CN102774019A - 一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，包括：使用热塑性树脂的乳液浸渍短纤纱织物，然后干燥，得到含树脂的短纤纱织物；其中所述的热塑性树脂的玻璃化温度为40~120℃。本发明的制备方法操作方便，成本低廉，环保清洁，适用于各种短纤纱织物的复合材料；用本发明的含树脂的短纤纱织物制备的复合材料性能优异，抗冲击性、弯曲韧性、拉伸弹性好。

Description

一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法

技术领域

本发明属于热塑性树脂复合材料的制备领域，特别涉及一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法。

背景技术

天然植物纤维增强热塑性树脂因为具有可循环使用和可反复加工成形的特点被归类为绿色复合材料。植物纤维的纤维素含量高、强度大；热塑性树脂力学性能好，耐腐蚀，隔音性能好，能量吸收能力好，耐冲击，无脆性断裂，最主要是具有热固性树脂没有的可重复熔融加工和使用的特点。通常，使用短纤维增强热塑性树脂的复合材料，由于纤维长度短，往往不能达到长丝复合材料较高的力学要求。以往，短纤维只是在热塑性树脂内添加少量，用以增强树脂强度。而非树脂粘结大量纤维的高强度复合材料。植物纤维都是短纤维，所以采用植物纤维加捻纺制成短纤纱织造织物来制造热塑性树脂的复合材料，这样可以取代以往的玻璃纤维长丝或化纤织物的复合材料，拓宽材料的应用范围，达到更高的性能要求，也是绿色复合材料研究的一个主要方向。

但是，短纤纱是纤维通过加捻纺制而成的，尤其是增强复合材料所采用的纱线通常对力学要求较高，所以纱线捻度也较大，这样纱线中的纤维就紧密地抱合缠绕挤压，纤维间的间隙很小，而热塑性树脂的熔融流动性能较差，熔体粘度较大，综合以上原因，短纤纱织物增强热塑性塑料就存在树脂很难浸润到织物的纱线内部的问题，而仅包覆在织物的纱线表面上，这会严重影响复合材料的力学性能，因为基体向增强纤维传递应力的媒介和传递体减少了，从而影响复合材料受力时的能量吸收和损坏模式。

目前短纤纱织物增强热塑性塑料复合材料的加工方法主要包括：铺层热压和混织。专利CN201010505660.7采用三维正交机织麻织物作为预制件，将预制件织物与聚丙烯膜铺层热压，所制备的复合材料同样存在聚丙烯聚集在织物和纱线表面，浸润不完全的问题，将复合材料切开后观察其内部纱线还存在未被浸润部分；CN 200710150837.4将亚麻纱与聚丙烯长丝并股共织成针织物预制件，利用常规热压复合成型方法直接热压复合固化成型为复合材料；CN200910309019.3将聚丙烯撕裂膜长带梳理成长丝线，再将亚麻绳和聚丙烯丝线编织成片，覆盖钢板后热压，制作麻纤维/聚丙烯纤维复合板材，以上这几种加工方法，也都不能解决热塑性塑料熔融后无法浸润到织物内部和纱线内部的问题，这将严重影响复合材料的力学性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，该方法操作方便，成本低廉，环保清洁，适用于各种短纤纱织物的复合材料。

本发明的一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，包括：

使用热塑性树脂的乳液浸渍短纤纱织物，然后干燥，得到含树脂的短纤纱织物；其中所述的热塑性树脂的玻璃化温度为40~120℃。

所述的短纤纱织物为采用棉、毛、麻、丝（绢）、化纤切断的纤维中的一种或几种经纺纱制得的纱线所织造的织物。

所述的短纤纱织物为三维正交苎麻机织物、亚麻平纹机织物、毛涤混纺机织物、黄麻编织物或全棉纬编针织物。

所述的热塑性树脂是热熔性的或是含潜在交联组成的树脂（N-羟甲丙烯酰胺或丙烯酸羟乙酯）。

所述的热塑性树脂的乳液是丙烯酸酯类单体、苯乙烯中的几种，通过乳液聚合得到的热塑性树脂的乳液；其中丙烯酸酯类单体包括丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、N-羟甲丙烯酰胺和丙烯酸羟乙酯。

所述的热塑性树脂的乳液中热塑性树脂的重量百分浓度为1-10%。

所述的干燥是去除多余的热塑性树脂的乳液，自然干燥或烘干。

用上述树脂乳液处理短纤纱织物解决了短纤纱中纤维紧密抱合，纤维间空隙小以及热塑性树脂的熔融流动性较差而不能进入织物和纱线内部的问题，从而很大程度地提高了短纤纱织物的纤维间的结合力，本发明的树脂含有羧基或羟基或酰胺基可和天然纤维的羟基结合，非极性基团可和化纤（合成纤维）及基体树脂结合，解决了纱线跟基体树脂的粘合力问题。

