CN112009054A - 一种复合片材及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合片材及其制备方法。所述复合片材为一层或更多层复合纱织物的热压件，所述复合纱包含多组分纤维和高强度纤维，其中所述多组分纤维选自聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物作为皮层的皮芯复合纤维和聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物作为中间层、聚乙烯作为皮层的三层复合纤维，所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。根据本发明的复合片材利用热加工性能较好的多组分纤维克服一些高强度纤维粘性低和/或耐热性差从而不能热成型的问题，扩大这些高强度纤维的应用领域。

Description

一种复合片材及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于纤维复合材料领域。具体地，本发明涉及一种复合片材及其制备方法与应用。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)具有密度低、强度高、模量高等优良性能。
作为高性能纤维，超高分子量聚乙烯纤维的断裂伸长率较低，具有较好的耐疲劳性和耐摩擦性。
由于聚乙烯的分子结构中不含有氨基、羟基等具有较好活性的基团，分子的结晶度高，所以聚乙烯纤维不论在水中或者其它腐蚀性介质中性能都较稳定，密度小质量轻且能量吸收性好，适合用作热塑性塑料中的轻质增强材料。
CN108864664A公开了一种长纤维增强热塑性复合材料，其中所用的增强纤维是超高分子量聚乙烯纤维。
CN108529936A公开了一种超高分子量聚乙烯纤维增强聚合物基复合材料及制备方法。
玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维等也属于高强度纤维，经常作为增强纤维用于树脂的增强。
CN109206855A公开了一种树脂基纤维增强复合材料的制备方法，其中所用的增强纤维选自玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。
然而，超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维粘接性和/或耐热性差从而不能热成型，这限制了其作为轻质、耐冲击增强材料应用于许多热成型塑料制品。
因此，希望能弥补某些高强度纤维粘接性低和/或耐热性差从而不能热成型的缺陷，将其用于高强度制品的制备。
发明内容
本发明的一个目的是弥补某些高强度纤维粘接性和/或耐热性差从而不能热成型的缺陷，从而提供可用于制备高强度制品的复合材料。
根据本发明的第一方面，提供一种复合片材，其为一层或更多层复合纱织物的热压件，所述复合纱包含多组分纤维和高强度纤维，其中所述多组分纤维选自聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为皮层的皮芯复合纤维和聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为中间层、聚乙烯作为皮层的三层复合纤维，所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。
根据本发明的第二方面，提供制备根据本发明的第一方面的复合片材的方法，其包括以下步骤：
i)提供包含所述多组分纤维和所述高强度纤维的复合纱；
ii)将上述复合纱制成织物；和
iii)对一层或更多层所述织物进行热压，然后冷却得到复合片材。
根据本发明的第三方面，提供一种复合片材，其为至少两层多组分纤维织物与至少一层高强度纤维织物的层合件，其中最底层与最顶层都为所述多组分纤维织物，所述多组分纤维选自聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为皮层的皮芯复合纤维和聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为中间层、聚乙烯作为皮层的三层复合纤维，所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。
根据本发明的第四方面，提供制备根据本发明的第三方面的复合片材的方法，其包括：
i)提供所述多组分纤维织物和所述高强度纤维织物；
ii)将至少两层多组分纤维织物与至少一层高强度纤维织物进行铺叠，其中最底层与最顶层都为所述多组分纤维织物；和
iii)对步骤ii)所得物进行热压，然后冷却得到复合片材。
根据本发明的第五方面，提供采用上述复合片材制备的制品。
