CN108214712B - 一种高强可降解的交通工具外壳部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种高强可降解的交通工具外壳部件，其结构是包括2‑8层竹维管束纤维帘，或2‑8层竹维管束纤维毡，或2‑4层竹维管束纤维帘与1‑5层竹维管束纤维毡的复合结构;其制造方法，包括如下步骤：（1）竹维管束纤维的分离；（2）竹维管束纤维帘、竹维管束纤维毡的制作和施胶；（3）外壳部件的组坯和热压。优点：利用竹维管束的高强度力学性能，通过合理的结构设计，制造成高强可降解的交通工具外壳部件，来替代碳纤维和玻璃纤维，该种材料具有生物可降解、材料来源可持续，可以用酚醛胶等便宜胶粘剂来固化；成品表面美观、尺寸稳定性好、强度高、质量轻、生产效率高等优点，是一种可持续的循环经济，符合交通工具的发展趋势。

Description

一种高强可降解的交通工具外壳部件的制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种高强可降解的交通工具外壳部件及其制造方法，属木材工业中的人造板制造技术领域。
背景技术
许多人认为交通工具（汽车、船、飞机、火车）安全不安全，重要是车身牢固不牢固，钢板厚度越厚，也就越安全。但现代的轿车设计恰恰不是这样考虑，设计者从力学研究的角度出发，该柔软的地方就柔软，该刚硬的地方就刚硬，根据不同的受力状况，让部分车体在碰撞时起到吸能分散的作用，尽量减弱冲击力。已达到最大限度地保护驾驶员及成员的目的。目前改性塑料是最重要的汽车轻质材料，可减轻零部件约40%的质量，据说汽车四分之三的油耗是与整车重量有关，若重量下降10%，油耗及排放可分别下降8%及4%，2017年中国的汽车产销量已达到2940万辆，这就意味着需要更多的能源资源，降低交通工具的重量也就随之可以降低更多的能源消耗。目前塑料已经广泛地用于交通工具上来降低其重量、成本等。塑料的强度不高，有些高档车船和飞机已经开始使用碳纤维及玻璃纤维制品来增强，碳纤维的价高，且其配合使用的也是价格较高的树脂如环氧树脂等，玻璃纤维虽便宜，也存在需要较贵的树脂来胶合的问题，且这些纤维制品也存在加工过程和使用后的环保问题，寻找可以再生的纤维材料是解决此类问题的有效手段之一。
中国竹类资源丰富，约有竹类植物35属，近400种，面积、蓄积量均居世界第一，素有“竹子王国”之誉。现有竹林面积720万hm2，纯竹林占420万hm2，主要分布在长江流域、华南以及西南地区。竹材组织结构简单，维管束在竹杆壁上平行排列，形成独特直纹理结构，维管束间为薄壁细胞组成的基本组织，竹材单位面积内的维管束数量、纤维束排列方向以及纤维本身的强度是影响竹材强度的重要因素。通过文献已知：单根竹纤维的拉伸强度高达1770MPa（化学分离）、930MPa（机械分离）；维管束的拉伸强度达到470 MPa（机械分离），竹束纤维（通过化学离析或碾压疏解作用将竹材薄壁细胞分离形成的多个维管束在一起的竹丝纤维）拉伸强度达到610MPa（化学分离）。现有一种竹材高温饱和蒸汽来分离竹维管束，在温度为160℃以上的饱和蒸汽罐中，利用高温蒸汽的快速加热和湿热热处理，此时半纤维素在如此高的温度和湿度下迅速水解和热解，达到短时间将维管束之间结合力减弱的目的，此时基本组织中薄壁细胞已经破碎，很容易通过滚压等外力方式将竹材维管束之间分离开来，而竹黄和薄壁细胞变成粉末等碎料，其维管束纤维的直径为0.25-0.60mm，且维管束纤维经过高温热处理后，此时的竹纤维已具备尺寸稳定性好。这些维管束纤维的长度可以达到加工竹筒的长度，再将其通过编织帘，或剪成10-200mm短料后铺装成毡，在铺装在毡前的下落过程中对其施胶。
