CN102838844B

CN102838844B - 一种植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材及其制备方法

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Publication number: CN102838844B
Application number: CN201210356586.6A
Authority: CN
Inventors: 益小苏; 纪双英; 仝建峰; 焦春荣; 刘燕峰
Original assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp
Current assignee: BEIJING INSTITUTE OF AERONAUTICAL MATERIALS CHINA AVIATION INDUSTRY GROUP Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN102838844A

Abstract

本发明属于一种资源环境友好型复合材料发泡板材的设计与制造技术，涉及一种植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材及其制备方法。本发明以苎麻、亚麻、大麻、黄麻等植物纤维为增强体，附载膨胀型生物质树脂及生物质环氧树脂，制造得到轻质高性能复合材料泡沫板材。先将植物纤维通过针刺或粘接剂等制成一定厚度的纤维毡，对短切纤维毡进行阻燃或/和偶联处理。采用MPA型松香基环氧树脂固化剂配备环氧树脂，并将环氧树脂制成水基悬浮液，并在该溶液中加入5％-15％质量分数的微胶囊发泡剂。将处理好的纤维毡在树脂溶液中充分浸渍并沥去多余树脂，最后将浸渍完树脂的短切纤维毡放置在一定温度的烘箱中加热10min-15min，待树脂固化后得到植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材。

Description

一种植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材及其制备方法

技术领域

本发明属于一种资源环境友好型复合材料发泡板材的设计与制造技术，涉及一种连续天然植物纤维以及利用该纤维作为载体，附载膨胀型生物质树脂以及生物质环氧树脂，制造轻质高性能复合材料泡沫板材的植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材及其制备方法。

背景技术

一般讲，泡沫材料都具有密度低，力学性能适中而可调的优点。取决于选材与结构设计，这种材料还可以具有减震降噪、低导热和隔热、填充等功能用途，因此可以应用在舱内或内饰领域，典型的包括车辆、船舶、列车、飞机、家装家具等。但刚度和强度不够高是这些泡沫材料的共性特征。

通过纤维、特别是长纤维或连续纤维增强，可以大幅度提高上述泡沫材料的力学性能，为此，产生了一些三组分的复合材料泡沫板材技术。参考发明专利《树脂浸渍纤维复合材料的制备方法》（Method for theproduction of fiber composite materials impregnated with resin），美国专利号4,483,889，专利授权日期1984年11月20号公布了一种用纤维、可固化热固性树脂和可发性微球三组分材料制备网状复合材料泡沫的技术。参考发明专利《可发性微球的制备技术》（Process for expandablemicrospheres），美国专利号4,513,106，专利授权日期1985年4月23号公布了一种以可发性高分子包裹热发泡剂的微球技术；而后来的参考发明专利《可发性空心粒子》（Expandable hollow particles），美国专利号5,834,526，专利授权日期1998年11月10号又公布了一种以可发性高分子为壳包裹发泡剂的微粒技术，后两者的区别在于不同的材料组成。其他还有一些专利与上述专利类似。利用这些专利技术可以制备生产连续玻璃纤维增强的复合材料泡沫板材，目前，这种板材已实现商品化。

但是，上述发明中所用到的连续纤维均为玻璃纤维、碳纤维或者有机合成纤维等结构致密的传统纤维材料，不具有优良的减震降噪、吸声隔声性能，无法用在一些具有明确减震降噪要求的地方，如发动机室内壁及地板等。而本发明采用的纯天然植物纤维具有多孔结构，该结构使其具有良好的声学特性，由其制成的连续纤维增强泡沫板具有优异的吸音隔音、减震降噪效果。

