CN102330358B - 一种竹纤维复合材料的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种竹纤维复合材料的生产方法,它的步骤如下:(1)将竹纤维与热熔性纤维混纺成纱线;(2)通过织造技术将纱线制成布;(3)模压成型:将布覆上热熔薄膜,然后铺设在模具中热压,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到30~70℃,停止加压;(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。本发明以天然竹纤维与热塑性塑料混合制备的复合材料具备一定的环境相容性,且具有质量轻,尺寸稳定性高,成本低,加工性能好和对生产设备磨损小的特点,在许多领域有着广阔的应用前景。本发明的竹纤维复合材料的拉伸强度>29MPa,弯曲强度>42MPa,冲击强度(缺口)>5.9K/Jm2

Description

一种竹纤维复合材料的生产方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料,具提涉及一种竹纤维复合材料的生产方法。
背景技术
我国是一个拥有丰富竹资源而木材资源缺乏的国家,竹材在我国有速生森林的美称。以竹代木,充分利用竹资源是我国当前还原自然生态环境的重要手段。近年来随着我国工业化进程的加快,竹制品得到很大关注和发展,但竹纤维复合材料的利用大量的还是停留在众多竹制品加工废料的处理上。以浙江林学院开发的竹纤维化竹原纤维的出现,对天然竹资源的利用是一个提高,但如何能更广泛的利用竹材,提高竹资源的利用率,提高竹纤维复合材料的性能,扩展竹纤维复合材料产品的应用领域等是一个前景广阔的科研究课题。
中国专利94229849公开了各种生产竹纤维复合材料技术,以竹纤维短纤、颗粒作为增强相,只能作为一般的板材使用,而不能作为结构材料使用,大多数产品的性能不能让人满意。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种竹纤维复合材料的生产方法,使用热熔纤维与连续竹纤维构成增强材料做纤维增强复合材料中的结构相,以长纤维三维纺织结构预成型件作为增强体,热熔纤维交缠于竹纤维并与上下覆膜构成基体而构成复合材料,从根本上消除了须晶、短纤、颗粒以及单向和层压复合材料层间强度低、易分层、抗冲击性能差、开裂和损伤容限低等缺点和不足,大幅度提高复合材料的强度和刚度,提高复合材料韧性,产品可以应用在需要较高力学性能的领域。
本发明的技术方案是:一种竹纤维复合材料的生产方法,它的步骤如下:
(1)将竹纤维与热熔性纤维混纺成纱线,包括各种结构纱线的加工方法;
(2)通过织造技术将纱线制成布;
(3)模压成型:将布覆上热熔薄膜,然后铺设在模具中,在温度为高于热熔纤维熔点温度5~100℃,压力为1~90GPa的条件下热压5~60分钟,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到30~70℃,停止加压;
(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。
所述步骤(1)中将竹纤维与热熔性纤维利用纺丝、纺纱、制线或并纱技术混纺成纱线。
所述步骤(1)中竹纤维的量为热熔性纤维量的1~90%。
所述步骤(1)中的热熔性纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、涤纶纤维、尼龙纤维或聚酰亚胺纤维。
在所述步骤(1)中的竹纤维与热熔性纤维中添加玻璃纤维或玄武岩纤维,在织造过程中可以添加其他纤维,如玻璃纤维、玄武岩纤维同竹纤维间隔引纬,经纱方向间隔排布其他性能的纱,满足特定的需求。
所述步骤(2)中的布为无纺布、两维、三维或多维结构布。
所述步骤(3)中的热熔薄膜为聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、涤纶薄膜、尼龙薄膜或聚酰亚胺薄膜。
所述步骤(1)中的热熔性纤维与步骤(3)中的热熔薄膜性能相适应:当步骤(1)中使用聚丙烯纤维时,步骤(3)中使用聚丙烯薄膜;当步骤(1)中使用聚乙烯纤维时,步骤(3)中使用聚乙烯薄膜;当步骤(1)中使用涤纶纤维时,步骤(3)中使用涤纶薄膜;当步骤(1)中使用尼龙纤维时,步骤(3)中使用尼龙薄膜;当步骤(1)中使用聚酰亚胺纤维时,步骤(3)中使用聚酰亚胺薄膜。
