CN111118704A - 一种高性能三维正交绿色复合材料材料的制备方法及其专用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能三维正交绿色复合材料材料的制备方法及其专用设备。所述包缠装置制备高性能三维正交绿色复合材料的方法：(1)采用花式捻线的包缠技术，将热塑性树脂长丝均匀而严密地包覆在天然植物短纤纱外，制作成热塑性包缠纱；(2)将包缠纱根据三维正交组织结构织造成复合材料预制件；(3)将预制件干燥之后直接热压成型，制作出绿色复合材料。相比同类材料而言，通过改进包缠技术能使热塑性树脂均匀分布在三维正交机织预制件中，从而得到物理机械性能较为理想的绿色复合材料。

Description

一种高性能三维正交绿色复合材料材料的制备方法及其专用 设备
技术领域
本发明属于绿色纺织复合材料的制备技术领域，涉及了一种改进的包缠装置，采用了包缠纱，以三维正交机织物为增强结构，制作成树脂分散均匀的热塑性复合材料。
背景技术
绿色复合材料是一种新型生态材料，利用天然植物纤维以不同的结构来增强热塑性树脂，经过高温挤压或者热压等成型工艺而制成的复合材料。该类复合材料，密度低，易加工，可循环利用或可降解回收。该材料的研发与市场化，减少对石油资源的依赖性，缓解由二氧化碳大量释放产生的温室效应，从而落实了可持续发展的理念。
如今，短纤维增强热塑性复合材料在欧美汽车和电子产品的零部件行业里得到了飞快的发展。但是，短纤维本身强力不大，在树脂里无取向地分布，导致了该类材料不具备很高的物理机械性能，从而无法替代玻璃纤维增强复合材料在工业领域里承载部件的应用，以至于其应用范围受到限制。为了达到更好的性能要求，纺织复合材料成为了绿色复合材料研究的一个主要方向。而三维正交机织物预制件三维正交机织物增强热塑性复合材料中的三维正交组织结构是经纱、纬纱和Z纱以一定密度两两相互垂直排列，通过Z纱沿着经纱方向交织而成的结构，是各向同性的结构，具有良好的界面剪切性能与冲击韧性，是理想的增强结构。
申请号为201010505660.7的中国专利发明了一种三维正交机织麻织物增强聚丙烯复合材料，将聚丙烯薄膜铺于麻织物预制件上下两面，再热压成型制备成复合材料。三维预制件是具有一定厚度和紧度的纺织结构，而聚丙烯熔融流变性能较差，导致聚丙烯树脂只分布在预制件上下表面。由此可见，对三维正交机织物为增强体的热塑性复合材料而言，急于解决的是树脂在预制件里的分布问题。
目前，为了使热塑性树脂均匀地分布在预制件里，主要方法包括：溶液法、并股法和包缠法。申请号为201010597719.X的中国专利将短纤纱预制件浸入热塑性树脂溶液中，等到溶剂挥发后，热压复合成型。申请号为200710150837.4的中国专利将亚麻纱与聚丙烯长丝并股共织成针织物预制件，再直接热压成型。申请号为200610112216.2的中国专利采用包缠技术将热塑性树脂长丝包覆在高性能纤维长丝上，再用包缠纱织成预制件，最后热压成型。申请号为201010210274.5的中国专利采用包缠技术将增强纤维同热塑性树脂纤维按照与体积比进行混杂，再采用热塑性树脂纤维均匀包缠在混杂纱上，再用包缠混杂纱织成预制件，最后热压成型。以上这几种加工方法，都存在一定的缺陷。就溶液法而言，有机溶剂的大量挥发，造成空气污染，不利于环境保护；对于并股法，短纤纱和热塑性树脂长丝的加捻并合，降低了短纤纱力学性能的利用率；对于包缠法来说，热塑性树脂长丝以螺旋形式包覆在混杂纱线外，增强相不连续，覆盖不密实，使得该树脂长丝在增强纱线表面分布不那么均匀，影响到材料力学性能。因此，本发明所要解决的是三维正交热塑性复合材料的树脂分散不佳的技术问题，从而开发一种基于改进型包缠纱的高性能三维正交绿色复合材料，不仅力学性能优越，而且制备工艺可量产化，低碳环保。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高性能三维正交绿色复合材料材料的制备方法以及专用设备。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现。
一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：包缠纱的制备：所述的包缠装置，天然植物短纤维纱经过输入罗拉及导纱钩后与从包缠管引出的热塑性树脂长丝一起平行依次穿过聚拢器、空心锭，得到包缠纱；
