上具有不同强度的复合材料。本发明显示这样的复合材料的抗冲击性(通过在实施例2和图2中所述的方法测量)相对低，并且在其中蚕丝纤维在至少两个纤维方向上排列而使得在每个纤维方向上复合材料的强度类似，即复合材料在纤维方向上的强度平衡的、具有热塑性聚合物基质的蚕丝纤维增强的复合材料中获得显著较高的抗冲击性。而且，通过利用蚕丝纤维纱线的低扭转(扭转降低纤维强度)，可以进一步改进抗冲击性。因此，本发明的蚕丝纤维增强的复合材料的优点是，它们是相对轻的，同时具有高的抗冲击性。另外，本发明提供了蚕丝增强的复合材料，所述复合材料包含具有高断裂应变的选择的热塑性聚合物作为基质相，所述基质相具有与纤维的组织无关的高的抗冲击性。由于它们的特性，本发明的这些复合材料尤其可用于制备将被组装成物体的面板或壳，所述物体在其寿命周期中将经历振动或者处于刺穿的危险下。这样的物体的实例是被频繁运输或者在指定的物品附近使用的接受器或容器，例如盒子、手提箱、公文包、手袋、瓶子、浴室或厨房附件或表壳。
在GB2238753中详细讨论了在负荷承载产品如手提箱、公文包、手袋等中使用的材料的抗冲击性和其他性能的重要性。
发明概述
本发明基于下述发现：包含热塑性聚合物基质的、选择的蚕丝纤维增强的复合材料相对轻，同时具有高的抗冲击性。本发明的蚕丝纤维增强的复合材料允许冲击能的最佳耗散，使得它们具有高于20J/mm板厚度，更优选大于30J/mm，最优选大于40J/mm的抗穿刺性，其中所述抗穿刺性根据实施例2中所述的试验方法测量。由于本发明的纤维复合材料的高抗冲击性，包含这种复合材料的面板或壳尤其适合于制备在其寿命周期中经历振动或处于穿刺危险下的物体。
发明详述
附图说明
图1：蚕丝纤维复合材料的压塑
图2：落重冲击试验装置
图3：蚕丝纤维复合材料的抗落重冲击性随基质热塑性聚合物的断裂应变的变化
说明
本发明基于下述发现：包含热塑性聚合物基质的、选择的蚕丝纤维增强的复合材料相对轻，同时具有高的抗冲击性。本发明的蚕丝纤维增强的复合材料允许冲击能的最佳耗散，使得它们具有高于20J/mm板厚度，更优选大于30J/mm，最优选大于40J/mm的抗穿刺性，其中所述抗穿刺性根据实施例2和图2中所述的试验方法测量。可通过在复合材料内合适地组织蚕丝纤维和合适地选择热塑性基质聚合物之一或这二者来获得这种高抗冲击性。
本发明证明，蚕丝纤维的组织化可以通过确保复合材料的充足强度和复合材料的良好可变形性之一或这二者来显著地对抗冲击性做出贡献。已发现，通过在复合材料内在至少两个方向上组织蚕丝纤维，由此在每一纤维方向上复合材料的拉伸强度在相同的范围内，获得了合适的强度。因此，本发明的第一个目的是提供包含作为基质相的热塑性聚合物和作为增强相的蚕丝纤维的纤维复合材料，其中蚕丝纤维在所述复合材料内在至少两个方向上被组织，和其中选择所述蚕丝纤维在所述纤维方向上的分布，使得所述复合材料的拉伸强度在复合材料内包括的蚕丝纤维的纤维方向之间变化小于15％，更优选小于10％，最优选小于7.5％，例如3％。在一个优选的实施方案中，选择在复合材料内纤维方向的取向和数目，使得所述复合材料包括另外的非纤维方向，其中所述复合材料具有高于25％，更优选高于30％，最优选高于35％，例如大于40％的断裂应变。在给定方向上的这种高的可变形性连同在蚕丝纤维方向上提供的平衡的强度允许冲击时能量的有效耗散。优选地，蚕丝纤维被组织在在所述复合材料内堆叠的多个织物或垫子内。所述堆叠的含蚕丝纤维的织物或垫子可以是织物、无纺布、编织物或非卷曲布。根据本发明的第一目的的复合材料可以包括多个相同类型的垫子或织物或者不同类型的结合。优选地，在复合材料中使用的蚕丝纤维的长度超过20mm，更优选超过60mm，或者是连续的蚕丝纤维。在特别的实施方案中，将蚕丝纤维纺成纱线。预期基于不连续纤维的复合材料将允许更加容易地形成为复杂形状。
