CN102850775A

CN102850775A - 一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法

Info

Publication number: CN102850775A
Application number: CN2012103213138A
Authority: CN
Inventors: 楼利琴
Original assignee: Shaoxing University Yuanpei College
Current assignee: Shaoxing University Yuanpei College
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，选用环保、阻尼性能和隔音性能优良的聚氨酯为基体，天然环保的竹原纤维为增强材料，采用常压浇注工艺，制备所得的竹原纤维和聚氨酯复合材料抗拉强度大，断裂伸长率好，而且超薄、质轻。

Description

一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，属于天然纤维复合材料领域。

背景技术

复合材料(Composite materials)，是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。

天然植物纤维资源丰富且价格低廉；它比无机纤维复合材料加工的能耗少，对加工设备损耗小，有利于节约能源；而且它最突出的优点是生物降解和可再生性，这是其他任何增强材料所无法比拟的。尤其是竹原纤维，它具有质轻、强度高、来源广、价廉、且环保、可生物降解、吸水和导湿性好、防臭、抗菌、抗紫外、对环境无污染等优点，被誉为21世纪健康舒适的纤维。

聚氨酯是一种介于塑料和橡胶之间的材料，自身具有可发泡性、耐磨性、粘接性、弹性、耐溶剂性、耐生物老化性等许多优于传统结构材料的潜在性能，又因其质轻、强度高、耐高温且阻燃性好的特性已广泛应用于纤维及合成革领域。

在现有技术中，纤维增强复合材料大多是由碳纤维、玻璃纤维、合成纤维等与塑料组合而成，存在废弃处理难，生产环境恶劣，给环境带来了很大的负担等缺点。因此，使用自然界中资源丰富的天然植物纤维代替现在广泛使用的玻璃纤维、合成纤维，开发性能优良和价格低的复合材料的研究，引起了人们的高度重视。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种质轻、柔韧、超薄的竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，包括如下步骤：

（1）竹原纤维预处理：先将竹原纤维经5%-25%的NaOH溶液处理，处理时间为2小时，然后用清水冲洗至中性；将处理后的竹原纤维进行梳理，并根据竹原纤维取向铺网，铺好后放置在干燥箱内干燥至恒重。

（2）聚氨酯树脂配制：根据聚氨酯预聚体和MOCA100：14的配比比例计算预聚体和MOCA质量。将预聚体放入真空干燥箱，抽真空25-35分钟，待预聚体内的气泡消失，然后关闭真空干燥箱抽气泵。将MOCA放入恒温磁力搅拌器，设定温度为110℃-120℃，加热搅拌直至MOCA完全熔融。从真空干燥箱内取出预聚体，将MOCA液体倒入预聚体，并快速搅拌20-25秒，使预聚体和MOCA混合均匀，配制好聚氨酯树脂。

（3）根据竹原纤维和聚氨酯的配比比例，将配制好的聚氨酯树脂均匀倒入装有竹原纤维网的容器内，使聚氨酯树脂均匀分布在竹原纤维网上。并将竹原纤维和聚氨酯混合物放入120℃-130℃烘箱中烘燥3小时，得到竹原纤维和聚氨酯复合材料，所述复合材料的竹原纤维质量含量为2.5%～7.5%。

在上述步骤（1）中，竹原纤维采用直铺、45度斜铺、杂乱铺或十字型铺中的其中一种方式铺网。

在上述步骤（1）中，干燥箱温度为70℃-75℃，干燥时间为30分钟-35分钟。

在上述步骤（2）中，所述聚氨酯预聚体为2,4-甲苯二异氰酸酯和聚乙二醇600为主要原料合成的端异氰酸酯基聚氨酯预聚体；所述MOCA为固体次甲基双邻氯苯胺。

在上述步骤（2）中，预聚体放入真空干燥箱前，真空干燥箱先抽真空，并预热至90℃-92℃。

本发明所述的竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，选用环保、阻尼性能和隔音性能优良的聚氨酯为基体，竹原纤维为增强材料，采用常压浇注工艺，制备所得的竹原纤维和聚氨酯复合材料抗拉强度大，断裂伸长率好，而且超薄、质轻。

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的竹原纤维经过不同NaOH浓度处理后的复合材料的抗拉强度；

