专利名称：来自富含木素的大直径天然纤维的非织造织物复合材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非织造织物复合材料、其制造方法及其用途。更具体而言，其涉及以下非织造织物复合材料所述非织造织物复合材料含有富含木素的大直径天然纤维(包括但不限于椰皮纤维(coir fibers))与由热塑性聚合物制造的纤维的组合，所述非织造织物复合材料诸如聚丙烯并包括由可生物降解的聚合物制造的纤维。授予Mieck和Reussmann的德国专利DE 19711247描述了一种从混纺带(hybrid band)生产长纤维颗粒的方法。该方法包括将亚麻和大麻混纺带移动经过200°C预热区，并将材料牵引经过加热喷嘴，随后冷却。授予Michels和Meister的德国专利DE 4440246描述了一种至少使用热塑性聚合物作为基质材料和纤维素纤维或单纤维作为增强材料来生产纤维增强复合材料的方法。授予Tanabe美国专利5，948，712描述了一种包含硬纤维和热塑性纤维的织物。该织物通过以下方式制造在环境压力下加热硬纤维和热塑性纤维，随后在环境温度下进行压模。得到的织物在任何相当大的力下撕裂，但是生产该织物的两步法是昂贵的。授予Bayer和Koine的德国专利DE 19934377描述了一种生产聚酯加强型聚丙烯化合物的方法，并且涉及含天然材料诸如黄麻、亚麻、大麻或再生纤维素的聚丙烯材料。授予Kitsayama和Yoshinori的德国专利DE 10052693描述了具有天然纤维含量的层压材料和材料，其集中在汽车内部。描述了以下方法，该方法包括将重量为150g/cm2的材料与黄麻纤维和丙烯纤维混合，随后进行针刺，并将所得材料于180°C进行烘烤。然而，该方法昂贵而且产生热塑性材料中心而不是材料均勻分布。美国专利公布2006/0099393描述了一种包括天然纤维的复合热塑性片材，其中所述片材材料包含用热塑性树脂粘合的不连续纤维。授予Mueller等的德国专利DE 10151761描述了一种制造用于高载荷结构材料的半成品纤维加强型热塑性塑料的方法。描述了一种制造热塑性材料的方法，其中将含热塑性基质和长纤维的材料牵引经过罐(pot)以使基质内的纤维定向。随后用红外辐射加热该材料。美国专利公布2007/0116923描述了一种纤维增强型热塑性树脂模制物，其中所述纤维含有纺成纱线的亚麻纤维。Wittig和Retzlaff的德国专利公布DE 102004054228描述了将一组部分粘合/ 成形的天然纤维材料制造成人造材料的方法和制品。该公布描述了一种将天然纤维形成单独的人造功能片的改进方法，所述方法使用胶和在每片中特别设计的通路(opening)。在赤道20°内的国家中，椰子是一种丰富的可再生资源。椰子或椰子实在壳层内生长，壳层为果实提供保护。椰子广泛用于从白色椰肉(称为干椰子肉，如在图1所见) 生产椰子油。壳层中约50%的生物质为纤维形式，其通常被称为椰皮纤维(coir或coir fiber)。壳层经常作为废物被丢弃并焚烧，以温室气体和其它污染物污染大气。用天然纤维如来自椰壳的椰皮纤维代替石油基纤维而不是烧掉这些壳使得本新发明对环境非常友好。当前发明的非织造织物复合材料的最大应用之一是用于汽车部件。通过将具有较高粘流温度(viscous flow temperature)的纤维如聚酯与具有较低粘流温度的纤维如聚丙烯结合，目前制造了用于后备箱垫、地垫、门板、仪表板及其它汽车部件的非织造织物复合材料。这两种纤维均得自石油。本发明涉及用较廉价的富含木素的天然纤维如椰皮纤维代替非织造织物复合材料中具有较高粘流温度的一些或全部石油基纤维，使得该复合材料更可持续且环境友好，并且提供适当的且在一些情况下优于现在正在使用的PP:PET复合材料的物理和机械性能。使用目前用于制造汽车部件的相同模具和加工设备(与目前用于 PPPET毡化材料大致相同的温度和压力)，通过将富含木素的大直径天然纤维如椰皮纤维与由热塑性塑料(诸如聚丙烯或聚乙烯)制成的纤维组合制造的非织造织物复合毡化材料可被压缩模塑成汽车部件，这使得有可能使用本文所述的发明而无缝无障碍地进入用于汽车部件的非织造织物复合材料市场。对于可使用本发明的很多其它行业，这也应当是可行的。本发明的人道主义利益在于其对椰皮纤维产生需求，为其当前通常被烧掉的壳提供一些价值，并因此为一千一百万非常贫穷的椰农提供额外的收入，他们中的很多人依靠每年不到几百美元的收入生活。本发明进一步的环境益处在于其将“使用”在世界一些区域丰富的椰皮纤维并避免作为废物丢弃和焚烧从中提取纤维的椰壳。
发明内容
