CN102582207A - 一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料技术，涉及一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法。叠层结构包括组份1在内多种组份：组份1为植物纤维无纺布或织物，组份2为玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维无纺布或织物，组份3为其它高分子纤维无纺布或织物，组份4为高分子泡沫或橡胶薄层材料。将几种组份进行周期性或非周期的层状化复合，按照一定的工艺制备得到复合材料。将传统的单一结构性质拓展到吸声、减震、隔热、降噪、阻尼的功能性质，并在此基础上附加一定比强度和比刚度的功能-结构一体化性质等，推动这种混杂概念复合材料技术更大规模的应用。

Description

一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术，涉及一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法。

背景技术

复合材料具有比强度、比刚度高的优点，因此广泛应用在轻质高强的结构材料场合，但是，某些特定的场合也需要一些功能性的复合材料层合板，它们要求具有吸声、减震、隔热、降噪等功能，同时又是一种弱承力的结构复合材料，典型的应用比如螺旋桨飞机在飞机特定部位的包覆防护层，一方面，它应吸声、减震、降噪，另一方面，它应防止意外的碎片撞击飞机的机身，因此应抗冲击损伤；其他的典型应用包括航空、地面交通、轮船的内饰场合等。

植物纤维来自自然界，是一种天然材料，天然的中空结构使其具有显著的吸声、减震、隔热、降噪和阻尼特性，同时，也具有优越的比强度和比刚度性质，在一定的场合可以用作弱承力结构的增强材料使用。中国发明专利《一种界面增容、阻燃的植物纤维增强织物的处理方法》(申请号201110181785.3)，就是利用植物纤维制备复合材料的一个范例。但是该专利仅仅注重植物纤维增强复合材料的力学性能和阻燃性能，并没有关注植物纤维复合材料的功能性，以及如何通过混杂方法得到更优的兼具功能性和力学性能的复合材料。

本发明就是针对以上问题、背景和需求，而提出的一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法。

发明内容

本发明的目的是：提出一种主要用于一些需要吸声、减震、隔热、阻尼、抗冲击、降噪，同时兼顾一定的比强度和比刚度性质、弱承力或非承力的应用场合的植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法。

本发明的技术方案是：叠层结构包括组份1在内多种组份：组份1为植物纤维无纺布或织物，组份2为玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维无纺布或织物，组份3为其它高分子纤维无纺布或织物，组份4为高分子泡沫或橡胶薄层材料，对组份1进行表面改性预处理，改性预处理方法包括独立的偶联处理、独立的表面阻燃处理或表面偶联与阻燃双重处理；

将上述几种组份进行周期性或非周期的层状化复合，成型工艺为如下之一：

(一)先将组份1与组份2或组份3按照预浸料制备工艺，制备得到湿法或干法预浸料，树脂基体为环氧树脂或不饱和聚酯树脂或酚醛树脂，然后再将4种组份中的包括组份1在内的任意两种或几种组份周期性或非周期的层状化复合，运用热压罐工艺或模压工艺加工制备得到复合材料层合板，固化工艺参照各具体树脂的固化工艺；

(二)将组份1与组份2或组份3或组份4中的一种或几种周期性或非周期的层状化复合，然后运用液态成型工艺加工制备复合材料层合板，树脂基体是环氧树脂或不饱和聚酯树脂或酚醛树脂，固化工艺参照各具体树脂的固化工艺。

所述的组份1中植物纤维为苎麻、黄麻、红麻、***、剑麻、亚麻。

所述的组份3中包括聚酰亚胺纤维、聚苯并咪唑、聚苯并恶唑、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯或尼龙纤维无纺布或纤维织物。

所述的组份4中包括聚酰亚胺、聚甲基丙烯酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂泡沫材料或丁苯、丁氰、顺丁、聚硫或硅橡胶。

