CN114854172A - 一种天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料及其制造方法。该复合材料的主要组成物为天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂。将天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂混合均匀，经干燥脱水和预固化制备预浸料，再经热压成型得到复合材料。本发明利用天然植物纤维的多孔性和亲水特性，将植物纤维与水性环氧树脂复合，制造的植物纤维/环氧树脂复合材料具有优异的力学性能。本发明有效解决了植物纤维直接与环氧树脂复合时界面相容性差、复合材料力学性能低的问题，制造方法简便，制造和使用过程无有机溶剂及挥发性有机化合物(VOC)释放，绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然纤维/环氧树脂复合材料及其制造方法，尤其涉及一种天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料及其制造方法，属于有机高分子复合材料领域。
背景技术
天然植物纤维增强环氧树脂复合材料具有原料来源丰富、可再生，以及复合材料可设计性强、比强度与比模量高、可生物降解等优势，是环境友好的绿色复合材料，广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。
天然植物纤维因表面含有大量羟基呈现亲水特性，而环氧树脂基体通常呈现疏水性，纤维与树脂直接复合时存在界面相容性差、粘结力弱等问题，从而导致复合材料力学性能与耐久性较差。目前，常用物理、化学等方法对纤维表面改性，以提高纤维与树脂界面相容性。然而，现有的纤维改性方法普遍存在物理改性效果不佳、化学改性过程相对较复杂等问题，同时在复合材料制造过程中通常需要使用乙醇、丙酮及甲苯等有机助溶剂以改善纤维与树脂的浸润性，存在安全与环境污染问题，难以实现规模化工业制造。因此，绿色环保的复合材料界面改性与制造技术是天然植物纤维增强环氧树脂复合材料发展与应用的关键技术瓶颈。
本发明利用天然植物纤维及水性环氧树脂的极性，将植物纤维与水性环氧树脂在水相介质中直接复合制备复合材料。本发明的制造工艺简便，制造过程环境友好；同时，天然植物纤维与水性环氧树脂基体的界面相容性好，制造的复合材料力学性能优异，具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料及其制造方法。利用天然植物纤维和水性环氧树脂的极性，实现两者在水相介质中的相容复合，经热压成型制造绿色复合材料。
本发明的技术方案为：一种天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，该复合材料的主要组成物为天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂。所述的天然植物纤维为天然植物资源及其剩余物经加工、分离得到的纤维或其衍生物，所述的固化剂为具有一定极性的可与环氧树脂固化交联的小分子化合物、低聚物或聚合物。
所述的天然植物纤维为木纤维、竹纤维、韧皮纤维、棉纤维、秸秆纤维、麻纤维、棕榈纤维、果壳纤维中的任意一种或几种。纤维占复合材料质量比为20％～90％
所述的水性环氧树脂为具有水溶性或水分散性的环氧树脂或含环氧基团的化合物、低聚物及聚合物。
所述的水性环氧树脂为以环氧树脂为基体的乳液或水分散体。
所述的水性环氧树脂为双酚A环氧树脂乳液或水分散体。
所述的固化剂为酸酐、胺类化合物或其衍生物中的任意一种或几种。
所述的固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐、二乙基甲苯二胺、三乙醇胺、乙二胺中的任意一种或几种。
所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料的制造方法，通过以下步骤实现：
第一步，将天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂混合均匀，经干燥脱水、预固化得到预浸料；
第二步，将预浸料均匀铺装，经热压成型得到复合材料，再经后固化得到天然植物纤维/环氧树脂复合材料。
第一步中所述的干燥脱水、预固化过程的温度为50℃～150℃、时间为0.5h～8h。
第二步中所述的热压成型过程分为热压成型和后固化阶段。热压成型阶段，热压温度140℃～170℃，在压力0.05MPa～10MPa下保持0min～20min，再在压力7MPa～35MPa下保持30min～60min；后固化阶段，固化温度140℃～170℃，固化时间5h～10h。
有益效果
1.将环氧树脂水性化，提高与天然植物纤维的相容性，实现天然植物纤维与水性环氧树脂的相容复合，制造的复合材料具有优异的力学性能。
2.直接利用天然植物纤维与水性环氧树脂在水相介质中复合、热压成型制造复合材料。制造工艺简便，制造过程绿色环保。
附图说明
图1为本发明的复合材料制造工艺流程图。
图2为本发明实施例2的复合材料断面扫描电镜图。
具体实施方式
一种天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，该复合材料的主要组成物为天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂。
所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，该复合材料的制造过程通过以下步骤实现：
