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CN105907062B - 高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料，由2N+1层天然植物纤维层和N层松针帘子层依次交替复合形成的多层结构，N＝1、2、3或4，所述复合材料的最底层和最上层均为天然植物纤维层。本发明的制备方法，包括：(1)制备天然植物纤维层，(2)在天然纤维层上制备松针帘子层，(3)在松针帘子层上制备天然植物纤维层，(4)多次重复(2)和(3)，直至形成三层、五层、七层或九层结构的板坯；(5)将板坯热压成型，完成所述低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料的制备。本发明的复合材料其拉伸强度达到20MPa以上，弯曲强度达到40MPa以上，同时该复合材料的密度在1.0g/cm3以下。

Description

高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于木塑复合材料制备领域，尤其涉及一种高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料及其制备方法。
背景技术
天然植物纤维增强聚己内酯复合材料是以木、竹等天然植物纤维与聚己内酯通过一定的成型等方法制备的一种木塑复合材料，该类材料具有易加工、易成型、力学强度高、耐水、价廉、可再生等优点，可广泛用作室内外家具材料、车辆内饰材料等领域。但是，常规的天然植物纤维增强聚己内酯复合材料成型方式是先将高分子聚己内酯与天然植物纤维在高温或高速下混炼，混炼物经再通过模压成型、挤压成型以及注射成型等方法热成型，制备过程中高分子聚己内酯因高温混炼(混合)及热成型会出现一定程度的热降解，从而影响复合材料的力学强度。同时，受成型方法的限制，复合材料中也很难加入整幅的增强层，制备的复合材料弯曲强度低；且由于成型压力大(面压在5MPa以上)，制备的复合材料密度大(通常大于1.2g/cm3)，应用领域受到一定限制。因此，开发一种高强低密度的天然植物纤维增强聚己内酯复合材料，对拓展其应用意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料，是由2N+1层天然植物纤维层和N层松针帘子层依次交替复合形成的多层结构，其中N＝1、2、3或4，所述复合材料的最底层和最上层均为天然植物纤维层。
上述的复合材料，优选的，所述天然植物层的厚度为2-4mm。
上述的复合材料，优选的，所述松针帘子层是经过微波加热处理过的。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石蜡乳液涂抹在钢垫板上，然后将天然植物纤维均匀散铺在涂过石蜡乳液的钢垫板上制成2-4mm厚的天然植物纤维层；
(2)通过喷枪将聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液均匀喷洒到天然植物纤维层上，干燥，然后将松针帘平铺在天然植物纤维层上形成松针帘子层；
(3)将天然植物纤维均匀散铺在松子帘子层上制成2-4mm厚的天然植物纤维层，得到板坯；
(4)将涂有石蜡乳液的钢垫板盖在步骤(3)制备的板坯上；然后送入热压成型机中进行热压成型，完成所述低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料的制备。
上述的制备方法，优选的，还包括在步骤(3)后的天然植物纤维层上多次重复步骤(2)和步骤(3)操作，直至形成五层、七层或九层结构的复合材料板坯。
上述的制备方法，优选的，热压成型过程中，热压温度为100-120℃，加压时间为15-30min，压力为1.0-2.0Mpa。
上述的制备方法，优选的，所述聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液中聚己内酯与二甲基甲酰胺的质量比为1:4。
上述的制备方法，优选的，所述松针帘的制备方法为：先将松针送入功率为500-700W的微波炉加热1-2min，冷却后缝成单层的松针帘，采用直径为0.2mm的PVC线缝合。采用微波加热能够在不破坏松针强度的情况下破坏其表面蜡质层，增加了松针表面的活性基数量。松针经微波处理后其表面活性基增加120％以上。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液与天然植物纤维层质量比为(30-40):1；所述干燥采用热风吹5-10min，使二甲基甲酰胺尽快挥发干净。
上述的制备方法，优选的，所述天然植物纤维的粒径为30～60目；所述石蜡乳液涂抹在钢垫板上的涂覆量为2g/m2。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料通过选择交替结构的天然植物纤维层和松针帘子层，聚己内酯可以均匀硫化到松针帘子层，形成很好的增强层，使得该复合材料的拉伸强度达到20MPa以上，弯曲强度达到40MPa以上，同时该复合材料的密度在1.0g/cm3以下。
