CN102995296A - 一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,属于复合材料制备技术领域,其特征在于,包括原料处理—开松混合—梳理铺网—针刺—模压成型,其中:原料处理:竹原纤维在进行开松混合前,需进行纤维素酶处理,酶处理工序如下:将竹原纤维浸泡于质量分数3%的纤维素酶溶液中1小时,pH值为5,温度60℃,用清水洗净后干燥。模压成型:将混合好的竹原纤维和ES纤维放入模具中进行热压成型,成型温度130℃—190℃,先预热5-15min,然后在6MPa下保压3-9min,再调至12MPa下保压5-15min,得到热压型竹原纤维增强复合材料。本发明生产成本低,制备的复合材料拉伸强度好。

Description

一种热压型竹原纤维增强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,更具体的讲是涉及一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法。
 
技术领域:
我国拥有丰富的竹林资源,资源面积、产量均居世界第一,世界竹类资源中性能最优良、利用价值最高的毛竹林约有90%分布在我国南方。竹纤维分成天然竹纤维(竹原纤维)和化学竹纤维(竹浆纤维和竹炭纤维)两大类。竹原纤维就是从自然生长的竹子中提取出的一种纤维素纤维,是继棉、麻、毛、丝之后的第五大天然纤维。竹纤维具有良好的透气性、瞬间吸水性、较强的耐磨性和良好的染色性等特性,同时又具有天然抗菌、抑菌、除螨、防臭和抗紫外线功能。竹原纤维资源丰富,价格低廉,比模量和比强度高,在复合材料中可部分取代玻璃等合成纤维,制作复合材料时生产成本低,有利于节约能源;而它最突出的优点是具有生物降解性和可再生性,对环境无污染,这是其它任何增强材料无法比拟的。因此,研究和开发竹原纤维增强复合材料是节省钢材、木材及替代普通工程塑料,加速复合材料民用化的热门课题,在环境保护和资源保护方面都有非常重要的意义。
本发明要解决的技术问题主要有两个方面,一是通过工艺的改进,降低竹原纤维复合材料的生产成本;二是提高竹原纤维复合材料的性能,尤其是拉伸强度的提高。
 