第二步：三维正交机织物预制件的织造：将第一步制得的包缠纱根据三维正交结构组织结构，依次通过整经、穿综、穿筘，最后输入上机图，在小型剑杆织机完成预制件的织造；
第三步：复合材料的成型：将第二步得到的预制件依次进行干燥、热压、冷却后，得到基于改进型包缠纱结构的高性能三维正交绿色复合材料。
所述第一步中天然植物短纤维纱的种类为苎麻、亚麻、黄麻或大麻，纤维细度为20-300tex。
所述第一步中热塑性树脂长丝为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚乳酸(PLA)，纤维细度为25-90tex。
所述第一步中包缠纱的包缠角度不小于60°。
所述第二步中三维正交结构的厚度为3mm-8mm，紧度为40％-60％；其中，经纱层数为2-5层，纬纱层数为3-6层。
所述第三步中的干燥工艺为：将所述预制件放入抽真空烘箱内干燥12h，干燥温度为80℃。
所述第三步中的热压设备采用平板硫化机，热压工艺及具体步骤为：将平板模具升温至160-210℃后，再将所述预制件置于平板模具内，预热5-10min；然后对预制件加压至2-5MPa，保压5-15min。
所述第三步中的冷却方法为在室温环境下，在0.5MPa的压力下冷却。
一种包缠装置，包括空心锭，空心锭外设有包缠管，空心锭的入口处设有输入罗拉及至少一个导纱钩，空心锭的出口处设有输出罗拉及至少一个导纱钩，其特征在于，空心锭的输入端设有聚拢器。优选地，所述的聚拢器上设有1-2mm的孔，其竖直剖面为拱形。
采用本发明提供的方法来制备的高性能三维正交绿色复合材料中包缠纱由天然植物短纤纱和热塑性树脂长丝组成，从包缠管引出的热塑性树脂长丝和天然植物短纤纱成品一起平行穿过聚拢器和空心锭，利用锭子回转产生的捻度将热塑性树脂长丝以螺旋形式紧密包覆在天然植物短纤纱上，制备出包缠纱。聚拢器是具有孔径为1-2mm的拱形状装置，热塑性树脂长丝和天然植物短纤纱能紧密平行排列穿过空心锭，使热塑性树脂长丝沿着天然植物短纤纱长度方向以不小于60°的角度包覆住天然植物短纤纱，达到严密的包缠效果，使天然纤维短纤纱表面尽可能不外露在空气中，防止天然纤维在热压过程中快速热氧老化。
本发明在改进型包缠纱结构的基础上提供一种高性能高性能三维正交绿色复合材料的制备工艺，可以有效地改善热塑性树脂在预制件中的分布问题，工艺简单，成本低廉，效率高，节能环保，应用广泛。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明基于改进的包缠装置制备了热塑性树脂长丝包缠天然植物短纤纱的包缠纱，达到严密包覆的效果。这种纱线结构的应用，使热塑性树脂在三维正交机织预制件里均匀分布，进而改善了该类复合材料的物理机械性能。同时，也降低了复合材料热压工艺的压力和保压时间，提高了生产效率。
(2)本发明采用了热塑性树脂长丝包缠天然植物短纤纱的包缠纱来织造三维正交机织复合材料的预制件。制备该包缠纱，无需对短纤纱进行织造前的上浆和织造后的退浆，缩短了复合材料预制件的制备流程，更重要的是节约并保护了有限的水资源。对于预制件织造而言，避免了因麻短纤纱的毛羽相互纠缠而导致开口不清的现象，提高了三维正交机织物的可织性；也避免了因钢筘对经纱的磨损而导致增强纱线力学性能降低的现象，有利于提高该类复合材料径向的机械性能。
(3)本发明采用的三维正交麻机织物增强热塑性复合材料，是一种绿色复合材料，物理机械性能较为理想，未来将逐步替代玻璃纤维增强复合材料在工业领域的应用，有利于石油资源的节约。而且可通过回收再利用或是自然降解来解决该类材料的废弃问题，有利于节能环保。
(4)本发明采用了热压成型工艺直接热压三维正交预制件来完成复合材料的制备。工艺简单，操作方便，效率高，便于实现大规模的生产，拓宽在实际工业中的应用。
附图说明
图1为本发明提供的包缠装置的结构示意图；
图2为实施例1采用的经纬纱线的径向表观特征；
图3为实施例1制备的包缠纱的径向表观特征；
图4为实施例2制备的包缠纱的径向表观特征。
图中：
1、输入罗拉； 2、第一导纱钩； 3、第二导纱钩；
4、聚拢器； 5、包缠管； 6、空心锭；
7、输出罗拉； 8、第三导纱钩； 9、麻短纤维纱；
10、热塑性树脂长丝； 11、包缠纱。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，具体内容如下。
实施例1
1.原料
