CN108342834A - 一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料及制备方法。利用“纤维提取‑互穿网络纤维毡制备”两个步骤制备，将竹子去青，去节，放入熟石灰溶液中浸泡，待竹片软化以后，取出拍打，冲洗，用碾压机多次碾压，梳理去除薄壁组织，最后得到长竹纤维束；将长竹纤维束与聚合物纤维开松打散，混合均匀，然后将木纤维、长竹纤维束和聚合物纤维进行混合，采用气流铺装成网，再利用针刺机对该三维网坯上下两面进行针刺，制得柔性互穿网络多孔材料。该柔性材料的面密度≤2200g/m2，并且材料上下表面的针刺密度大于25刺/cm2。本发明可推动竹纤维产业的发展，将竹纤维应用到车用复合材料领域，为解决我国竹纤维应用问题提供新思路。

Description

一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料及制备方法
技术领域
本发明涉及柔性互穿网络多孔材料及其制备方法，具体涉及一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料及制备方法，利用“纤维提取-互穿网络纤维毡制备”两种工 艺制得可用于模压的柔性互穿网络多孔材料，本发明可将竹纤维应用到车用复合材 料领域，推动竹纤维产业的发展。
背景技术
近十年是中国汽车产业快速发展时期，成为世界汽车生产第一大国。随着人们 对环境保护的重视和大量汽车报废周期的到来，如欧美发达国家一样，汽车部件的 可降解和环境友好性已成为我国汽车工业发展的新的关注点。汽车工业发达的欧洲 国家，多年前就开始关注天然植物纤维及其复合材料在汽车部件中的应用。
目前汽车内衬部件中，国内一些汽车内饰件生产厂家也已经开始采用玻璃纤 维、天然纤维复合材料制作门衬板、仪表板衬件、后搁板等部件。其制备工艺技术 主要是通过将玻璃纤维或者麻纤维和聚丙烯等树脂混合，模压制备成各种内饰产 品。由于采用了可降解的麻纤维，因此是一种绿色环保材料。虽然麻纤维虽有较好 的纤维形态，但由于生产过程中产生的味道，并且生产麻纤维时需要经过沤麻这一 步骤，容易导致水体散发恶臭，造成大量的水体环境污染，而且麻纤维味道极大， 影响其在汽车中的大量应用，前景不好。欧美高档汽车主要用木纤维复合工程材料， 其制备工艺是采用木纤维作为增强材料，使用热固性树脂作为基体。2000年，欧盟 出台了一份指导文件(2000/53/CE)，明确指出车辆报废之后，可再利用的材料要达 到85％，热固性树脂是一种不可二次利用的高分子材料，目前只能通过深埋或者焚 烧方式处理。因此使用木纤维复合工程材料不符合当前环保政策的要求，势必在未 来遭到淘汰，因此有必要拓宽车用复合材料中增强纤维的来源。
专利授权号CN 102896843 B(用于制作汽车内饰件的竹纤维复合基材及内饰件制造方法)公开了一种以热塑性合成纤维为粘接基体，竹纤维为增强材料制备的汽 车内饰件，其采用机械、物理、生物方法制备竹纤维，没有经过软化工序，纤维强 度太硬，只能采用机械铺装机铺装成板坯，然后通过连续式辊压机压制成薄板。该 生产工艺只能适合生产平板类材料，不能用于生产异形结构的车用板材，并且所使 用的竹纤维由于长度长且硬，压制成薄板势必导致板材中存在大量孔隙，不利于提 高复合材料的力学性能。
专利CN 106042414 A(一种木纤维二次模压法制备汽车内饰模压型材工艺) 公开了一种木纤维模压制备汽车内饰件的技术，但是该技术使用的胶黏剂为酚醛树 脂、异氰酸酯等热固性树脂材料，不符合汽车工业对车用复合材料的要求。
专利授权号CN 1265049C公开了一种采用木纤维、麻纤维和合成纤维制备得到 的复合材料。该材料在制备过程中，木纤维含有酚醛粘合剂、三聚氰胺粘合剂、异 氰酸酯粘合剂中的一种或多种，制备得到的复合材料含有大量比例的不可二次使用 的热固性树脂和大量生产过程中带来环境污染且味道极大的麻纤维，使得这种复合 材料不能在汽车工业当中得到广泛使用。
