專利名稱：一種植物纖維預處理方法與高分子基復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及植物纖維預處理以及高分子基復合材料，特別是涉及一種植物纖維預 處理方法以及一種高分子基復合材料的制備方法，通過植物纖維預處理，改善植物纖維增 強高分子基復合材料綜合力學性能。
背景技術：
隨著人們環境意識的日益增強，以植物纖維代替合成纖維作為復合材料增強材料 的方法逐漸受到人們的關注。所謂植物纖維，一般是指來自于植物韌皮部的纖維，如來自亞 麻、大麻、黃麻、苧麻、洋麻和劍麻韌皮部的纖維。這類纖維大都具有相同的結構一束纖維 由30-40根被稱為原纖的初級纖維組成，其間留下的空隙為果膠、半纖維素和木質素等雜 質填充。植物纖維增強高分子基復合材料的綜合力學性能主要受到兩方面因素的影響一 是植物纖維與基體材料間界面結合力的強弱；二是作為增強材料的植物纖維自身力學性能 的高低。由于植物纖維與高分子基體材料結構性質差異很大，二者的界面結合力很弱，因此 在采用植物纖維增強高分子基復合材料之前必須對其進行預處理。然而，當前的各種植物 纖維預處理方法或多或少都會減弱纖維自身性能。簡言之，該方法是以犧牲植物纖維自身 力學性能為代價來提高復合材料界面性能，只有當其對復合材料界面性能的提高作用超過 對纖維自身性能的降低作用時，該方法才有意義。但由于植物纖維與基體材料的界面結合力弱，在采用植物纖維增強高分子基復合 材料之前必須對其進行預處理。預處理方法主要分為物理法與化學法兩大類，當前的物理 預處理方法主要以蒸汽爆破法為代表。該方法可以使植物纖維發生連續的原纖化，具有松 散結構，表面積增大，表面粗糙程度提高，有利于增加植物纖維與基體材料間的界面強度。 但該方法會使植物纖維過度細化，纖維直徑大大減小，導致植物纖維自身力學性能下降。簡 言之，該方法是以犧牲植物纖維自身力學性能為代價來提高復合材料界面性能，只有當其 對復合材料界面性能的提高作用超過對纖維自身性能的降低作用時，該方法才有意義。同 時過細的纖維，在加工時容易發生團聚現象而不利于其在高分子基體中均勻的分散，也會 影響纖維增強復合材料的綜合力學性能。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種既可增加植物纖維與基體材料間 的界面強度、又可增強復合材料綜合力學性能的，用于制備植物纖維增強高分子基復合材 料的新型植物纖維預處理方法。本發明另一目的在于提出應用上述經過預處理的植物纖維制備植物纖維增強高 分子基復合材料的方法。本發明通過開溝槽的輥輪對植物纖維進行不連續的碾壓處理，纖維經過輥輪未開 溝槽部位時被碾壓，導致該處植物纖維原纖之間相互分離，發生原纖化，形成松散結構，表面積增大，表面粗糙程度提高，有利于增加植物纖維與基體材料間的界面強度；經過開溝槽 部位時劍麻纖維不受力，保持原狀，未發生原纖化的劍麻纖維保持了該纖維原有良好的力 學性能。通過該方法處理，在一束纖維上形成了碾壓部分與未碾壓部分交替存在的形貌。采 用具備該形貌的植物纖維增強高分子基復合材料時，既會改善植物纖維與基體材料間的界 面性能，又不會破壞植物纖維原有力學性能，同時當復合材料受外力作用出現斷裂破壞時， 能量沿纖維的原纖化部分傳遞至纖維的未原纖化部分，在引起強度較高的未原纖化部分撕 裂時，能量被大量的吸收，因此會顯著增強復合材料的力學性能。本發明的第一目的通過如下技術方案實現一種植物纖維預處理方法，其特征在于將長度已裁剪至30-45cm的植物纖維連 續加入一對開溝槽的輥輪之間進行滾壓；兩輥輪轉速為15-25r/min ；所述開溝槽的輥輪齒 數為30-120，單個齒頂所對應圓心角α =1.5° -6°，單個齒槽所對圓心角β = α ；開溝 槽的輥輪外徑為12-25cm ；所述植物纖維為來自亞麻、大麻、黃麻、苧麻、洋麻或劍麻韌皮部 的纖維。