CN107012587A - 一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材及其复合板材与制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材，它是由天然麻纤维和可降解聚合物纤维混合而成，其中天然麻纤维必须进行脱胶与改性处理，其中基材可以是聚乳酸、二氧化碳聚合物等可降解聚合物。对天然纤维采用深冷和机械相结合的工艺进行脱胶处理，再经过接枝改性，与聚合物基纤维进行混合，通过梳理铺网工序，制备毡材。利用该毡材，通过复合锻造工艺，制备复合板材。通过本发明制备的复合板材，改善了天然纤维和聚合物基体的界面结合性能，进而提高了复合板材的综合力学性能，是一种环保、可降解、低VOC、高性能、薄壁化的新型天然纤维增强复合材料。
Description
技术领域
本发明属于汽车装饰材料技术领域。
背景技术
随着科技的进步和人们环保意识的增强，前期的一些材料如：玻璃纤维复合材料，由于存在污染和成本高的问题，正逐渐被天然麻纤维复合材料所取代。天然麻纤维复合材料具有轻质价廉、绿色环保、密度低、比强度高、可降解可再生、吸湿性能好等优点，它的产量逐渐提升，已经在航空航天、汽车、家具、装潢、电器等众多领域得到了广泛的应用。此外，我国是世界上麻类资源最丰富的国家，有着别国难以企及的资源优势。北有亚麻、南有剑麻、东有大麻、西有罗布麻、中有苎麻，大部分地区有洋麻、黄麻的格局。麻纤维具有较高的强度和模量、较小的密度、耐热、耐磨、吸湿透湿、透气等特性。而且，麻类植物易种植，不需要化肥，收获期短，产量高。因此，麻纤维具有潜在的工业应用价值，在国内外市场有着广阔的前景。
但是，在加工和使用天然麻纤维的过程中，由于温度、光照、湿度等因素的影响，天然纤维复合材料会产生易挥发的小分子有机物(VOC)，如：甲醛，乙醛、苯、甲苯、苯乙烯等。在相对封闭的环境中，与人直接或间接的接触，将危害使用者的健康，这在很大程度上制约了天然麻纤维复合材料的应用和发展。另外，随着汽车环保法规的日益严格，汽车零部件的可回收性将是各大汽车零部件厂商必须面临的问题。因此，生产低VOC、可降解的高性能复合板材，成了当前亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述的不足，本发明提供一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材及其复合板材的制备方法。
以天然麻纤维和可降解聚合物纤维为原料，经开松、混合、梳理得到单层的复合纤维薄网，铺网6～10层复合纤维薄网并通过针刺处理使纤维勾连后得到毡材；毡材中天然麻纤维的重量百分含量为30～70％，所述毡材再经闭式复合模锻处理后，可降解聚合物纤维固化得到复合板材。
所述天然麻纤维为汉麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、苎麻纤维或以上1～4种的混合物。可降解聚合物为PLA(聚乳酸，也叫聚丙交酯)、二氧化碳聚合物或PLA和二氧化碳聚合物二者的混合物。
制备方法具体步骤如下：
1)按天然麻纤维30wt％～70wt％，可降解聚合物70wt％～30wt％的比例称取原料；
2)将天然麻纤维水洗除去杂质和烘干后，使用快速深冷脱胶处理方法对天然麻纤维进行脱胶处理；
3)将脱胶处理后的麻纤维在表面处理剂中浸渍30min～4h，取出后经多次水洗，置于80～100℃烘箱中干燥6～12h，得到表面改性麻纤维；
4)将干燥的可降解聚合物纤维与改性麻纤维开松与混合均匀，通过梳理得到复合纤维单层薄网，交叉式铺叠6～10层，针刺成毡材；
5)将毡材充满模膛，用平板硫化机将毡材加热到软化后将其转移至脱模剂均匀涂抹上下表面的金属对模中，合模时先以10m/min的速度快速合模，待阴阳模相距8～10cm时，改为以3m/min的速度合模；合模后在50～80MPa压力和175～195℃温度下保持10～20min；脱模后得到一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基复合板材。