本发明的复合片材利用热加工性能较好的多组分纤维克服一些高强度纤维粘接性和/或耐热性差从而不能热成型的问题，扩大这些高强度纤维的应用领域，将其用于制备轻量化、高强度并可高效率热塑成型的复合材料制品。
附图说明
在下文中，将结合附图对本发明进行示例说明，其中：
图1显示了根据本发明一个方面制备复合片材的工艺路线示意图。
图2显示了根据本发明另一个方面制备复合片材的工艺路线示意图。
具体实施方案
在下文中，将更全面地体现本发明的各方面以及更进一步的目的、特征和优点。
根据本发明的第一方面，提供一种复合片材，其为一层或更多层复合纱织物的热压件，所述复合纱包含多组分纤维和高强度纤维，其中所述多组分纤维选自聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物作为皮层的皮芯复合纤维和聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物作为中间层、聚乙烯作为皮层的三层复合纤维，所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。
在一个优选的实施方案中，在所述复合纱中，所述多组分纤维作为皮纱和所述高强度纤维作为芯纱。
优选地，所述聚丙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-60g/10min，更优选为20-40g/10min，在230℃下采用2.16Kg砝码测定，例如来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min。
采用聚丙烯作为芯层可以提供复合纤维刚性模量和挠曲模量。
优选地，所述乙烯共聚物是乙烯作为第一单体与选自丙烯、丁烯、己烯和辛烯的第二单体的共聚物。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为乙烯作为第一单体与选自丙烯、丁烯、己烯和辛烯的第二单体的共聚物，其中第二单体的含量为0.1％摩尔-40％摩尔，优选8％摩尔-35％摩尔，例如来自Dow公司的Engage 8401和8450树脂。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为乙烯与丙烯的共聚物，其中乙烯的含量为0.1％摩尔-30％摩尔，优选8％摩尔-25％摩尔，例如来自Dow公司的Versify 4000树脂。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为包含20％摩尔-80％摩尔的乙烯嵌段和80％摩尔-20％摩尔的无规乙烯辛烯或无规乙烯丁烯嵌段的嵌段共聚物，优选为包含30％摩尔-70％摩尔的乙烯嵌段和70％摩尔-30％摩尔的无规乙烯辛烯或无规乙烯丁烯嵌段的嵌段共聚物，例如来自Dow公司的INFUSE 9817树脂。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为包含20％摩尔-80％摩尔的丙烯嵌段和80％摩尔-20％摩尔的无规乙烯丙烯或乙烯丁烯或乙烯辛烯嵌段的嵌段共聚物，优选为包含30％摩尔-70％摩尔的丙烯嵌段和70％摩尔-30％摩尔的无规乙烯丙烯或乙烯丁烯或乙烯辛烯嵌段的嵌段共聚物，例如来自DOW公司的INTUNE D5545树脂。
优选地，所述聚乙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-20g/10min，优选为1-10g/min，更优选为1-6g/min，在190℃下采用2.16Kg砝码测定，例如低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)，例如来自中沙(天津)石化有限公司的T55-300MHDPE树脂，其MFI为2g/10min。
采用聚乙烯或乙烯共聚物作为皮层，可以提供复合纤维热粘性。
优选地，在所述皮芯复合纤维中，皮层和芯层的体积比在1∶1至1∶10之间，优选在1∶1至1∶2.5之间。
优选地，在所述三层复合纤维中，芯层/中间层/皮层的体积比为80％-50％/10％-25％/10-25％。
优选地，所述多组分纤维的总纤度为100-6000旦(D)，优选200-3200旦。优选地，所述多组分纤维的拉伸强度不低于1.5g/dtex，优选不低于2.5g/dtex。
在一些实施方案中，所述多组分纤维的总纤度为200-3200旦，拉伸强度为2.5-6.0g/dtex。
所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维，可从市场上获得或自行制备。
优选地，所述高强度纤维的总纤度为200-1600旦。优选地，所述高强度纤维的拉伸强度不低于5g/dtex，更优选不低于10g/dtex。