本发明的优点是：

本发明充分利用纤维-金属复合材料层合板的成熟的设计、制备和应用技术基础，用植物纤维与芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维或者其他高分子纤维的无纺布或织物、高分子泡沫或高分子橡胶等薄层材料进行周期性或非周期的层状化混杂复合，赋予这种叠层复合材料层合板以吸声、减震、隔热、阻尼、抗冲击、降噪等特殊功能，同时兼顾一定的比强度和比刚度性质，可以应用在航空、轨道交通、汽车、建筑等领域的弱承力或非承力的场合，包括内饰结构等。由于涉及的复合材料结构与ARALL(ARamid-ALuminum Laminate)、GLARE(GLAss-REinforced aluminum)层合板相似，因此命名为HyNaL(Hybrid Natural fiber Laminate)，即植物纤维混杂复合材料层合板。

具体实施方式

本发明提出了一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法，其特征在于：叠层结构包括以下组份中的一种或几种，组份1为植物纤维无纺布或织物，植物纤维为苎麻、黄麻、红麻、***、剑麻、亚麻等麻类材质的一种或几种，这些植物纤维都进行了表面改性预处理，包括独立的偶联处理、独立的表面阻燃处理，或者表面偶联与阻燃双重处理，其处理方法是，(1)用浓度为重量百分比为2～6％硅烷偶联剂水溶液浸渍植物纤维工业织物，织物干燥后，得到界面增容单功能植物纤维工业化织物；或者用浓度为重量百分比为0.1～1％的高锰酸钾水溶液浸渍，织物干燥后，再用水浸渍植物纤维织物除去高锰酸钾，同样得到界面增容单功能植物纤维工业化织物，(2)用浓度为重量百分比为7～20％的阻燃剂水溶液浸渍步骤(1)中得到的界面增容单功能植物纤维工业化织物，织物干燥后，得到界面增容-阻燃双功能植物纤维工业化织物。(植物纤维的表面改性预处理的方法详见申请号201110181785.3的《一种界面增容、阻燃的植物纤维增强织物的处理方法》)。组份2为玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维无纺布或织物，组份3为其它高分子纤维无纺布或织物，包括聚酰亚胺纤维、聚苯并咪唑、聚苯并恶唑、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、尼龙等纤维无纺布或纤维织物。组份4为高分子泡沫材料，包括聚酰亚胺、聚甲基丙烯酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂等高分子泡沫材料或丁苯、丁氰、顺丁、聚硫或硅橡胶等。将几种组份进行周期性或非周期的层状化复合，按照一定的工艺制备得到复合材料层合板，即HyNaL型叠层混杂复合材料层合板，树脂基体为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。

具体的制备步骤如下：

(1)将植物纤维无纺布或织物，参照发明专利《一种界面增容、阻燃的植物纤维增强织物的处理方法》(申请号201110181785.3)，进行植物纤维的表面阻燃或/和偶联处理；

(2)将步骤(1)中得到的表面阻燃或/和偶联处理的植物纤维无纺布或织物，与组份2、组份3或组份4中的一种或几种周期性或非周期的层状化复合，然后运用液态成型工艺加工制备复合材料层合板，树脂基体可以是环氧树脂、不饱和聚酯树脂或酚醛树脂，固化工艺参照各具体树脂的固化工艺。

(3)先将步骤1中得到的表面阻燃或/和偶联处理的植物纤维无纺布或织物，与组份2或组份3按照预浸料制备工艺，制备得到湿法或干法预浸料，树脂基体为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂，然后再将包括组份1在内的4中组份中的两种或几种周期性或非周期的层状化复合，运用热压罐工艺或模压工艺加工制备得到复合材料层合板，固化工艺参照各具体树脂的固化工艺。

实施例1：

一种苎麻纤维-芳纶纤维叠层混杂功能性复合材料层合板，其设计和制备的过程和方法如下：

(1)选择商品化、连续的工业苎麻纤维纱线，选择商品牌号为KH550的硅烷作为表面偶联处理剂，浸泡以上苎麻纤维，得到界面预处理的增强苎麻纱线；

(2)选择牌号为SY-14A的环氧树脂(北京航空材料研究院产品)配置预浸液，然后湿法预浸上述的界面预处理的苎麻纤维纱线和芳纶纤维织物，获得相应的苎麻纤维纱线增强的环氧树脂单向预浸料和芳纶纤维织物增强的环氧树脂预浸料；

