一种轻质三明治结构复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种轻质三明治结构复合材料及其制备方法。本发明属于材料领域，涉及纬编双轴向织物。所述轻质三明治结构复合材料由黄麻纬编双轴向针织物作为面层、秸秆芯料作为中间层，以及以该织物及芯料与聚丙烯短纤热压制得。所述该轻质三明治结构复合材料其重量比同样厚度的黄麻针织物增强聚丙烯层合复合材料轻约10-25％；拉伸强度为23.5-50.2Mpa，弯曲强度为32.6-75.2Mpa。该复合材料面层织物能够充分发挥纱线高强高模的特性，同时具有独特的优异的可成形性。秸秆芯层原料来源丰富，具有密度低、易压缩、隔热性好等特性。本发明可以替代木材，或取代玻璃等合成纤维。复合材料满足一般力学性能要求，在民用方面，可作为非承力结构和部分承力结构部件，有广阔发展前景。

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，特别涉及一种树脂基复合材料。

背景技术

轻质三明治结构复合材料由于具有“轻质高强”的特性，在近几十年发展迅猛。 夹芯复合材料结构被形象地称为“三明治结构”，这种结构一般是由三层材料制成， 这种材料的上下面层是高强度、高模量材料，中间层(芯材)是较厚的轻质材料。 目前，用于复合材料“三明治”结构的夹芯材料主要有强心毡、硬质泡沫、蜂窝和 轻木四大类。硬质泡沫主要有聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、聚醚酰亚胺(PEI)和丙 烯腈一苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)、热塑性聚乙烯(PET)等。蜂窝 夹芯材料有玻璃布蜂窝、NOMEX蜂窝、棉布蜂窝、铝蜂窝等。蜂窝夹层结构的强度 高，刚性好，但蜂窝为开孔结构，与上下面板的粘接面积小，粘接效果一般没有泡 沫好。轻木夹芯材料是一种天然产品，市场常见的轻木夹芯为Balsa轻木，其纤维 具有良好的强度和韧性，特别适合用于复合材料夹层结构。

三明治结构(夹层结构)的研究和生产，迄今已有六十多年历史，1943年英 国海耳教授第一次采用夹层结构设计飞机的机翼，其表面用的是桃花芯木，夹芯材 料用的是巴萨木。为了改进木材易潮湿、易腐蚀和易着火的缺点，美国千斯渥特飞 机公司在制造“短剑式”飞机机翼时，采用了铝制薄片做表面。随着玻璃钢等复合 材料的发展，研制成功了耐热性和电性能都很好的玻璃钢蜂窝夹层结构和玻璃钢泡 沫夹层结构，在飞机、船舶、车辆、建筑等方面的使用逐年增加，并已成为雷达罩 生产专用结构材料。以碳纤维、硼纤维复合材料做面板的三明治结构夹芯材料已大 量出现在航空、宇航工业中。近几年，夹芯复合材料无论是在产量、销量还是在生 产技术、生产工艺、新产品研发等方面，都获得了快速发展。

纺织结构复合材料由于其优异的力学性能和相对较低的价格，其应用几乎渗透 到各个领域，如航空航天、车船制造、建筑行业、医疗卫生、体育用品等领域。为 了减少在编织过程中对纤维的损伤以及由于屈曲降低承力作用，人们采用无屈曲织 物(non-crimp Fabric，简称NCF)作为纺织复合材料的增强体。NCF由在特定方向 上呈直线排列的纤维束层构成，纤维束以特定方向一根根排列，并使用较细的纱线 用针织的方法将其固定起来。NCF织物除了减少对纤维的损伤外，也改善了层间剪 切强度、损伤容限、厚度方向上的性能等，作为复合材料的增强结构，它既克服了 机织物因纱线屈曲而导致的纱线性能利用率降低的问题，又改善了层合织物在使用 中易于层间开裂的缺陷，因而具有广阔的发展前景。

