本發(fā)明涉及了一種復(fù)合材料及其制備方法，尤其是涉及了一種多層天然纖維片材和熱塑性塑料復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
由于其易于成型，熱塑性塑料被應(yīng)用廣泛于制造、建筑、包裝等等多種行業(yè)。然而由于其機械強度不足，熱塑性塑料需要進行改性才能應(yīng)用于高端制造業(yè)如飛機、汽車與船舶。常用的填料包括玻璃纖維、碳纖維、滑石粉、鈦白粉、碳酸鈣等等，往往通過共混形式進行添加改性，且所得復(fù)合材料的機械性能很難全面加強。以聚丙烯為例，滑石粉的添加可以有效增強拉伸與彎曲性能，而沖擊強度則會顯著降低。
天然纖維具有來源充足、環(huán)保、經(jīng)濟、可降解以及具有優(yōu)良機械性能等多方面優(yōu)點，受到越來越多研究者的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于增強復(fù)合材料、生物醫(yī)藥材料等領(lǐng)域。
天然纖維的使用可以避免加工中的粉塵污染，減少環(huán)境影響。天然纖維共混加強的復(fù)合材料已屢見不鮮，單層紡織物或纖維片材復(fù)合材料也有所研究，多層加強的方式尚未見相關(guān)報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對上述問題，提出了一種多層天然纖維片材和熱塑性塑料復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一、一種多層天然纖維片材和熱塑性塑料復(fù)合材料：
主要由天然纖維片材和熱塑性塑料堆垛層壓而成。
所述塑料片材與天然纖維片材進行堆垛是將塑料片材與天然纖維片材相互交錯層疊，即每相鄰兩層塑料片材之間有一層天然纖維片材，構(gòu)成一個三明治結(jié)構(gòu)。
所述的天然纖維片材由天然纖維與分散劑混合制成。
所述的復(fù)合材料中，天然纖維的體積占比約為10-40％，分散劑的體積占比為2-5％，剩余的為熱塑性塑料。
二、一種多層天然纖維片材和熱塑性塑料復(fù)合材料的制備方法：
本發(fā)明是將天然纖維(包括亞麻、劍麻、黃麻以及竹纖維)與分散劑(如羥乙基纖維素)混合，并浸沒純凈水中(取決于纖維長度)，超聲分散成懸濁液。用特定面積的濾網(wǎng)去除去除水分與大部分分散劑，并烘干獲得天然纖維片材。將熱塑性塑料片材(如聚丙烯、高密度聚乙烯、聚碳酸酯等)與天然纖維片材根據(jù)需求進行堆垛，熱壓成型，制得多層天然纖維片材和熱塑性塑料復(fù)合材料及其制備方法。
具體方法步驟是
(1)天然纖維片材制備：
1.1)將天然纖維長度切短；
1.2)將分散劑與天然纖維以1:1的體積比例共混后，充分烘干去除水分；
1.3)烘干后的混合物浸沒于50-500倍的純凈水中，進行超聲分散獲得懸浮液；
1.4)利用金屬濾網(wǎng)過濾去懸浮液中的水分與大部分分散劑，然后用純凈水清洗去除剩余部分的分散劑；
1.5)烘干濾網(wǎng)和濾網(wǎng)上的天然纖維，從濾網(wǎng)上取下烘干后的天然纖維得到天然纖維片材；
(2)復(fù)合材料制備：
2.1)將熱塑性塑料顆粒壓成塑料片材；
2.2)將塑料片材與天然纖維片材進行堆垛成多層材料，堆垛后置于模具框中；
2.3)然后將模具框置于平板硫化機中壓制成型，得到所述多層天然纖維片材和熱塑性塑料復(fù)合材料。
所述步驟1.3)中超聲分散的分散時間為5-30分鐘，處理溫度為30-40攝氏度。
所述步驟2.3)在平板硫化機中壓制過程中的溫度設(shè)置在160-180攝氏度之間，以10-20兆帕壓力在3-5分鐘內(nèi)將堆垛后的多層材料壓制成型。
所述羥乙基纖維素溶液與天然纖維之間的體積比為1:50-500，溶液中含有的分散劑與天然纖維的體積比為1:1，分散劑在溶液中的濃度為200mg/l到10g/l充分烘干去除水分。
所述的天然纖維原料采用麻類纖維或者粘膠纖維。
優(yōu)選地，所述的麻類纖維采用亞麻、黃麻、蓖麻、青麻、槿麻與羅布麻等等。
優(yōu)選地，所述的麻類纖維的直徑在10-100微米之間，長度在38-1000毫米之間。
優(yōu)選地，所述的粘膠纖維采用竹纖維以及天絲。
優(yōu)選地，所述的粘膠纖維的直徑在10-20微米之間，長度在38-200毫米之間。
所述的分散劑采用羥乙基纖維素，用以分散與黏合纖維。
所述的熱塑性塑料是由熱塑性樹脂制成，熱塑性樹脂采用軟化點在240攝氏度以下的塑料。軟化溫度過高則無法進行加工，因為天然纖維會發(fā)生碳化。
