CN102423916B - 一种单一聚乳酸复合材料的制备方法及制品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单一聚乳酸复合材料的制备方法及制品,其制备方法工艺过程是:先制备具有制品设计要求厚度和形状的聚乳酸纤维编织或机织预制件,然后制备与制品设计要求厚度和形状相一致的模具;再将模具放在加热加压装置中预加热,待其达到热压缩工艺工作温度区间内的设定温度后,将预制件置于预加热的模具中,待温度传感器显示预制件表层与内部温度达到平衡后,对模具进行恒温加压,使预制件纤维部分熔融,并挤压粘合压缩到设计厚度,保持压缩时间30-180s后,除去压缩负载,自然冷却固化后,即制成本发明单一聚乳酸复合材料制品;所述热压缩工艺的工作温度区间为所用单一聚乳酸纤维的起始熔融温度与其熔融温度之间的温度范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料制备技术,具体为一种单一聚乳酸复合材料的制备方法及制品。
背景技术
以玻璃纤维和碳纤维增强的传统复合材料具有质量轻、机械性能优异等优点,因此在国防、军工、航空航天等特殊领域得到了应用。但由于其成本高,无法回收,基体与增强纤维之间由于异质结构界面结合性能不佳等诸多因素,大大限制了其应用范围。
单一聚合物复合材料(Single Polymer Composite简称SPC)的概念首先是由Capiati和Porter(1975年)两位学者提出的,但在当时没有得到广泛的认可。随着人们环保节能意识的日益增强,对材料的要求不局限于性能方面,而是在能满足使用性能需求的同时,还要保证环境友好,并可回收再利用。SPC是指一种增强体材料和基体材料均是由具有相同化学结构的单一材料组成的复合材料。它的优势主要在于两方面:第一,在SPC材料中,由于增强体材料与基体材料具有相同的化学结构,因此二者完全相容,不存在传统纤维复合材料的界面问题,并且SPC复合材料中的纤维材料分子链的高度取向使材料具有较高的初始强度,因而赋予SPC更加优越的比强度、比模量和冲击韧性;第二,制备SPC的材料均为热塑性材料,使用这种SPC材料在加工过程中产生的废料,或当该材料产品在使用周期结束后,完全可通过熔融方法进行回收,对节约能源、保护环境具有非常重要的意义。
聚乳酸(Polylactic acid,PLA)是上世纪90年代迅速发展起来的新一代可完全降解高分子材料。它是以微生物发酵产物L-乳酸为单体,用化学合成方法聚合而成的,是一种热塑性树脂。聚乳酸具有优良的生物相容性,它在自然界中的微生物、水、酸、碱等作用下能完全分解,最终产物是CO2和H2O,对环境无污染,可作为环保材料来代替传统的聚合物材料。同时,它在人体内的中间产物乳酸对人体无毒性,经美国食品和药品管理局(FDA)批准广泛用作药物控释载体、医用手术缝合线及骨折内固定材料等生物医用高分子材料。因此,聚乳酸作为一种新型的可生物降解高分子材料逐步得到研究者的重视,其应用范围已从最初用于手术缝合线、接骨材料、生理卫生用品、药物载体等医用领域向各类结构材料等通用高分子材料领域迅速扩展,展现了极强的发展潜力。
佐治亚理工学院的Donggang Yao课题组(2007)首先报道了单一聚乳酸复合材料(PLA-SPC)的制备方法,这种制备方法是将一层聚乳酸织物置于两块无定形的乳酸片材中,并将叠放好的片材和织物放到两块加热板的中间,然后使用加热板加热,使无定形聚乳酸片材部分熔融后以设定的压力进行热压缩,冷却固化后,即得到聚乳酸复合片材,解决了传统聚乳酸复合材料中因为纤维与基材由于异质而造成的所有问题,并具有工艺简单、低成本、可后制加工等优势。但研究也表明,这种方法在PLA-SPC的制备和使用中,还有很大局限性,如:1.只能得到极薄的片材,并且无法精确控制片材的厚度。2.虽然可将复合片材叠放后热压缩制成具有一定厚度的层合复合材料,但该复合材料的层间仅是基体材料的结合,没有增强纤维,所以得到的产品材料受力后极易分层,严重地影响了复合材料的机械性能和使用范围。
