專利名稱：一種界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法
技術領域：
本發明是一種界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，屬于復合材料制備技術領域，涉及一種界面增容單功能和界面增容-阻燃雙功能的連續植物纖維改性處理技術，以及其在復合材料中的應用技術。
背景技術：
植物纖維來源廣泛，價格相對低廉，纖維力學性能相比玻璃纖維較低，在復合材料的應用中，存在纖維和樹脂基體界面相容性差問題，更進一步降低復合材料制件的力學性能。而在防火要求高的環境，植物纖維易燃性的特點阻止了其應用，因此對植物纖維進行阻燃處理并提高其基本力學性能是兩大關鍵。發明專利“植物纖維復合玻璃鋼材料及其制備工藝”(申請號200610150159. 7)、 發明專利“一種植物纖維聚丙烯復合材料及制備方法”(申請號200410028501. 7)、發明專利“聚乙烯纖維-植物纖維復合材料的熱壓制造方法”(申請號200810064906. 4)、以及發明專利“一種植物纖維復合人造板及其生產工藝”(申請號200610062751. 1)中，植物纖維以粉末或短纖維的方式填充或增強復合材料，植物纖維并沒有經過處理，因此其界面相容性差，復合材料制品力學性能較低。因此為提高植物纖維增強復合材料的力學和阻燃性能，使其得到更廣泛的應用， 開發一種具有界面增容功能和界面增容-阻燃雙功能的植物纖維增強織物就顯得格外重要，本發明專利就是針對這個需求而提出來的。
發明內容
本發明正是針對上述現有技術的狀況而設計提供了一種界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，其目的是發展一種針對植物纖維的界面增容技術以及阻燃處理技術，并將其落實在連續植物纖維織物這種工業品種上，從而為復合材料行業提供通用的預制織物增強材料，包括單功能的界面增容連續植物纖維增強織物和雙功能的界面增容-阻燃連續植物纖維增強織物等，利用這種預制織物材料，可以規模化地生產植物纖維織物增強的“綠色”復合材料產品。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的該種樹脂基復合材料用界面增容單功能和界面增容-阻燃雙功能的連續植物纖維增強的織物及其改性處理技術、以及利用這種技術制備的工業化織物產品，然后用其制備連續植物纖維織物增強復合材料。所選商品化的連續植物纖維工業織物為苧麻、亞麻、黃麻、大麻、劍麻或紅麻。優選的硅烷偶聯劑的商品牌號為A151 (乙烯基三乙氧基硅烷)、KH570(y-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷)、 1(!1550(^-氨丙基三乙氧基硅烷)、1(!1560(^-(2，3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)。優選的氮磷系阻燃劑為ZR-PZM型膨脹阻燃劑(山東省青州市化工廠)、TZ-Ol氮磷系通用阻燃劑(富陽天揚貿易有限公司)、TPU-I (連云港方和化工有限公司)、Newray 911(常州市紐雷阻燃劑廠)、一號液體阻燃劑(上海旭森消煙阻燃劑有限責任公司)。
該種界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，其特征在于，該方法的步驟是(1)用濃度為重量百分比為2 6%硅烷偶聯劑水溶液浸漬植物纖維工業織物，織物干燥后，得到界面增容單功能植物纖維工業化織物；或者用濃度為重量百分比為0.1 1 %的高錳酸鉀水溶液浸漬，織物干燥后，再用水浸漬植物纖維織物除去高錳酸鉀，同樣得到界面增容單功能植物纖維工業化織物。(2)用濃度為重量百分比為7 20%的阻燃劑水溶液浸漬步驟(1)中得到的界面增容單功能植物纖維工業化織物，織物干燥后，得到界面增容-阻燃雙功能植物纖維工業化織物。