本发明的一个方面涉及含有富含木素的大直径天然纤维的非织造织物复合材料以及生产此类复合材料的方法。所述非织造织物复合材料可由具有较高粘流温度和降解温度的富含木素的大直径天然纤维与具有较低粘流温度的由热塑性聚合物制成的纤维构成， 所述热塑性聚合物诸如聚丙烯或可生物降解热塑性聚合物纤维诸如聚乳酸。用于热压该复合材料的加工窗口高于所述热塑性聚合物的粘流温度并且是所述天然纤维的降解温度或粘流温度中的较低者。用于热压椰皮纤维和聚丙烯的方法的例子需要下述步骤(1)从椰壳中取出被称为椰皮纤维的天然纤维，其具有相对高的降解温度；( 固定(securing)由再生聚丙烯制成的热塑性纤维，所述热塑性纤维的粘流温度低于椰皮纤维的降解温度；C3)将纤维切割成25-75mm的长度，但是优选50_75mm的长度；(4)掺合磨碎的50_75mm椰皮纤维与聚丙烯纤维，形成非常柔韧的非织造织物材料毡(或非织造织物材料垫)；以及根据应用，(4)使用模具或平印压机，在高于聚丙烯纤维的粘流温度(或熔融温度)的高温对该柔性非织造织物材料毡进行热压，以形成具有所需形状的刚性部件或平板。
下面的附图形成本说明书的一部分并被包括以进一步展示本发明的某些方面。通过参考这些附图中的一个或多个并结合本文呈现的具体实施方式
的详述，可以更好地理解本发明。图1显示打开的椰子和含纤维的壳，该纤维通常被称为椰皮纤维；图2显示包含椰子的打开的椰壳、壳的一部分和长椰皮纤维，所述长椰皮纤维可磨成约50-75mm的长度，以便被加工成本发明的毡化材料；图3显示在掺合之前的短椰皮纤维(左上)和短聚丙烯纤维(左下)，其被梳理并针刺成本发明的毡化材料(右)；图4显示目前广泛使用的由50%聚酯/50%聚丙烯纤维席构成的毡(左)和本发明的由椰皮纤维/聚丙烯纤维构成的毡(右)；图5显示在热压(其与高温下的压缩模塑相同)之前由50wt%椰皮纤维和50wt% 聚丙烯纤维构成的毡化材料，在10X(左)和40X(右)下观察；图6显示由聚酯纤维和聚丙烯纤维制造的非织造织物复合材料(左)以及由椰皮纤维和聚丙烯纤维制造的非织造织物复合材料(右)，每片通过在约207°C和约150psi的压力下热压各自的毡化材料产生。图7显示在180°C (左)以及在220°C (右)热压非织造织物复合材料毡的差异， 其表明40°C的显著差异可干涉PP纤维的流动以及椰皮纤维被PP润湿的程度；图8显示热压的门板(上)、热压的后备箱垫(中)和热压之前的聚酯/丙烯非织造织物复合材料毡(下)。本发明的一个方面将以椰皮纤维取代此类部件中的聚酯纤维；图9显示在热压之后作为非织造织物复合材料的密度函数的抗张强度，采用温度与压力的各种组合以获得密度范围；图10显示在热压之后作为非织造织物复合材料的密度函数的弯曲模量，采用温度与压力的各种组合以获得密度范围。
具体实施例方式定义如本文使用的术语“天然纤维”指的是得自天然的可再生来源诸如植物或动物的任何连续单纤维(filament)。词语“纤维(fiber) ”和“纤维(f ibers) ”互换使用。天然纤维可包括但不限于种子纤维诸如棉花和木棉花；叶纤维诸如剑麻和龙舌兰属；韧皮纤维或皮纤维诸如亚麻、黄麻、洋麻、大麻、苎麻、藤杖、大豆纤维、藤纤维和香蕉纤维；水果纤维诸如椰子纤维；茎秆纤维诸如小麦麦秆、稻米、大麦、竹子、草和树木；兽毛纤维诸如绵羊毛、 山羊毛(山羊绒、马海毛)、羊驼毛、马鬃；丝绸纤维；鸟纤维诸如羽毛。优选地，本发明中使用的天然纤维应当至少具有中等强度和硬度以及良好的延展性。其还应当对低熔点纤维具有足够的粘合，或者是表面可处理的，以增加化学相容性以及在天然纤维与热塑性纤维之间提供适当的粘合。富含木素的天然纤维是特别需要的，优选具有大于约20wt%的木素含量。具有更大直径的纤维也是优选的，以提供更大的纤维硬度和较低密度的毡化材料以及从该毡化材料压成的较低密度部件。如本文使用的短语“椰皮纤维”指的是得自椰子树(Cocos nucifera)的椰壳的任意类型的纤维。如本文使用的短语“具有较高粘流温度的纤维”和“具有较低粘流温度的纤维”指的是各纤维的粘度达到适当低的值以致粘性流相对容易发生时的温度。纤维的降解温度是纤维开始氧化和降解时的温度。这不是唯一的温度但将取决于在温度下的时间，在高温下较短的时间导致稍微较高的降解温度，而在温度下较长的时间导致较低的降解温度。在本发明中定义的热压非织造织物复合材料的加工窗口将处于热塑性纤维(其与天然纤维相比必须具有更低的粘流温度)的粘流温度和天然纤维的降解温度或粘流温度中的较低者之间。一般而言，热压使用天然纤维和热塑性纤维制造的非织造织物复合材料的加工窗口具有加工上限，其为天然纤维的降解温度(对于天然纤维而言，该温度通常比粘性流易于发生时的温度低)，而且下限将取决于热塑性纤维的粘流温度，在该粘流温度时将在特定压力下发生这些热塑性纤维的充分流动以粘合天然纤维。如本文使用的短语“非织造织物复合材料”指的是包含两种或多种既非编织也非针织的纤维的任何材料，也就是说，纤维已进行掺合并铺设成缠结形式，其中纤维在垫或如通常所称的毡中随意定向。50-75mm的长纤维在高温下通过化学、机械、压力粘结在一起，而不需要任何表面处理或者在表面处理之后施加压力和温度以增强两种类型纤维之间的粘合。所述复合材料可以以两种形式存在非常柔韧的毡(或垫)以及通过热压(或压缩模塑)产生的更刚性的形式。