CN110591403B - 一种具有抗冲击性能的纤维材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有抗冲击性能纤维材料及其制备方法，包括利用热磨法获得微纳二元结构的生物质纤维，然后利用真空抽滤自组装技术得到悬浊液组装层状结构前驱体，然后将抗冲击高分子填充到所述前驱体中，经过热压得到超强抗冲击性能纤维材料。本方法简单易行、能耗较低，能够制备大面积纤维板，具有很好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种具有抗冲击性能的纤维板及其制备方法。
背景技术
技术的发展和多元化的应用领域对材料的性能和应用提出了更高层次的要求，各种复合材料的发展正朝着多功能、高性能和环境友好化的方向迈进。竹、木等生物基复合材料作为复合材料家族内少数独具生物质、可再生、环境友好特色的天然材料具有广阔的发展空间和市场潜力，因而也应紧跟新材料的研究步伐和前沿研究动态，在材料开发、性能研究以及产品应用上不断寻找新的技术突破口和理论创新点。人造结构材具有超常的力学性能(例如钢铁、合金和陶瓷)，被广泛应用于航天航空业和其他先进工程领域。构成这些结构材料的原子间的强主键被用来实现各种理想的机械性能。然而，它的生产过程也需要使用较高的加工温度和大量的能源消耗。因此，结构材料的高性能往往以牺牲的环境因素为代价。此外，虽然断裂一次键所需的能量屏障很高，但一旦断裂，也很难恢复，这可能导致材料的性能缺陷，如固有的脆性和较差的抗冲击性(即强度和韧性之间的冲突，如陶瓷和玻璃)。
冲击是一种普通的物理过程，它延伸到制造业、农业、医疗、航空航天等领域，尤其在军事领域中具有特殊的意义。抗冲击材料逐渐向低重量、高强度、热稳定性、高比模量、高韧性、高抗贯穿性的方向发展，而纤维复合材料就很符合这一要求而更多的应用于此。
和金属材料相比，生物质纤维具备了高韧性、高强度、重量轻的特点，且减震性能强，抗损伤性能好，物理性能稳定，它能在冲击中吸收能量，同时能够吸收冲击波。竹、木等生物质纤维复合材料富含大量的纤维素、淀粉等物质，在使用过程中不可避免的会受到环境和其自身力学性能的限制。竹、木基复合重组材的抗冲击性能严重影响到其在建筑施工中的设计应用，木结构在极端环境中容易遭受重物的袭击，高强度的冲击往往会导致复合材料的破坏，进一步威胁到材料及结构的使用寿命。
故在发挥生物质材料其优良性能的同时，如何提高其抗冲击性能是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有抗冲击性能的纤维材料及其制备方法。本发明所采用的技术方案如下：
本发明一方面提供了一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：采用热磨法将生物质纤维制备成生物质纤维研磨液；
S2：将S1所得生物质纤维研磨液经抽滤得到抗冲击纤维材料前驱物；
S3：将抗冲击高分子材料浸渍入S2所得抗冲击纤维材料前驱物中，并经过热压，获得成品。
进一步的，所述S1步骤包括：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为(2～4)：(6～12)：(4～8)：200；然后将上述混悬液送入胶体磨中研磨，获得生物质纤维研磨液，其中，所述胶体磨转速为2500～3000rpm，研磨时间为5～10h；优选的，所述生物质纤维为木纤维、竹纤维、稻草、麦草、玉米秸秆、棉花杆、甘蔗渣、芦苇、芒杆中任意一种或几种；
优选的，所述研磨液为微纳二元结构，即所述研磨液中含微米级的纤维主体以及纳米级的纤丝；
进一步的，所述S2步骤包括：将S1所得的生物质纤维研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤10～15h后，得抗冲击纤维材料前驱物；
进一步的，所述S3步骤包括：将抗冲击高分子材料浸渍入S2所得抗冲击纤维材料前驱物中，然后进行热压，即得成品，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为1～10％，其中所述抗冲击高分子材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物(缩写为EVA)、硼化聚二甲基硅氧烷(缩写为PBDMS)、聚二甲基硅氧烷(缩写为PDMS)、聚丙烯酸钠(缩写为PAAS)、聚氨酯(缩写为PU)、热塑性硫化橡胶(缩写为TPV)中的任意一种或几种；所述热压时间为0.5～2h、温度为150～250℃、压力为1～10MPa。
进一步可选的，S1步骤中，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为3：10：5：200；
进一步可选的，S1步骤中，所述胶体磨转速为2880rpm，研磨时间为6h；
进一步可选的，S2步骤中，所述抽滤时间为12h；
进一步优选的，S3步骤中，述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为5％；所述抗冲击高分子材料为硼化聚二甲基硅氧烷(缩写为PBDMS)、聚二甲基硅氧烷(缩写为PDMS)或聚氨酯(缩写为PU)；所述热压时间为1h、温度为168℃、热压压力为5MPa。
一种具有抗冲击性能的纤维材料，根据以上任一项所述的制备方法制备得到。
有益效果：
本发明相对于现有技术具有的有益效果：
1.本发明采用生物质纤维自组装、并与高分子混合后热压，制备方法简单，易于实现；