在一些实施方案中，所述高强度纤维的总纤度为200-1600旦，拉伸强度为10-40g/dtex。
优选地，所述复合纱中，多组分纤维与高强度纤维的重量比在100∶1至100∶100范围内。
优选地，所述复合纱织物的克重为100g/m2-500g/m2，优选150-300g/m2。
在一些实施方案中，所述织物为经纬布。
优选地，所述复合片材中，所述织物的层数为1-10。
在所述织物的层数大于1时，各层多组分纤维织物可相同或不同。
根据本发明的第二方面，提供制备根据本发明的第一方面的复合片材的方法，其包括以下步骤：
i)提供包含所述多组分纤维和所述高强度纤维的复合纱；
ii)将上述复合纱制成织物；和
iii)对一层或更多层所述织物进行热压，然后冷却得到复合片材。
图1显示了根据本发明的第二方面的一个实施方案制备复合片材的工艺路线示意图。应理解的是，此图仅为示意性的，不用于对本发明的方法起限定作用。
在一些实施方案中，步骤i)包括提供所述多组分纤维和所述高强度纤维。
所述多组分纤维可采用本领域中已知的复合纺丝技术制备。
例如可采用两个螺杆挤出机，将皮层材料和芯层材料分别放在不同的螺杆中，在各材料的熔点以上温度挤出，通过层体分配器后合流进入口模，拉伸冷却后得到皮芯复合纤维。
例如可采用三个螺杆挤出机，将皮层材料、中间层材料和芯层材料分别放在不同的螺杆中，在各材料的熔点以上温度挤出，通过层体分配器后合流进入口模，拉伸冷却后得到三层复合纤维。
所述高强度纤维可自行制备或从市场上购买获得。
复合纱和复合纱织物的制备可以采用本领域中已知的方法。例如可以通过混纺得到所述复合纱。
所述热压可以在任何合适的设备上进行。
优选地，所述热压在模具中或平板硫化机上进行。
优选地，所述热压在90-160℃范围内、优选110-150℃范围内的温度下，在0.1-100MPa范围内、优选在0.5-20MPa范围内的压力下进行20秒至0.5小时、优选1分钟至15分钟、更优选2分钟至6分钟。
在一些实施方案中，通过使成品自然冷却至环境温度在进行冷却。
在一些实施方案中，通过用冷空气或水直接冷却成品来进行冷却。
在一些实施方案中，通过冷却模具进行来冷却。
优选地，通过用冷却介质例如冷空气或水冷却模具来进行冷却。
根据本发明的第三方面，提供一种复合片材，其为至少两层多组分纤维织物与至少一层高强度纤维织物的层合件，其中最底层与最顶层都为所述多组分纤维织物，所述多组分纤维选自聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为皮层的皮芯复合纤维和聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为中间层、聚乙烯作为皮层的三层复合纤维，所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。
所述层合件可以为热压层合件。
优选地，所述聚丙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-60g/10min，更优选为20-40g/10min，在230℃下采用2.16Kg砝码测定，例如来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min。
优选地，所述乙烯共聚物是乙烯作为第一单体与选自丙烯、丁烯、己烯和辛烯的第二单体的共聚物。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为乙烯作为第一单体与选自丙烯、丁烯、己烯和辛烯的第二单体的共聚物，其中第二单体的含量为0.1％摩尔-40％摩尔，优选8％摩尔-35％摩尔，例如来自Dow公司的Engage 8401和8450树脂。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为乙烯与丙烯的共聚物，其中乙烯的含量为0.1％摩尔-30％摩尔，优选8％摩尔-25％摩尔，例如来自Dow公司的Versify 4000树脂。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为包含20％摩尔-80％摩尔的乙烯嵌段和80％摩尔-20％摩尔的无规乙烯辛烯或无规乙烯丁烯嵌段的嵌段共聚物，优选为包含30％摩尔-70％摩尔的乙烯嵌段和70％摩尔-30％摩尔的无规乙烯辛烯或无规乙烯丁烯嵌段的嵌段共聚物，例如来自Dow公司的INFUSE 9817树脂。
在一些实施方案中，所述乙烯共聚物为包含20％摩尔-80％摩尔的丙烯嵌段和80％摩尔-20％摩尔的无规乙烯丙烯或乙烯丁烯或乙烯辛烯嵌段的嵌段共聚物，优选为包含30％摩尔-70％摩尔的丙烯嵌段和70％摩尔-30％摩尔的无规乙烯丙烯或乙烯丁烯或乙烯辛烯嵌段的嵌段共聚物，例如来自DOW公司的INTUNE D5545树脂。