热熔纤维和热熔薄膜为热塑性材料。
在所述步骤(1)中的热熔性纤维中添加提高复合材料性能的增容剂:如马来酸酐改性热熔纤维材料;光触媒自清洁添加剂:纳米二氧化钛、纳米氧化锌;阻燃添加剂:石墨、纳米二氧化硅;导电添加剂:纳米聚苯胺;抗静电添加剂:碳纳米管;相变材料添加剂:相变材料聚乙二醇;吸波材料添加剂:纳米氧化铁,使生产出的竹纤维复合材料具备各种特定的功能,如自清洁、吸波、防辐射、阻燃、导电、抗静电、抗菌、杀菌。
如在热熔薄膜的上下表面进行喷施纳米二氧化钛颗粒处理,则最终产品将具有自清洁功能。
在所述步骤(3)中的热熔薄膜中添加马来酸酐、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、石墨、纳米二氧化硅、纳米聚苯胺、碳纳米管、聚乙二醇或纳米氧化铁。
所述竹纤维提前进行各种预处理:如纳米二氧化钛的真空预浸润并烘燥处理,纳米氧化锌的抗菌杀菌预处理的真空预浸润并烘燥等处理,石墨、纳米二氧化硅阻燃预处理的真空预浸润并烘燥处理、纳米聚苯胺导电预处理的真空预浸润并烘燥处理、抗静电预处理、相变材料预处理及吸波材料预处理等的真空预浸润并烘燥处理,以提高竹纤维增强复合材料性能。
竹纤维复合材料的生产加工的模具根据产品要求变化,可以是平板、曲面或特定形状。
各材料熔点范围如下:聚丙烯纤维150~180℃;聚乙烯纤维100~150℃;涤纶纤维100~280℃;尼龙纤维100~250℃;聚酰亚胺纤维250~450℃。
由于传统的复合材料制件为了达到厚度上的要求,绝大多数采用层合的形式,即用多层二维织物或用纤维缠绕来增加制件的厚度,这种二维分层结构复合材料制件层间存在着纯基体区,受力后,容易产生分层,造成制件损坏,抗冲击性能不好,做不了主承力部位的结构件,这些都是传统复合材料最大的弱点。
三维技术是一种新型纺织技术,理论上可达到任意厚度的织物,纤维在三维空间中沿着多个方向分布并相互交织在一起形成不分层的整体结构,而且有穿过厚度方向的纤维,这是该技术的最大特点之一。因此由它制成的复合材料制件具有高强度、不分层、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能和综合力学性能好,以及耐烧蚀、抗高温、热绝缘性能好等独特的优点。此外,采用该技术可以直接制出各种形状、不同尺寸的整体异型预制件,如圆筒、锥套体、工型梁、T型梁、盒型梁等,还有一些更加复杂形状的制件。
本发明的有益效果是:天然竹纤维资源丰富,价格低廉;它的密度比金属纤维及所有的无机纤维都小,而模量和拉伸强度与玻璃纤维相近,以天然竹纤维与热塑性塑料混合制备的复合材料具备一定的环境相容性,且具有质量轻,尺寸稳定性高,成本低,加工性能好和对生产设备磨损小的特点,在许多领域有着广阔的应用前景。提高竹纤维增强热塑性塑料复合材料的性能,使其应用于承载结构件如机械构件,是扩大产品应用范围的关键所在。本发明的竹纤维复合材料的拉伸强度>29Mpa,弯曲强度>42Mpa,冲击强度(缺口)>5.9K/Jm2。本发明工艺简单,可实现工业化,制成的竹纤维复合材料可作为结构材料使用,并且可以根据特定需要通过添加添加剂使竹纤维复合材料具有清洁、吸波、防辐射、阻燃、导电、抗静电、抗菌、杀菌的功能。
具体实施方式
实施例1
一种竹纤维复合材料的生产方法,它的步骤如下:
(1)将竹纤维与聚乙烯纤维利用纺纱技术混纺成纱线,竹纤维的用量为聚乙烯纤维用量的1%;
(2)将纱线制成两维结构布;
(3)将布覆上聚乙烯薄膜,然后铺设在模具中,在温度为155~280℃,压力为90GPa的条件下热压5分钟,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到60℃,停止加压;
(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。
上述实施例中,在所述步骤(1)中的热熔性纤维中添加提高复合材料性能的增容剂:如马来酸酐改性热熔纤维材料;光触媒自清洁添加剂:纳米二氧化钛或纳米氧化锌;阻燃添加剂:石墨或纳米二氧化硅;导电添加剂:纳米聚苯胺;抗静电添加剂:碳纳米管;相变材料添加剂:相变材料聚乙二醇;吸波材料添加剂:纳米氧化铁,使生产出的竹纤维复合材料具备各种特定的功能,如自清洁、吸波、防辐射、阻燃、导电、抗静电、抗菌、杀菌。
