CN102757574B - 一种纸增强树脂基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种纸增强树脂基复合材料的制备方法，它涉及一种复合材料的制备方法。本发明要解决现有技术中存在的复合材料增强体价格高昂、环保性差的问题。本发明的制备方法为：一、将预处理好的纸张采用静态浸渍法或动态浸渍法，浸渍于树脂溶液中处理，即得纸增强树脂基预浸料；二、将步骤一得到的纸增强树脂基预浸料进行成型处理，然后进行脱模、修剪、切边，即得纸增强树脂基复合材料。本发明直接采用纸张作为增强体制备聚合物基复合材料，省去了粉碎纸张所带来的能源消耗、设备购置，并降低了制造成本。本发明应用于树脂基复合材料制备领域。

Description

一种纸增强树脂基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法。

背景技术

材料的复合化是材料发展的必然趋势之一，近代以来，由于科学技术的迅速发展，对材料性能的要求也在日益提高，单质材料越来越难满足高科技对材料性能的高要求，复合材料由于其优异的性能及其可设计性而得到人们的重视。纤维增强树脂基复合材料是目前技术比较成熟且应用最为广泛的一类复合材料，这种材料是用短切的或连续纤维及其织物增强热固性或热塑性树脂基体经复合而成，因具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀、安全破损性好、疲劳寿命高等优点，广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、交通、体育器材、基础建设等许多领域。其中，连续纤维（玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、PBO纤维等）增强树脂基复合材料性能更加优异，广泛用于结构型材料的制备。然而，纤维的高昂价格（特别是连续纤维），极大的限制了其应用。目前，树脂基复合材料之所以没有全面普及，价格使其最大的影响因素之一。

为此，在复合材料低成本化方面，人们进行了多方面的研究。例如，采用植物纤维作为增强材料，它资源丰富、价格低廉、密度比所有的无机纤维都小，而模量与无机纤维接近，其良好的力学和物理性质、环境协调性质为材料科学家所重视。其中，由植物纤维组成的纸浆纤维更成为今年来关注的焦点。纸浆纤维不同于木粉、稻杆，纸浆经过处理出去了木质素等物质，保留了较纯的植物纤维素成分，因此与树脂结合更好。目前，利用纸浆纤维的方法主要有：将纸张粉碎成粉状，然后在混炼机中与树脂混合、塑炼，如郑锋发明的一种生态复合材料及其制备方法（申请号：201110146023.X）、张效林等发明的一种废旧报纸-废旧聚丙烯复合材料的制备方法（申请号：201110189912.4）等；另一种增强效果比较好的方法是直接利用纸浆纤维最为增强体，这种方法由应继儒等发明（聚合物/纸浆纤维复合材料的制备方法，申请号：200710051588.3）。

然而，众所周之，短切纤维增强的复合材料性能远远不及连续纤维增强复合材料的性能。热塑性树脂制备的复合材料的综合性能也远不及热固性树脂制备的复合材料。另外，将纸张进行处理仍然要耗费很多资源，增加了其制备后材料的成本。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的复合材料增强体价格高昂、环保性差的问题，而提供一种纸增强树脂基复合材料的制备方法。

本发明的一种纸增强树脂基复合材料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、将预处理好的纸张采用静态浸渍法或动态浸渍法，浸渍于树脂溶液中，即得纸增强树脂基预浸料；二、将步骤一得到的纸增强树脂基预浸料进行成型处理，然后进行脱模、修剪、切边，即得纸增强树脂基复合材料；其中，树脂溶液是由树脂与溶剂按质量比为1：1～5的比例混合而成；纸张与树脂溶液的质量体积比为1g：10～40mL。

本发明的有益效果：

本发明直接采用纸张作为增强体制备聚合物基复合材料，不但省去了粉碎纸张所带来的能源消耗、设备购置，而且直接应用纸张也带来了制造成本的进一步下降（成本只相当于碳纤维复合材料的几千分之一、玻璃纤维复合材料的几百分之一，价格优势明显，前景广阔），本发明所制备的复合材料性能较其他植物纤维等制备的复合材料性能有了极大的提高，部分性能接近碳纤维增强树脂基复合材料，综合性能基本与玻璃纤维增强树脂基复合材料持平。本发明的方法操作简单、成本低廉、环保、转化效率更高、所制备复合材料性能更优良的制备连续纸张纤维增强树脂基复合材料的制备方法。

