CN113085315A - 一种具有榫卯结构的聚合物-立体纤维布复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有榫卯结构的聚合物‑立体纤维布复合材料及其制备方法，复合材料包括立体纤维布和聚合物；立体纤维布包括二维基层平铺面以及垂直与二维基层平铺面的凸出纤维结构；其中二维基层平铺面与凸出纤维结构一体编制成型；其中二维基层平铺面覆在聚合物表面上；凸出纤维结构包埋于聚合物中，与聚合物形成榫卯结构。本发明聚合物与立体纤维布间形成的榫卯结构提高了二者的界面作用，利用立体纤维布与混凝土、钢铁等基材良好的粘接性能，形成中间层，实现了聚合物与混凝土、钢铁等基材间的良好且可靠粘接性，保证聚合物/纤维布复合材料在使用过程中的长期稳定性，保证了工程质量。

Description

一种具有榫卯结构的聚合物-立体纤维布复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及聚合物复合材料领域，具体而言，涉及一种具有榫卯结构的聚合物-立体纤维布复合材料及其制备方法。
背景技术
聚合物材料具有良好的韧性和力学强度，广泛应用于建筑、汽车、航空航天等领域。但是由于材料间的极性差异，聚合物材料与混凝土、金属等非聚合物材料间的粘接性较差，受外力作用容易发生剥离和脱落，使得聚合物材料应用到混凝土、金属等非聚合物材料表面作为防护材料时受到极大地限制，尤其是超高分子量聚乙烯和聚四氟乙烯等自润滑性较好的材料。当前，如何高效利用聚合物材料的良好韧性和强度，来改善混凝土、金属等非聚合物材料表面的防护性能，尤其是能够持续、稳定地抵抗一定程度外部作用力和化学侵蚀，已成为世界性难题。
聚合物材料制件与混凝土、金属等非聚合物材料制件进行结合时，一般可采用胶粘剂粘接、螺纹结构固定、卡槽/卡扣固定等方式，但这种结合方式局限于应用在日常生活用品、电器产品等产品的局部小面积位置。对于工程应用中遇到的大面积位置，无法有效实现聚合物材料制件与混凝土、金属等表面的牢固结合。工程应用中的大面积位置，如水利工程中的大坝溢流面等，将聚合物材料的板材或是片材通过胶粘剂粘接到非聚合物表面时，由于较大的界面极性差异及聚合物板材或是片材自身的重力因素导致极难粘接或是无法粘接，勉强粘接的界面也无法承受水利工程中高速水沙冲击、落石碰撞等恶劣工况条件的破坏，难以形成在长期使用条件下保持稳定、牢固的聚合物与混凝土、金属等表面间的界面作用。因此，利用传统的结合方法，无法长期有效的实现聚合物材料制件与混凝土、金属等非聚合物制件作用面间的牢固结合。
而在实际工程应用中，水利工程中的大坝溢流面防护等表面防护领域存在着一些亟待解决的关键难题。例如，在水利工程方面，水利工程中的大坝溢流面，长期承受高速水流、砂石冲击和磨损，局部还要承受山体落石的高位落砸和冲击，导致大坝的混凝土溢流面很容易出现裂纹、裂缝等破坏缺陷，这些缺陷的存在一方面带来巨大的安全隐患，另一面在不断修复中要耗费大量的人力和财力资本。不限于以上举例在表面防护领域存在的亟待解决的难题，目前未出现较好的解决办法。如何充分利用聚合物材料的高强高韧、耐酸碱腐蚀，还具有较好的自润滑性和表面自清洁性，进行设计和制备表面防护材料，是解决上述难题的较好途径。
纤维布，如玻璃纤维布、玄武岩纤维布、碳纤维布等具有较好的力学强度，通常加入到聚合物中起到增强增韧作用。中国专利公开号CN104890261A公开了“玻璃纤维布双面浸胶增强聚烯烃片材的制备方法”，在挤出过程中，使连续的改性玻璃纤维布通过挤出模头与聚烯烃进行熔融双面复合，经挤出、双面浸胶复合、压延、牵引，制备获得玻璃纤维布双面浸胶聚烯烃片材，具有在横向和纵向上抗拉强度高，断裂伸长率较低等优点。中国专利公开号200988970Y公开了“高强加筋复合防渗土工膜”，通过在双层聚合物（聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯）土工膜间敷设径编机织布（涤纶布或丙纶布）通过压延、热合得到的复合防渗土工膜，具有较好的抗拉、抗撕裂、抗顶破性能。以上专利涉及到聚合物和纤维布的复合方法及复合材料，但未涉及用于与混凝土、金属等材料表面进行粘接的技术方法和复合材料。而且聚合物与纤维布之间的结合仅靠物理压合，聚合物与纤维布间的界面作用较弱，在使用过程中受到外力作用及化学侵蚀，容易产生纤维布的局部剥离甚至脱落，使得其使用功能遭到不同程度的破坏，影响工程质量及工程安全。