將上述界面增容單功能或界面增容-阻燃雙功能植物纖維工業化織物用常見的基體樹脂如酚醛樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯等浸漬，可以得到熱固性樹脂的植物纖維織物預浸料，然后用模壓工藝或熱壓罐工藝制備復合材料。將上述界面增容單功能或界面增容-阻燃雙功能植物纖維工業化織物用作液態成型復合材料的增強材料，與液態成型的低黏度的酚醛樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯等復合，得到一種液態成型的熱固性復合材料。本發明技術方案的特點是1.針對植物纖維復合材料相比玻璃纖維復合材料較低的力學性能，從材料結構設計出發，通過使用連續植物纖維織物來提高復合材料的整體力學性能，又通過表面增容處理來提高植物纖維與工業樹脂的界面黏結性能；2.植物纖維易燃，為此，在表面增容處理的同時，進一步發展了一種植物纖維阻燃處理的技術與方法，從而形成一套完整的植物纖維阻燃與表面增容的處理技術；3.針對民用復合材料必須低制造成本的需求，選擇植物纖維布作為載體，研制發展了一類通用性的植物纖維連續增強干態織物的產品，這種織物產品具有高界面增容黏結、阻燃的特點，即適用于預浸料復合材料的選用，也適用于液態成型復合材料的使用。
具體實施例方式下面通過具體的實施例對本發明專利做進一步詳細說明實施例1:(1)選擇商品化、連續的苧麻纖維工業織物，選擇商品牌號為KH550的硅烷偶聯劑作為表面增容處理劑，配制重量百分比為2%的偶聯劑水溶液，用其浸漬苧麻纖維織物，干燥后得到界面增容預處理的增強織物；(2)選擇常用于車輛內飾件的牌號為GP4141的酚醛樹脂，預浸上述的界面增容預處理增強織物，獲得相應的植物纖維布增強的織物酚醛樹脂預浸料；(3)按照GP4141酚醛樹脂預浸料的固化工藝制備復合材料層壓板；(4)然后按照常用的材料標準測試該復合材料的層間剪切性能(ILSQ、彎曲強度和模量性能、飽和吸水率(50°C )等；(5)上述層壓板的測試結果表明，酚醛樹脂基苧麻纖維復合材料的性能得到有力提高，其ILSS性能值從未界面增容的IOMI^a提高到界面增容后的16MPa;其彎曲強度和模量分別從未界面增容的IOOMI^a和8. 5GPa提高到界面增容后的120ΜΙ^和9. OGPa,而飽和吸水率約等于5 %，與界面增容與否關聯度低。實施例2 在實施例1的基礎上，進一步制備界面增容和阻燃雙功能的連續植物纖維織物， 其處理制備過程和方法如下(1)在實施例1的基礎上，選擇商業阻燃劑，例如上海旭森消煙阻燃劑有限責任公司的一號液體阻燃劑，配制配制重量百分比為20%的阻燃劑水溶液，浸漬實施例1(1)硅烷處理的苧麻纖維布，可以得到一種阻燃的苧麻植物織物；(2)按照上述實施例K2)、(3)的方法制備預浸料，并進一步成型固化，得到 GP4141酚醛樹脂基復合材料層壓板；(3)在該阻燃劑質量濃度分數約10%時，上述經阻燃處理的苧麻織物復合材料的總熱釋放達到約50kw min/m2，而峰值熱釋放達到約90kw/m2 ；在阻燃劑質量濃度分數約 20%時，上述經阻燃處理苧麻織物復合材料的總熱釋放達到約22kw min/m2，而峰值熱釋放達到約60kw/m2，雙雙達到民用飛機內飾件(例如波音公司OSU標準)的阻燃基本要求；(4)在上述條件下，阻燃苧麻織物復合材料的燃燒測試結果如下點燃時間60秒， 火焰溫度840°C，燃燒時間約2分鐘，燃燒長度約160mm，無燃燒滴落物；(5)在上述條件下，阻燃苧麻織物復合材料的拉伸強度約60MPa，面內剪切強度約 15MPa，壓縮強度約50MPa，彎曲強度和模量分別約IOOMPa和8. 5GPa。