附图说明

图1为纸增强环氧树脂预浸料图片；

图2为纸增强树脂基复合材料板材图片；

图3为纸增强树脂基复合材料管材图片。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式的一种纸增强树脂基复合材料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、将预处理好的纸张采用静态浸渍法或动态浸渍法，浸渍于树脂溶液中，即得纸增强树脂基预浸料；二、将步骤一得到的纸增强树脂基预浸料进行成型处理，然后进行脱模、修剪、切边，即得纸增强树脂基复合材料；其中，树脂溶液是由树脂与溶剂按质量比为1：1～5的比例混合而成；纸张与树脂溶液的质量体积比为1g：10～40mL。

本实施方式直接采用纸张作为增强体制备聚合物基复合材料，不但省去了粉碎纸张所带来的能源消耗、设备购置，而且直接应用纸张也带来了制造成本的进一步下降（成本只相当于碳纤维复合材料的几千分之一、玻璃纤维复合材料的几百分之一，价格优势明显，前景广阔），本实施方式所制备的复合材料性能较其他植物纤维等制备的复合材料性能有了极大的提高，部分性能接近碳纤维增强树脂基复合材料，综合性能基本与玻璃纤维增强树脂基复合材料持平。本实施方式的方法操作简单、成本低廉、环保、转化效率更高、所制备复合材料性能更优良的制备连续纸张纤维增强树脂基复合材料的制备方法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的纸张的预处理是指将纸张在温度为50℃～300℃的条件下干燥处理10min～24h或者采用流水线干燥处理；其中，流水线处理过程为：在牵引辊运动速度为1m/min～500m/min，上下加热板温度为100℃～1000℃，纸张距上下板距离为1～50cm的条件下，烘干1min～10h。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二不同的是：所述的树脂为聚砜树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯丁烯树脂、环氧树脂、聚酯树脂、酚醛树脂、沥青、聚酰胺树脂、双马来酰胺树脂、聚芳基乙炔树脂、含硅芳炔树脂、炔基聚酰亚胺树脂、氰酸树脂、苯并环丁烯树脂或聚三唑树脂。其它与具体实施方式一至二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的溶剂为蒸馏水、去离子水、超纯水、质量浓度为20%～90%的乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、石油醚、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、辛烷、壬烷、癸烷、乙二胺、二氯甲烷或二硫化碳。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的静态浸渍是指：将纸张浸于树脂溶液中，静置10s～1h，然后在50℃～500℃的温度下加热0.5～30min，即完成静态浸渍。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的动态浸渍是指：将纸张在牵引辊的牵引下，浸入树脂槽中的树脂溶液内，静置10～30s，然后将纸张通过刮胶辊，去除纸张的树脂溶液，最后让纸张经过具有上下加热板的烘干箱，设置烘干箱上下热板温度为100℃～1000℃，纸张与上下板距离为1～50cm，进行烘干20～30s，即完成动态浸渍。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的树脂槽形状为是V型、U型、正方形或长方形。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二所述的成型处理方法为：手糊成型、模压成型、缠绕成型、拉挤成型、RTM成型、袋压法成型、热压釜法成型或液压釜法成型。其它与具体实施方式一至七之一相同。

通过以下试验验证本发明的效果：

试验1

本试验的一种纸增强树脂基复合材料的制备方法是按照以下步骤进行的：

一、将废旧报纸浸入树脂溶液中，静置10min，在80℃的温度下加热30min，得纸增强树脂基预浸料；二、将步骤一所得的纸增强树脂基预浸料放入涂覆有脱模剂为有机硅烷类的模具中，采用热压设备进行模压成型，进行脱模、修剪（去掉产生的毛边、多余的树脂和纤维）、切边，即得到纸增强树脂基复合材料板材；其中，树脂溶液是由环氧树脂与乙醇按质量比为1：10的比例混合而成。

