CN103214865A

CN103214865A - 碳纤维木质电磁屏蔽材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103214865A
Application number: CN2013101388221A
Authority: CN
Inventors: 张冬妍; 孙丽萍; 张延林
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-07-24

Abstract

碳纤维木质电磁屏蔽材料及其制备方法，属于电磁屏蔽材料领域。本发明的碳纤维增强木质功能复合材料由拌胶碳纤维与拌胶木质纤维按照质量比为3:7~1:1的比例经热压模工艺制备而成，所述拌胶碳纤维由碳纤维和异氰酸酯按照质量比为10:1的比例混合而成，拌胶木质纤维由木质纤维和脲醛胶按照质量比为5:1的比例混合而成。本发明将碳纤维作为增强体与木质纤维材料（木材剩余物）在简单、有效的复合工艺方式下制备功能型木质复合材料，在提高木质复合材料力学性能的同时，赋予复合材料良好的导电性及电磁屏蔽特征，且实现废弃物再利用的木材优化使用目的。

Description

碳纤维木质电磁屏蔽材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁屏蔽材料领域，涉及一种建筑用木质功能复合材料及其制备方法，具体涉及一种用短切碳纤维作为增强体的具有电磁屏蔽功能的木质复合材料及其制备方法。

背景技术

木材是家喻户晓的传统建筑材料，也是备受人们青睐的装饰材料。在不可再生资源日益枯竭的今天，木材以其特有的固碳、可再生和调节室内环境等天然属性，以及强度—重量比高和加工能耗小等加工利用特性，为社会的可持续发展做出显著贡献。如何更好地利用这些特性并最大限度地限制其副作用，是木材科学家和工程技术专家长期努力解决的主要问题。

碳纤维作为先进复合材料最重要的增强材料，具有强度高、重量轻、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、耐疲劳、导电、传热、热膨胀系数小、可设计性好等许多其他结构元件无法企及的优异性能，在材料的复合应用以及当代工业的许多重要部门得到了广泛的重视。特别是近年来，随着碳纤维生产技术的进步，产量与日俱增，价格日趋下降，为建筑领域中的应用提供了良好空间。碳纤维复合材料的力学特点是应力应变关系完全线弹性，没有屈服点或塑性区。用碳纤维作为增强，木纤维作为基体复合的中密度纤维板结合了碳纤维的优点，对传统中密度纤维板的力学性能起到了很好的补强作用且具有良好的导电性和电磁屏蔽效能。

当前国内外对功能型木质复合材料的研究主要集中在木材金属导电复合材料的研究上，炭黑、磁粉、石墨或碳纤维布填充的木质非金属导电复合材料也有研究。普遍采用化合法或者填充法，目前存在如下问题：木材表面金属化工艺实现复杂；填充导电材料中金属纤维制造困难，金属丝网制板稳定性差；炭粉或者金属粒子的填加还需要多种偶联剂、活性剂等额外的添加剂；炭黑产品颜色黑，影响外观，要求粒度小；石墨对压力的依赖程度大，易受灰份含量的影响；使用碳纤维布增强木质材料成本高不适于大型生产等。这使木质导电复合材料的工业化生产受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种碳纤维木质电磁屏蔽材料及其制备方法。本发明利用碳纤维具有强度高、重量轻、耐高温、抗蠕变、耐腐蚀、耐疲劳、导电、传热、热膨胀系数小、可设计性好等多种优良性能，将其作为增强体与木质纤维材料（木材剩余物）在简单、有效的复合工艺方式下制备功能型木质复合材料，在提高木质复合材料力学性能的同时，赋予复合材料良好的导电性及电磁屏蔽特征，且实现废弃物再利用的木材优化使用目的。

本发明的碳纤维增强木质功能复合材料由拌胶碳纤维与拌胶木质纤维按照质量比为3:7~1:1的比例经热压模工艺制备而成，所述拌胶碳纤维由碳纤维和异氰酸酯按照质量比为10:1的比例混合而成，拌胶木质纤维由木质纤维和脲醛胶按照质量比为5：1的比例混合而成。

