CN103786378A - 一种高强度板材及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强度板材及其生产方法，该板材至少包括一层非织造布，所述非织造布中含有聚乳酸纤维和天然麻纤维，且长度在45mm以下的天然麻纤维数量占板材的0～30%，45～250mm的天然麻纤维数量占板材的70～100%。本发明的板材具有强度高、尺寸稳定性好、环保性能突出的特点。

Description

一种高强度板材及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种高强度板材及其生产方法。

背景技术

近年来，由于汽车内饰、建筑家饰产品等都直接采用砍伐的木材制作而成的，造成森林砍伐严重而导致全球变暖及荒漠化。所以我们需开发一种利用自然界中资源最为丰富的天然植物纤维开发具有优良性能和价格便宜的板材。那么由天然植物纤维制得的板材其强度是必须要考虑的，板材的强度取决于纤维本身的强度、纤维之间的抱合度等。纤维间的抱合度与纤维的长度有关，如果采用较短的纤维，纤维与纤维之间的抱合度就差，制成的板材弯曲断裂强度低，受外力作用时，容易发生变形。另外，现有的板材大多是含有树脂的或采用不可再生的原料制成的，这对环境也会造成一定的污染。

如中国公开专利CN101812773公开了一种汽车内饰件复合材料及其生产方法，该专利采用普通的天然纤维与聚乳酸纤维混合，针刺成毡，预热成卷材，浸入含有各种处理剂的浆液，加热软化，冷压成板材。采用普通的天然纤维加工的板材首先并不能满足内饰件板材某些部位高强度及尺寸稳定性的要求；另外浸入浆液处理后的板材，各种浆液处理剂都是化学助剂，并不能满足低碳高环保的要求。

又如公开专利CN1227163公开了一种纤维板及其制造方法，该纤维板是由木质纤维素纤维和树脂组成的，虽利用木质纤维素长纤维相互缠结，短纤维交缠于长纤维的空隙中获得较高强度的纤维板，但是该专利中采用化学成分的物质作为粘合剂分散于纤维中进行加热、加压形成板材，在加工过程中对环境会造成污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强度高、尺寸稳定性好、环保性能突出的板材及其加工方法。

本发明的技术解决方案如下：本发明的高强度板材至少包括一层非织造布，所述非织造布中含有聚乳酸纤维和天然麻纤维，且长度在45mm以下的天然麻纤维数量占板材的0～30%，45～250mm的天然麻纤维数量占板材的70～100%。上述非织造布中的聚乳酸纤维起着粘着剂的作用，聚乳酸纤维最终是以聚乳酸基体的形式存在于板材中，天然麻纤维分散在聚乳酸基体中。其中天然麻纤维的长度在45～64mm占板材的30～50%，长度65～84mm占板材的25～45%，85mm以上的占板材的10～30%。如果长度在45mm以下的天然麻纤维占板材的比例大于30%，长度在45～250mm的天然麻纤维占板材的比例小于70%的话，短纤维占的比例较多，纤维与纤维之间抱合度就差，由于纤维之间的缠结程度对纤维板强度有着很大的影响，纤维的长度越短，板材的强度越低，尺寸稳定性越差，受力作用时，板材就容易发生变形。考虑到板材的强度及尺寸稳定性，天然麻纤维长度在45mm以下的优选占板材的0～20%，更优选0～10%，长度在45～250mm的优选占板材的80～100%,更优选90～100%。

本发明的高强度板材，上述聚乳酸纤维的含量为20～70重量%，天然麻纤维的含量为80～30重量%。如聚乳酸纤维的含量小于20重量%，作为粘着剂的聚乳酸纤维含量减少，会造成与天然麻纤维之间粘结性能不良；如果聚乳酸纤维的含量大于70重量%，聚乳酸纤维的含量增大，造成原料成本上升，同时板材尺寸稳定性差，而且由于对板材起主要强度作用的天然麻纤维含量减少，会造成板材强度偏低。

