一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料及其制備方法，它涉及一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有木塑復(fù)合材料綜合力學(xué)性能低，尤其是沖擊韌性低的問題。本發(fā)明碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料是由表層木塑層、碳布增強(qiáng)層、芯層木塑層、碳布增強(qiáng)層和表層木塑層構(gòu)成。制備方法為：一、制備木塑復(fù)合單板；二、碳布處理：對(duì)碳布表面進(jìn)行鈍化處理；三、制備碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料：按照碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的性能要求，依次將相應(yīng)厚度的表層木塑板、增強(qiáng)碳布、芯層木塑板、增強(qiáng)碳布、表層木塑板疊放組坯，然后熱壓3～15min，再冷卻，即完成。本發(fā)明顯著增強(qiáng)了木塑復(fù)合材料的韌性，可應(yīng)用于高性能結(jié)構(gòu)和工程材料領(lǐng)域。
【專利說明】一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]木塑復(fù)合材料(wood plastic composites,簡稱WPC)是將一定比例的木纖維經(jīng)與熱塑性聚合物或其他材料結(jié)合而成的一種新型材料。由于塑料的加入，增加了木材的表面硬度、尺寸穩(wěn)定性、耐水性、耐腐蝕性，且一般不需要表面涂飾，符合未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，其前途不可估量。
[0003]正是由于木塑復(fù)合材料的眾多優(yōu)點(diǎn)，使得其市場增長的很快，特別是在建筑及汽車方面的應(yīng)用。而另一方面，急速擴(kuò)張的市場又為木塑復(fù)合材料更廣泛的應(yīng)用提出了更高的性能要求。比如，當(dāng)其應(yīng)用在結(jié)構(gòu)和工程材料等領(lǐng)域，必須具有較高的綜合力學(xué)性能。
[0004]木塑復(fù)合材料在具有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在缺點(diǎn)，其中較突出的缺點(diǎn)是韌性差和強(qiáng)度不高，尤其是很難獲得同時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性的產(chǎn)品。因此，如何同時(shí)提高木塑復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，成為木塑復(fù)合材料擴(kuò)大應(yīng)用范圍的關(guān)鍵。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)為此進(jìn)行了廣泛的研究，例如:許多偶聯(lián)劑(或相容劑)如馬來酸酐接枝聚烯烴、硅烷、異氰酸酯等被用于提高木塑復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度，但是木塑復(fù)合材料的沖擊韌性沒有得到改善甚至有所降低；丁苯橡膠(SBR)、SEBS, EPDM、EOR、EMA, EBAGMA,EPR-g-MA等熱塑性彈性體的加入，使木塑復(fù)合材料的沖擊韌性或多或少得到了提高，但其強(qiáng)度和模量往往降低；木塑復(fù)合材料的發(fā)泡技術(shù)能夠顯著提高其韌性和抗沖擊性能，但發(fā)泡造成材料的剛性、強(qiáng)度和蠕變性能較差，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用；在木塑復(fù)合材料中添加玻璃纖維，能同時(shí)提高木塑復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性，但使用玻璃纖維在生產(chǎn)過程影響人身健康，且玻纖密度高達(dá)2.5g/cm3，不利于獲得輕質(zhì)高強(qiáng)產(chǎn)品，對(duì)擠出設(shè)備的磨損也十分嚴(yán)重。
[0006]碳纖維具有重量輕、比強(qiáng)度大、模量高、耐熱性高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異特性，以碳纖維為增強(qiáng)相的復(fù)合材料具有比鋼強(qiáng)、比鋁輕的特性，是一種目前最受重視的高性能材料之一。它在航空航天、軍事、工業(yè)、體育器材等許多方面有廣泛的用途。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有木塑復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能低，沖擊韌性低的問題，而提供一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料及其制備方法。
[0008]本發(fā)明一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料是由表層木塑層、增強(qiáng)碳布層、芯層木塑層、增強(qiáng)碳布層和表層木塑層熱壓而成。
[0009]本發(fā)明一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
[0010]一、木塑復(fù)合單板的制備；
[0011]二、碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備:按照碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的性能要求，依次將相應(yīng)厚度的表層木塑板、增強(qiáng)碳布、芯層木塑板、增強(qiáng)碳布、表層木塑板疊放組坯，然后放入熱壓機(jī)中以170~190°C的溫度熱壓3~15min，再冷卻到60度以下，得到碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料，即完成；其中所述的性能要求為彎曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度或斷裂伸長率；