在本发明的第一目的的一个实施方案中，复合材料包括包含蚕丝纤维的多个织物，更优选包括在所述织物内的50％或更多的纤维是蚕丝纤维，最优选蚕丝纤维是包括在所述织物内的唯一纤维。在一个更优选的实施方案中，所述织物在经向和纬向上包含相同的纤维，并且在所述织物的经向和纬向上纤维密度差不大于12％，更优选小于6％，最优选所述织物是平衡的织物(重量平衡)，其中在经向和纬向上纤维的密度相同。本领域技术人员将明白，为了获得其中在各纤维方向上的拉伸强度在相同范围内的复合材料，优选堆叠这种纤维密度在经向和纬向间相差小于12％的基本上平衡的织物，或者平衡的织物，使各个堆叠的织物的经向在相同方向或者成90°角。在另一个更优选的实施方案中，本发明的复合材料包括多个不平衡的织物，其中在纬向和经向上的纤维密度显著不同。在一个特别的实施方案中，所述不平衡的织物在纬向和经向上包括相同的纤维，并且在所述织物的纬向和经向上纤维密度相差大于12％。当使用这种不平衡的织物时，重要的是堆叠各织物，使得在所述复合材料的纤维方向上的总纤维密度变化小于12％，优选小于6％，例如小于3％。最优选地，堆叠各不平衡的织物，使得在复合材料的纤维方向上的总纤维密度相同。在一个特别的实施方案中，本发明的复合材料包括多个相同的不平衡的织物，其中将约一半的所述织物堆叠成使其纬向与包含在该复合材料内的另一半的这种织物的纬向成90°角。在另一个特别的实施方案中，不平衡的织物在纬向和经向上包含不同的纤维，例如在纬向上包含蚕丝纤维和在经向上包含棉纤维。当使用这种不平衡的织物时，重要的是堆叠各织物，使得在复合材料的纤维方向上的总蚕丝纤维密度变化小于12％，优选小于6％，例如小于3％。最优选地，堆叠各不平衡的织物，使得在复合材料的纤维方向上的总蚕丝纤维密度相同。
优选的是，堆叠在本发明的复合材料内的平衡或不平衡的织物，使得复合材料包括成90°角的两个纤维方向，这两个方向对应于在织物内的纬向和经向。这样的复合材料具有特别的优点，即它们在与各纤维方向成45°角的方向上具有高的可变形性。优选地，在45°方向上以断裂应变度量的这种可变形性高于25％，更优选高于30％，最优选高于35％，例如高于40％。
此外，已观察到，包含具有高蚕丝纱捻度的织物的复合材料的抗冲击性相对较低(扭转降低纱线强度)。因此，优选的是，如果将捻度引入到纱线内，则纤维的捻度小于2000圈/米，优选小于1000圈/米，更优选小于500圈/米，最优选小于200圈/米。
此外还观察到，(基本上)平衡的蚕丝纤维复合材料的抗冲击性随(热塑性)聚合物基质材料的断裂应变增加而增加。
已观察到，当使用热塑性聚合物作为基质相和含蚕丝纤维的针织织物作为增强相时，获得了抗冲击性大于20J/mm板厚，更优选大于30J/mm，例如大于40J/mm的纤维复合材料。这种高的抗冲击性(根据实施例2和图2所述的试验方法来测量)与针织织物的高的可变形性有关。因此，本发明的第二个目的是提供包含作为基质相的热塑性聚合物和作为增强相的蚕丝纤维的纤维复合材料，其中所述蚕丝纤维被组织在多个堆叠的针织织物内。在一个优选的实施方案中，所述针织织物不包括除了蚕丝纤维以外的其他纤维。包括在所述针织织物内的蚕丝纤维可以被纺成纱线或者可以是连续的纤维。在一个更优选的实施方案中，当在所有织物方向上取平均时，包括在复合材料内的孤立的针织织物具有至少80％的平均拉伸断裂应变，或者其中针织织物在织物的任何方向上具有至少60％的断裂应变。