實施例3 (1)選擇商品化、連續的紅麻(Kenaf)纖維工業織物，用濃度為重量百分比為1 % 的高錳酸鉀(KMnO4)水溶液浸泡以上紅麻纖維，織物干燥后，在用水浸漬除去高錳酸鉀，再次干燥得到界面增容預處理的增強織物；(2)選擇GP4141酚醛樹脂預浸上述的界面增容預處理增強織物，獲得相應的紅麻纖維布增強的織物酚醛樹脂預浸料；(3)按照GP4141酚醛樹脂預浸料的固化工藝，制備得到紅麻纖維復合材料層壓板；(4)按照常用的材料標準測試該復合材料的層間剪切性能(ILSQ、彎曲強度和模量性能、飽和吸水率(50°C )，測試結果表明，酚醛樹脂基紅麻纖維復合材料的ILSS性能值從未界面增容的提高到界面增容后的IOMPa ；其彎曲強度界面增容前后不變，為 68MPa,而模量從未界面增容的7. OGPa提高到界面增容后的7. 2GPa,而飽和吸水率約等于 6-7%之間。實施例4 (1)選擇商品化、連續的苧麻(Ramie)、黃麻(Jute)、劍麻(Sisal)和紅麻(Kenaf) 等織物布；分別選擇用重量百分比為3%的KH550偶聯劑水溶液和商品化的濃度為0. 1% 高錳酸鉀溶液浸泡以上植物纖維布，干燥洗滌后，得到四種不同界面增容預處理的增強織物；(2)選擇GP4141酚醛樹脂預浸上述四種界面增容預處理的增強織物，獲得相應的植物纖維布增強的酚醛樹脂基預浸料；(3)按照GP4141酚醛樹脂基預浸料的固化工藝，制備得到相應的四種植物纖維復合材料層壓板；
(4)按照常用的材料標準測試該復合材料的層間剪切性能(ILSS)性能，測試結果表明，就復合材料的層間剪切(ILSS)性能而言，KH550硅烷預處理的效果優于過錳酸鉀預處理，其ILSS性能值排序為苧麻>黃麻>紅麻>劍麻的酚醛樹脂基復合材料。具體復合材料的ILSS性能值如下表1，可見硅烷界面增容預處理效果良好。表1實施例4的ILSS性能值
GP4141酚醛樹脂基復合材料未界面增容處理高錳酸鉀界面增容預處理KH550硅烷界面增容預處理劍麻5. 796.227.49苧麻9. 6314. 9515.63紅麻7. 208. 249. 89黃麻8. 789. 578. 39玻璃纖維7. 84--實施例5 選擇商品化、連續的苧麻和黃麻織物進行燃燒特性及力學性能的對比試驗。(1)選擇KH550硅烷偶聯劑，配制重量百分比為2%的偶聯劑水溶液，用其浸漬以上兩種植物纖維布，干燥后得到兩種界面增容預處理的增強織物；(2)參照實施例2(1)，選擇牌號Newray 911的氮磷阻燃劑，其水溶液的濃度為重量百分比為7%，浸漬處理上述兩種界面增容預處理的增強織物，干燥后得到界面增容-阻燃雙功能的連續植物織物；(3)選擇Cycom 6070酚醛樹脂預浸上述兩種雙功能的增強織物，獲得相應的植物纖維布增強的酚醛樹脂基預浸料；(4)按照Cycom 6070酚醛樹脂基預浸料的固化工藝，制備得到相應的兩種植物纖維復合材料層壓板；按照ASTM材料標準測試該復合材料的垂直燃燒性能，發現在該阻燃劑質量濃度分數約11%時，經上述處理的苧麻織物復合材料的燃燒熄滅時間短于15秒，燃燒長度約 40mm，無燃滴物；在該阻燃劑質量濃度分數約12%時，經上述處理的黃麻織物復合材料的燃燒熄滅時間短于15秒，燃燒長度約38mm，也無燃滴物，雙雙達到較好的阻燃效果。實施例6 (1)選擇商品化、連續的苧麻纖維工業織物，選擇商品牌號為KH570的硅烷偶聯劑作為表面增容處理劑，配制重量百分比為4%的偶聯劑水溶液，用其浸漬苧麻纖維織物，干燥后得到界面增容預處理的增強織物；(2)選擇牌號ZR-PZM的氮磷阻燃劑，其水溶液的濃度為重量百分比為14%，浸漬處理上述兩種界面增容預處理的增強織物，干燥后得到界面增容-阻燃雙功能的連續植物織物；(3)選擇商品配號為SynOlite9001的阻燃不飽和聚酯，通過液態成型工藝制備植物纖維織物增強復合材料。
