CN106752020A - 一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法。随着现今木质材料在使用过程中越来越追求其轻质高强性能，为了满足此性能，本发明选用轻质的植物纤维和树脂胶液为原材料采用硅橡胶软模上的缠绕方法经固化脱模得到由肋条构成的多层结构。制备过程包括浇注硅橡胶软模的木模、制备硅橡胶软模、制备芯模、装配模具、纤维预处理、纤维缠绕、固化成型、脱模和后处理等步骤。该点阵结构具有轻质高强、结构稳定性强、承载性能高、制造工艺简便的特点，应用于木结构建筑领域或更广领域。

Description

一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法
技术领域：
本发明属于轻质复合材料领域，涉及一种提高木质材料强度的结构设计，具体涉及一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构及其制备方法。
背景技术：
传统木质材料在实际工程领域中更多的是使用其建筑结构承重、装修与装饰、综合剩余利用的功能，很少考虑将其轻质高强化使用，从传统的细木工板芯层使用低密度木条填充实现减重，到空心刨花板利用板材中的孔洞实现轻质化的同时不改变强度，再到目前木塑复合材料通过木粉与塑料复合后挤出所需形状实现结构的可设计性同时兼具轻质高强的优良特性。
通过上述介绍可知复合材料的特点之一就是具有高的比强度和比模量，所谓比强度和比模量分别就是其强度(σ)和模量(E)与其密度(ρ)的比值，麻和竹等高性能植物纤维具有复合材料的该性能特点,遵循复合材料的设计原理，植物纤维适宜做复合材料的增强相。另一方面高性能植物纤维是一种丰富的、生长期短的可再生资源，并且是一种价廉的可降解有机纤维,目前植物纤维开发利用程度低，作为农业废料并未得到很好的开发利用，除国内麻类纤维用于衣物纺织早已商业化之外，其他领域应用极少，因此植物纤维在我国发展潜力巨大，综上植物纤维的工业利用利于环境保护和资源可持续发展。
植物纤维作为复合材料的增强相在国外以德国BASF公司的研究工作为例，采用黄麻、剑麻和亚麻纤维作为增强材料，与聚丙烯等热塑性塑料复合，制备出天然纤维增强热塑性塑料毡复合材料(NMTS)，国内连续竹增强复合材料目前以模压板材为主，以竹片为增强相，多以脲醛树脂或酚醛树脂为粘结基体相；东华大学、中山大学等进行了苎麻、剑麻纤维增强树脂的研究开发工作，主要在探索研究阶段。综合以上关于植物纤维复合材料的研究，可知使用其作为点阵结构件研究有所不足。
发明内容：
发明目的：本发明主要针对上述问题，提出一种可实现结构轻量化、结构稳定性强、力学性能好的植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构及其制备方法。
技术方案：一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述点阵结构是以植物纤维和树脂胶液为原料采用硅橡胶软模上的缠绕方法经固化脱模得到由肋条构成的多层结构。
所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述复合材料是以植物纤维作为增强体，以树脂作为基体，将植物纤维充分浸润树脂胶液得到的。
所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述植物纤维包括黄麻纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、菠萝麻纤维、剑麻纤维和竹麻纤维中的一种，将以上纤维单向捻成直径3～5mm的连续纤维束。
所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述树脂胶液包括酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯树脂中的一种。
所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述硅橡胶软模是由横向木条和与横向呈60°、120°的木条等距排列制成带有凹槽的木模上室温下浇注液体硅橡胶经室温固化制成，硅橡胶软模凸起正三角形硅橡胶块。
所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述缠绕方法是将硅橡胶软模与芯模固定，硅橡胶软模凹槽涂刷脱模剂硅油，复合材料通过缠绕机或手工引导按硅橡胶软模凹槽走向进行缠绕，同时缠绕过程中需要补充树脂胶液，直至将硅橡胶软模凹槽填实填满，在最外层包覆硅橡胶薄片将整体固定。
所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述固化脱模方法为将模具整体放入真空干燥箱中抽真空100～250摄氏度固化2～4h，冷却2～4h之后将芯模、硅橡胶薄片去掉，将肋条从硅橡胶软模中分离取出，得到点阵结构。
所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述点阵结构的肋条厚度t为3mm～25mm，肋条宽度w为5mm～20mm，同一取向的相邻肋条间距a为30mm～300mm。
有益效果：合理开发利用植物纤维高比强度和比模量特点，植物纤维与树脂相互复合，树脂起到传递应力、固定纤维的作用，单向纤维主要起到承载荷载作用；结构内部中空具有更大的利用空间从而达到节约材料、安置功能化器件等目的；可以通过改变硅橡胶软模凹槽深度、硅橡胶块间距、木模木条取向角度等参数满足不同承载条件下使用需求，设计不同点阵结构网格获得最大承载效率，达到轻质高强的目的。
附图说明：
图1是本发明具体实施方式实施例1的木模几何尺寸平面图；
图2是本发明具体实施方式实施例1的硅橡胶软模平铺立体结构示意图；
图3是本发明具体实施方式实施例1的硅橡胶软模包覆芯模立体结构示意图；
图4是本发明具体实施方式实施例1的复合材料圆筒点阵结构正视图；
图5是本发明具体实施方式实施例1的复合材料圆筒点阵结构立体结构示意图；
图6是本发明具体实施方式实施例1的复合材料圆筒点阵结构局部立体结构示意图；
图7是本发明具体实施方式实施例2的复合材料圆筒点阵结构正视图；
图8是本发明具体实施方式实施例2的复合材料圆筒点阵结构立体结构示意图；
图9是本发明具体实施方式实施例2的复合材料圆筒点阵结构局部立体结构示意图；
图例说明：1、圆筒状芯模；2、硅橡胶软模；a、相邻肋条间距；t、肋条厚度；w、肋条宽度；
具体实施方式：
以下结合说明书附图中复合材料圆筒点阵结构和具体实施例1、实施例2对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1
一种菠萝叶纤维酚醛树脂复合材料圆筒点阵结构，如图1～5所示，以菠萝叶纤维和酚醛树脂为原料采用硅橡胶软模上的缠绕方法经固化脱模得到由肋条构成的多层圆筒结构。
如图1中，木模几何尺寸平面图，整体长251.2mm，宽212.6mm，横向木条和与横向呈60°、120°的木条等距排列，木条宽5mm，木条围成正三角形凹槽，凹槽深度为12mm。将制备好的木模表面涂刷脱模剂硅油，将液态硅橡胶浇注到木模上室温固化，得到凸起正三角形硅橡胶块的硅橡胶软模，如图2所示。
按照硅橡胶软模尺寸，设计制备得到不锈钢圆筒状芯模，芯模直径80mm，壁厚2mm，母线长320mm。这里我们使用的植物纤维为菠萝叶纤维，菠萝叶作为一种农业废料，可以将其加工制成菠萝叶纤维(菠萝麻)，菠萝叶纤维由许多纤维束紧密结合而成，每个纤维束又由10～20根单纤维细胞集合组成，单纤维细胞呈圆筒形，两端尖，表面光滑，有线状中腔，纤维表面粗糙，有纵向缝隙和孔洞，横向有枝节，无天然扭曲。菠萝纤维外观洁白，柔软爽滑，手感如蚕丝，是一种优质的天然纤维原料。将菠萝叶纤维单向捻成直径3～5mm的连续纤维束，充分浸润酚醛树脂。
将硅橡胶软模卷到芯模上，刚好包覆芯模一周，将软模固定凹槽涂刷脱模剂硅油，复合材料通过手工引导按硅橡胶软模凹槽走向进行缠绕，缠绕方法为首先缠绕环向方向(即硅橡胶软模中横向凹槽)，然后再引导复合材料缠绕螺旋向方向(即硅橡胶软模中呈60°、120°的凹槽)，同时缠绕过程中需要补充酚醛树脂胶液，直至将硅橡胶软模凹槽填实填满，同一方向纤维张紧取向一致，最后在最外层包覆硅橡胶薄片将整体固定。
固化脱模方法为将缠绕好模具整体放入真空干燥箱中抽真空150摄氏度固化3.5h，在固化过程中酚醛树脂发生交联反应，形成大分子，同时菠萝叶纤维得到强化，冷却2～4h之后将硅橡胶薄片、芯模去掉，将肋条从硅橡胶软模中剥离取出，后处理去除固化多出的酚醛树脂、环向肋条和螺旋向肋条上不规则结构部分，即得到圆筒点阵结构。
实施例2
一种菠萝叶纤维环氧树脂复合材料圆筒点阵结构，如图6～8所示，以菠萝叶纤维和环氧树脂为原料采用硅橡胶软模上的缠绕方法经固化脱模得到由肋条构成的多层圆筒结构。
实施例2与实施例1过程基本相同，不同的为：
(1)树脂胶液为环氧树脂，并加入三氟化硼乙胺固化剂固化剂，按照环氧树脂、三氟化硼乙胺10：1比例混合，配制成树脂胶液。
(2)缠绕方法为缠绕机导丝头引导复合材料缠绕，只缠绕螺旋向肋条，仅在圆筒点阵结构最顶层和最底层手工缠绕环向肋条(如图7所示)。
(3)固化方法为将缠绕好模具整体放入真空干燥箱中抽真空180摄氏度固化3h，冷却2～4h。