本发明以多孔、可再生的纯天然植物纤维材料为基本增强材料，通过合适的阻燃、抗老化和界面处理，充分发挥其空心、轻质的力学和声学特性；同时又以可再生的生物质树脂作为可发性微胶囊以及可固化型或可热成型的树脂材料，设计制备连续植物纤维增强的生物质树脂基复合材料泡沫板材。在植物纤维作为增强材料应用方面，发明专利《一种界面增容、阻燃的植物纤维增强织物及其复合材料技术》，中国发明专利申请号201110181785.3提出了一种植物纤维界面增容和阻燃处理的技术方法，可以作为本发明的参考。

发明内容

本发明的目的是提出一种具有更优越的阻尼和声学性能并且可降解的植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材及其制备方法。

本发明的技术解决方案是，以苎麻、亚麻、大麻、黄麻植物纤维为增强体，附载膨胀型生物质树脂以及生物质环氧树脂，制造得到复合材料泡沫板材；其中增强纤维的重量含量为40％-60％；纤维增强泡沫板的制备方法如下：

（1）选用苎麻、亚麻、大麻或黄麻天然纤维作为原料，采用工业上成熟的纤维毡制备技术，制备出0.1-5mm厚的纤维毡，并对纤维毡进行阻燃增容处理；

（2）采用聚乳酸为囊皮，囊皮内充烷烃，制备微胶囊发泡剂，微胶囊发泡剂的粒径在5μm-50μm，烷烃的充入量以将其加热到100℃-180℃，微胶囊体积变到原来体积的50-100倍为准；

（3）配制马来松香基环氧树脂固化剂并与环氧树脂混合、碾磨，制备成部分生物质化的环氧树脂微粉，微粉粒径在10μm至100μm之间；

（4）在环氧树脂微粉中加入5％-15％的微胶囊发泡剂，并配备成水基悬浮液；

（5）将经过阻燃增容处理的植物纤维毡放置在悬浮液中充分浸渍，晾干，得到发泡预浸料待用；

（6）将如（5）所述干态纤维毡预浸料加热到100℃-180℃，保温10min-15min，使植物纤维毡膨胀为最初厚度的5-8倍，由此得到连续植物纤维增强生物质树脂复合材料泡沫板材。

所述的纤维毡为单丝分散毡，厚度在0.3mm-4mm之间。

所述纤维毡制备技术是针刺技术或粘接技术。

本发明的优点和特点：本发明以可再生的纯天然植物纤维材料为基本增强材料，通过合适的阻燃、抗老化和界面处理，充分发挥其空心、轻质的力学和声学特性；同时又以可再生的生物质树脂作为可发性微胶囊以及可固化型或可热成型的树脂材料，设计制备连续植物纤维增强的生物质树脂基复合材料泡沫板材。

（1）增强材料全部采用天然、可再生的植物资源，主要使用性能同比现有的成熟材料，但具有更优异的比强度和比刚度力学性能。

（2）生物质树脂的可发性微胶囊和浸渍树脂主要来自天然的植物资源，基本性能和使用性能可比现有的成熟材料。

（3）由于大多数植物纤维的多尺度多层次的多孔结构特征、以及空心结构特征，因此这种复合材料泡沫板材具有更优越的阻尼和声学性能，如减震、降噪、吸声、隔声等。

（4）植物纤维的隔热性能好，配合可发性粒子形成的膨胀多孔结构，使得这种复合材料泡沫板材的热绝缘性和保温性能好。

（5）由于天然植物纤维和生物质树脂的应用，这种复合材料泡沫板材可降解，而且其主要原材料可再生，因而环境友好，所有这些优点和特点是传统连续纤维增强的复合材料泡沫板材所没有的。

具体实施方式

本发明的设计和制造步骤如下：

（1）选用商用的剑麻、苎麻、亚麻、黄麻、大麻等天然植物纤维及其连续纤维毡或连续纤维织物等，其厚度在0.3mm-4mm之间可调；或选用长植物纤维，例如长度大于50mm的植物纤维，充分打散，再通过针刺或粘接的方法，制成具有一定厚度的长纤维毡，纤维毡的厚度也在0.3mm-4mm之间可调。

