一種輕質三明治結構復合材料及其制備方法

專利名稱：一種輕質三明治結構復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于材料領域，特別涉及一種樹脂基復合材料。
背景技術：
輕質三明治結構復合材料由于具有“輕質高強”的特性，在近幾十年發展迅猛。夾芯復合材料結構被形象地稱為“三明治結構”，這種結構一般是由三層材料制成，這種材料的上下面層是高強度、高模量材料，中間層(芯材)是較厚的輕質材料。目前，用于復合材料“三明治”結構的夾芯材料主要有強心氈、硬質泡沫、蜂窩和輕木四大類。硬質泡沫主要 有聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(I3U)、聚醚酰亞胺(PEI)和丙烯腈一苯乙烯(SAN或AS)、聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)、熱塑性聚乙烯(PET)等。蜂窩夾芯材料有玻璃布蜂窩、NOMEX蜂窩、棉布蜂窩、鋁蜂窩等。蜂窩夾層結構的強度高，剛性好，但蜂窩為開孔結構，與上下面板的粘接面積小，粘接效果一般沒有泡沫好。輕木夾芯材料是一種天然產品，市場常見的輕木夾芯為Balsa輕木，其纖維具有良好的強度和韌性，特別適合用于復合材料夾層結構。三明治結構(夾層結構)的研究和生產，迄今已有六十多年歷史，1943年英國海耳教授第一次采用夾層結構設計飛機的機翼，其表面用的是桃花芯木，夾芯材料用的是巴薩木。為了改進木材易潮濕、易腐蝕和易著火的缺點，美國千斯渥特飛機公司在制造“短劍式”飛機機翼時，采用了鋁制薄片做表面。隨著玻璃鋼等復合材料的發展，研制成功了耐熱性和電性能都很好的玻璃鋼蜂窩夾層結構和玻璃鋼泡沫夾層結構，在飛機、船舶、車輛、建筑等方面的使用逐年增加，并已成為雷達罩生產專用結構材料。以碳纖維、硼纖維復合材料做面板的三明治結構夾芯材料已大量出現在航空、宇航工業中。近幾年，夾芯復合材料無論是在產量、銷量還是在生產技術、生產工藝、新產品研發等方面，都獲得了快速發展。紡織結構復合材料由于其優異的力學性能和相對較低的價格，其應用幾乎滲透到各個領域，如航空航天、車船制造、建筑行業、醫療衛生、體育用品等領域。為了減少在編織過程中對纖維的損傷以及由于屈曲降低承力作用，人們采用無屈曲織物(non-crimpFabric，簡稱NCF)作為紡織復合材料的增強體。NCF由在特定方向上呈直線排列的纖維束層構成，纖維束以特定方向一根根排列，并使用較細的紗線用針織的方法將其固定起來。NCF織物除了減少對纖維的損傷外，也改善了層間剪切強度、損傷容限、厚度方向上的性能等，作為復合材料的增強結構，它既克服了機織物因紗線屈曲而導致的紗線性能利用率降低的問題，又改善了層合織物在使用中易于層間開裂的缺陷，因而具有廣闊的發展前景。本發明以黃麻諱編雙軸向襯紗織物(Multi-layered Biaxial Weft KnittedFabrics, MBffK,即是利用針織基本線圈結構將經緯向黃麻襯紗平直地綁縛在織物中，使兩軸向襯紗呈現伸直狀態，從而最大限度地發揮其增強性能)作為輕質三明治結構的上下面層，作為此三明治結構復合材料的主要支撐構件。緯編雙軸向襯紗織物雙軸向織物具有優異的拉伸性能及良好的可成形性，是目前綜合性能很好的紡織復合材料增強結構。高粱類植物秸桿是個值得開發的天然材料，其秸桿芯料資源豐富，具有質輕、價廉和易加工的特點。傳統上這種秸桿都做燃料或者動物的飼料，對它的開發也僅局限于燃料和飼料上。植物秸桿芯料為多孔管狀排列結構。這種結構決定了其具有低密度，易壓縮，隔熱等特性。