所述非织造织物复合材料不应当与由聚合物的连续基质与增强塑料的间断式纤维构成的常规纤维增强塑料复合材料混为一谈。所述非织造织物复合材料由两种或多种类型的纤维的掺合组成而不是由一种纤维类型在粘性聚合物熔体中的混合物(其随后冷却为用纤维增强的固体塑料)组成。如本文使用的术语“热塑性聚合物纤维”指的是包含在较高温度下易于形成的聚合物的任意纤维，因为其粘度随着增加的温度单一性减小，并迅速高于熔融温度。比较而言，热固性聚合物在加热时发生化学反应，并且随后不能被容易地形成。为本发明的目的， 热塑性聚合物包括但不限于聚丙烯(“PP”)、聚乙烯(“PE”)和聚乳酸。在本专利中提供的纤维的比率为重量分数。因此，混合物中50 50的纤维A与纤维B之比表示混合物中总质量的50%由纤维A组成，而混合物中总质量的50%由纤维B 组成。本发明中重量比的范围为从20 80至95 5的椰皮纤维比热塑性纤维。椰皮纤维越多，非织造织物复合材料毡的密度越低，且非织造织物复合材料毡在其进行热压成部件形状之后的密度越低。在旨在通过热压(或者将毡化材料转化成刚性材料的其它高温成形方法)制成更高密度、更刚性部件的非织造织物复合材料的一个优选实施方式中，本发明涉及由下述构成的非织造织物复合材料(1)天然纤维，其与热塑性纤维相比具有相对更高的粘流温度和/或生物降解温度，在大致室温下缠结在一起；和( 具有较低粘流温度的热塑性纤维， 其优选由回收材料或由作为可生物降解纤维的热塑性纤维制造。在优选实施方式中，天然纤维可包含具有相对较大直径的富含木素的天然纤维诸如椰皮纤维，而热塑性纤维可以是聚丙烯(“PP”)或聚乙烯(“PE”)或可生物降解纤维诸如聚乳酸(“PLA”)，或者它们的混合物。此类复合材料可用在汽车部件和其它产品诸如通过高温压缩模塑制造的那些产品中。在第二优选实施方式中，其中非织造织物复合材料要以低密度、柔软、柔性形式使用，并且因此无需进行热压成刚性部件，富含木素的大直径纤维诸如椰皮纤维可以单独使用或少量添加(5-30%)任意其它纤维(不必是热塑性的，但可以是聚酯纤维诸如PET)，但是优选是具有小直径的纤维以便于加工，以及更优选第二种天然纤维以制造更环境友好的非织造织物复合材料。如在该第二实施方式中所述的柔性非织造织物复合材料可用于诸如绝缘、 包装减震或儿童玩具中的填料等应用。富含木素的天然纤维具有一些与众不同的物理和机械性能，其在特定应用中可以非常有益。首先，富含木素纤维不像更富含纤维素的天然纤维那样迅速燃烧。第二，富含木素纤维较不易于产生由于霉菌和其它微生物引起的气味。第三，富含木素纤维当暴露于水时更耐用。例如，与亚麻(2. 8wt% )、剑麻(10wt% )、黄麻(12wt% )、洋麻(15wt% )或棉花(15Wt% )相比，椰皮纤维是含33wt%木素的富含木素纤维。具有较大直径的纤维对非织造织物复合材料的一些应用也具有优势。具有较大直径的纤维弯曲时更硬而且具有更多弹性。其椰将不同地加工成非织造织物，与用均是较小直径的纤维制造的非织造织物相比，其因纤维硬度而得到较低密度毡化材料。热压之后，用包括一些较大直径纤维的混合物制造的非织造织物与完全用小直径纤维制造的非织造织物相比也具有低得多的密度。椰皮纤维也具有比大部分天然或合成纤维大得多的平均直径，相比具有 40 μ m 直径的大部分天然或合成纤维，其直径在 150 μ m至约500 μ m的范围内。椰皮纤维也具有吸引人的机械性能，包括与大部分天然纤维的1-2%的伸长率相比的 15-20%的伸长率。富含木素的纤维(例如椰皮纤维)可被引入两类非织造织物复合材料中(1)作为毡化或缠结形式的非织造织物复合材料生产和使用的那些复合材料，其是柔软且柔性的，和( 作为毡化形式的非织造织物复合材料生产但是随后将在高温下被模塑成刚性部件或板的那些复合材料。对于将在高温下模塑成更刚性部件的非织造织物复合材料，与富含木素的天然纤维掺合的第二种类型纤维的粘流温度(有时称为熔融温度)必须低于天然纤维降解时的温度，并且该降解温度取决于在加工期间纤维处于最大模塑温度下的时间长度。较高的模塑温度可忍受较短时间，而较低模塑时间可忍受较长时间。由聚丙烯、聚乙烯或者两种单体的共聚物制造的纤维在低于富含木素的纤维诸如椰皮纤维的降解之下的温度下流动。此外， 由回收材料(recycled materials)制造的这些纤维具有大量供应。如在本发明中，当富含木素的纤维诸如椰皮纤维与从回收材料制造的聚丙烯纤维结合时，所得到的非织造织物复合材料的确是非常环境友好的。I使用天然纤维的非织造织物复合材料在优选实施方式中，本发明包括非织造织物复合材料，其包含至少两种类型纤维的掺合物，一种纤维具有较高的降解温度或粘流温度，而另一种纤维具有较低的粘流温度。 具有较高的粘流温度或降解温度的纤维是天然纤维，优选椰皮纤维，并且可以与一些较高温度粘性流热塑性纤维诸如“PET”或聚酯纤维物理混合(诸如在进料斗中)。具有较低粘流温度的纤维可以是热塑性纤维，诸如聚丙烯(“PP”)、聚乙烯(“PE”)、聚乳酸(“PLA”) 或其混合物。因此，所述非织造织物复合材料可包括椰皮纤维、PP和PET的混合物。天然纤维和热塑性纤维的长度可从约IOmm变化至100mm，优选约25mm至约75mm。 同样，优选地，天然纤维和热塑性纤维具有大约相同的长度。热塑性纤维可具有约30 μ m至约50 μ m的直径。通过下述方法，不同类型的纤维可以被制成以毡的形式粘着，或缠结在一起 热粘合