（2）参照发明专利《一种界面增容、阻燃的植物纤维增强织物及其复合材料技术》，申请号201110181785.3，对所有植物纤维进行表面阻燃或/和偶联处理，偶联剂的通式为R2-Si(OR1)3，如端基为氨基的偶联剂H2N-(CH2)3-Si(OC2H5)3，如端基为环氧基的偶联剂

（3）制备以商用可降解热塑性聚乳酸高分子PLA（PolyLactic Acid）为囊皮的可发性微胶囊作为发泡剂，微胶囊内充烷烃，将其加热到100℃-180℃后微胶囊会迅速膨胀，体积变到原来体积的50-100倍；或选用商业产品的其他可发性微胶囊作为发泡剂，其囊皮材料包括硅橡胶、聚丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯。可发性微胶囊的粒径应控制在5μm-50μm之间。

（4）配制马来松香（MPA）基环氧树脂固化剂

将其置换常规环氧树脂固化剂，如北京航空材料研究院3233、3234环氧树脂的固化剂，仍得到通用的环氧树脂3233、3234，但其部分组分已来自天然材料。将这种部分生物质化的环氧树脂制备成粉体，粉体粒径在10μm至100μm之间。

（5）根据所要制备的纤维增强泡沫板的密度，将（3）所述微胶囊发泡剂混入树脂中，调整微胶囊发泡剂在（4）所述的环氧树脂中的添加比例在5％-15％之间，通过高速搅拌机将两者充分搅拌均匀，得到双组分粉料待用。

（6）将（5）所述双组分粉料配置制备成水基悬浮液（俗称浆料），将经步骤（2）处理的植物纤维毡或织物放置在这种悬浮液中充分浸渍（俗称淤浆浸渍），适当干燥，得到发泡预浸料待用。该过程是工业成熟技术，一般在配套的装置、设备上完成。

（7）将如（6）所述干态纤维毡或织物发泡预浸料加热到100℃-180℃，放置10min-15min，微胶囊随之加热膨胀，发泡预浸料也随之变厚，膨胀为最初厚度的5-8倍。在加热的过程中，热固性环氧树脂也同时固化交联，由此得到连续植物纤维增强生物质树脂复合材料泡沫板材。

实施例1：

（1）采用短切的苎麻纤维，利用针刺设备，制得面密度为400g/m²的苎麻无纺毡，备用。

（2）采用3％的KH550硅烷偶联剂水溶液浸渍苎麻无纺毡，待织物干燥后，再用10％的氮磷阻燃剂水溶液浸渍无纺毡，晾干。

（3）制备粒径为10μm、囊皮为可降解热塑性聚乳酸高分子PLA、起发温度为120℃的微胶囊发泡剂。

（4）配制MPA型松香基环氧树脂固化剂

并用其替换北京航空材料研究院3233环氧树脂的固化剂，制得部分可降解的3233环氧树脂。将这种部分生物质化的环氧树脂制备成粉体，粉体粒径在10μm-20μm之间。

（5）将（3）所述微胶囊发泡剂添加到（4）所述的环氧树脂粉体中，添加比例为15％，通过高速搅拌机将两者充分搅拌均匀，得到双组分粉料待用。

（6）将（5）所述双组分粉料配置制备成水基悬浮液，将经步骤（2）处理的植物纤维毡或织物放置在这种悬浮液中充分浸渍，挤掉多余胶液。

（7）将挤掉多余胶液的苎麻无纺布垂直放置在120℃的烘箱中加热固化15min后取出。

实施例2：

（1）采用连续的剑麻纤维，采用粘接方式，制得面密度为100g/m²的剑麻纤维无纺毡，备用。

（2）采用2％的KH570硅烷偶联剂水溶液浸渍苎麻无纺毡，待织物干燥后，再用10％的氮磷阻燃剂水溶液浸渍无纺毡，晾干。

（4）配制MPA型松香基环氧树脂固化剂

并用其替换北京航空材料研究院3234环氧树脂的固化剂，制得部分可降解的3234环氧树脂。将这种部分生物质化的环氧树脂制备成粉体，粉体粒径在10μm-20μm之间。