发明内容:
本发明的目的是提供一种生产成本低、拉伸强度好的热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法。
本发明为实现上述目的采取的技术方案如下:
一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于,包括原料处理—开松混合—梳理铺网—针刺—模压成型,其中:
原料处理: 
选择纤维长度与ES纤维接近的竹原纤维,对于较长的竹原纤维进行切断处理,切断长度为50±5mm。
竹原纤维在进行开松混合前,优选采用纤维素酶进行处理,处理工序如下:将竹原纤维浸泡于质量分数3%的纤维素酶溶液中1小时,pH值为5,温度60℃,用清水洗净后干燥。
竹原纤维经纤维素酶处理后,纤维素将以更紧凑的方式(氢键)重新组织,纤维的结晶度增加,因此竹原纤维的强度增加,纤维强度为6.5-7.5cN/dtex,长度为30-50mm。
ES纤维选择原料PE/PP,强度2.8-3.8cN/dtex,纤维表层PE熔点是1300C,纤维芯层PP熔点为1600C。
所述竹原纤维和ES纤维的重量百分比为5%:95%—60%:40%,优选为20%:80%;如果竹原纤维采用纤维素酶处理,优选为30%:70%。
模压成型:
将混合好的竹原纤维和ES纤维放入模具中进行热压成型,成型温度130℃—190℃,先预热5-15min,然后在6MPa下保压3-9min,再调至12MPa下保压5-15min,得到热压型竹原纤维增强复合材料。
进一步的设置在于:
在模压成型工序前,将竹原纤维和ES纤维依次经过开松混合、梳理铺网、针刺处理。
所述的开松混合:按比例分别称取竹原纤维和ES纤维,进行开松混合处理,开松混合流程为:开松机(WL-GK-L-600)--给棉机(WL-J-500);
所述的梳理铺网采用梳理机(WL-GS-A-600),输出薄网单位面积质量为20-30g/m2
所述的针刺:针刺机(WL-ZGS.Z-Y-800)--成卷机(WL-800)--针刺机(WL-ZGS.Z-Z-800)--成卷机(WL-800),先采用低频率预刺工艺,再用高频主刺工艺加固。
所述模压成型:热轧机(WL-GC-B-800)--成卷机(WL-800),温度为140℃——190℃,先预热5-15min,然后在6MPa下保压3-9min,再调至12MPa下保压5-15min。
以上所述设备均为中国江苏太仓市双凤非织造布设备有限公司生产。
本发明与现有技术相比,具有以下有益效果:
本方法以开发成本低、制作工艺简单的竹原纤维复合材料为目标,采用竹原纤维和ES纤维混合通过热压制造增强复合材料,该方法加工流程短、成本低,通过适当的复合固化工艺,试制出竹原纤维非织造增强复合材料。本方法研制的复合材料力学性能超过同类工程塑料水平,可广泛应用于可应用于汽车、建筑工业及军事航空领域、家具、高速公路、船舶橱柜和隔舱、办公室隔板等领域。因此具有广阔的应用前景,开发竹原纤维作为增强材料在环境保护和资源保护方面都有重要的意义,投入市场后必将产生较大的经济效益和较好的社会效益。
本发明的竹原纤维长度选择广泛,这里可以选择接近ES纤维的长度,可以获得很好的产品质量。
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式:
实施例1:
本发明的一种热压型竹原增强复合材料的制备方法,包括原料处理→开松混合→梳理铺网→针刺→模压成型→复合材料。
1、原料处理:
竹原纤维:
竹原纤维在进行开松混合前,需要采用纤维素酶进行处理,处理工序如下:将竹原纤维浸泡于质量分数3%的纤维素酶溶液中1小时,pH值为5,温度60℃,用清水洗净后干燥。
竹原纤维经纤维素酶处理后,纤维素将以更紧凑的方式(氢键)重新组织,纤维的结晶度增加,因此竹原纤维的强度增加,强度为6.5-7.5cN/dtex,长度为30-50mm。
ES纤维:
ES 纤维选择原料(PE/PP),强度2.8-3.8cN/dtex,其中:纤维表层(PE)熔点是130℃,纤维芯层(PP)熔点为160℃,各种规格均可,本实施例采用的ES纤维的规格为2D*51mm。
2、开松混合:按比例分别称取竹原纤维和ES纤维,进行开松混合处理。开松混合流程为:开松机(WL-GK-L-600)--给棉机(WL-J-500)。
3、梳理铺网:本实施例中采用梳理机(WL-GS-A-600),输出薄网单位面积质量为20-30g/m2
    4、针刺流程为:针刺机(WL-ZGS.Z-Y-800)--成卷机(WL-800)--针刺机(WL-ZGS.Z-Z-800)--成卷机(WL-800),先采用低频率预刺工艺,再用高频主刺工艺加固,针刺深度8.5mm。
5、模压成型流程:热轧机(WL-GC-B-800)--成卷机(WL-800),将混合好的竹原纤维和ES纤维放入模具中进行热压成型,成型温度130℃—190℃,试样预热5-15min,先在6MPa下保压3-9min,在调至12MPa下保压5-15min,取出试样进行拉伸强度的测试。
 
实施例2:采用普通竹原纤维制备复合材料。
根据实施例1的制备方法:将经过纤维素酶处理的竹原纤维和ES纤维的重量百分比从0%:100%——60%:40%,竹原纤维的重量百分比以5%递增制成若干个复合材料的试样。并分别对上述制备的试样进行对比测试分析。
同时,将未经过酶处理的竹原纤维和ES纤维的重量百分比从0%:100%——60%:40%,竹原纤维的重量百分比以5%递增制成若干个复合材料的试样。作为与实施例2的对比例进行对比分析如表1所示。
表1、采用未经处理的竹原纤维与经过酶处理的竹原纤维的对比。
Figure 2012105533022100002DEST_PATH_IMAGE001
由表1可以看出:
1、未经过处理的竹原纤维和ES纤维的重量百分比从5%:95%——60%:40%,竹原纤维有增强作用,特别是竹原纤维含量为20%时强度最高,增加量为26.56%,所以一般竹原纤维的含量在20%左右比较理想。
2、将经过纤维素酶处理的竹原纤维和ES纤维的重量百分比从5%:95%——60%:40%,竹原纤维均有增强作用,特别是竹原含量为30%时强度增加50.62%,增强效果明显,所以经过纤维素酶处理后的竹原纤维的含量在30%左右最为理想。
 
