CN103832042A - 一种碳纤维布增强木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳纤维布增强木塑复合材料及其制备方法，它涉及一种碳纤维布增强木塑复合材料及其制备方法。本发明的目的是为了解决现有木塑复合材料综合力学性能低，尤其是冲击韧性低的问题。本发明碳纤维布增强木塑复合材料是由表层木塑层、碳布增强层、芯层木塑层、碳布增强层和表层木塑层构成。制备方法为：一、制备木塑复合单板；二、碳布处理：对碳布表面进行钝化处理；三、制备碳纤增强木塑复合材料：按照碳纤增强木塑复合材料的性能要求，依次将相应厚度的表层木塑板、增强碳布、芯层木塑板、增强碳布、表层木塑板叠放组坯，然后热压3～15min，再冷却，即完成。本发明显著增强了木塑复合材料的韧性，可应用于高性能结构和工程材料领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维布增强木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑复合材料(wood plastic composites，简称WPC)是将一定比例的木纤维经与热塑性聚合物或其他材料结合而成的一种新型材料。由于塑料的加入，增加了木材的表面硬度、尺寸稳定性、耐水性、耐腐蚀性，且一般不需要表面涂饰，符合未来经济发展的需要，其前途不可估量。
正是由于木塑复合材料的众多优点，使得其市场增长的很快，特别是在建筑及汽车方面的应用。而另一方面，急速扩张的市场又为木塑复合材料更广泛的应用提出了更高的性能要求。比如，当其应用在结构和工程材料等领域，必须具有较高的综合力学性能。
木塑复合材料在具有诸多优点的同时也存在缺点，其中较突出的缺点是韧性差和强度不高，尤其是很难获得同时具有高强度和高韧性的产品。因此，如何同时提高木塑复合材料的强度和韧性，成为木塑复合材料扩大应用范围的关键。
现有技术为此进行了广泛的研究，例如：许多偶联剂（或相容剂）如马来酸酐接枝聚烯烃、硅烷、异氰酸酯等被用于提高木塑复合材料的拉伸和弯曲强度，但是木塑复合材料的冲击韧性没有得到改善甚至有所降低；丁苯橡胶（SBR）、SEBS、EPDM、EOR、EMA、EBAGMA、EPR-g-MA等热塑性弹性体的加入，使木塑复合材料的冲击韧性或多或少得到了提高，但其强度和模量往往降低；木塑复合材料的发泡技术能够显著提高其韧性和抗冲击性能，但发泡造成材料的刚性、强度和蠕变性能较差，严重限制了其应用；在木塑复合材料中添加玻璃纤维，能同时提高木塑复合材料的强度和韧性，但使用玻璃纤维在生产过程影响人身健康，且玻纤密度高达2.5g/cm3，不利于获得轻质高强产品，对挤出设备的磨损也十分严重。
碳纤维具有重量轻、比强度大、模量高、耐热性高、化学稳定性好等优异特性，以碳纤维为增强相的复合材料具有比钢强、比铝轻的特性，是一种目前最受重视的高性能材料之一。它在航空航天、军事、工业、体育器材等许多方面有广泛的用途。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有木塑复合材料的综合力学性能低，冲击韧性低的问题，而提供一种碳纤维布增强木塑复合材料及其制备方法。
本发明一种碳纤维布增强木塑复合材料是由表层木塑层、增强碳布层、芯层木塑层、增强碳布层和表层木塑层热压而成。
本发明一种碳纤维布增强木塑复合材料的制备方法，按照以下步骤进行：
一、木塑复合单板的制备；
二、碳纤增强木塑复合材料的制备：按照碳纤增强木塑复合材料的性能要求，依次将相应厚度的表层木塑板、增强碳布、芯层木塑板、增强碳布、表层木塑板叠放组坯，然后放入热压机中以170～190℃的温度热压3～15min，再冷却到60度以下，得到碳纤维布增强木塑复合材料，即完成；其中所述的性能要求为弯曲强度、弹性模量、拉伸强度或断裂伸长率；
若需要碳纤增强木塑复合材料的弯曲强度为30～100Mpa，则依次将0～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和0～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的弹性模量为1.5～4.5Gpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的拉伸强度为20～70Mpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的断裂伸长率为10～17%，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的冲击强度为20～60Mpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