纤维布与聚合物具有较好的复合性能，同时纤维布与混凝土、金属等非聚合物材料表面间也具有良好的粘结性，以纤维布作为聚合物与混凝土、金属等材料表面间的桥梁与纽带，在聚合物材料表面直接粘合纤维布形成聚合物/纤维布复合材料，再作用于混凝土、金属等材料表面，通过粘接剂的粘接作用形成聚合物-纤维布-混凝土或金属三位一体的牢固复合体系。但由于聚合物与纤维布之间直接利用粘结剂，将纤维布粘附在聚合物的表面，导致形成的聚合物/纤维布复合材料界面性能差，在使用过程中容易产生聚合物基体与纤维布之间发生大面积剥离或是局部纤维布撕裂脱落而影响工程质量甚至造成工程事故。
因此，为克服现有技术的不足，提出一种具有榫卯结构的聚合物-立体纤维布复合材料及其制备方法，以解决聚合物/纤维布复合材料在使用过程中容易产生聚合物基体与纤维布之间发生大面积剥离或是局部纤维布撕裂脱落等问题是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明正是基于上述技术问题至少之一，本发明提供了一种具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料及其制备方法，利用聚合物充满纤维布中纤维束交织所形成的网格空隙，立体纤维布中凸出纤维结构被包埋于聚合物层中，与聚合物形成榫卯结构，强化了聚合物/立体纤维布复合材料中聚合物与立体纤维布间的界面作用，利用立体纤维布与混凝土、钢铁等基材良好的粘接性能，形成中间层，实现了聚合物/纤维布复合材料与混凝土、钢铁等基材间的良好且可靠粘接性，保证聚合物/纤维布复合材料在使用过程中的长期稳定性，保证了工程质量。
有鉴于此，本发明提出了一种具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料；包括立体纤维布和聚合物；立体纤维布包括二维基层平铺面以及垂直与二维基层平铺面的凸出纤维结构；其中二维基层平铺面与凸出纤维结构一体编制成型；其中二维基层平铺面覆在聚合物表面上；凸出纤维结构包埋于聚合物中，与聚合物形成榫卯结构。
进一步的，立体纤维布为立体玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布或立体涤纶纤维布；立体纤维布的规格为60-2000 g/m2。
进一步的，聚合物为热塑性塑料或热固性树脂。
进一步的，凸出纤维结构由单根纤维或是若干纤维组成纤维束，构成纤维柱、纤维圈或纤维方格；纤维束间有间隙在二维基层平铺面上间隔成的网格空隙；立体纤维布凸出纤维结构包埋于聚合物中的深度为聚合物层厚度的1/10-1之间。
本发明中的凸出纤维结构为纤维柱、纤维圈、纤维方格、纤维环等多种凸出形状。
根据本发明第二个方向，提出了制备具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料的方法：包括挤出涂覆成型法、压制成型法、浇注固化成型法或分步涂覆成型法。
进一步的，挤出涂覆成型法具体步骤为：将聚合物材料经挤出塑化为熔体状态涂覆到立体纤维布的二维基层平铺面上，凸出纤维结构包埋于聚合物中；再经过压光和冷却固化定型即可。
将聚合物在80~280℃的加工温度下利用挤出机塑化后经机头挤出涂覆到立体纤维布上，聚合物材料熔体流入到纤维束在立体纤维布的二维基层平铺面上交织所形成的网格空隙中，同时立体纤维布中凸出的纤维结构被包埋于聚合物层中，与聚合物形成榫卯结构，经两辊压光和冷却固化定型后形成具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料。
