CN108864687A - 一种蚕茧增强聚氨酯复合材料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蚕茧增强聚氨酯复合材料、制备方法及应用。包括以下步骤：将蚕茧壳通过一对热轧辊挤压，然后切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；将蚕茧颗粒完全浸没于聚氨酯溶液中，再抽真空排气；将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后真空干燥；将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩30～300s，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。所述蚕茧增强聚氨酯复合材料厚度5～20mm，蚕茧的体积分数为40～65％，复合材料具有优异的力学性能。本发明的工艺简单，环保高效，成本低，产品可用于安全防护材料。

Description

一种蚕茧增强聚氨酯复合材料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种纤维增强复合材料领域，具体涉及一种蚕茧增强聚氨酯复合材料、制备方法及应用。
背景技术
纤维增强复合材料已广泛应用作工程结构材料，其具有低密度、比强度高的特性。目前，常见的纤维复合材料有玻璃纤维增强复合材料、芳纶纤维复合材料及碳纤维复合材料等。这些化学纤维虽然力学性能强，但也存在成本高、回收利用难、污染环境等问题。这些纤维通常与环氧树脂、聚酯、聚酰胺等基体复合，复合材料的强度高，但是韧性很差，因此不适合于某些对韧性要求高的材料领域。相比而言，蚕丝纤维性能优良，韧性极好，且具有更低的密度，但丝纺织工艺极大地增加了纤维原料成本。蚕丝纤维与上述树脂基体的复合还存在一定问题，蚕丝纤维的韧性不能发挥出来。
近年来，有研究用蚕茧作增强体制备复合材料。2015年的文献Poiymer第56期93～101页公开的名称为“Silk cocoons as natural macro-balloon fillers in novelpolyurethane-based syntactic foams”，将天然蚕茧嵌入到聚氨酯合成泡沫中制备复合泡沫。2015年泰国研究者公开了将蚕茧与特制树脂复合，经液压8小时制成2cm厚的防弹材料。2017年的中国专利(CN 106965504 A)公开了一种高强蚕茧结构复合材料的制备方法，将蚕茧片拼接后与树脂基体热压成复合材料，制备工艺还比较繁琐。综合来看，用蚕茧作复合材料的增强体有一定优势，但在蚕茧结构利用和复合基体的选择上还有需要改进的地方。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种蚕茧增强聚氨酯复合材料，所述复合材料的参数为：增强体为3～10mm大小的蚕茧壳碎颗粒，基体为聚氨酯，蚕茧的体积分数为40～65％，复合材料的厚度5～20mm。
本发明的目的之二是提高一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将蚕茧壳通过一对热轧辊挤压，然后切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
2)将蚕茧颗粒完全浸没于聚氨酯溶液中，再抽真空排气；
3)将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后真空干燥；
4)将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩30～300s，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。
进一步，所述一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法具体包括以下步骤：
a.将蚕茧壳送入热轧辊压缩，热轧温度100～130℃，轧辊压力100～200bar，然后将压缩后的蚕茧切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
b.将蚕茧颗粒浸入浓度20～35wt％的聚氨酯溶液中，再进行抽真空排气1～5min，真空压力-0.06～-0.09MPa；
c.将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后在25～80℃下真空干燥，真空压力-0.06～-0.09MPa；
d.将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩30～300s，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。
进一步，所述蚕茧壳为家蚕茧和野蚕茧。
进一步，真空热压机的参数为：温度100～130℃，压力50～150bar，真空压力-0.06～-0.09MPa。
本发明所述的蚕茧聚氨酯复合材料可用于安全防护头盔、护甲、防撞板。
本发明的有益效果在于：本发明所述的蚕茧聚氨酯复合材料以蚕茧碎颗粒为增强体，既保留了蚕茧特殊结构，又克服了蚕茧不规则形状的不利影响；以弹性聚氨酯为基体，改善传统树脂基体的脆性，极大增强了复合材料的韧性。本发明的制备方法工艺简单，环保高效；制得的蚕茧聚氨酯复合材料可应用于安全防护材料。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是实施例1的蚕茧聚氨酯复合材料的表面SEM图；
图2是实施例2的蚕茧聚氨酯复合材料的截面SEM图；
图3是实施例5的蚕茧聚氨酯复合材料的应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进行进一步阐述本发明。应理解，这些实例仅用于说明本发明而非用于限制本发明。
实施例1
1)将100g蚕茧壳送入热轧辊压缩，热轧温度100℃，轧辊压力200bar，然后将压缩后的蚕茧切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
2)将20g蚕茧颗粒浸入200ml的35wt％聚氨酯溶液中，再进行抽真空排气1min，真空压力-0.09MPa；
3)将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后在25℃下真空干燥，真空压力-0.06MPa；
4)将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩300s，设备参数为：真空压力-0.09MPa，温度为100℃，压力为150bar，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。参见图1，它是本实施例的蚕茧增强聚氨酯复合材料表面SEM图，蚕茧中的纤维与基体良好地结合在一起。
实施例2
1)将100g蚕茧壳送入热轧辊压缩，热轧温度130℃，轧辊压力100bar，然后将压缩后的蚕茧切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
2)将20g蚕茧颗粒浸入200ml的20wt％聚氨酯溶液中，再进行抽真空排气5min，真空压力-0.06MPa；
3)将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后在80℃下真空干燥，真空压力-0.09MPa；
4)将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩30s，设备参数为：真空压力-0.06MPa，温度为130℃，压力为150bar，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。参见图2，它是本实施例的蚕茧增强聚氨酯复合材料截面SEM图，基体分布在蚕茧纤维空隙间。
实施例3
1)将100g蚕茧壳送入热轧辊压缩，热轧温度130℃，轧辊压力200bar，然后将压缩后的蚕茧切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
2)将20g蚕茧颗粒浸入浓度30wt％的聚氨酯溶液中，再进行抽真空排气2min，真空压力-0.09MPa；
3)将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后在60℃下真空干燥，真空压力-0.08MPa；
4)将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩60s，设备参数为：真空压力-0.09MPa，温度为120℃，压力为100bar，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。
实施例4
1)将100g蚕茧壳送入热轧辊压缩，热轧温度120℃，轧辊压力150bar，然后将压缩后的蚕茧切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
2)将20g蚕茧颗粒浸入浓度25％的聚氨酯溶液中，再进行抽真空排气3min，真空压力-0.09MPa；
3)将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后在40℃下真空干燥，真空压力-0.07MPa；
4)将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩100s，设备参数为：真空压力-0.09MPa，温度为110℃，压力为150bar，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。
实施例5
1)将100g蚕茧壳送入热轧辊压缩，热轧温度130℃，轧辊压力50bar，然后将压缩后的蚕茧切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
2)将20g蚕茧颗粒浸入浓度30％的聚氨酯溶液中，再进行抽真空排气2min，真空压力-0.09MPa；
3)将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后在50℃下真空干燥，真空压力-0.06MPa；
4)将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩200s，设备参数为：真空压力-0.09MPa，温度为130℃，压力为50bar，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。参见图3，它是本实施例的蚕茧增强聚氨酯复合材料的拉伸应力应变曲线图，蚕茧增强聚氨酯复合材料力学性能有极大改善。