其中表层木塑板和芯层木塑板为步骤一制备的木塑复合单板，增强碳布的厚度为0.01～0.2mm，增强碳布为单层碳纤维布、单层玻璃纤维布或单层纤维增强聚合物。
本发明碳纤维布的加入显著提高了木塑复合材料各项力学性能。与未添加碳纤维布的木塑材料相比，弯曲强度增强提高了1倍；弹性模量提高了0.5倍；拉伸强度提高了2倍，拉伸性能增强效果非常显著；断裂伸长率高了1.5倍；冲击强度最大提高了4倍多，显著降低了木塑复合材料的脆性，增强了韧性。
本发明方法还解决了以下问题：
1、解决了均匀分散问题。碳纤维加入量少，难以在基体材料中均匀分散，采用碳布做为大幅面板材的增强层，与使用短纤维相比，纤维分布均匀，并保持了长纤形态，增强效果好。
2、采取分层复合、控制热压工艺等措施，使表层熔化满足碳布粘接需要，而芯层无需受热软化，减少热压时间，极大地减少了表面木塑热解的危害，在增强的同时保证板面美观。
3、利用热压工艺和挤出工艺制备大幅面木塑板材，便于现场加工和二次成型，满足异形件、部件分割等实用要求。
附图说明
图1为本发明碳纤维布增强木塑复合材料的结构示意图，其中a为表层木塑层、b为增强碳布层、c为芯层木塑层、d为增强碳布层、e为表层木塑层；
图2为试验1中CF1材料的结构示意图，其中a为表层木塑层、b为增强碳布层、c为芯层木塑层、d为增强碳布层、e为表层木塑层；
图3为试验1中CF3材料的结构示意图，其中a为表层木塑层、b为增强碳布层、c为芯层木塑层、d为增强碳布层、e为表层木塑层；
图4为试验1中CF5材料的结构示意图，其中a为表层木塑层、b为增强碳布层、c为芯层木塑层、d为增强碳布层、e为表层木塑层；
图5为试验1中CF7材料的结构示意图，其中a为增强碳布层、b为芯层木塑层、c为增强碳布层。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式一种碳纤维布增强木塑复合材料是由表层木塑层、增强碳布层、芯层木塑层、增强碳布层和表层木塑层热压而成。
本实施方式碳纤维布的加入显著提高了木塑复合材料各项力学性能。与未添加碳纤维布的木塑材料相比，弯曲强度增强提高了1倍；弹性模量提高了0.5倍；拉伸强度提高了2倍，拉伸性能增强效果非常显著；断裂伸长率高了1.5倍；冲击强度最大提高了4倍多，显著降低了木塑复合材料的脆性，增强了韧性。
具体实施方式二：本实施方式一种碳纤维布增强木塑复合材料的制备方法，按照以下步骤进行：
一、木塑复合单板的制备；
二、碳纤增强木塑复合材料的制备：按照碳纤增强木塑复合材料的性能要求，依次将相应厚度的表层木塑板、增强碳布、芯层木塑板、增强碳布、表层木塑板叠放组坯，然后放入热压机中以170～190℃的温度热压3～15min，再冷却到60度以下，得到碳纤维布增强木塑复合材料，即完成；其中所述的性能要求为弯曲强度、弹性模量、拉伸强度或断裂伸长率；
若需要碳纤增强木塑复合材料的弯曲强度为30～100Mpa，则依次将0～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和0～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的弹性模量为1.5～4.5Gpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的拉伸强度为20～70Mpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的断裂伸长率为10～17%，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的冲击强度为20～60Mpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
其中表层木塑板和芯层木塑板为步骤一制备的木塑复合单板，增强碳布的厚度为0.01～0.2mm，增强碳布为单层碳纤维布、单层玻璃纤维布或单层纤维增强聚合物。