在本发明的第一和第二目的的复合材料内用作基质的热塑性聚合物优选特征在于，拉伸模量小于1000MPa，更优选小于750MPa，例如小于450MPa，和拉伸断裂应变高于300％，优选大于400％。这样的热塑性聚合物的非穷举的实例是聚烯烃，包括聚丙烯、聚丙烯共聚物、聚乙烯和聚乙烯共聚物。其他合适的热塑性聚合物是脂族聚酯，其中包括聚琥珀酸丁二酯(商品名例如Bionolle1000系列)或共聚酰胺(商品名例如Epurex)。但原则上，可选择任何热塑性聚合物，包括例如尼龙、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)和聚乳酸(PLA)，只要采用足够的措施防止蚕丝氧化即可。更优选地，所述聚合物是热塑性弹性体，乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物(商品名例如EscoreneUltra)，乙烯和辛烯的共聚物(商品名例如Exact)，琥珀酸/己二酸丁二酯共聚物(商品名例如Bionolle3000系列)，聚己内酯(商品名CAPA)，或芳族聚酯，其中包括己二酸/对苯二甲酸1，4-丁二醇酯共聚物(商品名Ecoflex)。更优选地，所述基质聚合物是热塑性弹性体。这些弹性体覆盖了一系列的化学品和组合物。非穷举的实例包括：橡胶相在热塑性基质内的物理共混物，例如EPDM橡胶和聚丙烯的共混物(商品名例如Santoprene)，聚乙烯乙酸乙烯酯(EVA)，聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，和EPDM的共混物(商品名例如Vistaflex)，PE或PP与丁基橡胶的共混物(商品名例如Trefsin)。其他合适的热塑性弹性体包括SEBS橡胶和PP的共混物，和热塑性聚氨酯。热塑性聚氨酯包括聚氨酯酯和醚(商品名例如Walopur)或聚己内酯共聚酯(商品名例如Pearlthane)。
高抗冲的纤维复合材料(这通过实施例2和图2中所述的试验方法来测定)也可以通过组合作为增强相的蚕丝纤维和作为基质相的热塑性聚合物来获得，其中所述聚合物具有小于450MPa的拉伸模量或劲度，和高于400％的拉伸断裂应变。这些聚合物在蚕丝复合材料内提供了特别高的抗冲击性，并且还提供了比较柔软的感觉。因此，本发明的第三个目的是提供包含作为基质相的热塑性聚合物和作为增强相的蚕丝纤维的纤维复合材料，其中所述热塑性聚合物具有小于450MPa的拉伸模量和高于400％的拉伸断裂应变。优选地，所述聚合物是热塑性弹性体，乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物(商品名例如EscoreneUltra)，乙烯和辛烯的共聚物(商品名例如Exact)，包括琥珀酸/己二酸丁二酯共聚物(商品名例如Bionolle 3000系列)、聚己内酯(商品名CAPA)在内的脂族聚酯(可生物降解的)，或包括己二酸/对苯二甲酸1，4-丁二醇酯共聚物(商品名Ecoflex)在内的芳族聚酯。更优选地，所述基质聚合物是热塑性弹性体。这些弹性体覆盖了一系列的化学品和组合物。非穷举的实例包括：橡胶相在热塑性基质内的物理共混物，例如EPDM橡胶和聚丙烯的共混物(商品名例如Santoprene)，聚乙烯乙酸乙烯酯(EVA)，聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，和EPDM的共混物(商品名例如Vistaflex)，PE或PP与丁基橡胶的共混物(商品名例如Trefsin)。其他合适的热塑性弹性体包括SEBS橡胶和PP的共混物，和热塑性聚氨酯。热塑性聚氨酯包括聚氨酯酯和醚(商品名例如Walopur)，或聚己内酯共聚酯(商品名例如Pearlthane)。
在本发明的第一、第二和第三目的的纤维复合材料中，蚕丝纤维占复合材料体积的25-70％，更优选35-60％，最优选45-55％。由于本发明的纤维复合材料的高抗冲击性，包含这种复合材料的面板或壳尤其可用于制备在其寿命周期中经历振动或处于穿刺危险的物体。在一个特别的实施方案中，这种面板或壳具有夹层结构，其中该面板或壳包括纤维复合材料的表层和未增强的聚合物材料芯。这种物体的实例是被频繁运输或者在指定物品附近使用的接受器或容器，例如盒子、手提箱、公文包、手袋、瓶子、浴室或厨房附件或表壳。可受益于抗冲面板的使用的其他物体是家具，例如桌子、橱柜、办公桌和壁橱，以及其它。本发明的面板和壳在固定物如珠宝固定物，或盒子、手提箱、公文包、手袋、表壳、珠宝盒、瓶子或浴室或厨房附件的密闭系统的部件的生产中也是令人感兴趣的。本发明的面板和壳还可用于制备将被结入到工业机械或车辆内的工件。本发明面板的另外的优点是，它们可使用热成型或真空成型工艺成型，使得它们尤其适合用于以上提及的物体的生产。
