天然纖維增強的復合板及方法

天然纖維增強的復合板及方法
【專利摘要】增強的復合板及制備所述復合板的方法，該復合板使用經加工的諸如竹材的天然纖維以及聚合物材料。所述方法包括以下步驟：用溶劑處理包含天然纖維的植物源，并且加工經處理的所述植物源。所述加工步驟可以包括以各種方式將所述天然纖維排布成片狀取向。然后將聚合物材料應用于所述天然纖維以形成復合片材，并且所述復合板可以由一個或多個復合片材形成。
【專利說明】
天然纖維増強的復合板及方法
技術領域
[0001]本公開內容通常涉及增強的復合片材材料，并且更具體地涉及天然纖維增強的復合片材材料。【背景技術】
[0002]雖然用于聚合物材料中的天然纖維填料作為更多傳統增強材料(例如玻璃纖維) 的潛在替代物已經吸引了一些興趣，但是此類產品的商業化受到限制。盡管已經確定天然纖維具有與人造增強材料相當的機械性能，但是以足夠純化的形式從可再生植物源中提取天然纖維是一個挑戰。由聚合物材料形成的已知片材通常涉及將諸如木材的短切天然纖維與聚合物材料混合，將兩種成分模制成中間體或最終產品。
【發明內容】

[0003]本文所述的增強的復合板及其制備方法，用天然纖維復合物以對有成本效益的商業化成規模的方式解決了上述問題及其它問題。
[0004]根據本發明的實施方案，提供了制備天然纖維復合板的方法，其包括:(a)用溶劑處理包含天然纖維的植物源，(b)加工經處理的所述植物源，包括將所述天然纖維排布成片狀取向，以及(c)通過將聚合物材料應用于經排布的所述天然纖維形成完整的復合片材。
[0005]以下額外的特征和步驟可以獨立地或以任何技術上可行的組合與該方法結合使用:
[0006]步驟(a)可以包括將植物源浸泡于包含溶劑的液體中、將經浸泡的所述植物源暴露于蒸汽形式的溶劑、或兩者皆有。
[0007]步驟(a)可以包括將竹材浸泡于酸性溶液中、堿性溶液中、或酸性溶液和堿性溶液中。
[0008]所述植物源可以是竹材，并且所述溶劑可以是水，步驟(b)還包括在步驟(a)后的經處理的所述竹材中去除至少一些木質素以形成經加工的竹材的步驟。此外，步驟(c)可以包括將所述經加工的竹材與可流動的熱塑性材料一起置于模具中，并且通過將所述可流動的熱塑性材料與經加工的竹材在模具中一起加熱和壓縮而形成所述復合板。當將熱塑性材料置于模具中時，所述熱塑性材料可以為顆粒形式，而所述纖維的平均長度可以比所述顆粒的長度大至少一個數量級。
[0009]所述完整的復合片材可以是第一復合片材，并且其中所述方法還可以包括使用步驟(a)至步驟(c)形成第二復合片材，然后通過將基本上無天然纖維的聚合物材料片材置于所述第一復合片材和所述第二復合片材之間而形成所述天然纖維復合板。所述第一復合片材的天然纖維可以在與所述第二復合片材的天然纖維不同的方向上進行取向。
[0010]所述聚合物材料可以是聚醚醚酮(PEEK)或低密度聚乙烯(LDPE)。
[0011]步驟(b)可以包括將所述天然纖維排布于網格上，干燥所述纖維，并且從所述網格移除經排布的所述纖維，以及步驟(C)可以包括將所述聚合物材料噴涂于經排布的所述纖維上。
[0012]所述復合板可以使用成型工具進行成形，其可以通過熱成型或其它方式來完成。此外，所述復合板可以與一個或多個額外的復合板進行層疊以用于成形步驟。
[0013]根據本發明的另一實施方案，提供了制備天然纖維復合板的方法，包括:(a)通過將竹材浸泡于水性溶劑中、用水性溶劑對竹材進行汽蒸、或兩者皆有，從而用所述溶劑處理所述竹材；(b)通過從經處理的所述竹材中去除木質素形成經加工的竹材；(C)將所述經加工的竹材與熱塑性材料一起置于模具中；以及(d)通過將所述經加工的竹材與熱塑性材料在模具中一起加熱和壓縮，以使所述經加工的竹材與所述熱塑性材料結合，從而形成完整的復合片材。