优选地，所述聚乙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-20g/10min，优选为1-10g/10min，更优选为1-6g/min，在190℃下采用2.16Kg砝码测定，例如低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)，例如来自中沙(天津)石化有限公司的T55-300M HDPE树脂，其MFI为2g/10min。
优选地，在所述皮芯复合纤维中，皮层和芯层的体积比在1∶1至1∶10之间，优选在1∶1至1∶2.5之间。
优选地，在所述三层复合纤维中，芯层/中间层/皮层的体积比为80％-50％/10％-25％/10-25％。
优选地，所述多组分纤维的总纤度为100-6000旦(D)，优选200-3200旦。优选地，所述多组分纤维的拉伸强度不低于1.5g/dtex，优选不低于2.5g/dtex。
在一些实施方案中，所述多组分纤维的总纤度为200-3200旦，拉伸强度为2.5-6.0g/dtex。
优选地，所述多组分纤维织物的克重为100g/m2-500g/m2，优选150g/m2-300g/m2。
在一些实施方案中，所述多组分纤维织物为经纬布，克重为150-300g/m2，优选为单层斜纹的经纬布，经向和纬向的纱线支数比例基本相同，并均匀分布。
所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维，可从市场上获得或自行制备。
优选地，所述高强度纤维的总纤度为200-1600旦。优选地，所述高强度纤维的拉伸强度不低于5g/dtex，优选不低于10g/dtex。
在一些实施方案中，所述高强度纤维的总纤度为200-1600旦，拉伸强度为10-40g/dtex。
优选地，所述高强度纤维织物的克重为100-200g/m2，为单层经纬布或单向UD布。
优选地，所述复合片材中，多组分纤维织物与高强度纤维织物的重量比在100∶1至100∶100范围内。
优选地，所述多组分纤维织物的层数为2-10。
任选地，各层多组分纤维织物可相同或不同。
优选地，所述高强度纤维织物的层数为1-5。
在所述高强度纤维织物的层数大于1时，各层高强度纤维织物可相同或不同。
在所述高强度纤维织物的层数超过一层时，优选其中间隔有多组分纤维织物。
根据本发明的第四方面，提供制备根据本发明的第三方面的复合片材的方法，其包括：
i)提供所述多组分纤维织物和所述高强度纤维织物；
ii)将至少两层多组分纤维织物与至少一层高强度纤维织物进行铺叠，其中最底层与最顶层都为所述多组分纤维织物；和
iii)对步骤ii)所得物进行热压，然后冷却得到复合片材。
图2显示了根据本发明的第四方面的一个实施方案制备复合片材的工艺路线示意图。应理解的是，此图仅为示意性的，不用于对本发明的方法起限定作用。
在一些实施方案中，步骤i)包括提供所述多组分纤维和所述高强度纤维。
所述多组分纤维可采用本领域中已知的复合纺丝技术制备。
例如可采用两个螺杆挤出机，将皮层材料和芯层材料分别放在不同的螺杆中，在各材料的熔点以上温度挤出，通过层体分配器后合流进入口模，拉伸冷却后得到皮芯复合纤维。
例如可采用三个螺杆挤出机，将皮层材料、中间层材料和芯层材料分别放在不同的螺杆中，在各材料的熔点以上温度挤出，通过层体分配器后合流进入口模，拉伸冷却后得到三层复合纤维。
所述高强度纤维可自行制备或从市场上购买获得。
织物的制备可以采用本领域中已知的方法。
所述热压可以在合适的设备上进行，例如可以在热压模具中或平板硫化机上进行。
优选地，所述热压在模具中进行。
优选地，所述热压在90-160℃范围内、优选110-150℃范围内的温度下，在0.1-100MPa范围内、优选在0.5-20MPa范围内的压力下进行20秒至0.5小时、优选1分钟至15分钟、更优选2分钟至6分钟。
在一些实施方案中，通过使成品自然冷却至环境温度在进行冷却。
在一些实施方案中，通过用冷空气或水直接冷却成品来进行冷却。
在一些实施方案中，通过冷却模具进行来冷却。
优选地，通过用冷却介质例如冷空气或水冷却模具来进行冷却。
根据本发明的第五方面，提供采用上述复合片材制备的制品。
采用本发明的复合片材制备的制品具有轻量化、高强度和耐冲击的特点。
作为所述制品的实例，可以提及轻质行李箱、汽车防撞部件(如保险杠等)、体育休闲用品、安全保护用品例如头盔等。
本申请中所述的“包含”和“包括”涵盖还包含或包括未明确提及的其它要素的情形以及由所提及的要素组成的情形。
除非另外限定，本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域技术人员通常理解的相同意义。当本说明书中术语的定义与本发明所属领域技术人员通常理解的意义有矛盾时，以本文中所述的定义为准。