·使用大型烘箱进行固化 通过热辊压延(当与纺粘(spunlaid)结合时成为称为纺粘(spunbond))，压延机可以是光滑表面的，用于全部粘合，或者可以是压花的，用于更柔软、更耐撕裂的粘结 水刺法借助喷水纤维机械缠结(称为射流喷网成布) 超声波提花粘合(Ultrasonic pattern bonding)，通常用于高蓬松度或织物绝
缘/床垫/床上用品 针刺毡(Needled felt or needle punched felt):借助针推动纤维，纤维机械缠结，穿过毡的厚度纤维铺设在毡的平面中，增加了毡中纤维的粘结 化学粘合(湿法成网法)使用粘合剂(诸如胶乳乳液或溶液聚合物)化学连接纤维。更昂贵的途径使用软化或熔融的粘合用纤维或粉末，以将其它不熔融纤维保持在一起 一种棉纤维非织造织物用氢氧化钠处理以收缩粘合垫，苛性碱引起纤维素基纤维在彼此周围卷曲并收缩作为粘合技术 熔喷或空气梳理(air carding)将两种或多种类型的纤维随意铺设成缠结或毡化材料，所述纤维自空气抽长的纤维非常弱地粘合，所述纤维在纤维网形成过程中使用自身以及随着它们随意铺设其具有的临时粘性而互相缠结 一种不寻常的聚酰胺纺粘非织造织物(Cerex)使用气相酸自身粘合。在本发明的非织造织物复合材料中，有四种优选的方法使两种或更多种类型的纤维粘结。首先，非织造织物可以被随意铺设成松散的垫，其中纤维都位于平行平面中。然后，针刺使一些纤维弯曲并将它们部分或全部推动经过垫的厚度，使垫更粘结，赋予其非常适度的拉伸强度但是高柔性用于处理目的，并使其易于压缩模塑。此类缠结材料也适合绝缘、填料和需要低强度和低密度的其它应用。该方法中的纤维未被真正粘结，而只是被充分地机械缠结，以作为“半机械粘结”起作用。连接纤维的第二种方式也在纤维之间产生弱粘结，再次具有低强度和密度，其使用多种粘合剂，所述粘合剂在空气梳理纤维过程中可以被喷涂，这使得它们是“粘性的”并在纤维之间产生非常弱的连接，再次使得缠结或毡化材料强度低，但具有高柔性，良好用于绝缘、填料和其它类似应用。第三种方式是热压，纤维可以被连接，导致高得多的强度和硬度，制成刚性部件，热压引起热塑性纤维局部熔融并流动，润湿邻近的天然纤维，有效地将整个纤维网络“胶粘”在一起成为刚性网，赋予热压部件显著的强度和硬度。第四种方法通过增强天然纤维与热塑性纤维之间的粘合赋予非织造织物复合材料最高的强度和硬度。这可以通过使用天然纤维的化学脱垢来完成，例如去除椰皮纤维上存在的蜡质覆层，以及通过使用化学增容剂处理天然或热塑性纤维来完成；例如使用马来酐以制造与聚丙烯的接枝共聚物，因为马来酐可以化学反应而与洁净的椰皮纤维(但是并非具有蜡质覆层的椰皮纤维)形成强结合，产生的界面强度是所观察到的聚丙烯和未被清洁的椰皮纤维的三倍。毡化材料仍然必须进行热压以达到这种高拉伸强度和硬度，因为热塑性塑料的流动是增加两种纤维之间的界面结合所必需的。本发明的非织造织物复合材料可以以纤维、面密度和每种纤维的重量百分比的各种组合来制造，这取决于所需的应用和物理与机械性能的特定类型。对于汽车应用，例如， 后备箱垫较软，门板适度硬，而仪表板需要最大硬度。对于不进行热压的非织造织物复合材料(例如建筑物绝缘、包装减震)，根本不必使用热塑性纤维而且天然纤维的降解温度较不重要，因为不需要高温加工。II使用天然纤维生产非织造织物复合材料的方法在进一步优选的实施方式中，本发明包括使用具有较高粘流温度的纤维和较低粘流温度的纤维生产非织造织物复合材料的方法。较高熔点纤维是优选富含木素的大直径天然纤维，更优选椰皮纤维。该方法包括下述步骤(1)获得具有足够高的粘流温度和降解温度并具有合适的硬度、强度和延展性组合的天然纤维(见图幻；(2)将该较高熔点纤维研磨成由待要使用的加工设备确定的所需的纤维长度，以便随后制造毡化材料，在开发本发明中使用的梳理和针刺设备中该纤维长度为50-75mm(图幻；(3)混合该具有较高粘流温度的磨碎天然纤维与热塑性纤维，该热塑性纤维已经被切割成类似长度并具有较低的粘流温度；(4)使用梳理和针刺、如前面所述的使用轻量粘合剂的空气梳理或其它任何合适的工艺，从掺合的纤维产生缠结(或毡化)材料(图4和5)；以及如果需要，(5)在压模机中使用模具(赋予部件所需的形状)热压毡化材料，其中毡化材料处于合适的温度和压力下，因此非织造织物复合材料呈现特定部件所需的刚性形状(图6)。将非织造织物复合材料毡热压成刚性部件的最关键参数是压制温度。