本发明以黄麻纬编双轴向衬纱织物(Multi-layered Biaxial Weft Knitted  Fabrics，MBWK，即是利用针织基本线圈结构将经纬向黄麻衬纱平直地绑缚在织物 中，使两轴向衬纱呈现伸直状态，从而最大限度地发挥其增强性能)作为轻质三明 治结构的上下面层，作为此三明治结构复合材料的主要支撑构件。纬编双轴向衬纱 织物双轴向织物具有优异的拉伸性能及良好的可成形性，是目前综合性能很好的纺 织复合材料增强结构。

高粱类植物秸秆是个值得开发的天然材料，其秸秆芯料资源丰富，具有质轻、 价廉和易加工的特点。传统上这种秸秆都做燃料或者动物的饲料，对它的开发也仅 局限于燃料和饲料上。植物秸秆芯料为多孔管状排列结构。这种结构决定了其具有 低密度，易压缩，隔热等特性。本发明根据秸秆芯料的特性将其作为复合材料的夹 层材料使用。它与木质材料作为夹层的功能一样，但秸秆芯料更轻，更软，也更易 加工，它可以直接加入材料中模压成型，成型时芯料可以被压成任意模具形状。黄 麻纤维是一种韧皮纤维，源于自然、对环境无害、可生物降解，价格低廉，具有较 高的比模量、比强度，适合制作较高承载要求的复合材料增强体。我国黄麻资源丰 富，应用历史悠久，采用黄麻天然纤维替代或取代木材、玻璃纤维等材料做为聚合 物复合材料的增强体，在净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物以及有 效利用自然资源和材料的再资源化等方面具有积极意义。

发明内容

本发明提供一种轻质三明治结构复合材料及其制造方法。

所述轻质三明治结构复合材料以黄麻纬编双轴向织物为上下面层，以高粱类植 物秸秆芯料作为中间层的轻质三明治结构复合材料；所述轻质三明治结构复合材料 由黄麻纬编双轴向针织物面层及秸秆芯料与聚丙烯短纤热压制得，所述轻质三明治 结构复合材料拉伸强度为23.5-50.2Mpa，弯曲强度为32.6-75.2Mpa；

所述黄麻纬编双轴向织物的经纬向衬纱密度分别为：经纱密度12根/英寸，纬 纱密度为24根/英寸。基础地组织为1+1罗纹，起到绑缚经纬向黄麻衬纱的作用。纬 纱被罗纹组织的圈柱握持，而衬经纱由两面的衬纬纱夹持，所述衬经纱和衬纬纱为 黄麻纤维衬纱，织物中的黄麻纤维衬纱呈伸直状态。

所述黄麻纬编双轴向针织物及秸秆芯料与聚丙烯短纤质量比为1∶1-2.3。

所述高梁类秸秆芯料制备方法如下：选取粗细度相近的秸秆若干，将秸秆外层 硬皮剥离干净，将秸秆芯料截成具有一定平均长度的小段备用。然后将这些秸秆芯 料小段用与黄麻双轴向织物相同的黄麻纱线穿联起来，使穿联后排列宽度与板材宽 度一致，从而形成高粱类秸秆芯料，即由秸秆芯料小段组成的三明治中间层部分。

轻质三明治结构复合材料制造方法包括如下步骤：所述的黄麻纬编双轴向针织 物、秸秆芯料层与聚丙烯短纤进行间隔铺层，黄麻织物、秸秆芯层上下两面均铺有 一层聚丙烯短纤；热压机从室温开始升温到60℃，将上述间隔铺层的黄麻织物、 秸秆芯料与聚丙烯短纤放置到热压机上，继续升温到90-100℃，加压至(3-8)MPa， 保压升温至150-170℃，保温10min后升温至195℃，保温保压30min后自然冷却 至室温即可。

所述黄麻纬编双轴向针织物及秸秆芯料与聚丙烯短纤质量比为1∶1-2.3。

有益效果：

本发明所述复合材料的制造方法与现有技术相比，采用了黄麻双轴向织物为面 层，秸秆芯料为中间层，与聚丙烯短纤均匀混合形成预制件，利用热压工艺制备复 合材料。此方法易于操作，成本低廉，相对成型周期较短，产品厚度变化容易，制 备过程中没有废弃物产生，有利于环境的保护，符合绿色生产的要求。