本实施方式还解决了以下问题：
1、解决了均匀分散问题。碳纤维加入量少，难以在基体材料中均匀分散，采用碳布做为大幅面板材的增强层，与使用短纤维相比，纤维分布均匀，并保持了长纤形态，增强效果好。
2、采取分层复合、控制热压工艺等措施，使表层熔化满足碳布粘接需要，而芯层无需受热软化，减少热压时间，极大地减少了表面木塑热解的危害，在增强的同时保证板面美观。
3、利用热压工艺和挤出工艺制备大幅面木塑板材，便于现场加工和二次成型，满足异形件、部件分割等实用要求。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一所述的木塑单板的制备方法为：一、造粒：将生物质纤维、热塑性塑料材料和偶联剂按质量比1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合10min，然后用双螺杆挤出机造粒，得到热压板材的粒料；二、制备木塑复合单板：将步骤一中的粒料在密闭钢制模具中铺装成厚度为1～10mm厚度的板坯，再将板坯放入热压机中以170～190℃的温度热压3～15min，冷却后得到木塑复合单板；其中热塑性塑料材料为热塑性塑料粉末或热塑性塑料纤维；热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶联剂。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤一所述的木塑复合单板的制备方法为：将生物质纤维、热塑性塑料材料和偶联剂按质量比1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合均匀，然后送入双螺杆挤出机挤出成型，得到木塑复合单板；其中热塑性塑料材料为热塑性塑料粉末或热塑性塑料纤维；热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶联剂。其它与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤一所述的木塑复合单板的制备方法为：将生物质纤维、热塑性塑料材料和偶联剂按质量比1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合均匀，然后在密闭钢制模具中铺装成厚度为3～15mm厚度的板坯，再将板坯放入热压机中以170～190℃的温度热压5～18min，冷却后得到木塑复合单板；其中热塑性塑料材料为热塑性塑料粉末或热塑性塑料纤维；热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶联剂。其它与具体实施方式二至四之一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验1、本试验分为试验组和对照组；
试验组制备碳布增强木塑复合材料的方法按下列步骤实现：
一、木塑单板的制备：a、将杨木粉、高密度聚乙烯颗粒和马来酸酐接枝聚乙烯按照质量比为1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合10min，然后用双螺杆挤出机造粒，得到热压板材的粒料。双螺杆喂料速度设置为10r/min，30主机转速设置为30r/min，双螺杆各区的温度设置如表1：
表1.试验1双螺杆挤出机各区温度
b、将步骤一中的粒料在密闭钢制模具铺装成厚度分别为1、2、3、5、7mm的板坯，板坯放入热压机中以170℃的温度热压5-15min得到厚度为1、2、3、5、7mm的木塑单板；
二、按照表层木塑层、增强碳布层、芯层木塑层、增强碳布层、表层木塑层的顺序依次叠放，然后放入热压机中以170℃的温度继续热压3-15min，得到碳布增强木塑复合材料。
其中表层木塑板和芯层木塑板为步骤一制备的木塑复合单板，本试验所用的碳布是由沈阳中恒复合材料有限公司提供12K单向碳纤维布，厚度只有0.111mm，每平米的质量为200g。
本试验得到的碳布增强木塑复合材料厚度为7mm，截面尺寸为160×160mm。