(2)本发明的制备方法与现有技术的注射成型、挤压成型等方法相比，本发明可以在复合材料中添加松针帘子层，且松针经微波处理后其表面活性基增加120％以上，可以显著改善松针与聚己内酯相容性，制备的天然植物纤维增强聚己内酯复合材料在保证低密度的状况下，还可以获得高强度。
(3)本发明的制备方法不涉及高温混炼(混合)过程，可以避免因高温混炼(混合)带来的聚己内酯热降解问题，同时还降低了制备能耗。
(4)本发明的制备过程不需要加偶联剂，即节省能源又环保。
附图说明
图1是本发明三层结构的高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料的结构示意图。
图2是本发明五层结构的高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料的结构示意图。
图例说明：1、天然植物纤维层；2、松针帘子层。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于一下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的高强低密度天然木纤维增强聚己内酯复合材料，结构示意图如图1所示，由两层天然植物纤维层1(天然木纤维层)和一层松针帘子层2依次交替复合形成的三明治结构，其中该复合材料的最底层和最上层均为天然木纤维层(厚度为2mm)，中间层为松针帘子层。
本实施例的高强低密度天然木纤维增强聚己内酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石蜡乳液作为防黏剂涂抹在钢垫板上(石蜡乳液涂抹量为2g/m2)，然后将40目的天然木纤维均匀散铺在涂过石蜡乳液的钢垫板上制成2mm厚的天然木纤维层；
将松针送入功率为500W的微波炉加热2min，冷却后用直径为0.2mm的PVC线缝成单层的松针帘，备用；
(2)通过喷枪将聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液(该溶液中聚己内酯与二甲基甲酰胺的质量比为1:4)均匀喷洒到天然木纤维层上(聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液与天然木纤维层质量比为30:1)，然后采用吹风机向喷洒过聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液的天然木纤维层吹热风5min，使二甲基甲酰胺挥发干净；然后将松针帘平铺在天然木纤维层上形成松针帘子层；
(3)再将40目的天然木纤维均匀散铺在松子帘子层上制成2mm厚的天然木纤维层，得到三层结构板坯；
(4)将涂有石蜡乳液的钢垫板(石蜡乳液的涂抹量为2g/m2)盖在步骤(3)制备的板坯上；然后送入热压成型机中进行热压成型，热压温度为120℃，加压时间为15min，压力为1.0Mpa，完成低密度天然木纤维增强聚己内酯复合材料的制备。
本实施例制备的高强低密度天然木纤维增强聚己内酯复合材料拉伸强度达到22MPa，弯曲强度达到45MPa，密度只有0.90g/cm3。
实施例2：
一种本发明的高强低密度天然竹纤维增强聚己内酯复合材料，结构示意图如图2所示，由三层天然植物纤维层1(天然竹纤维层)和两层松针帘子层2依次交替复合形成的五层结构，其中该复合材料的最底层和最上层均为天然竹纤维层(厚度为3mm)。
本实施例的高强低密度天然竹纤维增强聚己内酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石蜡乳液作为防黏剂涂抹在钢垫板上(石蜡乳液涂抹量为2g/m2)，然后将50目的天然竹纤维均匀散铺在涂过石蜡乳液的钢垫板上制成3mm厚的第一层天然竹纤维层；
将松针送入功率为700W的微波炉加热1min，冷却后用直径为0.2mm的PVC线缝成单层的松针帘，备用；
(2)通过喷枪将聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液(该溶液中聚己内酯与二甲基甲酰胺的质量比为1:4)均匀喷洒到天然竹纤维层上(聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液与天然竹纤维层质量比为38:1)，然后采用吹风机向喷洒过聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液的天然竹纤维层吹热风10min，使二甲基甲酰胺挥发干净；然后将松针帘平铺在天然竹纤维层上形成第一层松针帘子层；
(3)再将50目的天然竹纤维均匀散铺在第一层松子帘子层上制成3mm厚的第二层天然竹纤维层；
(4)采用与步骤(2)相同的方法将处理好的松针帘平铺在喷过聚己内酯的二甲基甲酰胺有机溶液的第二层天然竹纤维层上，制成第二层松针帘子层；
(5)采用与步骤(3)相同的方法将50目的天然竹纤维均匀散铺在松针帘子层上制成3mm厚的第三层天然竹纤维层，即组成一个五层结构的板坯；
(6)将涂有石蜡乳液的钢垫板(石蜡乳液的涂抹量为2g/m2)盖在步骤(5)制备的板坯上；然后送入热压成型机中进行热压成型，热压温度为110℃，加压时间为20min，压力为1.5Mpa，完成低密度天然竹纤维增强聚己内酯复合材料的制备。