除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的表达成分的量、反应条件等的所有数值被理解为在被术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，否则在这里阐述的数值参数是能够根据需要获得的所需性能来变化的近似值。
实施例
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果作进一步说明，以使本领域技术人员能够充分地了解本发明的目的、特征和效果。应该理解一些实施例仅为示意性的，不构成对本发明范围的限定。
实施例1
采用聚丙烯(来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min)和乙烯共聚物(来自Dow公司的Engage 8401树脂)通过复合纺丝技术制备皮芯复合纤维，其中聚丙烯为芯层材料，乙烯共聚物为皮层材料。所用纺丝工艺如下：
芯层螺杆挤出温度：200-290℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
皮层螺杆挤出温度：180-250℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
喷丝板温度：260℃；
喷丝孔孔数：96，孔径：0.2mm；
螺杆L/D比：28；
拉伸速度：2000m/min；
泵供量：90g/min；
皮芯重量比：4/6；
骤冷空气温度：25℃；
所得复丝纤维的总纤度为400旦，拉伸强度为2.8g/dtex。
将所得复丝纤维与超高分子量聚乙烯纤维(来自Honeywell的Spectra，纤维总纤度为400旦，拉伸强度为30g/dtex)按照100∶20的重量比混纺成复合纱线(用纱线合股机，将5束400旦复丝纤维和1束400旦Spectra分别放纱，合股并加捻为2400旦的复合纱线)，再将复合纱线编织成克重为250g/m2的经纬布。
在热压模具内将4层上述经纬布进行铺叠，在120℃的温度、10MPa的压力下层压3分钟，然后释放模具，将材料室温冷却得到热塑性板材。
实施例2
采用聚丙烯(来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min)和乙烯共聚物(来自Dow公司的Versify 4000树脂)通过复合纺丝技术制备皮芯复合纤维，其中聚丙烯为芯层材料，乙烯共聚物为皮层材料。所用纺丝工艺如下：
芯层螺杆挤出温度：200-290℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
皮层螺杆挤出温度：180-250℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
喷丝板温度：260℃；
喷丝孔孔数：96，孔径：0.2mm；
螺杆L/D比：28；
拉伸速度：2000m/min；
泵供量：90g/min；
皮芯重量比：4/6；
骤冷空气温度：25℃；
所得复丝纤维的总纤度为400旦，拉伸强度为2.9g/dtex。
将所得复丝纤维与玻璃纤维(来自中国泰山玻璃纤维有限公司Y3玻璃纤维，纱线密度45tex，拉伸强度为15g/dtex)按照100：20的重量比混纺成复合纱线(用纱线合股机将5束400旦复丝纤维和1束Y3玻璃纤维分别放纱，合股并加捻为2400旦的复合纱线)，再将复合纱线编织成克重为250g/m2的经纬布。
在热压模具内将4层上述经纬布进行铺叠，在150℃的温度、20MPa的压力下层压5分钟，然后释放模具，将材料室温冷却得到热塑性板材。
实施例3
采用聚丙烯(来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min)和乙烯共聚物(来自Dow公司的INFUSE 9817树脂)通过复合纺丝技术制备皮芯复合纤维，其中聚丙烯为芯层材料，乙烯共聚物为皮层材料。所用纺丝工艺如下：
芯层螺杆挤出温度：200-290℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
皮层螺杆挤出温度：180-250℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
喷丝板温度：260℃；
喷丝孔孔数：96，孔径：0.2mm；
螺杆L/D比：28；
拉伸速度：2000m/min；
泵供量：90g/min；
皮芯重量比：4/6；
骤冷空气温度：25℃；
所得复丝纤维的总纤度为400旦，拉伸强度为3g/dtex。
将所得复丝纤维与碳纤维(来自光威复材的GQ3522，纱线密度66tex，拉伸强度为20g/dtex)按照100∶20的重量比混纺成复合纱线(用纱线合股机将6束400旦复丝纤维和1束66tex玻璃纤维分别放纱，合股并加捻为3000旦的复合纱线)，再将复合纱线编织成克重为250g/m2的经纬布。