利用竹维管束的高强度力学性能，通过合理的结构设计，来满足交通工具外壳部件的强度和轻量化的要求。如汽车的保险杠，汽车的车门、顶部结构、行李舱盖，火车的车厢，船体材料，以及飞机的外壳部件。
将此种高强的维管束纤维材料施加热固性树脂，通过热压机一次模压成型，如需表面光洁和美观，可在其表背面覆贴树脂浸渍纸，成品将其边部修整后，无需油漆等二次表面处理。采用该方法生产的交通工具的外壳部件，其维管束纤维来源广泛，可以利用现在应用得较少的丛生竹和壁薄的毛竹竹梢等，如云南的巨龙竹、龙竹、黄竹，四川的慈竹，广东的青皮竹，福建的木竹等，且竹材的径级不限。
发明内容
本发明提出的是一种高强可降解的交通工具外壳部件及其制造方法，其目的旨在利用竹材中分离出来的高强竹维管束纤维，进一步制造高强可降解的交通工具外壳部件，来替代碳纤维和玻璃纤维。
本发明的技术解决方案：一种高强可降解的交通工具外壳部件，其结构包括多层竹维管束纤维帘，或包括多层竹维管束纤维毡，或包括多层竹维管束纤维帘与竹维管束纤维毡复合结构；
其制造方法包括如下工艺步骤：
（1）竹维管束纤维的分离；
（2）竹维管束纤维帘、竹维管束纤维毡的制作和施胶；
（3）外壳部件的组坯和热压。
本发明的优点：
（1）有效地利用具有生长快、周期短、年年可择伐、持续利用时间长的散生竹和丛生竹等竹材资源，且竹材的径级不限；
（2）竹维管束纤维具有尺寸稳定性好、防腐、防蛀和防霉等功效，编成帘和毡后，施加热固性树脂，且可以用价廉的酚醛胶等来固化。制得高强可降解的交通工具外壳部件；
（3）原材料来源广、尺寸稳定性好、生产效率高等优点，是一种可持续的循环经济，符合交通工具工业的发展趋势。
具体实施方式
一种高强可降解的交通工具外壳部件，其结构包括2-8层竹维管束纤维帘，或2-8层竹维管束纤维毡，或2-4层竹维管束纤维帘与1-5层竹维管束纤维毡复合结构。
所述的竹维管束帘为竹维管束纤维编织而成，厚度为1.0～5.0mm，该帘干燥至含水率10%以下，将其浸渍热固化型树脂胶，淋胶后采用卧式脱水机将胶甩干，并70℃以下干燥到含水率10-16%，该热固化型胶粘剂包括不饱和树脂、环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯等。
所述竹维管束纤维毡是将竹维管束纤维剪成10-200mm短料后，干燥至含水率10%以下，在铺装在毡前的下落过程中对其雾化施胶，制成竹维管束纤维毡；该竹维管束纤维毡的铺装可以是纤维的随机方向铺装，也可以是纤维的定向铺装；该胶粘剂包括不饱和树脂、环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯等，厚度为2.0～8.0mm。
所述的上下表层的外层还可以有一层树脂浸渍纸，树脂浸渍纸为酚醛树脂浸渍纸或浸渍布，该浸渍材料可以根据需要制得各种颜色。
所述的高强可降解的交通工具外壳部件的制造方法，包括如下工艺步骤：
1）竹维管束纤维的分离；
2）竹维管束纤维帘、竹维管束纤维毡的制作和施胶；
3）外壳部件的组坯和热压。
所述的步骤1）竹维管束纤维的分离，包括如下工艺：
长为600～5000mm新鲜竹筒放进压力罐内，向罐内通入温度为160～190℃高温饱和蒸汽，保持10～60min处理时间，处理好的竹材再将其通过多辊纵向碾压，或单辊横向碾压，或用锤击方法，将竹维管束之间分离开来，表层的竹青（竹壁的外侧皮层由外表皮、内表皮和内皮层三种不同形状的细胞构成，厚度约0.3mm）可以通过刮刀、钢丝刷等刷除，维管束间的基本组织中的薄壁细胞和竹黄变成碎料，得到高强竹维管束纤维，竹维管束纤维的直径为0.25-0.60mm，竹节处稍大。
