專利名稱：一種生物質塑性復合材料及其制造方法
技術領域：
本發明涉及復合材料技術，具體是一種生物質塑性復合材料及其制造方法，該復合材料以椰殼纖維為增強體，以熱塑性樹脂為基體材料制備。
背景技術：
生物質塑性復合材料是一種以天然纖維為增強材料，大多是以熱塑性樹脂(PP、 PC、PE等)為粘結基體的復合材料。該復合材料兼有生物質和塑性基體的性能，能重復回收加工，具有一定的生物降解性，是一種新型環境友好材料。目前，用作生物質塑性復合材料增強體的主要材料是麻纖維、木纖維和竹纖維，以椰殼纖維作生物質復合材料增強體的未曾見到。椰殼纖維是一種價廉(價格比黃麻、劍麻便宜，在常見的天然纖維中是價格最低的)、質輕的天然纖維，資源豐富。椰殼纖維的全球產量約500萬噸/年。我國也具有豐富的椰殼資源，主要分布在海南、廣東和福建東南部，海南省年產2. 億個。現有的椰殼纖維主要用于生產繩索、坐墊、地毯、編織物、席子、掃帚、刷子、床墊和室內裝潢及濾布等，只消耗了世界椰殼產量的一小部分，其余或被當做燃料，或被自然遺棄，盲目浪費，還造成了一定的環境污染。在申請人檢索的范圍內，椰殼纖維增強熱固性復合材料有見成功應用的案例，但椰殼纖維增強熱塑性復合材料未見成功應用案例，特別是以椰殼纖維為增強體、以 ES為粘結基體的生物質塑性復合材料還未見報道。所述的椰殼纖維增強熱固性樹脂包括不飽和聚酷樹脂(UP)、酚醛樹脂(UF)、環氧樹脂(EP)等，是目前研究得較多的領域。經過堿處理的椰殼纖維增強不飽和樹脂，其力學性能超過木膠合板、木碎飯，與松木的性能相接近。這說明椰殼纖維增強復合材料可部分代替木材、膠合板等作為結構材料實際應用，但熱固性復合材料不可回收利用，不利循環經濟和環境保護。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種生物質塑性復合材料及其制造方法，該復合材料以椰殼纖維為增強體，以ES為粘結基體，可有效利用椰殼纖維，減少資源浪費，避免環境污染；該制造方法工藝簡單，成本很低，適用于工業化使用。本發明解決所述復合材料技術問題的技術方案是設計一種生物質塑性復合材料，其特征在于該復合材料的重量百分比組成為增強體椰殼纖維40-60%，基體低熔點丙綸纖維60-40%，椰殼纖維和低熔點丙綸纖維合計為100% ；所述的椰殼纖維選用天然椰殼原纖；所述基體為紡織用低熔點丙綸短纖維。本發明解決所述制造方法技術問題的技術方案是設計一種生物質塑性復合材料的制造方法，該制造方法適用于本發明生物質塑性復合材料，并采用以下步驟步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 按照重量百分比稱量椰殼纖維40-60%，低熔點丙綸纖維40-60%，兩者合計重量百分比為100% ；步驟3 將步驟2中所稱量的兩種纖維原料充分開松混合，按照設計要求的型材規格，制作成預制件；步驟4 將步驟3所制的預制件按照設計要求壓制成板材，熱壓溫度為160-180°C， 熱壓時間為10-30分鐘，然后冷卻定型即得。與現有技術相比，本發明的有益效果是，用椰殼纖維替代傳統增強纖維(如玻璃纖維、麻纖維等)，有利于節約資源及環境保護，解決了椰殼被自然遺棄造成的環境污染和資源浪費，避免了椰殼被當做燃料污染大氣。本發明的制造方法簡單易行，生產成本低，所制作的椰殼纖維復合材料具有優良的性能拉伸強度可達30. 51Mpa，彎曲強度可達 75. 82Mpa，而汽車車門內飾板及車棚頂材料的力學性能要求分別為拉伸強度22MPa，彎曲強度34Mpa。本發明椰殼纖維/低熔點丙綸復合材料的拉伸、彎曲強度遠遠高于汽車內飾板的要求。
具體實施例方式