[0012]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為30~lOOMpa，則依次將O~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和O~3mm表層木塑板疊放組還；
[0013]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的彈性模量為1.5~4.5Gpa,則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；[0014]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為20~70Mpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；
[0015]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的斷裂伸長率為10~17%，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；
[0016]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為20~60Mpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；
[0017]其中表層木塑板和芯層木塑板為步驟一制備的木塑復(fù)合單板，增強(qiáng)碳布的厚度為0.01~0.2mm，增強(qiáng)碳布為單層碳纖維布、單層玻璃纖維布或單層纖維增強(qiáng)聚合物。
[0018]本發(fā)明碳纖維布的加入顯著提高了木塑復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能。與未添加碳纖維布的木塑材料相比，彎曲強(qiáng)度增強(qiáng)提高了 I倍；彈性模量提高了 0.5倍；拉伸強(qiáng)度提高了 2倍，拉伸性能增強(qiáng)效果非常顯著；斷裂伸長率高了 1.5倍；沖擊強(qiáng)度最大提高了 4倍多，顯著降低了木塑復(fù)合材料的脆性，增強(qiáng)了韌性。
[0019]本發(fā)明方法還解決了以下問題:
[0020]1、解決了均勻分散問題。碳纖維加入量少，難以在基體材料中均勻分散，采用碳布做為大幅面板材的增強(qiáng)層，與使用短纖維相比，纖維分布均勻，并保持了長纖形態(tài)，增強(qiáng)效果好。
[0021]2、采取分層復(fù)合、控制熱壓工藝等措施，使表層熔化滿足碳布粘接需要，而芯層無需受熱軟化，減少熱壓時(shí)間，極大地減少了表面木塑熱解的危害，在增強(qiáng)的同時(shí)保證板面美觀。
[0022]3、利用熱壓工藝和擠出工藝制備大幅面木塑板材，便于現(xiàn)場加工和二次成型，滿足異形件、部件分割等實(shí)用要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為表層木塑層、b為增強(qiáng)碳布層、c為芯層木塑層、d為增強(qiáng)碳布層、e為表層木塑層；
[0024]圖2為試驗(yàn)I中CFl材料的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為表層木塑層、b為增強(qiáng)碳布層、c為芯層木塑層、d為增強(qiáng)碳布層、e為表層木塑層；
[0025]圖3為試驗(yàn)I中CF3材料的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為表層木塑層、b為增強(qiáng)碳布層、c為芯層木塑層、d為增強(qiáng)碳布層、e為表層木塑層；
[0026]圖4為試驗(yàn)I中CF5材料的結(jié)構(gòu)不意圖,其中a為表層木塑層、b為增強(qiáng)碳布層、c為芯層木塑層、d為增強(qiáng)碳布層、e為表層木塑層；
[0027]圖5為試驗(yàn)I中CF7材料的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a為增強(qiáng)碳布層、b為芯層木塑層、c為增強(qiáng)碳布層?！揪唧w實(shí)施方式】:
[0028]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料是由表層木塑層、增強(qiáng)碳布層、芯層木塑層、增強(qiáng)碳布層和表層木塑層熱壓而成。
[0029]本實(shí)施方式碳纖維布的加入顯著提高了木塑復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能。與未添加碳纖維布的木塑材料相比，彎曲強(qiáng)度增強(qiáng)提高了 I倍；彈性模量提高了 0.5倍；拉伸強(qiáng)度提高了 2倍，拉伸性能增強(qiáng)效果非常顯著；斷裂伸長率高了 1.5倍；沖擊強(qiáng)度最大提高了 4倍多，顯著降低了木塑復(fù)合材料的脆性，增強(qiáng)了韌性。
[0030]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備方法，按照以下步驟進(jìn)行:
[0031]一、木塑復(fù)合單板的制備；
[0032]二、碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備:按照碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的性能要求，依次將相應(yīng)厚度的表層木塑板、增強(qiáng)碳布、芯層木塑板、增強(qiáng)碳布、表層木塑板疊放組坯，然后放入熱壓機(jī)中以170~190°C的溫度熱壓3~15min，再冷卻到60度以下，得到碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料，即完成；其中所述的性能要求為彎曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度或斷裂伸長率；