通过以下给出的非限定性实施例进一步举例说明本发明。
实施例
实施例1：蚕丝纤维复合材料的生产
通过(在具有热和冷段的压机(Pinette)中)压塑，制备具有不同基质的蚕丝纤维复合材料。将聚合物膜和蚕丝织物或针织物的不同层交替堆叠，并在压力下加热约10分钟。选择压力为20巴的有效压力，并且根据聚合物基质材料选择温度，使温度在聚合物基质的熔点以上约20℃。表1给出了用于不同蚕丝纤维复合材料的不同加工温度的列表。
在10分钟之后，将蚕丝纤维复合材料板转移到冷段中，在此在20巴的相同压力下快速地冷却该板，直到温度达到脱模温度，典型地20℃。或者，所述浸渍的蚕丝纤维复合材料在相同的压力下以慢的冷却速度(5℃/min)冷却。这一生产方法的变化对蚕丝纤维复合材料的最终机械性能没有影响。
任选地，随后将所述复合材料板通过热成型或真空热成型制成复杂形状。
实施例2：蚕丝纤维复合材料的评价
将所使用的蚕丝织物的标称厚度除以蚕丝纤维复合材料板的厚度，计算蚕丝纤维复合材料的纤维体积分数。制备蚕丝纤维体积分数Vf为约50％的板。
通过落重冲击试验测定冲击性能。在这样的试验中，使用垂直于试样表面并且标称匀速的冲击仪(striker)在板型试样的中心将其刺穿。电子记录所得的力-偏移或力-时间图表。在试验过程中试样被夹持在原位。所使用的圆柱形冲击器(impactor)(直径16mm)具有半球形的冲击仪尖端(半径8mm)。下落高度为1200mm，并改变冲击器的重量以穿透样品。这遵照ISO标准6603-2。样品为105mm×105mm，并通过直径80mm的支持环夹持。采用20Nm的动量紧固4个螺钉。板的厚度为1mm。以根据复合材料板厚度归一化的、穿透所需的冲击能来报告结果。
对蚕丝纤维复合材料的拉伸试验遵照ASTM标准D3039-00进行。
实施例3：由平衡的织物制成的平衡的蚕丝纤维复合材料
如实施例1中所述，将8层斜纹织物和多层聚合物基质膜交替堆叠并压塑，以使所述板结合成一体。每一层斜纹织物以相同的方式取向。78g/m2的蚕丝斜纹织物在经向上包含56根纱/cm，并且纬向上包含35根纱/cm。经纱的线密度为7.0特(tex)，纬纱的线密度为10.9特。采用100捻/米加捻这两种纱线。所述斜纹织物在经向和纬向上在重量上是平衡的。聚合物膜的层数取决于从供应商处获得的膜厚。选择层数，以产生1mm的蚕丝复合材料板和50％的纤维体积分数。聚合物膜的层数对于PBSa来说为24，对PBS来说为24，对PCL来说为10，对PTMAT Ecoflex膜来说为8，对Walopur4201AU TPU膜来说为12，对PE-EVA来说为6，对PP来说为5，对共聚酰胺H2来说为12，和对Pearlthane D11F60 TPU膜来说为12。
在表2中显示了PBSa蚕丝斜纹织物复合材料的拉伸性能(如实施例2中所述测量)。由于所述斜纹织物在重量方面是平衡的，因此所得蚕丝纤维复合材料的强度和劲度在两个主纤维方向上是平衡的，因为在所述纤维方向上强度和劲度相同或几乎相同。在45°方向的强度和断裂伸长率由于织物的剪切是非常高的。
在表3中给出了如实施例2中所述测定的蚕丝斜纹织物复合材料的冲击性能。在两个纤维方向上出现断裂。表3允许得出如下结论：通过用不同韧度的热塑性基质浸渍平衡的蚕丝斜纹织物制备的平衡的蚕丝纤维复合材料具有高的冲击强度，这由(穿透时)所吸收的冲击能来度量。
图3显示，平衡的蚕丝纤维复合材料的冲击强度明显是热塑性聚合物基质材料的断裂应变的函数。
实施例4：由不平衡的蚕丝斜纹(5/3)织物制成的不平衡的蚕丝纤维复合材料
