CN102161799A - 一种生物质塑性复合材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物质塑性复合材料及其制造方法。该复合材料特征在于其重量百分比组成为：增强体椰壳纤维40-60％，基体低熔点丙纶纤维60-40％，椰壳纤维和低熔点丙纶纤维合计为100％；所述的椰壳纤维选用天然椰壳原纤；所述基体为纺织用低熔点丙纶短纤维。该制造方法采用以下步骤：1.将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；2.按照重量百分比称量椰壳纤维40-60％，低熔点丙纶纤维40-60％；3.将所称量的两种纤维原料充分开松混合，按照设计要求的型材规格制成预制件；4.将所制的预制件按照设计要求压制成板材，热压温度为160-180℃，热压时间为10-30分钟，然后冷却定型即得。

Description

一种生物质塑性复合材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术，具体是一种生物质塑性复合材料及其制造方法，该复合材料以椰壳纤维为增强体，以热塑性树脂为基体材料制备。

背景技术

生物质塑性复合材料是一种以天然纤维为增强材料，大多是以热塑性树脂(PP、PC、PE等)为粘结基体的复合材料。该复合材料兼有生物质和塑性基体的性能，能重复回收加工，具有一定的生物降解性，是一种新型环境友好材料。目前，用作生物质塑性复合材料增强体的主要材料是麻纤维、木纤维和竹纤维，以椰壳纤维作生物质复合材料增强体的未曾见到。椰壳纤维是一种价廉(价格比黄麻、剑麻便宜，在常见的天然纤维中是价格最低的)、质轻的天然纤维，资源丰富。椰壳纤维的全球产量约500万吨/年。我国也具有丰富的椰壳资源，主要分布在海南、广东和福建东南部，海南省年产2.29亿个。现有的椰壳纤维主要用于生产绳索、坐垫、地毯、编织物、席子、扫帚、刷子、床垫和室内装潢及滤布等，只消耗了世界椰壳产量的一小部分，其余或被当做燃料，或被自然遗弃，盲目浪费，还造成了一定的环境污染。在申请人检索的范围内，椰壳纤维增强热固性复合材料有见成功应用的案例，但椰壳纤维增强热塑性复合材料未见成功应用案例，特别是以椰壳纤维为增强体、以ES为粘结基体的生物质塑性复合材料还未见报道。所述的椰壳纤维增强热固性树脂包括不饱和聚酷树脂(UP)、酚醛树脂(UF)、环氧树脂(EP)等，是目前研究得较多的领域。经过碱处理的椰壳纤维增强不饱和树脂，其力学性能超过木胶合板、木碎饭，与松木的性能相接近。这说明椰壳纤维增强复合材料可部分代替木材、胶合板等作为结构材料实际应用，但热固性复合材料不可回收利用，不利循环经济和环境保护。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种生物质塑性复合材料及其制造方法，该复合材料以椰壳纤维为增强体，以ES为粘结基体，可有效利用椰壳纤维，减少资源浪费，避免环境污染；该制造方法工艺简单，成本很低，适用于工业化使用。

本发明解决所述复合材料技术问题的技术方案是：设计一种生物质塑性复合材料，其特征在于该复合材料的重量百分比组成为：增强体椰壳纤维40-60％，基体低熔点丙纶纤维60-40％，椰壳纤维和低熔点丙纶纤维合计为100％；所述的椰壳纤维选用天然椰壳原纤；所述基体为纺织用低熔点丙纶短纤维。

本发明解决所述制造方法技术问题的技术方案是：设计一种生物质塑性复合材料的制造方法，该制造方法适用于本发明生物质塑性复合材料，并采用以下步骤：

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：按照重量百分比称量椰壳纤维40-60％，低熔点丙纶纤维40-60％，两者合计重量百分比为100％；

步骤3：将步骤2中所称量的两种纤维原料充分开松混合，按照设计要求的型材规格，制作成预制件；

步骤4：将步骤3所制的预制件按照设计要求压制成板材，热压温度为160-180℃，热压时间为10-30分钟，然后冷却定型即得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是，用椰壳纤维替代传统增强纤维(如玻璃纤维、麻纤维等)，有利于节约资源及环境保护，解决了椰壳被自然遗弃造成的环境污染和资源浪费，避免了椰壳被当做燃料污染大气。本发明的制造方法简单易行，生产成本低，所制作的椰壳纤维复合材料具有优良的性能：拉伸强度可达30.51Mpa，弯曲强度可达75.82Mpa，而汽车车门内饰板及车棚顶材料的力学性能要求分别为：拉伸强度22MPa，弯曲强度34Mpa。本发明椰壳纤维/低熔点丙纶复合材料的拉伸、弯曲强度远远高于汽车内饰板的要求。