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,提供一种单一聚乳酸复合材料的制备方法及制品,该制备方法及制品解决了公知技术的单一聚乳酸复合材料产品厚度较薄,且厚度不可控,层合产品内部易分层,机械性能不佳等技术问题,并具有工艺简单、成本低廉、可后制加工等特点。
本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是,设计一种单一聚乳酸复合材料的制备方法,其工艺过程是:先以三维整体编织方法或2.5D机织工艺,制备具有制品设计要求厚度和形状的聚乳酸纤维编织或机织预制件,然后制备与制品设计要求厚度和形状相一致的模具;再将所述模具放在加热加压装置中预加热,待其达到热压缩工艺工作温度区间内的设定温度后,将预制件置于预加热的模具中,并在预制件内放入温度传感器,待温度传感器显示预制件表层与内部温度达到平衡后,对模具进行恒温加压,使预制件纤维部分熔融,并挤压粘合压缩到设计厚度,保持压缩时间30-180s后,除去压缩负载,自然冷却固化后,即制成本发明单一聚乳酸复合材料制品;所述热压缩工艺的工作温度区间为所用单一聚乳酸纤维的起始熔融温度与其熔融温度之间的温度范围。
本发明解决所述制品技术问题的技术方案为:设计一种单一聚乳酸复合材料制品,该制品由本发明所述单一聚乳酸复合材料制备方法制成。
与现有公知单一聚乳酸复合材料片材相比,本发明所提出的单一聚乳酸复合材料制备方法及制品具有以下优点:
1.相比于公知的单一聚乳酸复合材料片材制备方法,本发明的单一聚乳酸复合材料制备方法可通过设计编织工艺制备任意厚度的聚乳酸三维编织或2.5D机织预制件,进而加热压缩成与预制件成一定厚度比例的制品。
2.本发明所制备的三维整体编织或2.5D机织结构单一聚乳酸复合材料制品,可保证整个制品中增强纤维的连续和完整,不存在受力后内部分层的问题,保证了单一聚乳酸复合材料良好的机械性能,可后制加工。
3.本发明制备方法工艺简单,成本低廉。适于规模化推广使用。
附图说明
图1为本发明单一聚乳酸复合材料制备方法一种实施例所制备(三维整体编织的三维五向增强结构)的预制件结构示意图;
图2为本发明单一聚乳酸复合材料制备方法一种实施例所使用聚乳酸纤维的DSC曲线图;
图3为本发明单一聚乳酸复合材料制备方法一种实施例的长方形热压模具结构示意图;
图4为本发明单一聚乳酸复合材料制备方法一种实施例的圆形热压模具结构示意图;
图5为本发明单一聚乳酸复合材料制备方法一种实施例的三角形热压模具结构示意图;
图6为本发明单一聚乳酸复合材料制备方法一种实施例所制备的三维五向增强结构单一聚乳酸复合材料产品形状结构照片图;
图7为本发明单一聚乳酸复合材料制备方法一种实施例的所制备的三维五向增强结构单一聚乳酸复合材料产品截面形貌照片图(放大1000倍的电镜图)。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明:
本发明设计的单一聚乳酸复合材料的制备方法(简称制备方法),先以三维整体编织方法或2.5D机织工艺,制备具有制品设计要求厚度和形状的聚乳酸纤维编织或机织预制件,然后制备与制品设计要求厚度和形状相一致的模具;再将所述模具放在加热加压装置中预加热,待其达到热压缩工艺工作温度区间内的设定温度后,将预制件置于预加热的模具中,并在预制件内放入温度传感器,待温度传感器显示预制件表层与内部温度达到平衡后,对模具进行恒温加压,使预制件纤维部分熔融,并挤压粘合压缩到设计厚度,保持压缩时间30-180s后,除去压缩负载,自然冷却固化后,即制成本发明单一聚乳酸复合材料制品;所述热压缩工艺的工作温度区间为所用单一聚乳酸纤维的起始熔融温度与其熔融温度之间的温度范围。
