天然纤维增强的复合板及方法
【专利摘要】增强的复合板及制备所述复合板的方法，该复合板使用经加工的诸如竹材的天然纤维以及聚合物材料。所述方法包括以下步骤：用溶剂处理包含天然纤维的植物源，并且加工经处理的所述植物源。所述加工步骤可以包括以各种方式将所述天然纤维排布成片状取向。然后将聚合物材料应用于所述天然纤维以形成复合片材，并且所述复合板可以由一个或多个复合片材形成。
【专利说明】
天然纤维増强的复合板及方法
技术领域
[0001]本公开内容通常涉及增强的复合片材材料，并且更具体地涉及天然纤维增强的复合片材材料。【背景技术】
[0002]虽然用于聚合物材料中的天然纤维填料作为更多传统增强材料(例如玻璃纤维) 的潜在替代物已经吸引了一些兴趣，但是此类产品的商业化受到限制。尽管已经确定天然纤维具有与人造增强材料相当的机械性能，但是以足够纯化的形式从可再生植物源中提取天然纤维是一个挑战。由聚合物材料形成的已知片材通常涉及将诸如木材的短切天然纤维与聚合物材料混合，将两种成分模制成中间体或最终产品。
【发明内容】
[0003]本文所述的增强的复合板及其制备方法，用天然纤维复合物以对有成本效益的商业化成规模的方式解决了上述问题及其它问题。
[0004]根据本发明的实施方案，提供了制备天然纤维复合板的方法，其包括:(a)用溶剂处理包含天然纤维的植物源，(b)加工经处理的所述植物源，包括将所述天然纤维排布成片状取向，以及(c)通过将聚合物材料应用于经排布的所述天然纤维形成完整的复合片材。
[0005]以下额外的特征和步骤可以独立地或以任何技术上可行的组合与该方法结合使用:
[0006]步骤(a)可以包括将植物源浸泡于包含溶剂的液体中、将经浸泡的所述植物源暴露于蒸汽形式的溶剂、或两者皆有。
[0007]步骤(a)可以包括将竹材浸泡于酸性溶液中、碱性溶液中、或酸性溶液和碱性溶液中。
[0008]所述植物源可以是竹材，并且所述溶剂可以是水，步骤(b)还包括在步骤(a)后的经处理的所述竹材中去除至少一些木质素以形成经加工的竹材的步骤。此外，步骤(c)可以包括将所述经加工的竹材与可流动的热塑性材料一起置于模具中，并且通过将所述可流动的热塑性材料与经加工的竹材在模具中一起加热和压缩而形成所述复合板。当将热塑性材料置于模具中时，所述热塑性材料可以为颗粒形式，而所述纤维的平均长度可以比所述颗粒的长度大至少一个数量级。
[0009]所述完整的复合片材可以是第一复合片材，并且其中所述方法还可以包括使用步骤(a)至步骤(c)形成第二复合片材，然后通过将基本上无天然纤维的聚合物材料片材置于所述第一复合片材和所述第二复合片材之间而形成所述天然纤维复合板。所述第一复合片材的天然纤维可以在与所述第二复合片材的天然纤维不同的方向上进行取向。
[0010]所述聚合物材料可以是聚醚醚酮(PEEK)或低密度聚乙烯(LDPE)。
[0011]步骤(b)可以包括将所述天然纤维排布于网格上，干燥所述纤维，并且从所述网格移除经排布的所述纤维，以及步骤(C)可以包括将所述聚合物材料喷涂于经排布的所述纤维上。
[0012]所述复合板可以使用成型工具进行成形，其可以通过热成型或其它方式来完成。此外，所述复合板可以与一个或多个额外的复合板进行层叠以用于成形步骤。
[0013]根据本发明的另一实施方案，提供了制备天然纤维复合板的方法，包括:(a)通过将竹材浸泡于水性溶剂中、用水性溶剂对竹材进行汽蒸、或两者皆有，从而用所述溶剂处理所述竹材；(b)通过从经处理的所述竹材中去除木质素形成经加工的竹材；(C)将所述经加工的竹材与热塑性材料一起置于模具中；以及(d)通过将所述经加工的竹材与热塑性材料在模具中一起加热和压缩，以使所述经加工的竹材与所述热塑性材料结合，从而形成完整的复合片材。