步骤2)中快速深冷脱胶处理方法具体如下：将麻纤维置于深冷设备中，使麻纤维快速冷却到-100℃～-190℃，进行深冷处理，冷冻时间30min～12h。然后以0.1～10℃/min的速度升温到常温，静置30min～5h。然后机械拍打脱胶40～60min。并用pH>13碱性溶液处理20～40min，水洗烘干。
步骤3)中的表面处理剂为马来酸酐水溶液、硅烷偶联剂水溶液或二异氰酸酯-丙酮水溶液。
本发明的有益效果：
本发明一方面是通过脱胶处理除去果胶、木质素和半纤维素，以此来有效降低VOC的挥发。另一方面是采用闭式复合模锻工艺，提高了材料利用率；通过高的压力控制复合材料的孔隙率，改善天然纤维和聚合物基体的界面结合性能，提高复合板材的综合力学性能，得到薄壁化复合板材。
附图说明
图1为天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材示意图；
图2为天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基复合板材示意图；
图3闭式复合模锻工艺示意图。
附图中：1-阴模、2-阳模、3-毡材、4-测温点、5-天然麻纤维和可降解聚合物纤维的复合纤维薄网。
具体实施方式
下面以具体实施例的方式对本发明技术方案做进一步解释和说明。
实施例1
1)首先对汉麻纤维进行水洗以除去纤维中的杂质，将烘干后的汉麻纤维置于深冷设备中，使汉麻纤维快速冷却到-190℃，进行深冷处理，冷冻时间为5h；然后以9℃/min的速度升温到常温，并静置2h；利用机械脱胶设备对深冷处理后的汉麻纤维进行机械脱胶处理40min；对机械脱胶处理过的汉麻纤维进行碱液水洗，置于6g/L的氢氧化钠液体中水洗20min，去除机械脱胶后的汉麻纤维表面残留的非纤维素的杂质。烘干梳理后残胶率在1％以下。
2)将马来酸酐在60℃下溶解成透明的1wt％马来酸酐水溶液，汉麻与溶液的浴比为1:50，将步骤(1)所得脱胶汉麻纤维放入到此溶液中处理4h，多次水洗，置于80℃烘箱中干燥8h,备用；将二氧化碳聚合物在30～35℃下真空干燥10h，以除去水分。
3)将步骤2)所得改性汉麻纤维与二氧化碳聚合物按照重量比4:6进行开松并均匀混合，将经过初步开松与混合的纤维原料梳理成由复合纤维组成的薄网。将梳理机输出的薄网通过交叉式铺叠成网的方法铺叠成一定厚度的纤维网。为保证纤维网的均匀度，选择铺网7层。然后针刺成毡。
4)根据模具中模膛的体积计算毡材的尺寸，进行剪裁到合适形状与尺寸。用平板硫化机将毡材加热到软化，放到脱模剂均匀涂抹上下表面的金属对模中，合模时先快速为10m/min，待阴阳模相距10cm时，改慢速为3m/min。加热到175℃，加压到75MPa，保压时间为11min，固化成型，卸压冷却到室温后脱模。
实施例2
1)首先对黄麻纤维进行水洗以除去纤维中的杂质，将烘干后的黄麻纤维置于深冷设备中，使黄麻纤维快速冷却到-150℃，进行深冷处理，冷冻时间为3h；然后以8℃/min的速度升温到常温，并静置3h；利用机械脱胶设备对深冷处理后的黄麻纤维进行机械脱胶处理50min；对机械脱胶处理过的黄麻纤维进行碱液水洗，置于6g/L的氢氧化钠液体中水洗30min，去除机械脱胶后的黄麻纤维表面残留的非纤维素的杂质。烘干梳理后残胶率在1％以下。
2)将硅烷偶联剂KH550溶于体积比为1:1的乙醇/水混合溶剂中，配置得到质量分数为1％的KH550硅烷偶联剂溶液(使用量根据硅烷偶联剂的质量为预处理黄麻质量的3％计算)，用乙酸调节pH值至4，搅拌均匀后得到表面处理液，将步骤1)所得脱胶黄麻纤维浸入上述配置好的表面处理液中，浸渍2h后取出，反复冲洗至中性，置于80℃烘箱中干燥12h，备用。
3)将步骤2)所得改性黄麻纤维与PLA纤维按照重量比4:6进行开松均匀混合，将经过初步开松与混合的纤维原料梳理成由两种纤维组成的单层薄网。将梳理机输出的薄网通过交叉式铺叠成网的方法铺叠成一定厚度的纤维网。为保证纤维网的均匀度，选择铺网8层。然后针刺成毡。
4)根据模具中模膛的体积计算毡材的尺寸，进行剪裁到合适形状与尺寸。用平板硫化机将毡材加热到软化，放到脱模剂均匀涂抹上下表面的金属对模中，合模时先快速为10m/min，待阴阳模相距10cm时，改慢速为3m/min。加热到195℃，加压到70MPa，保压时间为17min，固化成型，卸压冷却到室温后脱模。
实施例3