三维正交复合材料的增强体采用湖南华盛洞庭湖苎麻纺织有限公司生产的亚麻短纤纱，细度为123.4tex的亚麻纱作为三维正交机织物复合材料预制件的经纬纱原料，纱线径向表观特征如图2所示；细度为38.7tex的亚麻短纤纱作为Z纱的原料；热塑性树脂长丝采用中石化T30S进行纺丝而成的聚丙烯(PP)长丝，细度为40.5tex。
2.设备
2.1包缠装置：花式捻线机(型号为HN43-02-12，厂家为苏州华飞公司)。
3.具体步骤
3.1制备经纬纱
将花式捻线机上的空心锭、输入罗拉和输出罗拉的速度分别设置为50Hz、2.07Hz和2.14Hz。该包缠纱细度为203.7tex，亚麻纤维重量比为61％，其包缠角度是65°。其径向表观特征，即包缠效果如图3所示。
3.2制备Z纱
将花式捻线机上的空心锭、输入罗拉和输出罗拉的速度分别设置为50Hz、3.04Hz和3.11Hz。该包缠纱细度为68.8tex，亚麻纤维重量比为56％，其包缠的角度69°。
3.3预制件织造
通过整经、穿综、穿筘，最后输入上机图，在小型剑杆织机来完成三维正交亚麻机织预制件的织造。预制件采用3层经纱，4层纬纱，经纱密度和Z纱密度为80根/10cm，经纱密度和Z纱密度为80根/10cm，纬纱密度为150根/10cm，织物厚度为3.25mm。
3.4复合材料热压成型
第一步：将预制件裁剪成20cm×20cm，置于在真空烘箱里干燥，温度为80℃，时间为12h；
第二步：将预制件置于硫化机平板中预热，温度为165℃，时间为5min；
第三步：对预制件进行施加压力，压力为1-2MPa，温度为165℃，保压时间为3min；
第四步：将预制件自然冷却至室温完成复合材料的制备，压力大小为0.5MPa，冷却时间为2min。得到复合材料纤维的体积含量为45％，厚度为1.69mm。
实施例2
1.原料
三维正交机织物复合材料的增强体采用湖南华盛洞庭湖苎麻纺织有限公司生产的亚麻短纤维纱，经纬纱和Z纱如同实施例1，热塑性树脂长丝采用中石化T30S进行纺丝而成的聚丙烯(PP)长丝，，细度为60tex。
2.设备
包缠装置及预制件织造设备同实施例1。
3.具体步骤
3.1制备经纬纱
将花式捻线机上的空心锭、输入罗拉和输出罗拉的速度分别设置为50Hz、2.07Hz和2.14Hz，经纬纱包缠纱制备方法同实施例1中的3.1。该包缠纱细度为234.6tex，亚麻纤维重量比为53.4％，其包缠角度是65°，其径向表观特征，包缠效果如图4所示。
3.2制备Z纱
制备方法同实施例1中的3.2。
3.3预制件织造
通过整经、穿综、穿筘，最后输入上机图，在小型剑杆织机来完成三维正交苎麻机织预制件的织造。预制件采用3层经纱，4层纬纱，经纱密度和Z纱密度为76根/10cm，经纱密度和Z纱密度为76根/10cm，纬纱密度为150根/10cm，织物厚度为3.75mm。
3.4复合材料热压成型
采用平板硫化机进行热压，热压工艺如同实施例1，所制备的复合材料纤维体积含量为45.3％，厚度为1.85mm。
对比例1
以三维正交亚麻机织物增强聚乳酸复合材料为例。三维正交亚麻机织物的经纬纱细度是115tex，Z纱是35tex,经密为100根/10cm，纬密为170根/10cm，Z纱100根/10cm,经纱3层，纬纱4层，织物厚度3mm。根据热压成型是所需要的尺寸(20cm×20cm)裁样，并将织物放于真空烘箱中，100℃烘干6h。然后在三维正交机织物上下表面铺放PP薄膜，用平板硫化机热压，温度160℃，压力为3MPa，时间2min，然后调节温度至200℃，压力5MPa，时间4min，冷却得到复合材料板。所制备的复合材料纤维体积含量为39.3％，厚度为2.57mm。
对比例2
以二维平纹亚麻织物增强聚乳酸复合材料为例。二维平纹亚麻织物的经纬纱细度是115tex，经密为85根/10cm，纬密为160根/10cm，。根据热压成型是所需要的尺寸(20cm×20cm)裁样，并将织物放于真空烘箱中，100℃烘干6h。然后在二维平纹机织物与PP薄膜相互交叉叠放，同时复合材料上下两层铺放PP薄膜，用平板硫化机进行热压，热压工艺如同对比例1。所制备的复合材料纤维体积含量为42.3％，厚度为2.97mm。
将实施例1-2及对比例1-2制得的亚麻增强聚丙烯复合材料采用微机控制电子万能试验机分别测试其拉伸、弯曲和冲击强度，试验参照GB/T1447-2005纤维增强树脂拉伸性能试验方法和GT/T1449-2005纤维增强树脂弯曲性能试验方法进行操作。测试结果如表1所示。