下面結合實施例進一步敘述本發明。本發明設計的生物質塑性復合材料(簡稱復合材料)，其特征在于該復合材料的重量百分比組成為增強體椰殼纖維40-60%，基體低熔點丙綸(EQ纖維60-40%，椰殼纖維和低熔點丙綸(EQ纖維合計為100% ；所述的椰殼纖維選用天然椰殼原纖；所述基體為紡織用低熔點丙綸短纖維。本發明所述的椰殼纖維采用成熟的椰殼原纖，實施例的椰殼原纖密度為1. 15g/ cm3左右，纖維長度8-337cm，回潮率9. 75%，斷裂強度12. 35-14. 6cN/tex,初始分解溫度左右。椰殼纖維與其他天然纖維一樣，由于纖維的極性羥基與憎水樹脂的相容性較差， 因此研究對纖維進行表面處理或改性處理，以提高纖維與樹脂間的潤濕性，改善纖維與樹脂的相溶性，目前所能查見的研究文獻只是針對此內容。事實上，椰殼纖維還存在另一顯著缺陷，即耐熱性能差、易氧化的缺點，這一缺陷一直被研究人員所忽視，先前的研究所選擇的基體材料的熔點較高，因而制作過程中的熱壓溫度過高，導致所制作的椰殼纖維復合材料力學性能低下，不符合實際需求，無法真正應用于實際。本發明所述的ES(低熔點丙綸)纖維是一種低熔點的丙綸纖維。采用它替代普通丙綸作為粘結基體，可以克服椰殼纖維因加工過程中的過熱而導致的力學性能降低。 實施例所采用的ES纖維的密度為0. 91g/cm3,纖維長度3. 8cm,回潮率0. 12%，斷裂強度 31-57cN/tex，熔融溫度為 133°C。本發明同時設計了生物質塑性復合材料的制造方法(簡稱制造方法)，該制造方法適用于本發明生物質塑性復合材料，并采用以下步驟步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 按照重量百分比稱量椰殼纖維40-60%，低熔點丙綸纖維40-60%，兩者合計重量百分比為100% ；步驟3 將步驟2中所稱量的兩種纖維原料充分開松混合，按照設計要求的型材規格，制作成預制件；預制件的制備為現有技術。步驟4 將步驟3所制的預制件按照設計要求壓制成板材，熱壓溫度為160-180°C， 熱壓時間為10-30分鐘，然后冷卻定型即得。
為了提高復合材料的性能，本發明制造方法的進一步特征是在步驟1后，加入椰殼纖維預處理工藝或步驟，該預處理工藝是把步驟1所得椰殼纖維用重量濃度1-5%的 NaOH溶液進行水煮0. 5-1. 5小時的預處理，然后清洗、烘干后備用。對于用后的NaOH溶液， 一般可通過濾渣、強酸(硫酸)中和處理。為減少直接排放帶來的堿液、酸液的大量浪費和可能的環境污染，實際生產中企業可選用專用設備進行堿液、酸液的回收處理，如可選用德國的蒸發設備建立液堿處理回收系統。根據生產實際，收集淡堿后先蒸發濃縮，再進入消色裝置，消除濃堿液的顏色，然后再返回循環利用。該預處理制造方法的完整工藝是步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干后備用；步驟2 將步驟1所得椰殼纖維用重量濃度1-5%的NaOH溶液進行水煮0. 5-1. 5 小時的預處理，然后清洗、烘干后備用；步驟3 按照設計的重量百分比分別稱量40-60%的椰殼纖維，40_60%的ES纖維， 兩種纖維原料的合計重量百分比為100% ；步驟4 將步驟3中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的型材規格， 制作成預制件；預制件的制造方法為現有技術。步驟5 將步驟4所得到的預制件，按照設計要求壓制成板材，熱壓溫度為 160-180°C，熱壓時間為10-30分鐘，然后冷卻定型即得。經預處理制造方法所制得的復合材料拉伸強度和彎曲強度都有所提高。實驗表明，相同條件下，預處理制造方法所制得的復合材料比未經預處理所制得的復合材料，拉伸強度可由22. ^MPa提高為30. 5IMPa ；彎曲強度可由53. 64MPa提高為75. 82Mpa (參見實施例4、6和表1)。本發明的椰殼纖維增強塑性復合材料，用價廉、質輕的椰殼纖維作為增強材料， 用ES纖維替代普通丙綸作為粘結基體，具有塑性材料的加工特性，外觀平整、尺寸穩定性好，具有生物降解性能，可回收利用。采用堿液對椰殼纖維進行預處理，使所制得的復合材料性能提高，例如，汽車車門內飾板及車棚頂材料的力學性能要求為拉伸強度=22MPa, 彎曲強度=34MPa，本發明預處理制造方法制造的椰殼纖維/ES復合材料的拉伸強度可達 30. 51Mpa，彎曲強度可達75. 82Mpa，遠遠高于汽車內飾材料的技術要求。