本发明制备方法具体工艺过程或步骤为:
步骤1:制备预制件:采用三维整体编织方法或2.5D机织工艺,制备聚乳酸纤维编织或机织预制件;以三维整体编织方法为例,首先根据预制件所需形状和尺寸以及纤维束本身的细度,设计出具体的编织工艺参数:包括纱线根数,行列数,纤维体积含量,花节长度等参数;然后根据设计的编织工艺参数将纱线连接到编织机的携纱器上,进行连续编织,当长度达到设计要求后,将预制件从编织机的携纱器上取下,即得到预制件(参见图1)。同样道理,本发明也可以采用2.5D机织工艺来制备机织预制件。所述预制件的三维整体编织方法或2.5D机织方法本身为现有技术。
步骤2:设计模具:依据制品的形状结构设计模具;模具(以矩形体为例,参见图3)包括配套组成的盖板1、模腔板2和底板3,盖板1中间有向下的凸台11(简称为上凸台),模腔板2中间有空腔21,底板3中间有向上的凸台31(简称为下凸台),盖板上凸台11与底板下凸台31配装进模腔板的空腔21内后,盖板上凸台11的下表面与底板下凸台31的上表面之间留有适当距离,该适当距离依据制品的厚度要求设计。所述盖板上凸台11和底板下凸台31以及模腔板空腔21的形状结构均依据制品的形状结构配套设计,例如,长方体或矩形体、圆柱体和正三棱柱体等(参见图3-5)。
步骤3:预热模具:先把模腔板扣在底板上,再将其放在加热加压装置的下板上,然后开始加热升温,待达到热压缩工艺工作温度区间内的设定温度时,把所得的预制件放入模腔板中,装好传感器,并扣好盖板,然后使加热加压装置的下板缓慢升高,直到盖板与加热加压装置的上板刚好接触为止,使预制件在模具中均匀受热,待温度传感器显示预制件表层与内部温度达到平衡,并达到热压缩工艺工作温度区间内的设定温度后,进行下一步骤操作;所述热压缩工艺的工作温度区间如下设定:经热分析实验,检测所用聚乳酸纤维的起始熔融温度和熔融温度,并以该起始熔融温度至其熔融温度的范围作为热压缩工艺的工作温度区间;经热分析实验检测,实施例采用的聚乳酸纤维的起始熔融温度为130℃,熔融温度为150℃(参见图2),因此设定130~150℃作为热压缩工艺的工作温度区间。所述加热加压装置为现有技术。
步骤4:热压缩制备单一聚乳酸复合材料:对模具的上板进行恒温加压,使预制件纤维部分熔融并挤压粘合,使预制件压缩到规定或设计厚度,并保持压缩时间30-180s后,除去压缩负载,自然冷却固化后,即制成本发明单一聚乳酸复合材料制品。
本发明所述的热压缩工艺本身为现有技术。在热压缩工艺过程中,热压缩工艺的温度和热压缩工艺的时间是两个重要的参数,同时两者需要相互协调设计。一般而言,加热温度较低时,纤维表面熔融速度较慢,为了使熔融基体得到充分的粘结,则需要保持热压缩时间相对较长;加热温度较高时,纤维表面熔融较快,为了保持增强纤维的完整性,则需要保持热压缩时间相对较短。本发明实施例所述的单一聚乳酸纤维预制件,热压缩温度可设定为130℃-150℃,热压缩时间可设计为30-180s。
本发明的单一聚乳酸复合材料制品由本发明所述的单一聚乳酸复合材料制备方法直接制成。该制备方法的特点是巧妙地将三维编织或2.5D机织技术与热压缩工艺相结合,一方面保证了制品内增强纤维束的连续性和结构的整体性,另一方面保证了制品内基体与增强纤维因同质而获得优异的界面性能,并可回收再利用;并且由于预制件制品为近净体成型,制成的复合材料后无需加工,保证了制品的结构整体性和机械性能,同时制备方法简单,成本降低,应用范围扩大。
下面再进一步给出本发明的具体实施案例。但本申请权利要求不受具体实施例的限制。
实施例1
