一种天然植物纤维混杂复合材料及制备方法
阅读说明：本技术 一种天然植物纤维混杂复合材料及制备方法 (Natural plant fiber hybrid composite material and preparation method thereof ) 是由 王明辉 李志刚 管志平 马品奎 宋家旺 高丹 管晓芳 徐进 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种天然植物纤维混杂复合材料及制备方法,属于轻量化复合材料技术领域。该复合材料包括混杂纤维铺层：是由经纱和纬纱纺织而成的织物,由内到外包括：内芯高强纤维层、中间天然植物纤维层、外层树脂纤维层,外层树脂纤维层采用包芯纺纱工艺实现树脂纤维与天然植物纤维的混纺,中间天然植物纤维层采用包缠纺纱工艺实现天然植物纤维与内芯高强纤维的混纺。制备过程：将树脂薄膜铺层与混杂纤维铺层依次交替层叠,然后将其放入平板硫化机平板模中进行热压成形。本发明具有能耗低、可循环利用、环境友好、价格低、可设计性更加灵活等优势,与传统制备方法相比,具有力学性能更优异、流程更简便,能实现轻量化复合材料大规模产业化应用。(The invention relates to a natural plant fiber hybrid composite material and a preparation method thereof, belonging to the technical field of lightweight composite materials. The composite material comprises a hybrid fiber lay-up: is a fabric woven by warp yarns and weft yarns, and comprises the following components from inside to outside: the fiber comprises an inner core high-strength fiber layer, an intermediate natural plant fiber layer and an outer resin fiber layer, wherein the outer resin fiber layer is blended by resin fibers and natural plant fibers through a core-spun spinning process, and the intermediate natural plant fiber layer is blended by the natural plant fibers and the inner core high-strength fibers through a wrap-spun spinning process. The preparation process comprises the following steps: and (3) alternately laminating the resin film layers and the hybrid fiber layers in sequence, and then putting the resin film layers and the hybrid fiber layers into a flat plate mold of a flat vulcanizing machine for hot press forming. The preparation method has the advantages of low energy consumption, cyclic utilization, environmental friendliness, low price, more flexible designability and the like, has more excellent mechanical properties and simpler and more convenient flow compared with the traditional preparation method, and can realize large-scale industrial application of the lightweight composite material.)
技术领域
