CN104480619A - 黄麻纬编双轴向织物增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

黄麻纬编双轴向织物增强聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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周泽钦
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Abstract

本发明公开了一种黄麻纬编双轴向织物增强聚丙烯复合材料及其制备方法。本发明属于纺织领域，涉及纬编双轴向织物。所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料由黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤热压制得，所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料拉伸强度为46.3-102.4Mpa，弯曲强度为62.8-115.2Mpa。该类织物能够充分发挥纱线高强高模的特性，同时具有独特的优异的可成形性。本发明所述可再生黄麻纤维作为可再生性天然植物纤维不但可以作为木材的替代品，还可以部分取代玻璃等合成纤维。本发明所制备的黄麻纬编双轴向织物增强复合材料可以满足一般力学性能要求，特别是在民用方面，可作为非承力结构和部分承力结构部件，如室内装潢材料等，具有广阔发展前景。

Description

黄麻纬编双轴向织物增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纺织领域，特别涉及纬编双轴向织物。
背景技术
纺织结构复合材料由于其优异的力学性能和相对较低的价格，使其应用日益广泛。近年来，纺织复合材料几乎渗透到各个领域，如航空航天、车船制造、建筑行业、医疗卫生、体育用品等领域。为了减少在编织过程中对纤维的损伤以及由于屈曲降低承力作用，人们采用无屈曲织物(non-crimp Fabric，简称NCF)作为纺织复合材料的增强体。NCF由在特定方向上呈直线排列的纤维束层构成，纤维束以特定方向一根根排列，并使用较细的纱线用针织的方法将其固定起来。NCF织物除了减少对纤维的损伤外，也改善了层间剪切强度、损伤容限、厚度方向上的性能等，作为复合材料的增强结构，它既克服了机织物因纱线屈曲而导致的纱线性能利用率降低的问题，又改善了层合织物在使用中易于层间开裂的缺陷，因而具有广阔的发展前景。
纬编双轴向衬纱织物(Multi-layered Biaxial Weft Knitted Fabrics，MBWK)即是利用针织基本线圈结构将经纬向衬纱平直地绑缚在织物中，使两轴向衬纱呈现伸直状态，从而最大限度地发挥其增强性能。同时双轴向织物具有优异的拉伸性能及良好的可成形性，是目前综合性能很好的纺织复合材料增强结构。
国外目前对纬编双轴向织物的研究主要有两家：一是德国的德莱斯顿(Dresden)大学，是在V型横机上开发的以双层纬平针组织为绑缚系统的双轴向多层织物。另一家为美国南卡的COEAB公司，是在单针筒圆机上开发的以纬平针组织为绑缚系统的双轴向织物(衬经衬纬两层衬纱)，其结构与传统的衬经衬纬相同。MBWK增强织物在我国的发展时间很短，1999年天津工业大学复合材料研究所研制成功的，通过对v型横机的改造和设计而成功地开发出了以1+1罗纹组织为绑缚系统的MBWK织物目前最多可衬入五层衬纱，于2001年获得此产品的专利(申请号：00267570，公告号：2466179，该实用新型涉及轴向纬编织物，具体是以1+1罗纹组织为绑缚系统的双轴向纬编织物，其特征在于所述的绑缚系统6中至少织入衬纬纱1、2或3中的两层。该织物具有良好的力学性能，尤其是三维曲面(例如半球形)的可成型性优良，没有常规织物所常见的起拱或褶皱现象。用其作骨架，可以制成高档复合材料。)，现已用于空军头盔的生产。作者梁子青，邱冠雄，周庆等在纺织学报2010年第12期37-39页“纬编双轴向织物复合材料的弹道冲击响应”文章中对纬编双轴向衬纱机进行说明。
至此，我国具备了自主生产MBWK织物增强复合材料的能力。
黄麻纤维是一种韧皮纤维，源于自然、对环境无害、可生物降解，价格低廉，具有较高的比模量、比强度，适合制作较高承载要求的复合材料增强体。我国黄麻资源丰富，应用历史悠久，采用黄麻天然纤维替代或取代木材、玻璃纤维等材料做为聚合物复合材料的增强体，在净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物以及有效利用自然资源和材料的再资源化等方面具有积极意义。
目前黄麻产业用品主要以复合材料产品形式出现。黄麻复合材料具有成本低、模量高、耐冲击、耐腐蚀、绝缘性好和废旧品可回收等优点。可广泛用于建造房屋、谷仓、椅子、托盘、管件和游船等。黄麻土工布用于沙漠治理、控制水土流失的支撑布以及高速公路的护坡等。上世纪60年代起，国外就将黄麻及其织物用来增强热塑性和热固性树脂。印度在黄麻纤维复合材料研究方面一直走在世界前列，其绝大部分工作是将黄麻和橡胶复合，或者以黄麻作为填充物。无论是国内还是国外，关于麻纤维特别是黄麻纤维纬编双轴向衬纱织物增强热塑性聚丙烯复合材料的具体技术，至今尚未见相关的报道。
发明内容
针对实际需要和资源的充分利用，本发明拟解决的技术问题是，设计一种黄麻纬编双轴向织物，以及以该织物作增强支持体的黄麻/聚丙烯复合材料及其制造方法。它具有双向衬纱织物在经向及纬向优良的力学性能以及针织结构优良的抗拉伸、抗冲击性和能量吸收特性等特点。
本发明解决所述制造黄麻纬编双轴向衬纱织物的技术方案是：所选用的增强织物为纬编双轴向三层衬纱黄麻织物，中间一层为衬经纱，外面两层为衬纬纱。基础地组织为1+1罗纹组织，起到绑缚作用。衬纬纱被罗纹组织的圈柱握持，而衬经纱由两面的衬纬纱夹持，所述衬经纱和衬纬纱为黄麻纤维衬纱，织物中的黄麻纤维衬纱呈伸直状态。
因而该类织物能够充分发挥纱线高强高模的特性，同时具有独特的优异的可成形性。
这种组织的特点是：(1)结构简单，易于加工成型和工艺调整；(2)织物中的经纬衬纱平直排列，可充分发挥纤维的强度和刚度；增加复合材料的拉伸力学性能；(3)适合各种纱线，具有很好的可设计性和可混编性。
本发明黄麻纬编双轴向衬纱织物的制造方法与现有技术相比，选取了黄麻作为纬编双轴向织物的主要原料，可以充分利用黄麻优良的力学性能和资源优势；而利用纬编双轴向的编织方法来加工黄麻纬编双轴向衬纱织物，原料价格低廉，可以节约生产成本，开发新型优质的环保复合材料的增强体，同时不产生化学废弃物，对环境无污染。
本发明进一步解决所述制造复合材料技术问题的技术方案是：提供一种黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料及其制备方法；
所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料由黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤热压制得，所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料拉伸强度为46.3-102.4Mpa，弯曲强度为62.8-115.2Mpa；
黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料制造方法技术方案为：所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90-100℃，加压至(5-15)MPa，保压升温至150-160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
本发明所述黄麻纬编双轴向针织物与与聚丙烯短纤铺层数为3-7层，指黄麻纬编双轴向针织物与与聚丙烯短纤铺层数合计为3-7层；
黄麻纬编双轴向针织物与与聚丙烯短纤质量比为1∶1-2.3；
有益效果：
本发明方法所述复合材料的制造方法与现有技术相比，采用了黄麻双轴向织物与聚丙烯短纤均匀混合形成预制件，利用热压工艺制备复合材料。此方法易于操作，成本低廉，相对成型周期较短，产品厚度变化容易，制备过程中没有废弃物产生，有利于环境的保护，符合绿色生产的要求。
本发明所述可再生黄麻纤维作为可再生性天然植物纤维不但可以作为木材的替代品，还可以部分取代玻璃等合成纤维。本发明所制备的黄麻纬编双轴向织物增强复合材料可以满足一般力学性能要求，特别是在民用方面，可作为非承力结构和部分承力结构部件，如室内装潢材料等，将具有广阔的发展前景。
附图说明：
图1织针和纱线的位置配置示意图
图2热压机热压成型示意图
图3。复合材料热压成型工艺流程
具体实施方式
本发明所述黄麻纬编双轴向织物的织造方法，利用本校复合材料所研制的纬编双轴向衬纱机(梁子青，邱冠雄，周庆等.纬编双轴向织物复合材料的弹道冲击响应，纺织学报，2010，Vol.24(12)：37：39.)进行黄麻纬编双轴向织物的编织，见附图1。三组纱线的导纱器从前针床到后针床的排列顺序为：衬纬纱导纱器、衬经纱导纱器、针织纱导纱器。衬纬纱导纱器和针织纱导纱器安装在机头上，随三角座移动，成圈编织时从横向把针织纱和衬纬纱分别喂到针前和针后两个位置。经纱导纱器沿针床方向水平排列，每个导纱器位于两枚织针之间，导纱器间距与针距相同，从纵向喂入纱线。三种纱线在机器上的喂入形式见图1。其中1为衬经纱，2为衬纬纱，3为涤纶捆绑纱，4为织针。
编织成两种双轴向衬纱织物：一种衬纬纱密度为12根/英寸(H1)，；另一种衬纬纱密度为24根/英寸(H2)，两种织物中衬经纱密度均为12根/英寸。绑缚组织为1+1罗纹，绑缚组织3为涤纶捆绑纱。
本发明所述黄麻纬编双轴向织物增强复合材料的制造方法，特征在于该方法采用所述的黄麻双轴向织物作为复合材料的增强体，与聚丙烯树脂短纤以一定的质量配比，采用热压方法制造复合材料板材，见附图2。本发明所述制造黄麻/PP复合材料的方法为：分别采用上述两种黄麻纬编双轴向针织物作为增强体，以不同铺层数(3-7层)以及不同织物与树脂的质量配比(1∶1-1∶2.3)分别制备不同工艺的黄麻/PP复合材料板材。具体热压流程见图3.
下面给出本发明几个具体的实施例：
实施例1：以H1织物为增强体，H1织物与聚丙烯短纤按照质量比1∶1的比例进行热压制备三层合复合材料板材，热压温度变化区间为60℃-195℃。
所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到100℃，加压至10MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
实施例2：以H1织物为增强体，与聚丙烯短纤按照1∶2的比例进行热压制备三层层合复合材料板材，热压温度变化区间为60℃-195℃，所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至15MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
实施例3：以H1织物为增强体，与聚丙烯短纤按照1∶1.5的比例进行热压制备5层层层合复合材料板材，热压温度变化区间为60℃-195℃。
所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至15MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
实施例4：以H1织物为增强体，与聚丙烯短纤按照1∶2.3的比例进行热压制备五层层合复合材料板材，热压温度变化区间为60℃-195℃，热压压力区间为0-10Mpa。
所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至5MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
实施例5：以H1织物为增强体，与聚丙烯短纤按照1∶1的比例进行热压制备七层层层合复合材料板材，热压温度变化区间为60℃-195℃，热压压力区间为0-15Mpa。所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至15MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
实施例6：以H2织物为增强体，与聚丙烯短纤按照1∶1的比例进行热压制备三层层层合复合材料板材，热压温度变化区间为60℃-195℃，热压压力区间为0-5Mpa。所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至5MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
实施例7：以H2织物为增强体，与聚丙烯短纤按照1∶1的比例进行热压制备五层层合复合材料板材，热压温度变化区间为60℃-195℃，热压压力区间为0-10Mpa。所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至10MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
实施例8：以H2织物为增强体，与聚丙烯短纤按照1∶1的比例进行热压制备七层层合复合材料板材，热压温度区间为60℃-195℃，压力区间为0-15Mpa。所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至15MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
黄麻/PP复合材料板材性能测试与结果
拉伸及弯曲性能是复合材料最基本和重要的力学性能，其能够反映复合材料抵抗外界拉伸及弯曲力破坏作用能力的强弱。根据目前适用于纤维增强复合材料国家标准(GB1447-83)及(GB1499-83)分别对不同工艺板材进行测试。从测试结果分析可知，对于不同质量配比及不同层数的H1型织物增强板材拉伸强度为46.3-77.8Mpa，弯曲强度为62.8-92.2Mpa；对于相同质量配比、不同层数的H2型织物增强复合材料板材拉伸强度为62.3-102.4Mpa，弯曲强度为68.3-115.2Mpa。
本发明所述黄麻纬编双轴向织物增强复合材料力学性能远高于常用的木碎板(拉伸强度15-18Mpa，拉伸模量1.0-2.4Gpa(郑融，冼杏娟，叶颖薇，等.黄麻纤维/环氧复合材料基其性能分析[J].复合材料学报，1995，(1)：18-24.))，达到甚至超过同类植物纤维增强复合材料(具体见王瑞，焦晓宁，郭秉臣，等.亚麻纤维非织造布复合材料的研究与开发[J].纺织学报，2003，(5)：15-17；曾竟成，肖加余，梁重云，等.黄麻纤维增强聚合物复合材料工艺与性能研究[J].玻璃钢/复合材料.2001，(3)：30-33；刘丽妍，黄故.制备工艺对亚麻增强聚丙烯复合材料拉伸性能的影响.工程塑料应用.2005.Vol.33(10)：24-27.等)。

