CN102352089A - 一种植物纤维增强生物质树脂薄层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种植物纤维增强生物质树脂薄层材料及其制备方法，该种薄层材料用于树脂基复合材料的界面增强或直接用于制备生物质复合材料。其中，结构粘结剂的主要制备过程为将100份质量的松香基环氧树脂，10～100份质量环氧树脂固化剂和0.5～5份质量的固化促进剂，10～50份质量热塑性聚合物在40℃～80℃下，高速剪切力混合均匀。增强材料包括连续植物纤维织物、无纬布和网格纱，以及非连续植物纤维无纺布，其通过预浸装备连续地预浸质量含量为30％～90％的环氧树脂结构粘结剂，制备得到一种植物纤维附载生物质树脂薄层材料。
Description
技术领域
本发明是一种植物纤维增强生物质树脂薄层材料及其制备方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
目前，复合材料已经在航空航天、地面交通以及社会生活的各个方面都有着非常重要的应用，其增强材料主要为玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等，这些化学纤维虽然有较高的力学性能，但是也存在能耗高、不可再生和对环境和人有害性等缺点。因此为减少污染、保护环境，同时为应对日益逼近的能源危机和资源约束，植物纤维增强复合材料逐渐成为人们的研究热点。
参考发明专利1“单项、织物玻璃纤维复合材料及其制备方法”(申请号200810014890.6)，提出在织物和单向玻璃纤维两面覆盖环氧树脂层，然后在一定的压力下，将树脂压入纤维束内，得到薄层复合材料，参考发明专利2“一种胶黏剂及其制备方法暨以该胶黏剂制备的环氧玻璃坯布”(申请号200910218768.5)提出一种胶黏剂的配方设计，以及将该胶黏剂涂覆于玻璃纤维坯布用于电机磁极线圈绝缘。
发明内容
本发明提供了一种植物纤维增强生物质树脂薄层材料及其制备方法，其目的是发展一种以植物纤维增强生物质树脂的绿色生物质薄层材料，将其用于绿色夹层结构中的界面增强材料，提高复合材料的界面粘接强度，代替现有的玻璃纤维或其它化学纤维界面增强材料，同时也可用其制备绿色复合材料制件，规模化地生产植物纤维增强生物质树脂的绿色复合材料产品，最大程度地提高复合材料中可再生资源所占的比例。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提出了一种植物纤维增强生物质树脂薄层材料，其特征在于：该种生物质树脂薄层材料是由增强材料和结构粘结剂组成，增强材料占生物质树脂薄层材料的质量份数为10～70％，结构粘结剂占生物质树脂薄层材料的质量份数为30～90％，增强材料是指连续植物纤维织物、无纬布、网格纱或非连续植物纤维无纺布，面密度为20g/m2～300g/m2；结构粘结剂是指生物质松香基环氧树脂预聚物，其化学组成和质量份数为：100份的松香基环氧树脂，其结构如下式所示；10～100份的环氧树脂固化剂；0.5～3份的固化促进剂和10～50份热塑性聚合物。固化剂为甲基纳迪克酸酐、甲基六氢苯酐、甲基四氢苯酐、双氰胺或商品牌号为#594的噁硼杂环硼胺络合物。固化促进剂为DMP-30、三氟化硼单乙胺或1，1’-二甲基-3-苯基脲。热塑性聚合物为酚酞改性聚醚酮、酚酞改性聚醚砜或酚酞改性聚醚酰亚胺，粒度为50目-100目，热塑性聚合物可以作为松香基环氧树脂的增黏剂和增韧剂，调节树脂的黏度，增加成膜性，改善工艺性，提高复合材料的界面粘接强度和韧性。