所述植物纖維優選為劍麻纖維。植物纖維被滾壓前，先將植物纖維至于質量濃度為15-20%的NaOH水溶液中浸 泡，使纖維充分溶脹。本發明另一目的通過如下技術方案實現。一種植物纖維增強高分子基復合材料的制備方法，包括如下步驟(1)植物纖維預處理將長度已裁剪至30-45cm的劍麻纖維連續加入一對開溝槽 的輥輪之間進行滾壓；兩輥輪轉速為15-25r/min ；所述開溝槽的輥輪齒數為30-120，單個 齒頂所對應圓心角α = 1.5° -6°，單個齒槽所對圓心角β = α ；開溝槽的輥輪的外徑 為12-25cm ；所述植物纖維為來自亞麻、大麻、黃麻、苧麻、洋麻或劍麻韌皮部的纖維；(2)將經過不連續碾壓的植物纖維剪斷至長3-5cm，與干燥后聚乳酸或醋酸纖維 素等基體材料加入混煉設備中混煉，混煉溫度因基體材料不同而異聚乳酸混煉溫度為 190-210°C，醋酸纖維素混煉溫度為175-185 。聚乳酸或醋酸纖維素等基體材料與植物纖 維的重量比為10-2 1，混煉時間為5-lOmin ；(3)將混煉制得的復合材料加入模具中，在平板硫化機等熱壓設備上熱壓成型，取 出制品后去除毛刺，飛邊，制得復合材料制品。所述成型溫度優選為180-200°C，壓力優選10-12Mpa，模壓時間為15-18min ；熱壓 過程中放氣3-5次，每次放氣間隔時間為30-50s，使模具中氣體被充分排出。與現有的技術相比，本發明具有以下優點1.經過輥輪未開溝槽部位的植物纖維，受到碾壓力作用而發生原纖化表面積增 大，表面粗糙程度增加，增強了植物纖維與基體材料的界面強度。經過開溝槽部位時劍麻纖 維不受力，保持原有纖維的強度。2.通過本發明方法制備的復合材料受外力作用出現斷裂破壞時，能量沿纖維的細 化部分傳遞至纖維的未細化部分，在引起強度較高的未細化部分撕裂時，能量被大量的吸 收，因此會顯著增強復合材料的力學性能。3.完全原纖化的植物纖維易發生團聚，在混煉過程中難于均勻的分散于基體材料 中，同時團聚的植物纖維在混煉時易被剪斷，長度不易保持。本發明處理的植物纖維獨自成束，不發生團聚，混煉時分散效果較好，同時纖維長度得以保持。4.發生原纖化的植物纖維自身強度，模量下降，導致混煉后復合材料強度，模量偏 低。本發明采用不完全原纖化的方法，未發生原纖化的部分強度，模量不變，有助于復合材 料性能的恢復。
圖1是本發明開溝槽的的輥輪結構示意圖。圖2為應用圖1所示一對開溝槽的輥輪加工植物纖維的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖1所示，本發明開溝槽輥輪為一對齒形輥，齒形輥整體為圓柱形，表面上開 槽，形成齒形輥。齒形輥的齒數為30-120，單個齒頂所對應圓心角α =1.5° -6°，單個齒 槽所對圓心角β = α。齒形輥外徑為12-25cm。通過該齒形輥碾壓過的纖維原纖化部分 和未原纖化部分間距為0. 16cm-l. 3cm。齒形輥長度為45cm。實施例1一種應用本發明預處理方法，及采用預處理過的植物纖維制備植物纖維增強高分 子基復合材料的方法，包括如下步驟1.如圖2所示，首先將長度已裁剪至30-45cm的劍麻纖維連續加入一對開溝槽的 輥輪之間進行滾壓；兩滾輪轉速為15r/min。所用兩開溝槽的輥輪齒數ζ = 120，單個齒頂 所對應圓心角α =1.5°，齒形輥外徑為12cm。通過該齒形輥碾壓過的纖維原纖化部分和 未原纖化部分間距平均為0. 16cm。2.將經過不連續碾壓的植物纖維剪斷至長3cm，與干燥后的基體樹脂聚乳酸(本 實驗所用牌號3051D，美國Natural works公司生產，但不僅限于該種牌號聚乳酸)加入開 煉機中混煉，開煉溫度190°C。