如实施例1所述，将10层蚕丝织物和24层厚度为25微米的PBSa聚合物基质膜交替堆叠并压塑，以使所述板结合成一体。选择所述层数以产生1mm厚的蚕丝复合材料板和50％的纤维体积分数。每一层蚕丝织物按照相同的方式取向。所述蚕丝织物是面积密度为70g/m2的斜纹织物5/3，它在经向上包含具有3.9特的线密度和100捻/米的捻度的100根纱/cm，并且在纬向上包含具有4.1特的线密度和2800捻/米的捻度的66根纱/cm。由于经向/纬向的重量比为59/41，所述斜纹织物在重量上是不平衡的。
表4中显示了如实施例2中所述测量的、PBSa蚕丝不平衡斜纹(5/3)织物复合材料的拉伸性能。
由于所述斜纹(5/3)织物在重量上是不平衡的，因此这一蚕丝纤维复合材料的强度和劲度不平衡。表5中给出了如实施例2所述测定的蚕丝斜纹(5/3)织物复合材料的冲击性能。仅仅在较弱的纬向上出现断裂。显然，与实施例3的相应的平衡的蚕丝纤维复合材料相比，通过用热塑性基质浸渍不平衡的蚕丝斜纹(5/3)织物生产的不平衡的蚕丝纤维复合材料具有较低的冲击强度。
实施例5：由不平衡的蚕丝斜纹(5/3)织物制成的平衡的蚕丝纤维复合材料
如实施例1所述，将10层蚕丝织物和24层厚度为25微米的PBSa聚合物基质膜交替堆叠并压塑，以使所述板结合成一体。选择所述层数以产生1mm厚的蚕丝复合材料板和50％的纤维体积分数。所述蚕丝织物是与实施例4中相同的斜纹(5/3)织物。交替堆叠所述蚕丝织物的各层，使得一层蚕丝织物的经向相对于下一层蚕丝织物以90度取向，以由不平衡的蚕丝织物生产平衡的蚕丝纤维复合材料板。
如实施例2中所述测量的、平衡的蚕丝纤维复合材料的拉伸性能被显示在表6中，并说明所述蚕丝复合材料的强度与劲度是平衡的。
表7中给出了如实施例2中所述测定的、平衡的蚕丝斜纹织物复合材料的冲击性能。在纬向和经向两个方向上出现断裂。
本实施例证明，通过合适地堆叠不平衡的蚕丝织物制备的强度平衡的蚕丝织物复合材料，比实施例4的相应PBSa复合材料吸收显著更多的冲击能。与实施例3的PBSa复合材料相比抗冲击性稍低的事实，最可能是由于在蚕丝斜纹(5/3)织物内显著大的捻度的存在，这使纤维结构变弱。
实施例6：由不平衡的蚕丝斜纹(5/1/1/1)织物制成的不平衡的蚕丝纤维复合材料
如实施例1所述，将8层蚕丝织物和24层厚度为25微米的PBSa聚合物基质膜交替堆叠并压塑，以使所述板结合成一体。选择所述层数以产生1mm厚的蚕丝复合材料板和50％的纤维体积分数。每一层蚕丝织物按照相同的方式取向。所述蚕丝织物是面积密度为79g/m2的改进的斜纹织物5/1/1/1，它在经向上包含具有5.9特的线密度和100捻/米的捻度的8800根纱/米，并且在纬向上包含具有6.4特的线密度和2600捻/米的捻度的4600根纱/米。由于经向/纬向的重量比为64/36，所述改进的斜纹织物在重量上是不平衡的。
表8中显示了如实施例2中所述测量的PBSa蚕丝改性斜纹(5/1/1/1)织物复合材料的拉伸性能。由于所述改性斜纹(5/1/1/1)织物在重量上是不平衡的，因此这一蚕丝纤维复合材料在强度和劲度方面是不平衡的。表9中给出了如实施例2中所述测定的蚕丝改性斜纹(5/1/1/1)织物复合材料的冲击性能。仅仅在较弱的纬向上出现断裂。与实施例4中一样，抗冲击性低于实施例3的相应的PBSa复合材料。
实施例7：由不平衡的蚕丝斜纹(5/1/1/1)织物制备的平衡的蚕丝纤维复合材料
如实施例1所述，将10层蚕丝织物和24层厚度为25微米的PBSa聚合物基质膜交替堆叠并压塑，以使所述板结合成一体。选择所述层数以产生1mm厚的蚕丝复合材料板和50％的纤维体积分数。所述蚕丝织物是与实施例6中相同的改性的斜纹(5/1/1/1)织物。交替堆叠所述蚕丝织物的各层，使得一层蚕丝织物的经向相对于下一层蚕丝织物以90度取向，以由不平衡的蚕丝织物产生平衡的蚕丝纤维复合材料板。表10中显示了如实施例2所述测量的、平衡的蚕丝复合材料的拉伸性能。所述蚕丝纤维复合材料的强度和劲度是平衡的。表11中给出了如实施例2所述测定的冲击性能。在纬向和经向这两个方向上出现断裂。