本發明根據秸桿芯料的特性將其作為復合材料的夾層材料使用。它與木質材料作為夾層的功能一樣，但秸桿芯料更輕，更軟，也更易加工，它可以直接加入材料中模壓成型，成型時芯料可以被壓成任意模具形狀。黃麻纖維是一種韌皮纖維，源于自然、對環境無害、可生物降解，價格低廉，具有較高的比模量、比強度，適合制作較高承載要求的復合材料增強體。我國黃麻資源豐富，應用歷史悠久，采用黃麻天然纖維替代或取代木材、玻璃纖維等材料做為聚合物復合材料的增強體，在凈化環境、防止污染、替代有害物質、減少廢棄物以及有效利用自然資源和材料的再資源化等方面具有積極意義。

發明內容
本發明提供一種輕質三明治結構復合材料及其制造方法。所述輕質三明治結構復合材料以黃麻緯編雙軸向織物為上下面層，以高粱類植物秸桿芯料作為中間層的輕質三明治結構復合材料；所述輕質三明治結構復合材料由黃麻緯 編雙軸向針織物面層及秸桿芯料與聚丙烯短纖熱壓制得，所述輕質三明治結構復合材料拉伸強度為23. 5-50. 2Mpa,彎曲強度為32. 6-75. 2Mpa ；所述黃麻緯編雙軸向織物的經緯向襯紗密度分別為經紗密度12根/英寸，緯紗密度為24根/英寸。基礎地組織為1+1羅紋，起到綁縛經緯向黃麻襯紗的作用。緯紗被羅紋組織的圈柱握持，而襯經紗由兩面的襯緯紗夾持，所述襯經紗和襯緯紗為黃麻纖維襯紗，織物中的黃麻纖維襯紗呈伸直狀態。所述黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖質量比為I : 1-2.3。所述高梁類秸桿芯料制備方法如下選取粗細度相近的秸桿若干，將秸桿外層硬皮剝離干凈，將秸桿芯料截成具有一定平均長度的小段備用。然后將這些秸桿芯料小段用與黃麻雙軸向織物相同的黃麻紗線穿聯起來，使穿聯后排列寬度與板材寬度一致，從而形成高粱類秸桿芯料，即由秸桿芯料小段組成的三明治中間層部分。輕質三明治結構復合材料制造方法包括如下步驟所述的黃麻緯編雙軸向針織物、秸桿芯料層與聚丙烯短纖進行間隔鋪層，黃麻織物、秸桿芯層上下兩面均鋪有一層聚丙烯短纖；熱壓機從室溫開始升溫到60°C，將上述間隔鋪層的黃麻織物、秸桿芯料與聚丙烯短纖放置到熱壓機上，繼續升溫到90-100°C，加壓至(3-8)MPa，保壓升溫至150_170°C，保溫IOmin后升溫至195°C,保溫保壓30min后自然冷卻至室溫即可。所述黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖質量比為I : 1-2.3。有益效果本發明所述復合材料的制造方法與現有技術相比，采用了黃麻雙軸向織物為面層，秸桿芯料為中間層，與聚丙烯短纖均勻混合形成預制件，利用熱壓工藝制備復合材料。此方法易于操作，成本低廉，相對成型周期較短，產品厚度變化容易，制備過程中沒有廢棄物產生，有利于環境的保護，符合綠色生產的要求。本發明所述可再生黃麻纖維是一種可再生性天然植物纖維，不但可以作為木材的替代品，還可以部分取代玻璃等合成纖維。本發明所制備的輕質三明治結構織物增強復合材料可以滿足一般力學性能要求，特別是在民用方面，可作為非承力結構和部分承力結構部件，如室內裝潢材料等，將具有廣闊的發展前景。
本發明中黃麻緯編雙軸向織物的特點是(1)結構簡單，易于加工成型和工藝調整；(2)織物中的經緯襯紗平直排列，可充分發揮纖維的強度和剛度；增加復合材料的拉伸力學性能；(3)適合各種紗線，具有很好的可設計性和可混編性。本發明黃麻緯編雙軸向襯紗織物的制造方法與現有技術相比，選取了黃麻作為緯編雙軸向織物的主要原料，可以充分利用黃麻優良的力學性能和資源優勢；而利用緯編雙軸向的編織方法來加工黃麻緯編雙軸向襯紗織物，原料價格低廉，可以節約生產成本，開發新型優質的環保復合材料的增強體，同時不產生化學廢棄物，對環境無污染。發明具有表層雙向襯紗織物在經向及緯向優良的力學性能和能量吸收特性以及芯料的輕質、保溫(10小時內溫度變化范圍在5-8°C )、隔音、易成型等特點。