具体实施方式

下面结合实施例进一步叙述本发明。

本发明设计的生物质塑性复合材料(简称复合材料)，其特征在于该复合材料的重量百分比组成为：增强体椰壳纤维40-60％，基体低熔点丙纶(ES)纤维60-40％，椰壳纤维和低熔点丙纶(ES)纤维合计为100％；所述的椰壳纤维选用天然椰壳原纤；所述基体为纺织用低熔点丙纶短纤维。

本发明所述的椰壳纤维采用成熟的椰壳原纤，实施例的椰壳原纤密度为1.15g/cm³左右，纤维长度8-337cm，回潮率9.75％，断裂强度12.35-14.6cN/tex，初始分解温度240℃左右。

椰壳纤维与其他天然纤维一样，由于纤维的极性羟基与憎水树脂的相容性较差，因此研究对纤维进行表面处理或改性处理，以提高纤维与树脂间的润湿性，改善纤维与树脂的相溶性，目前所能查见的研究文献只是针对此内容。事实上，椰壳纤维还存在另一显著缺陷，即耐热性能差、易氧化的缺点，这一缺陷一直被研究人员所忽视，先前的研究所选择的基体材料的熔点较高，因而制作过程中的热压温度过高，导致所制作的椰壳纤维复合材料力学性能低下，不符合实际需求，无法真正应用于实际。

本发明所述的ES(低熔点丙纶)纤维是一种低熔点的丙纶纤维。采用它替代普通丙纶作为粘结基体，可以克服椰壳纤维因加工过程中的过热而导致的力学性能降低。实施例所采用的ES纤维的密度为0.91g/cm³，纤维长度3.8cm，回潮率0.12％，断裂强度31-57cN/tex，熔融温度为133℃。

本发明同时设计了生物质塑性复合材料的制造方法(简称制造方法)，该制造方法适用于本发明生物质塑性复合材料，并采用以下步骤：

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：按照重量百分比称量椰壳纤维40-60％，低熔点丙纶纤维40-60％，两者合计重量百分比为100％；

步骤3：将步骤2中所称量的两种纤维原料充分开松混合，按照设计要求的型材规格，制作成预制件；预制件的制备为现有技术。

步骤4：将步骤3所制的预制件按照设计要求压制成板材，热压温度为160-180℃，热压时间为10-30分钟，然后冷却定型即得。

为了提高复合材料的性能，本发明制造方法的进一步特征是：在步骤1后，加入椰壳纤维预处理工艺或步骤，该预处理工艺是：把步骤1所得椰壳纤维用重量浓度1-5％的NaOH溶液进行水煮0.5-1.5小时的预处理，然后清洗、烘干后备用。对于用后的NaOH溶液，一般可通过滤渣、强酸(硫酸)中和处理。为减少直接排放带来的碱液、酸液的大量浪费和可能的环境污染，实际生产中企业可选用专用设备进行碱液、酸液的回收处理，如可选用德国的蒸发设备建立液碱处理回收系统。根据生产实际，收集淡碱后先蒸发浓缩，再进入消色装置，消除浓碱液的颜色，然后再返回循环利用。

该预处理制造方法的完整工艺是：

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干后备用；

步骤2：将步骤1所得椰壳纤维用重量浓度1-5％的NaOH溶液进行水煮0.5-1.5小时的预处理，然后清洗、烘干后备用；

步骤3：按照设计的重量百分比分别称量40-60％的椰壳纤维，40-60％的ES纤维，两种纤维原料的合计重量百分比为100％；

步骤4：将步骤3中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的型材规格，制作成预制件；预制件的制造方法为现有技术。

步骤5：将步骤4所得到的预制件，按照设计要求压制成板材，热压温度为160-180℃，热压时间为10-30分钟，然后冷却定型即得。

经预处理制造方法所制得的复合材料拉伸强度和弯曲强度都有所提高。实验表明，相同条件下，预处理制造方法所制得的复合材料比未经预处理所制得的复合材料，拉伸强度可由22.26MPa提高为30.51MPa；弯曲强度可由53.64MPa提高为75.82Mpa(参见实施例4、6和表1)。