考虑纤维板的制成成本及将来的工业化生产需求，本发明所用的短切碳纤维是由碳纤维加工废料制成的，因为无其他特殊要求，长度为5mm或6mm都可以；木质纤维因为使用的是木材加工剩余物，所以用于制板时没有特殊要求，试验中所用的木质纤维是杨木的、桦木的木质纤维材料。

本发明将短切碳纤维、木材剩余物（木质纤维）及脲醛胶、异氰酸酯、丙酮等化学添加剂，经碳纤维分散处理、纤维拌胶、混合铺装，以热压模工艺方式制得碳纤维增强木质功能复合材料，具体步骤如下：

（一）将木质纤维与脲醛胶充分搅拌，混合均匀后形成拌胶木质纤维；

（二）取短切碳纤维与丙酮溶液混合，将碳纤维分散；

（三）将异氰酸酯与丙酮混合后溶液，与分散后的碳纤维充分混合形成拌胶碳纤维；

（四）将拌胶碳纤维与拌胶木质纤维充分搅拌，得到混合纤维，并在模具中均匀铺装，用预压机在1.8~2.5Mpa下预压2~3分钟；

（五）用热压机在165~175℃、12.5~15Mpa的条件下，热压处理5~7分钟，脱模后得到碳纤维增强木质电磁屏蔽混合板。

本发明制备的碳纤维木质电磁屏蔽材料具有如下优点：

（1）复合工艺简单，操作方便；

（2）采用短切碳纤维作为增强体，将其与木质纤维混合制板，使复合材料兼有良好力学和导电特性的同时，有效实现电磁屏蔽功能需求，500M~1.5GHz的频率范围内电磁屏蔽值达到30~52dB；

（3）甲醛释放量低于标准值要求，有利于环保。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式以含水率为6%的杨木木质纤维为基体材料，以拉伸强度为2.5~3.5Gpa、拉伸模量为220 Gpa的3K、6mm短切碳纤维为增强体材料混合热压制备复合材料，具体步骤如下：

（一）以喷雾施胶法将木质纤维与脲醛胶按照质量比为5:1的比例充分搅拌，混合均匀后形成拌胶木质纤维；

（二）取6mm短切碳纤维与丙酮溶液按照10:1的质量比混合，将碳纤维分散；

（三）将异氰酸酯与丙酮溶液按照1:2的质量比混合后，然后与分散后的碳纤维充分混合形成拌胶碳纤维，其中碳纤维和异氰酸酯的质量比为10:1；

（四）按照质量比为碳纤维和异氰酸酯的混合物：木质纤维和脲醛胶的混合物 =3:7的配合比例混合后充分搅拌，得到混合纤维，并在模具中均匀铺装，用预压机在1.8~2.5Mpa下预压2~3分钟；

（五）用热压机在165~175℃、12.5~15Mpa的条件下，热压处理5~7分钟，脱模后得到

Figure 2013101388221100002DEST_PATH_IMAGE002

碳纤维增强木质电磁屏蔽混合板。

本实施方式制备的碳纤维增强木质电磁屏蔽混合板是用国内生产厂家的生产剩余物为原料制成的纤维板，碳纤维采用的是国内生产航空碳纤维材料的生产厂家生产后的边角料制成的短切碳纤维，木质纤维是国内木材加工生产厂家生产后剩余的木质材料，生产成本低。制备工艺参照中密度纤维板的生产工艺，实现简单方便，适合工业大批量生产。碳纤维增强木质复合材料的力学性能、电磁屏蔽效能、甲醛排放量具体数据如下：

（1）碳纤维增强木质混合板的力学性能优于普通木质纤维板：

表1 力学性能

板型	密度(g/cm³)	吸水厚度膨胀率(%)	内结合强度（MPa）	静曲强度（MPa）	弹性模量（MPa）
						中密度纤维板MDF	0.669	13.86	0.5549	22.73	2726.64
碳纤维木质混合板3:7	0.698	10.01	0.6391	26.92	3965.86

（2）碳纤维增强木质混合板在500M~1.5GHz的频率范围内电磁屏蔽效能可以达到30~52dB，可面向抗静电、电磁屏蔽功能需求使用；

（3）基于光度法的甲醛水溶液的浓度测定：在波长为412nm时测吸光厚度后可知，甲醛释放量为2.44mg/100g，低于国家要求的30mg/100g标准，环境适用性好。