圖I織針和紗線的位置配置示意圖 圖2黃麻緯編雙軸向織物以及秸桿芯料鋪層位置圖3復合材料熱壓成型工藝流程
具體實施例方式本發明所述黃麻緯編雙軸向織物的織造方法，利用本校復合材料所研制的緯編雙軸向襯紗機(梁子青，邱冠雄，周慶等發表論文題目為緯編雙軸向織物復合材料的彈道沖擊響應，紡織學報，2010，Vol. 24(12) :37:39.)進行黃麻緯編雙軸向織物的編織，其中介紹了緯編雙軸向襯紗機，見附圖I。三組紗線的導紗器從前針床到后針床的排列順序為襯緯紗導紗器、襯經紗導紗器、針織紗導紗器。襯緯紗導紗器和針織紗導紗器安裝在機頭上，隨三角座移動，成圈編織時從橫向把針織紗和襯緯紗分別喂到針前和針后兩個位置。經紗導紗器沿針床方向水平排列，每個導紗器位于兩枚織針之間，導紗器間距與針距相同，從縱向喂入紗線。三種紗線在機器上的喂入形式見圖I。其中I為襯經紗，2為襯緯紗，3為滌綸捆綁紗，4為織針。編織成用作面層的雙軸向襯紗織物(經紗密度12根/英寸，緯紗密度為24根/英寸)，綁縛組織為1+1羅紋，綁縛組織3為滌綸捆綁紗。將該雙軸向襯紗織物作為面層，秸桿芯料為中間層進行鋪層，如圖2所示。在該織物以及秸桿芯層的上下兩面分別均勻鋪放聚丙烯樹脂短纖。本發明所述輕質三明治結構復合材料的制造方法，特征在于該方法采用所述的黃麻雙軸向織物及秸桿芯料作為復合材料的增強體，與聚丙烯樹脂短纖采用熱壓方法制造復合材料板材，見附圖2。本發明所述制造輕質三明治結構復合材料的方法為采用上述黃麻緯編雙軸向針織物作為面層，以不同鋪層數(2-4層)以及秸桿芯料與樹脂的質量配比(I 1-1 2.3)分別制備不同工藝的輕質三明治復合材料板材。具體熱壓流程見圖3.下面給出本發明幾個具體的實施例實施例I :以2層黃麻緯編雙軸向織物為上下面層，黃麻緯編雙軸向織物及秸桿芯料2層與聚丙烯短纖按照質量比I : I的比例進行熱壓制備輕質復合材料板材，熱壓溫度變化區間為60°C -195°C。所述的黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖進行間隔鋪層，每層黃麻織物、秸桿層兩面均鋪有一層聚丙烯短纖；熱壓機加熱到60°C，將上述間隔鋪層的黃麻織物及秸桿與聚丙烯短纖放置到熱壓機上，升溫到100°C，加壓至3MPa，保壓升溫至160°C，保溫IOmin后升溫至195°C,保溫保壓30min后自然冷卻至室溫即可。實施例2 :以2層黃麻緯編雙軸向織物為上下面層，此織物及秸桿芯料2層與聚丙烯短纖按照質量比I : I. 5的比例進行熱壓制備輕質復合材料板材，熱壓溫度變化區間為60 0C -195。。。所述的黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖進行間隔鋪層，每層黃麻織物、秸桿層兩面均鋪有一層聚丙烯短纖；熱壓機加熱到60°C，將上述間隔鋪層的黃麻織物及秸桿與聚丙烯短纖放置到熱壓機上，升溫到100°C，加壓至3MPa，保壓升溫至160°C，保溫IOmin后升溫至195°C,保溫保壓30min后自然冷卻至室溫即可。實施例3 :以2層黃麻緯編雙軸向織物為上下面層，此織物及秸桿芯料2層與聚丙烯短纖按照質量比I : 2. 3的比例進行熱壓制備輕質復合材料板材，熱壓溫度變化區間為 60 0C -195。。。