中国竹材资源丰富，竹子生长迅速，且竹材纤维素含量高(一般45％～55％)， 竹材力学强度高，从竹材中提取出竹纤维是推动竹产业发展的重要方向。竹纤维内 部结构疏松多孔，存在很多贯通的微型通道，被誉为一种“会呼吸的材料”，这种独 特的性质在保持空间表里湿度平衡、提高人居舒适度方面也发挥了主要的效果，而 且竹纤维也有较长的纤维形态，接近于麻纤维，因此，非常有必要研究将竹材纤维 用于汽车部件的可行性，发明具有高性能高附加值竹纤维复合材料，拓展汽车部件 中天然植物纤维复合材料的用量，满足汽车产业对环境友好型天然植物纤维复合材 料的新需求。
发明内容
为了解决上述提到的技术问题，本发明提供了一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法及由该方法制备的材料。采用木纤维、竹纤维与聚合物纤维为 原料，制备出一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料。本发明通过木纤维、长竹 纤维束、聚合物纤维进行复合，制备出一种含有木纤维/长竹纤维束/聚合物纤维的 可用于模压的柔性互穿网络多孔材料，然后对该材料进行模压，可制备出高附加值 的木/竹纤维复合材料，可以将其用于各种模压制品，如汽车内衬部件、模压装饰材 料，拓宽竹材应用领域，实现木竹材料的高附加值利用。
一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)纤维提取工序：将竹子去青，去节，放入熟石灰溶液中浸泡，待竹片软 化以后，取出拍打，冲洗，用碾压机多次碾压，梳理去除薄壁组织，最后得到长竹 纤维束，竹纤维束长度≥50mm；
(2)互穿网络纤维毡制备工序：将长竹纤维束与聚合物纤维开松打散，混合 均匀，然后将木纤维、长竹纤维束和聚合物纤维进行混合，采用气流铺装成网，再 利用针刺机对该三维网坯上下两面进行针刺，针刺密度≥25刺/cm2，最终制得柔性 互穿网络多孔材料。
步骤(1)中，所述的熟石灰溶液是采用生石灰放入水中溶解、反应、熟化之 后形成的溶液，所述浸泡的时间为1天-2个月。
步骤(2)中，所述的木纤维是从常规木材中研磨制备得到的，如将木材、枝 丫材、小径材等磨浆制得木纤维；木纤维的含水率在15％(质量％)以下。
所述的竹子是1-3年生的毛竹、慈竹、绿竹、单竹、四季竹、斑竹和楠竹等竹 种中的一种或几种；所述的长竹纤维束由多根竹纤维组成，竹纤维由维管束组成， 是竹子中去掉大部分薄壁组织后剩下的部分。所述的长竹纤维束的长度(即竹纤维 长度)优选为50mm-100mm，更优选为mm-80mm。竹纤维束的含水率在15％(质 量％)以下。
所述的聚合物纤维是指聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维中的一种或者几种的 混合。
混合时，木纤维和长竹纤维束占总纤维质量的比例为30％-70％之间，聚合物纤维占总纤维质量的比例为70％-30％之间；优选的木纤维和长竹纤维束占总纤维质量 的比例为40％-60％，更优选的木纤维和长竹纤维束占总纤维质量的比例为 45％-55％。其中，木纤维占木纤维和长竹纤维束(竹纤维)质量总和的5％-95％， 优选的木纤维占木纤维和竹纤维质量的比例为10％-80％，更优选的木纤维占木纤维 和竹纤维重量的比例为30％-60％。
针刺时，使用钩针于Z方向插入混合纤维中，将部分纤维钩住并固定于Z方向， 使得混合纤维在XYZ三个方向互相穿插，形成三维蓬松互穿网络纤维毡。所述的 针刺是指对三维蓬松互穿网络纤维毡网坯的上下两个表面都进行针刺，针刺密度≥ 25刺/cm2，优选的针刺密度≥50刺/cm2。
该方法制得的柔性互穿网络多孔材料的面密度小于或者等于2200g/m2，优选的面密度为1500-2000g/m2。
本发明主要采用以下两种工序步骤，严格规定工艺参数，制备出符合要求的柔 性互穿网络多孔材料：
(1)纤维提取工序：将木材、枝丫材、小径材等磨浆制得木纤维；将1-3年生 竹子去青，去节，放入熟石灰溶液中浸泡，待竹片软化以后，取出拍打，冲洗，碾 压机多次碾压，梳理去除薄壁组织，最后得到长竹纤维束，竹纤维束长度50mm-100 mm；所述的两种纤维的含水率在15％以下。