在热压模具内将4层上述经纬布进行铺叠，在150℃的温度、20MPa的压力下层压5分钟，然后释放模具，将材料室温冷却得到热塑性板材。
实施例4
采用聚丙烯(来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min)和乙烯共聚物(来自Dow公司的INTUNE D5545树脂)通过复合纺丝技术制备皮芯复合纤维，其中聚丙烯为芯层材料，乙烯共聚物为皮层材料。所用纺丝工艺如下：
芯层螺杆挤出温度：200-290℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
皮层螺杆挤出温度：180-250℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
喷丝板温度：260℃；
喷丝孔孔数：96，孔径：0.2mm；
螺杆L/D比：28；
拉伸速度：2000m/min；
泵供量：90g/min；
皮芯重量比：4/6；
骤冷空气温度：25℃；
所得复丝纤维的总纤度为400旦，拉伸强度为3.5g/dtex。
将所得复丝纤维与芳纶纤维(来自杜邦的kevlar，纤维总纤度为400旦，拉伸强度为27g/dtex)按照100∶20的重量比混纺成复丝纱线，再将复丝纱线编织成克重为250g/m2的经纬布。
在热压模具内将4层上述经纬布进行铺叠，在150℃的温度、20MPa的压力下层压5分钟，然后释放模具，将材料室温冷却得到热塑性板材。
实施例5
采用聚丙烯(来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min)、乙烯共聚物(来自Dow公司的Versify 4000树脂)和聚乙烯(来自中沙天津石化有限公司的T55-300HDPE树脂，其MFI为2g/10min)通过复合纺丝技术制备三层复合纤维，其中聚丙烯为芯层材料，乙烯共聚物为中间层材料，聚乙烯为皮层材料。所用纺丝工艺如下：
芯层螺杆挤出温度：200-290℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
中间层螺杆挤出温度：180-250℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
皮层螺杆挤出温度：190-280℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
喷丝板温度：260℃；
喷丝孔孔数：96，孔径：0.2mm；
螺杆L/D比：28；
拉伸速度：2000m/min；
泵供量：90g/min；
皮层/中间层/芯层重量比：2/2/6；
骤冷空气温度：25℃；
所得复丝纤维的总纤度为400旦，拉伸强度为3.2g/dtex。
将所得复丝纤维与超高分子量聚乙烯纤维(来自Honeywell的Spectra，纤维总纤度为400旦，拉伸强度为30g/dtex)按照100∶20的重量比混纺成复合纱线(用纱线合股机，将5束400旦复丝纤维和1束400旦Spectra分别放纱，合股并加捻为2400旦的复合纱线)，再将复合纱线编织成克重为250g/m2的经纬布。
在热压模具内将4层上述经纬布进行铺叠，在150℃的温度、20MPa的压力下层压5分钟，然后释放模具，将材料室温冷却得到热塑性板材。
实施例6
采用聚丙烯(来自中国石化股份有限公司的Z30S，其MFI为25g/10min)和乙烯共聚物(来自Dow公司的Versify 4000树脂)通过复合纺丝技术制备皮芯复合纤维，其中聚丙烯为芯层材料，乙烯共聚物为皮层材料。所用纺丝工艺如下：
芯层螺杆挤出温度：200-290℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
皮层螺杆挤出温度：180-250℃(从进料段到熔体泵段逐渐提高)；
喷丝板温度：260℃；
喷丝孔孔数：96，孔径：0.2mm；
螺杆L/D比：28；
拉伸速度：2000m/min；
泵供量：90g/min；
皮芯重量比：4/6；
骤冷空气温度：25℃；
所得复丝纤维的总纤度为400旦，拉伸强度为2.8g/dtex。
将所得皮芯纤维编织成克重为250g/m2的经纬布。在热压模具内，将3层皮芯纤维经纬布与2层克重为125g/m2的超高分子量聚乙烯纤维经纬布(采用总纤度为400旦、拉伸强度为30g/dtex的Honeywell Spectra编织的经纬布)进行多层铺叠，其中每1层超高分子量聚乙烯纤维经纬布被夹在相邻2层皮芯纤维经纬布中间，在120℃的温度、10MPa的压力下层压3分钟，然后模具通冷水冷却至室温得到热塑性板材。
实施例7
