[發(fā)明專利]一種增強復合材料用天然纖維素纖維的預處理方法

無效

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• 申請日: 2012-04-18
• 公開（公告）號: CN102634039A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發(fā)明（設計）人: 萬玉芹;王鴻博;高衛(wèi)東
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: C08J3/00
• 分類號: C08J3/00;C08L101/00;C08L97/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于材料領域。它涉及一種增強復合材料用天然纖維的預處理方法，尤其是一種增強復合材料用天然纖維素纖維的預處理方法。

背景技術

天然纖維在自然界中資源極為豐富，其主要包括桿莖類纖維(竹、木、甘蔗渣、高梁桿、稻草等)、果實類纖維(椰子殼、花生殼等)、韌皮類纖維(亞麻、黃麻、大麻、竺麻等)、葉類纖維(劍麻、蘆葦、茅草等)。天然纖維復合材料由天然纖維和熱固性或樹脂基體組成，纖維作為增強體分散在基體中，起最主要的承載作用。與玻璃纖維增強復合材料相比，天然纖維復合材料具有密度低、隔音效果好、比性能高、可回收、價格低廉、人體親和性好等優(yōu)點，因而受到了市場的極大關注。

但是，由于樹脂的熔融粘度(通常為500～5000Pa·S)一般都超過100Pa·S，因此在加工過程中不利于增強纖維的分布和基體樹脂的浸漬。在制備麻纖維增強復合材料的過程中尚存在以下兩個問題：(1)麻纖維與樹脂基體的相容性差；(2)麻纖維在樹脂中的分散性差。為了增強復合材料的機械性能，一般的方法是通過物理或化學方法處理增強材，改善增強材基材間的界面粘結性能來達到目的。天然纖維表面處理常用方法可分為物理法和化學法。物理法主要有：冷離子體法以及高壓滅菌法。冷離子體法可以改變纖維表面氧化性質，從而改變表面能。高壓滅菌法是一種濕熱處理方法，該法可以減少纖維的吸水性，從而改善材料的界面行為。化學法主要有：堿液處理，硅烷處理，乙酞化處理，苯甲酞處理，丙烯睛接枝處理，高錳酸處理，過氧化物處理，異氰酸處理，硬脂酸處理，次氯酸鈉處理。采用界面相容劑也是改善相容性的另一重要的方法。但是，在處理過程中，這些天然纖維存在明顯的由于結構劣化而導致的機械性能下降問題。而且，這些處理方法并未能從根本上改善天然纖維與復合材料之間的界面相容性差的問題。

此外，天然纖維之間較強的氫鍵結合導致纖維較難分散，纖維加入量越多，分散就越加困難；纖維素的分子量具有多分散性，性能不均一，且是由結晶區(qū)和無定形區(qū)交錯聯(lián)接而成的二相體系，其中還有許多的孔隙結構。這兩種因素從本質上也導致了天然纖維與基體相容性差、復合材料的機械性能低的問題。

因此，有必要尋求一種可以改善天然纖維在復合材料中的分散性和界面相容性的天然纖維處理方法是非常必要的。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種增強復合材料用天然纖維的預處理方法，尤其是一種增強復合材料用天然纖維素纖維的預處理方法。這種預處理方法的特點在于通過打開天然纖維缺陷結構和無定形區(qū)的分子鏈段纏結，在消除天然纖維弱強力部位的同時，在天然纖維表面形成細小毛羽結構，提高天然纖維與復合材料基體的界面相容性和天然纖維復合材料中的分散程度，從而為制備高機械性能的天然纖維增強復合材料提供條件。

本發(fā)明解決技術問題的技術方案如下：

一種增強復合材料用天然纖維素纖維的預處理方法，其特征在于，其包括以下幾個步驟：

(1)將天然纖維的含濕量調節(jié)至30～60％，在100℃下保溫1～5小時；

(2)將步驟(1)處理過的天然纖維在溫度為150～180℃，壓力為1.0～1.5MPa的條件下保壓2～5分鐘，快速釋壓，打開天然纖維的缺陷部位；

(3)將經(jīng)過步驟(2)處理的天然纖維完全浸入天然纖維溶脹劑中，進行溶脹處理，打開天然纖維無定形區(qū)及纖維缺陷部位分子鏈段的纏結；

(4)將經(jīng)步驟(3)處理的天然纖維清洗后，浸入水中，在超聲頻率為20～40KHz、功率為300～2400W條件下超聲處理5～60分鐘，進一步打開天然纖維無定形區(qū)的分子鏈段纏結；

(5)將經(jīng)過步驟(4)的天然纖維進行干燥，備用。

本發(fā)明所述的天然纖維包括棉纖維、木棉纖維、苧麻纖維、亞麻纖維、黃麻纖維、大麻纖維、羅布麻纖維、竹纖維、秸稈纖維、劍麻纖維、香蕉纖維、蕉麻纖維、椰殼纖維、蓮藕纖維、蘆葦葉纖維、茅草葉纖維。

步驟(3)所述的天然纖維溶脹處理可以采用以下方法中的一種：

(a)以質量百分比濃度為10～20％的氫氧化鈉溶液為天然纖維溶脹劑，在溫度為-10～20℃條件下，將天然纖維浸漬處理10～120分鐘。

(b)以質量百分比含量為20～80％的N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)的水溶液為天然纖維溶脹劑，在溫度為60～80℃條件下，將天然纖維浸漬處理30～120分鐘。

(c)以含有質量百分比含量4～5％氫氧化鋰和10～15％硫脲或尿素的水溶液作為天然纖維溶脹劑，在溫度-5～20℃條件下，將天然纖維浸漬處理10～60分鐘。