(2)互穿网络纤维毡制备工序：将柔韧长竹纤维束与聚合物纤维开松打散， 混合均匀，然后将木纤维、长竹纤维束、聚合物纤维进行混合，再采用气流铺装成 网，最后使用钩针于Z方向插入混合纤维中，将部分纤维(主要是长竹纤维束和聚 合物纤维)钩住并固定于Z方向，使得混合纤维(主要是长竹纤维束和聚合物纤维) 在XYZ三个方向互相穿插，形成三维蓬松互穿网络纤维毡，再利用针刺机对该三 维网坯上下两面进行针刺且针刺密度大于25刺/cm2，最终制得柔性互穿网络多孔 材料的面密度小于或者等于2200g/m2。
本发明要求对三维网坯上下两面进行针刺，并且针刺大于25刺/cm2从而保证 竹纤维和聚合物纤维在网络多孔材料中均匀相互穿插、缠结，才能保证复合材料具 有较高的力学强度，并且多孔材料的面密度要求小于或等于2200g/m2，才能满足汽 车轻量化的要求。
进一步地，将复合纤维毡采用高温低压工艺进行软化和预压，使得聚合物纤维 熔融，并将熔融复合毡预压成片材；再将预压的片材装入模具中，采用低温高压工 艺进行冷却和定型，制得车用复合材料。
其中，所述的高温低压工艺为将复合纤维毡放入高温设备中加热，使得聚合物 纤维熔融，然后低压将熔融复合毡预压成片材。高温低压工艺中，温度为150-220℃ 之间，压力为1-5MPa，加热时间为2-5min；优选的加热温度为180-200℃，压力 为1.5-4MPa，加热时间为1.5-3min。预压成片材是指将蓬松的复合毡压实，有利 于热量的传递。
其中，所述的低温高压工艺是指将预压软化的片材放入模具中压制成产品。低 温高压工艺中，温度为20-50℃，压力为5-20MPa，时间为1-5min。优选的，温度 为20-40℃，压力为10-15MPa，时间为2-3min。
制得车用复合材料表面光滑，复合材料静曲强度为≥35MPa，复合材料极限氧 指数≥27％。
本发明的优点：
本发明采用木纤维、竹纤维束、聚合物纤维为原料制备成柔性互穿网络多孔材料，多孔材料的制备经过针刺工艺技术，要求对材料上下两个表面都进行针刺密度 大于25刺/cm2的针刺过程，目的是为了保证竹纤维和聚合物纤维在网络多孔材料 中均匀相互穿插、缠结，才能保证热压成型之后复合材料具有较高的力学强度。此 外，要求多孔材料的面密度要求小于或等于2200g/m2，密度过大，容易导致多孔材 料模压过程中短时间内热量无法传递到多孔材料中间层，导致中间层聚合物纤维没 有融化完全，导致模压产品力学性能降低，同时面密度过大，还会导致复合材料模 压产品密度过高，无法满足汽车轻量化的要求。
木纤维是复合材料中必须添加的，其短、细、小的特征，可以填充于复合材料 微小孔隙中，使得木纤维不仅起到辅强作用，还可以使得复合材料整体密实化，表 面更加光滑。
竹材力学强度高，从竹材中提取出竹纤维是推动竹产业发展的重要方向。竹纤 维内部结构疏松多孔，存在很多贯通的微型通道，被誉为一种“会呼吸的材料”，这 种独特的性质在保持空间表里湿度平衡、提高人居舒适度方面也发挥了主要的效 果。因此，非常有必要研究将竹材纤维用于汽车部件的可行性，发明具有高性能高 附加值竹纤维复合材料，拓展汽车部件中天然植物纤维复合材料的用量，满足汽车 产业对环境友好型天然植物纤维复合材料的新需求。
附图说明
图1为三维蓬松互穿网络竹纤维毡的示意图。
具体实施方式
详细说明本发明可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其主要步骤如下：
1)纤维提取工序：将木材、枝丫材、小径材等磨浆制得木纤维；将1-3年生竹 子去青，去节，放入熟石灰溶液中浸泡，待竹片软化以后，取出拍打，冲洗，碾压 机多次碾压，梳理去除薄壁组织，最后得到长竹纤维束，竹纤维束长度50mm-100 mm；所述的两种纤维的含水率在15wt.％以下。
其中，熟石灰溶液是采用生石灰放入水中溶解、反应、熟化之后形成的溶液， 所述的浸泡，其时间为1天-2个月。优选的，生石灰与水的质量比为1:9-6:4。
2)互穿网络纤维毡制备工序：将柔韧长竹纤维束与聚合物纤维开松打散，混 合均匀，然后将木纤维、长竹纤维束、聚合物纤维进行混合，再采用气流铺装成网， 最后使用钩针于Z方向插入混合纤维中，将部分纤维钩住并固定于Z方向，使得两 种纤维在XYZ三个方向互相穿插，形成三维蓬松互穿网络纤维毡，再利用针刺机 对该三维网坯上下两面进行针刺且针刺密度大于25刺/cm2，最终制得如图1所示 的柔性互穿网络多孔材料，其面密度小于或者等于2200g/m2。