本实施例制备的高强低密度天然木纤维增强聚己内酯复合材料拉伸强度达到24MPa，弯曲强度达到48MPa，密度只有0.96g/cm3。
实施例3：
一种本发明的高强低密度天然稻草纤维增强聚己内酯复合材料，结构示意图如图1所示，由两层天然植物纤维层1(天然稻草纤维层)和一层松针帘子层2依次交替复合形成的三明治结构，其中该复合材料的最底层和最上层均为天然稻草纤维层(厚度为2mm)，中间层为松针帘子层。
本实施例的高强低密度天然稻草纤维增强聚己内酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石蜡乳液作为防黏剂涂抹在钢垫板上(石蜡乳液涂抹量为2g/m2)，然后将60目的天然稻草纤维均匀散铺在涂过石蜡乳液的钢垫板上制成2mm厚的天然稻草纤维层；
将松针送入功率为500W的微波炉加热2min，冷却后用直径为0.2mm的PVC线缝成单层的松针帘，备用；
(2)通过喷枪将聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液(该溶液中聚己内酯与二甲基甲酰胺的质量比为1:4)均匀喷洒到天然稻草纤维层上(聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液与天然稻草纤维层质量比为40:1)，然后采用吹风机向喷洒过聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液的天然稻草纤维层吹热风8min，使二甲基甲酰胺挥发干净；然后将处理好的松针帘平铺在天然稻草纤维层上形成松针帘子层；
(3)再将60目的天然稻草纤维均匀散铺在松子帘子层上制成2mm厚的天然稻草纤维层，得到三层结构板坯；
(4)将涂有石蜡乳液的钢垫板(石蜡乳液的涂抹量为2g/m2)盖在步骤(3)制备的板坯上；然后送入热压成型机中进行热压成型，热压温度为100℃，加压时间为25min，压力为2.0Mpa，完成低密度天然稻草纤维增强聚己内酯复合材料的制备。
本实施例制备的高强低密度天然木纤维增强聚己内酯复合材料拉伸强度达到26MPa，弯曲强度达到50MPa，密度只有0.99g/cm3。

Claims (9)

1.一种高强低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料是由N+1层天然植物纤维层和N层松针帘子层依次交替复合形成的多层结构，其中N＝1、2、3或4，所述复合材料的最底层和最上层均为天然植物纤维层，所述复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将石蜡乳液涂抹在钢垫板上，然后将天然植物纤维均匀散铺在涂过石蜡乳液的钢垫板上制成2-4mm厚的天然植物纤维层；
(2)通过喷枪将聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液均匀喷洒到天然植物纤维层上，干燥，然后将松针帘平铺在天然植物纤维层上形成松针帘子层；
(3)将天然植物纤维均匀散铺在松子帘子层上制成2-4mm厚的天然植物纤维层，得到板坯；
(4)将涂有石蜡乳液的钢垫板盖在步骤(3)制备的板坯上；然后送入热压成型机中进行热压成型，完成所述低密度天然植物纤维增强聚己内酯复合材料的制备。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述天然植物纤维层的厚度为2-4mm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述松针帘子层是经过微波加热处理过的。
4.如权利要求1述的制备方法，其特征在于，还包括在步骤(3)后的天然植物纤维层上多次重复步骤(2)和步骤(3)操作，直至形成五层、七层或九层结构的复合材料板坯。
5.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，热压成型过程中，热压温度为100-120℃，加压时间为15-30min，压力为1.0-2.0Mpa。
6.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液中聚己内酯与二甲基甲酰胺的质量比为1:4。
7.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述松针帘的制备方法为：先将松针送入功率为500-700W的微波炉加热1-2min，冷却后缝成单层的松针帘。
8.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，聚己内酯的二甲基甲酰胺溶液与天然植物纤维层质量比为(30-40):1；所述干燥采用热风吹5-10min。
9.如权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述天然植物纤维的粒径为30～60目；所述石蜡乳液涂抹在钢垫板上的涂覆量为2g/m2。
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