一次混煉時，加入聚乳酸50g，加入劍麻纖維10g，混煉時間為 5-6min。3.將混煉制得的劍麻纖維增強聚乳酸復合材料加入模具(為方便進行力學性能 測試，采用長方形板材模具，長、寬、厚分別為20cm，10cm，4mm)中，在平板硫化機上熱壓成 型。成型溫度為200°C，壓力lOMpa，模壓時間為15-18min。熱壓過程中放氣5次，每次放氣 間隔時間為30-50S，使模具中氣體被充分排出。4.取出制品后去除毛刺，飛邊，制得板狀復合材料。將復合材料制成待測試形狀后，進行性能測試。拉伸性能，彎曲性能，沖擊性能分 別按照 GB/T1040-2006，GB1449-2005 及 GB/T1843-2008 進行測試。實施例21.首先將劍麻纖維至于濃度為18%的NaOH水溶液中浸泡30min，使纖維充分溶 脹，易于碾壓后發生原纖化。2.將長度已裁剪至30-45cm的劍麻纖維連續加入如圖1所示的兩帶有開溝槽的輥 輪之間進行滾壓；兩輥輪轉速為25r/min。所用兩開溝槽的輥輪齒數ζ = 80，單個齒頂所對 應圓心角α =2.25°，齒形輥外徑為20cm。通過該齒形輥碾壓過的纖維原纖化部分和未原纖化部分間距平均為0. 4cm。3.將經過不連續碾壓的植物纖維剪斷至長5cm，與干燥后的基體樹脂聚乳酸加入 開煉機中混煉，開煉溫度210°C。一次混煉時，加入聚乳酸80g，加入劍麻纖維為40g，混煉時 間為 9-10min。4.將混煉制得的劍麻纖維增強聚乳酸復合材料加入適當模具(本實例為方便進 行力學性能測試，采用長方形板材模具，長寬厚分別為20cm，10cm，4mm)中，在平板硫化機 上熱壓成型。成型溫度為200°C，壓力12Mpa，模壓時間為20-22min。熱壓過程中放氣5次， 每次間隔時間為30-50s，使模具中氣體被充分排出。5.取出制品后去除毛刺，飛邊，制得板狀復合材料。將復合材料制成待測試形狀后，進行性能測試。拉伸性能，彎曲性能，沖擊性能分 別按照 GB/T1040-2006，GB1449-2005 及 GB/T1843-2008 進行測試。實施例3:1.首先將長度已裁剪至30-45cm的劍麻纖維連續加入如圖1所示的兩開溝槽的輥 輪之間進行滾壓；兩輥輪轉速為15r/min。所用兩開溝槽的輥輪齒數ζ = 120，單個齒頂所 對應圓心角α =1.5°，齒形輥外徑為12cm。通過該齒輪碾壓過的纖維原纖化部分和未原 纖化部分間距平均為0. 16cm。2.將經過不連續碾壓的植物纖維剪斷至長3cm，與干燥后的基體樹脂醋酸纖維素 (牌號CM15208，Rotuba公司出品，本發明不僅限于該牌號醋酸纖維素，其他牌號也可)加 入開煉機中混煉，開煉溫度175°C。一次混煉時，加入醋酸纖維素50g，加入劍麻纖維為5g， 混煉時間為5-6min。3.將混煉制得的劍麻纖維增強醋酸纖維素復合材料加入適當模具(本實例為方 便進行力學性能測試，采用長方形板材模具，長寬厚分別為20cm，10cm，4mm)中，在平板硫 化機上熱壓成型。成型溫度為180°C，壓力lOMpa，模壓時間為15-18min。熱壓過程中放氣 5次，每次間隔時間為30-50s，使模具中氣體被充分排出。4.取出制品后去除毛刺，飛邊，制得板狀復合材料。將復合材料制成待測試形狀后，進行性能測試。拉伸性能，彎曲性能，沖擊性能分 別按照 GB/T1040-2006，GB1449-2005 及 GB/T1843-2008 進行測試。實施例41.首先將劍麻纖維至于濃度為18%的NaOH水溶液中浸泡30min，使纖維充分溶 脹，易于碾壓后發生原纖化。2.將長度已裁剪至30-45cm的劍麻纖維連續加入如圖1所示的兩開溝槽的輥輪之 間進行滾壓；兩輥輪轉速為25r/min。