第一步，将天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂混合均匀，经干燥脱水、预固化得到预浸料；
第二步，将预浸料均匀铺装，经热压成型得到复合材料，再经后固化得到天然植物纤维/环氧树脂复合材料。
第一步中，所述的天然植物纤维为天然植物资源及其剩余物经加工、分离得到的纤维及其衍生物，包括木纤维、竹纤维、韧皮纤维、棉纤维、秸秆纤维、麻纤维、棕榈纤维、果壳纤维及其衍生物中的任意一种或几种，纤维在复合材料中质量百分比为20％～90％；所述的水性环氧树脂为具有水溶性或水分散性的环氧树脂或含环氧基团的化合物、低聚物及聚合物，所述的水性环氧树脂为双酚A环氧树脂乳液或水分散体；所述的固化剂为具有一定极性的可与环氧树脂固化交联的小分子化合物、低聚物或聚合物，包括酸酐、胺类化合物及其衍生物中的任意一种或几种，所述的固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐、二乙基甲苯二胺、三乙醇胺、乙二胺中的任意一种或几种。
第一步中，所述的干燥脱水、预固化过程的温度为50℃～150℃、时间为0.5h～8h。
第二步中，所述的热压成型过程分为热压成型和后固化阶段。热压成型阶段，热压温度140℃～170℃，在压力0.05MPa～10MPa下保持0min～20min，再在压力7MPa～35MPa下保持30min～60min；后固化阶段，固化温度140℃～170℃，固化时间5h～10h。
实施例1
将60g木纤维、固含量13％的180g水性环氧树脂乳液(按照专利CN202110214043.X方法制备的水性环氧树脂乳液)与17g甲基四氢邻苯二甲酸酐加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至100℃捏合30min；然后，将物料于80℃烘干2h；再将物料用分散机分散，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到木纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间3min；固化阶段，温度165℃，压力13MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度68MPa、弯曲强度138MPa、弯曲模量8.31GPa。
实施例2
将60g木纤维、固含量18％的180g水性环氧树脂乳液(按照专利CN202110214043.X方法制备的水性环氧树脂乳液)与7g二乙基甲苯二胺加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至100℃捏合30min；然后，将物料于80℃烘干2h；再将物料用分散机分散，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到木纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间3min；固化阶段，温度165℃，压力13MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度73MPa、弯曲强度145MPa、弯曲模量8.91GPa。
实施例3
将60g麻纤维、固含量18％的180g水性环氧树脂乳液(安邦新材料AB-EP-51)与7g二乙基甲苯二胺加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至100℃捏合30min；然后，将物料于90℃烘干2h；再将物料用分散机分散，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到麻纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间5min；固化阶段，温度165℃，压力13MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度79MPa、弯曲强度183MPa、弯曲模量10.27GPa。
实施例4
将60g木纤维、固含量15％的180g水性环氧树脂乳液(安邦新材料AB-EP-51)与3g三乙醇胺加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至100℃捏合30min；然后，将物料于90℃烘干2h；再将物料用分散机分散，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到木纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间5min；固化阶段，温度165℃，压力13MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度62MPa、弯曲强度143MPa、弯曲模量9.07GPa。
实施例5
将60g竹纤维、固含量15％的180g水性环氧树脂乳液(亨斯迈Araldite PZ3961)与3g三乙醇胺加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至100℃捏合30min；然后，将物料于80℃烘干3h；再将物料用分散机分散，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到竹纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间5min；固化阶段，温度165℃，压力9MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度85MPa、弯曲强度172MPa、弯曲模量11.03GPa。
