CN108127979A - 一种三向正交结构的聚乳酸复合板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，包括正交放置的经纱、纬纱以及法向纱，法向纱垂直穿过每层经纱、纬纱，并将经纱和纬纱捆绑；经纱、纬纱以及法向纱的结构相同，且材料均为复合纤维，复合纤维包括包芯，包芯上包覆有外包层，包芯的材料为麻纤维，外包层的材料为聚乳酸纤维。聚乳酸纤维均匀的包覆在连续增强纤维外表面，能有效的改善聚乳酸树脂基体在材料中分布的不均匀性的问题，同时减少增强纤维束之间的浸渍距离，能显著提高浸渍效果。
Description
技术领域
本发明属于纤维复合材料技术领域，涉及一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，本发明还涉及该聚乳酸复合板材的制备方法。
背景技术
天然植物纤维增强聚乳酸树脂复合材料即为一种绿色复合材料，其中麻纤维为一种比较常用的天然纤维。麻纤维和聚乳酸为原料制备的复合材料，在满足复合材料的性能要求同时，由于其来源纯天然、可生物降解、无污染，能减少对石油的依赖性，缓解由二氧化碳引起的温室效应，从而落实可持续发展理念。在时代的背景下，必将拥有广阔的前景和丰厚的经济效益。
目前，麻纤维增强热塑性复合材料的增强体结构包括：短纤维、长纤维、非织造布、二维织物及其铺层，上述麻纤维增强的二维复合材料存在力学性能不高且力学无向性等问题，并且聚乳酸树脂基体在材料中分布不均匀性，浸渍效果差。纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法主要为熔融注塑法，熔融注塑法中有机溶剂会有大量挥发，造成环境污染，不利于环境的保护。
发明内容
本发明的目的是提供一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，能增强纤维束之间的浸渍距离，提高浸渍效果。
本发明所采用的技术方案是，一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，包括正交放置的经纱、纬纱以及法向纱，法向纱垂直穿过每层经纱、纬纱，并将经纱和纬纱捆绑；
经纱、纬纱以及法向纱的结构相同，且材料均为复合纤维，复合纤维包括包芯，包芯上包覆有外包层，包芯的材料为麻纤维，外包层的材料为聚乳酸纤维。
本发明的特点还在于，
聚乳酸纤维是由聚乳酸树脂基体制作成的连续纤维长丝。
麻纤维为苎麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维中任意一种或者至少两种的混合。
本发明的另一目的是提供上述聚乳酸复合板材的制备方法，解决了现有制备方法污染环境的问题。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种三向正交结构的聚乳酸复合板材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
步骤2、将复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱挂在织机上，开口运之后将纬纱引入织口，完成经纱和纬纱的交织，然后将法向纱按照规律运动将经纱和纬纱捆绑，形成三向正交结构的预制件；
步骤3、采用热压方式将三向正交预制件制成聚乳酸复合板材。
本发明的特点还在于，
步骤1中：复合纤维的密度为100tex～2000tex，聚乳酸纤维的质量百分比：20％～80％，麻纤维的质量百分比为20％～80％。
步骤2中三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：30-50根/10cm，纬向纱支的根数：20-40根/10cm，织物纤维体积含量为20％～80％。
步骤3中：热压方式为压机热压或真空袋热压。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的聚乳酸复合板材，聚乳酸纤维均匀的包覆在连续增强纤维外表面，能有效的改善聚乳酸树脂基体在材料中分布的不均匀性的问题，同时减少增强纤维束之间的浸渍距离，能显著提高浸渍效果；
(2)本发明的聚乳酸复合板材，其中除经纬纱之外在厚度方向引入法向增强纱线，法向纱在厚度方向上贯穿经纬纱所形成的叠层进而形成三维整体结构，能有效提高材料的层间抗冲击损伤的能力，并且正交的经纱和纬纱在织物中呈垂直排列，赋予材料方向性，织物中的纱线伸直排列，使复合材料具有优异的力学性能；
(3)本发明的制备方法，能提高麻纤维和聚乳酸纤维复合材料的力学和可加工性，生产效率高，适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明一种三向正交结构的聚乳酸复合板材的结构示意图；
图2为本发明一种三向正交结构的聚乳酸复合板材内复合纤维的结构示意图。
图中，1.经纱，2.纬纱，3.法向纱，4.包芯，5.外包层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，如图1所示，包括正交放置的经纱1、纬纱2以及法向纱3，法向纱3垂直穿过每层经纱1、纬纱2，并将经纱1和纬纱2捆绑；
经纱1、纬纱2以及法向纱3的结构相同，且材料均为复合纤维，如图2所示，经纱1包括包芯4，包芯4上包覆有外包层5，包芯4的材料为麻纤维，外包层5的材料为聚乳酸纤维。
聚乳酸纤维是由聚乳酸树脂基体制作成的连续纤维长丝。
麻纤维为苎麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维中任意一种或者至少两种的混合。