[0014]以下額外的特征和步驟可以獨立地或以任何技術上可行的組合與其它方法結合使用:
[0015]所述方法還可以包括以下步驟:將所述完整的復合片材與包含所述熱塑性材料的一個或多個額外的片材層疊在一起；以及將所述經層疊的片材一起加熱和壓縮以形成所述復合板。
[0016]所述方法還可以使用包含竹材的第一額外的片材和基本上無竹材的第二額外的片材，并且在層疊步驟中可以將第二片材置于所述第一額外的片材與所述完整的復合片材之間。
[0017]此外，所述方法還可以使用至少一個包含竹材的額外的片材，所述額外的片材與所述完整的復合片材層疊在一起，以使得各個片材中的所述竹材以不同方向進行取向。
[0018]根據本發明的另一實施方案，提供了包含多個層的天然纖維復合板，所述多個層中的至少一些層包含通過聚合物材料粘附在一起形成片狀形式的取向竹纖維，其中所述層中的至少一層的所述竹纖維以與所述層中的另一層的所述竹纖維不同的方向進行取向。
[0019]所述纖維的平均長度可以是所述板的厚度的至少50倍。所述板可以是汽車面板、除汽車面板之外的交通工具面板、家具面板、器具面板、建筑構造板、運動器材面板或渦輪機面板。
【附圖說明】
[0020]以下將結合附圖描述示例性實施方案，其中:
[0021 ]圖1為制備增強復合板的方法的示例性步驟的示意圖；
[0022]圖2為制備復合板的另一方法的步驟的示意圖；
[0023]圖3為使用成形工具對增強復合板進一步成型的示例性步驟的示意圖；
[0024]圖4為取自圖3的放大圖；以及
[0025]圖5為圖4的放大圖，顯示了通過成形工具成型的復合板。
【具體實施方式】
[0026]制備增強的復合板的示例性方法可以包括以下步驟:用溶劑處理包含天然纖維的植物源，并且加工該經處理的植物源。加工步驟可以包括以各種方式將該天然纖維排布成片狀取向。然后將聚合物材料應用于該天然纖維以形成復合片材，并且可以由一個或多個復合片材形成復合板。參照圖1和圖2描述了這種方法的一些實例。
[0027]在圖1的實例中，植物源10為竹鞘，且溶劑為水。該處理包括將竹鞘暴露于以蒸汽形式(即，蒸氣)的水和以液體形式的水。在這種實例中，首先將竹材浸泡于浸泡罐20中的溶劑中，以形成包含溶劑和植物源的纖維的漿料30。浸泡過程其本身可以包括將植物源浸泡于包含溶劑的一種以上的溶液中。在一個實施方案中，浸泡過程包括將植物源浸泡于堿性水溶液中，例如氫氧化鈉溶液，以及將植物源浸泡于酸性溶液中，例如鹽酸。在浸泡步驟之間可以包括沖洗步驟。在一個具體實例中，首先將竹鞘浸泡于NaOH溶液中，用水沖洗，然后浸泡于HC1溶液中以形成漿料。在示例性實例中，將漿料30置于蒸機35中，并且在高溫和高壓下進行汽蒸。在一些實施方案中，蒸機35中的壓力為約30psi，蒸機中的溫度為約180°C， 且暴露時間為約1小時。這些參數可以根據例如植物源和天然纖維的類型而改變。
[0028]在暴露于液體形式和蒸汽形式的溶劑之后，通過干燥將纖維加工成片狀形式。在示例性實例中，在進行蒸汽處理之前，使用絲網40收集一些漿料30。在纖維仍然濕的時候， 漿料形式的纖維以相對均勻的層粘附于網40上，并由此在網格上具有片狀取向。例如，可以將網40浸入漿料中以收集固體纖維材料，同時使多余的水流出。可選地，例如通過使用鋪展工具，可以將漿料傾倒在或其它方式鋪展在網格上或一些其它表面以用于汽蒸和/或干燥。 使漿料覆蓋的網50經受干燥條件，以使得水或其它溶劑可以蒸發。干燥過程可以包括每次將漿料覆蓋的網50置于爐子或高壓釜中，并且溫度足以從漿料中去除任何其余的溶劑，留下所需的天然纖維。