当PP片使用热成型来成形时，其通常在165°C与180°C之间的温度下形成，因为所使用的PP是全同立构、半结晶聚合物，其结晶区在该温度范围熔融。当晶体熔融时，粘性流仅可以在半结晶PP 中容易地发生，而且在各种全同立构PP中这发生在165°C与180°C之间。实际上，在170°C 与180°C之间，PP的粘度降低500因子，其性质从硬的橡胶状固体变成粘性液体3。如果在太低的温度下压制，则晶体使得永久形状变化(通过粘性变形)难于产生。如果在太高的温度下压制(在文献中通常被认为> 180°C )，则所产生的低粘度引起相当大的塌陷(流挂， sagging)。因此，人们可能假定，对于压缩模塑含聚丙烯纤维作为较低粘流温度组分的非织造织物复合材料毡而言，该温度范围是最佳的。令人惊讶地，这已经证实并非是这种情况。压缩模塑由椰皮纤维和聚丙烯纤维制造的非织造织物复合材料毡的适宜温度和压力取决于应用以及最佳适合应用的机械和物理性质组合。对于需要绝热或隔音的一些应用，可直接使用毡，而无需热压，并且毡的椰皮纤维含量可以非常高(80 20至95 5)，与椰皮纤维掺合的纤维也是天然纤维，其具有较低直径(优选< 80 μ m)，以便于加工成毡化材料。在冲击过程中能量吸收是主要功能的一些包装应用也可使用密度为 0. 15g/cm3的富含椰皮纤维的毡，无需热压，热压增加非织造织物复合材料的密度。冲击过程中的能量吸收、绝热性质(即，低导热性)和隔音特性(即，低声音传递系数)在低密度下都被最优化， 优选采用还未进行热压成更密集且刚性材料的非织造织物复合材料毡，这产生的机械性能最小但对于这类应用是不必要的。椰皮纤维的大纤维直径提供大的绝缘弹性(resilience to insulation)，最小化随时间发生的堆积和沉淀(packing and settling)，这允许绝缘保持其“R”值。R计算为绝缘厚度除以绝缘的导热系数。为获得改进的机械性能，非织造织物复合毡化材料需要进行热压或压缩模塑以增加密度(每平方厘米更多纤维，以支撑载荷)以及将毡中的椰皮纤维和聚丙烯纤维稳固地彼此连接(如前所述，通过增加两种纤维被“粘接”之处的接触面积)，形成坚固的网。随着压制温度从180°C增加至约240°C和压力从25psi增加至300psi或更大，压模毡的密度从约0. 3g/cm3增加至0. 7g/cm3或更大。应当注意，通常用于热成型聚丙烯片的高于170°C -180°C温度范围的温度对获得聚丙烯纤维的充分流动以稳固连接纤维是必要的，其产生坚硬的网。聚丙烯与椰皮纤维的流动差异以及聚丙烯纤维流动时其对椰皮纤维的润湿见图7。不施加压力的情况下加热非织造织物复合毡化材料至180°C将产生聚丙烯的不足流动(或者加热至无论何种热塑性纤维被用于将纤维网络“胶粘”在一起的熔融温度)，从而在热塑性纤维覆盖天然纤维的地方产生坚固接头，导致强度和硬度不足。总而言之，无压力下加热非织造织物复合毡材料至180°C对期望低密度毡的应用是不必要的，而对需要具有较好拉伸强度和硬度的更刚性部件的较高密度应用是不适当的。在所有优选的实施方式中，天然纤维具有较大直径(大部分纤维在100 μ m以上) 并具有较高的木素含量(> 20% )，更优选椰皮纤维。在将进行热压的非织造织物复合材料的优选实施方式中，具有较低粘流温度的纤维是热塑性纤维，优选石油基聚合物纤维，最优选聚丙烯(PP)。实施例1第一实施例涉及非织造织物复合材料的压模部件，该非织造织物复合材料使用富含木素的大直径天然纤维和粘流温度显著低于该天然纤维的降解温度的热塑性塑料。非织造织物复合材料毡的生产-将天然纤维和热塑性纤维切割成取决于待用于制造非织造织物复合材料毡的设备的长度，通常长度在25mm与75mm之间。将这两种类型的纤维掺合在一起成为天然纤维和热塑性纤维的混合物。天然纤维与热塑性纤维之比可以是按重量计50 50，但是可以在 20 80至95 05的范围内，这取决于所需的机械性能组合。毡(或垫)形式的非织造织物复合材料可以从掺合纤维制造，使用梳理和针刺以将梳理层粘合在一起，或者使用空气梳理，使用轻量喷涂的粘合剂将纤维粘合在一起。所述毡可以以多达1.5-2. Om的宽度(或者更多，取决于所使用的设备)和便于运送的任意长度生产。例如，可以生产an宽乘以:3m 长的垫，堆叠在滑板(skids)上并收缩卷绕用于运送。可选地，可以做成用于运送的方便尺寸(例如，1.5m宽乘以IOOm长)的卷并收缩卷绕用于运送。因为纤维仅仅通过针刺或非常轻量粘合剂被保持在一起，以这些方式制造的非织造织物复合材料的毡非常柔软，允许其以适合运送的卷来生产，而且更重要地，其具有必要的柔韧性，以便当随后在热塑性纤维的粘流温度与天然纤维的降解温度之间的高温下进行热压时呈现模的形状。重要的是注意在生产非织造织物复合材料毡的过程中纤维不被加热(除非使用非常适度的加热来固化喷涂粘合剂或以一些其它方式施加的粘合剂以使纤维粘着，代替使用针刺赋予毡相当的内聚力)。