多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料及其制备方法。主要由天然纤维片材和热塑性塑料堆垛层压而成，天然纤维片材由天然纤维与分散剂混合制成，天然纤维体积占比约为10‑40％，分散剂体积占比为2‑5％，剩余为热塑性塑料；将天然纤维长度切短，将分散剂与天然纤维共混后，加入蒸馏纯净水中，进行超声分散获得悬浮液，过滤水分与分散剂后烘干，取下得天然纤维片材，热塑性塑料颗粒压成塑料片材，堆垛成多层材料后置于模具框中，然后压制成型。本发明材料完全基于绿色材料与环保过程，材料机械性能与天然片材层数相关，在4‑5层时达到最大，拉伸、弯曲、冲击强度可达到原材料的两倍以上，具有巨大的工业应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种复合材料及其制备方法，尤其是涉及了一种多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料及其制备方法。

背景技术

由于其易于成型，热塑性塑料被应用广泛于制造、建筑、包装等等多种行业。然而由于其机械强度不足，热塑性塑料需要进行改性才能应用于高端制造业如飞机、汽车与船舶。常用的填料包括玻璃纤维、碳纤维、滑石粉、钛白粉、碳酸钙等等，往往通过共混形式进行添加改性，且所得复合材料的机械性能很难全面加强。以聚丙烯为例，滑石粉的添加可以有效增强拉伸与弯曲性能，而冲击强度则会显著降低。

天然纤维具有来源充足、环保、经济、可降解以及具有优良机械性能等多方面优点，受到越来越多研究者的关注，被广泛应用于增强复合材料、生物医药材料等领域。

天然纤维的使用可以避免加工中的粉尘污染，减少环境影响。天然纤维共混加强的复合材料已屡见不鲜，单层纺织物或纤维片材复合材料也有所研究，多层加强的方式尚未见相关报道。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料及其制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一、一种多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料：

主要由天然纤维片材和热塑性塑料堆垛层压而成。

所述塑料片材与天然纤维片材进行堆垛是将塑料片材与天然纤维片材相互交错层叠，即每相邻两层塑料片材之间有一层天然纤维片材，构成一个三明治结构。

所述的天然纤维片材由天然纤维与分散剂混合制成。

所述的复合材料中，天然纤维的体积占比约为10-40％，分散剂的体积占比为2-5％，剩余的为热塑性塑料。

二、一种多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法：

本发明是将天然纤维(包括亚麻、剑麻、黄麻以及竹纤维)与分散剂(如羟乙基纤维素)混合，并浸没纯净水中(取决于纤维长度)，超声分散成悬浊液。用特定面积的滤网去除去除水分与大部分分散剂，并烘干获得天然纤维片材。将热塑性塑料片材(如聚丙烯、高密度聚乙烯、聚碳酸酯等)与天然纤维片材根据需求进行堆垛，热压成型，制得多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料及其制备方法。

具体方法步骤是

(1)天然纤维片材制备：

1.1)将天然纤维长度切短；

1.2)将分散剂与天然纤维以1:1的体积比例共混后，充分烘干去除水分；

1.3)烘干后的混合物浸没于50-500倍的纯净水中，进行超声分散获得悬浮液；

1.4)利用金属滤网过滤去悬浮液中的水分与大部分分散剂，然后用纯净水清洗去除剩余部分的分散剂；

1.5)烘干滤网和滤网上的天然纤维，从滤网上取下烘干后的天然纤维得到天然纤维片材；

(2)复合材料制备：

2.1)将热塑性塑料颗粒压成塑料片材；

2.2)将塑料片材与天然纤维片材进行堆垛成多层材料，堆垛后置于模具框中；

2.3)然后将模具框置于平板硫化机中压制成型，得到所述多层天然纤维片材和热塑性塑料复合材料。

所述步骤1.3)中超声分散的分散时间为5-30分钟，处理温度为30-40摄氏度。

所述步骤2.3)在平板硫化机中压制过程中的温度设置在160-180摄氏度之间，以10-20兆帕压力在3-5分钟内将堆垛后的多层材料压制成型。

所述羟乙基纤维素溶液与天然纤维之间的体积比为1:50-500，溶液中含有的分散剂与天然纤维的体积比为1:1，分散剂在溶液中的浓度为200mg/L到10g/L充分烘干去除水分。