優(yōu)選地，所述的熱塑性樹脂采用聚丙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚乳酸中的一種。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明的復(fù)合材料能克服熱塑性塑料的機械強度不足，改性后所得復(fù)合材料的機械性能很難全面加強，能有效增強拉伸與彎曲性能，會顯著降低沖擊強度。
本發(fā)明材料完全基于綠色材料與環(huán)保過程，材料機械性能與天然片材層數(shù)相關(guān)，在4-5層時達到最大，拉伸、彎曲、沖擊強度可達到原材料的兩倍以上，具有巨大的工業(yè)應(yīng)用前景。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例1制備獲得的復(fù)合材料的掃描電鏡截面圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
本發(fā)明的實施例如下：
實施例1
(1)天然纖維片材制備：
1.1)以竹纖維為天然纖維，用切紙刀將較長的竹纖維切至10毫米以便于分散處理；
1.2)以羥乙基纖維素溶液作為分散劑溶液，將羥乙基纖維素溶液與長度切短的竹纖維共混后，羥乙基纖維素溶液與纖維之間的體積比為1:50，溶液中含有的分散劑與竹纖維的體積比為1:1，分散劑在溶液中的濃度為2g/l充分烘干去除水分；
1.3)烘干后的混合物加入蒸餾純凈水中，然后用超聲波進行分散，分散時間為5分鐘，處理溫度為30攝氏度；
1.4)用金屬濾網(wǎng)過濾去分散后懸浮液中的水分與大部分分散劑，并用純凈水清洗以去除剩下的95％的分散劑；
1.5)烘干濾網(wǎng)以及上面的竹纖維，取下烘干后的竹纖維即可得到竹纖維片材。
(2)復(fù)合材料制備：
2.1)熱塑性塑料是由聚丙烯制成，將聚丙烯制成的熱塑性塑料顆粒壓成片材，并剪裁成所需形狀；
2.2)將塑料片材與竹纖維片材進行堆垛，堆垛包括相交錯層疊的五層塑料片材與四層竹纖維片材，置于同一性狀的不銹鋼畫框型模具中；
2.3)放置到平板硫化機進行壓制成型，根據(jù)所用材料設(shè)置平板硫化機的溫度(180攝氏度)與壓力條件(20mpa)，在3分鐘內(nèi)將堆垛后的材料壓制成型，即得多層天然纖維片材/熱塑性塑料復(fù)合材料。
其掃描電鏡圖如圖1所示，圖中可見多層纖維與聚合物在其接觸界面形成了緊密的結(jié)合，并直接對材料機械性能起到了一個加強作用。
本實施例在四層竹纖維片材加強的情況下，所得復(fù)合材料彎曲模量為3.5gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別達到46mpa、54mpa與76mpa。
原聚丙烯材料彎曲模量僅為1gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別為20.5mpa、20mpa與50mpa。
實施例2
(1)亞麻纖維片材制備：
1.1)以亞麻纖維為天然纖維，用切紙刀將較長的竹纖維切至20毫米以便于分散處理；
1.2)將羥乙基纖維素溶液與長度切短的亞麻纖維共混后，分散劑溶液與纖維之間的體積比為1:500，溶液中含有的分散劑與亞麻纖維的體積比為1:1，分散劑在溶液中的濃度為200mg/l充分烘干去除水分；
1.3)烘干后的混合物加入蒸餾純凈水中，然后用超聲波進行分散；
1.4)用金屬濾網(wǎng)過濾去分散后懸浮液中的水分與大部分分散劑，并用純凈水清洗以去除剩下的90％的分散劑；
1.5)烘干濾網(wǎng)以及上面的竹纖維，取下烘干后的亞麻纖維即可得到亞麻維片材。
(2)復(fù)合材料制備：
2.1)熱塑性塑料是由聚丙烯制成，將聚丙烯制成的熱塑性塑料顆粒壓成片材，并剪裁成所需形狀；
2.2)將塑料片材與亞麻纖維片材進行堆垛，堆垛包括相交錯層疊的五層塑料片材與四層亞麻纖維片材，置于同一性狀的畫框型不銹鋼模具中；
2.3)放置到平板硫化機進行壓制成型，根據(jù)所用材料設(shè)置平板硫化機的溫度(180攝氏度)與壓力條件(20mpa)，在5分鐘內(nèi)將堆垛后的材料壓制成型，即得多層天然纖維片材/熱塑性塑料復(fù)合材料。
本實施例在四層亞麻纖維片材加強的情況下，所得復(fù)合材料彎曲模量為4.5gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別達到50mpa、73mpa與100mpa。
原聚丙烯材料彎曲模量僅為1gpa，原聚丙烯拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度為20.5mpa、20mpa與50mpa。
實施例3
(1)天然纖維片材制備：
1.1)以竹纖維為天然纖維，用切紙刀將較長的竹纖維切至10毫米以便于分散處理；
1.2)將羥乙基纖維素溶液與長度切短的竹纖維共混后，分散劑溶液與纖維之間的體積比為1:100，溶液中含有的分散劑與竹纖維的體積比為1:1，分散劑在溶液中的濃度為1g/l充分烘干去除水分；