本发明的椰壳纤维增强塑性复合材料，用价廉、质轻的椰壳纤维作为增强材料，用ES纤维替代普通丙纶作为粘结基体，具有塑性材料的加工特性，外观平整、尺寸稳定性好，具有生物降解性能，可回收利用。采用碱液对椰壳纤维进行预处理，使所制得的复合材料性能提高，例如，汽车车门内饰板及车棚顶材料的力学性能要求为：拉伸强度＝22MPa，弯曲强度＝34MPa，本发明预处理制造方法制造的椰壳纤维/ES复合材料的拉伸强度可达30.51Mpa，弯曲强度可达75.82Mpa，远远高于汽车内饰材料的技术要求。

本发明重点解决了导致椰壳纤维复合材料力学性能低下问题：采用低熔点丙纶作为基体材料，使得热压温度降低，从而减少热压过程中的过热所导致的复合材料力学性能下降；同时，通过对椰壳纤维进行碱预处理，使得椰壳纤维的初始分解温度得到提高，所制作的复合材料界面得到改善，从而进一步提高了复合材料力学性能。

本发明复合材料具有塑性材料的加工特性，外观平整、尺寸稳定性好，具有生物降解性能，可回收利用，可用作建筑和土工料、汽车及装饰材料等，如：轿车的门内板、行李厢、顶棚、座椅背板、衣帽架、仪表盘；卡/客车的车厢内衬板、门板、顶棚、座椅背板、门板保温层或填充材料等。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出具体实施例，但本发明申请权利要求的保护范围不受具体实施例的限制。

实施例1

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：按照重量百分比称量椰壳纤维为40％，ES纤维为60％；

步骤3：将步骤2中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的300×300mm²型材规格，制作成预制件；

步骤4：将步骤3所得到的预制件，压制成板材，热压温度为170℃，热压时间为20分钟，然后冷却定型即得。

本实施例所制得的生物质塑性复合材料的性能测试(测试标准分别参考GB/T1447-2005和GB/T1449-2005。下同)结果为：拉伸强度/MPa：25.59；弯曲强度/MPa：47.12。

实施例2

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：按照重量百分比称量椰壳纤维为40％，ES纤维为60％；

步骤3：将步骤2中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的300×300mm²型材规格，制作成预制件；

步骤4：将步骤3所得到的预制件，压制成板材，热压温度为180℃，热压时间为10分钟，然后冷却定型即得。

本实施例所得复合材料的性能测试结果为：拉伸强度/MPa：20.12；弯曲强度/MPa：35.11。

实施例3

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：按照重量百分比称量椰壳纤维为50％，ES纤维为50％；

步骤3：将步骤2中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的300×300mm²型材规格，制作成预制件；

步骤4：将步骤3所得到的预制件，压制成板材，热压温度为160℃，热压时间为30分钟，然后冷却定型即得。

本实施例所制得的生物质塑性复合材料的性能测试结果为：拉伸强度/MPa：21.13；弯曲强度/MPa：42.35。

实施例4

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：按照重量百分比称量椰壳纤维为50％，ES纤维为50％；

步骤3：将步骤2中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的300×300mm²型材规格，制作成预制件；

步骤4：将步骤3所得到的预制件，压制成板材，热压温度为170℃，热压时间为20分钟，然后冷却定型即得。

本实施例所制得的生物质塑性复合材料的性能测试结果为：拉伸强度/MPa：22.26；弯曲强度/MPa：53.64。

实施例5

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：将步骤1所得椰壳纤维用重量浓度4％的NaOH溶液进行水煮0.5小时的预处理，然后清洗、烘干备用；

步骤3：按照重量百分比称量椰壳纤维为50％，ES纤维为50％；

步骤4：将步骤3中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的300×300mm²型材规格，制作成预制件；

步骤5：将步骤4所得到的预制件，压制成板材，热压温度为170℃，热压时间为20分钟，然后冷却定型即得。

本实施例所制得的生物质塑性复合材料的性能测试结果为：拉伸强度/MPa：30.16；弯曲强度/MPa：69.61。

实施例6

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：将步骤1所得椰壳纤维用重量浓度2％的NaOH溶液进行水煮1小时预处理，然后清洗、烘干备用；