进一步的，压制成型法具体步骤为：将立体纤维布平放于压制成型机的模具中；聚合物材料平铺到模具中，使得聚合物材料塑化流动，占满纤维束在二维基层平铺面上间隔成的网格空隙，并将凸出纤维结构包埋于聚合物中；后冷却、定型、脱模。
将立体纤维布平放于压制成型机的模具中，立体纤维布具有凸出纤维结构的一侧向上，将聚合物材料平铺到模具中，在60~300 ℃和1~30 MPa压力作用下，压制成型机合模使得聚合物材料塑化流动，聚合物材料熔体流入维基层平铺面上间隔成网格中，同时立体纤维布中凸出纤维结构被包埋于聚合物层中，与聚合物形成榫卯结构，经冷却定型脱模后形成具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料。
进一步的，浇注固化成型法具体步骤为：将立体纤维布平放于模具中；向模具中浇注聚合物材料液体，浇筑在纤维束在二维基层平铺面上间隔成的网格空隙，并将凸出纤维结构包埋于聚合物中；固化、脱模即可。
具体步骤为：将立体纤维布置于模具中，立体纤维布的网格平面紧贴在模具的内表面，立体纤维布具有凸出纤维结构的一侧置于模具型腔中，向模具型腔中浇注聚合物材料液体，聚合物材料液体流入到纤维束在二维基层平铺面上间隔成网格，同时立体纤维布中凸出的纤维结构被包埋于聚合物层中，与聚合物形成榫卯结构，在20~100 ℃和0~10 MPa压力作用下，经固化成型脱模后制备得到具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料。
优选的，本发明在聚合物/立体纤维布复合材料使用过程中，也可利用分步涂覆成型的方法如：首先将立体纤维布粘结在复合材料需要粘附的基体上，如混凝土、钢铁等。立体纤维布具有凸出纤维结构的一侧向外，将聚合物熔体或溶液涂覆到纤维束在二维基层平铺面上间隔成网格内，立体纤维布中的凸出纤维结构被包埋于聚合物中，聚合物固化后与立体纤维布形成榫卯结构，实现将具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料的应用。
通过以上技术方案，本发明提出了一种，其具有以下优点：
（1）本发明解决了聚合物/纤维布复合材料在使用过程中容易产生聚合物基体与纤维布发生剥离的技术问题，利用立体纤维布与混凝土、钢铁等基材良好的粘接性能，形成中间层，实现了聚合物/纤维布复合材料与混凝土、钢铁等基材间的良好且可靠粘接性，保证聚合物/纤维布复合材料在使用过程中的长期稳定性，保证了工程质量。
（2）本发明操作简便易行，施工效率高，可广泛应用于建筑、水利、地铁、工厂车间、民居等水利工程和土木工程。
附图说明
图1是本发明立体纤维布平面示意图；
图2是本发明主视示意图；
图3是本发明实施例2立体玻璃纤维布中凸出的纤维柱图；
图4是本发明实施例2的聚合物/立体纤维布复合材料结构示意图；
图5是本发明实施例2的聚合物/立体纤维布复合材料图；
图6是本发明实施例2的聚合物/立体纤维布复合材料与混凝土表面的粘接图；
图7是本发明实施例3的聚合物/立体纤维布复合材料结构示意图；
图8是本发明实施例4的聚合物/立体纤维布复合材料结构示意图；
图1-5中，a为聚合物，b为立体纤维布，c为凸出纤维结构。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本发明提出了一种具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料；包括立体纤维布和聚合物；立体纤维布包括二维基层平铺面以及垂直与二维基层平铺面的凸出纤维结构；其中二维基层平铺面与凸出纤维结构一体编制成型；其中二维基层平铺面覆在聚合物表面上；凸出纤维结构包埋于聚合物中，与聚合物形成榫卯结构。
有些实施例中为了优化技术方案进一步提出了，立体纤维布为立体玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布或立体涤纶纤维布；立体纤维布的规格为60-2000 g/m2。