本发明所述可再生黄麻纤维是一种可再生性天然植物纤维，不但可以作为木材 的替代品，还可以部分取代玻璃等合成纤维。本发明所制备的轻质三明治结构织物 增强复合材料可以满足一般力学性能要求，特别是在民用方面，可作为非承力结构 和部分承力结构部件，如室内装潢材料等，将具有广阔的发展前景。

本发明中黄麻纬编双轴向织物的特点是：(1)结构简单，易于加工成型和工艺调 整；(2)织物中的经纬衬纱平直排列，可充分发挥纤维的强度和刚度；增加复合材料 的拉伸力学性能；(3)适合各种纱线，具有很好的可设计性和可混编性。

本发明黄麻纬编双轴向衬纱织物的制造方法与现有技术相比，选取了黄麻作为 纬编双轴向织物的主要原料，可以充分利用黄麻优良的力学性能和资源优势；而利 用纬编双轴向的编织方法来加工黄麻纬编双轴向衬纱织物，原料价格低廉，可以节 约生产成本，开发新型优质的环保复合材料的增强体，同时不产生化学废弃物，对 环境无污染。

发明具有表层双向衬纱织物在经向及纬向优良的力学性能和能量吸收特性以及 芯料的轻质、保温(10小时内温度变化范围在5-8℃)、隔音、易成型等特点。

附图说明：

图1织针和纱线的位置配置示意图

图2黄麻纬编双轴向织物以及秸秆芯料铺层位置

图3复合材料热压成型工艺流程

具体实施方式

本发明所述黄麻纬编双轴向织物的织造方法，利用本校复合材料所研制的纬编 双轴向衬纱机(梁子青，邱冠雄，周庆等发表论文题目为纬编双轴向织物复合材料 的弹道冲击响应，纺织学报，2010，Vol.24(12)：37：39.)进行黄麻纬编双轴向织物 的编织，其中介绍了纬编双轴向衬纱机，见附图1。三组纱线的导纱器从前针床到 后针床的排列顺序为：衬纬纱导纱器、衬经纱导纱器、针织纱导纱器。衬纬纱导纱 器和针织纱导纱器安装在机头上，随三角座移动，成圈编织时从横向把针织纱和衬 纬纱分别喂到针前和针后两个位置。经纱导纱器沿针床方向水平排列，每个导纱器 位于两枚织针之间，导纱器间距与针距相同，从纵向喂入纱线。三种纱线在机器上 的喂入形式见图1。其中1为衬经纱，2为衬纬纱，3为涤纶捆绑纱，4为织针。

编织成用作面层的双轴向衬纱织物(经纱密度12根/英寸，纬纱密度为24根/ 英寸)，绑缚组织为1+1罗纹，绑缚组织3为涤纶捆绑纱。将该双轴向衬纱织物 作为面层，秸秆芯料为中间层进行铺层，如图2所示。在该织物以及秸秆芯层的上 下两面分别均匀铺放聚丙烯树脂短纤。

本发明所述轻质三明治结构复合材料的制造方法，特征在于该方法采用所述的 黄麻双轴向织物及秸秆芯料作为复合材料的增强体，与聚丙烯树脂短纤采用热压方 法制造复合材料板材，见附图2。本发明所述制造轻质三明治结构复合材料的方法 为：采用上述黄麻纬编双轴向针织物作为面层，以不同铺层数(2-4层)以及秸秆芯 料与树脂的质量配比(1∶1-1∶2.3)分别制备不同工艺的轻质三明治复合材料板材。 具体热压流程见图3.