[0014]以下额外的特征和步骤可以独立地或以任何技术上可行的组合与其它方法结合使用:
[0015]所述方法还可以包括以下步骤:将所述完整的复合片材与包含所述热塑性材料的一个或多个额外的片材层叠在一起；以及将所述经层叠的片材一起加热和压缩以形成所述复合板。
[0016]所述方法还可以使用包含竹材的第一额外的片材和基本上无竹材的第二额外的片材，并且在层叠步骤中可以将第二片材置于所述第一额外的片材与所述完整的复合片材之间。
[0017]此外，所述方法还可以使用至少一个包含竹材的额外的片材，所述额外的片材与所述完整的复合片材层叠在一起，以使得各个片材中的所述竹材以不同方向进行取向。
[0018]根据本发明的另一实施方案，提供了包含多个层的天然纤维复合板，所述多个层中的至少一些层包含通过聚合物材料粘附在一起形成片状形式的取向竹纤维，其中所述层中的至少一层的所述竹纤维以与所述层中的另一层的所述竹纤维不同的方向进行取向。
[0019]所述纤维的平均长度可以是所述板的厚度的至少50倍。所述板可以是汽车面板、除汽车面板之外的交通工具面板、家具面板、器具面板、建筑构造板、运动器材面板或涡轮机面板。
【附图说明】
[0020]以下将结合附图描述示例性实施方案，其中:
[0021 ]图1为制备增强复合板的方法的示例性步骤的示意图；
[0022]图2为制备复合板的另一方法的步骤的示意图；
[0023]图3为使用成形工具对增强复合板进一步成型的示例性步骤的示意图；
[0024]图4为取自图3的放大图；以及
[0025]图5为图4的放大图，显示了通过成形工具成型的复合板。
【具体实施方式】
[0026]制备增强的复合板的示例性方法可以包括以下步骤:用溶剂处理包含天然纤维的植物源，并且加工该经处理的植物源。加工步骤可以包括以各种方式将该天然纤维排布成片状取向。然后将聚合物材料应用于该天然纤维以形成复合片材，并且可以由一个或多个复合片材形成复合板。参照图1和图2描述了这种方法的一些实例。
[0027]在图1的实例中，植物源10为竹鞘，且溶剂为水。该处理包括将竹鞘暴露于以蒸汽形式(即，蒸气)的水和以液体形式的水。在这种实例中，首先将竹材浸泡于浸泡罐20中的溶剂中，以形成包含溶剂和植物源的纤维的浆料30。浸泡过程其本身可以包括将植物源浸泡于包含溶剂的一种以上的溶液中。在一个实施方案中，浸泡过程包括将植物源浸泡于碱性水溶液中，例如氢氧化钠溶液，以及将植物源浸泡于酸性溶液中，例如盐酸。在浸泡步骤之间可以包括冲洗步骤。在一个具体实例中，首先将竹鞘浸泡于NaOH溶液中，用水冲洗，然后浸泡于HC1溶液中以形成浆料。在示例性实例中，将浆料30置于蒸机35中，并且在高温和高压下进行汽蒸。在一些实施方案中，蒸机35中的压力为约30psi，蒸机中的温度为约180°C， 且暴露时间为约1小时。这些参数可以根据例如植物源和天然纤维的类型而改变。
[0028]在暴露于液体形式和蒸汽形式的溶剂之后，通过干燥将纤维加工成片状形式。在示例性实例中，在进行蒸汽处理之前，使用丝网40收集一些浆料30。在纤维仍然湿的时候， 浆料形式的纤维以相对均匀的层粘附于网40上，并由此在网格上具有片状取向。例如，可以将网40浸入浆料中以收集固体纤维材料，同时使多余的水流出。可选地，例如通过使用铺展工具，可以将浆料倾倒在或其它方式铺展在网格上或一些其它表面以用于汽蒸和/或干燥。 使浆料覆盖的网50经受干燥条件，以使得水或其它溶剂可以蒸发。干燥过程可以包括每次将浆料覆盖的网50置于炉子或高压釜中，并且温度足以从浆料中去除任何其余的溶剂，留下所需的天然纤维。一旦液体已经被去除，就可以从网格中剥离或其它方式分离经加工的天然纤维的薄片或毡60。