与实施例5中一样，本实施例证明，通过合适地堆叠不平衡的蚕丝织物制备的强度平衡的蚕丝织物复合材料，比实施例6的相应的PBSa复合材料吸收显著更多的冲击能。与实施例3的PBSa复合材料相比抗冲击性稍低的事实，最可能是由于在蚕丝斜纹(5/1/1/1)织物内显著大的纱线捻度的存在，这使纤维结构变弱。
实施例8：由轻微不平衡的织物制备的不平衡的蚕丝纤维复合材料
如实施例1所述，将4层蚕丝织物和24层厚度为25微米的PBSa聚合物基质膜交替堆叠并压塑，以使所述板结合成一体。选择所述层数以产生1mm厚的蚕丝复合材料板和50％的纤维体积分数。每一层蚕丝织物按照相同的方式取向。所述蚕丝织物是面积密度为168g/m2的改性斜纹织物6/2，它在经向上包含2倍8800根纱/米，所述纱具有5.9特的线密度和100捻/米的捻度；并且在纬向上包含4600根纱/米，所述纱具有6.4特的线密度和2600捻/米的捻度。由于经向/纬向的重量比为53/47，该改性斜纹织物在重量上是轻微不平衡的。这等于经向的纤维密度比纬向高12.8％。
由于所述改性的斜纹(6/2)织物在重量上是不平衡的，因此这一蚕丝纤维复合材料在强度和劲度方面是不平衡的。表12中给出了如实施例2所述测定的、蚕丝改性的斜纹(6/2)织物复合材料的冲击性能。显然，与实施例3的PBSa复合材料相比，使用轻微不平衡的织物已经导致冲击性能的损失。
实施例9：由针织织物制备的蚕丝纤维复合材料
如实施例1所述，将7层针织的蚕丝织物和24层厚度为25微米的PBSa聚合物基质膜交替堆叠并压塑，以使所述板结合成一体。选择所述层数以产生1mm厚的蚕丝复合材料板和50％的纤维体积分数。每一层蚕丝织物按照相同的方式取向。所述蚕丝织物是面积密度为105g/m2的Jersey纬编针织物，它包含线密度为5.3特的2根连续纱线。横行(course)长度为0.48mm，纵行(wale)长度为0.55mm，毛圈高度为0.86mm。
表13显示了用热塑性基质浸渍之前所述针织织物的拉伸性能。仅仅提及断裂伸长率。
由于针织结构显示出高的断裂伸长率，因此它们吸收许多冲击能(这如实施例2中所述测定)。表14显示了这一Jersey针织的PBSa蚕丝纤维复合材料所吸收的冲击能。
表格
表1：具有不同聚合物基质材料的蚕丝纤维复合材料的加工温度
 
聚合物基质 牌号(供应商) 温度
聚琥珀酸丁酯(PBS) Bionol le1001(Showa High Polymer) 140℃
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) Bionol le3001(ShowaHigh Polymer) 120℃
聚己内酯(PCL) CAPA FB100(Solvay) 90℃
聚己二酸/对苯二甲酸1，4-丁二醇酯(PTMAT) Ecoflex F BX7011(BASF) 140℃
热塑性聚氨酯-醚(醚TPU) Walopur4201AU(Epurex Fi lms) 160℃
热塑性聚氨酯-聚己内酯共聚酯(PCLTPU) Pearlthane D11F60(Merquinsa) 160℃
聚丙烯(PP) (Lamespun) 185℃
聚乙烯-乙烯乙酸乙烯酯(PE-EVA) PE 11207(Hunt sman) 140℃
共聚酰胺 Platilon H2(Epurex Films) 135℃
表2：PBSa蚕丝斜纹织物复合材料的拉伸性能
Figure G2007800175574D00131
表3：具有斜纹织物和不同热塑性基质的蚕丝纤维复合材料的吸收的冲击能
 
聚合物基质 蚕丝斜纹织物复合材料的冲击能(J/mm厚度)
聚琥珀酸丁酯(PBS) 32
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) 41