实施例6
将60g木纤维、固含量16％的180g水性环氧树脂乳液(亨斯迈Araldite PZ3961)与2g乙二胺加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至100℃捏合30min；然后，将物料于80℃烘干3h；再将物料用分散机分散，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到木纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间5min；固化阶段，温度165℃，压力13MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度65MPa、弯曲强度143MPa、弯曲模量8.36GPa。
实施例7
将80g木纤维、固含量7％的240g水性环氧树脂乳液(按照专利CN202110214043.X方法制备的水性环氧树脂乳液)与3.2g二乙基甲苯二胺加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至100℃捏合30min；然后，将物料于80℃烘干2h；再将物料用分散机分散，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到木纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间5min；固化阶段，温度165℃，压力15MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度53MPa、弯曲强度156MPa、弯曲模量8.07GPa。
对照例
将60g木纤维、23g环氧树脂(E51)、400ml丙酮与17g甲基四氢邻苯二甲酸酐加入到捏合机中，常温捏合30min，再升温至60℃捏合30min，得到预浸料。
将预浸料铺装于模具中，经热压成型得到木纤维/环氧复合材料。预压阶段，热压温度165℃，压力8MPa，时间3min；固化阶段，温度165℃，压力13MPa，时间40min。
脱模后的复合材料于150℃后固化8h。测定复合材料的拉伸强度39MPa、弯曲强度55MPa、弯曲模量7.22GPa。
Claims (10)
1.一种天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，其特征在于，该复合材料的主要组成物为天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂。所述的天然植物纤维为天然植物资源及其剩余物经加工、分离得到的纤维或其衍生物，所述的固化剂为具有一定极性的可与环氧树脂固化交联的小分子化合物、低聚物或聚合物。
2.如权利要求1所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的天然植物纤维为木纤维、竹纤维、韧皮纤维、棉纤维、秸秆纤维、麻纤维、棕榈纤维、果壳纤维中的任意一种或几种，纤维在复合材料中质量百分比为20％～90％。
3.如权利要求1所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的水性环氧树脂为具有水溶性或水分散性的环氧树脂或含环氧基团的化合物、低聚物及聚合物。
4.如权利要求1所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的水性环氧树脂为以环氧树脂为基体的乳液或水分散体。
5.如权利要求1所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的水性环氧树脂为双酚A环氧树脂乳液或水分散体。
6.如权利要求1所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的固化剂为酸酐、胺类化合物或其衍生物中的任意一种或几种。
7.如权利要求1所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料，其特征在于，所述的固化剂为甲基四氢邻苯二甲酸酐、二乙基甲苯二胺、三乙醇胺、乙二胺中的任意一种或几种。
8.权利要求1～7任一所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料的制造方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，将天然植物纤维、水性环氧树脂及固化剂混合均匀，经干燥脱水、预固化得到预浸料；
第二步，将预浸料均匀铺装，经热压成型得到复合材料，再经后固化得到天然植物纤维/环氧树脂复合材料。
9.如权利要求8所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料的制造方法，其特征在于，第一步中所述的干燥脱水、预固化过程的温度为50℃～150℃、时间为0.5h～8h。
10.如权利要求8所述的天然植物纤维/水性环氧树脂复合材料的制造方法，其特征在于，第二步中所述的热压成型过程分为热压成型和后固化阶段。热压成型阶段，热压温度140℃～170℃，在压力0.05MPa～10MPa下保持0min～20min，再在压力7MPa～35MPa下保持30min～60min；后固化阶段，固化温度140℃～170℃，固化时间5h～10h。
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