聚合物乳液应用在纱线增强复合材料中可以明显地改善树脂和纱线纤维的结合力，提高复合材料的力学性能，尤其是采用低玻璃化温度的树脂可使弹性和抗冲击性大幅增加；使用本方法操作方便，成本低廉，环保清洁，适用于各种短纤纱织物的复合材料。

本发明采用热塑性树脂的乳液来预处理短纤纱织物。

本发明的热塑性树脂的单体是丙烯酸系单体和苯乙烯，其中的含羧基、羟基酰胺的单体是用于改善纤维和基体树脂的粘合性或是同时做潜在交联之用。

由于树脂的单体成分及重量百分比和聚合物的玻璃化温度是有一定关系的。在单体的成分和树脂玻璃化温度确定时，单体的重量百分比也是确定的。在实际应用中对复合材料影响的是树脂的玻璃化温度，而不是树脂的质量百分组成。在实施例中会同时标出树脂的玻璃化温度和所用单体的重量百分数。

本发明的优点如下：

热塑性树脂的乳液的合成过程环保，是零排放的。乳液以水为介质。处理织物时，只要把短纤纱织物浸渍于乳液中，取出干燥后得到含有热塑性树脂的短纤纱织物，再和基体热塑性树脂热压复合，即可得到纱线纤维由树脂粘结的热塑性树脂复合材料。整个过程无有机溶剂存在，是个环保的加工工艺。

普通热塑性树脂都是大规模生产的，要用不同玻璃化温度的树脂是很难做到的。乳液聚合可制造任意玻璃化温度的，甚至热交联的树脂，可使纱线具有各种粘弹性，从而赋予复合材料多种优异的性能，如抗冲击性，弯曲韧性，拉伸弹性等。

乳液中的热塑性树脂颗粒直径是50~1000纳米，容易进入纱线内部并均匀分布，以此解决了短纤纱中熔融树脂难以进入的困难，使纱线的纤维能粘合起来，应用在复合材料中可以明显地改善复合材料的力学性能。

有益效果

（1）本发明的制备方法操作方便，成本低廉，环保清洁，适用于各种短纤纱织物的复合材料；

（2）用本发明的含树脂的短纤纱织物制备的复合材料性能优异，抗冲击性，弯曲韧性，拉伸弹性好。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

短纤纱织物为三维正交苎麻机织物。经纱和纬纱细度是560tex，经密：44根/10cm，纬密：40根/10cm，幅宽：35cm，经纱3层，纬纱4层，织物厚度3mm，根据热压成型时所需要的尺寸（30cm×30cm）裁剪。使用玻璃化温度为90℃（树脂由重量百分数为88%的甲基丙烯酸甲酯、3%的丙烯酸和9%的丙烯酸丁酯组成），树脂重量百分浓度为4%的热塑性树脂的乳液，将苎麻机织物完全浸没，使热塑性树脂的乳液浸入织物中，20分钟，取出浸有热塑性树脂的乳液的织物，压去多余乳液，烘干，得到渗入热塑性树脂的苎麻织物。

然后间隔铺放该织物和PP膜，用平板硫化机热压，温度175℃，压力3MPa，时间2min，然后调节温度到210℃，压力5MPa，时间4min，冷却得到复合材料板。

实施例2

短纤纱织物为亚麻平纹机织物。经纱和纬纱细度是3850tex,经密：6根/10cm，纬密：5根/10cm。使用玻璃化温度为110℃的树脂，（树脂由重量百分数为87%的甲基丙烯酸甲酯、8%的丙烯酸甲酯、4%的甲基丙烯酸和1%的N-羟甲丙烯酰胺组成的潜在交联的），树脂重量百分浓度为2%的热塑性树脂的乳液将亚麻平纹机织物完全浸没，使热塑性树脂的乳液浸入织物中，15分钟，取出浸有热塑性树脂的乳液的织物，压去多余乳液，烘干，即得渗入树脂的亚麻织物。