以上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为松香基环氧树脂的化学结构。
植物纤维增强生物质树脂薄层材料的制备方法如下：
(1)制备增强材料
以苎麻、亚麻、黄麻、大麻、剑麻或红麻为原料，通过现有技术制备连续植物纤维织物、无纬布、网格纱或非连续植物纤维无纺布，其面密度为20g/m2～300g/m2，收卷后作为增强材料备用。
(2)制备结构粘结剂
将100份质量的松香基环氧树脂，10～100份质量环氧树脂固化剂和0.5～5份质量的固化促进剂，10～50份质量热塑性聚合物在40℃～80℃下，高速剪切力混合均匀，冷却后得到生物质松香基环氧质树脂预聚物。
(3)在预浸设备上，将制备好的生物质松香基环氧质树脂预聚物均匀地涂覆在脱模纸的表面，同时通过加热加压辊将涂覆在脱模纸表面的生物质松香基环氧质树脂预聚物转移到增强材料上，通过控制树脂层的面密度，使生物质松香基环氧质树脂预聚物占它与增强材料质量总和的30～90％，收卷后室温放置或冷藏保存，这样就得到两面用脱模纸保护的植物纤维增强生物质树脂薄层材料
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明专利做进一步详细说明：
实施例1：
用苎麻纤维制备面密度为20g/m2苎麻纤维网格纱。
将1000克松香基环氧树脂Ⅰ、1000克甲基六氢苯酐、20克三氟化硼单乙胺络合物和500克酚酞改性聚醚酮加入到搅拌釜中，加热到50℃后，高速搅拌20分钟，然后将树脂倒在脱模纸上冷却到室温后冷藏备用。
在预浸设备上，将配制好的松香基环氧树脂结构粘结剂均匀地涂覆在脱模纸的表面，控制面密度为180g/m2，同时通过加热加压辊将树脂薄膜转移到苎麻纤维网格纱上，树脂的质量含量约为90％，收卷后室温放置或冷藏保存。这样就得到两面用脱模纸保护的苎麻纤维附载松香基环氧树脂结构粘接剂的薄层材料。
将此薄层材料用于苎麻纤维增强蜂窝夹层结构复合材料的界面增强。复合材料的制备过程如下：用真空袋成型工艺将植物纤维面板和48Kg/m3的Nomex蜂窝芯，在140℃下共固化2小时，后冷却到40℃后， 释放压力。测试夹层结构的平拉强度(测试标准ASTM C297)和剪切强度(测试标准ASTM C273)其力学性能对比如表1所示。
表1界面增强前后力学性能对比
| 平拉强度/MPa | L向截切强度/MPa | W向截切强度/MPa | |
| 界面增强前 | 0.30 | 0.49 | 0.47 |
| 界面增强后 | 1.02 | 1.21 | 0.65 |
界面增强后，力学性能明显变大，复合材料的破坏也更多地由夹层结构界面破坏转变为Nomex蜂窝芯破坏。
实施例2：
通过现有的技术制备苎麻纤维无纬布，无纬布的面密度为150g/m2。
将1500克松香基环氧树脂Ⅱ、1200克甲基纳迪克酸酐、7.5克DMP-30和270克酚酞改性聚醚砜加入到搅拌釜中，加热到70℃后，高速搅拌30分钟，然后将树脂倒在脱模纸上冷却到室温后冷藏备用。
在预浸设备上，将配制好的松香基环氧树脂结构粘结剂均匀地涂覆在脱模纸的表面，树脂层面密度为150g/m2，同时通过加热加压辊将树脂薄膜转移到苎麻纤维无纬布上，控制树脂的质量含量为50％，收卷后室温放置或冷藏保存。这样就得到两面用脱模纸保护的苎麻纤维附载松香基环氧树脂结构粘接剂的薄层材料。