具体实施方式二：本实施方式以含水率为6%的杨木木质纤维为基体材料，以拉伸强度为2.5~3.5Gpa、拉伸模量为220 Gpa的3K、6mm短切碳纤维为增强体材料混合热压制备复合材料，按照实施方式（一）的方法步骤制板：

（一）以喷雾施胶法将木质纤维与脲醛胶按照5:1的质量比充分搅拌，混合均匀后形成拌胶木质纤维；

（三）将异氰酸酯与丙酮溶液按照1:2的质量比混合后，与分散后的碳纤维充分混合形成拌胶碳纤维，其中碳纤维和异氰酸酯的质量比为10:1；

（四）按照质量比为碳纤维和异氰酸酯的混合物：木质纤维和脲醛胶的混合物 =1:1配合比例混合后充分搅拌，得到混合纤维，并在模具中均匀铺装，用预压机在1.8~2.5Mpa下预压2~3分钟；

碳纤维增强木质电磁屏蔽混合板，其力学性能见表2。

表2 力学性能

板型	密度(g/cm³)	吸水厚度膨胀率(%)	内结合强度（MPa）	静曲强度（MPa）	弹性模量（MPa）
						中密度纤维板MDF	0.669	13.86	0.5549	22.73	2726.64
碳纤维木质混合板1:1	0.678	8.37	0.5575	22.89	3294.66

Claims

1.一种碳纤维增强木质功能复合材料，其特征在于所述复合材料由拌胶碳纤维与拌胶木质纤维按照质量比为3:7~1:1的比例经热压模工艺制备而成，所述拌胶碳纤维由碳纤维和异氰酸酯按照质量比为10:1的比例混合而成，拌胶木质纤维由木质纤维和脲醛胶按照质量比为5：1的比例混合而成。

2.根据权利要求1所述的碳纤维增强木质功能复合材料，其特征在于所述拌胶碳纤维与拌胶木质纤维的质量比为3:7，碳纤维和异氰酸酯的质量比为10:1，木质纤维和脲醛胶的质量比为5:1。

3.根据权利要求1所述的碳纤维增强木质功能复合材料，其特征在于所述拌胶碳纤维与拌胶木质纤维的质量比为1:1，碳纤维和异氰酸酯的质量比为10:1，木质纤维和脲醛胶的质量比为5:1。

4.根据权利要求1、2或3所述的碳纤维增强木质功能复合材料，其特征在于所述短切碳纤维是由碳纤维加工废料制成的，长度为5mm或6mm。

5.根据权利要求1、2或3所述的碳纤维增强木质功能复合材料，其特征在于所述木质纤维为杨木或桦木的木质纤维材料。

6.一种权利要求1所述的碳纤维增强木质功能复合材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：

（二）取短切碳纤维与丙酮溶液混合，将碳纤维分散；

（五）用热压机在165~175℃、12.5~15Mpa的条件下，热压处理5~7分钟，脱模后得到权利要求1所述的碳纤维增强木质电磁屏蔽混合板。

7.根据权利要求6所述的碳纤维增强木质功能复合材料的制备方法，其特征在于所述拌胶碳纤维与拌胶木质纤维的质量比为3:7，碳纤维和异氰酸酯的质量比为10:1，木质纤维和脲醛胶的质量比为5:1。

8.根据权利要求6所述的碳纤维增强木质功能复合材料的制备方法，其特征在于所述拌胶碳纤维与拌胶木质纤维的质量比为1:1，碳纤维和异氰酸酯的质量比为10:1，木质纤维和脲醛胶的质量比为5：1。

9.根据权利要求6、7或8所述的碳纤维增强木质功能复合材料的制备方法，其特征在于所述短切碳纤维是由碳纤维加工废料制成的，长度为5mm或6mm。

10.根据权利要求6、7或8所述的碳纤维增强木质功能复合材料的制备方法，其特征在于所述木质纤维为杨木或桦木的木质纤维材料。