一旦液體已經被去除，就可以從網格中剝離或其它方式分離經加工的天然纖維的薄片或氈60。可選地，當纖維60的片從網格移除用于進一步干燥時，漿料的液體可以僅被部分去除。[〇〇29]然后可以將天然纖維60的片嵌入聚合物材料70中或以其它方式使用聚合物材料 70與其結合在一起，該聚合物材料70例如為液體樹脂，由此形成完整的復合片材90。在示例性實例中，噴霧器80用聚合物樹脂70涂覆纖維60的片。聚合物樹脂70在涂覆過程中可以為液體形式，例如溶劑型樹脂(例如，環氧樹脂)，或為粉末形式。在一個實施方案中，聚合物樹脂是熱塑性的，并且作為熱塑性基質材料以液體形式進行噴涂，以滲透和浸漬經加工的天然纖維60的氈。適當的熱塑性基質材料的實例包括低密度聚乙烯或聚芳醚酮或聚酮，例如聚醚醚酮(PEEK)。使聚合物樹脂70硬化以得到復合片材90。
[0030]在一個實施方案中，將PEEK在約為聚合物的熔融溫度下應用于經干燥的或其它方式加工的纖維60的片上，并且使其在室溫下硬化幾分鐘。可以將硬化過程稱為固化過程，而天然纖維的完整的片90可以稱為半固化片。根據后續過程的性質，還可以將纖維氈60結合至和/或嵌入可固化的或不飽和的熱固性樹脂，并在移至額外的片形成過程之前使其僅部分固化。在圖1中顯示了多個備用于進一步加工或使用的復合片材90。天然纖維復合板95可以是單獨的復合片材之一，或其可以包括以熱壓或其它方式固定在一起的多個復合片材。 [〇〇31]圖2例示了該方法的另一實例，包括加工天然纖維，并將聚合物材料70應用于經加工的纖維以形成復合片材90和復合板95。與在圖1的實例中一樣，用包含溶劑(例如在浸泡罐20中的水和在蒸機35中的水蒸氣)的液體和/或蒸汽來處理植物源10。當浸泡于溶劑中和將其暴露于蒸汽兩者都采用時，可以將它們按任一順序進行，并且液體和/或蒸汽可以包括其它成分，例如結合圖1所述的那些成分。在這種情況下，在植物源10為竹材時，經處理的植物源15包括竹纖維條。[〇〇32]在該實例中，對經處理的植物源15進行加工包括機械加工45，例如刮削。對于竹材，經處理的材料的這種機械加工可以用于去除經處理的竹材的任何外部鞘、以及至少一些木質素和/或非纖維性纖維素部分。暴露所需的天然纖維，然后可以將其干燥用于隨后排布成片狀取向，以用于聚合物應用。對于竹材，以及某些其它所需的纖維源，纖維具有微米級的直徑，例如為75微米至10微米。
[0033]在該實例中，然后形成完整的復合片材90包括將經加工的纖維或纖維團調整成片狀取向，然后在平面模具中或壓力下將纖維的片與可流動的聚合物材料70組合。可以將纖維或纖維團排布為一個或多個層60，并且這可以使用纖維或纖維團的單取向(方向)來進行，或使用纖維或纖維團的不同取向來進行。可流動的聚合物材料70可以為如第一實例中的液體形式，或如圖2中所示，可以為可與纖維一起傾倒、傾卸、鋪展或其它方式置于模具中的顆粒形式。在模制操作過程中采用熱和壓力以熔化顆粒70并獲得所需的厚度，并且將組合的材料冷卻以形成完整的復合片材或半固化片90。在一個實施方案中，一個半固化片的最小厚度為約1mm。在一些實施方案中，聚合物材料為LDPE，其熔融溫度為約250 V。同樣地，可以使用相同的模具制備不包含天然纖維或至少基本上無天然纖維的未增強的聚合物片材85。在其它實例中，可以形成各個包括單向性的纖維60的復合片材90，其隨后可以與或可以不與具有以其它方向取向的纖維的其它復合片材層疊以形成完整的板95。