为了实现纸张与树脂之间的良好结合，纸张需要经过烘干处理。

试验2

本试验的一种纸增强树脂基复合材料的制备方法是按照以下步骤进行的：

一、纸张的预处理，将纸张在牵引辊运动速度为200m/min，上下加热板温度为1000℃，纸张距上下板距离为10cm的条件下，烘干时间约为20s；二、将步骤一处理后的纸张在牵引辊的牵引下，首先进入V型树脂溶液槽（树脂溶液要保证没过纸张）中浸渍20s，然后经过刮胶辊，去除多余的胶液，最后将纸张经过经过具有上下加热板的烘干箱内，在上下加热板温度为500℃，纸张距上下板距离为5cm，纸张停留时间为30s，即得纸增强树脂基预浸料；三、将步骤二所得的纸增强树脂基预浸料放入涂覆有脱模剂为有机硅烷类的模具中，采用热压设备进行模压成型，再进行脱模、修剪（去掉产生的毛边、多余的树脂和纤维）、切边，即得到纸增强树脂基复合材料；其中，树脂溶液是由聚砜树脂与二氯甲烷按质量比为1：30的比例混合而成。

本试验的纸增强树脂基预浸料如图1所示，由图1可知，本试验的纸增强树脂基预浸料表观粘度较低，树脂含量适中，适合进行后续成型。

本试验得到的纸增强树脂基复合材料的板材结构如图2所示，由图2可知，本试验的纸增强树脂基预浸料适合各种成型方法，其中采用模压方法所制备的复合材料板材结构紧密，界面性能好，表面还可进行装饰上色。

本试验得到的纸增强树脂基复合材料的管材结构如图3所示，由图3可知，本试验的纸增强树脂基预浸料适用于多种成型方法。其中采用缠绕成型工艺制备的复合材料管材表面光滑，力学性能优良，可广泛的应用于自行车、体育器材、建筑等行业。

对本试验得到的纸增强树脂基复合材料与常用金属材料、复合材料进行性能比对，通过万能测试仪测定相关的拉伸强度和拉伸模量。结果如表1所示，由表1可已看出所制备的纸张增强环氧树脂基复合材料的部分性能接近碳纤维复合材料，远超过钢材、铝合金以及木塑复合材料。与此同时，采用纸增强制备的复合材料的价格远远低于碳纤维、玻璃纤维增强树脂基复合材料，甚至其价格可与钢材媲美。因此，纸增强树脂基复合材料具有广阔的市场前景。

表1纸复合材料性能与常用金属材料、复合材料性能对比

Claims (3)

1.一种纸增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于纸增强树脂基复合材料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、将预处理好的纸张采用静态浸渍法或动态浸渍法，浸渍于树脂溶液中，即得纸增强树脂基预浸料；二、将步骤一得到的纸增强树脂基预浸料进行成型处理，然后进行脱模、修剪、切边，即得纸增强树脂基复合材料；其中，树脂溶液是由树脂与溶剂按质量比为1：1～5的比例混合而成；纸张与树脂溶液的质量体积比为1g：10～40mL；所述的树脂为聚砜树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂、聚苯并咪唑树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯丁烯树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、双马来酰胺树脂、聚芳基乙炔树脂、含硅芳炔树脂、炔基聚酰亚胺树脂、氰酸树脂或苯并环丁烯树脂；

步骤二中所述的成型处理方法为：手糊成型、模压成型、缠绕成型、拉挤成型、RTM成型、袋压法成型、热压釜法成型或液压釜法成型；

所述的溶剂为去离子水、超纯水、质量浓度为20%～90%的乙醇、丙酮、乙醚、氯仿、苯、甲苯、乙二醇、N，N-二甲基甲酰胺、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氯化碳、辛烷、壬烷、乙二胺、二氯甲烷或二硫化碳；

步骤一中所述的静态浸渍是指：将纸张浸于树脂溶液中，静置10s～1h，然后在50℃～500℃的温度下加热0.5～30min，即完成静态浸渍；

步骤一中所述的动态浸渍是指：将纸张在牵引辊的牵引下，浸入树脂槽中的树脂溶液内，静置10～30s，然后将纸张通过刮胶辊，去除纸张的树脂溶液，最后让纸张经过具有上下加热板的烘干箱，设置烘干箱上下热板温度为100℃～1000℃，纸张与上下板距离为1～50cm，进行烘干20～30s，即完成动态浸渍。

2.根据权利要求1所述的一种纸增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的纸张的预处理是指将纸张在温度为50℃～300℃的条件下干燥处理10min～24h或者采用流水线干燥处理；其中，流水线处理过程为：在牵引辊运动速度为1m/min～500m/min，上下加热板温度为100℃～1000℃，纸张距上下板距离为1～50cm的条件下，烘干1min～10h。

3.根据权利要求1所述的一种纸增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于所述的树脂槽形状为是V型、U型、正方形或长方形。