所用兩開溝槽的輥輪齒數ζ = 30，單個齒頂所對應圓 心角α =6°，齒形輥外徑為25cm。通過該齒輪碾壓過的纖維原纖化部分和未原纖化部分 間距平均為1. 3cm。3.將經過不連續碾壓的植物纖維剪斷至長5cm，與干燥后的基體樹脂醋酸纖維素 加入開煉機中混煉，開煉溫度185°C。一次混煉時，加入醋酸纖維素50g，加入劍麻纖維為 10g，混煉時間為9-10min。4.將混煉制得的劍麻纖維增強醋酸纖維素復合材料加入適當模具(本實例為方 便進行力學性能測試，采用長方形板材模具，長寬厚分別為20cm，10cm，4mm)中，在平板硫化機上熱壓成型。成型溫度為185°C，壓力12Mpa，模壓時間為20-22min。熱壓過程中放氣 5次，每次間隔時間為30-50s，使模具中氣體被充分排出。5.取出制品后去除毛刺，飛邊，制得板狀復合材料。將復合材料制成待測試形狀后，進行性能測試。拉伸性能，彎曲性能，沖擊性能分 別按照 GB/T1040-2006，GB1449-2005 及 GB/T1843-2008 進行測試。表1為采用以上四個實施例制得復合材料力學性能的測試結果。其中，每組實施 例均有一組對照實驗用于對比采用本發明方法前后復合材料力學性能的變化。每個對照組 與相應的實施例除是否采用預處理工藝外，均完全相同。以實施例1的對照實驗為例，其制 備方法是實施例1中除第一步(不連續碾壓處理)外剩下的所有步驟(步驟2-4)。表1實施例1-4中制得復合材料力學性能情況表
組別是否進行不連續碾壓處理彎曲強度，MPa沖擊強度，YJIm2拉伸模量，MPa實施例1是19.243.833137.4否16.942.582724.1實施例2是28.884.393102.7否22.233.122296.1實施例3是73.24.241795.2否59.82.921357.4實施例4是83.53.151721.5否65.22.141238.5由表1可見，采用不連續碾壓法制備的劍麻纖維增強聚乳酸、醋酸纖維素復合材 料的各項力學性能普遍提高。以聚乳酸為基體材料的實施例1、2中，采用本發明預處理工 藝制得的復合材料彎曲強度相對于未處理的劍麻纖維增強聚乳酸材料分別提高了 33%， 29.9% ；沖擊強度提高了 48.4%，40. 7% ；拉伸模量提高了 15. 2%，35. 1%。以醋酸纖維素 為基體材料的實施例3、4中，采用本發明預處理工藝制得的復合材料彎曲強度相對于未采 用本發明預處理工藝的劍麻纖維增強醋酸纖維素材料分別提高了 22.4%，28. 1% ；沖擊強 度提高了 49. 2%，47. 2 ；拉伸模量提高了 32. 3%，38.9%。由于復合材料的綜合力學性能既與增強纖維、基體材料之間的界面結合性能有 關，又與增強纖維自身性能有關。由此可見，本發明通過不連續碾壓的方法，在增大植物纖 維與基體材料接觸的表面積、提高其表面粗糙度以增強二者間界面性能的同時，可以最大 限度的保留了原有纖維的力學性能，使復合材料的拉伸、彎曲、沖擊性能有較大幅度的提 高。同時由于復合材料在收到外力沖擊時，能量沿纖維的細化部分傳遞至纖維的未細化部 分，在引起強度較高的未細化部分撕裂時，能量被大量的吸收，因此沖擊強度提高幅度最為 顯者ο本發明對植物纖維的不連續碾壓可以作為一個單獨的步驟應用于現今各種植物
7纖維增強高分子基復合材料的制備過程中。經過本發明處理過的劍麻纖維可采用開煉，密 煉，擠出等各種現有混煉成型工藝制備復合材料，工藝路線簡單可行，從根本上解決了傳統 方法以犧牲纖維自身性能為代價提高復合材料界面性能的問題。同時本發明的植物纖維不 限于劍麻纖維，由于本發明的核心在于植物纖維預處理時，經過開溝槽部位時劍麻纖維不 受力，保持原狀，未發生原纖化的劍麻纖維保持了該纖維原有良好的力學性能。利用植物纖 維增強高分子基復合材料的各種植物纖維，如亞麻、大麻、黃麻、苧麻或洋麻韌皮部的纖維 與劍麻纖維性能接近，經過試驗都具有上述實施例1-4相似的改進。