所述的天然纤维原料采用麻类纤维或者粘胶纤维。

优选地，所述的麻类纤维采用亚麻、黄麻、蓖麻、青麻、槿麻与罗布麻等等。

优选地，所述的麻类纤维的直径在10-100微米之间，长度在38-1000毫米之间。

优选地，所述的粘胶纤维采用竹纤维以及天丝。

优选地，所述的粘胶纤维的直径在10-20微米之间，长度在38-200毫米之间。

所述的分散剂采用羟乙基纤维素，用以分散与黏合纤维。

所述的热塑性塑料是由热塑性树脂制成，热塑性树脂采用软化点在240摄氏度以下的塑料。软化温度过高则无法进行加工，因为天然纤维会发生碳化。

优选地，所述的热塑性树脂采用聚丙烯、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种。

本发明的有益效果是：

本发明的复合材料能克服热塑性塑料的机械强度不足，改性后所得复合材料的机械性能很难全面加强，能有效增强拉伸与弯曲性能，会显著降低冲击强度。

本发明材料完全基于绿色材料与环保过程，材料机械性能与天然片材层数相关，在4-5层时达到最大，拉伸、弯曲、冲击强度可达到原材料的两倍以上，具有巨大的工业应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1制备获得的复合材料的扫描电镜截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施例如下：

实施例1

(1)天然纤维片材制备：

1.1)以竹纤维为天然纤维，用切纸刀将较长的竹纤维切至10毫米以便于分散处理；

1.2)以羟乙基纤维素溶液作为分散剂溶液，将羟乙基纤维素溶液与长度切短的竹纤维共混后，羟乙基纤维素溶液与纤维之间的体积比为1:50，溶液中含有的分散剂与竹纤维的体积比为1:1，分散剂在溶液中的浓度为2g/L充分烘干去除水分；

1.3)烘干后的混合物加入蒸馏纯净水中，然后用超声波进行分散，分散时间为5分钟，处理温度为30摄氏度；

1.4)用金属滤网过滤去分散后悬浮液中的水分与大部分分散剂，并用纯净水清洗以去除剩下的95％的分散剂；

1.5)烘干滤网以及上面的竹纤维，取下烘干后的竹纤维即可得到竹纤维片材。

(2)复合材料制备：

2.1)热塑性塑料是由聚丙烯制成，将聚丙烯制成的热塑性塑料颗粒压成片材，并剪裁成所需形状；

2.2)将塑料片材与竹纤维片材进行堆垛，堆垛包括相交错层叠的五层塑料片材与四层竹纤维片材，置于同一性状的不锈钢画框型模具中；

2.3)放置到平板硫化机进行压制成型，根据所用材料设置平板硫化机的温度(180摄氏度)与压力条件(20MPa)，在3分钟内将堆垛后的材料压制成型，即得多层天然纤维片材/热塑性塑料复合材料。

其扫描电镜图如图1所示，图中可见多层纤维与聚合物在其接触界面形成了紧密的结合，并直接对材料机械性能起到了一个加强作用。

本实施例在四层竹纤维片材加强的情况下，所得复合材料弯曲模量为3.5GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别达到46MPa、54MPa与76MPa。

原聚丙烯材料弯曲模量仅为1GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别为20.5MPa、20MPa与50MPa。

实施例2

(1)亚麻纤维片材制备：

1.1)以亚麻纤维为天然纤维，用切纸刀将较长的竹纤维切至20毫米以便于分散处理；

1.2)将羟乙基纤维素溶液与长度切短的亚麻纤维共混后，分散剂溶液与纤维之间的体积比为1:500，溶液中含有的分散剂与亚麻纤维的体积比为1:1，分散剂在溶液中的浓度为200mg/L充分烘干去除水分；

1.3)烘干后的混合物加入蒸馏纯净水中，然后用超声波进行分散；

1.4)用金属滤网过滤去分散后悬浮液中的水分与大部分分散剂，并用纯净水清洗以去除剩下的90％的分散剂；

1.5)烘干滤网以及上面的竹纤维，取下烘干后的亚麻纤维即可得到亚麻维片材。

(2)复合材料制备：

2.1)热塑性塑料是由聚丙烯制成，将聚丙烯制成的热塑性塑料颗粒压成片材，并剪裁成所需形状；

2.2)将塑料片材与亚麻纤维片材进行堆垛，堆垛包括相交错层叠的五层塑料片材与四层亚麻纤维片材，置于同一性状的画框型不锈钢模具中；

2.3)放置到平板硫化机进行压制成型，根据所用材料设置平板硫化机的温度(180摄氏度)与压力条件(20MPa)，在5分钟内将堆垛后的材料压制成型，即得多层天然纤维片材/热塑性塑料复合材料。

本实施例在四层亚麻纤维片材加强的情况下，所得复合材料弯曲模量为4.5GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别达到50MPa、73MPa与100MPa。

原聚丙烯材料弯曲模量仅为1GPa，原聚丙烯拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度为20.5MPa、20MPa与50MPa。

实施例3

(1)天然纤维片材制备：

1.1)以竹纤维为天然纤维，用切纸刀将较长的竹纤维切至10毫米以便于分散处理；

1.2)将羟乙基纤维素溶液与长度切短的竹纤维共混后，分散剂溶液与纤维之间的体积比为1:100，溶液中含有的分散剂与竹纤维的体积比为1:1，分散剂在溶液中的浓度为1g/L充分烘干去除水分；