所述的步骤2）竹维管束纤维帘、竹维管束纤维毡的制作和施胶，包括如下工艺：
①用缝纫机缝成厚度将竹维管束纤维编织成厚度为1-5mm的竹维管束纤维帘，长度和宽度可以根据需要来调节，并将含水率控制在10%以下；
②将竹维管束纤维帘浸渍热固化型树脂胶，淋胶后采用卧式脱水机将胶甩干，并70℃以下干燥到含水率12-18%，该热固化型胶粘剂为环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯等；
③将竹维管束纤维剪成10-200mm短料，干燥至含水率10%以下，在铺装成毡前的下落过程中对其雾化施胶，制成厚度为2.0～8.0mm竹维管束纤维毡。该竹维管束纤维毡的纤维铺装可以是随机方向铺装，也可以是定向铺装。该胶粘剂包括不饱和树脂、环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯等。
所述的步骤2）中竹维管束纤维帘的制作和施胶：竹维管束纤维用细线编织或用缝纫机缝成厚度为1.0～5.0mm的竹维管束纤维帘，长度和宽度根据需要来调节，该竹维管束纤维帘干燥至含水率10%以下，将其浸渍热固化型胶粘剂进行淋胶，淋胶后采用卧式脱水机将胶和溶剂（水或有机溶剂）甩干，或通过真空脱胶方法去除多余的胶粘剂，并于70℃以下干燥到含水率10-16%，该热固化型胶粘剂包括不饱和树脂、环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯中的一种或几种。
所述的步骤2）中竹维管束纤维毡的制作和施胶：竹维管束纤维毡是将竹维管束纤维剪成10-200mm短料后，干燥至含水率10%以下，在铺装成毡前的下落过程中对其雾化施胶，制成厚度为2.0～8.0mm竹维管束纤维毡；该竹维管束纤维毡的铺装是竹维管束纤维随机方向铺装或是定向铺装；施胶时采用的胶粘剂包括不饱和树脂、环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯的一种或几种。
所述的步骤3）外壳部件的组坯和热压，包括如下工艺：
在模板上组坯，表背层为竹维管束纤维帘，芯层为竹维管束纤维帘或竹维管束纤维毡；或全为竹维管束纤维毡构成，在板坯上下表层的外层还可以有一层树脂浸渍纸；将其板坯放在热压机中，在温度为130～180℃，压力为3～30MPa的条件下热压，保持2～15分钟，然后排汽卸压。将其四周边部加工，制得所述高强可降解的交通工具外壳部件。
本发明可将量大的竹材维管束纤维用作汽车的保险杠、车门、顶部结构、行李舱盖，火车的车厢，船体材料，以及飞机的外壳部件上，利用竹维管束的高强度力学性能，通过合理的结构设计，制造成高强可降解的交通工具外壳部件，来替代碳纤维和玻璃纤维，该种材料具有生物可降解、材料来源可持续，可以用酚醛胶等便宜胶粘剂来固化；成品表面美观、尺寸稳定性好、强度高、质量轻、生产效率高等优点，是一种可持续的循环经济，符合交通工具的发展趋势。
实施例1
一种高强可降解的汽车保险杠，其结构六层1.5mm厚的浸渍酚醛胶，并经干燥过的竹维管束纤维帘。
其制造方法如下：
①制得长度为1.5米长的分离竹维管束，将其干燥后，采用缝纫机用棉线将其缝成厚度1.5mm厚的竹维管束帘，并将含水率控制在10%以下。
②竹纤维帘浸渍醇溶性酚醛胶，淋胶后采用卧式脱水机将胶甩干，并于70℃以下干燥到含水率12-15%。