将实施例5所得的三层复合纤维编织成克重为250g/m2的经纬布。在热压模具内将3层复合纤维经纬布与2层克重为125g/m2的超高分子量聚乙烯纤维经纬布(采用总纤度为400旦、拉伸强度为30g/dtex的Honeywell Spectra编织的经纬布)进行多层铺叠，其中每1层超高分子量聚乙烯纤维经纬布被夹在相邻2层复合纤维经纬布中间，在120℃的温度、10MPa的压力下层压3分钟，然后模具通冷水冷却至室温得到热塑性板材。
实施例8(对比)
将实施例1得到的400旦皮芯纤维直接纺织成250g/m2的经纬布。将4层经纬布在平板硫化机上热压，在140℃的温度、10MPa的压力下层压3分钟，然后模具通冷水冷却至室温得到热塑性板材。
实施例9
测试实施例1-8中所制备的热塑性板材的力学性能，结果汇总于下表1中。
表1实施例1-8中所制备的热塑性板材的力学性能
<u>实施例</u> 弯曲模量(MPa) 拉伸强度(Mpa) 落锤冲击(J)
测试方法 ASTM D747 ASTM D638 GB/T 14153-1993
1 1691 124 210
2 2540 110 75
3 2915 130 71
4 950 88 117
5 1805 132 201
6 1140 101 151
7 1335 109 178
8 1510 78 94
从表1中的结果可以看出，采用碳纤维、玻璃纤维等无机高强度纤维制备的片材具有显著提高的弯曲模量；采用芳纶纤维制备的片材具有提高的冲击性能和拉伸强度。采用超高分子量聚乙烯纤维制备的片材具有显著提高冲击性能、拉伸强度和弯曲刚性。
虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到，可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (21)

1.一种复合片材，其特征在于，其为一层或更多层复合纱织物的热压件，所述复合纱包含多组分纤维和高强度纤维，其中所述多组分纤维选自聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物作为皮层的皮芯复合纤维和聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物作为中间层、聚乙烯作为皮层的三层复合纤维，所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。
2.根据权利要求1所述的复合片材，其特征在于，所述聚丙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-60g/10min，优选为20-40g/10min，在230℃下采用2.16Kg砝码测定。
3.根据权利要求1或2所述的复合片材，其特征在于，所述乙烯共聚物选自：
i)乙烯作为第一单体与选自丙烯、丁烯、己烯和辛烯的第二单体的共聚物，优选所述其中第二单体的含量为0.1％摩尔-40％摩尔；
ii)乙烯与丙烯的共聚物，其中乙烯的含量为0.1％摩尔-30％摩尔；
iii)包含20％摩尔-80％摩尔的乙烯嵌段和80％摩尔-20％摩尔的无规乙烯辛烯或无规乙烯丁烯嵌段的嵌段共聚物；和
iv)包含20％摩尔-80％摩尔的丙烯嵌段和80％摩尔-20％摩尔的无规乙烯丙烯或乙烯丁烯或乙烯辛烯嵌段的嵌段共聚物。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述聚乙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-20g/10min，优选为1-10g/min，更优选为1-6g/min，在190℃下采用2.16Kg砝码测定。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的复合片材，其特征在于，在所述皮芯复合纤维中，皮层和芯层的体积比在1∶1至1∶10之间，优选在1∶1至1∶2.5之间；在所述三层复合纤维中，芯层/中间层/皮层的体积比为80％-50％/10％-25％/10-25％。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述多组分纤维的总纤度为100-6000旦，优选200-3200旦，拉伸强度不低于1.5g/dtex，优选不低于2.5g/dtex；优选地，所述高强度纤维的总纤度为200-1600旦，拉伸强度不低于5g/dtex，优选不低于10g/dtex。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述复合纱中多组分纤维与高强度纤维的重量比在100∶1至100∶100范围内；优选地，所述复合纱织物的克重为100g/m2-500g/m2。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述复合片材中，所述织物的层数为1-10层。