用光学显微镜观察该织物中的纱线切片，观察到在亚麻纱线内部含有树脂，证实树脂已经进入亚麻纱线内部。

实施例3

短纤纱织物为全棉纬编针织物。纱线细度是90tex,机号E36，使用玻璃化温度为40℃的树脂（树脂由重量百分数为22%的苯乙烯、5%的丙烯酸和73%的丙烯酸丁酯组成），树脂重量百分浓度为8%的热塑性树脂的乳液将全棉纬编针织物完全浸没，使热塑性树脂的乳液浸入织物中，10分钟，取出浸有热塑性树脂的乳液的织物，压去多余乳液，烘干，即得渗入树脂的全棉纬编针织物。

用光学显微镜观察该织物中的棉纱线切片，观察到在棉纱线内部含有树脂，证实树脂已经进入纱线内部。

实施例4

短纤纱织物为毛涤混纺机织物。纱线细度是260tex,经密：65根/10cm，纬密：60根/10cm。

使用玻璃化温度为80℃的树脂，（树脂由重量百分数为90%的苯乙烯、4%的甲基丙烯酸和6%的丙烯酸丁酯组成），树脂重量百分浓度为1%的热塑性树脂的乳液将毛涤混纺机织物完全浸没，使热塑性树脂的乳液浸入织物中，6分钟，取出浸有热塑性树脂的乳液的织物，压去多余乳液，烘干，即得渗入树脂的毛涤混纺机织物。

用光学显微镜观察该织物中的毛涤混纺纱线切片，观察到在纱线内部含有树脂，证实树脂已经进入纱线内部。

实施例5

短纤纱织物为黄麻编织物。纱线细度是560tex,使用玻璃化温度为120℃的树脂，（树脂由重量百分数为48%的甲基丙烯酸甲酯、45%的苯乙烯、5%的甲基丙烯酸和2%的丙烯酸羟乙酯组成的潜在交联的），树脂重量百分浓度为3%的热塑性树脂的乳液将黄麻编织物完全浸没，使热塑性树脂的乳液浸入织物中，5分钟，取出浸有热塑性树脂的乳液的织物，压去多余乳液，烘干，即得渗入树脂的黄麻编织物。

用光学显微镜观察该织物中的黄麻纱线切片，观察到在纱线内部含有树脂，证实树脂已经进入纱线内部。

对比例

短纤纱织物为三维正交苎麻机织物。经纱和纬纱细度是560tex,经密：44根/10cm，纬密：40根/10cm，幅宽：35cm，经纱3层，纬纱4层，织物厚度3mm，根据热压成型时所需要的尺寸（30cm×30cm）裁剪，并将织物放于烘箱中，105℃烘干6h，回潮率达到0.9%。使用3%的聚丙烯二甲苯溶液将苎麻机织物完全浸没，使聚丙烯溶液浸入织物中，20分钟，取出浸有溶液的织物，压去多余溶液，在温度105℃下，3小时脱溶剂，得到渗入PP树脂的苎麻织物。

然后间隔铺放该织物和PP膜，用平板硫化机热压，温度175℃，压力3MPa，时间2min，然后调节温度到210℃，压力5MPa，时间4min，冷却得到复合材料板。

将对比例和实施例1的复合材料进行切片显微镜观察，看到对比例的纱线内部未存在热塑性塑料，而实施例1的纱线内部充满热塑性树脂。

将对比例和实施例1的复合材料进行力学性能测试，其中弯曲测试按照GB/T1447-2005T。可以明显看出，使用聚合物乳液浸渍的苎麻织物所制备的复合材料比未经过聚合物乳液浸渍的复合材料在比模量和比弯曲强度方面有显著的提高。

上表中的比杨氏模量=实测杨氏模量/纤维体积分数；比弯曲强度=实测弯曲强度/纤维体积分数。

Claims (6)

1.一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，包括：

使用热塑性树脂的乳液浸渍短纤纱织物，然后干燥，得到含树脂的短纤纱织物；其中所述的热塑性树脂的玻璃化温度为40~120℃。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，其特征在于：所述的短纤纱织物为采用棉、毛、麻、丝、化纤切断的纤维中的一种或几种经纺纱制得的纱线所织造的织物。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，其特征在于：所述的短纤纱织物为三维正交苎麻机织物、亚麻平纹机织物、毛涤混纺机织物、黄麻编织物或全棉纬编针织物。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，其特征在于：所述的热塑性树脂的乳液是丙烯酸酯类单体、苯乙烯中的几种，通过乳液聚合得到的热塑性树脂的乳液；其中丙烯酸酯类单体包括丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、N-羟甲丙烯酰胺和丙烯酸羟乙酯。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，其特征在于：所述的热塑性树脂的乳液中热塑性树脂的重量百分浓度为1-10%。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料用含树脂的短纤纱织物的制备方法，其特征在于：所述的干燥是自然干燥或烘干。