聚己内酯(PCL) 39
聚己二酸/对苯二甲酸1，4-丁二醇酯(PTMAT) 42
热塑性聚氨酯-醚(醚TPU) 34
热塑性聚氨酯-聚己内酯共聚酯(PCL TPU) 34
聚丙烯(PP) 16
聚乙烯-乙烯乙酸乙烯酯(PE-EVA) 42
共聚酰胺H2 24
表4：不平衡的PBSa蚕丝斜纹(5/3)织物复合材料的拉伸性能
Figure G2007800175574D00141
表5：具有斜纹(5/3)织物和作为热塑性基质的PBSa的不平衡蚕丝纤维复合材料所吸收的冲击能
 
聚合物基质 蚕丝纤维复合材料的冲击能(J/mm厚度)
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) 20
表6：平衡的PBSa蚕丝斜纹(5/3)织物复合材料的拉伸性能
Figure G2007800175574D00142
表7：具有改性的斜纹(5/3)织物和作为热塑性基质的PBSa的平衡蚕丝纤维复合材料所吸收的冲击能
 
聚合物基质 蚕丝纤维复合材料的冲击能(J/mm厚度)
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) 33
表8：不平衡的PBSa蚕丝改性斜纹(5/1/1/1)织物复合材料的拉伸性能
Figure G2007800175574D00143
表9：具有改性的斜纹(5/1/1/1)织物和作为热塑性基质的PBSa的不平衡蚕丝纤维复合材料所吸收的冲击能
 
聚合物基质 蚕丝纤维复合材料的冲击能(J/mm厚度)
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) 20
表10：平衡的PBSa蚕丝改性斜纹(5/1/1/1)织物复合材料的拉伸性能
Figure G2007800175574D00151
表11：具有改性的斜纹(5/1/1/1)织物和作为热塑性基质的PBSa的平衡蚕丝纤维复合材料所吸收的冲击能
 
聚合物基质 蚕丝纤维复合材料的冲击能(J/mm厚度)
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) 32
表12：具有改性的斜纹(6/2)织物和作为热塑性基质的PBSa的轻微不平衡蚕丝纤维复合材料所吸收的冲击能
 
聚合物基质 蚕丝纤维复合材料的冲击能(J/mm厚度)
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) 27
表13：Jersey纬编针织物在浸渍之前的拉伸伸长率
Figure G2007800175574D00152
表14：具有作为热塑性基质的PBSa的Jersey针织蚕丝纤维复合材料所吸收的冲击能
 
聚合物基质 Jersey针织蚕丝纤维复合材料的冲击能(J/mm厚度)
琥珀酸/己二酸丁酯共聚物(PBSa) 34

Claims (37)

1.一种纤维复合材料，它包含作为基质相的拉伸模量小于1000MPa和拉伸断裂应变高于300％的热塑性聚合物，和作为增强相的占复合材料体积至少25％的蚕丝纤维，其中所述蚕丝纤维在所述复合材料内在至少两个方向上被组织，其特征在于选择所述蚕丝纤维在所述纤维方向上的分布，使得所述复合材料的拉伸强度在复合材料内包括的蚕丝纤维的纤维方向之间变化小于15％。
2.权利要求1的纤维复合材料，其中在除了所述复合材料内包括的蚕丝纤维的任何纤维方向以外的方向上，所述复合材料的断裂应变高于25％。
3.权利要求1或2的纤维复合材料，其中所述复合材料的抗穿刺性高于20J/mm板厚。
4.权利要求1或2的纤维复合材料，其中所述蚕丝纤维被组织在在所述复合材料内堆叠的多个织物或垫子内。
5.权利要求4的纤维复合材料，其中所述垫子或织物是织物。
6.权利要求5的纤维复合材料，其中它包含多个织物，所述织物的纤维密度在纬向和经向上差最多12％。