本发明涉及一种天然植物纤维混杂复合材料及制备方法，属于轻量化复合材料技术领域。
背景技术
纤维增强复合材料是支持轻量化环保型材料发展的关键基础性材料，汽车、高铁、航空、船舶、建材等行业对轻的同质高强、循环再生及环境友好的复合材料的需求日益迫切，传统的合成纤维增强复合材料由于能源消耗大、环境不友好等问题，已无法满足社会发展的需要，因此，天然植物纤维增加复合材料的发展越来越受到重视，其具有轻质环保、吸音隔热、耐冲击、低成本等特点，但天然植物纤维增强复合材料主要应用在非承载结构件上，其受到力学性能的限制而无法在次承载结构甚至承载结构上使用。
为了提高天然植物纤维增强复合材料的力学性能，相继涌现了各种天然植物纤维混杂复合材料制备方法，天然植物纤维混杂复合材料中，由于加入了高强度的第二相，其力学性能得到改善，目前天然植物纤维混杂复合材料的制备主要还是采用传统的纤维增强复合材料制备方法，但其力学性能改善程度受混杂制备方法的影响较大，改善非常有限，已无法满足大规模生产的需要，急需开发出一种天然植物纤维混杂复合材料制备方法，能够实现次承载结构件甚至承载结构件的大规模批量生产。
包芯纱一般以合成纤维长丝为内芯，外包短纤维，加捻形成包芯纱，芯丝分布在纱线内部，短纤维分布包覆在芯丝的外层，可实现不同纤维的混纺，包缠纺纱是由赛络纺发展而来，与包芯纱的区别是长丝与短纤维呈股线结构，短纤未完全包覆长丝，包缠纺纱与包芯纱均可实现不同纤维的混纺，充分发挥两纤维的特长，互为补强。
发明内容
本发明的目的是提供一种天然植物纤维混杂复合材料及制备方法，解决增强天然植物纤维与树脂基体界面之间浸润性差、成形件力学性能较差的问题，使成形件具有优异的力学性能，以满足低成本大规模生产次承载甚至承载结构件的需要。
本发明所述的天然植物纤维混杂复合材料，包括混杂纤维铺层和树脂薄膜铺层，所述混杂纤维铺层是由经纱和纬纱纺织而成的织物，所述的经纱或纬纱由外到内包括：内芯高强纤维层、中间天然植物纤维层、外层树脂纤维层；所述外层树脂纤维层设置在中间天然纤维层的表面；所述的内芯高强纤维层以高强度纤维为主体纤维；在复合材料制备过程中，首先，将两层树脂薄膜铺层分别覆盖在混杂纤维铺层上下面，依次交替层叠制成铺层层叠物，然后将铺层层叠物放入平板硫化机平板模中进行热压成形，制备出复合材料板。
进一步地，所述复合材料中天然植物纤维选自以下材料：汉麻、苎麻、黄麻、亚麻、洋麻、剑麻。
进一步地，所述复合材料中的树脂选自：聚丙烯、聚乳酸、PA6、PA66。
进一步地，所述复合材料中内芯高强纤维选自：碳纤维、芳纶纤维、玄武岩。
进一步地，所述的内芯高强纤维进行表面处理。
进一步地，所述的中间天然植物纤维采用碱溶液进行改性处理。
进一步地，所述外层树脂纤维层采用包芯纺纱工艺实现树脂纤维与天然植物纤维的混纺。
进一步地，所述中间天然植物纤维层采用包缠纺纱工艺实现天然植物纤维与内芯高强纤维的混纺。
进一步地，所述经纱(纬纱)中，内芯高强纤维质量分数为10-25％，中间天然植物纤维质量分数为30-75％。
进一步地，所述复合材料中天然植物纤维体积分数为35％-60％，高强纤维体积分数为5％-15％，所述的体积分数及混杂比可根据要求在纺纱结构及铺层结构中设置，所述的复合材料板厚度可根据铺层层数设置。
进一步地，所述混杂纤维铺层采用平纹(斜纹)纺织。
进一步地，所述平板模表面附着有聚四氟乙烯膜。
进一步地，所述的热压成形温度为170-185℃，热压压强为2-6MPa。
本发明所采用的制备方法具体步骤如下：
1)天然植物纤维在5％-15％的NaOH水溶液中浸泡10h-24h，在60-80℃温度下干燥8-12h，备用；
2)高强纤维进行表面处理，干燥备用；
3)在纺纱机上以步骤2)所得的高强纤维长丝为内芯，外包步骤1)所得的天然植物纤维及树脂短纤维，加捻形成包芯纱经纱(纬纱)，然后采用平纹(斜纹)编织混杂纤维织物，备用；
4)树脂母粒经清洗干燥后，在平板硫化机上热压成0.2-0.5mm厚的树脂薄膜铺层，备用；
5)将两层步骤4)所得的树脂薄膜铺层分别覆盖在步骤3)所得织物上下面，依次交替层叠制成铺层层叠物；
6)在平板硫化机平板模上附着聚四氟乙烯膜，将步骤5)所得的铺层层叠物置入平板硫化机平板模内，在压强2-6MPa、温度170-185℃下模压成形，保压时间为1-3分钟，成形过程结束后，卸压冷却到至室温，将复合材料板从模腔中取出。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