[0033]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為30~lOOMpa，則依次將O~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和O~3mm表層木塑板疊放組還；
[0034]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的彈性模量為1.5~4.5Gpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、 I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；
[0035]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為20~70Mpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；
[0036]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的斷裂伸長率為10~17%，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；
[0037]若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為20~60Mpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還；
[0038]其中表層木塑板和芯層木塑板為步驟一制備的木塑復(fù)合單板，增強(qiáng)碳布的厚度為0.01~0.2mm，增強(qiáng)碳布為單層碳纖維布、單層玻璃纖維布或單層纖維增強(qiáng)聚合物。
[0039]本實(shí)施方式還解決了以下問題:
[0040]1、解決了均勻分散問題。碳纖維加入量少，難以在基體材料中均勻分散，采用碳布做為大幅面板材的增強(qiáng)層，與使用短纖維相比，纖維分布均勻，并保持了長纖形態(tài)，增強(qiáng)效果好。
[0041]2、采取分層復(fù)合、控制熱壓工藝等措施，使表層熔化滿足碳布粘接需要，而芯層無需受熱軟化，減少熱壓時(shí)間，極大地減少了表面木塑熱解的危害，在增強(qiáng)的同時(shí)保證板面美觀。
[0042]3、利用熱壓工藝和擠出工藝制備大幅面木塑板材，便于現(xiàn)場加工和二次成型，滿足異形件、部件分割等實(shí)用要求。
[0043]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二不同的是:步驟一所述的木塑單板的制備方法為:一、造粒:將生物質(zhì)纖維、熱塑性塑料材料和偶聯(lián)劑按質(zhì)量比1:0.6:0.07的比例在高速混合機(jī)中混合lOmin，然后用雙螺桿擠出機(jī)造粒，得到熱壓板材的粒料；二、制備木塑復(fù)合單板:將步驟一中的粒料在密閉鋼制模具中鋪裝成厚度為I~IOmm厚度的板坯，再將板坯放入熱壓機(jī)中以170~190°C的溫度熱壓3~15min，冷卻后得到木塑復(fù)合單板；其中熱塑性塑料材料為熱塑性塑料粉末或熱塑性塑料纖維；熱塑性塑料為聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶聯(lián)劑為馬來酸酐接枝聚丙烯、馬來酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶聯(lián)劑。其它與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0044]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二或三不同的是:步驟一所述的木塑復(fù)合單板的制備方法為:將生物質(zhì)纖維、熱塑性塑料材料和偶聯(lián)劑按質(zhì)量比1:0.6:0.07的比例在高速混合機(jī)中混合均勻，然后送入雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，得到木塑復(fù)合單板；其中熱塑性塑料材料為熱塑性塑料粉末或熱塑性塑料纖維；熱塑性塑料為聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶聯(lián)劑為馬來酸酐接枝聚丙烯、馬來酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶聯(lián)劑。其它與【具體實(shí)施方式】二或三相同。
[0045]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二至四之一不同的是:步驟一所述的木塑復(fù)合單板的制備方法為:將生物質(zhì)纖維、熱塑性塑料材料和偶聯(lián)劑按質(zhì)量比1:0.6:0.07的比例在高速混合機(jī)中混合均勻，然后在密閉鋼制模具中鋪裝成厚度為3~15mm厚度的板坯，再將板坯放入熱壓機(jī)中以170~190°C的溫度熱壓5~18min，冷卻后得到木塑復(fù)合單板；其中熱塑性塑料材料為熱塑性塑料粉末或熱塑性塑料纖維；熱塑性塑料為聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶聯(lián)劑為馬來酸酐接枝聚丙烯、馬來酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶聯(lián)劑。其它與【具體實(shí)施方式】二至四之一相同。
[0046]通過以下試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果:
[0047]試驗(yàn)1、本試驗(yàn)分為試驗(yàn)組和對(duì)照組；
[0048]試驗(yàn)組制備碳布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的方法按下列步驟實(shí)現(xiàn):