本發明重點解決了導致椰殼纖維復合材料力學性能低下問題采用低熔點丙綸作為基體材料，使得熱壓溫度降低，從而減少熱壓過程中的過熱所導致的復合材料力學性能下降；同時，通過對椰殼纖維進行堿預處理，使得椰殼纖維的初始分解溫度得到提高，所制作的復合材料界面得到改善，從而進一步提高了復合材料力學性能。本發明復合材料具有塑性材料的加工特性，外觀平整、尺寸穩定性好，具有生物降解性能，可回收利用，可用作建筑和土工料、汽車及裝飾材料等，如轎車的門內板、行李廂、 頂棚、座椅背板、衣帽架、儀表盤；卡/客車的車廂內襯板、門板、頂棚、座椅背板、門板保溫層或填充材料等。本發明未述及之處適用于現有技術。下面給出具體實施例，但本發明申請權利要求的保護范圍不受具體實施例的限制。實施例1
步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 按照重量百分比稱量椰殼纖維為40%，ES纖維為60% ；步驟3 將步驟2中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的 300 X 300mm2型材規格，制作成預制件；步驟4 將步驟3所得到的預制件，壓制成板材，熱壓溫度為170°C，熱壓時間為20 分鐘，然后冷卻定型即得。本實施例所制得的生物質塑性復合材料的性能測試(測試標準分別參考GB/ T1447-2005和GB/T1449-2005。下同)結果為拉伸強度/MPa :25. 59 ；彎曲強度/MPa 47. 12。實施例2步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 按照重量百分比稱量椰殼纖維為40%，ES纖維為60% ；步驟3 將步驟2中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的 300 X 300mm2型材規格，制作成預制件；步驟4 將步驟3所得到的預制件，壓制成板材，熱壓溫度為180°C，熱壓時間為10 分鐘，然后冷卻定型即得。本實施例所得復合材料的性能測試結果為拉伸強度/MPa :20. 12 ；彎曲強度/ MPa 35.11。實施例3步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 按照重量百分比稱量椰殼纖維為50%，ES纖維為50% ；步驟3 將步驟2中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的 300 X 300mm2型材規格，制作成預制件；步驟4 將步驟3所得到的預制件，壓制成板材，熱壓溫度為160°C，熱壓時間為30 分鐘，然后冷卻定型即得。本實施例所制得的生物質塑性復合材料的性能測試結果為拉伸強度/MPa:
21.13 ；彎曲強度 /MPa :42. 35。實施例4步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 按照重量百分比稱量椰殼纖維為50%，ES纖維為50% ；步驟3 將步驟2中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的 300 X 300mm2型材規格，制作成預制件；步驟4 將步驟3所得到的預制件，壓制成板材，熱壓溫度為170°C，熱壓時間為20 分鐘，然后冷卻定型即得。本實施例所制得的生物質塑性復合材料的性能測試結果為拉伸強度/MPa:
22.26 ；彎曲強度 /MPa :53. 64。實施例5步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 將步驟1所得椰殼纖維用重量濃度4%的NaOH溶液進行水煮0. 5小時的預處理，然后清洗、烘干備用；步驟3 按照重量百分比稱量椰殼纖維為50%，ES纖維為50% ；步驟4:將步驟3中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的 300 X 300mm2型材規格，制作成預制件；步驟5 將步驟4所得到的預制件，壓制成板材，熱壓溫度為170°C，熱壓時間為20 分鐘，然后冷卻定型即得。