2.本发明由于本发明采用的方法消耗较低能耗，不涉及高分子聚合反应，利于工业化生产；
3.本发明制备的纤维板具有密实的层状纤维网络和剪切增稠有机物，使得该材料具有导致其优异的抗冲击性能，在工程结构材、汽车和军事等领域中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为由实施例1得到的抗冲击纤维板的扫描电镜图
图2为由实施例3得到的抗冲击纤维板的纤维网络扫描电镜图
图3为由实施例3得到的抗冲击纤维板的横截面扫描电镜图
图4为由实施例3得到的抗冲击纤维板的储能模量曲线
图5为由实施例3得到的抗冲击纤维板、纯木纤维板和普通硅酸盐的穿刺曲线
图6为由实施例3得到的抗冲击纤维板和传统刨花板的宏观抗弹测试图，其中，a表示抗冲击纤维板的宏观抗弹测试图，b表示传统刨花板的宏观抗弹测试图
具体实施方式
下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为20：60：40：2000；S2：将S1所得的混悬液送入胶体磨中研磨，获得研磨液，其中，所述胶体磨转速为2500rpm，研磨时间为10h；S3：将S2所得的研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤10h后，得抗冲击纤维材料前驱物；S4：将抗冲击高分子材料PBDMS浸渍入S3所得抗冲击纤维材料前驱物中，然后进行热压，即得成品，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为1％，所述热压时间为0.5h、温度为150℃、压力为10MPa。
实施例2
一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为40：120：80：2000；S2：将S1所得的混悬液送入胶体磨中研磨，获得研磨液，其中，所述胶体磨转速为3000rpm，研磨时间为5h；S3：将S2所得的研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤15h后，得抗冲击纤维材料前驱物；S4：将抗冲击高分子材料PBDMS浸渍入S3所得抗冲击纤维材料前驱物中，然后进行热压，即得成品，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为10％，所述热压时间为2h、温度为250℃、压力为1MPa。
实施例3
一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为30：100：50：2000；S2：将S1所得的混悬液送入胶体磨中研磨，获得研磨液，其中，所述胶体磨转速为2880rpm，研磨时间为6h；S3：将S2所得的研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤12h后，得抗冲击纤维材料前驱物；S4：将抗冲击高分子材料PBDMS浸渍入S3所得抗冲击纤维材料前驱物中，然后进行热压，即得成品，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为5％，所述热压时间为1h、温度为168℃、压力为5MPa。
实施例4
一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为30：100：50：2000；S2：将S1所得的混悬液送入胶体磨中研磨，获得研磨液，其中，所述胶体磨转速为2880rpm，研磨时间为6h；S3：将S2所得的研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤12h后，得抗冲击纤维材料前驱物；S4：将抗冲击高分子材料PDMS浸渍入S3所得抗冲击纤维材料前驱物中，然后进行热压，即得成品，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为5％，所述热压时间为1h、温度为168℃、压力为5MPa。
实施例5
一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为30：100：50：2000；S2：将S1所得的混悬液送入胶体磨中研磨，获得研磨液，其中，所述胶体磨转速为2880rpm，研磨时间为6h；S3：将S2所得的研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤12h后，得抗冲击纤维材料前驱物；S4：将抗冲击高分子材料PU浸渍入S3所得抗冲击纤维材料前驱物中，然后进行热压，即得成品，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为6％，所述热压时间为1.5h、温度为180℃、压力为5MPa。
实施例6
一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为30：100：50：2000；S2：将S1所得的混悬液送入胶体磨中研磨，获得研磨液，其中，所述胶体磨转速为2880rpm，研磨时间为6h；S3：将S2所得的研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤12h后，得抗冲击纤维材料前驱物；S4：将抗冲击高分子材料EVA浸渍入S3所得抗冲击纤维材料前驱物中，然后进行热压，即得成品，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为5％，所述热压时间为1h、温度为168℃、压力为5MPa。