1.3)烘干后的混合物加入蒸餾純凈水中，然后用超聲波進行分散；
1.4)用金屬濾網(wǎng)過濾去分散后懸浮液中的水分與大部分分散劑，并用純凈水清洗以去除剩下的95％的分散劑；
1.5)烘干濾網(wǎng)以及上面的竹纖維，取下烘干后的竹纖維即可得到竹纖維片材。
(2)復(fù)合材料制備：
2.1)熱塑性塑料是由高密度聚乙烯制成，將高密度聚乙烯制成的熱塑性塑料顆粒壓成片材，并剪裁成所需形狀；
2.2)將塑料片材與竹纖維片材進行堆垛，堆垛包括相交錯層疊的五層塑料片材與四層竹纖維片材，置于同一性狀的不銹鋼畫框型模具中；
2.3)放置到平板硫化機進行壓制成型，根據(jù)所用材料設(shè)置平板硫化機的溫度(160攝氏度)與壓力條件(10mpa)，在3分鐘內(nèi)將堆垛后的材料壓制成型，即得多層天然纖維片材/熱塑性塑料復(fù)合材料。
本實施例在四層竹纖維片材加強的情況下，所得復(fù)合材料彎曲模量為3.3gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別達到39mpa、44mpa與57mpa。
原高密度聚乙烯材料彎曲模量僅為0.8gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別為16mpa、17mpa與30mpa。
實施例4
(1)亞麻纖維片材制備：
1.1)以亞麻纖維為天然纖維，用切紙刀將較長的竹纖維切至15毫米以便于分散處理；
1.2)將羥乙基纖維素溶液與長度切短的亞麻纖維共混后，分散劑溶液與纖維之間的體積比為1:300，溶液中含有的分散劑與亞麻纖維的體積比為1:1，分散劑在溶液中的濃度為500mg/l充分烘干去除水分；
1.3)烘干后的混合物加入蒸餾純凈水中，然后用超聲波進行分散；
1.4)用金屬濾網(wǎng)過濾去分散后懸浮液中的水分與大部分分散劑，并用純凈水清洗以去除剩下的93％的分散劑；
1.5)烘干濾網(wǎng)以及上面的竹纖維，取下烘干后的亞麻纖維即可得到亞麻維片材。
(2)復(fù)合材料制備：
2.1)熱塑性塑料是由高密度聚乙烯制成，將高密度聚乙烯制成的熱塑性塑料顆粒壓成片材，并剪裁成所需形狀；
2.2)將塑料片材與亞麻纖維片材進行堆垛，堆垛包括相交錯層疊的五層塑料片材與四層亞麻纖維片材，置于同一性狀的畫框型不銹鋼模具中；
2.3)放置到平板硫化機進行壓制成型，根據(jù)所用材料設(shè)置平板硫化機的溫度(160攝氏度)與壓力條件(20mpa)，在5分鐘內(nèi)將堆垛后的材料壓制成型，即得多層天然纖維片材/熱塑性塑料復(fù)合材料。
本實施例在四層亞麻纖維片材加強的情況下，所得復(fù)合材料彎曲模量為4.2gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別達到42mpa、52mpa與61mpa。
原高密度聚乙烯材料彎曲模量僅為0.8gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別為16mpa、17mpa與30mpa。
實施例5
(1)黃麻纖維片材制備：
1.1)以黃麻纖維為天然纖維，用切紙刀將較長的竹纖維切至10毫米以便于分散處理；
1.2)將羥乙基纖維素溶液與長度切短的亞麻纖維共混后，分散劑溶液與纖維之間的體積比為1:400，溶液中含有的分散劑與亞麻纖維的體積比為1:1，分散劑在溶液中的濃度為200mg/l充分烘干去除水分；
1.3)烘干后的混合物加入蒸餾純凈水中，然后用超聲波進行分散，；
1.4)用金屬濾網(wǎng)過濾去分散后懸浮液中的水分與大部分分散劑，并用純凈水清洗以去除剩下的95％的分散劑；
1.5)烘干濾網(wǎng)以及上面的竹纖維，取下烘干后的黃麻纖維即可得到黃麻維片材。
(2)復(fù)合材料制備：
2.1)熱塑性塑料是由聚丙烯制成，將聚丙烯制成的熱塑性塑料顆粒壓成片材，并剪裁成所需形狀；
2.2)將塑料片材與亞麻纖維片材進行堆垛，堆垛包括相交錯層疊的五層塑料片材與四層黃麻纖維片材，置于同一性狀的畫框型不銹鋼模具中；
2.3)放置到平板硫化機進行壓制成型，根據(jù)所用材料設(shè)置平板硫化機的溫度(180攝氏度)與壓力條件(20mpa)，在4分鐘內(nèi)將堆垛后的材料壓制成型，即得多層天然纖維片材/熱塑性塑料復(fù)合材料。
本實施例在四層亞麻纖維片材加強的情況下，所得復(fù)合材料彎曲模量為2.9gpa，拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度分別達到43mpa、55mpa與81mpa。
原聚丙烯材料彎曲模量僅為1gpa，原聚丙烯拉伸、彎曲與懸臂梁沖擊強度為20.5mpa、20mpa與50mpa。