可选地，当纤维60的片从网格移除用于进一步干燥时，浆料的液体可以仅被部分去除。[〇〇29]然后可以将天然纤维60的片嵌入聚合物材料70中或以其它方式使用聚合物材料 70与其结合在一起，该聚合物材料70例如为液体树脂，由此形成完整的复合片材90。在示例性实例中，喷雾器80用聚合物树脂70涂覆纤维60的片。聚合物树脂70在涂覆过程中可以为液体形式，例如溶剂型树脂(例如，环氧树脂)，或为粉末形式。在一个实施方案中，聚合物树脂是热塑性的，并且作为热塑性基质材料以液体形式进行喷涂，以渗透和浸渍经加工的天然纤维60的毡。适当的热塑性基质材料的实例包括低密度聚乙烯或聚芳醚酮或聚酮，例如聚醚醚酮(PEEK)。使聚合物树脂70硬化以得到复合片材90。
[0030]在一个实施方案中，将PEEK在约为聚合物的熔融温度下应用于经干燥的或其它方式加工的纤维60的片上，并且使其在室温下硬化几分钟。可以将硬化过程称为固化过程，而天然纤维的完整的片90可以称为半固化片。根据后续过程的性质，还可以将纤维毡60结合至和/或嵌入可固化的或不饱和的热固性树脂，并在移至额外的片形成过程之前使其仅部分固化。在图1中显示了多个备用于进一步加工或使用的复合片材90。天然纤维复合板95可以是单独的复合片材之一，或其可以包括以热压或其它方式固定在一起的多个复合片材。 [〇〇31]图2例示了该方法的另一实例，包括加工天然纤维，并将聚合物材料70应用于经加工的纤维以形成复合片材90和复合板95。与在图1的实例中一样，用包含溶剂(例如在浸泡罐20中的水和在蒸机35中的水蒸气)的液体和/或蒸汽来处理植物源10。当浸泡于溶剂中和将其暴露于蒸汽两者都采用时，可以将它们按任一顺序进行，并且液体和/或蒸汽可以包括其它成分，例如结合图1所述的那些成分。在这种情况下，在植物源10为竹材时，经处理的植物源15包括竹纤维条。[〇〇32]在该实例中，对经处理的植物源15进行加工包括机械加工45，例如刮削。对于竹材，经处理的材料的这种机械加工可以用于去除经处理的竹材的任何外部鞘、以及至少一些木质素和/或非纤维性纤维素部分。暴露所需的天然纤维，然后可以将其干燥用于随后排布成片状取向，以用于聚合物应用。对于竹材，以及某些其它所需的纤维源，纤维具有微米级的直径，例如为75微米至10微米。
[0033]在该实例中，然后形成完整的复合片材90包括将经加工的纤维或纤维团调整成片状取向，然后在平面模具中或压力下将纤维的片与可流动的聚合物材料70组合。可以将纤维或纤维团排布为一个或多个层60，并且这可以使用纤维或纤维团的单取向(方向)来进行，或使用纤维或纤维团的不同取向来进行。可流动的聚合物材料70可以为如第一实例中的液体形式，或如图2中所示，可以为可与纤维一起倾倒、倾卸、铺展或其它方式置于模具中的颗粒形式。在模制操作过程中采用热和压力以熔化颗粒70并获得所需的厚度，并且将组合的材料冷却以形成完整的复合片材或半固化片90。在一个实施方案中，一个半固化片的最小厚度为约1mm。在一些实施方案中，聚合物材料为LDPE，其熔融温度为约250 V。同样地，可以使用相同的模具制备不包含天然纤维或至少基本上无天然纤维的未增强的聚合物片材85。在其它实例中，可以形成各个包括单向性的纤维60的复合片材90，其随后可以与或可以不与具有以其它方向取向的纤维的其它复合片材层叠以形成完整的板95。