1)首先对亚麻纤维进行水洗以除去纤维中的杂质，将烘干后的亚麻纤维置于深冷设备中，使亚麻纤维快速冷却到-130℃，进行深冷处理，冷冻时间为5h；然后以6℃/min的速度升温到常温，并静置4h；利用机械脱胶设备对深冷处理后的亚麻纤维进行机械脱胶处理50min；对机械脱胶处理过的亚麻纤维进行碱液水洗，置于6g/L的氢氧化钠液体中水洗40min，去除机械脱胶后的亚麻纤维表面残留的非纤维素的杂质。烘干梳理后残胶率在1％以下。
2)将步骤1)所得脱胶亚麻纤维，按浴比1:25，加入到5wt％的丙酮水溶液中，再加入二异氰酸酯，二异氰酸酯与亚麻的用量比为重量比1:1，滴加浓硫酸使pH至2.5～3，水浴加热65℃，浸渍6h。多次水洗后，置于80℃烘箱中干燥7h，备用。
3)将步骤2)所得改性亚麻纤维与PLA纤维按照6:4进行均匀混合，将经过初步开松与混合的纤维原料梳理成由两种纤维组成的单层薄网。将梳理机输出的薄网通过交叉式铺叠成网的方法铺叠成一定厚度的纤维网。为保证纤维网的均匀度，选择铺网7层。然后针刺成毡。
4)根据模具中模膛的体积计算毡材的尺寸，进行剪裁到合适形状与尺寸。用平板硫化机将毡材加热到软化，放到脱模剂均匀涂抹上下表面的金属对模中，合模时先快速为10m/min，待阴阳模相距10cm时，改慢速为3m/min。加热到180℃，加压到60MPa，保压时间为14min，固化成型，卸压冷却到室温后脱模。
实施例4
1)首先对苎麻纤维进行水洗以除去纤维中的杂质，将烘干后的苎麻纤维置于深冷设备中，使苎麻纤维快速冷却到-100℃，进行深冷处理，冷冻时间为12h；然后以4℃/min的速度升温到常温，并静置5h；利用机械脱胶设备对深冷处理后的苎麻纤维进行机械脱胶处理60min；对机械脱胶处理过的苎麻纤维进行碱液水洗，置于6g/L的氢氧化钠液体中水洗30min，去除机械脱胶后的苎麻纤维表面残留的非纤维素的杂质。烘干梳理后残胶率在1％以下。
2)将硅烷偶联剂A151溶于体积比3:2的乙醇/水混合溶剂中，配置质量分数为1％的硅烷偶联剂溶液，用乙酸调节pH至3～3.5，苎麻与硅烷偶联剂溶液的浴比为1:50，搅拌均匀后，并将步骤1)所得脱胶苎麻纤维浸入上述配置好的硅烷偶联剂溶液中，浸渍30min后取出，反复冲洗至中性，放入100℃烘箱中干燥8h，备用。将二氧化碳聚合物在30～35℃下真空干燥10h，以除去水分。
3)将步骤2)所得改性苎麻纤维与PLA纤维和二氧化碳聚合物的混合物按照6:4进行均匀混合，将经过初步开松与混合的纤维原料梳理成由三种纤维组成的单层薄网。将梳理机输出的薄网通过交叉式铺叠成网的方法铺叠成一定厚度的纤维网。为保证纤维网的均匀度，选择铺网8层，然后针刺成毡。
4)根据模具中模膛的体积计算毡材的尺寸，进行剪裁到合适形状与尺寸。用平板硫化机将毡材加热到软化，放到脱模剂均匀涂抹上下表面的金属对模中，合模时先快速为10m/min，待阴阳模相距10cm时，改慢速为3m/min。加热到180℃，加压到50MPa，保压时间为19min，固化成型，卸压冷却到室温后脱模。
以下通过实验例具体说明本发明的有益效果。
将实施例1、2、3、4中得到的复合板材均匀切割成5个样条，并用制样机打磨成120×10×2mm的规格，此规格作为弯曲性能测试样品。采用万能试验机，按照ISO527-1标准进行测试，采用三点弯曲法，弯曲速度为5mm/min，跨距为95mm；将120×10×2mm规格的样条制成哑铃型，两端尺寸为120×10×2mm，中间尺寸为120×5×2mm，作为拉伸测试样品。采用万能试验机，按照ISO178标准进行测试，拉伸速度为5mm/min，钳距为100mm；将120×10×2mm规格的样条用制样机在试样中间做成0.2倍厚度的V字凹槽，作为缺口冲击测试试样，采用万能试验机，按照ISO179标准进行测试，冲击速度为5mm/min，将所得结果制成表1。
表1
Claims (8)
1.一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材，其特征在于，该毡材由6～10层的复合纤维薄网通过纤维勾连形成毡体，所述复合纤维薄网由天然麻纤维和可降解聚合物纤维混合交织而成；所述天然麻纤维为汉麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、苎麻纤维或以上1～4种的混合物；可降解聚合物为聚乳酸、二氧化碳聚合物或聚乳酸和二氧化碳聚合物二者的混合物。