Claims (8)

1.一种黄麻纬编双轴向衬纱织物，其特征在于所述黄麻纬编双轴向衬纱织物中间层为衬经纱，外面两层为衬纬纱；基础组织为1+1罗纹组织，衬纬纱被罗纹组织的圈柱握持，衬经纱由两面的衬纬纱夹持，所述衬经纱和衬纬纱为黄麻纤维衬纱，且黄麻纤维衬纱在织物中呈伸直状态。
2.一种黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料，其特征在于所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料由黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤热压制得，所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料拉伸强度为46.3-102.4Mpa，弯曲强度为62.8-115.2Mpa。
3.如权2所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料，其特征在于所述黄麻纬编双轴向针织物与与聚丙烯短纤质量比为1.1-2.3。
4.如权2或3所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：所述的黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90-100℃，加压至(5-15)MPa，保压升温至150-160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
5.如权3所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于所述黄麻纬编双轴向针织物与与聚丙烯短纤铺层数为3-7层。
6.如权3所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于所述黄麻纬编双轴向针织物与与聚丙烯短纤质量比为1.1-2.3。
7.如权3或6所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于所述黄麻纬编双轴向针织物与与聚丙烯短纤质量比为1∶2。
8.如权3所述黄麻纬编双轴向针织物增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于所述黄麻纬编双轴向针织物与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄麻织物两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到90℃，加压至5MPa，保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压20min后自然冷却至室温即可。
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