本发明的高强度板材，上述天然麻纤维为洋麻纤维、汉麻纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、亚麻纤维中的一种或几种。由上述纤维制成的板材经过长时间使用后，即使板材废弃后在自然界中也能被微生物完全分解，不会对环境造成污染。考虑到成本、效果等因素，优选洋麻纤维，洋麻纤维是麻类纤维中力学性能最好的，具有抗菌、耐热、耐晒的特点，而且价格相对便宜。同时，由洋麻纤维制成的板材用于装饰板材，发生破损时，如作为汽车内饰板材，当汽车受到剧烈碰撞饰布破损时，也不会出现锐角；其次，由洋麻纤维构成的板材还具有良好的抗噪音隔热效果，另外在同等质量条件下，由洋麻纤维构成的板材重量减少30%，能够达到节能环保的作用。

本发明的高强度板材的弯曲断裂强度大于55MPa。若板材弯曲断裂强度小于55Mpa，则不能满足某些领域对板材高性能的要求，如作为汽车内饰板在长期使用过程中，受较大负荷长期作用下，板材容易发生弯曲变形。

本发明的高强度板材的生产方法，包括如下步骤：

（1）天然麻纤维的制备：将沤麻后的天然麻皮经过一道梳理成天然麻纤维，将梳理后的天然麻纤维切割成65～250mm的切段纤维，将长度65～250mm的天然切段麻纤维采用浓度为0.5～1.5%的氢氧化钠处理0.5～2小时；

（2）非织造布的制备：采用20～70重量%聚乳酸纤维与80～30重量%的长度65～250mm天然切段麻纤维进行混合开松、送入喂棉箱，然后采用单锡林双道夫梳理成网或采用气流成网，再在总针刺密度为150～200针/cm²下进行针刺，最后制得非织造布；

（3）板材的制备：将至少一层非织造布在加热温度为170～230℃、压力为0.5～8MPa、时间为 2～15分钟条件下进行热压成型，最后制得板材。 

在上述步骤（1）中沤麻后的天然麻皮经过一道梳理形成天然麻纤维，如果梳理次数大于1道的话，对天然麻纤维的损伤大，在织造过程中纤维容易断裂，导致最终制得的板材中长度在45mm以下的麻纤维比例大于30%，这样形成的板材弯曲断裂强度就会低；如果沤麻后的天然麻皮不经过梳理直接加工成非织造布的话，麻皮中的胶体、杂质不能被去除，残留在非织造布的纤维表面，也会由于纤维之间抱合度小而导致板材弯曲断裂强度低，而且如果纤维表面杂质较多，杂质会产生难闻的臭气，形成的板材也会有气味，不能符合要求。  

将上述经过一道梳理后的天然麻纤维切割成长度为65～250mm的切段纤维，如果天然麻的切段纤维长度小于65mm的话，经过梳理针刺后，制得的非织造布中长度在45mm以下的天然麻纤维占的比例大于30%，较短的纤维大部分呈直线状，麻纤维之间抱合度小，相互缠结较少，难于得到高强度的板材；如果天然麻的切段纤维长度大于250mm的话，在梳理成网过程中由于纤维过长容易卷绕锡林，造成堵塞，影响织造的连续性。其中天然麻纤维切断长度优选75～150mm。 

为了能得到柔软的天然麻纤维，将长度65～250mm的天然切段麻纤维采用浓度为0.5～1.5%的氢氧化钠处理0.5～2小时。如果氢氧化钠浓度低于0.5%、处理时间小于0.5小时的话，不能很好的去除麻纤维表面的胶质和杂质，而且还不能得到柔软的天然麻纤维，硬的纤维相互缠结较少，难于得到高强度的板材。如果氢氧化钠浓度高于1.5%、处理时间大于2小时的话，虽能去除麻纤维表面的胶质和杂质，但过高浓度的氢氧化钠使得麻纤维受到很大的损伤，麻纤维本身的强度大大降低，这样也会影响最终板材的强度。而且采用高浓度氢氧化钠处理过的麻纤维会变得又细又软，纤维之间纠缠在一起，与聚乳酸纤维混合时，不能充分混合在一起；同时纠缠在一起的纤维梳理困难，梳理时不仅造成纤维断裂，制得的板材中短纤维占的比例较多，难于得到高强度的板材，而且还会缠绕锡林和道夫造成堵塞，影响织造的连续性。