一种三向正交结构的聚乳酸复合板材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
包覆过程如下：
编织复合纤维所用的机器为国产KBL-24-2-90二维编织机，编织前，先将聚乳酸纤维绕在与机器相配套的特定纱管中，再将设定好数量的纱管放入纱锭中，麻纤维经过张力装置后完成准备工作；然后分别将聚乳酸纤维和麻纤维引入织机口进行编织，编织完成的复合纱线通过提取机构输出产品。在编织过程中，通过调节车速按钮将车速控制为100r/min～800r/min，优选300r/min～500r/min，通过调节织口位置的高低调节编织角度为20°～40°，优选30°，外包纱锭数为6锭～24锭，复合纤维线密度为100tex～2000tex，优选200tex～800tex，聚乳酸纤维的质量百分比为20％～80％，优选40％～60％，麻纤维的质量百分比为20％～80％，优选40％～60％。
步骤2、将经步骤1得到的复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱1挂在织机上，开口运之后将纬纱2引入织口，完成经纱1和纬纱2的交织，然后将法向纱3按照规律运动将经纱1和纬纱2捆绑，形成三向正交结构的预制件；
三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：30-50根/10cm，优选35-45根/10cm，纬向纱支的根数：20-40根/10cm，优选30-38根/10cm织物纤维体积含量为20％～80％，优选40％～60％。
步骤3、采用热压方式将将经步骤2得到的三向正交预制件制成聚乳酸复合板材。
热压方式为压机热压、真空袋热压或者其他可实施的热压方式。
采用平板硫化机热压，热压温度：160℃～195℃，热压时间：5min～25min，热压压力：3MPa～15MPa。
通过以上方式，本发明的聚乳酸复合板材，聚乳酸纤维均匀的包覆在连续增强纤维外表面，能有效的改善聚乳酸树脂基体在材料中分布的不均匀性的问题，同时减少增强纤维束之间的浸渍距离，能显著提高浸渍效果；本发明的聚乳酸复合板材，其中除经纬纱之外在厚度方向引入法向增强纱线，法向纱在厚度方向上贯穿经纬纱所形成的叠层进而形成三维整体结构，能有效提高材料的层间抗冲击损伤的能力，并且正交的经纱和纬纱在织物中呈垂直排列，赋予材料方向性，织物中的纱线伸直排列，使复合材料具有优异的力学性能；本发明的制备方法，能提高麻纤维和聚乳酸纤维复合材料的力学和可加工性，生产效率高，适合工业化生产。
实施例1
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
复合纤维的密度为100tex，聚乳酸纤维的质量百分比为30％，麻纤维的质量百分比为70％。
步骤2、将经步骤1得到的复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱1挂在织机上，开口运之后将纬纱2引入织口，完成经纱1和纬纱2的交织，然后将法向纱3按照规律运动将经纱1和纬纱2捆绑，形成三向正交结构的预制件；
三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：30-50根/10cm，纬向纱支的根数：20-40根/10cm，织物纤维体积含量为20％。
步骤3、采用热压方式将三向正交预制件制成聚乳酸复合板材；
将步骤2得到的三向正交结构的预制件裁剪成需要的尺寸后，将其放入烘箱中100℃烘干2h，再使用平板硫化机进行热压，热压温度：160℃，热压时间：5min，热压压力：3MPa，冷却后即得到聚乳酸复合板材。
实施例2
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
复合纤维的密度为200tex，聚乳酸纤维的质量百分比为40％，麻纤维的质量百分比为60％。
步骤2、将经步骤1得到的复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱1挂在织机上，开口运之后将纬纱2引入织口，完成经纱1和纬纱2的交织，然后将法向纱3按照规律运动将经纱1和纬纱2捆绑，形成三向正交结构的预制件；
三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：35根/10cm，纬向纱支的根数：30根/10cm，织物纤维体积含量为40％。
步骤3、采用热压方式将三向正交预制件制成聚乳酸复合板材；
将步骤2得到的三向正交结构的预制件裁剪成需要的尺寸后，将其放入烘箱中100℃烘干2h，再使用平板硫化机进行热压，热压温度：170℃，热压时间：10min，热压压力：5MPa，冷却后即得到聚乳酸复合板材。
实施例3
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
复合纤维的密度为800tex，聚乳酸纤维的质量百分比为60％，麻纤维的质量百分比为40％。
步骤2、将经步骤1得到的复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱1挂在织机上，开口运之后将纬纱2引入织口，完成经纱1和纬纱2的交织，然后将法向纱3按照规律运动将经纱1和纬纱2捆绑，形成三向正交结构的预制件；
三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：经密：45根/10cm，纬向纱支的根数：38根/10cm，织物纤维体积含量为60％。
步骤3、采用热压方式将三向正交预制件制成聚乳酸复合板材；