应当注意，在缺乏压力下加热毡化材料至热塑性纤维的熔融温度以增加纤维之间的粘合从而增强毡的粘结力是不必要的，这将降低毡的柔韧性，并且在加工上将引起不必要的花费。在针刺之后在热压之前非织造织物复合材料毡的堆积密度通常在0. 1与0. 2g/ cm3之间。在高温下将毡随后热压成刚性部件之后，成品织物可以被加至毡化材料，以生产美观上更令人愉快的部件。成品织物通常是 200g/m2，并且在毡随后被压缩模塑的温度下不应当降解，因为其通常是纯聚酯。非织造织物复合材料压缩模塑成部件-随后从卷切割合适尺寸的非织造织物复合材料毡片并加热至合适的温度——该温度高于热塑性纤维容易表现粘性流时的温度(对于聚丙烯，> 180°C )但低于天然纤维的降解温度(对于椰皮纤维，其为 M0°C，取决于温度下的时间)，并使用合适的模具热压成所需的形状。在缺乏压力下加热至180°C产生的聚丙烯纤维流动不足以增加密度或将随机定向的非织造纤维连接成刚性网。因此，例如，对于与聚丙烯纤维掺合的椰皮纤维，温度范围为约180°C至约M0°C，优选地，从180°之上至约。压缩模塑压力可以在约25psi 至约400psi或更大的范围。所采用的温度与压力的特定组合取决于赋予特定一组物理和机械性能所需的热压密度。压模非织造织物复合材料部件的的密度通常在0. 3与0. 7gm/ cm3之间，这取决于温度、压力和在加工中所用的压力下的时间的组合。机械、热和声性质都随密度显著变化，通过选择合适的加工条件这允许所述性质适合特定应用的需要，如在图9 和10中所见。例如，汽车后备箱垫可以用面密度为1000g/m2的毡形式的椰皮纤维和聚丙烯纤维的非织造织物复合材料制造，该毡随后已经被压缩模塑成2mm厚度和0. 5g/cm3密度。 汽车的仪表板可以用面密度为2000g/m2的椰皮纤维和聚丙烯纤维的非织造织物复合材料毡制造，该毡已经被压缩模塑成3. 4mm的厚度和0. 6g/cm3的堆密度，这取决于具体设计以及所需的物理和机械性能组合。如果期望，在热塑性纤维的制造过程中可以加入工业着色剂或染料，以赋予非织造织物复合材料毡一定的颜色。优选的富含木素的大直径天然纤维是椰皮纤维，优选的热塑性纤维是用于汽车后备箱垫的聚丙烯。这两种纤维可以进行掺合，作为非织造织物生产，该非织造织物然后被针刺以增加非织造织物复合材料毡的粘结力，如上所述。其随后可以在合适的温度和压力下热压成多种汽车用产品(例如，后备箱垫、门板、仪表板、车顶内衬、组合支架(package carriers)、底板、挡泥板等)以及通过热压该非织造织物复合材料而生产的其它产品，诸如卡车和拖拉机驾驶室的内部或儿童玩具。已经由非织造织物复合材料毡热压的汽车部件见图8。实施例2第二实施例涉及可以从(1-12. 5mm或可能更厚)非织造织物复合材料刚性片材制造的产品，其使用富含木素的大直径天然纤维(例如椰皮纤维)并结合热塑性纤维(例如聚丙烯)。使用在实施例1中所述的方法，非织造织物复合材料毡由富含木素的大直径天然纤维如椰皮纤维和热塑性纤维如聚丙烯制造，所述聚丙烯具有充分低于椰皮纤维的降解温度的粘流温度。所述由天然纤维和热塑性纤维制造的非织造织物复合材料毡(或垫)使用压力和温度的组合可以被压成平坦的刚性片材(与在压缩模塑中制造的更复杂形状不同)，以获得将产生所需的机械和物理性质组合的密度，如前所述。该平坦的非织造织物复合材料片材可用于建筑材料，诸如墙板、天花板、家具和其它应用，其需要具有中等强度和硬度和/或低声音传递系数以及低导热性的轻质复合材料。实施例3第三实施例涉及可以用已经使用富含木素的大直径天然纤维(例如椰皮纤维)制造非织造织物复合材料毡制造的产品，但是其中所述毡不在高温和压力下加工以制造刚性复合材料如实施例1和2所述的那些。非织造织物复合材料毡主要(> 80% )由富含木素的大直径天然纤维制造。如果所述毡被空气梳理，其中纤维通过喷涂粘合剂而被保持在一起，则该毡可以由100%富含木素的天然纤维(例如椰皮纤维)制造。如果所述非织造织物复合材料由富含木素的大直径(150-500um)纤维如椰皮纤维制造，则毡可以通过梳理和针刺生产，但是可能需要0-20% 具有较小直径( 40um)的天然纤维，诸如洋麻，所述天然纤维更柔韧并且在针刺以穿透经过厚度过程中容易弯曲，赋予毡粘结性。所述毡不必包括热塑性纤维，因为对于这些应用， 如在实施例1和2中进行的热压以产生高密度刚性材料是不合需要的。为热塑性塑料的较少量( 5%)的第三种纤维可以被引入以熔化然后将两种天然纤维粘结在一起，这将需要加热至熔化第三种纤维所需的温度，但并非热压。在这种应用中，重点在于产品要求非常低的导热性、低的声音传递系数和/或高水平减震用于能量吸收。非常低密度的机织织物复合材料达到这些性质；也就是说，毡随后不会在较高温度和压力下被加工成较高密度的刚性材料。富含木素的主要(或专有地)为大直径的天然纤维如椰皮纤维的非织造织物复合材料的应用包括建筑物/住宅绝缘、总布置包装(packing for packaging)和汽车中的引擎(under-the-hood)应用。