有些实施例中为了优化技术方案进一步提出了，聚合物为热塑性塑料或热固性树脂。
有些实施例中为了优化技术方案进一步提出了，凸出纤维结构由单根纤维或是若干纤维组成纤维束，构成纤维柱、纤维圈或纤维方格；纤维束间有间隙在二维基层平铺面上间隔成网格；立体纤维布凸出纤维结构包埋于聚合物中的深度为聚合物层厚度的1/10-1之间。
制备具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料包括挤出涂覆成型法、压制成型法、浇注固化成型法或分步涂覆成型法等多种方法。
实施例2
本实施例采用的聚合物层为聚乙烯，立体纤维布层为立体玻璃纤维布，立体玻璃纤维布的规格为900 g/m2，制备得到的聚乙烯/立体玻璃纤维布复合材料结构示意图如图1-3，采用压制成型方法进行制备。具体制备过程为：将立体玻璃纤维布平铺于模具中，且立体玻璃纤维布中凸出纤维结构即纤维柱的一面向上；然后将聚乙烯颗粒料或是粉料平铺到立体玻璃纤维布上，立体玻璃纤维布中凸出的纤维柱被包埋在聚乙烯粒料或粉料中；然后将模具合模置于平板硫化机上进行压制成型，压制成型温度为160℃，压制成型压力为10MPa，冷却后开模即制备得到聚乙烯/立体玻璃纤维布复合材料，聚乙烯充满立体玻璃纤维布中纤维束交织所形成的网格空隙，立体玻璃纤维布中凸出的玻璃纤维柱被包埋于聚乙烯固化层中，形成榫卯结构，立体玻璃纤维布凸出纤维结构包埋于聚乙烯中的深度为聚乙烯层厚度的1/3。制备的具有榫卯结构的聚乙烯/立体玻璃纤维布复合材料结构示意图如图4-5所示。
将本实施例得到的具有榫卯结构的聚乙烯/立体玻璃纤维布复合材料再作用于混凝土材料表面，通过粘接剂的粘接作用形成聚合物-立体纤维布-混凝土三位一体的牢固复合体系，如图6。
实施例3
本实施例采用的聚合物层为聚丙烯，立体纤维布层为立体涤纶纤维布，立体涤纶纤维布的规格为822 g/m2，制备得到的聚丙烯/立体涤纶纤维布复合材料结构示意图如图7所示，采用挤出涂覆成型方法进行制备。具体制备过程为：利用挤出机将聚丙烯颗粒料或是粉料进行挤出塑化，挤出温度为210℃，聚丙烯熔体经片材口模挤出后涂覆到立体涤纶纤维布上，聚丙烯熔体流入到立体涤纶纤维布中纤维束交织所形成的网格空隙，同时立体涤纶纤维布中凸出的纤维结构（单向纤维圈）被包埋于聚丙烯层中，与聚丙烯形成榫卯结构，经两辊压光和冷却固化定型后形成具有榫卯结构的聚丙烯/立体涤纶纤维布复合材料，立体涤纶纤维布凸出纤维结构包埋于聚丙烯中的深度为聚丙烯层厚度的1/3。
实施例4
本实施例采用的聚合物层为环氧树脂，立体纤维布层为立体碳纤维布，立体碳纤维布的规格为1085 g/m2，制备得到的环氧树脂/立体碳纤维布复合材料结构示意图如图8所示，采用浇注固化成型方法进行制备。具体制备过程为：将立体碳纤维布置于模具中，立体纤维布的网格平面紧贴在模具的内表面，立体纤维布具有凸出纤维结构（纤维方格）的一侧置于模具型腔中，然后将环氧树脂与固化剂搅拌均匀后向模具型腔中浇注，环氧树脂与固化剂混合液体流入到纤维布中纤维束交织所形成的网格空隙，同时立体纤维布中凸出的纤维结构（纤维方格）被包埋于环氧树脂中，与环氧树脂形成榫卯结构，模具在温度为60℃，压力为3MPa作用下，经固化成型脱模后制备得到具有榫卯结构的环氧树脂/立体碳纤维布复合材料，立体碳纤维布凸出纤维结构包埋于环氧树脂中的深度为环氧树脂层厚度的1/3。
对比例1
本实施例采用的聚合物层为聚乙烯，将立体玻璃纤维布替换为普通的无凸出纤维结构的玻璃纤维布，其他技术特征与实施例2相同。
对比例2
本实施例采用的聚合物层为聚丙烯，立体涤纶纤维布替换为普通的无单向纤维圈的涤纶纤维布，其他技术特征与实施例3相同。
对比例3
本实施例采用的聚合物层为环氧树脂，将立体碳纤维布替换为普通的无纤维方格的碳纤维布，其他技术特征与实施例4相同。
实施例5
将实施例2-4和对比例1-3得到的复合材料进行抗拉强度和抗撕裂强度测试，结果如表1所示。