(3)将步骤(2)所述的环氧树脂预浸的苎麻纤维单向预浸料一层一层地正交铺放于芳纶纤维层的层间，铺放顺序为芳纶纤维/苎麻单向预浸料/芳纶纤维/苎麻单向预浸料/芳纶纤维共5层，得到外表面层为芳纶纤维外观的苎麻纤维混杂的叠层预制件；

(4)参考SY-14A树脂的热压罐固化成型制度(北京航空材料研究院产品标准)：室温抽真空，保持真空压差不低于0.095MPa；以0.5℃/min～2.0℃/min的速度升温至80℃±2℃，在接触压(或抽真空)下保温10min；加压至0.7MPa～0.8MPa，保持1h，然后自然冷却至室温，开罐，取出固化的产品，得到玻璃纤维外观的苎麻-玻璃纤维5层叠层混杂的HyNaL复合材料层合板。

实施例2：

一种黄麻纤维-酚醛泡沫-玻璃纤维叠层功能性混杂复合材料层合板，其设计和制备的过程和方法如下：

(1)参照发明专利《一种界面增容、阻燃的植物纤维增强织物的处理方法》，申请号201110181785.3，进行黄麻纤维织物阻燃处理。

(2)将阻燃黄麻纤维织物层/玻璃纤维织物/酚醛泡沫/玻璃纤维织物/阻燃黄麻纤维织物铺放于模具上，装入真空袋，按照3266环氧树脂的液态模塑工艺制度(北京航空材料研究院产品标准)室温抽真空，真空压差不低于0.1MPa，以1℃/min～2℃/min的升温速度升温至40℃左右，将3266树脂吸入并完全浸渍；

(2)按照3266环氧树脂的固化成型工艺制度(北京航空材料研究院产品标准)，将上述已完全浸渍了3266树脂的预制件在同样的真空条件下固化：以1℃/min～2℃/min的升温速度升温至100℃～120℃，保温2小时，自然冷却至室温；打开真空袋，得到真空成型的HyNaL型黄麻-玻璃纤维叠层混杂复合材料层合板。

实施例3：

一种剑麻纤维-硅橡胶-碳纤维叠层功能性混杂复合材料层合板，其设计和制备的过程和方法如下：

(1)将剑麻纤维无纺布按照发明专利《一种界面增容、阻燃的植物纤维增强织物的处理方法》(申请号201110181785.3)处理，得到一种偶联与阻燃的双功能的剑麻麻植物纤维无纺布；

(2)将两层阻燃剑麻纤维无纺布层/碳纤维纤维织物/硅橡胶/碳纤维织物/两层阻燃剑麻纤维无纺布层铺放于模具上，装入真空袋，按照3266环氧树脂的液态模塑工艺制度(北京航空材料研究院产品标准)室温抽真空，真空压差不低于0.1MPa，以1℃/min～2℃/min的升温速度升温至40℃左右，将3266树脂吸入并完全浸渍；

(2)按照3266环氧树脂的固化成型工艺制度(北京航空材料研究院产品标准)，将上述已完全浸渍了3266树脂的预制件在同样的真空条件下固化：以1℃/min～2℃/min的升温速度升温至100℃～120℃，保温2小时，自然冷却至室温；打开真空袋，得到真空成型的HyNaL型黄麻-玻璃纤维叠层混杂复合材料层合板。

实施例4：

一种苎麻纤维-黄麻纤维-玻璃纤维叠层混杂功能性复合材料层合板，其设计和制备的过程和方法如下：

(1)选择商品化、连续的工业苎麻纤维和黄麻纤维织物，选择商品牌号为KH550的硅烷作为表面偶联处理剂，浸泡以上苎麻纤维和黄麻纤维织物，得到界面预处理的增强苎麻纤维和黄麻纤维织物；

(2)选择牌号为3233的环氧树脂(北京航空材料研究院产品)配置预浸液，然后湿法预浸上述的界面预处理的苎麻纤维、黄麻纤维以及玻璃纤维织物；

(3)将步骤(2)中纤维附载环氧树脂预浸料，铺放于模具中，顺序为苎麻纤维/黄麻纤维/玻璃纤维/黄麻纤维/苎麻纤维共5层，得到外表面层为苎麻纤维的混杂叠层预制件；

(4)参考3233树脂的模压固化成型制度(北京航空材料研究院产品标准)：升温至80℃±2℃保温10min，加压至0.7MPa～0.8MPa，保持2h，然后自然冷却至室温，取出固化的产品，得到苎麻纤维外观的苎麻5层叠层混杂的HyNaL复合材料层合板。