如在热熔薄膜的上下表面进行喷施纳米二氧化钛颗粒处理,则最终产品将具有自清洁功能。
在所述步骤(3)中的热熔薄膜中添加马来酸酐、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、石墨、纳米二氧化硅、纳米聚苯胺、碳纳米管、聚乙二醇或纳米氧化铁。
所述竹纤维提前进行各种预处理:如纳米二氧化钛的真空预浸润并烘燥处理,纳米氧化锌的抗菌杀菌预处理的真空预浸润并烘燥等处理,石墨、纳米二氧化硅阻燃预处理的真空预浸润并烘燥处理、纳米聚苯胺导电预处理的真空预浸润并烘燥处理、抗静电预处理、相变材料预处理及吸波材料预处理等的真空预浸润并烘燥处理,以提高竹纤维增强复合材料性能。
实施例2
一种竹纤维复合材料的生产方法,它的步骤如下:
(1)将竹纤维与涤纶纤维利用并纱技术混纺成纱线,竹纤维的用量为涤纶纤维用量的90%;
(2)将纱线制成多维结构布;
(3)将布覆上涤纶薄膜,然后铺设在模具中,在温度为105~380℃,压力为1GPa的条件下热压60分钟,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到30℃,停止加压;
(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。
实施例3
一种竹纤维复合材料的生产方法,它的步骤如下:
(1)将竹纤维与尼龙纤维利用制线技术混纺成纱线,竹纤维的用量为尼龙纤维用量的20%;
(2)将纱线制成三维结构布;
(3)将布覆上热熔薄膜,然后铺设在模具中,在温度为105~350℃,压力为90GPa的条件下热压40分钟,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到50℃,停止加压;
(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。
实施例4
一种竹纤维复合材料的生产方法,它的步骤如下:
(1)将竹纤维与聚酰亚胺纤维混纺成纱线,竹纤维的用量为聚酰亚胺纤维用量的50%;
(2)将纱线制成布;
(3)将布覆上聚酰亚胺薄膜,然后铺设在模具中,在温度为255~550℃,压力为40GPa的条件下热压30分钟,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到50℃,停止加压;
(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。
实施例5
一种竹纤维复合材料的生产方法,它的步骤如下:
(1)将竹纤维与尼龙纤维和玻璃纤维利用制线技术混纺成纱线,竹纤维的用量为尼龙纤维用量的60%,玻璃纤维的用量为尼龙纤维用量的5%;
(2)将纱线制成三维结构布;
(3)将布覆上热熔薄膜,然后铺设在模具中,在温度为105~350℃,压力为20GPa的条件下热压40分钟,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到60℃,停止加压;
(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。
所述步骤(1)中玻璃纤维还可以替换为玄武岩纤维。
实施例6
竹纤维增强聚丙烯蜂窝垫片
将20支含有4%马来酸酐的聚丙烯纤维长丝与20支竹纤维纱线合股成10支股线,用该股线制成平纹织物,将尺寸20cm*20cm的该平纹织物上下包覆100μm厚的含4%马来酸酐的聚丙烯薄膜,放入平板硫化机的平板模具中,在温度195℃,压力5GPa的作用下,压制出300μm厚度的膜状平板。冷却,取出模具,等待下一步加工;循环以上加工工艺20次可以得到20张300μm厚度的膜状平板。在该平板正反两面间隔1.5cm涂刷0.5cm宽的粘结剂,而且正反面涂胶位置错开。依次叠放堆积成一块20cm*20cm*0.5cm的方块,用刀将方快切成20条1cm*20cm*0.6cm的长条。在130度温度下拉伸长条的正反面,并保持形态稳定时急冷,便得到竹纤维增强聚丙烯蜂窝垫片。
实施例7
三维竹纤维增强聚丙烯汽车用保险杠
将6支/500F含有4%马来酸酐的聚丙烯纤维长丝与6支竹纤维纱线合股成股线,将该股线用三维织机制成三维铰链锁与正交交替结构的1厘米厚的三维织物,其中经向垫纱为6支聚丙烯纤维与竹纤维间隔排列,按照汽车用保险杠的尺寸要求织制,将该织物上下包覆500μm厚的含4%马来酸酐的聚丙烯薄膜,膜与织物间均匀填放一定厚度的聚丙烯粉末,然后放入车用保险杠模具中,在温度215℃,压力15GPa的作用下,压制出0.7cm厚度的车用保险杠。冷却,将保险杠取出模具,便得到竹纤维增强聚丙烯车用保险杠。