在上述步骤（2）中梳理成网的方式采用单锡林双道夫梳理成网或气流成网的方式。如果锡林数量大于1个、道夫数量大于2个的话，对天然麻纤维的损伤很大；如果道夫数量小于2个的话，经过锡林梳理的纤维来不及及时从锡林剥离，容易造成堵塞，而且产量也会降低；采用气流成网的话，纤维损伤小，形成的非织造布经纬向密度差异小，最终制得的板材弯曲断裂强度高且经纬向强度差异小，板材尺寸稳定性好。考虑到板材的经纬向弯曲断裂强度的均匀性及板材尺寸稳定性，本发明的梳理成网方式优选采用气流成网。

在上述步骤（2）中总针刺密度为150～200针/cm²，如果总针刺密度小于150针/cm²的话，天然麻纤维与聚乳酸纤维之间抱合力小，形成的非织造布强度小，板材弯曲断裂强度低，受外力作用时，容易发生变形；如果总针刺密度大于200针/cm²的话，不仅会发生断针的现象，而且还会由于针刺密度过大，对天然麻纤维的损伤大，纤维之间的抱合力小，导致针刺后非织造布强度小，最终形成的板材弯曲断裂强度低。

将上述步骤（2）中制得的非织造布至少一层在加热温度为170～230℃、压力为0.5～8MPa、时间为 2～15分钟条件下进行热压成型，最后制得板材。如果加热温度高于230℃、加热时间长于15分钟的话，麻纤维容易变色受损；如果加热温度低于170℃、加热时间短于2分钟的话，聚乳酸纤维不能软化熔融或软化熔融不充分，对麻纤维的粘着效果不良，如果热压压力低于0.5MPa的话，板材成型性不好，影响成型的质量和板材的物性；如果热压压力高于8MPa的话，由于压力高，可能导致制得的板材变形。

根据实际需要，可以采用一层、两层或三层非织造布层叠进行加工成板材。制得相同克重的板材，可以采用一层非织造布加工成板材，也可以采用大于一层的非织造布层叠加工成板材，考虑到板材的整个幅宽长度方向的物性稳定，以及弯曲断裂强度大而且经纬向强度差异小，优选为两层或三层非织造布层叠，更优选为三层非织造布层叠。如果非织造布层叠数过多，大于三层的话，形成的板材容易剥离，弯曲断裂强度低。

通过上述方法制得的板材能够满足当今社会低碳高环保的要求；同时用上述方法制得的板材具有较高的弯曲断裂强度和尺寸稳定性，并能够根据不同的应用场合，如汽车内饰、建筑家饰等领域热压定型成各形状、规格尺寸的板材。

具体实施方式

通过以下实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于实施例，实施例中的各物性由以下方法测定。

【天然麻纤维的强度】

采用束纤维强度测试方法：将75mm长度的天然麻纤维集束，得到重量为4.5mg的束纤维，将束纤维在拉伸试验机上面进行拉伸，测试其断裂强力，然后再换算成断裂强度。拉伸距离为100mm，夹具移动速度为100mm/min。

【聚乳酸纤维的强度】

根据JIS L1015 8.7.1法测定。

【板材中天然麻纤维的长度】

将一块板材浸渍于三氯甲烷溶液中2小时，直至板材中的聚乳酸基体全部被溶解，然后用镊子将天然麻纤维小心夹取，再用直尺量取各根天然麻纤维长度。

【弯曲断裂强度】

根据三点弯曲试验，取板材尺寸：50mm×150mm，夹具移动速度：50mm/min，支点间距离：100mm进行测试。弯曲强度σf按照下面公式计算得出：σf= 3PL/2bh²，

 式中：     σf：弯曲强度（MPa）；

              P：施加的压力（N）；

              L：跨度（mm）；

              b：板材宽度（mm）；

              h：板材厚度（mm）。

实施例1          

（1）天然洋麻纤维的制备：将沤麻后的天然洋麻皮经过一道梳理成天然洋麻纤维，将梳理后的天然洋麻纤维切割成220mm的切段纤维，将长度220mm的天然洋麻纤维采用浓度为0.5%的氢氧化钠处理2小时；