图2为本发明的竹原纤维经过不同NaOH浓度处理后的复合材料的断裂伸长率；

图3 为本发明的竹原纤维经过不同方式排列后的复合材料的抗拉强度；

图4 为本发明的竹原纤维经过不同方式排列后的复合材料的断裂伸长率；

图5为本发明含有不同质量分数竹原纤维的复合材料的抗拉强度；

图6为本发明含有不同质量分数竹原纤维的复合材料的断裂伸长率。

具体实施方式

实施例1

一种竹原纤维含量为2.5%的竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，包括如下步骤：

（1）竹原纤维预处理：先将竹原纤维经5%的NaOH溶液处理，处理时间为2小时，然后用清水冲洗至中性；将处理后的竹原纤维进行梳理，并按竹原纤维直铺铺网，铺好后放置在干燥箱内干燥至恒重，干燥箱温度为70℃，干燥时间为30分钟。

（2）聚氨酯树脂配制：根据2,4-甲苯二异氰酸酯、聚乙二醇600为主要原料合成的端异氰酸酯基聚氨酯预聚体和MOCA（固体次甲基双邻氯苯胺）100：14的配比比例计算预聚体和MOCA质量。真空干燥箱先抽真空，并升温至90℃，将预聚体放入真空干燥箱后，抽真空25分钟，待预聚体内的气泡消失，然后关闭真空干燥箱抽气泵。将MOCA放入恒温磁力搅拌器，设定温度为110℃，加热搅拌直至MOCA完全熔融。从真空干燥箱内取出预聚体，将MOCA液体倒入预聚体，并快速搅拌20秒，使预聚体和MOCA混合均匀，配好聚氨酯树脂。

（3）根据竹原纤维和聚氨酯1:39的配比比例，将配好的聚氨酯树脂均匀倒入装有竹原纤维网的容器内，使聚氨酯树脂均匀分布在竹原纤维网上。并将竹原纤维和聚氨酯混合物放入130度烘箱中烘燥3小时，得到竹原纤维和聚氨酯复合材料，所述复合材料的竹原纤维质量含量为2.5%。

实施例2

一种竹原纤维含量为3.75%的竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，包括如下步骤：

（1）竹原纤维预处理：先将竹原纤维经10%的NaOH溶液处理，处理时间为2小时，然后用清水冲洗至中性；将处理后的竹原纤维进行梳理，并按竹原纤维45度斜铺铺网，铺好后放置在干燥箱内干燥至恒重，干燥箱温度为71℃，干燥时间一般为31分钟。

（2）聚氨酯树脂配制：根据2,4-甲苯二异氰酸酯、聚乙二醇600为主要原料合成的端异氰酸酯基聚氨酯预聚体和MOCA（固体次甲基双邻氯苯胺）100：14的配比比例计算预聚体和MOCA质量。真空干燥箱先抽真空，并升温至91℃，将预聚体放入真空干燥箱后，抽真空28分钟，待预聚体内的气泡消失，然后关闭真空干燥箱抽气泵。将MOCA放入恒温磁力搅拌器，设定温度为112℃，加热搅拌直至MOCA完全熔融。从真空干燥箱内取出预聚体，将MOCA液体倒入预聚体，并快速搅拌21秒，使预聚体和MOCA混合均匀，配好聚氨酯树脂。

（3）根据竹原纤维和聚氨酯3:77的配比比例，将配好的聚氨酯树脂均匀倒入装有竹原纤维网的容器内，使聚氨酯树脂均匀分布在竹原纤维网上。并将竹原纤维和聚氨酯混合物放入128度烘箱中烘燥3小时，得到竹原纤维和聚氨酯复合材料，所述复合材料的竹原纤维质量含量为3.75%。

实施例3

一种竹原纤维含量为5%的竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，包括如下步骤：

（1）竹原纤维预处理：先将竹原纤维经15%的NaOH溶液处理，处理时间为2小时，然后用清水冲洗至中性；将处理后的竹原纤维进行梳理，并按竹原纤维杂乱铺网，铺好后放置在干燥箱内干燥至恒重。干燥箱温度为73℃，干燥时间一般为33分钟。