实施例4本专利的一种应用是用于汽车工业的复合材料。具体而言，后备箱垫、卡车装饰、 卡车罩内衬、门板和地垫都是可以开发的潜在应用，如在下面所述。每种部件可能需要不同的强度和硬度，因此需要所使用的两种纤维的百分比稍微不同OO 80至80 20)以及热压温度不同O00°C-23(rC)，以达到所需的不同性质。这种多功能性是本发明的另一优势。在该实施例中，在掺合过程中使天然椰皮纤维与石油基聚丙烯(PP)纤维结合(图 3)，该过程产生掺合但非织造椰皮纤维和PP纤维的垫(图3)，其面密度为lOOOg/cm2。椰皮纤维限于约对01的热压温度，这取决于氧化降解的热压时间。聚丙烯纤维具有较低的粘流温度，其粘度在170°C与180°C之间显著降低500X，因为该半结晶聚合物中的晶体熔融。如前所述，180°C或更少是片状聚丙烯的通常的热成型(或热压)温度。这种温度限制是由于高于180°C时PP片中的塌陷问题(sag issues)。然而，如前面所解释的，该温度太低以至于不能制造具有合适的强度和硬度组合的PP:椰皮纤维非织造织物复合材料， 因为在180°C，存在相对很少的PP纤维流动，如在图7所见，其中显示220°C下的流动进行比较。注意在180°C无任何压力时，将椰皮纤维牢固结合成坚硬的网所必需的聚丙烯纤维流动非常少。对于该应用，PP粘度足够低是必要的，不仅仅是使PP纤维在100至150psi的中等压力下流动。此外，PP纤维的流动必须是足够的以润湿椰皮纤维，从而有效地将椰皮纤维“胶粘”在一起，产生具有适度强度和硬度的网结构。流动的程度可以通过增加热压温度来增加，如在图7所见，其中PP在180°C的流动程度可以与PP在220°C的流动程度进行比较。在180°C下热压的样品的强度和硬度比在220°C下热压的样品小得多(见图7)。在商业生产中，在图4和图8中所见的缠结材料(穿过底部的条)被压成汽车部件，如在图8中所呈现的后备箱垫和门板。缠结材料在炉中被加热至规定的热压温度，然后放置进热压单元中，该热压单元具有产生所需的部件形状的模具。通常，模具表面也被加热，但是加热至比所述规定热压温度低的温度，以便于更迅速冷却和降低循环时间。加热的材料也可在冷模中压制。仅用一种类型的纤维制造的薄的成品非织造织物可使用缝纫连接至缠结的纤维掺合物，如图4所见，所述纤维具有比待使用的热压温度高的粘流温度。在热压过程中，这种机织织物未受影响，但是变得甚至更牢固地连接至热压复合材料，这是因为在成品织物与复合材料衬背之间的界面上的PP流动。得到的板中等硬度，具吸引人的织物整理，因此该热成形部件准备被安装到汽车中，而无需进一步加工。引用的参考文献下列参考文献通过参考特定并入本文，其程度如同它们提供示例性步骤或其它细节，对本文所述的那些进行补充。美国专利文件美国专利6，939，903，2005年9月6日授权，Sigworth等列为发明人。美国专利6，682，673，2004年1月27日授权，Skwiercz列为发明人。美国专利6，648，363，2003年11月18日授权，Gordon列为发明人。美国专利5，948，712，1999年9月7日授权，Tanab列为发明人。美国专利5，709，925，1998年1月20日授权，Spengler列为发明人。美国专利5，976，646，1999年11月2日授权，Stevens列为发明人。美国专利公布2008/0081188,2008年4月3日授权，Chang列为发明人。美国专利公布2007/0116923,2007年5月24日公布，Kasuya列为发明人。美国专利公布2004/0185239，2004年9月23日公布，Nakamura列为发明人。非专利文件1. Polymer Data Handbook. , Editor :Mark, James E. (New York :0xford University Press),1999.2. Polymer Handbook, 4th Edition, Editors :J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke. (New York John Wiley & Sons，Inc), 1999.3. Throne, Jim, "Let' s Thermoform Polypropylene", A Technical Minute. Copyright 2007 Sherwood Technologies, throneifoammandform. com.4. Parikh, D.V. et al. “Thermoformab1e automotive composites containing kenaf and other cellulosic fibers，，Textile Research Journal, August 2002.