③将六层1.5mm厚竹维管束纤维帘铺装到专业保险杆模具中。将其板坯放在热压机中，在温度为145℃，最高压力为8MPa的条件下热压，保持8分钟，然后排汽卸压。将其四周加工，制得所述高强可降解的交通工具外壳部件。
经常规后期加工后，即可得到成品汽车保险杠，其物理力学性能如下：
MOR∥：≥ 200MPa
MOE∥：≥ 18000 MPa
密度： 0.95～1.20 g/cm3。
实施例2：
一种高强可降解的行李舱盖，其结构是上下表层从外至内各依次铺设一层酚醛树脂浸渍纸，5层3mm厚的竹维管束纤维毡，一层酚醛树脂浸渍纸。
①制得长度为3米长的分离竹维管束，将竹维管束纤维剪成80mm短料，干燥至含水率10%以下。
②在短料竹维管束下落成毡的过程中对其雾化施异氰酸酯胶，制成3mm厚竹维管束纤维毡，该竹维管束纤维毡的铺装可以是随机方向铺装。
③将竹维管束纤维毡剪裁成所需的形状，然后将5层竹维管束纤维毡铺装到汽车行李舱盖模具中。将其板坯放在热压机中，在温度为160℃，压力为5MPa的条件下热压，保持4分钟，然后排汽卸压。将其四周加工，制得所述高强可降解的汽车行李舱盖。
经常规后期加工后，即可得到成品汽车行李舱盖，其物理力学性能如下：
MOR∥：≥ 100MPa
MOE∥：≥ 9000 MPa
密度： 0.85～1.20 g/cm3。

Claims (2)

1.一种高强可降解的交通工具外壳部件的制造方法，所述交通工具外壳部件包括2-8层竹维管束纤维帘，或2-8层竹维管束纤维毡，或2-4层竹维管束纤维帘与1-5层竹维管束纤维毡的复合结构；所述制造方法其特征是包括如下工艺步骤：
1）竹维管束纤维的分离，包括如下工艺：长为300～5000mm新鲜竹筒放进压力罐内，向罐内通入温度为160～190℃高温饱和蒸汽，保持10～60min处理时间，表层的竹青通过刮刀、钢丝刷去除，处理好的竹材再将其通过多辊纵向碾压，或单辊横向碾压，或用锤击方法，将竹维管束纤维间的基本组织中的薄壁细胞以及最内层的竹黄变成碎料，完成竹维管束纤维之间分离；分离出的竹维管束纤维的直径为0.25-0.60mm，竹节处稍大，纤维长度与处理竹材相同；
2）竹维管束纤维帘、竹维管束纤维毡的制作和施胶；
所述竹维管束纤维帘是将竹维管束纤维用细线编织或用缝纫机缝成厚度为1.0～5.0mm的竹维管束纤维帘，长度和宽度根据需要来调节，该竹维管束纤维帘干燥至含水率10%以下，将其浸渍胶粘剂进行淋胶，淋胶后采用卧式脱水机将胶和溶剂甩干，或通过真空脱胶方法去除多余的胶粘剂，并于70℃以下干燥到含水率10-16%；
所述竹维管束纤维毡是将竹维管束纤维剪成10-200mm短料后，干燥至含水率10%以下，在铺装成毡前的下落过程中对其雾化施胶，制成厚度为2.0～8.0mm竹维管束纤维毡；所述竹维管束纤维毡的铺装是竹维管束纤维随机方向铺装或是定向铺装；
施胶时采用的胶粘剂包括环氧树脂、酚醛树脂、异氰酸酯的一种或几种；
3）外壳部件的组坯和热压，包括如下工艺：在模板上组坯，板坯的上下表层均为竹维管束纤维帘，板坯的芯层为若干层竹维管束纤维帘或若干层竹维管束纤维毡；或板坯全为竹维管束纤维毡构成；在板坯上下表层的外层还有一层树脂浸渍纸；将板坯放在热压机中，在温度为130～180℃，压力为3～30MPa的条件下热压，保持2～15分钟，然后排汽卸压；将其四周边部加工，制得高强可降解的交通工具外壳部件。
2.根据权利要求1所述一种高强可降解的交通工具外壳部件的制造方法，其特征是所述交通工具外壳部件的上下表层的外层还有一层树脂浸渍材料，树脂浸渍材料为酚醛树脂浸渍纸或浸渍布，所述树脂浸渍材料根据需要制作成各种颜色。
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