2.根据权利要求1所述的天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材，其特征在于，毡材中天然麻纤维的重量百分含量为30～70％。
3.一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基复合板材，其特征在于，该板材由天然麻纤维和可降解聚合物纤维相互混合、纤维交织并由聚合物纤维固化而成；所述天然麻纤维为汉麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维、苎麻纤维或以上1～4种的混合物；可降解聚合物为聚乳酸、二氧化碳聚合物或聚乳酸和二氧化碳聚合物二者的混合物。
4.根据权利要求3所述的天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基复合板材，其特征在于，所述复合板材中天然麻纤维的重量百分含量为30～70％。
5.一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材的制备方法，具体步骤如下：
1)按天然麻纤维30wt％～70wt％，可降解聚合物70wt％～30wt％的比例称取原料；
2)将天然麻纤维水洗除去杂质和烘干后，使用快速深冷脱胶处理方法对天然麻纤维进行脱胶处理；
3)将脱胶处理后的麻纤维在表面处理剂中浸渍30min～4h，取出后经多次水洗，置于80～100℃烘箱中干燥6～12h，得到表面改性麻纤维；
4)将干燥的可降解聚合物纤维与改性麻纤维开松与混合均匀，通过梳理得到复合纤维单层薄网，交叉式铺叠6～10层，针刺成毡材；
步骤3)中的表面处理剂为马来酸酐水溶液、硅烷偶联剂水溶液或二异氰酸酯-丙酮水溶液。
6.根据权利要求5所述的天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材的制备方法，其特征在于，步骤2)中快速深冷脱胶处理方法具体如下：
将麻纤维置于深冷设备中，使麻纤维快速冷却到-100℃～-190℃，进行深冷处理，冷冻时间30min～12h；然后以0.1～10℃/min的速度升温到常温，静置30min～5h；然后机械拍打脱胶40～60min；并用pH>13碱性溶液处理20～40min，水洗烘干。
7.一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材的制备方法，其特征在于，
1)按天然麻纤维30wt％～70wt％，可降解聚合物70wt％～30wt％的比例称取原料；
2)将天然麻纤维水洗除去杂质和烘干后，使用快速深冷脱胶处理方法对天然麻纤维进行脱胶处理；
3)将脱胶处理后的麻纤维在表面处理剂中浸渍30min～4h，取出后经多次水洗，置于80～100℃烘箱中干燥6～12h，得到表面改性麻纤维；
4)将干燥的可降解聚合物纤维与改性麻纤维开松与混合均匀，通过梳理得到复合纤维单层薄网，交叉式铺叠6～10层，针刺成毡材；
5)将毡材充满模膛，用平板硫化机将毡材加热到软化后将其转移至脱模剂均匀涂抹上下表面的金属对模中，合模时先以10m/min的速度快速合模，待阴阳模相距8～10cm时，改为以3m/min的速度合模；合模后在50～80MPa压力和175～195℃温度下保持10～20min；脱模后得到一种天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基复合板材。
8.根据权利要求5所述的天然环保型麻纤维增强可降解聚合物基毡材的制备方法，其特征在于，步骤2)中快速深冷脱胶处理方法具体如下：
将麻纤维置于深冷设备中，使麻纤维快速冷却到-100℃～-190℃，进行深冷处理，冷冻时间30min～12h；然后以0.1～10℃/min的速度升温到常温，静置30min～5h；然后机械拍打脱胶40～60min；并用pH>13碱性溶液处理20～40min，水洗烘干。
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