所述的黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖進行間隔鋪層，每層黃麻織物、秸桿層兩面均鋪有一層聚丙烯短纖；熱壓機加熱到60°C，將上述間隔鋪層的黃麻織物及秸桿與聚丙烯短纖放置到熱壓機上，升溫到100°C，加壓至3MPa，保壓升溫至160°C，保溫IOmin后升溫至195°C,保溫保壓30min后自然冷卻至室溫即可。實施例4 :以4層黃麻緯編雙軸向織物為上下面層，此織物及秸桿芯料2層與聚丙烯短纖按照質量比I : I的比例進行熱壓制備輕質復合材料板材，熱壓溫度變化區間為60 0C -195。。。所述的黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖進行間隔鋪層，每層黃麻織物、秸桿層兩面均鋪有一層聚丙烯短纖；熱壓機加熱到60°C，將上述間隔鋪層的黃麻織物及秸桿與聚丙烯短纖放置到熱壓機上，升溫到100°C，加壓至6MPa，保壓升溫至160°C，保溫IOmin后升溫至195°C,保溫保壓30min后自然冷卻至室溫即可。實施例5 :以4層黃麻緯編雙軸向織物為上下面層，此織物及秸桿芯料4層與聚丙烯短纖按照質量比I : I的比例進行熱壓制備輕質復合材料板材，熱壓溫度變化區間為60 0C -195。。。所述的黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖進行間隔鋪層，每層黃麻織物、秸桿層兩面均鋪有一層聚丙烯短纖；熱壓機加熱到60°C，將上述間隔鋪層的黃麻織物及秸桿與聚丙烯短纖放置到熱壓機上，升溫到100°C，加壓至6MPa，保壓升溫至160°C，保溫IOmin后升溫至195°C,保溫保壓30min后自然冷卻至室溫即可。輕質三明治結構復合材料板材性能測試與結果對于所述制備的輕質三明治結構復合材料，其重量比同樣厚度黃麻針織物增強聚丙烯層合復合材料輕約10-25%。拉伸及彎曲性能是復合材料最基本和重要的力學性能，其能夠反映復合材料抵抗外界拉伸及彎曲力破壞作用能力的強弱。根據目前適用于纖維增強復合材料國家標準(GB1447-83)及(GB1499-83)分別對不同工藝板材進行測試。從測試結果分析可知，對于不同質量配比及不同面層及芯層層數的增強板材拉伸強度為23. 5-50. 2Mpa,拉伸模量 2. 1-4. 9Gpa ;彎曲強度為 32. 6-75. 2Mpa,彎曲模量 2. 9-7. 6Gpa。本發明所述輕質三明治結構復合材料力學性能高于常用的木碎板(拉伸強度15-18Mpa,拉伸模量I. 0-2. 4Gpa (鄭融,冼杏娟，葉穎薇,等.黃麻纖維/環氧復合材料基其性能分析[J].復合材料學報，1995，(1) :18-24.))，達到甚至超過同類植物纖維增強復合材料(具體見王瑞，焦曉寧，郭秉臣，等.亞麻纖維非織造布復合材料的研究與開發[J].紡織學報，2003，(5) :15-17;曾竟成，肖加余，梁重云，等.黃麻纖維增強聚合物復合材料工藝與性能研究[J].玻璃鋼/復合材料.2001，(3) :30-33 ;劉麗妍，黃故.制備工藝對亞麻增強聚丙烯復合材料拉伸性能的影響.工程塑料應用.2005. Vol. 33 (10) :24-27.等)，同時可以充分利用其質輕、價廉、隔音及保溫等特點用于民用，如裝潢領域。
權利要求
1.一種輕質三明治結構復合材料，所述輕質三明治結構復合材料以黃麻緯編雙軸向織物為上下面層，其特征在于所述中間層為高粱類植物秸桿芯料；所述輕質三明治結構復合材料由黃麻緯編雙軸向針織物面層及秸桿芯料與聚丙烯短纖熱壓制得，所述輕質三明治結構復合材料拉伸強度為23. 5-50. 2Mpa，彎曲強度為32. 6-75. 2Mpa。