本實施例所制得的生物質塑性復合材料的性能測試結果為拉伸強度/MPa 30. 16 ；彎曲強度 /MPa :69. 61。實施例6步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 將步驟1所得椰殼纖維用重量濃度2%的NaOH溶液進行水煮1小時預處理，然后清洗、烘干備用；步驟3 按照重量百分比稱量椰殼纖維為50%，ES纖維為50% ；步驟4:將步驟3中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的 300 X 300mm2型材規格，制作成預制件；步驟5 將步驟4所得到的預制件，壓制成板材，熱壓溫度為170°C，熱壓時間為20 分鐘，然后冷卻定型即得。本實施例所制得的生物質塑性復合材料的性能測試結果為拉伸強度/MPa 30. 51 ；彎曲強度 /MPa :75. 82。為進一步說明本發明復合材料的積極效果，申請人特給出本發明復合材料與幾種天然纖維復合材料力學性能的對比表。表1本發明復合材料與幾種天然纖維復合材料力學性能的對比表
權利要求
1.一種生物質塑性復合材料，其特征在于該復合材料的重量百分比組成為增強體椰殼纖維40-60%，基體低熔點丙綸纖維60-40%，椰殼纖維和低熔點丙綸纖維合計為100% ； 所述的椰殼纖維選用天然椰殼原纖；所述基體為紡織用低熔點丙綸短纖維。
2.根據權利要求1所述的生物質塑性復合材料，其特征在于所述的椰殼原纖密度為1. 15g/cm3,纖維長度8-337cm,回潮率9. 75%,斷裂強度12. 35-14. 6cN/tex,初始分解溫度。
3.根據權利要求1所述的生物質塑性復合材料，其特征在于所述的低熔點丙綸纖維的密度為0. 91g/cm3,纖維長度3. 8cm,回潮率0. 12%，斷裂強度31-57cN/tex,熔融溫度為 133°C。
4.一種權利要求1、2或3生物質塑性復合材料的制造方法，該制造方法采用以下步驟步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；步驟2 按照重量百分比稱量椰殼纖維40-60 %，低熔點丙綸纖維40-60 %，兩者合計重量百分比為100% ；步驟3 將步驟2中所稱量的兩種纖維原料充分開松混合，按照設計要求的型材規格， 制作成預制件；步驟4 將步驟3所制的預制件按照設計要求壓制成板材，熱壓溫度為160-180°C，熱壓時間為10-30分鐘，然后冷卻定型即得。
5.一種權利要求1、2或3生物質塑性復合材料的制造方法，該制造方法采用以下步驟步驟1 將椰殼纖維清洗、去雜、烘干后備用；步驟2 將步驟1所得椰殼纖維用重量濃度1-5%的NaOH溶液進行水煮0. 5-1. 5小時的預處理，然后清洗、烘干后備用；步驟3 按照設計的重量百分比分別稱量40-60 %的椰殼纖維，40-60 %的ES纖維，兩種纖維原料的合計重量百分比為100% ；步驟4 將步驟3中所稱量的兩種原料充分開松混合，按照設計要求的型材規格，制作成預制件；步驟5 將步驟4所得到的預制件，按照設計要求壓制成板材，熱壓溫度為160-180°C， 熱壓時間為10-30分鐘，然后冷卻定型即得。
全文摘要
本發明公開一種生物質塑性復合材料及其制造方法。該復合材料特征在于其重量百分比組成為增強體椰殼纖維40-60％，基體低熔點丙綸纖維60-40％，椰殼纖維和低熔點丙綸纖維合計為100％；所述的椰殼纖維選用天然椰殼原纖；所述基體為紡織用低熔點丙綸短纖維。該制造方法采用以下步驟1.將椰殼纖維清洗、去雜、烘干備用；2.按照重量百分比稱量椰殼纖維40-60％，低熔點丙綸纖維40-60％；3.將所稱量的兩種纖維原料充分開松混合，按照設計要求的型材規格制成預制件；4.將所制的預制件按照設計要求壓制成板材，熱壓溫度為160-180℃，熱壓時間為10-30分鐘，然后冷卻定型即得。
文檔編號C08L97/02GK102161799SQ20111002507
公開日2011年8月24日 申請日期2011年1月24日 優先權日2011年1月24日
發明者王威 申請人:天津工業大學