[0034]然后可以将一个或多个复合片材90层叠在一起，并且热压以形成天然纤维复合板95，在一些情况下使用与用于形成单个的片材90相同的模具。在该步骤中，各个单个的片材90可以已经包括以多个方向取向的纤维，或可以将单向的纤维片排布成具有不同方向的纤维。在示例性实例中，额外的未增强的聚合物片材85，其可以包括与用于形成片90相同的热塑性材料或聚合物材料，可以插入待加热和加压的复合片材90之间。未增强的片材85可以以交替的方式与复合片材90层叠，或未增强的片材可以与复合片材以任何其它层叠的组合排布。已证明与用于形成复合片材90相同的聚合物的未增强的片材在层叠复合片材之间具有优良的内层附着力，有助于防止在随后的成型或成形过程中以及在最终预期应用中发生分层。
[0035]图3例示了进一步使复合板95成型或成形的示例性过程。可以用沿着板层的相反侧面布置的加热器100支撑一个或多个复合板95。可以使用层的数目来限定将要成形的板的厚度。加热器100可以是红外加热器或任何其它适当的加热器。加热器100使复合板的聚合物树脂软化，用于为成形过程做准备。在一个实例中，聚合物树脂为PEEK，且复合板在50°(:下加热约2分钟。当然，加热温度和加热时间可以至少基于包含在复合板中的树脂类型而变化。
[0036]然后将经加热的板95置于板成型工具110中以便成形。示例的成型工具110包括第一半部分或上半部分120和第二半部分或下半部分130。在该实例中，上半部分120是可移动的半部分，并且包括冲压机140和坯料夹持器(blank holder) 150。下半部分130是固定的半部分或模具半部分。将复合板95置于成型模130之上，成型模130在如图所示的开口位置处具有成型工具。该工具的上半部分120朝模具半部分130移动，而板95在该板的周边处被加紧于坯料夹持器150与模具半部分130之间。冲压机140继续朝模具130移动，并将经加热的板95塑形为与其所接触的工具表面一致。为了维持经加热的板95的高温，还可以加热模具半部分120、130中之一或两者。在聚合物树脂为于约50 °C下预加热过的PEEK的情况下，如在上述实例中，还可以加热工具半部分120、130，以便至少成形表面为约50°C。板95和工具表面的高温促进所述板的聚合物基质形变，并且使得天然纤维流动且相对于基质重新取向。 在一些情况下，例如通常用无规取向的纤维形成的板，由于通过成形过程纤维重新取向并且彼此更加一致，因此成形的板95’的强度相对于最初置于工具110时的板可以增加。
[0037]在成型过程中可以使用坯料夹持器150帮助控制复合板95的流动，以防止在所述过程中形成皱褶或裂纹。紧紧地夹持，可主要拉伸板95，而不会有来自板的材料从夹持部分流向板的成形部分。在一些情况下可以降低夹持力，以使得来自坯料夹持器150和模具半部分130之间的材料以可控方式流向板的成形部分。在图3和图4的放大图中显示了坯料夹持器150在成型工具中夹持复合板95、95’。图3显示了成形之前的板95,而图4显示了冲压机 140与成形的板95’接触。
[0038]所示例的过程与常规的金属成型过程一致，得到适用于许多应用的天然纤维增强的复合板，所述许多应用包括内部汽车板和外部汽车板。增强的复合板还可以在轻量级交通工具应用(例如，飞机或船只)中用作交通工具面板。因此本文所述的复合板具有金属板和塑料板两者的许多优势，结合了与常规注塑塑料相关的重量减轻、设计自由和低加工成本，和常规片状金属板的高产率。其它可能的应用包括办公家具或家用家具、建筑材料(例如，屋顶地板、围墙、栏杆、护墙板、隔音板等)、家用器具、运动器材和风力涡轮机。可以在远低于注塑所需的温度下、并且用比金属成形所需的更小吨位的成形压力进行本过程。[〇〇39]此外，当纤维通常用于增强的塑料材料时，在复合板中的纤维可以维持在将其引入前述的纤维提取过程中时的原始长度，而不是被切成较短的和可能不太有效的纤维。因此以上所述的纤维加工和浸渍过程是相对温和的过程，在很大程度上维持了天然纤维的原始完整性。