2.如權利I所述一種輕質三明治結構復合材料，其特征在于所述黃麻緯編雙軸向織物的經緯向襯紗密度分別為經紗密度12根/英寸，緯紗密度為24根/英寸；基礎地組織為1+1羅紋；緯紗被羅紋組織的圈柱握持，而襯經紗由兩面的襯緯紗夾持，所述襯經紗和襯緯紗為黃麻纖維襯紗，織物中的黃麻纖維襯紗呈伸直狀態。
3.如權利I所述一種輕質三明治結構復合材料，其特征在于所述黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖質量比為I : 1-2.3。
4.如權利I所述一種輕質三明治結構復合材料，其特征在于所述黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖質量比為I : 1.5。
5.如權利I所述一種輕質三明治結構復合材料，其特征在于所述黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖質量比為I : 2.3。
6.如權利I所述一種輕質三明治結構復合材料，其特征在于所述黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖質量比為I : I。
7.如權利I所述一種輕質三明治結構復合材料，其特征在于所述高粱類秸桿芯料制備方法如下選取粗細度相近的秸桿若干，將秸桿外層硬皮剝離干凈，將秸桿芯料截成具有一定平均長度的小段備用；然后將這些秸桿芯料小段用與黃麻雙軸向織物相同的黃麻紗線穿聯起來，使穿聯后排列寬度與板材寬度一致，從而形成高粱類秸桿芯料。
8.如權利I所述一種輕質三明治結構復合材料的制備方法，包括如下步驟所述的黃麻緯編雙軸向針織物、秸桿芯料層與聚丙烯短纖進行間隔鋪層，黃麻織物、秸桿芯層上下兩面均鋪有一層聚丙烯短纖；熱壓機從室溫開始升溫到60°C，將上述間隔鋪層的黃麻織物、秸桿芯料與聚丙烯短纖放置到熱壓機上，繼續升溫到90-100°C，加壓至(3-8)MPa，保壓升溫至150-170°C，保溫IOmin后升溫至195°C，保溫保壓30min后自然冷卻至室溫即可。所述黃麻緯編雙軸向針織物及秸桿芯料與聚丙烯短纖質量比為I : 1-2.3。
9.如權利8所述輕質三明治結構復合材料的制備方法，其特征在于所述黃麻緯編雙軸向針織物面層鋪層數為2-4層。
10.如權利9所述輕質三明治結構復合材料的制備方法，其特征在于所述秸桿芯料層鋪層數為2-4層。
全文摘要
本發明公開了一種輕質三明治結構復合材料及其制備方法。本發明屬于材料領域，涉及緯編雙軸向織物。所述輕質三明治結構復合材料由黃麻緯編雙軸向針織物作為面層、秸稈芯料作為中間層，以及以該織物及芯料與聚丙烯短纖熱壓制得。所述該輕質三明治結構復合材料其重量比同樣厚度的黃麻針織物增強聚丙烯層合復合材料輕約10-25％；拉伸強度為23.5-50.2Mpa，彎曲強度為32.6-75.2Mpa。該復合材料面層織物能夠充分發揮紗線高強高模的特性，同時具有獨特的優異的可成形性。秸稈芯層原料來源豐富，具有密度低、易壓縮、隔熱性好等特性。本發明可以替代木材，或取代玻璃等合成纖維。復合材料滿足一般力學性能要求，在民用方面，可作為非承力結構和部分承力結構部件，有廣闊發展前景。
文檔編號B32B37/06GK102615870SQ201210102720
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者劉麗妍, 周澤欽, 高立超 申請人:天津工業大學