CN105172268A - 木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板及制备方法 - Google Patents

木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板及制备方法，制备方法是：在实木板上依次缠绕底层混合织物、中层混合织物和表层混合织物，经模压机热压、冷却定型得到木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，底层混合织物由麻纤维和低熔点纤维制成；中层混合织物由高强高弹纤维和低熔点纤维制成，表层混合织物由表面改性处理的无机纤维和低熔点纤维制成。本发明的复合板与木材贴合复合牢度；吸收木材因随温度和湿度变化产生的形变能，提高木质复合材料的疲劳寿命；确保防火、防潮、防霉、防腐、防虫，防止FRP板基质光照老化；抗剥离，加工效率高；材料和结构有多种选择，降低生产成本。

Description

木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板及制备方法
技术领域
本发明属于复合材料及其制备方法，更具体地说，涉及木材用预织造混合织物结构及热塑型纤维增强木质板材。
背景技术
传统工程木质复合材料采用两步成型胶合法：首先制作纤维增强复合板(FiberReinforcedPlastics,FRP)，然后再把FRP板胶合在实木板上(CN2007101188874)。这种工程木质复合材料具有木材和FRP板间易剥离、增强板多层织物层间易剥离、FRP板树脂过度挤出、树脂先裂等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板。
本发明的第二个目的是提供一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的制备方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，用下述方法制成：在实木板上依次缠绕底层混合织物、中层混合织物和表层混合织物，经模压机热压、冷却定型得到木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，所述底层混合织物由麻纤维和低熔点纤维制成；所述中层混合织物由高强高弹纤维和低熔点纤维制成，所述表层混合织物由表面改性处理的无机纤维和低熔点纤维制成。
所述底层混合织物的层数为1-10层；中层混合织物的层数为1-10层；表层混合织物的层数为1-10层。
所述底层混合织物的制备方法为：将麻纤维和低熔点纤维切成短纤，将短麻纤维在50-150g/L浓度的烧碱水溶液中浸泡5-15分钟，水洗、抖松、烘干，然后在5-50g/L的硫酸水溶液中浸泡1-10分钟，水洗，抖松、烘干，和短低熔点纤维用和毛机开松3-6次，用梳理机将开松后的纤维梳理成网，叠合成第一种非织布；或以麻纤维为芯，采用低熔点纤维包络制成包芯混纺纱线，织成第一种织物；或用麻纤维制成的纱线为经纱，低熔点纤维制成的纱线为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第一种混合编织物；所述中层混合织物的制备方法为：将高强高弹纤维和低熔点纤维切成短纤，梳理成网，叠合成第二种非织布；或以高强高弹纤维为芯，采用低熔点纤维包络制成包芯混纺纱线，织成第二种织物；或用高强高弹纤维为经纱，低熔点纤维为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第二种混合编织物；所述表层混合织物的制备方法为：将表面改性处理的无机纤维和低熔点纤维切成短纤，梳理成网，叠合成第三种非织布；或以表面改性处理的无机纤维为芯，采用低熔点纤维包络制成包芯混纺纱线，织成第三种织物；或用表面改性处理的无机纤维为经纱，低熔点纤维为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第三种混合编织物。
所述麻为汉麻、苎麻或黄麻。
所述低熔点纤维为聚丙烯纤维或尼龙纤维。
所述高强高弹纤维为碳纤维、金属纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、锦纶纤维或腈纶纤维。
所述表面改性处理的方法为等离子刻蚀、酸碱刻蚀或/和硅烷偶联剂处理。
所述硅烷偶联剂处理的步骤是：将无机纤维浸入体积浓度为0.1％-15％的硅烷偶联剂KH550水溶液中，浸泡10-60分钟，取出烘干。
所述无机纤维为玄武岩玻璃陶瓷纤维、黑宝石纤维、蓝宝石纤维、石英纤维或碳纤维。
上述方法制备的木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板。
本发明的优点：
1)本发明所涉及的各层织物都由两种纤维构成，其中有用于承重的高性能纤维，有用于粘结的低熔点纤维，低熔点纤维热压熔化后就变成复合材料基质，以提高性价比和生产效率；
2)与木材贴合的底层混合织物采用麻纤维和低熔点纤维，热压熔融后低熔点纤维会在麻纤维和木材纤维微孔中形成胶钉，提高界面复合牢度；
3)中层混合织物由高强高弹纤维和低熔点纤维制成，以吸收木材和增强织物之间的剪切能；吸收能量，吸收木材因随温度和湿度变化产生的形变能，提高木质复合材料的疲劳寿命；
4)所述表层混合织物由表面改性处理的无机纤维和低熔点纤维制成，表层采用无机纤维，弥补木材易燃、易潮、易霉、易虫咬缺陷；
5)热压成型的木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，确保防火、防潮、防霉、防腐、防虫，防止FRP板基质光照老化；抗剥离，加工效率高；材料和结构有多种选择，可以根据用户需求优化，降低生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明，但并不对本发明作任何限制。
实施例1
一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，用下述方法制成：
在樟子松实木板上依次紧密缠绕底层混合织物3层、中层混合织物5层和表层混合织物2层(将织物缭绕实木板的两侧为1层)，经模压机在10MPa压力、195℃温度下热压12分钟、冷却定型得到木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，平均拉伸强度212MPa，载荷冲击峰值时的能量4.1J。
其拉伸断裂界面微观形态显示，苎麻纤维和聚丙烯纤维基质结合均匀，聚丙烯纤维热熔后包覆在苎麻纤维表面；随着聚丙烯基质以及苎麻纤维的受力伸长、变形，最终试样由于纤维的断裂而破坏，而不是因为纤维抽出而破坏，说明复合界面结合牢度高。