(4)然后按照ASTM材料標準測試該復合材料的拉伸性能和彎曲性能，同時對比研究了未作增容和阻燃處理織物增強復合材料的性能，界面增容、阻燃改性前，復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別為95MI^和156MPa ；界面增容、阻燃改性后，復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別為103MPa和176MPa。實施例7 (1)選擇商品化、連續的苧麻纖維工業織物，選擇商品牌號為KH560的硅烷偶聯劑作為表面增容處理劑，配制重量百分比為6%的偶聯劑丙酮溶液，用其浸漬苧麻纖維織物， 干燥后得到界面增容預處理的增強織物；(2)選擇航空牌號3233的阻燃環氧樹脂，浸漬步驟1中得到的界面增容單功能植物纖維織物，得到植物纖維織物預浸料。(3)然后按照ASTM材料標準測試該復合材料的拉伸性能和彎曲性能，同時對比研究了未作增容和阻燃處理織物增強復合材料的性能，界面增容、阻燃改性前，復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別為105MI^和178MPa;界面增容、阻燃改性后，復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別為123MPa和186MPa。與現有技術相比，本發明技術及其產品克服了現有低品位植物纖維復合材料的低力學性能和可燃的弱點，所制備的復合材料可以應用在結構性、非重載的場合，從而獲得一種新興的“綠色”復合材料產品。
權利要求
1.一種界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，其特征在于該方法的步驟是(1)選擇商品化、連續的植物纖維工業織物，選擇商品化的化學品硅烷偶聯劑或高錳酸鉀溶液作為表面增容處理劑，用重量百分比為2 6%的硅烷偶聯劑水溶液或重量百分比為0. 1 高錳酸鉀水溶液浸漬植物纖維工業織物，織物干燥后，再用水浸漬植物纖維工業織物除去高錳酸鉀，最后得到界面增容單功能植物纖維工業織物；(2)采用商品化的氮磷系阻燃劑，用重量百分比為7 20%的水溶液浸漬界面增容單功能植物纖維工業織物，織物干燥后，得到界面增容-阻燃雙功能植物纖維工業化織物。
2.根據權利要求1所述的界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，其特征在于所述商品化、連續的植物纖維工業織物為苧麻、亞麻、黃麻、大麻、劍麻或紅麻。
3.根據權利要求1所述的界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，其特征在于優選的硅烷偶聯劑為商品牌號為A151，化學主成分為乙烯基三乙氧基硅烷；商品牌號為KH570，化學主成分為甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷；商品牌號為ΚΗ550，化學主成分為Y-氨丙基三乙氧基硅烷；商品牌號為ΚΗ560，化學主成分為Y-(2，3-環氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
4.根據權利要求1所述的界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，其特征在于優選的氮磷系阻燃劑商品牌號為ZR-PZM型膨脹阻燃劑、TZ-Ol氮磷系通用阻燃劑、 TPU-UNewray 911或一號液體阻燃劑。
全文摘要
本發明是一種界面增容、阻燃的植物纖維增強織物的處理方法，該方法用2～6％的硅烷偶聯劑水溶液或0.1～1％高錳酸鉀水溶液浸漬植物纖維工業織物，織物干燥后，再用水浸漬植物纖維織物除去高錳酸鉀，最后得到界面增容單功能植物纖維工業化織物；用7～20％的商品化的氮磷阻燃劑水溶液浸漬得到的界面增容單功能植物纖維工業化織物，織物干燥后，得到界面增容-阻燃雙功能植物纖維工業化織物。
文檔編號D06M101/06GK102321977SQ20111018178
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者仝建峰, 劉燕峰, 李巖, 益小蘇 申請人:中航復合材料有限責任公司