[0049]一、木塑單板的制備:a、將楊木粉、高密度聚乙烯顆粒和馬來酸酐接枝聚乙烯按照質(zhì)量比為1:0.6:0.07的比例在高速混合機(jī)中混合lOmin，然后用雙螺桿擠出機(jī)造粒，得到熱壓板材的粒料。雙螺桿喂料速度設(shè)置為10r/min，30主機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為30r/min，雙螺桿各區(qū)的溫度設(shè)置如表1:
[0050]表1.試驗(yàn)I雙螺桿擠出機(jī)各區(qū)溫度
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料，其特征在于碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料是由表層木塑層、增強(qiáng)碳布層、芯層木塑層、增強(qiáng)碳布層和表層木塑層熱壓而成。
2.一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備方法按照以下步驟進(jìn)行: 一、木塑復(fù)合單板的制備； 二、碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備:按照碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的性能要求，依次將相應(yīng)厚度的表層木塑板、增強(qiáng)碳布、芯層木塑板、增強(qiáng)碳布、表層木塑板疊放組坯，然后放入熱壓機(jī)中以170~190°C的溫度熱壓3~15min，再冷卻到60度以下，得到碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料，即完成；其中所述的性能要求為彎曲強(qiáng)度、彈性模量、拉伸強(qiáng)度或斷裂伸長率； 若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為30~lOOMpa，則依次將O~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和O~3mm表層木塑板疊放組還； 若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的彈性模量為1.5~4.5Gpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還； 若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為20~70Mpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還； 若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的斷裂伸長率為10~17%，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還； 若需要碳纖增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為20~60Mpa，則依次將I~3mm表層木塑板、增強(qiáng)碳布、I~7mm芯層木塑板、增強(qiáng)碳布和I~3mm表層木塑板疊放組還； 其中表層木塑板和芯層木塑板為步驟一制備的木塑復(fù)合單板，增強(qiáng)碳布的厚度為0.01~0.2mm，增強(qiáng)碳布為單層碳纖維布、單層玻璃纖維布或單層纖維增強(qiáng)聚合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述的木塑單板的制備方法為:一、造粒:將生物質(zhì)纖維、熱塑性塑料材料和偶聯(lián)劑按質(zhì)量比1:0.6:0.07的比例在高速混合機(jī)中混合lOmin，然后用雙螺桿擠出機(jī)造粒，得到熱壓板材的粒料；二、制備木塑復(fù)合單板:將步驟一中的粒料在密閉鋼制模具中鋪裝成厚度為I~IOmm厚度的板還，再將板還放入熱壓機(jī)中以170~190°C的溫度熱壓3~15min,冷卻后得到木塑復(fù)合單板；其中熱塑性塑料材料為熱塑性塑料粉末或熱塑性塑料纖維；熱塑性塑料為聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶聯(lián)劑為馬來酸酐接枝聚丙烯、馬來酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶聯(lián)劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述的木塑復(fù)合單板的制備方法為:將生物質(zhì)纖維、熱塑性塑料材料和偶聯(lián)劑按質(zhì)量比1:0.6:0.07的比例在高速混合機(jī)中混合均勻，然后送入雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，得到木塑復(fù)合單板；其中熱塑性塑料材料為熱塑性塑料粉末或熱塑性塑料纖維；熱塑性塑料為聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶聯(lián)劑為馬來酸酐接枝聚丙烯、馬來酸酐接枝聚乙烯或硅烷偶聯(lián)劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碳纖維布增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一所述的木塑復(fù)合單板的制備方法為:將生物質(zhì)纖維、熱塑性塑料材料和偶聯(lián)劑按質(zhì)量比1:0.6:0.07的比例在高速混合機(jī)中混合均勻，然后在密閉鋼制模具中鋪裝成厚度為3~15mm厚度的板還,再將板還放入熱壓機(jī)中以170~190°C的溫度熱壓5~18min,冷卻后得到木塑復(fù)合單板；其中熱塑性塑料材料為熱塑性塑料粉末或熱塑性塑料纖維；熱塑性塑料為聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯塑料；偶聯(lián)劑為馬來酸酐接枝聚丙烯、馬來酸酐接枝聚乙烯或硅 烷偶聯(lián)劑。
【文檔編號(hào)】B32B37/02GK103832042SQ201410105201
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】王偉宏, 杜鳳, 周晨, 王海剛, 王清文 申請(qǐng)人:東北林業(yè)大學(xué)