下面给出本发明几个具体的实施例：

实施例1：以2层黄麻纬编双轴向织物为上下面层，黄麻纬编双轴向织物及秸 秆芯料2层与聚丙烯短纤按照质量比1∶1的比例进行热压制备轻质复合材料板材， 热压温度变化区间为60℃-195℃。

所述的黄麻纬编双轴向针织物及秸秆芯料与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄 麻织物、秸秆层两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺 层的黄麻织物及秸秆与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到100℃，加压至3MPa， 保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压30min后自然冷却至室 温即可。

实施例2：以2层黄麻纬编双轴向织物为上下面层，此织物及秸秆芯料2层与 聚丙烯短纤按照质量比1∶1.5的比例进行热压制备轻质复合材料板材，热压温度 变化区间为60℃-195℃。

所述的黄麻纬编双轴向针织物及秸秆芯料与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄 麻织物、秸秆层两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺 层的黄麻织物及秸秆与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到100℃，加压至3MPa， 保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压30min后自然冷却至室 温即可。

实施例3：以2层黄麻纬编双轴向织物为上下面层，此织物及秸秆芯料2层与 聚丙烯短纤按照质量比1∶2.3的比例进行热压制备轻质复合材料板材，热压温度 变化区间为60℃-195℃。

所述的黄麻纬编双轴向针织物及秸秆芯料与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄 麻织物、秸秆层两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺 层的黄麻织物及秸秆与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到100℃，加压至3MPa， 保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压30min后自然冷却至室 温即可。

实施例4：以4层黄麻纬编双轴向织物为上下面层，此织物及秸秆芯料2层与 聚丙烯短纤按照质量比1∶1的比例进行热压制备轻质复合材料板材，热压温度变 化区间为60℃-195℃。

所述的黄麻纬编双轴向针织物及秸秆芯料与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄 麻织物、秸秆层两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺 层的黄麻织物及秸秆与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到100℃，加压至6MPa， 保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压30min后自然冷却至室 温即可。

实施例5：以4层黄麻纬编双轴向织物为上下面层，此织物及秸秆芯料4层与 聚丙烯短纤按照质量比1∶1的比例进行热压制备轻质复合材料板材，热压温度变 化区间为60℃-195℃。

所述的黄麻纬编双轴向针织物及秸秆芯料与聚丙烯短纤进行间隔铺层，每层黄 麻织物、秸秆层两面均铺有一层聚丙烯短纤；热压机加热到60℃，将上述间隔铺 层的黄麻织物及秸秆与聚丙烯短纤放置到热压机上，升温到100℃，加压至6MPa， 保压升温至160℃，保温10min后升温至195℃，保温保压30min后自然冷却至室 温即可。

轻质三明治结构复合材料板材性能测试与结果

对于所述制备的轻质三明治结构复合材料，其重量比同样厚度黄麻针织物增强 聚丙烯层合复合材料轻约10-25％。拉伸及弯曲性能是复合材料最基本和重要的力 学性能，其能够反映复合材料抵抗外界拉伸及弯曲力破坏作用能力的强弱。根据目 前适用于纤维增强复合材料国家标准(GB1447-83)及(GB1499-83)分别对不同工 艺板材进行测试。从测试结果分析可知，对于不同质量配比及不同面层及芯层层数 的增强板材拉伸强度为23.5-50.2Mpa，拉伸模量2.1-4.9Gpa；弯曲强度为 32.6-75.2Mpa，弯曲模量2.9-7.6Gpa。

本发明所述轻质三明治结构复合材料力学性能高于常用的木碎板( 拉伸强度15-18Mpa，拉伸模量1.0-2.4Gpa(郑融，冼杏娟，叶颖薇，等.黄麻纤维/ 环氧复合材料基其性能分析[J].复合材料学报，1995，(1)：18-24.))，达到甚至 超过同类植物纤维增强复合材料(具体见王瑞，焦晓宁，郭秉臣，等.亚麻纤维非 织造布复合材料的研究与开发[J].纺织学报，2003，(5)：15-17；曾竟成，肖加 余，梁重云，等.黄麻纤维增强聚合物复合材料工艺与性能研究[J].玻璃钢/复合材 料.2001，(3)：30-33；刘丽妍，黄故.制备工艺对亚麻增强聚丙烯复合材料拉 伸性能的影响.工程塑料应用.2005.Vol.33(10)：24-27.等)，同时可以充分利 用其质轻、价廉、隔音及保温等特点用于民用，如装潢领域。