9.制备根据权利要求1-8中任一项所述的复合片材的方法，其包括以下步骤：
i)提供包含所述多组分纤维和高强度纤维的复合纱；
ii)将上述复合纱制成织物；和
iii)对一层或更多层所述织物进行热压，然后冷却得到复合片材。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述热压在100-160℃范围内、优选110-150℃范围内的温度下，在0.1-100MPa范围内、优选在0.5-20MPa范围内的压力下进行20秒至0.5小时、优选1分钟至15分钟、更优选2分钟至6分钟。
11.一种复合片材，其特征在于，其为至少两层多组分纤维织物与至少一层高强度纤维织物的层合件，其中最底层与最顶层都为所述多组分纤维织物，所述多组分纤维选自聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为皮层的皮芯复合纤维和聚丙烯作为芯层、乙烯共聚物或丙烯共聚物作为中间层、聚乙烯作为皮层的三层复合纤维，所述高强度纤维选自超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维。
12.根据权利要求11所述的复合片材，其特征在于，所述聚丙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-60g/10min，更优选为20-40g/10min，在230℃下采用2.16Kg砝码测定。
13.根据权利要求11或12所述的复合片材，其特征在于，所述乙烯共聚物选自：
i)乙烯作为第一单体与选自丙烯、丁烯、己烯和辛烯的第二单体的共聚物，优选所述其中第二单体的含量为0.1％摩尔-40％摩尔；
ii)乙烯与丙烯的共聚物，其中乙烯的含量为0.1％摩尔-30％摩尔；
iii)包含20％摩尔-80％摩尔的乙烯嵌段和80％-20％摩尔的无规乙烯辛烯或无规乙烯丁烯嵌段的嵌段共聚物；和
iv)包含20％摩尔-80％摩尔的丙烯嵌段和80％摩尔-20％摩尔的无规乙烯丙烯或乙烯丁烯或乙烯辛烯嵌段的嵌段共聚物。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述聚乙烯的熔体流动指数(MFI)为0.2-20g/10min，优选为1-10g/10min，更优选为1-6g/min，在190℃下采用2.16Kg砝码测定。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的复合片材，其特征在于，在所述皮芯复合纤维中，皮层和芯层的体积比在1∶1至1∶10之间，优选在1∶1至1∶2.5之间；在所述三层复合纤维中，芯层/中间层/皮层的体积比为80％-50％/10％-25％/10-25％。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述多组分纤维的总纤度为100-6000旦，优选200-3200旦，拉伸强度不低于1.5g/dtex，优选不低于2.5g/dtex；优选所述高强度纤维的总纤度为200-1600旦，拉伸强度不低于5g/dtex，更优选不低于10g/dtex。
17.根据权利要求11-16中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述多组分纤维织物的克重为100-500g/m2，优选150-300g/m2；优选地，所述高强度纤维织物的克重为100-200g/m2；优选地，多组分纤维织物与高强度纤维织物的重量比在100∶1至100∶100范围内。
18.根据权利要求11-17中任一项所述的复合片材，其特征在于，所述多组分纤维织物的层数为2-10；优选地，所述高强度纤维织物的层数为1-5。
19.制备根据权利要求11-18中任一项所述的复合片材的方法，其包括：
i)提供所述多组分纤维织物和所述高强度纤维织物；
ii)将至少两层多组分纤维织物与至少一层高强度纤维织物进行铺叠，其中最底层与最顶层都为所述多组分纤维织物；和
iii)对步骤ii)所得物进行热压，然后冷却得到复合片材。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述热压在100-160℃范围内、优选110-150℃范围内的温度下，在0.1-100MPa范围内、优选在0.5-20MPa范围内的压力下进行20秒至0.5小时、优选1分钟至15分钟、更优选2分钟至6分钟。
21.采用根据权利要求1-8和11-18中任一项所述的复合片材制备的制品。
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