Claims (9)

1.一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将蚕茧壳通过一对热轧辊挤压，然后切割粉碎成3～10mm大小的颗粒；
2)将蚕茧颗粒完全浸没于聚氨酯溶液中，再抽真空排气；
3)将浸胶后的蚕茧颗粒填充到模具中，压紧并固定好模具，然后真空干燥；
4)将干燥后的蚕茧聚氨酯复合体用真空热压机进一步压缩30～300s，即得蚕茧增强聚氨酯复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：蚕茧壳为家蚕茧或野蚕茧。
3.根据权利要求1所述的一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中热轧辊的温度100～130℃，压力为100～200bar。
4.根据权利要求1所述的一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中聚氨酯溶液的浓度为20～35wt％。
5.根据权利要求1所述的一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中真空压力为-0.06～-0.09MPa，抽真空时间1～5min。
6.根据权利要求1所述的一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中真空压力为-0.06～-0.09MPa，干燥温度为25～80℃。
7.根据权利要求1所述的一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中真空热压机的运行参数为：真空压力为-0.06～-0.09MPa，温度100～130℃，压力50～150bar。
8.一种如权利要求1～7所述方法制备的蚕茧增强聚氨酯复合材料，其特征在于：增强体为3～10mm大小的蚕茧壳碎颗粒，基体为聚氨酯，蚕茧的体积分数为40～65％，复合材料的厚度5～20mm。
9.根据权利要求8所述的一种蚕茧增强聚氨酯复合材料的应用，其特征在于应用于安全防护头盔、护甲、防撞板。
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