例如，当天然纤维成为成型复合板和再成形复合板的一部分时，该天然纤维的热历史相对于纤维在注塑过程中所经历的热历史是温和的，在所述注塑过程中，纤维长时间经受熔融的塑料树脂一首先在混合过程中，并且再次在模塑过程中。复合板的特征在于相对于板厚的最小的纤维长度。在一个实例中，纤维长度与板厚的比值为约50至100,或将近两个数量级。例如，3mm厚的板可以包括约200mm长度的天然纤维。基于最大颗粒尺寸，用于使纤维与聚合物材料组合的常规混合过程和粒化过程将纤维长度限制为仅几毫米，因此严重限制了由此类材料制备的任何成品或板中的纤维长度。在上述过程的实施方案中，例如在图2中所例示的那样，因此纤维长度的特征在于可以具有比颗粒长度大至少一个数量级的长度，其中聚合物材料以颗粒形式与纤维组合。
[0040]然而本文所提出的用竹材作为天然纤维的源，并用PEEK作为聚合物树脂，这些都仅是示例性材料。可以使用其它天然纤维，例如大麻、亚麻或其它韧皮纤维。由于竹材相对于其它天然材料及与诸如碳纤维的人造纤维相比具有相对高的机械性能，因此其在本文中用作实例。例如，竹纤维在纵向方向具有约30GPa的弹性模量。多种聚合物材料同样可以用作浸渍树脂(例如，环氧树脂)。其它的工艺变化包括在煮沸步骤过程中的非水性萃取溶剂、 非碱性溶液;使用非丝网收集精细的浆料用于干燥;不同于喷涂的聚合物浸渍过程(例如， 浸渍涂覆)；以及在高温下的快速干燥和聚合物树脂硬化步骤。可以在一些情况下省略或在其它情况下重复某些加工步骤，而且可以包括未在本文中描述的另外的加工步骤。例如在一些实施方案中，使用溶剂的处理步骤可以仅通过用溶剂浸泡或仅通过用溶剂汽蒸来进行，而不是通过两者都进行。或者，例如，浸泡和汽蒸的顺序可以与图1中所示的相反。
[0041]应当理解的是，以上描述是本发明的一个或多个实施方案。本发明不限于本文所公开的具体实施方案，而仅通过以下权利要求进行限定。此外，以上描述中包含的说明涉及公开的实施方案，并且不应解释为是对本发明的范围、或对权利要求中使用的术语的定义的限制，除非上文对术语或短语进行了明确定义。各种其它实施方案和对所公开的实施方案的各种变化和修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。
[0042]如在本说明书和权利要求书中所使用，当术语“例如/诸如”(e.g.，、for example、 for instancensuch as和like)、以及动词“包含/包括’’(comprising、having、including) 及其它动词形式与一种或多种组分或其它项的列举结合使用时，各自解释为开放性的，意指该列举不应认为是排除其它的、额外的组分或项。此外，术语“电连接”及其变化旨在涵盖无线电连接和经由一个或多个线、电缆或导体进行的电连接(有线连接)两者。其它术语应解释为使用其最广泛合理的含义，除非它们用在需要不同解释的上下文中。
【主权项】
1.制备天然纤维复合板的方法，包括以下步骤:(a)用溶剂处理包含天然纤维的植物源；(b)加工经处理的所述植物源，所述加工包括将所述天然纤维排布成片状取向；以及(c)通过将聚合物材料应用于经排布的所述天然纤维而形成完整的复合片材。2.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括将所述植物源浸泡于包含所述溶剂的液 体中、将经浸泡的所述植物源暴露于蒸汽形式的所述溶剂、或液体和蒸汽形式的所述溶剂。3.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括将竹材浸泡于酸性溶液中、于碱性溶液 中、或酸性溶液和碱性溶液中。4.