其中，木纤维可为市售产品，不限定种类和长度，呈粉尘状态。优选的，木纤 维是从常规木材中研磨制备得到的，所述的竹子是1-3年生的毛竹、慈竹、绿竹、 单竹、四季竹、斑竹、楠竹等竹种。长竹纤维束是将竹子中大部分薄壁组织去掉， 剩下由维管束组成的长竹纤维束，且长竹纤维束是由多根竹纤维组成的。长竹纤维 束其长度大于或等于50mm，优选为50mm-100mm，更优选竹纤维束长度为50 mm-80mm。聚合物纤维可为市售产品，优选的聚合物纤维是指聚丙烯纤维、聚酯 纤维、尼龙纤维中的一种或者几种的混合。
混合是指木纤维和长竹纤维束占总纤维质量比为30％-70％之间，聚合物纤维所占总质量比例为70％-30％之间，其中优选的木纤维和竹纤维占总纤维质量 40％-60％，更为优选的木纤维和竹纤维占总纤维质量45％-55％；此外，木纤维占木 纤维和长竹纤维束(竹纤维)质量总和的5％-95％，其中，优选的木纤维占木纤维 和竹纤维重量比为10％-80％；更优选的木纤维占木纤维和竹纤维重量比为 30％-60％。
针刺是指对三维互穿网络状态网坯的上下两个表面都进行针刺密度大于25刺 /cm2的针刺，其中针刺密度大于50刺/cm2的针刺是优选的。制得柔性互穿网络多 孔材料的面密度优选为1500-2000g/m2。
实施例1
原料准备：将木材、枝丫材、小径材等磨浆制得木纤维；将1-3年生竹子去青， 去节，放入熟石灰溶液中浸泡，待竹片软化以后，取出拍打，冲洗，碾压机多次碾 压，梳理去除薄壁组织，最后得到长竹纤维束，竹纤维束长度50mm-100mm；两 种纤维的含水率在15wt.％以下。
将竹纤维和聚丙烯纤维开松，然后按照木纤维、竹纤维、聚丙烯纤维质量比为10％：40％：50％的比例将三种纤维混合，铺装，钩针针刺成柔性互穿网络多孔材 料，要求针刺的密度为50刺/cm2，针刺所得柔性多孔材料的面密度为2200g/m2。
然后将该多孔材料放入模压机中进行预压，温度为200℃，时间为2min，然后 将柔性材料放入模具中冷压定型，制备得到车用复合材料。复合材料表面粗糙，凹 坑较多，这是因为柔性多孔材料中木纤维含量较少，不能充分起到填充微小孔隙的 作用，复合材料静曲强度为40MPa。
实施例2
原料的制备同实施例1。
将竹纤维和聚丙烯纤维开松，然后按照木纤维、竹纤维、聚丙烯纤维质量比为15％：35％：50％的比例将三种纤维混合，铺装，钩针针刺成柔性互穿网络多孔材 料，要求针刺的密度为50刺/cm2，针刺所得柔性多孔材料的面密度为2200g/m2。
然后将该多孔材料放入模压机中进行预压，温度为200℃，时间为2min，然 后将柔性材料放入模具中冷压定型，制备得到车用复合材料。复合材料表面光滑， 致密，静曲强度48MPa。
实施例3
原料的制备同实施例1。
将竹纤维和聚丙烯纤维开松，然后按照木纤维、竹纤维、聚丙烯纤维质量比为25％：25％：50％的比例将三种纤维混合，铺装，钩针针刺成柔性互穿网络多孔材 料，要求针刺的密度为50刺/cm2，针刺所得柔性多孔材料的面密度为2200g/m2。
然后将该多孔材料放入模压机中进行预压，温度为200℃，时间为2min，然后 将柔性材料放入模具中冷压定型，制备得到车用复合材料。复合材料表面光滑，致 密，静曲强度52MPa。
实施例4
原料的制备同实施例1。
将竹纤维和聚丙烯纤维开松，然后按照木纤维、竹纤维、聚丙烯纤维质量比为35％：15％：50％的比例将三种纤维混合，铺装，钩针针刺成柔性互穿网络多孔材 料，要求针刺的密度为30刺/cm2，针刺所得柔性多孔材料的面密度为2200g/m2。
然后将该多孔材料放入模压机中进行预压，温度为200℃，时间为2min，然后 将柔性材料放入模具中冷压定型，制备得到车用复合材料。复合材料表面光滑，致 密，静曲强度50MPa。
实施例5
原料的制备同实施例1。
将竹纤维和聚丙烯纤维开松，然后按照木纤维、竹纤维、聚丙烯纤维质量比为12％：28％：60％的比例将三种纤维混合，铺装，钩针针刺成柔性互穿网络多孔材 料，要求针刺的密度为40刺/cm2，针刺所得柔性多孔材料的面密度为2200g/m2。