实施例3:不同热压成型工艺条件下制备复合材料。
制备方法同实施例1,区别在于:分别变化热压成型时间以及热压成型温度,并分别测试其对拉伸强度的影响见表2。
表2、不同热压成型工艺参数的对比。
Figure 421398DEST_PATH_IMAGE002
 
由表2可以看出:
1、成型温度对复合材料的影响。
成型温度自140℃——190℃,复合材料的拉伸强度不断上升,且自160℃后,上升增幅变大,超过190℃时复合材料拉伸强度反而开始迅速下降。温度低于160℃时,ES纤维仅外层PE熔融,因为内包的PP熔点为160℃,基体内纤维相互连接不好,纤维间的黏着力也较差,其拉伸强度自然低。但由于温度不能过高,达到或超过粘合纤维的裂解温度,ES 纤维发生分解,板材内部分竹原纤维(分解温度为200℃)也会碳化或裂解,导致其脆性增加,其拉伸强度下降。所以如果只希望ES中外层PE熔融,内层的 PP与竹原纤维一同作为增强体,则将温度设置为150℃即可,因为150℃时复合材料的拉升强度与140℃时相比明显增加,增幅为23.37%。如果将整个ES纤维都作为基体,则温度设置在185-190℃左右即可。温度低于190℃,复合材料的拉伸强度还有提升的空间;但温度过高,拉伸强度反而下降。
2、成型时间对复合材料的影响。
不同成型时间与复合材料的拉伸强度关系与不同成型温度与复合材料的拉伸强度关系很相似,随时间(温度)增加,复合材料拉伸强度提高,然后再下降。分析二者相似之处,可以用“温-时等效性”来解释。时间增加其实质是提高复合材料内部热能的增加,则板材内ES 纤维熔融充分,含浸效果好,纤维间粘结强度增加,所以其拉伸强度提高;但随着时间(温度)增加,也会造成ES 纤维基体以及大麻增强纤维的裂解,复合材料拉伸性能下降,因此并不是时间(温度)愈长愈好。所有根据热压成型温度的高低,适当调整热压成型的时间,当热压成型温度控制在185-190℃,热压成型时间控制在10 min左右复合材料拉伸强度为最高。

Claims (9)

1.一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于,包括原料处理—开松混合—梳理铺网—针刺—模压成型,其中:
原料处理: 
竹原纤维在进行开松混合前,采用纤维素酶进行处理,处理工序如下:将竹原纤维浸泡于质量分数3%的纤维素酶溶液中1小时,pH值为5,温度60℃,用清水洗净后干燥;竹原纤维经纤维素酶处理后,强度为6.5-7.5cN/dtex,长度为30-50mm;
模压成型:
将竹原纤维和ES纤维混合好后,放入模具中进行热压成型,成型温度130℃—190℃,成型时间为5-20分钟。
2.根据权利要求1所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:所述竹原纤维和ES纤维的混合比例为按重量百分比5%:95%—60%:40%。
3.根据权利要求2所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:经过纤维素酶处理后的竹原纤维和ES纤维的混合比例为按重量百分比30%:70%。
4.根据权利要求1所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:所述ES纤维选择原料PE/PP,强度2.8-3.8cN/dtex,纤维表层PE熔点是1300C,纤维芯层PP熔点为1600C。
5.根据权利要求1所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:所述竹原纤维的长度接近ES纤维,对于较长的竹原纤维进行切断处理,切断长度为50±5mm。
6.根据权利要求1所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:所述热压成型温度为185℃,热压成型时间为10min。
7.根据权利要求1所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:热压成型前,先预热5-15min,然后在6MPa下保压3-9min,再调至12MPa下保压5-15min,得到热压型竹原增强复合材料。
8.根据权利要求1所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:在模压成型工序前,将竹原纤维和ES纤维依次经过开松混合、梳理铺网、针刺处理。
9.根据权利要求8所述的一种热压型竹原纤维增强复合材料的制备方法,其特征在于:
所述的开松混合:按比例分别称取竹原纤维和ES纤维,进行开松混合处理,开松混合处理流程为:开松机WL-GK-L-600--给棉机WL-J-500;
所述的梳理铺网采用梳理机WL-GS-A-600,输出薄网单位面积质量为20-30g/m2
所述的针刺流程:针刺机WL-ZGS.Z-Y-800--成卷机WL-800--针刺机WL-ZGS.Z-Z-800--成卷机WL-800,先采用低频率预刺工艺,再用高频主刺工艺加固,针刺深度为8.5mm。
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