权利要求
1.一种非织造织物复合材料，其包含天然纤维和由合成热塑性聚合物制造的纤维，其中所述天然纤维和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维缠结在一起，并且其中所述天然纤维的粘流温度和降解温度高于所述由合成热塑性聚合物制造的纤维的粘流温度和降解温度。
2.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维已与聚酯纤维混合。
3.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维的长度为约25mm至约75mm。
4.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维的直径是约150μ m至约 500 μ m。
5.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维使用以下方式缠结在一起梳理和针刺、旋风气流沉积、化学处理、热处理或溶剂处理。
6.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维具有约33wt.%的木素含量。
7.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维是椰皮纤维。
8.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述合成热塑性聚合物是聚丙烯、 聚乙烯、聚乳酸或其混合物。
9.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述合成热塑性聚合物是聚丙烯。
10.如权利要求1所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维与所述由合成热塑性聚合物制造的纤维的重量比是约95 5至约20 80。
11.一种非织造织物复合材料，其包含椰皮纤维和由合成热塑性聚合物制造的纤维，其中所述椰皮纤维和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维缠结在一起；所述椰皮纤维具有约150 μ m至约500 μ m的直径以及约25mm至约75mm的长度；和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维是直径为约30 μ m至约50 μ m且长度为约25mm 至约75mm的聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸或其混合物。
12.一种热压非织造织物复合材料，其包含天然纤维和由合成热塑性聚合物制造的纤维，其中所述天然纤维和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维缠结在一起并进行热压，并且其中所述天然纤维的粘流温度和降解温度高于所述由合成热塑性聚合物制造的纤维的粘流温度和降解温度。
13.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述天然纤维和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维的长度为约25mm至约75mm。
14.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述天然纤维的直径是约 150 μ m 至约 500 μ m。
15.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述天然纤维具有约 33wt. %的木素含量。
16.如权利要求12所述的非织造织物复合材料，其中所述天然纤维是椰皮纤维。
17.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述天然纤维是椰皮纤维。
18.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述合成热塑性聚合物是聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸或其混合物。
19.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述合成热塑性聚合物是聚丙烯。
20.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述天然纤维与由所述合成热塑性聚合物制造的纤维的重量比是约95 5至约20 80。
21.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述缠结的天然纤维和由合成热塑性聚合物制造的纤维在约180°C至约240°C及更高范围内的温度进行热压。
22.如权利要求12所述的热压非织造织物复合材料，其中所述缠结的天然纤维与由合成热塑性聚合物制造的纤维在约25psi至约400psi及更高范围内的压力下进行热压。
23.一种热压非织造织物复合材料，其包含 椰皮纤维和由合成热塑性聚合物制造的纤维， 其中所述椰皮纤维和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维缠结在一起并进行热压； 所述椰皮纤维具有约150 μ m至约500 μ m的直径以及约25mm至约75mm的长度；和所述由合成热塑性聚合物制造的纤维是直径为约30 μ m至约50 μ m且长度为约25mm 至约75mm的聚乙烯、聚丙烯或聚乳酸。
24.一种制造非织造织物复合材料的方法，其包括获得天然纤维，所述天然纤维具有足够高的粘流温度和降解温度，具有合适的硬度、强度和延展性的组合；将所述较高熔点的天然纤维研磨成所需的纤维长度；将经研磨的天然纤维与热塑性纤维混合，其中所述热塑性纤维切割成与天然纤维长度类似的长度，并且其中所述热塑性纤维的粘流温度低于所述天然纤维的粘流温度和降解温度；使用梳理和针刺、用轻胶喷涂的纤维的气流沉积或其它方法，由所述混合的纤维产生缠结或毡化的材料，以提供缠结的非织造织物复合材料。
25.如权利要求M所述的方法，其中将所述天然纤维剥除其蜡质覆层，并且用化学增容剂处理所述天然纤维或所述热塑性纤维以产生接枝共聚物。
26.如权利要求M所述的方法，其中所述天然纤维已与聚酯纤维混合。
27.一种制造热压非织造织物复合材料的方法将权利要求M所述的缠结的非织造织物复合材料使用模具在压模机中在合适的温度进行热压，由此使所述非织造织物复合材料变成具有所述模具形状的刚性部件。
全文摘要
本发明公开了一种含天然纤维的非织造织物复合材料及生产此类复合材料的方法。所述非织造织物复合材料由具有高粘流温度和高降解温度的富含木素的大直径天然纤维与由热塑性聚合物制成的具有较低粘流温度的纤维组合构成，所述热塑性聚合物诸如聚丙烯、聚乙烯或可生物降解的热塑性聚合物纤维(诸如聚乳酸)、或者它们的混合物。本发明还公开了一种由所述非织造织物织物复合材料制造的热压非织造织物复合材料。
文档编号D04H1/42GK102239284SQ200980148712
公开日2011年11月9日 申请日期2009年10月6日 优先权日2008年10月6日
发明者戴维.S.格里尔, 沃尔特.布拉德利 申请人:贝勒大学