1.3)烘干后的混合物加入蒸馏纯净水中，然后用超声波进行分散；

1.4)用金属滤网过滤去分散后悬浮液中的水分与大部分分散剂，并用纯净水清洗以去除剩下的95％的分散剂；

1.5)烘干滤网以及上面的竹纤维，取下烘干后的竹纤维即可得到竹纤维片材。

(2)复合材料制备：

2.1)热塑性塑料是由高密度聚乙烯制成，将高密度聚乙烯制成的热塑性塑料颗粒压成片材，并剪裁成所需形状；

2.2)将塑料片材与竹纤维片材进行堆垛，堆垛包括相交错层叠的五层塑料片材与四层竹纤维片材，置于同一性状的不锈钢画框型模具中；

2.3)放置到平板硫化机进行压制成型，根据所用材料设置平板硫化机的温度(160摄氏度)与压力条件(10MPa)，在3分钟内将堆垛后的材料压制成型，即得多层天然纤维片材/热塑性塑料复合材料。

本实施例在四层竹纤维片材加强的情况下，所得复合材料弯曲模量为3.3GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别达到39MPa、44MPa与57MPa。

原高密度聚乙烯材料弯曲模量仅为0.8GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别为16MPa、17MPa与30MPa。

实施例4

(1)亚麻纤维片材制备：

1.1)以亚麻纤维为天然纤维，用切纸刀将较长的竹纤维切至15毫米以便于分散处理；

1.2)将羟乙基纤维素溶液与长度切短的亚麻纤维共混后，分散剂溶液与纤维之间的体积比为1:300，溶液中含有的分散剂与亚麻纤维的体积比为1:1，分散剂在溶液中的浓度为500mg/L充分烘干去除水分；

1.3)烘干后的混合物加入蒸馏纯净水中，然后用超声波进行分散；

1.4)用金属滤网过滤去分散后悬浮液中的水分与大部分分散剂，并用纯净水清洗以去除剩下的93％的分散剂；

1.5)烘干滤网以及上面的竹纤维，取下烘干后的亚麻纤维即可得到亚麻维片材。

(2)复合材料制备：

2.1)热塑性塑料是由高密度聚乙烯制成，将高密度聚乙烯制成的热塑性塑料颗粒压成片材，并剪裁成所需形状；

2.2)将塑料片材与亚麻纤维片材进行堆垛，堆垛包括相交错层叠的五层塑料片材与四层亚麻纤维片材，置于同一性状的画框型不锈钢模具中；

2.3)放置到平板硫化机进行压制成型，根据所用材料设置平板硫化机的温度(160摄氏度)与压力条件(20MPa)，在5分钟内将堆垛后的材料压制成型，即得多层天然纤维片材/热塑性塑料复合材料。

本实施例在四层亚麻纤维片材加强的情况下，所得复合材料弯曲模量为4.2GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别达到42MPa、52MPa与61MPa。

原高密度聚乙烯材料弯曲模量仅为0.8GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别为16MPa、17MPa与30MPa。

实施例5

(1)黄麻纤维片材制备：

1.1)以黄麻纤维为天然纤维，用切纸刀将较长的竹纤维切至10毫米以便于分散处理；

1.2)将羟乙基纤维素溶液与长度切短的亚麻纤维共混后，分散剂溶液与纤维之间的体积比为1:400，溶液中含有的分散剂与亚麻纤维的体积比为1:1，分散剂在溶液中的浓度为200mg/L充分烘干去除水分；

1.3)烘干后的混合物加入蒸馏纯净水中，然后用超声波进行分散，；

1.4)用金属滤网过滤去分散后悬浮液中的水分与大部分分散剂，并用纯净水清洗以去除剩下的95％的分散剂；

1.5)烘干滤网以及上面的竹纤维，取下烘干后的黄麻纤维即可得到黄麻维片材。

(2)复合材料制备：

2.1)热塑性塑料是由聚丙烯制成，将聚丙烯制成的热塑性塑料颗粒压成片材，并剪裁成所需形状；

2.2)将塑料片材与亚麻纤维片材进行堆垛，堆垛包括相交错层叠的五层塑料片材与四层黄麻纤维片材，置于同一性状的画框型不锈钢模具中；

2.3)放置到平板硫化机进行压制成型，根据所用材料设置平板硫化机的温度(180摄氏度)与压力条件(20MPa)，在4分钟内将堆垛后的材料压制成型，即得多层天然纤维片材/热塑性塑料复合材料。

本实施例在四层亚麻纤维片材加强的情况下，所得复合材料弯曲模量为2.9GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别达到43MPa、55MPa与81MPa。

原聚丙烯材料弯曲模量仅为1GPa，原聚丙烯拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度为20.5MPa、20MPa与50MPa。