（2）聚氨酯树脂配制：根据2,4-甲苯二异氰酸酯、聚乙二醇600为主要原料合成的端异氰酸酯基聚氨酯预聚体和MOCA（固体次甲基双邻氯苯胺）100：14的配比比例计算预聚体和MOCA质量。真空干燥箱先抽真空，并升温至91℃，将预聚体放入真空干燥箱后，抽真空30分钟，待预聚体内的气泡消失，然后关闭真空干燥箱抽气泵。将MOCA放入恒温磁力搅拌器，设定温度为115℃，加热搅拌直至MOCA完全熔融。从真空干燥箱内取出预聚体，将MOCA液体倒入预聚体，并快速搅拌22秒，使预聚体和MOCA混合均匀，配好聚氨酯树脂。

（3）根据竹原纤维和聚氨酯1:19的配比比例，将配好的聚氨酯树脂均匀倒入装有竹原纤维网的容器内，使聚氨酯树脂均匀分布在竹原纤维网上。并将竹原纤维和聚氨酯混合物放入125度烘箱中烘燥3小时，得到竹原纤维和聚氨酯复合材料，所述复合材料的竹原纤维质量含量为5%。

实施例4

一种竹原纤维含量为6.25%的竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，包括如下步骤：

（1）竹原纤维预处理：先将竹原纤维经20%的NaOH溶液处理，处理时间为2小时，然后用清水冲洗至中性；将处理后的竹原纤维进行梳理，并按竹原纤维十字型铺铺网，铺好后放置在干燥箱内干燥至恒重。干燥箱温度为74℃，干燥时间一般为34分钟。

（2）聚氨酯树脂配制：根据2,4-甲苯二异氰酸酯、聚乙二醇600为主要原料合成的端异氰酸酯基聚氨酯预聚体和MOCA（固体次甲基双邻氯苯胺）100：14的配比比例计算预聚体和MOCA质量。真空干燥箱先抽真空，并升温至92℃，将预聚体放入真空干燥箱后，抽真空32分钟，待预聚体内的气泡消失，然后关闭真空干燥箱抽气泵。将MOCA放入恒温磁力搅拌器，设定温度为118℃，加热搅拌直至MOCA完全熔融。从真空干燥箱内取出预聚体，将MOCA液体倒入预聚体，快速搅拌24秒，使预聚体和MOCA混合均匀，配好聚氨酯树脂。

（3）根据竹原纤维和聚氨酯1:15的配比比例，将配好的聚氨酯树脂均匀倒入装有竹原纤维网的容器内，使聚氨酯树脂均匀分布在竹原纤维网上。并将竹原纤维和聚氨酯混合物放入122度烘箱中烘燥3小时，得到竹原纤维和聚氨酯复合材料，所述复合材料的竹原纤维质量含量为6.25%。

实施例5

一种竹原纤维含量为7.5%的竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，包括如下步骤：

（1）竹原纤维预处理：先将竹原纤维经25%的NaOH溶液处理，处理时间为2小时，然后用清水冲洗至中性；将处理后的竹原纤维进行梳理，并按竹原纤维直铺铺网，铺好后放置在干燥箱内干燥至恒重。干燥箱温度为75℃，干燥时间一般为35分钟。

（2）聚氨酯树脂配制：根据2,4-甲苯二异氰酸酯、聚乙二醇600为主要原料合成的端异氰酸酯基聚氨酯预聚体和MOCA（固体次甲基双邻氯苯胺）100：14的配比比例计算预聚体和MOCA质量。真空干燥箱先抽真空，并升温至92℃，将预聚体放入真空干燥箱后，抽真空35分钟，待预聚体内的气泡消失，然后关闭真空干燥箱抽气泵。将MOCA放入恒温磁力搅拌器，设定温度为120℃，加热搅拌直MOCA完全熔融。从真空干燥箱内取出预聚体，将MOCA液体倒入预聚体，快速搅拌25秒，使预聚体和MOCA混合均匀，配好聚氨酯树脂。

（3）根据竹原纤维和聚氨酯3:37的配比比例，将配好的聚氨酯树脂均匀倒入装有竹原纤维网的容器内，使聚氨酯树脂均匀分布在竹原纤维网上。并将竹原纤维和聚氨酯混合物放入120度烘箱中烘燥3小时，得到竹原纤维和聚氨酯复合材料，所述复合材料的竹原纤维质量含量为7.5%。