根据表层木塑层和芯层木塑层的厚度不同分别设计了四种碳布增强木塑结构类型，根据芯层木塑层厚度不同分别命名为CF1、CF3、CF5、CF7，其中CF7由于表层木塑层厚度为0故只有三层结构，其他三种均为五层结构，CF1、CF3、CF5、CF7的结构如图2～5所示，其中CF1、CF3、CF5中a为表层木塑层、b为增强碳布层、c为芯层木塑层、d为增强碳布层、e为表层木塑层；CF7中a为增强碳布层、b为芯层木塑层、c为增强碳布层；CF1中a的厚度为3mm，c的厚度为1mm，e的厚度为3mm；CF3中a的厚度为2mm，c的厚度为3mm，e的厚度为2mm；CF5中a的厚度为1mm，c的厚度为5mm，e的厚度为1mm；CF7中b的厚度为7mm。
本试验对照组的材料为步骤b得到的厚度为7mm的木塑单板，命名为CF0。
复合材料的拉伸性能参照ASTM D638-03标准在万能力学试验机上进行测试；弯曲性能参照ASTM D790-03在万能力学试验机上进行测试；冲击性能参照GB/T1043.1-2008在组合冲击试验机上进行测试，测试结果列在下表2：
表2.试验1中试验组和对照组的力学性能结果
试验组碳纤维布的加入显著提高了木塑复合材料各项力学性能。与对照组CF0相比，CF7（即当碳布贴在木塑板表面时）弯曲强度增强最大，提高了127%；CF5（即碳布离表层为1mm厚度）弹性模量最大，提高了48%；CF1（即碳布离表层为3mm厚度）拉伸强度最大，提高了300%，拉伸性能增强效果非常显著；CF1（即碳布离表层为3mm厚度）断裂伸长率最大，提高了147%；CF3（即碳布离表层为2mm厚度）冲击强度最大，提高了448%，显著改善了木塑复合材料的脆性，增强了韧性。
试验2、本试验分为试验组和对照组；
试验组制备碳布增强木塑复合材料的方法按下列步骤实现：
一、木塑单板的制备：将杨木粉、聚丙烯颗粒和马来酸酐接枝聚丙烯按照质量比为1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合均匀，然后用双螺杆挤出机挤出成型，得到木塑复合单板；分别制备厚度为1、2、3、5、7mm的木塑单板，双螺杆喂料速度设置为10r/min，30主机转速设置为30r/min，双螺杆各区的温度设置如表3：
表3.试验2中双螺杆挤出机各区温度
二、按照表层木塑层、增强碳布层、芯层木塑层、增强碳布层、表层木塑层的顺序依次叠放，然后放入热压机中以180℃的温度继续热压5min，得到碳布增强木塑复合材料。
其中表层木塑板和芯层木塑板为步骤一制备的木塑复合单板，本试验所用的碳布是由沈阳中恒复合材料有限公司提供12K单向碳纤维布，厚度只有0.111mm，每平米的质量为200g。
本试验得到的碳布增强木塑复合材料厚度为7mm，截面尺寸为160×160mm。
根据表层木塑层和芯层木塑层的厚度不同分别设计了四种碳布增强木塑结构类型，根据芯层木塑层厚度不同分别命名为CF1、CF3、CF5、CF7，其中CF7由于表层木塑层厚度为0故只有三层结构，其他三种均为五层结构，CF1、CF3、CF5、CF7的结构与试验1相同。本试验对照组的材料为步骤b得到的厚度为7mm的木塑单板，命名为CF0。
复合材料的拉伸性能参照ASTM D638-03标准在万能力学试验机上进行测试；弯曲性能参照ASTM D790-03在万能力学试验机上进行测试；冲击性能参照GB/T1043.1-2008在组合冲击试验机上进行测试，测试结果见表4。
试验组碳纤维布的加入显著提高了木塑复合材料各项力学性能。与对照组CF0相比，CF7（即当碳布贴在木塑板表面时）弯曲强度增强最大，提高了148%；CF5（即碳布离表层为1mm厚度）弹性模量最大，提高了51%；CF3（即碳布离表层为2mm厚度）拉伸强度最大，提高了258%，拉伸性能增强效果非常显著；CF1（即碳布离表层为3mm厚度）断裂伸长率最大，提高了154%；CF3（即碳布离表层为2mm厚度）冲击强度最大，提高了645%，极大的改善了木塑复合材料的脆性，增强了其韧性。
表4.试验2中试验组和对照组的力学性能结果
以上可见，不论是聚乙烯基还是聚丙烯基木塑复合材，碳纤维布的加入对木塑复合材料综合力学性能的提高均具有显著的作用，针对不同的应用场所和性能需求，可以选择不同的结构工艺：综合试验1和试验2的结果可知，对弯曲性能要求高的场所可选择CF7（即碳布贴在木塑板表面）；对拉伸性能和冲击性能要求高的场所可选择CF3（即碳布离表层为2mm厚度）。
Claims (5)
1.一种碳纤维布增强木塑复合材料，其特征在于碳纤维布增强木塑复合材料是由表层木塑层、增强碳布层、芯层木塑层、增强碳布层和表层木塑层热压而成。