[0034]然后可以將一個或多個復合片材90層疊在一起，并且熱壓以形成天然纖維復合板95，在一些情況下使用與用于形成單個的片材90相同的模具。在該步驟中，各個單個的片材90可以已經包括以多個方向取向的纖維，或可以將單向的纖維片排布成具有不同方向的纖維。在示例性實例中，額外的未增強的聚合物片材85，其可以包括與用于形成片90相同的熱塑性材料或聚合物材料，可以插入待加熱和加壓的復合片材90之間。未增強的片材85可以以交替的方式與復合片材90層疊，或未增強的片材可以與復合片材以任何其它層疊的組合排布。已證明與用于形成復合片材90相同的聚合物的未增強的片材在層疊復合片材之間具有優良的內層附著力，有助于防止在隨后的成型或成形過程中以及在最終預期應用中發生分層。
[0035]圖3例示了進一步使復合板95成型或成形的示例性過程。可以用沿著板層的相反側面布置的加熱器100支撐一個或多個復合板95。可以使用層的數目來限定將要成形的板的厚度。加熱器100可以是紅外加熱器或任何其它適當的加熱器。加熱器100使復合板的聚合物樹脂軟化，用于為成形過程做準備。在一個實例中，聚合物樹脂為PEEK，且復合板在50°(:下加熱約2分鐘。當然，加熱溫度和加熱時間可以至少基于包含在復合板中的樹脂類型而變化。
[0036]然后將經加熱的板95置于板成型工具110中以便成形。示例的成型工具110包括第一半部分或上半部分120和第二半部分或下半部分130。在該實例中，上半部分120是可移動的半部分，并且包括沖壓機140和坯料夾持器(blank holder) 150。下半部分130是固定的半部分或模具半部分。將復合板95置于成型模130之上，成型模130在如圖所示的開口位置處具有成型工具。該工具的上半部分120朝模具半部分130移動，而板95在該板的周邊處被加緊于坯料夾持器150與模具半部分130之間。沖壓機140繼續朝模具130移動，并將經加熱的板95塑形為與其所接觸的工具表面一致。為了維持經加熱的板95的高溫，還可以加熱模具半部分120、130中之一或兩者。在聚合物樹脂為于約50 °C下預加熱過的PEEK的情況下，如在上述實例中，還可以加熱工具半部分120、130，以便至少成形表面為約50°C。板95和工具表面的高溫促進所述板的聚合物基質形變，并且使得天然纖維流動且相對于基質重新取向。 在一些情況下，例如通常用無規取向的纖維形成的板，由于通過成形過程纖維重新取向并且彼此更加一致，因此成形的板95’的強度相對于最初置于工具110時的板可以增加。
[0037]在成型過程中可以使用坯料夾持器150幫助控制復合板95的流動，以防止在所述過程中形成皺褶或裂紋。緊緊地夾持，可主要拉伸板95，而不會有來自板的材料從夾持部分流向板的成形部分。在一些情況下可以降低夾持力，以使得來自坯料夾持器150和模具半部分130之間的材料以可控方式流向板的成形部分。在圖3和圖4的放大圖中顯示了坯料夾持器150在成型工具中夾持復合板95、95’。圖3顯示了成形之前的板95,而圖4顯示了沖壓機 140與成形的板95’接觸。
[0038]所示例的過程與常規的金屬成型過程一致，得到適用于許多應用的天然纖維增強的復合板，所述許多應用包括內部汽車板和外部汽車板。增強的復合板還可以在輕量級交通工具應用(例如，飛機或船只)中用作交通工具面板。因此本文所述的復合板具有金屬板和塑料板兩者的許多優勢，結合了與常規注塑塑料相關的重量減輕、設計自由和低加工成本，和常規片狀金屬板的高產率。其它可能的應用包括辦公家具或家用家具、建筑材料(例如，屋頂地板、圍墻、欄桿、護墻板、隔音板等)、家用器具、運動器材和風力渦輪機。可以在遠低于注塑所需的溫度下、并且用比金屬成形所需的更小噸位的成形壓力進行本過程。