以下为上述5个实施例的对比试验：

如图1所示，竹原纤维经不同的NaoH浓度处理，竹原纤维含量为5%，采用纤维直铺方式的竹原纤维/聚氨酯复合材料，随着NaoH处理浓度的增加，复合材料的抗拉强度先增大后减小，在15%NaoH浓度处理时，复合材料的抗拉强度最大。这主要是因为竹原纤维经NaoH处理后，NaoH与纤维素相互作用生成了碱纤维素，开始时反应的发生使竹原纤维部分果胶、木质素和半纤维素等低分子杂质溶解，纤维束的分解导致纤维变细变软，微小纤维数量增加，纤维比表面积增加，与聚氨酯树脂的有效接触面积增大，而且纤维表面得到部分刻蚀，纤维表面比较粗糙，有利于纤维与树脂界面粘合力的增强，提高了竹原纤维与聚氨酯之间的界面相容性，从而使复合材料的抗拉强度增强了，但随着NaoH处理浓度的进一步增加，竹原纤维木质素含量减少趋势降低，而且NaoH处理浓度增大，对竹原纤维的强度损伤较大，从而减少了复合材料的抗拉强度。

如图2所示，随着NaoH浓度的增加，竹原纤维和聚氨酯复合材料断裂伸长率逐渐增加。这主要是因为在较小的NaoH浓度处理时，竹原纤维中存在着较多的木质素、半纤维素、果胶等物质，纤维脆性较明显，这使得复合材料的断裂伸长率变小。随着NaoH处理浓度的增加，竹原纤维组分逐渐分离，半纤维素、木质素及果胶等物质逐渐降解和转化，实现了纤维束的解离，纤维变得越来越细，越来越柔软，聚氨酯承受更多轴向的拉伸，而聚氨酯弹性伸长好，因此断裂伸长率逐渐增加。

如图3所示，竹原纤维和聚氨酯复合材料的竹原纤维含量均为5%，都经过15%的NaoH溶液处理，其排列方式分别为直铺、斜铺、杂乱铺和十字型铺。直铺的竹原纤维/聚氨酯复合材料抗拉强度最好，远远优于其他几种的排列方式的抗拉强度。纤维杂乱铺和十字铺的抗拉强度比较接近，纤维斜铺的抗拉强度最小。这主要是因为在纤维直铺的复合材料中，全部竹原纤维处于垂直状态，当复合材料受到垂直拉伸时，竹原纤维承载同一方向抗拉强度纤维多，协同效应明显，因而增加了复合材料的抗拉强度。而在纤维斜铺的复合材料中，当复合材料受到垂直拉伸时，竹原纤维同一方向承载抗拉强度的协同效应较弱，在纤维杂乱铺和十字铺的复合材料中，有多种不同的纤维排列方向，起到基体材料之间的相互增强作用，当受到垂直拉伸时，其抵抗破坏的分散均匀性比斜铺好。因此斜铺复合材料的抗拉强度是最差的。

从图4可知，45度斜铺的竹原纤维和聚氨酯复合材料断裂伸长率远远优于其他几种铺法的断裂伸长率，直铺的断裂伸长率最小。这是因为在纤维直铺的复合材料中，竹原纤维处于垂直状态，轴向方向承载抗拉纤维多，竹原纤维断裂伸长率小，纤维显脆性，因此复合材料受到垂直拉伸时，断裂伸长性较差；而纤维斜铺的复合材料中，纤维处于45度倾斜角，当复合材料受到垂直拉伸时，聚氨酯树脂拉伸起主要作用，对复合材料拉伸影响较大，因此斜铺的复合材料的断裂伸长性较好；而纯聚氨酯是高分子材料，本身弹性伸长好，所以断裂伸长率是最好的；在纤维杂乱铺和十字铺的复合材料中，当复合材料受到垂直拉伸时，由于有部分垂直状态竹原纤维受到轴向拉伸，因此，断裂延伸率较直铺的复合材料略好，比斜铺的复合材料差。