设计编织尺寸为30mm(长)×5mm(宽)×5mm(厚)的矩形体预制件,采用三维五向整体编织结构,编织纱线细度为600D的单一聚乳酸纤维,设计预制件花节长度为2.5mm,编织角为28°,所得预制件纤维体积含量为48%;将预制件置于经140℃预热的长方体模具中,所述模具的矩形模腔板2的空腔21的高度或深度为20mm,矩形盖板1的上凸台11的高度或厚度为10mm,矩形底板3的下凸台31的高度或厚度为7mm(参见图3),预制件内部插入温度传感器并进行预热,待传感器温度显示达到140℃后(实施例采用的单一聚乳酸纤维的起始熔融温度为130℃,熔融温度为150℃(参见图2),因此设定130~150℃作为热压缩工艺的工作温度区间,下同),进行热压缩,使预制件达到设计厚度,然后时间保持压缩90s后,自然冷却至室温,即得到尺寸为30mm(长)×5mm(宽)×3mm(厚)的矩形体单一聚乳酸复合材料制品(复合材料制品参见图6,制品的横截面形貌参见图7)。
实施例2
设计编织尺寸为60mm(底面直径)×7mm(厚)的圆柱体预制件,采用三维四向编织结构,编织纱线为细度600D的聚乳酸纤维,设计预制件花节长度为2.8mm,编织角为26°,所得预制件纤维体积含量为46%;将预制件置于经130℃预热的圆柱体模具中,所述模具的圆形模腔板5的空腔51的高度或深度为20mm,圆形盖板4的上凸台41的高度或厚度为10mm,圆形底板6的下凸台61的高度或厚度为6mm(参见图4),预制件内部插入温度传感器并进行预热,待传感器温度显示达到130℃后,进行热压缩,使预制件达到设计厚度,然后时间保持压缩180s后,自然冷却至室温,即得到尺寸为60mm(底面直径)×4mm(厚或高)的圆柱体单一聚乳酸复合材料制品。
实施例3:
设计机织尺寸为50mm(底面边长)×8mm(厚或高)的正三棱柱体预制件,采用2.5D机织角联锁结构,机织纱线为细度600D的聚乳酸纤维,设计经纱密度10根/cm,纬纱密度10根/cm,所得预制件纤维体积含量为45%;将预制件置于经150℃预热的正三棱柱模具中,所述模具的三角形模腔板8的空腔81的高度或深度为20mm,三角形盖板7的上凸台71的高度或厚度为10mm,三角形底板9的下凸台91的高度或厚度为5mm(参见图5),预制件内部插入温度传感器并进行预热,待传感器温度显示达到145℃后,进行热压缩,使预制件达到设计厚度,然后时间保持压缩30s后,自然冷却至室温,即得到尺寸为50mm(底面边长)×5mm(厚或高)的正三棱柱体单一聚乳酸复合材料制品。
Claims (3)
1.一种单一聚乳酸复合材料的制备方法,其工艺过程是:先以三维整体编织方法或2.5D机织工艺,制备具有制品设计要求厚度和形状的聚乳酸纤维编织或机织预制件,然后制备与制品设计要求厚度和形状相一致的模具;再将所述模具放在加热加压装置中预加热,待其达到热压缩工艺工作温度区间内的设定温度后,将预制件置于预加热的模具中,并在预制件内放入温度传感器,待温度传感器显示预制件表层与内部温度达到平衡后,对模具进行恒温加压,使预制件纤维部分熔融,并挤压粘合压缩到设计厚度,保持压缩时间30-180s后,除去压缩负载,自然冷却固化后,即制成本发明单一聚乳酸复合材料制品;所述热压缩工艺的工作温度区间为所用单一聚乳酸纤维的起始熔融温度与其熔融温度之间的温度范围。
2.根据权利要求1所述的单一聚乳酸复合材料的制备方法,其特征在于所述的模具包括配套组成的盖板、模腔板和底板,盖板中间有向下的凸台,模腔板中间有空腔,底板中间有向上的凸台,盖板的凸台与底板的凸台配装进模腔板的空腔内后,盖板凸台的下表面与底板凸台的上表面之间留有适当距离,该适当距离依据制品的厚度要求设计,所述盖板凸台和底板凸台以及模腔板空腔的形状结构均依据制品的形状结构配套设计。
3.根据权利要求2所述的单一聚乳酸复合材料的制备方法,其特征在于所述的模具为矩形体、圆柱体或正三棱柱体。
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