[〇〇39]此外，當纖維通常用于增強的塑料材料時，在復合板中的纖維可以維持在將其引入前述的纖維提取過程中時的原始長度，而不是被切成較短的和可能不太有效的纖維。因此以上所述的纖維加工和浸漬過程是相對溫和的過程，在很大程度上維持了天然纖維的原始完整性。例如，當天然纖維成為成型復合板和再成形復合板的一部分時，該天然纖維的熱歷史相對于纖維在注塑過程中所經歷的熱歷史是溫和的，在所述注塑過程中，纖維長時間經受熔融的塑料樹脂一首先在混合過程中，并且再次在模塑過程中。復合板的特征在于相對于板厚的最小的纖維長度。在一個實例中，纖維長度與板厚的比值為約50至100,或將近兩個數量級。例如，3mm厚的板可以包括約200mm長度的天然纖維。基于最大顆粒尺寸，用于使纖維與聚合物材料組合的常規混合過程和粒化過程將纖維長度限制為僅幾毫米，因此嚴重限制了由此類材料制備的任何成品或板中的纖維長度。在上述過程的實施方案中，例如在圖2中所例示的那樣，因此纖維長度的特征在于可以具有比顆粒長度大至少一個數量級的長度，其中聚合物材料以顆粒形式與纖維組合。
[0040]然而本文所提出的用竹材作為天然纖維的源，并用PEEK作為聚合物樹脂，這些都僅是示例性材料。可以使用其它天然纖維，例如大麻、亞麻或其它韌皮纖維。由于竹材相對于其它天然材料及與諸如碳纖維的人造纖維相比具有相對高的機械性能，因此其在本文中用作實例。例如，竹纖維在縱向方向具有約30GPa的彈性模量。多種聚合物材料同樣可以用作浸漬樹脂(例如，環氧樹脂)。其它的工藝變化包括在煮沸步驟過程中的非水性萃取溶劑、 非堿性溶液;使用非絲網收集精細的漿料用于干燥;不同于噴涂的聚合物浸漬過程(例如， 浸漬涂覆)；以及在高溫下的快速干燥和聚合物樹脂硬化步驟。可以在一些情況下省略或在其它情況下重復某些加工步驟，而且可以包括未在本文中描述的另外的加工步驟。例如在一些實施方案中，使用溶劑的處理步驟可以僅通過用溶劑浸泡或僅通過用溶劑汽蒸來進行，而不是通過兩者都進行。或者，例如，浸泡和汽蒸的順序可以與圖1中所示的相反。
[0041]應當理解的是，以上描述是本發明的一個或多個實施方案。本發明不限于本文所公開的具體實施方案，而僅通過以下權利要求進行限定。此外，以上描述中包含的說明涉及公開的實施方案，并且不應解釋為是對本發明的范圍、或對權利要求中使用的術語的定義的限制，除非上文對術語或短語進行了明確定義。各種其它實施方案和對所公開的實施方案的各種變化和修改對于本領域的技術人員而言將是顯而易見的。
[0042]如在本說明書和權利要求書中所使用，當術語“例如/諸如”(e.g.，、for example、 for instancensuch as和like)、以及動詞“包含/包括’’(comprising、having、including) 及其它動詞形式與一種或多種組分或其它項的列舉結合使用時，各自解釋為開放性的，意指該列舉不應認為是排除其它的、額外的組分或項。此外，術語“電連接”及其變化旨在涵蓋無線電連接和經由一個或多個線、電纜或導體進行的電連接(有線連接)兩者。其它術語應解釋為使用其最廣泛合理的含義，除非它們用在需要不同解釋的上下文中。
【主權項】