将步骤2得到的三向正交结构的预制件裁剪成需要的尺寸后，将其放入烘箱中100℃烘干2h，再使用平板硫化机进行热压，热压温度：190℃，热压时间：20min，热压压力：10MPa，冷却后即得到聚乳酸复合板材。
实施例4
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
复合纤维的密度为750tex，聚乳酸纤维的质量百分比为50％，麻纤维的质量百分比为50％。
步骤2、将经步骤1得到的复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱1挂在织机上，开口运之后将纬纱2引入织口，完成经纱1和纬纱2的交织，然后将法向纱3按照规律运动将经纱1和纬纱2捆绑，形成三向正交结构的预制件；
三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：48根/10cm，纬向纱支的根数：35根/10cm，织物纤维体积含量为50％。
步骤3、采用热压方式将三向正交预制件制成聚乳酸复合板材。
将步骤2得到的三向正交结构的预制件裁剪成需要的尺寸后，将其放入烘箱中100℃烘干2h，再使用平板硫化机进行热压，热压温度：185℃，热压时间：18min，热压压力：12MPa，冷却后即得到聚乳酸复合板材。
实施例5
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
复合纤维的密度为2000tex，聚乳酸纤维的质量百分比为70％，麻纤维的质量百分比为30％。
步骤2、将将步骤1得到的复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱1挂在织机上，开口运之后将纬纱2引入织口，完成经纱1和纬纱2的交织，然后将法向纱3按照规律运动将经纱1和纬纱2捆绑，形成三向正交结构的预制件；
三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：50根/10cm，纬向纱支的根数：40根/10cm，织物纤维体积含量为80％。
步骤3、采用热压方式将三向正交预制件制成聚乳酸复合板材；
将步骤2得到的三向正交结构的预制件裁剪成需要的尺寸后，将其放入烘箱中100℃烘干2h，再使用平板硫化机进行热压，热压温度：195℃，热压时间：25min，热压压力：15MPa，冷却后即得到聚乳酸复合板材。
将层合包芯纱复合材料与本发明的聚乳酸复合板材的性质进行对比，结果如下表(拉伸、弯曲和层间剪切强度测试分别参照标准GB/T 1447-2005、GB/T 1449-2005和ASTMD2344-D2344M)：
上表中对比例为层合包芯纱复合材料，实施例1-3均为本发明制备得到的聚乳酸复合板材；
通过对比例和实施例的比较可以明显的看出，与层合包芯纱复合材料相比，本发明的聚乳酸复合板材拉伸、弯曲和层间剪切强度均有提高；将实例2、3、4进行对比可知，纤维体积含量对织物的力学性能有很大影响，对比对比例与实例3可知，本发明的聚乳酸复合板对复合材料的力学性能有明显的增强效益。
Claims (7)
1.一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，其特征在于，包括正交放置的经纱(1)、纬纱(2)以及法向纱(3)，法向纱(3)垂直穿过每层经纱(1)、纬纱(2)，并将经纱(1)和纬纱(2)捆绑；
所述经纱(1)、纬纱(2)以及法向纱(3)的结构相同，且材料均为复合纤维，所述复合纤维包括包芯(4)，所述包芯(4)上包覆有外包层(5)，所述包芯(4)的材料为麻纤维，所述外包层(5)的材料为聚乳酸纤维。
2.如权利要求1所述一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，其特征在于，所述聚乳酸纤维是由聚乳酸树脂基体制作成的连续纤维长丝。
3.如权利要求1所述一种三向正交结构的聚乳酸复合板材，其特征在于，所述麻纤维为苎麻纤维、亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维中任意一种或者至少两种的混合。
4.如权利要求1所述的三向正交结构的聚乳酸复合板材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、将聚乳酸纤维包覆在麻纤维上，制成复合纤维；
步骤2、将复合纤维在三维编织机上织造成三向正交结构的预制件；
织造过程中：先将经纱(1)挂在织机上，开口运之后将纬纱(2)引入织口，完成经纱(1)和纬纱(2)的交织，然后将法向纱(3)按照规律运动将经纱(1)和纬纱(2)捆绑，形成三向正交结构的预制件；
步骤3、采用热压方式将三向正交预制件制成聚乳酸复合板材。
5.如权利要求4所述的一种三向正交结构的聚乳酸复合板材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中：复合纤维的密度为100tex～2000tex，聚乳酸纤维的质量百分比：20％～80％，麻纤维的质量百分比为20％～80％。
6.如权利要求4所述的一种三向正交结构的聚乳酸复合板材的制备方法，其特征在于，所述步骤2中三向正交结构的预制件的结构参数为：经向纱支的根数：30-50根/10cm，纬向纱支的根数：20-40根/10cm，织物纤维体积含量为20％～80％。
7.如权利要求4所述的一种三向正交结构的聚乳酸复合板材的制备方法，其特征在于，所述步骤3中：热压方式为压机热压或真空袋热压。
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