如图5所示，竹原纤维和聚氨酯复合材料的竹原纤维都经过15%的NaoH溶液处理，且采用相同的纤维直铺方式，纤维含量分别为2.5%，3.75%， 5%，6.25%，7.5%。随着复合材料中的竹原纤维含量逐渐增加，复合材料的抗拉强度先增加后减少，在纤维含量为5%时抗拉强度达到最大，当竹原纤维含量继续增加时，复合材料的抗拉强度呈现下降趋势。这主要是因为竹原纤维含量较低时，复合材料的强度主要取决于基体聚氨酯的强度，随着竹原纤维含量增加，复合材料所受应力均匀分布，抗拉强度增加，当竹原纤维含量达到5%时达到最大。竹原纤维在一定程度上能大大增加复合材料的抗拉强度，但当竹原纤维含量增大到一定程度时，聚氨酯基体的含量减少，影响了与聚氨酯树脂结合的有效接触面积，减小了竹原纤维/聚氨酯之间的界面相容性，受力载体聚氨酯基体的连续性，从而导致了复合材料的抗拉强度降低。

如图6所示，竹原纤维和聚氨酯复合材料随着纤维含量的增加，其断裂伸长率逐渐减小。这主要是因为竹原纤维弹性伸长较差，纤维显脆性，竹原纤维复合材料受到垂直拉伸时，断裂伸长率就较差。纤维含量增加，复合材料中轴向承载抗拉的竹原纤维增多，使复合材料的断裂伸长率减少。

综上所述，随着NaoH浓度逐渐增加，抗拉强度先增大后减小，15%NaoH浓度处理时，复合材料抗拉强度最大，断裂伸长率随着NaoH处理浓度的增加而逐渐增加。竹原纤维不同的排列方式对复合材料的抗拉强度影响比较明显，其中直铺的竹原纤维和聚氨酯复合材料抗拉强度最大，断裂伸长率较差。45度斜铺的竹原纤维和聚氨酯复合材料断裂伸长率最好，抗拉强度最差。添加一定量的竹原纤维能显著提高复合材料拉伸性能，随着纤维含量的增加，复合材料的抗拉强度逐渐先增加后减少，竹原纤维含量为5%时复合材料抗拉强度最大，断裂伸长率随着纤维含量增加而逐渐减小。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims

1.一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）竹原纤维预处理：将竹原纤维经5%-25%的NaOH溶液处理，处理时间为2小时，然后用清水冲洗至中性；将处理后的竹原纤维进行梳理，并根据竹原纤维取向铺网，铺好后放置在干燥箱内干燥至恒重；

（2）聚氨酯树脂配制：根据聚氨酯预聚体和MOCA100：14的配比比例计算预聚体和MOCA质量；将预聚体放入真空干燥箱，抽真空25-35分钟，待预聚体内的气泡消失，然后关闭真空干燥箱抽气泵；将MOCA放入恒温磁力搅拌器，设定温度为110℃-120℃，加热搅拌直至MOCA完全熔融；从真空干燥箱内取出预聚体，将MOCA液体倒入预聚体，并快速搅拌20-25秒，使预聚体和MOCA混合均匀，配制好聚氨酯树脂；

（3）将配制好的聚氨酯树脂均匀倒入装有竹原纤维网的容器内，使聚氨酯树脂均匀分布在竹原纤维网上；并将竹原纤维和聚氨酯混合物放入120℃-130℃烘箱中烘燥3小时，得到竹原纤维和聚氨酯复合材料，所述复合材料的竹原纤维质量含量为2.5%～7.5%。

2.如权利要求1所述的一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，其特征在于：在上述步骤（1）中，竹原纤维采用直铺、45度斜铺、杂乱铺或十字型铺中的其中一种方式铺网。

3.如权利要求1所述的一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，其特征在于：在上述步骤（1）中，干燥箱温度为70℃-75℃，干燥时间为30分钟-35分钟。

4.如权利要求1所述的一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，其特征在于：在上述步骤（2）中，所述聚氨酯预聚体为2,4-甲苯二异氰酸酯和聚乙二醇600为主要原料合成的端异氰酸酯基聚氨酯预聚体；所述MOCA为固体次甲基双邻氯苯胺。

5.如权利要求1所述的一种竹原纤维和聚氨酯复合材料制备方法，其特征在于：在上述步骤（2）中，预聚体放入真空干燥箱前，真空干燥箱先抽真空，并预热至90℃-92℃。