实验例7：纤维板的微观结构
图1为由实施例3得到的抗冲击纤维板的扫描电镜图，该图反映出木纤维经过机械化学研磨阶段，机械力作用于木纤维，使其发生了分裂、断裂、体积变化和细化，比表面积不断增大；
图2为由实施例3得到的抗冲击纤维板的纤维网络扫描电镜图，该图反映出在物体受到极短时间的应力时会产生应力的波状传导，这一点在抗冲击纤维板中表现的尤为突出，而且这种应力的波向传导对抗冲击纤维板的破坏是主要是主要形式。它会沿着两个方向传播，一是沿着纤维的铺设方向传播，传播过程中会通过几根纤维发展到整个层面，这其中基体树脂对波的传导其到一定的作用；二是沿着抗冲击纤维板的垂直方向传播，它会在整个纤维层面多次传播，多次反射，这种效应会导致整体抗冲击纤维板的来回拉扯，使得抗冲击纤维板能够分散应力，有效缓解应力对抗冲击纤维板的的破坏。
图3为由实施例3得到的抗冲击纤维板的横截面扫描电镜图，该图反映出在层间混杂的抗冲击纤维板中，层与层之间会形成很多界面，而界面效果的好坏会对纤维传导应力波有很大的影响，该图反映出本发明获得的纤维板粘结的情况较好，两种纤维的界面分散度降低，增强应力波的传导，有利于整体抗冲击纤维板的吸能。
实验例8：储能模量曲线
图4为由实施例3得到的抗冲击纤维板的储能模量曲线。通过动态温度机械扫描测试抗冲击纤维板的储存模量，明确地监测了抗冲击纤维板在温度变化下的性能。随着温度的上升(从65℃上升到90℃，降温速率为2℃·min-1)，其刚度下降，这可能是由于木质素和低分子量化合物的链迁移率和软化作用的增加；在105～175℃的温度范围内，储层模量趋于稳定，刚度坡度的降低幅度很小。储存模量的保存可能是由于抗冲击纤维板在加热过程中的脱水造成的。在190℃时，高分子材料和木纤维表面的含氧基团的分解导致了显著的减弱。高分子材料和木纤维之间的共价交联被破坏，相邻的高分子/木纤维之间进一步的相互作用受到限制。
实验例9：抗冲击纤维板、纯木纤维板和普通硅酸盐的穿刺曲线
对于实施例3获得的抗冲击纤维板(以下简称为LPDN)进行穿刺试验，结果表明(如图5所示，A表示抗冲击纤维板；B表示硅酸盐玻璃，C表示纯木纤维板)，纯木纤维块和LPDN均具有较好的韧性，但LPDN的负载力为纯木纤维素块的10倍；普通硅酸盐玻璃强度虽然较高，但脆性较差。由此可见，LPDN负载力较强；在穿透能量和冲击韧性方面，LPDN的表现最优异。
实验例10：抗冲击纤维板和传统刨花板的宏观抗弹测试图
如图6所示，a显示LPDN能够有效阻挡子弹的冲击；而b显示传统刨花板则被轻易穿透。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (7)
1.一种具有抗冲击性能纤维材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用热磨法将生物质纤维制备成生物质纤维研磨液，具体包括：将生物质纤维粉碎，然后与NaOH、Na2SO3溶于蒸馏水中配成混悬液，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为(2～4)：(6～12)：(4～8)：200；然后将上述混悬液送入胶体磨中研磨，获得生物质纤维研磨液，其中，所述胶体磨转速为2500～3000rpm、研磨时间为5～10h；
S2：将S1所得的生物质纤维研磨液倒入布氏漏斗中进行抽滤10～15h后，得抗冲击纤维材料前驱物；
S3：将抗冲击高分子材料浸渍入S2所得抗冲击纤维材料前驱物中，并经过热压，获得成品；所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为1～10％，其中所述抗冲击高分子材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物、硼化聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯酸钠、聚氨酯、热塑性硫化橡胶中的任意一种或几种；且所述热压时间为0.5～2h、温度为150～250℃及压力为1～10MPa。
2.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，S1步骤中，所述生物质纤维为木纤维、竹纤维、稻草、麦草、玉米秸秆、棉花杆、甘蔗渣、芦苇、芒杆中任意一种或几种。
3.根据权利要求1所述的的制备方法，其特征在于，S1步骤中，所述生物质纤维：NaOH：Na2SO3：蒸馏水的质量比为3：10：5：200。
4.根据权利要求2所述的的制备方法，其特征在于，S1步骤中，所述胶体磨转速为2880rpm，研磨时间为6h。
5.根据权利要求3所述的的制备方法，其特征在于，S2步骤中，所述抽滤时间为12h。
6.根据权利要求4所述的的制备方法，其特征在于，S3步骤中，所述成品中抗冲击高分子材料的质量百分含量为5％；且所述抗冲击高分子材料为硼化聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷或聚氨酯；且所述热压时间为1h、温度为168℃且热压压力为5MPa。
7.一种具有抗冲击性能的纤维材料，根据权利要求1～6任一项所述的制备方法制备得到。
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