表1 亚麻增强聚丙烯复合材料力学性能
Figure BDA0002341196550000071
Figure BDA0002341196550000081
上表是亚麻增强聚丙烯复合材料力学性能测试结果。由此可见，实施例1和2中的基于改进型包缠纱的高性能三维正交绿色复合材料力学性能优于对比例1和2中的普通三维复合材料,主要原因是包缠纱的皮芯特殊结构使得PP树脂可以均匀地浸润到三维正交机织物内，当材料受到外力时，外力可以通过树脂传递给短纤纱，而呈现出的是各种力学性能较高。而对于对比例1而言，在热压工艺中，上下层PP薄膜的流动性较差，加上三维正交机织预制件结构较为紧密，无法使PP树脂渗透到预制件中，制备而成的复合材料为“三明治”结构，上下表层为PP树脂，中间层大部分为三维正交亚麻机织物，导致上下层受力破坏后很快使复合材料断裂失效。对于对比例2而言，PP树脂可以浸润到平纹织物中，拉伸和弯曲性能较好，但是当材料受冲击时，层与层之间不像三维正交机织物结构那样受约束，因此很容易出现分层现象，导致材料冲击性能较低。由此可见，基于改进包缠技术的三维正交绿色复合材料具有极为优异的力学性能，有利于拓宽绿色复合材料的工业应用。

Claims (10)

1.一种包缠装置，其特征在于：包括空心锭，所述空心锭外设有包缠管；空心锭的入口处设有输入罗拉及至少一个导纱钩，空心锭的出口处设有输出罗拉及至少一个导纱钩；所述的空心锭的输入端设有聚拢器。
2.根据权利要求2所述的一种包缠装置，其特征在于：所述的聚拢器上设有1-2mm的孔，其竖直剖面为拱形。
3.一种使用权利要求1所述包缠装置制备高性能三维正交绿色复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：包缠纱的制备：所述的包缠装置，天然植物短纤维纱经过输入罗拉及导纱钩后与从包缠管引出的热塑性树脂长丝一起平行依次穿过聚拢器、空心锭，得到包缠纱；
第二步：三维正交机织物预制件的织造：将第一步制得的包缠纱根据三维正交结构组织结构，依次通过整经、穿综、穿筘，最后输入上机图，在小型剑杆织机完成预制件的织造；
第三步：复合材料的成型：将第二步得到的预制件依次进行干燥、热压、冷却后，得到基于改进型包缠纱结构的高性能三维正交绿色复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中天然植物短纤维纱的种类为苎麻、亚麻、黄麻或大麻，纤维细度为20-300tex。
5.根据权利要求3所述的一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中热塑性树脂长丝为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚乳酸(PLA)，纤维细度为25-90tex。
6.根据权利要求3所述的一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中包缠纱的包缠角度不小于60°。
7.根据权利要求3所述的一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中三维正交结构的厚度为3mm-8mm，紧度为40％-60％；其中，经纱层数为2-5层，纬纱层数为3-6层。
8.根据权利要求3所述的一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中的干燥工艺为：将所述预制件放入抽真空烘箱内干燥12h，干燥温度为80℃。
9.根据权利要求3所述的一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中的热压设备采用平板硫化机，热压工艺及具体步骤为：将平板模具升温至160-210℃后，再将所述预制件置于平板模具内，预热5-10min；然后对预制件加压至2-5MPa，保压5-15min。
10.根据权利要求3所述的一种高性能三维正交绿色复合材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中的冷却方法为在室温环境下，在0.5MPa的压力下冷却。
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