7.权利要求6的纤维复合材料，其中它包含多个平衡的织物。
8.权利要求5的纤维复合材料，它包含多个不平衡的织物，其中堆叠各织物，使得包括在该复合材料内的各纤维方向上的总纤维密度在各纤维方向之间变化小于12％。
9.权利要求8的纤维复合材料，它包含多个相同的不平衡的织物，其中将约一半的织物堆叠成使得其纬向与包括在该复合材料内的另一半所述织物的纬向成90°角。
10.权利要求5-9中任何一项的纤维复合材料，它包括成90°角的两个蚕丝纤维方向，其中在与每个纤维方向成约45°角的方向上，所述复合材料的断裂应变高于25％。
11.权利要求1或2的纤维复合材料，其中如果将捻度引入到纱线中，则纤维的捻度小于2000圈/米。
12.权利要求11的纤维复合材料，其中如果将捻度引入到纱线中，则纤维的捻度小于1000圈/米。
13.权利要求12的纤维复合材料，其中如果将捻度引入到纱线中，则纤维的捻度小于500圈/米。
14.权利要求13的纤维复合材料，其中如果将捻度引入到纱线中，则纤维的捻度小于200圈/米。
15.权利要求1或2的纤维复合材料，其中所述蚕丝纤维是连续的纤维。
16.权利要求1或2的纤维复合材料，其中所述蚕丝纤维被纺成纱线，其中纤维长度大于20mm。
17.权利要求16的纤维复合材料，其中纤维长度大于60mm。
18.权利要求1或2的纤维复合材料，其中所述蚕丝纤维的长度大于20mm。
19.权利要求18的纤维复合材料，其中所述蚕丝纤维的长度大于60mm。
20.权利要求1或2的纤维复合材料，其中所述热塑性聚合物选自下组：聚丙烯，聚丙烯的共聚物，聚乙烯，聚乙烯的共聚物，聚琥珀酸丁二酯或共聚酰胺。
21.权利要求1或2的纤维复合材料，其中所述热塑性聚合物是热塑性弹性体，乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物，乙烯和辛烯的共聚物，琥珀酸/己二酸丁二酯共聚物，聚己内酯或聚己二酸/对苯二甲酸1，4-丁二醇酯。
22.权利要求21的纤维复合材料，其中所述热塑性弹性体选自下组：EPDM橡胶和聚丙烯的共混物，聚乙烯乙酸乙烯酯、聚乙烯或聚丙烯和EPDM的共混物，聚乙烯或聚丙烯和丁基橡胶的共混物，SEBS橡胶和聚丙烯的共混物，和热塑性聚氨酯。
23.权利要求22的纤维复合材料，其中所述热塑性聚氨酯是聚氨酯酯、醚或聚己内酯共聚酯。
24.权利要求20的纤维复合材料，其中所述热塑性聚合物是可生物降解的。
25.权利要求21的纤维复合材料，其中所述热塑性聚合物是可生物降解的。
26.权利要求22的纤维复合材料，其中所述热塑性聚合物是可生物降解的。
27.一种面板或壳，它包含权利要求1-26中任何一项的纤维复合材料。
28.权利要求27的面板或壳，其具有夹层结构，其中所述面板或壳包含权利要求1-26中任何一项的纤维复合材料的表层和未增强的聚合物材料芯。
29.权利要求27或28的面板或壳，其中所述面板或壳被热成型或真空成型。
30.一种接受器或容器，它包含至少一种权利要求27-29中任何一项的面板或壳。
31.权利要求30的接受器或容器，其中所述接受器是盒子、手提箱、公文包、手袋、表壳、珠宝盒、瓶子、浴室或厨房附件。
32.家具，它包含权利要求27-29中任何一项的面板或壳。
33.权利要求32的家具，其中所述家具是桌子、橱柜、门或壁橱。
34.一种固定物，它包含至少一种权利要求27-29中任何一项的面板或壳。
35.权利要求34的固定物，其中所述固定物是珠宝固定物，盒子、手提箱、公文包、手袋、表壳、珠宝盒、瓶子、浴室或厨房附件的密闭系统的部件。
36.一种工件，它包含至少一种权利要求27-29中任何一项的面板或壳。
37.权利要求36的工件，其中所述工件是生产机械或车辆的部件。
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