如权利要求1所述的方法，其中所述植物源是竹材并且所述溶剂是水，以及其中步骤 (b)还包括从步骤(a)后的经处理的所述竹材中去除至少一些木质素以形成经加工的竹材 的步骤。5.如权利要求4所述的方法，其中步骤(c)还包括将所述经加工的竹材与可流动的热塑 性材料置于模具中，并且通过将所述可流动的热塑性材料与所述经加工的竹材在所述模具 中一起加热和压缩而形成所述复合板。6.如权利要求5所述的方法，其中当将所述热塑性材料置于所述模具中时，所述热塑性 材料为颗粒形式，并且所述纤维的平均长度比所述颗粒的长度大至少一个数量级。7.如权利要求1所述的方法，其中所述完整的复合片材是第一复合片材，并且其中所述 方法还包括使用步骤(a)至步骤(c)形成第二复合片材，然后通过将基本上无天然纤维的聚 合物材料的片材置于所述第一复合片材和所述第二复合片材之间，从而形成所述天然纤维 复合板。8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一复合片材的所述天然纤维以与所述第二复 合片材的所述天然纤维不同的方向进行取向。9.如权利要求1所述的方法，其中所述聚合物材料为聚醚醚酮(PEEK)或低密度聚乙烯 (LDPE)〇10.如权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括将所述天然纤维排布于网格上、干燥所 述纤维、并且从所述网格移除经排布的所述纤维，以及其中步骤(c)包括将所述聚合物材料 喷涂于经排布的所述纤维上。11.如权利要求1所述的方法，还包括使用成型工具使所述复合板成形的步骤。12.如权利要求11所述的方法，其中所述成形步骤包括热成型。13.如权利要求11所述的方法，还包括将所述复合板与一个或多个额外的复合板层叠 以用于所述成形步骤的步骤。14.制备天然纤维复合板的方法，包括以下步骤:(a)通过将竹材浸泡于水性溶剂中、用水性溶剂对竹材进行汽蒸、或两者，从而用所述 水性溶剂处理所述竹材；(b)通过从经处理的所述竹材中去除木质素而形成经加工的竹材；(c)将所述经加工的竹材与热塑性材料一起置于模具中；以及(d)通过将所述经加工的竹材与热塑性材料在所述模具中一起加热和压缩，使所述经 加工的竹材与所述热塑性材料结合，从而形成完整的复合片材。15.如权利要求14所述的方法，还包括以下步骤: 将所述完整的复合片材与包含所述热塑性材料的一个或多个额外的片材层叠在一起；以及 将经层叠的所述片材一起加热和压缩以形成所述复合板。16.如权利要求15所述的方法，其中第一额外的片材包含竹材而第二额外的片材不包含竹材，并且在层叠步骤中将第二片材置于所述第一额外的片材与所述完整的复合片材之间。17.如权利要求15所述的方法，其中至少一个额外的片材包含竹材并且与所述完整的复合片材层叠在一起，以使得各个片材中的所述竹材以不同方向进行取向。18.包含多个层的天然纤维复合板，所述多个层中的至少一些层包含被聚合物材料粘附在一起形成片状形式的取向竹纤维，其中所述层中的至少一层的竹纤维以与所述层中的另一层的竹纤维不同的方向进行取向。19.如权利要求18所述的天然纤维复合板，其中所述纤维的平均长度是所述板的厚度的至少50倍。20.如权利要求18所述的天然纤维复合板，其中所述板为汽车面板、除汽车面板之外的交通工具面板、家具面板、器械面板、建筑构造面板、运动器材面板或涡轮机面板。
【文档编号】B27N3/04GK105992680SQ201480051476
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年8月9日
【发明人】米哈艾拉·巴努, 胡仕新, 金泰亨, 杨嵩林
【申请人】密歇根大学董事会, 奥博蒂莫公司