（5）将（3）所述微胶囊发泡剂添加到（4）所述的环氧树脂粉体中，添加比例为10％，通过高速搅拌机将两者充分搅拌均匀，得到双组分粉料待用。

（7）将挤掉多余胶液的剑麻无纺布垂直放置在120℃的烘箱中加热固化10min后取出。

实施例3：

（1）采用连续的亚麻纤维，采用粘接方式，制得面密度为80g/m²的亚麻纤维无纺毡，备用。

（2）采用2％的KH570硅烷偶联剂水溶液浸渍苎麻无纺毡，待织物干燥后，再用15％的氮磷阻燃剂水溶液浸渍无纺毡，晾干。

（3）制备粒径为10μm-20μm的微胶囊发泡剂。囊皮为聚丙烯腈、微胶囊内填充烷烃，起发温度为150℃。

（4）配制MPA型松香基环氧树脂固化剂

（5）将（3）所述微胶囊发泡剂添加到（4）所述的环氧树脂粉体中，添加比例为12％，通过高速搅拌机将两者充分搅拌均匀，得到双组分粉料待用。

（7）将挤掉多余胶液的亚麻无纺布垂直放置在150℃的烘箱中加热固化10min后取出。

实施例4：

（1）采用连续的黄麻纤维，采用针刺方法，制得面密度为260g/m²的黄麻纤维无纺毡，备用。

（2）采用3％的KH550硅烷偶联剂水溶液浸渍苎麻无纺毡，待织物干燥后，再用12％的氮磷阻燃剂水溶液浸渍无纺毡，晾干。

（3）制备粒径为10μm-20μm的微胶囊发泡剂。囊皮为可降解的聚乳酸、微胶囊内填充烷烃，起发温度为180℃。

（4）配制MPA型松香基环氧树脂固化剂

（7）将挤掉多余胶液的黄麻无纺布垂直放置在180℃的烘箱中加热固化13min后取出。

实施例5：

（1）采用短切的苎麻纤维，利用粘接方法，制得面密度为120g/m²的苎麻无纺毡，备用。

（2）采用2％的KH560硅烷偶联剂水溶液浸渍苎麻无纺毡，待织物干燥后，再用10％的氮磷阻燃剂水溶液浸渍无纺毡，晾干。

（3）制备粒径为10μm、囊皮为可降解热塑性聚乳酸高分子PLA、起发温度为150℃的微胶囊发泡剂。

（4）配制MPA型松香基环氧树脂固化剂

并用其替换北京航空材料研究院3219环氧树脂的固化剂，制得部分可降解的3219环氧树脂。将这种部分生物质化的环氧树脂制备成粉体，粉体粒径在10μm-20μm之间。

（7）将挤掉多余胶液的苎麻无纺布垂直放置在150℃的烘箱中加热固化12min后取出。

Claims

1.一种植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材的制备方法，其特征在于，以苎麻、亚麻、大麻、黄麻植物纤维为增强体，附载膨胀型生物质树脂以及生物质环氧树脂，制造得到复合材料泡沫板材；其中增强纤维的重量含量为40%-60%；纤维增强泡沫板的制备方法如下：

（4）在环氧树脂微粉中加入5%-15%的微胶囊发泡剂，并配备成水基悬浮液；

（6）将如（5）得到的发泡预浸料加热到100℃-180℃，保温10min-15min，使植物纤维毡膨胀为最初厚度的5-8倍，由此得到连续植物纤维增强生物质树脂复合材料泡沫板材。

2.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强生物质树脂基泡沫板材的制备方法，其特征是，所述的纤维毡为单丝分散毡，厚度在0.3mm-4mm之间。