1.制備天然纖維復合板的方法，包括以下步驟:(a)用溶劑處理包含天然纖維的植物源；(b)加工經處理的所述植物源，所述加工包括將所述天然纖維排布成片狀取向；以及(c)通過將聚合物材料應用于經排布的所述天然纖維而形成完整的復合片材。2.如權利要求1所述的方法，其中步驟(a)包括將所述植物源浸泡于包含所述溶劑的液 體中、將經浸泡的所述植物源暴露于蒸汽形式的所述溶劑、或液體和蒸汽形式的所述溶劑。3.如權利要求1所述的方法，其中步驟(a)包括將竹材浸泡于酸性溶液中、于堿性溶液 中、或酸性溶液和堿性溶液中。4.如權利要求1所述的方法，其中所述植物源是竹材并且所述溶劑是水，以及其中步驟 (b)還包括從步驟(a)后的經處理的所述竹材中去除至少一些木質素以形成經加工的竹材 的步驟。5.如權利要求4所述的方法，其中步驟(c)還包括將所述經加工的竹材與可流動的熱塑 性材料置于模具中，并且通過將所述可流動的熱塑性材料與所述經加工的竹材在所述模具 中一起加熱和壓縮而形成所述復合板。6.如權利要求5所述的方法，其中當將所述熱塑性材料置于所述模具中時，所述熱塑性 材料為顆粒形式，并且所述纖維的平均長度比所述顆粒的長度大至少一個數量級。7.如權利要求1所述的方法，其中所述完整的復合片材是第一復合片材，并且其中所述 方法還包括使用步驟(a)至步驟(c)形成第二復合片材，然后通過將基本上無天然纖維的聚 合物材料的片材置于所述第一復合片材和所述第二復合片材之間，從而形成所述天然纖維 復合板。8.如權利要求7所述的方法，其中所述第一復合片材的所述天然纖維以與所述第二復 合片材的所述天然纖維不同的方向進行取向。9.如權利要求1所述的方法，其中所述聚合物材料為聚醚醚酮(PEEK)或低密度聚乙烯 (LDPE)〇10.如權利要求1所述的方法，其中步驟(b)包括將所述天然纖維排布于網格上、干燥所 述纖維、并且從所述網格移除經排布的所述纖維，以及其中步驟(c)包括將所述聚合物材料 噴涂于經排布的所述纖維上。11.如權利要求1所述的方法，還包括使用成型工具使所述復合板成形的步驟。12.如權利要求11所述的方法，其中所述成形步驟包括熱成型。13.如權利要求11所述的方法，還包括將所述復合板與一個或多個額外的復合板層疊 以用于所述成形步驟的步驟。14.制備天然纖維復合板的方法，包括以下步驟:(a)通過將竹材浸泡于水性溶劑中、用水性溶劑對竹材進行汽蒸、或兩者，從而用所述 水性溶劑處理所述竹材；(b)通過從經處理的所述竹材中去除木質素而形成經加工的竹材；(c)將所述經加工的竹材與熱塑性材料一起置于模具中；以及(d)通過將所述經加工的竹材與熱塑性材料在所述模具中一起加熱和壓縮，使所述經 加工的竹材與所述熱塑性材料結合，從而形成完整的復合片材。15.如權利要求14所述的方法，還包括以下步驟: 將所述完整的復合片材與包含所述熱塑性材料的一個或多個額外的片材層疊在一起；以及 將經層疊的所述片材一起加熱和壓縮以形成所述復合板。16.如權利要求15所述的方法，其中第一額外的片材包含竹材而第二額外的片材不包含竹材，并且在層疊步驟中將第二片材置于所述第一額外的片材與所述完整的復合片材之間。17.如權利要求15所述的方法，其中至少一個額外的片材包含竹材并且與所述完整的復合片材層疊在一起，以使得各個片材中的所述竹材以不同方向進行取向。18.包含多個層的天然纖維復合板，所述多個層中的至少一些層包含被聚合物材料粘附在一起形成片狀形式的取向竹纖維，其中所述層中的至少一層的竹纖維以與所述層中的另一層的竹纖維不同的方向進行取向。19.如權利要求18所述的天然纖維復合板，其中所述纖維的平均長度是所述板的厚度的至少50倍。20.如權利要求18所述的天然纖維復合板，其中所述板為汽車面板、除汽車面板之外的交通工具面板、家具面板、器械面板、建筑構造面板、運動器材面板或渦輪機面板。
【文檔編號】B27N3/04GK105992680SQ201480051476
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年8月9日
【發明人】米哈艾拉·巴努, 胡仕新, 金泰亨, 楊嵩林
【申請人】密歇根大學董事會, 奧博蒂莫公司