将此薄层材料用于制备苎麻纤维增强生物质树脂复合材料。复合材料的制备过程如下：用模压成型工艺将18层一定尺寸的薄层材料叠放在模具内，然后加压力2MPa，逐渐升温到120℃下固化3小时，后冷却到40℃后，释放压力。复合材料中纤维质量含量约为60％，测试其拉伸性能(测试标准ASTM D3039)、压缩性能(测试标准ASTM D6641)和弯曲性能(测试标准ASTM D790)，其力学性能如表2所示。
表2复合材料力学性能
实施例3：
通过现有技术，用黄麻纤维制备面密度为100g/m2的网格纱。
将1000克松香基环氧树脂Ⅲ、1000克甲基四氢苯酐、10克三氟化硼单乙胺络合物和300克酚酞改性聚醚酮加入到搅拌釜中，加热到50℃后，高速搅拌30分钟，后在三辊机上碾磨均匀，将树脂倒在脱模纸上冷却到室温备用。
在预浸设备上，将配制好的松香基环氧树脂结构粘接剂均匀地涂覆在脱模纸的表面，同时通过加热加压辊将树脂薄膜转移到黄麻纤维网格纱上，控制粘接剂的质量含量为50％，收卷后室温放置或冷藏保存。这样就得到两面用脱模纸保护的黄麻纤维无纺布附载松香基环氧树脂结构粘接剂的薄层材料。
将此薄层材料用于黄麻纤维增强蜂窝夹层结构复合材料的界面增强。复合材料的制备过程如下：用真空袋成型工艺将植物纤维面板和48Kg/m3的Nomex蜂窝芯，在140℃下共固化2小时，后冷却到40℃后，释放压力。测试夹层结构的平拉强度(测试标准ASTM C297)和剪切强度(测试标准ASTM C273)其力学性能对比如表3。
表3界面增强前后力学性能对比
| 平拉强度/MPa | L向截切强度/MPa | W向截切强度/MPa | |
| 界面增强前 | 0.30 | 0.49 | 0.47 |
| 界面增强后 | 0.97 | 1.15 | 0.59 |
界面增强后，力学性能明显变大，复合材料的破坏也更多地由夹层结构界面破坏转变为Nomex蜂窝芯破坏。
实施例4：
通过现有技术制备面密度为200g/m2的亚麻纤维无纬布。
将1000克松香基环氧树脂Ⅱ、100克双氰胺、30克1，1’-二甲基-3-苯基脲和200克酚酞改性聚醚酮加入到搅拌釜中，加热到50℃后，高速搅拌20分钟，然后将树脂倒在脱模纸上冷却到室温或冷藏备用。
在预浸设备上，将配制好的松香基环氧树脂结构粘接剂均匀地涂覆在脱模纸的表面，同时通过加热加压辊将树脂薄膜转移到经预浸机制成的亚麻纤维无纬布表面，控制树脂的质量含量为40％，收卷后室温放置或冷藏保存。这样就得到两面用脱模纸保护的亚麻纤维附载松香基环氧树脂结构粘接剂的薄层材料。
将此薄层材料用于制备亚麻纤维增强生物质树脂复合材料。复合材 料的制备过程如下：用模压成型工艺将18层一定尺寸的薄层材料叠放在模具内，然后加压力2MPa，逐渐升温到140℃下固化2小时，后冷却到40℃后，释放压力。复合材料中纤维质量含量约为70％，测试其拉伸性能(测试标准ASTM D3039)、压缩性能(测试标准ASTM D6641)和弯曲性能(测试标准ASTM D790)，其力学性能如表4所示。
表4复合材料力学性能
实施例5：
通过现有技术制备苎麻纤维织物，织物的面密度为120g/m2
将1500克松香基环氧树脂Ⅱ、1000克甲基纳迪克酸酐、20克三氟化硼单乙胺络合物和500克酚酞改性聚醚砜加入到搅拌釜中，加热到70℃后，高速搅拌30分钟，然后将树脂倒在脱模纸上冷却到室温后冷藏备用。
在预浸设备上，将配制好的松香基环氧树脂结构粘接剂均匀地涂覆在脱模纸的表面，同时通过加热加压辊将树脂薄膜转移到经预浸机制成的苎麻纤维织物上表面，控制树脂的质量含量为50％，收卷后室温放置或冷藏保存。这样就得到两面用脱模纸保护的苎麻纤维织物附载松香基环氧树脂薄层材料。