（2）非织造布的制备：将强度4.8cN/dtex的聚乳酸纤维与强度3.5cN/dtex、长度220mm天然洋麻纤维以重量比为30：70进行混合，将混合后的纤维投入开松机内开松、送入喂棉箱充分混合，然后采用单锡林双道夫梳理成网，梳理后的纤维送入铺网机中交叉铺网，将铺好的网送入针刺机中，再在总针刺密度为160针/cm²下进行针刺，最后制得1500g/m²的单层非织造布；

（3）板材的制备：将上述制得的一层非织造布在加热温度为180℃、压力为7MPa、时间为 12分钟下进行热压成型，最后制得本发明的高强度板材，该板材的各物性参见下表1。

实施例2

（1）天然黄麻纤维的制备：将沤麻后的天然黄麻皮经过一道梳理成天然黄麻纤维，将梳理后的天然黄麻纤维切割成75mm的切段纤维，将长度75mm的天然黄麻纤维采用浓度为1%的氢氧化钠处理1小时；

（2）非织造布的制备：将强度4.6cN/dtex的聚乳酸纤维与强度3.2cN/dtex、长度75mm天然黄麻纤维以重量比为70：30进行混合，将混合后的纤维投入开松机内开松、送入喂棉箱充分混合，然后采用单锡林双道夫梳理，梳理后的纤维送入铺网机中交叉铺网，将铺好的网送入针刺机中，针刺成克重为750g/m²的非织造布，再将两层750g/m²的非织造布在总针刺密度为200针/cm²下复合针刺成1500g/m²的非织造布；

（3）板材的制备：将上述制得的两层复合非织造布在加热温度为220℃、压力为2MPa、时间为 3分钟下进行热压成型，最后制得本发明的高强度板材，该板材的各物性参见下表1。

实施例3

（1）天然苎麻纤维的制备：将沤麻后的天然苎麻皮经过一道梳理成天然苎麻纤维，将梳理后的天然苎麻纤维切割成150mm的切段纤维，将长度为150mm的天然苎麻纤维采用浓度为1.5%的氢氧化钠处理0.5小时；

（2）非织造布制备：将强度为5.2cN/dtex的聚乳酸纤维与强度为3.3cN/dtex、长度为150mm天然苎麻纤维以重量比50:50进行混合，将混合后的纤维投入开松机内开松、送入喂棉箱充分混合，然后采用气流成网，将形成的纤维网针刺成克重为500g/m²的非织造布，再将三层500g/m²的非织造布在总针刺密度为180针/cm²下复合针刺成1500g/m²的非织造布；

（3）板材的制备：将上述制得的三层复合的非织造布在加热温度为200℃、压力为5MPa、时间为6分钟下进行热压成型，最后制得本发明的高强度板材，该板材的各物性参见下表1。

实施例4 

（1）天然洋麻纤维的制备：将沤麻后的天然洋麻皮经过一道梳理成天然洋麻纤维，将梳理后的天然洋麻纤维切割成100mm的切段纤维，将长度为100mm的天然洋麻纤维采用浓度为1.2%的氢氧化钠处理0.8小时；

（2）非织造布制备：将强度为5.0cN/dtex的聚乳酸纤维与强度为3.0cN/dtex、长度为100mm的天然洋麻纤维以重量比50:50进行混合，将混合后的纤维投入开松机内开松、送入喂棉箱充分混合，然后采用气流成网，将形成的纤维网针刺成克重为750g/m²的非织造布，再将两层750g/m²的非织造布在总针刺密度为190针/cm²下复合针刺成1500g/m²的非织造布；

（3）板材的制备：将上述制得的两层复合的非织造布在加热温度为210℃、压力为4MPa、时间为8分钟下进行热压成型，最后制得本发明的高强度板材，该板材的各物性参见下表1。

比较例1

（1）天然洋麻纤维的制备：将沤麻后的天然洋麻皮经过二道梳理成天然洋麻纤维，将梳理后的天然洋麻纤维切割成75mm的切段纤维，将长度为75mm的天然洋麻纤维经过0.2%的氢氧化钠处理3小时；