步骤3：按照重量百分比称量椰壳纤维为50％，ES纤维为50％；

步骤4：将步骤3中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的300×300mm²型材规格，制作成预制件；

步骤5：将步骤4所得到的预制件，压制成板材，热压温度为170℃，热压时间为20分钟，然后冷却定型即得。

本实施例所制得的生物质塑性复合材料的性能测试结果为：拉伸强度/MPa：30.51；弯曲强度/MPa：75.82。

为进一步说明本发明复合材料的积极效果，申请人特给出本发明复合材料与几种天然纤维复合材料力学性能的对比表。

表1本发明复合材料与几种天然纤维复合材料力学性能的对比表

复合材料	拉伸强度(MPa)	弯曲强度(MPa)
			剑麻纤维增强聚丙烯	25.12	34.47
竹纤维增强聚丙烯	26.93	29.44
			椰壳纤维/不饱和聚酯树脂(热固性)	23.9	22.2
实施例4	22.26	53.64
			实施例6	30.51	75.82

本发明与几种天然纤维复合材料的成本价格分析如下：从制备能耗上看，现有热压技术制作天然纤维复合材料，通常热压温度为180-200℃，而本发明制作复合材料的热压温度160-180℃，能耗有所降低，有利于低碳经济；从原材料成本来看，椰壳纤维价格每吨2450元，而亚麻为6000元/吨、剑麻为8500元/吨、竹原纤75000元/吨、玻璃纤维为32000元/吨，可见椰壳纤维价格最便宜；ES纤维与丙纶纤维、涤纶纤维价格相近，大约12500元/吨，但丙纶的密度比涤纶要低很多，相应的用量也就少，且椰壳纤维密度最轻，为1.15g/cm³，而亚麻为1.46g/cm³、剑麻为1.30g/cm³、竹原纤为1.49g/cm³、玻璃纤维为2.5g/cm³，这意味着用椰壳纤维制作复合材料，相同厚度的板材所需的增强纤维质量最少，可见本发明椰壳纤维增强/ES纤维复合材料成本最低，极具竞争优势。

Claims (5)

1.一种生物质塑性复合材料，其特征在于该复合材料的重量百分比组成为：增强体椰壳纤维40-60％，基体低熔点丙纶纤维60-40％，椰壳纤维和低熔点丙纶纤维合计为100％；所述的椰壳纤维选用天然椰壳原纤；所述基体为纺织用低熔点丙纶短纤维。

2.根据权利要求1所述的生物质塑性复合材料，其特征在于所述的椰壳原纤密度为1.15g/cm³，纤维长度8-337cm，回潮率9.75％，断裂强度12.35-14.6cN/tex，初始分解温度240℃。

3.根据权利要求1所述的生物质塑性复合材料，其特征在于所述的低熔点丙纶纤维的密度为0.91g/cm³，纤维长度3.8cm，回潮率0.12％，断裂强度31-57cN/tex，熔融温度为133℃。

4.一种权利要求1、2或3生物质塑性复合材料的制造方法，该制造方法采用以下步骤：

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干备用；

步骤2：按照重量百分比称量椰壳纤维40-60％，低熔点丙纶纤维40-60％，两者合计重量百分比为100％；

步骤3：将步骤2中所称量的两种纤维原料充分开松混合，按照设计要求的型材规格，制作成预制件；

步骤4：将步骤3所制的预制件按照设计要求压制成板材，热压温度为160-180℃，热压时间为10-30分钟，然后冷却定型即得。

5.一种权利要求1、2或3生物质塑性复合材料的制造方法，该制造方法采用以下步骤：

步骤1：将椰壳纤维清洗、去杂、烘干后备用；

步骤2：将步骤1所得椰壳纤维用重量浓度1-5％的NaOH溶液进行水煮0.5-1.5小时的预处理，然后清洗、烘干后备用；

步骤3：按照设计的重量百分比分别称量40-60％的椰壳纤维，40-60％的ES纤维，两种纤维原料的合计重量百分比为100％；

步骤4：将步骤3中所称量的两种原料充分开松混合，按照设计要求的型材规格，制作成预制件；

步骤5：将步骤4所得到的预制件，按照设计要求压制成板材，热压温度为160-180℃，热压时间为10-30分钟，然后冷却定型即得。