实施例8
三维竹纤维增强聚丙烯风力发电用叶片
将6支/500F含有4%马来酸酐的聚丙烯纤维长丝与6支竹纤维纱线合股成股线,将该股线用三维针织设备制成三维添充竹纤维混合聚丙烯纤维的无纺布,复合结构的厚度根据风力发电用叶片结构要求渐变的三维针织物,其中经向垫纱为6支聚丙烯纤维与竹纤维间隔排列(根据受力分析和风力发电用叶片设计的要求可以同时添加相应方向的碳纤维),按照风力发电用叶片的尺寸要求织制,将该织物上下包覆500μm厚的含4%马来酸酐的聚丙烯薄膜,膜与织物间均匀填放一定厚度的碳纤维短纤维与聚丙烯混合粉末,然后放入风力发电用叶片模具中,在温度215为℃,压力50GPa的作用下,压制出渐变厚度的风力发电用叶片。冷却,将风力发电用叶片取出模具,便得到竹纤维增强聚丙烯风力发电用叶片。

Claims (2)

1.一种竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于它的步骤如下:
(1)将竹纤维与热熔性纤维混纺成纱线;
(2)将纱线制成布;
(3)将布覆上热熔薄膜,然后铺设在模具中,在温度为高于热熔纤维熔点温度5~100℃,压力为1~90GPa的条件下热压5~60分钟,当竹纤维与热熔纤维和热熔薄膜熔融结合后,停止加热,冷却到30~70℃,停止加压;
(4)将冷却物从模具中脱除,得到竹纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:所述步骤(1)中将竹纤维与热熔性纤维利用纺纱、制线或并纱技术混纺成纱线。
3. 根据权利要求1所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:所述步骤(1)中竹纤维的质量为热熔性纤维质量的1~90%。
4. 根据权利要求1所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:所述步骤(1)中的热熔性纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、涤纶纤维、尼龙纤维或聚酰亚胺纤维。
5. 根据权利要求1所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:在所述步骤(1)中的竹纤维与热熔性纤维中添加玻璃纤维或玄武岩纤维。
6. 根据权利要求1所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:所述步骤(3)中的热熔薄膜为聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、涤纶薄膜、尼龙薄膜或聚酰亚胺薄膜。
7. 根据权利要求4或6所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:所述步骤(1)中的热熔性纤维与步骤(3)中的热熔薄膜性能相适应:当步骤(1)中使用聚丙烯纤维时,步骤(3)中使用聚丙烯薄膜;当步骤(1)中使用聚乙烯纤维时,步骤(3)中使用聚乙烯薄膜;当步骤(1)中使用涤纶纤维时,步骤(3)中使用涤纶薄膜;当步骤(1)中使用尼龙纤维时,步骤(3)中使用尼龙薄膜;当步骤(1)中使用聚酰亚胺纤维时,步骤(3)中使用聚酰亚胺薄膜。
8. 根据权利要求1所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:在所述步骤(1)中的热熔性纤维中添加马来酸酐、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、石墨、纳米二氧化硅、纳米聚苯胺、碳纳米管、聚乙二醇或纳米氧化铁。
9. 根据权利要求1所述的竹纤维复合材料的生产方法,其特征在于:在所述步骤(3)中的热熔薄膜中添加马来酸酐、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、石墨、纳米二氧化硅、纳米聚苯胺、碳纳米管、聚乙二醇或纳米氧化铁。
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