实施例5：

一种亚麻纤维织物增强的聚氯乙烯叠层混杂复合材料层合板，其设计和制备的过程和方法如下：

(1)参照上述实施例1，但针对商品化的亚麻纤维面料织物，首先通过偶联剂和阻燃剂的预处理，制备界面偶联和阻燃改性的亚麻纤维织物增强材料；

(2)选择任意商用室温或中温固化的环氧树脂预浸亚麻面料织物，再将这种亚麻预浸料一层一层地铺放于聚氯乙烯薄板的层间，铺放顺序为亚麻织物预浸料/聚氯乙烯薄板/亚麻织物预浸料/聚氯乙烯薄板/亚麻织物预浸料共5层，得到外表面层为亚麻织物的叠层预制件；

(3)按照所选环氧树脂的固化成型工艺进行模压固化，得到亚麻面料织物外观的亚麻纤维织物增强聚氯乙烯叠层混杂复合材料层合板。

实施例6：

在实施例5的基础上制备亚麻面料织物外观的亚麻纤维增强橡胶薄层HyNaL型叠层混杂复合材料层合板，其设计和制备的过程和方法如下：

(1)改实施例4里的聚氯乙烯为任意商用的橡胶薄板，改其中的环氧树脂粘结剂为任意商用的橡胶粘结剂，按照这样材料配对的情况确定模压固化成型制度，得到亚麻面料织物外观的亚麻纤维织物增强橡胶的HyNaL型叠层混杂复合材料层合板。

实施例7：

在实施例5的基础上制备剑麻织物增强高分子泡沫层的HyNaL型叠层混杂复合材料层合板，其设计和制备的过程和方法如下：

(1)改实施例4里的聚氯乙烯为任意商用的高分子泡沫薄板，选用任意商用的与这种泡沫材料相适应的高分子粘结剂，按照这样材料配对的情况确定模压固化成型制度，得到亚麻面料织物外观的亚麻纤维织物增强高分子泡沫的HyNaL型叠层混杂复合材料层合板。

Claims (4)

1.一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法，其特征在于，叠层结构包括组份1在内多种组份：组份1为植物纤维无纺布或织物，组份2为玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维无纺布或织物，组份3为其它高分子纤维无纺布或织物，组份4为高分子泡沫或橡胶薄层材料，对组份1进行表面改性预处理，改性预处理方法包括独立的偶联处理、独立的表面阻燃处理或表面偶联与阻燃双重处理；

将上述几种组份进行周期性或非周期的层状化复合，成型工艺为如下之一：

(一)先将组份1与组份2或组份3按照预浸料制备工艺，制备得到湿法或干法预浸料，树脂基体为环氧树脂或不饱和聚酯树脂或酚醛树脂，然后再将4种组份中的包括组份1在内的任意两种或几种组份周期性或非周期的层状化复合，运用热压罐工艺或模压工艺加工制备得到复合材料层合板，固化工艺参照各具体树脂的固化工艺；

(二)将组份1与组份2或组份3或组份4中的一种或几种周期性或非周期的层状化复合，然后运用液态成型工艺加工制备复合材料层合板，树脂基体为环氧树脂或不饱和聚酯树脂或酚醛树脂，固化工艺参照各具体树脂的固化工艺。

2.根据权利要求1所述的一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法，其特征在于，所述的组份1中植物纤维为苎麻、黄麻、红麻、***、剑麻、亚麻。

3.根据权利要求1所述的一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法，其特征在于，所述的组份3中包括聚酰亚胺纤维、聚苯并咪唑、聚苯并恶唑、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯或尼龙纤维无纺布或纤维织物。

4.根据权利要求1所述的一种植物纤维叠层混杂功能性复合材料层合板的制备方法，其特征在于，所述的组份4中包括聚酰亚胺、聚甲基丙烯酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂泡沫材料或丁苯、丁氰、顺丁、聚硫或硅橡胶。