（2）非织造布制备：将强度为4.8cN/dtex聚乳酸纤维与强度为3.5cN/dtex、长度为75mm的天然洋麻纤维以重量比30:70进行混合，将混合后的纤维投入开松机内开松、送入喂棉箱充分混合，然后采用双锡林双道夫梳理，梳理后的纤维送入铺网机中交叉铺网，将铺好的网送入针刺机中，再在总针刺密度为100针/cm²下进行针刺，最后制得1500g/m²的单层非织造布；

（3）板材的制备：将上述制得的一层非织造布在加热温度为190℃、压力为6MPa、时间为10分钟下进行热压成型，最后制得本发明的高强度板材，该板材的各物性参见下表1。

比较例2

（1）天然黄麻纤维的制备：将沤麻后的天然黄麻皮不经过梳理，直接切断为130mm的切段黄麻，经过2.5%的氢氧化钠处理0.3小时成130mm的天然黄麻纤维；

（2）非织造布制备：将强度为5.6cN/dtex聚乳酸纤维与强度为2.2cN/dtex、长度为130mm的天然黄麻纤维以重量比70:30进行混合，将混合后的纤维投入开松机内开松混合，然后送入喂棉箱充分混合，以单锡林单道夫梳理，梳理后的纤维送入铺网机中交叉铺网，将铺好的网送入针刺机中，针刺成克重为500g/m²的非织造布，再将三层500g/m²的非织造布在总针刺密度为250针/cm²下复合针刺成1500g/m²的非织造布； 

（3）板材的制备：将上述制得的三层复合的非织造布在加热温度为200℃、压力为4MPa、时间为8分钟下进行热压成型，最后制得本发明的高强度板材，该板材的各物性参见下表1。

比较例3 

（1）天然洋麻纤维的制备：将沤麻后的天然洋麻皮不经过梳理，直接切断为100mm的切段洋麻，且不经过NaOH处理；

（2）非织造布制备：将强度为4.5cN/dtex的聚乳酸纤维与未经梳理及NaOH处理的强度为3.8cN/dtex、长度为100mm的天然洋麻皮以重量比50:50进行混合，将混合后的纤维投入开松机内开松混合，然后送入喂棉箱充分混合，充分混合后的纤维通过气流成网，将形成的纤维网针刺成克重为375g/m²的非织造布，再将四层375g/m²的非织造布在总针刺密度为220针/cm²下复合针刺成1500g/m²的非织造布；

（3）板材的制备：将上述制得的非织造布在加热温度为210℃、压力为3MPa、时间为2分钟下进行热压成型，最后制得本发明的高强度板材，该板材的各物性参见下表1。

 表1

Claims (5)

1.一种高强度板材，其特征是：该板材至少包括一层非织造布，所述非织造布中含有聚乳酸纤维和天然麻纤维，且长度在45mm以下的天然麻纤维数量占板材的0～30%，45～250mm的天然麻纤维数量占板材的70～100%。

2.根据权利要求1所述的高强度板材，其特征是：所述聚乳酸纤维的含量为20～70重量%，天然麻纤维的含量为80～30重量%。

3.根据权利要求1或2所述的高强度板材，其特征是：所述天然麻纤维为洋麻纤维、汉麻纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、亚麻纤维中的一种或几种。

4.根据权利要求1或2所述的高强度板材，其特征是：该板材的弯曲断裂强度为55MPa以上。

5.一种权利要求1所述的高强度板材的生产方法，其特征是：包括如下步骤：

（1）天然麻纤维的制备：将沤麻后的天然麻皮经过一道梳理成天然麻纤维，将梳理后的天然麻纤维切割成65～250mm的切段纤维，将长度65～250mm的天然切段麻纤维采用浓度为0.5～1.5%的氢氧化钠处理0.5～2小时；

（2）非织造布的制备：采用20～70重量%聚乳酸纤维与80～30重量%的长度65～250mm天然麻纤维进行混合开松、送入喂棉箱，然后采用单锡林双道夫梳理成网或采用气流成网，再在总针刺密度为150～200针/cm²下进行针刺，最后制得非织造布；

（3）板材的制备：将至少一层非织造布在加热温度为170～230℃、压力为0.5～8MPa、时间为 2～15分钟条件下进行热压成型，最后制得板材。