表1 各复合材料性能测试结果
Figure 73391DEST_PATH_IMAGE002
通过表1，可以得出，具有榫卯结构的聚合物-立体纤维布复合材料的抗拉强度和剥离强度要明显优于不具备榫卯结构的聚合物-纤维布复合材料。
为进一步说明榫卯结构对聚合物-立体纤维布复合材料的性能影响，以纤维布规格与纤维结构包埋于聚合物层深度为变量进行制样，制样方法与实施例2-4所述方法相同，并进行复合材料的拉伸强度和剥离强度性能测试。测试结果分别如表2和表3所示。
表2 以纤维布规格为变量的复合材料性能测试结果
Figure 491996DEST_PATH_IMAGE003
通过表2，可以得出，以立体纤维布规格为变量，具有榫卯结构的聚合物-立体纤维布复合材料的抗拉强度和剥离强度都随着立体纤维布规格增大而增大，原因是立体纤维布规格增大，其与聚合物间形成的榫卯结构更密集，结合力更强。
表3 以纤维结构包埋于聚合物层深度为变量的复合材料性能测试结果
Figure 271734DEST_PATH_IMAGE004
通过表3，可以得出，以纤维结构包埋于聚合物层深度为变量，具有榫卯结构的聚合物-立体纤维布复合材料的抗拉强度和剥离强度都随着纤维结构包埋于聚合物层深度增大而增大，原因是纤维结构包埋深度增大，其与聚合物间形成的榫卯结构接触面积更大，结合力更强。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料，其特征在于，包括立体纤维布和所述聚合物；所述立体纤维布包括二维基层平铺面以及垂直与所述二维基层平铺面的凸出纤维结构；其中所述二维基层平铺面与所述凸出纤维结构一体编制成型；其中所述二维基层平铺面覆在所述聚合物表面上；所述凸出纤维结构包埋于所述聚合物中，与所述聚合物形成榫卯结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料，其特征在于，所述立体纤维布为立体玻璃纤维布、碳纤维布、玄武岩纤维布或立体涤纶纤维布，所述立体纤维布的规格为60-2000 g/m2。
3.根据权利要求1所述的一种具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料，其特征在于，聚合物为热塑性塑料或热固性树脂。
4.根据权利要求1所述的一种具有榫卯结构的聚合物/立体纤维布复合材料，其特征在于，所述凸出纤维结构由单根纤维或是若干纤维组成纤维束，构成纤维柱、纤维圈或纤维方格；所述纤维束间有间隙在所述二维基层平铺面上间隔成网格；所述立体纤维布凸出纤维结构包埋于聚合物中的深度为聚合物层厚度的1/10-1之间。
5.制备权利要求1-4任一所述的复合材料的方法，其特征在于，包括挤出涂覆成型法、压制成型法、浇注固化成型法或分步涂覆成型法。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述挤出涂覆成型法具体步骤为：将聚合物材料经过挤出塑化为熔体状态涂覆到所述立体纤维布的所述二维基层平铺面上，所述凸出纤维结构包埋于所述聚合物中；再经过压光和冷却固化定型即可。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述压制成型法具体步骤为：将所述立体纤维布平放于压制成型机的模具中；所述聚合物平铺到所述模具中，使得聚合物材料塑化流动，占满所述纤维束在所述二维基层平铺面上间隔成的网格空隙，并将所述凸出纤维结构包埋于所述聚合物中；后冷却、定型、脱模。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述浇注固化成型法具体步骤为：将所述立体纤维布平放于模具中；向所述模具中浇注聚合物液体，浇筑在所述纤维束在所述二维基层平铺面上间隔成的网格空隙，并将所述凸出纤维结构包埋于所述聚合物中；固化、脱模即可。
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