2.一种碳纤维布增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于碳纤维布增强木塑复合材料的制备方法按照以下步骤进行：
一、木塑复合单板的制备；
二、碳纤增强木塑复合材料的制备：按照碳纤增强木塑复合材料的性能要求，依次将相应厚度的表层木塑板、增强碳布、芯层木塑板、增强碳布、表层木塑板叠放组坯，然后放入热压机中以170～190℃的温度热压3～15min，再冷却到60度以下，得到碳纤维布增强木塑复合材料，即完成；其中所述的性能要求为弯曲强度、弹性模量、拉伸强度或断裂伸长率；
若需要碳纤增强木塑复合材料的弯曲强度为30～100Mpa，则依次将0～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和0～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的弹性模量为1.5～4.5Gpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的拉伸强度为20～70Mpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的断裂伸长率为10～17%，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
若需要碳纤增强木塑复合材料的冲击强度为20～60Mpa，则依次将1～3mm表层木塑板、增强碳布、1～7mm芯层木塑板、增强碳布和1～3mm表层木塑板叠放组坯；
其中表层木塑板和芯层木塑板为步骤一制备的木塑复合单板，增强碳布的厚度为0.01～0.2mm，增强碳布为单层碳纤维布、单层玻璃纤维布或单层纤维增强聚合物。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维布增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的木塑单板的制备方法为：一、造粒：将生物质纤维、热塑性塑料材料和偶联剂按质量比1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合10min，然后用双螺杆挤出机造粒，得到热压板材的粒料；二、制备木塑复合单板：将步骤一中的粒料在密闭钢制模具中铺装成厚度为1～10mm厚度的板坯，再将板坯放入热压机中以170～190℃的温度热压3～15min，冷却后得到木塑复合单板；其中热塑性塑料材料为热塑性塑料粉末或热塑性塑料纤维；热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶联剂。
4.根据权利要求2所述的一种碳纤维布增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的木塑复合单板的制备方法为：将生物质纤维、热塑性塑料材料和偶联剂按质量比1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合均匀，然后送入双螺杆挤出机挤出成型，得到木塑复合单板；其中热塑性塑料材料为热塑性塑料粉末或热塑性塑料纤维；热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶联剂。
5.根据权利要求2所述的一种碳纤维布增强木塑复合材料的制备方法，其特征在于步骤一所述的木塑复合单板的制备方法为：将生物质纤维、热塑性塑料材料和偶联剂按质量比1：0.6：0.07的比例在高速混合机中混合均匀，然后在密闭钢制模具中铺装成厚度为3～15mm厚度的板坯，再将板坯放入热压机中以170～190℃的温度热压5～18min，冷却后得到木塑复合单板；其中热塑性塑料材料为热塑性塑料粉末或热塑性塑料纤维；热塑性塑料为聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶联剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶联剂。
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