将此薄层材料用于制备苎麻纤维增强生物质树脂复合材料。复合材料的制备过程如下：用模压成型工艺将18层一定尺寸的薄层材料叠放在模具内，然后加压力2MPa，逐渐升温到140℃下固化2小时，后冷却到40℃后，释放压力。复合材料中纤维质量含量约为60％，测试其拉伸性能(测试标准ASTM D3039)、压缩性能(测试标准ASTM D6641)和弯曲性能(测试标准ASTM D790)，其力学性能如表5所示。
表5复合材料力学性能
本发明专利技术方案与现有技术相比，其优点是以连续植物纤维织物、无纬布和网格纱，或者非连续植物纤维无纺布为增强材料，以松香基环氧树脂预聚物为生物质结构粘结剂，通过热熔复合的方法，制备得到一种高性能植物纤维增强松香基环氧树脂复合薄层材料，用其来增强夹层结构界面强度和制备高性能绿色复合材料。
Claims (7)
1.一种植物纤维增强生物质树脂薄层材料，其特征在于：该种生物质树脂薄层材料是由增强材料和结构粘结剂组成，增强材料占生物质树脂薄层材料的质量份数为10～70％，结构粘结剂占生物质树脂薄层材料的质量份数为30～90％，增强材料是指连续植物纤维织物、无纬布、网格纱或非连续植物纤维无纺布，结构粘结剂是指生物质松香基环氧树脂预聚物。
2.根据权利要求1所述的植物纤维增强生物质树脂薄层材料，其特征在于：增强材料的面密度为20g/m2～300g/m2。
3.根据权利要求1所述的植物纤维增强生物质树脂薄层材料，其特征在于：结构粘结剂所指的生物质松香基环氧树脂预聚物的化学组成和质量份数为：
松香基环氧树脂 100份
环氧树脂固化剂 10～100份
固化促进剂 0.5～3份
热塑性聚合物 10～50份。
4.根据权利要求3所述的植物纤维增强生物质树脂薄层材料，其特征在于：环氧树脂固化剂为甲基纳迪克酸酐、甲基六氢苯酐、甲基四氢苯酐、双氰胺或商品牌号为#594的噁硼杂环硼胺络合物。
5.根据权利要求3所述的植物纤维增强生物质树脂薄层材料，其特征在于：固化促进剂为DMP-30、三氟化硼单乙胺或1，1’-二甲基-3-苯基脲。
6.根据权利要求3所述的植物纤维增强生物质树脂薄层材料，其特征在于：热塑性聚合物为酚酞改性聚醚酮、酚酞改性聚醚砜或酚酞改性聚醚酰亚胺，粒度为50目-100目。
7.一种用于上述权利要求1所述的植物纤维增强生物质树脂薄层材料的制备方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)制备增强材料
以苎麻、亚麻、黄麻、大麻、剑麻或红麻为原料，通过现有纺织技术制备连续植物纤维织物、无纬布、网格纱或非连续植物纤维无纺布， 面密度为20g/m2～300g/m2，收卷后作为增强材料备用。
(2)制备结构粘结剂
将按比例称取的松香基环氧树脂、环氧树脂固化剂、固化促进剂和热塑性聚合物混合后，在一定的温度下，通过高速剪切力使混合物混合均匀，冷却后得到生物质松香基环氧质树脂预聚物。
(3)在预浸设备上，将制备好的生物质松香基环氧质树脂预聚物均匀地涂覆在脱模纸的表面，同时通过加热加压辊将涂覆在脱模纸表面的生物质松香基环氧质树脂预聚物转移到增强材料上，生物质松香基环氧质树脂预聚物占它与增强材料质量总和的30～90％，收卷后室温放置或冷藏保存，这样就得到两面用脱模纸保护的植物纤维增强生物质树脂薄层材料。
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