本发明的天然植物纤维混杂复合材料制备方法具有生产能耗低、可循环利用、环境友好、价格低、可设计性更加灵活等优势，能够满足绿色、节能、环保、低成本批量化生产等要求，与传统天然植物纤维增强复合材料制备方法相比，采用本发明方法制备天然植物混杂复合材料力学性能更加优异、流程更加简便，能实现轻量化绿色复合材料次承载件甚至承载件的批量生产。
附图说明
图1为天然植物纤维混杂复合材料制备示意图。
图中：1.平板模，2.聚四氟乙烯膜，3.树脂薄膜铺层，4.纬纱，5.经纱，6.外层树脂纤维层，7.中间天然植物纤维层，8.内芯高强纤维层，9.混杂纤维铺层，10.铺层层叠物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步解释与说明：
参阅图1，在复合材料制备过程中，首先将两层树脂薄膜铺层3分别覆盖在混杂纤维铺层9上下面，依次交替层叠制成铺层层叠物10，然后将铺层层叠物10放入附着有聚四氟乙烯膜2的平板硫化机平板模1中进行热压成形，制备出复合材料板；混杂纤维铺层9是由经纱5和纬纱4纺织而成的织物，所述的经纱5(纬纱4)由外到内包括：内芯高强纤维层8、中间天然植物纤维层7、外层树脂纤维层6。
应用本发明天然植物纤维混杂复合材料制备方法实验或生产实例：
传统天然植物纤维增强复合材料制备方法主要应用在非承载结构件上，其受到力学性能的限制而无法在次承载结构甚至承载结构上使用，采用本发明方法能解决增强天然植物纤维与树脂基体界面之间浸润性差、成形件力学性能较差的问题，制备的天然植物混杂复合材料力学性能更加优异、流程更加简便，能实现轻量化绿色复合材料次承载件甚至承载件的批量生产，下面说明在本发明的天然植物纤维混杂复合材料制备方法的实施例。
实施例1：将线密度为187Tex的汉麻纤维在8％的NaOH水溶液中浸泡12h，在80℃温度下干燥10h，备用；将T300碳纤维置于60wt％的硝酸溶液中，浸泡1h，用去离子水冲洗至中性，干燥备用；在环锭细纱机上以备用的碳纤维长丝为内芯，外包备用的汉麻纤维及聚乳酸短纤维，加捻形成包芯纱经纱(纬纱)，然后采用平纹编织碳纤维、汉麻及聚乳酸混杂纤维织物，备用；将聚乳酸母粒经酒精清洗，85℃干燥后，在平板硫化机上热压成0.2mm厚的聚乳酸薄膜；将两层所得的聚乳酸薄膜分别覆盖在备用的混杂纤维织物上下面，所得到的铺层层叠物中汉麻纤维体积分数为40％，碳纤维体积分数为10％；最后，在平板硫化机平板模上附着聚四氟乙烯膜，将所得的铺层层叠物置入平板硫化机模具型腔内，将模具温度为170℃，然后施加2MPa压强，保压1分钟后，0.5mm复合材料板便模压成形，成形过程结束后，卸压冷却到至室温，将固化后复合材料板从模腔中取出。
实施例2：将线密度为158Tex的苎麻纤维在5％的NaOH水溶液中浸泡10h，在80℃温度下干燥10h，备用；将玄武岩纤维置于丙酮溶液中，浸泡1h，用去离子水冲洗至中性，干燥备用；在环锭细纱机上以备用的玄武岩纤维长丝为内芯，外包备用的苎麻纤维及聚丙烯短纤维，加捻形成包芯纱经纱(纬纱)，然后采用平纹编织玄武岩纤维、苎麻及聚丙烯混杂纤维织物，备用；将聚丙烯母粒经丙酮浸泡、清洗及干燥后，在平板硫化机上热压成0.2mm厚的聚丙烯薄膜；使用9层所得到的混杂纤维织物和10层聚丙烯薄膜交替叠加制作铺层层叠物，所得到的铺层层叠物中苎麻纤维体积分数为45％，玄武岩纤维体积分数为15％；最后，在平板硫化机平板模上附着聚四氟乙烯膜，将所得的铺层层叠物置入平板硫化机模具型腔内，将模具温度为185℃，然后施加6MPa压强，保压3分钟后，3mm复合材料板便模压成形，成形过程结束后，卸压冷却到至室温，将固化后复合材料板从模腔中取出。
实施例3：将线密度为187Tex的汉麻纤维在10％的NaOH水溶液中浸泡12h，在80℃温度下干燥10h，备用；将线密度为158Tex芳纶纤维置于聚乙烯醇溶液中，浸泡1h，用去离子水冲洗至中性，干燥备用；在环锭细纱机上以备用的芳纶纤维长丝为内芯，外包备用的汉麻纤维及聚丙烯短纤维，加捻形成包芯纱经纱(纬纱)，然后采用斜纹编织芳纶纤维、汉麻及聚丙烯混杂纤维织物，备用；将聚丙烯母粒经丙酮浸泡、清洗及干燥后，在平板硫化机上热压成0.2mm厚的聚丙烯薄膜；使用5层所得到的混杂纤维织物和6层聚丙烯薄膜交替叠加制作铺层层叠物，所得到的铺层层叠物中汉麻纤维体积分数为40％，玄武岩纤维体积分数为10％；最后，在平板硫化机平板模上附着聚四氟乙烯膜，将所得的铺层层叠物置入平板硫化机模具型腔内，将模具温度为185℃，然后施加6MPa压强，保压2分钟后，1mm复合材料板便模压成形，成形过程结束后，卸压冷却到至室温，将固化后复合材料板从模腔中取出。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。