底层混合织物的制备：
将苎麻纤维切成短纤(长度60mm，拉伸强度800MPa)和聚丙烯纤维切成短纤(长度35mm、抗拉强度350MPa、熔点160℃)，将短切苎麻纤维在100g/L浓度的烧碱水溶液中浸泡10分钟，水洗、抖松，烘干，然后在25g/L的硫酸水溶液中浸泡5分钟，水洗，抖松、烘干，将处理后的苎麻短纤与聚丙烯短纤按2:8的质量比混合用和毛机开松5次，用梳理机将开松后的纤维梳理成网，叠合成第一种非织布；
中层混合织物的制备：
将碳纤维切成短纤(国产碳纤HF10短切丝长度60mm、抗拉强度3530MP)和聚丙烯纤维切成短纤切成短纤(长度35mm)，按2:8的质量比混合，梳理成网，叠合成第二种非织布；
表层混合织物的制备：
将玄武岩玻璃陶瓷纤维浸入体积浓度为0.8％的硅烷偶联剂KH550水溶液中浸泡30分钟，取出烘干切成短纤(长度60mm、拉伸强度6000MPa)；聚丙烯纤维切成短纤(长度35mm)，按2:8的质量比混合，梳理成网，叠合成第三种非织布。
实验证明，将短苎麻纤维在50g/L浓度的烧碱水溶液中浸泡15分钟，水洗、抖松，烘干，然后在5g/L的硫酸水溶液中浸泡10分钟；或将短苎麻纤维在150g/L浓度的烧碱水溶液中浸泡5分钟，水洗、抖松，烘干，然后在50g/L的硫酸水溶液中浸泡1分钟；替代本实施例的“将短苎麻纤维在100g/L浓度的烧碱水溶液中浸泡10分钟，水洗、抖松，烘干，然后在25g/L的硫酸水溶液中浸泡5分钟”，其它同本实施例，所获得的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的平均拉伸强度与本实施例相似。
实验证明，用汉麻或黄麻替代本实施例中的苎麻，其它同本实施例，所获得的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的平均拉伸强度与本实施例相似。
实验证明，用尼龙纤维替代本实施例的聚丙烯纤维，其它同本实施例，所获得的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的平均拉伸强度与本实施例相似。
实验证明，用金属纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、锦纶纤维或腈纶纤维替代本实施例的碳纤维，其它同本实施例，所获得的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的平均拉伸强度与本实施例相似。
实验证明，无机纤维表面改性处理的方法用等离子刻蚀、酸碱刻蚀或酸碱刻蚀结合硅烷偶联剂处理替代本实施例的硅烷偶联剂处理，其它同本实施例，所获得的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的平均拉伸强度与本实施例相似。
实验证明，硅烷偶联剂处理采用步骤：将无机纤维浸入体积浓度为0.1％的硅烷偶联剂KH550水溶液中，浸泡60分钟，取出烘干，其效果与本实施例的效果相似。
实验证明，用蓝宝石纤维、石英纤维或碳纤维替代本实施例的玄武岩玻璃陶瓷纤维，其它同本实施例，所获得的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的平均拉伸强度与本实施例相似。
实施例2
一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，用下述方法制成：
在辐射松实木板上依次紧密缠绕底层混合织物2层、中层混合织物2层和表层混合织物2层，经模压机在12MPa压力、200℃温度下热压12分钟、冷却定型得到木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，平均拉伸强度412MPa。
底层混合织物的制备：
用麻纤维制成的纱线(纱线细度28tex)为经纱，聚丙烯纤维制成的纱线(纱线细度92tex)为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第一种混合编织物；
中层混合织物(国产碳纤HF10/聚丙烯包芯缠绕纱)的制备：
在OSAKA型花式捻线机上形成聚丙烯缠绕的国产碳纤HF10芯纱。碳纤维长丝通过张力装置及前罗拉后进入空心锭子芯部成为芯纱，聚丙烯纱线的筒管置于空心锭子上与空心锭子一起转动，使聚丙烯纱线以一定的捻度包覆在芯纱上构成包芯缠绕复合纱线。用包芯缠绕复合纱线织成第二种织物平纹布。
表层混合织物的制备：
将黑宝石纤维浸入体积浓度为15％的硅烷偶联剂KH550水溶液中浸泡10分钟，取出烘干；
在OSAKA型花式捻线机上形成聚丙烯缠绕的黑宝石包芯纱。将处理过的黑宝石纤维通过张力装置及前罗拉后进入空心锭子芯部成为芯纱，聚丙烯纱线的筒管置于空心锭子上与空心锭子一起转动，使聚丙烯纱线以一定的捻度包覆在芯纱上构成包芯缠绕复合纱线。用包芯缠绕复合纱线织成第三种织物平纹布。
底层混合织物的制备还可以采用以麻纤维为芯，采用低熔点纤维包络制成包芯混纺纱线，织成第一种织物。
中层混合织物的制备还可以用高强高弹纤维为经纱，低熔点纤维为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第二种混合编织物。
表层混合织物的制备还可以采用以表面改性处理的无机纤维为经纱，低熔点纤维为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第三种混合编织物。
本实施例中底层混合织物的层数还可以选1-10层中的任意正整数；中层混合织物的层数还可以选1-10层中的任意正整数；表层混合织物的层数还可以选1-10层中的任意正整数。
实施例3
为了提高实施例1的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板的强度，利用真空辅助成型方法，在FRP板最外层用树脂复合两层黑宝石纤维单相布。
复合用树脂的配制：将环氧树脂E-51、酚醛胺环氧树脂和助剂活性二氧化硅混合，静置10分钟,进行抽真空排气泡处理，所述环氧树脂E-51、酚醛胺环氧树脂的重量比为100:30，环氧树脂E-51和酚醛胺环氧树脂的总和与二氧化硅的重量配比为100:5。
实验一组：将实施例1的产品覆盖两层黑宝石纤维单相布织物，利用真空辅助成型方法复合成型，干燥后形成有12层织物的复合板，其平均抗拉强度提高到250MPa；
实验二组为实施例1获得的产品；
实验三组为实施例2获得的产品；
将上述三组各10个样品共30个样品分别在沸水中煮3小时，30个样品的混合织物与木材之间无剥离现象，混合织物的层与层之间也无剥离现象。
本发明突破了传统FRP板增强木质复合材料织物层间剥离、FRP板和木材剥离、FRP板树脂过度挤出、树脂先裂等技术瓶颈。