然后将该多孔材料放入模压机中进行预压，温度为200℃，时间为2min，然后 将柔性材料放入模具中冷压定型，制备得到车用复合材料。复合材料表面光滑，致 密，静曲强度49MPa。
实施例6
原料的制备同实施例1。
将竹纤维和聚丙烯纤维开松，然后按照木纤维、竹纤维、聚丙烯纤维质量比为36％：24％：40％的比例将三种纤维混合，铺装，钩针针刺成柔性互穿网络多孔材 料，要求针刺的密度为55刺/cm2，针刺所得柔性多孔材料的面密度为2200g/m2。
然后将该多孔材料放入模压机中进行预压，温度为200℃，时间为2min，然后 将柔性材料放入模具中冷压定型，制备得到车用复合材料。复合材料表面光滑，致 密，静曲强度37MPa。
本发明利用“纤维提取-互穿网络纤维毡制备”两个步骤制得，该柔性多孔材料含有木纤维、长竹纤维束、聚合物纤维，柔性材料的面密度小于或等于2200g/m2，并 且材料上下表面的针刺密度大于25刺/cm2。本发明可推动竹纤维产业的发展，将 竹纤维应用到车用复合材料领域，为解决我国竹纤维应用问题提供新思路。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利 用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品 的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将竹子去青，去节，放入熟石灰溶液中浸泡，待竹片软化以后，取出拍打，冲洗，用碾压机多次碾压，梳理去除薄壁组织，最后得到长竹纤维束，竹纤维束长度≥50mm；
(2)将长竹纤维束与聚合物纤维开松打散，混合均匀，然后将木纤维、长竹纤维束和聚合物纤维进行混合，采用气流铺装成网，再利用针刺机对该三维网坯上下两面进行针刺，针刺密度≥25刺/cm2，制得柔性互穿网络多孔材料。
2.根据权利要求1所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的熟石灰溶液是采用生石灰放入水中溶解、反应、熟化之后形成的溶液，所述浸泡的时间为1天-2个月。
3.根据权利要求1所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的竹子是1-3年生的毛竹、慈竹、绿竹、单竹、四季竹、斑竹和楠竹等竹种中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的长竹纤维束由多根竹纤维组成，竹纤维由维管束组成；所述的长竹纤维束的长度为50mm-100mm。
5.根据权利要求1所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的木纤维和长竹纤维束的含水率在15wt.％以下。
6.根据权利要求1所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的聚合物纤维是指聚丙烯纤维、聚酯纤维、尼龙纤维中的一种或者几种的混合。
7.根据权利要求1所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的木纤维和长竹纤维束占总纤维质量的比例为30％-70％，聚合物纤维占总纤维质量的比例为70％-30％；木纤维占木纤维和竹纤维质量的比例为5％-95％。
8.根据权利要求7所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的木纤维和长竹纤维束占总纤维质量的比例为40％-60％，和/或木纤维占木纤维和竹纤维质量的比例为10％-80％。
9.根据权利要求1所述的可用于模压的柔性互穿网络多孔材料的制备方法，其特征在于：所述的针刺为使用钩针于Z方向插入混合纤维网坯中，将部分纤维钩住并固定于Z方向，使得混合纤维在XYZ三个方向互相穿插，形成三维蓬松互穿网络纤维毡，针刺密度≥50刺/cm2。
10.一种可用于模压的柔性互穿网络多孔材料，其特征在于：采用权利要求1-9中任一项所述的方法制备得到。
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