Claims (8)

1.一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述点阵结构是以植物纤维和树脂胶液为原料采用硅橡胶软模上的缠绕方法经固化脱模得到由肋条构成的多层结构。
2.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述复合材料是以植物纤维作为增强体，以树脂作为基体，将植物纤维充分浸润树脂胶液得到的。
3.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述植物纤维包括黄麻纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、菠萝麻纤维、剑麻纤维和竹麻纤维中的一种，将以上纤维单向捻成直径3～5mm的连续纤维束。
4.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述树脂胶液包括酚醛树脂、脲醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂和聚氨酯树脂中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述硅橡胶软模是由横向木条和与横向呈60°、120°的木条等距排列制成带有凹槽的木模上室温下浇注液体硅橡胶经室温固化制成，硅橡胶软模凸起正三角形硅橡胶块。
6.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述缠绕方法是将硅橡胶软模与芯模固定，硅橡胶软模凹槽涂刷脱模剂硅油，复合材料通过缠绕机或手工引导按硅橡胶软模凹槽走向进行缠绕，同时缠绕过程中需要补充树脂胶液，直至将硅橡胶软模凹槽填实填满，在最外层包覆硅橡胶薄片将整体固定。
7.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述固化脱模方法为将模具整体放入真空干燥箱中抽真空100～250摄氏度固化2～4h，冷却2～4h之后将芯模、硅橡胶薄片去掉，将肋条从硅橡胶软模中分离取出，得到点阵结构。
8.根据权利要求1所述的一种植物纤维增强树脂基复合材料点阵结构的制备方法，其特征在于：所述点阵结构的肋条厚度t为3mm～25mm，肋条宽度w为5mm～20mm，同一取向的相邻肋条间距a为30mm～300mm。
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