以上僅為本發明較佳實例，并非用以限制本發明的范圍，任何本領域的熟練技術 人員在不違背本發明精神和范圍的前提下，所做的任何潤色和修改，均屬本發明權力要求 的保護范圍。
權利要求
一種植物纖維預處理方法，其特征在于將長度已裁剪至30 45cm的植物纖維連續加入一對開溝槽的輥輪之間進行滾壓；兩輥輪轉速為15 25r/min；所述的開溝槽輥輪齒數為30 120，單個齒頂所對應圓心角α＝1.5° 6°，單個齒槽所對圓心角β＝α；開溝槽輥輪的外徑為12 25cm；所述植物纖維為來自亞麻、大麻、黃麻、苧麻、洋麻或劍麻韌皮部的纖維。
2.根據權力要求1所述的植物纖維預處理方法，其特征還在于通過該方法處理后，植 物纖維在經過輥輪凸起處時受到碾壓力作用，發生原纖化，表面積與表面粗糙程度增加，改 善了植物纖維與基體材料的界面性能；植物纖維經過輥輪凹下部位時纖維不受力，纖維原 有的力學強度不被破壞，從而可起到提高復合材料綜合力學強度的作用。
3.根據權利要求1所述的植物纖維預處理方法，其特征在于所述植物纖維為劍麻纖維。
4.根據權利要求1所述的植物纖維預處理方法，其特征在于植物纖維被滾壓前，可先 將植物纖維至于質量濃度為15-20%的NaOH水溶液中浸泡，使纖維充分溶脹。
5.一種植物纖維增強高分子基復合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)植物纖維預處理將長度已裁剪至30-45cm的劍麻纖維連續加入一對開溝槽的輥 輪之間，進行滾壓；兩輥輪轉速為15-25r/min ；所述開溝槽輥輪齒數為30-120，單個齒頂所 對應圓心角α =1.5° -6°，單個齒槽所對圓心角β = α ；開溝槽輥輪的外徑為12-25cm ； 所述植物纖維為來自亞麻、大麻、黃麻、苧麻、洋麻或劍麻韌皮部的纖維；處理后的植物纖維 具有原纖化與未原纖化部分交替存在的形貌。(2)將經過不連續碾壓的植物纖維剪斷至長3-5cm，與干燥后的聚乳酸或醋酸纖維素 等基體材料加入混煉設備中混煉，混煉溫度175-210°C ；聚乳酸或醋酸纖維素等基體材料與 植物纖維的重量比為10-2 1，混煉時間為5-lOmin ；(3)將混煉制得的復合材料加入模具中，可在平板硫化機等熱壓機械上熱壓成型，取出 制品后去除毛刺，飛邊，制得復合材料制品。
6.根據權利要求4所述的植物纖維增強高分子基復合材料的制備方法，其特征在于， 所述成型溫度為180-200°C，壓力10-12Mpa，模壓時間為15-18min ；熱壓過程中放氣3_5 次，每次放氣間隔時間為30-50s，使模具中氣體被充分排出。
全文摘要
本發明公開了一種植物纖維預處理方法與高分子基復合材料的制備方法，植物纖維預處理方法是將長度已裁剪至30-45cm的植物纖維連續加入一對開溝槽的滾輪之間，進行滾壓；兩滾輪轉速為15-25r/min；所述開溝槽的滾輪齒數為30-120，單個齒頂所對應圓心角α＝1.5°-6°。高分子基復合材料的制備方法是先對植物纖維進行上述方法預處理，然后將經過植物纖維剪與干燥后的基體樹脂聚乳酸或醋酸纖維素加入開煉機中混煉，開煉溫度175-210℃，制得復合材料。本發明中受到碾壓力作用的纖維部分發生原纖化，表面粗糙程度增加，改善了其與基體材料的界面性能，經過開溝槽部位時纖維不受力，保持原有纖維的強度。
文檔編號D21B1/04GK101914860SQ20101024089
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月29日 優先權日2010年7月29日
發明者吳宏武, 解英 申請人:華南理工大學