Claims (10)

1.一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是用下述方法制成：在实木板上依次缠绕底层混合织物、中层混合织物和表层混合织物，经模压机热压、冷却定型得到木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，所述底层混合织物由麻纤维和低熔点纤维制成；所述中层混合织物由高强高弹纤维和低熔点纤维制成，所述表层混合织物由表面改性处理的无机纤维和低熔点纤维制成。
2.根据权利要求1所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述底层混合织物的层数为1-10层；中层混合织物的层数为1-10层；表层混合织物的层数为1-10层。
3.根据权利要求1所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述底层混合织物的制备方法为：将麻纤维和低熔点纤维切成短纤，将短麻纤维在50-150g/L浓度的烧碱水溶液中浸泡5-15分钟，水洗、抖松、烘干，然后在5-50g/L的硫酸水溶液中浸泡1-10分钟，水洗，抖松、烘干，和短低熔点纤维用和毛机开松3-6次，用梳理机将开松后的纤维梳理成网，叠合成第一种非织布；或以麻纤维为芯，采用低熔点纤维包络制成包芯混纺纱线，织成第一种织物；或用麻纤维制成的纱线为经纱，低熔点纤维制成的纱线为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第一种混合编织物；所述中层混合织物的制备方法为：将高强高弹纤维和低熔点纤维切成短纤，梳理成网，叠合成第二种非织布；或以高强高弹纤维为芯，采用低熔点纤维包络制成包芯混纺纱线，织成第二种织物；或用高强高弹纤维为经纱，低熔点纤维为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第二种混合编织物；所述表层混合织物的制备方法为：将表面改性处理的无机纤维和低熔点纤维切成短纤，梳理成网，叠合成第三种非织布；或以表面改性处理的无机纤维为芯，采用低熔点纤维包络制成包芯混纺纱线，织成第三种织物；或用表面改性处理的无机纤维为经纱，低熔点纤维为纬纱，采用接结和重组织结构，制作成第三种混合编织物。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述麻为汉麻、苎麻或黄麻。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述低熔点纤维为聚丙烯纤维或尼龙纤维。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述高强高弹纤维为碳纤维、金属纤维、UHMWPE纤维、芳纶纤维、锦纶纤维或腈纶纤维。
7.根据权利要求1、2所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述表面改性处理的方法为等离子刻蚀、酸碱刻蚀或/和硅烷偶联剂处理。
8.根据权利要求7所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述硅烷偶联剂处理的步骤是：将无机纤维浸入体积浓度为0.1％-15％的硅烷偶联剂KH550水溶液中，浸泡10-60分钟，取出烘干。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板，其特征是所述无机纤维为玄武岩玻璃陶瓷纤维、黑宝石纤维、蓝宝石纤维、石英纤维或碳纤维。
10.权利要求1-9之一的方法制备的木材用低熔点纤维基热塑型纤维增强复合板。
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