本发明涉及一种聚合物复合材料板及其制备方法，具体涉及一种短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板及其制备方法，属于复合材料领域。
背景技术：
近年来，随着车用材料的轻量化及新能源汽车的蓬勃发展，以碳纤维为增强材料的聚合物基复合材料板材在汽车工业中的用量迅速上升，应用范围已经从汽车传统的外饰件、内饰件、空调件扩展到包括发动机和底盘在内的结构件等诸多零部件。
目前汽车行业使用的复合材料以碳纤(长纤)增强热固性聚合物基复合材料为主。而车用高分子材料今后的重点发展方向除轻量化、高性能化以外，对材料的环保性及可回收性也提出更高要求。热塑性聚合物与热固性聚合物相比，具有很好的可回收性；以麻纤维为代表的植物纤维具有生物分解性，可以加速复合材料废弃物的降解，具有较好的环保性。如果将植物纤维与碳纤维在热塑性聚合物中混合使用，可以兼顾性能、环保以及可回收要求，在汽车行业中有广阔的应用前景。
与长纤维/聚合物复合材料相比，短切纤维/聚合物复合材料更具有自动化生产及成本优势。通常来说，短切纤维包括了所有长度较短的无机纤维及有机纤维，短切纤维是将长纤维经纤维切断设备短切而成，其范围涵盖所有长度较短的无机或有机纤维。但是，将短切植物纤维、短切碳纤维与热塑性聚合物直接混合后制备的复合材料板力学性能并不令人满意。主要原因在于：短切植物纤维、短切碳纤维均容易聚集成团，两者同时加入热塑性聚合物中会导致混料难度增大，且很难在热塑性聚合物中分散均匀，从而使复合材料板性能劣化。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板，解决短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板的力学性能不强等问题。
本发明还提供该短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板的制备方法，解决短切植物纤维、短切碳纤维与热塑性聚合物混料加工困难，质量难以控制的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种短麻切纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板，其特征在于，为夹芯结构，由上、下表层和中间芯层热压制成；所述上、下表层为短切麻纤维/热塑性聚合物片料，中间芯层为短切碳纤维/热塑性聚合物片料。
进一步，所述短切麻纤维/热塑性聚合物片料由短切麻纤维、增容剂和热塑性聚合物按重量比为10：1.0-2.0：50的原料混炼而成；所述短切碳纤维/热塑性聚合物片料由短切碳纤维、增容剂和热塑性聚合物按重量比为5：1.0-2.0：50混炼而成。
所述热塑性聚合物采用低密度聚乙烯，所述增容剂为马来酸酐接枝聚乙烯。
本发明还提供一种短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板的制备方法，包括如下步骤：
1)将麻纤维用质量浓度2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h(碱处理)后洗净干燥备用；
2)将麻纤维、增容剂和热塑性聚合物在双辊开炼机中混炼成复合材料片料得片料i，其组份配比同上；
3)将碳纤维、增容剂和热塑性聚合物在双辊开炼机中混炼成复合材料片料得片料ii，其组份配比同上；
4)将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪，将片料ii放在两片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，然后将其放入压制模，置于平板硫化机中热压成型，热压温度根据热塑性聚合物成型温度设定。
而本发明涉及短切麻纤维及短切碳纤维均属于短切纤维，其中麻纤维长度为5-10mm，碳纤维长度为5-8mm。其中，短切麻纤维包括但不限于苎麻、亚麻或红麻等植物纤维；所述短切碳纤维为t300、t400或t600的短切纤维。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、复合效果突出：本发明短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板具有特殊的夹芯结构，即短切麻纤维/热塑性聚合物片料作为复合材料板的表层，短切碳纤维/热塑性聚合物片料作为复合材料板的芯层；并且复合材料板兼具碳纤维、植物纤维和热塑性聚合物多重优点。与传统复合材料板相比，其拉伸强度、冲击强度均有明显提高，其中冲击强度明显优于将麻纤维、碳纤维直接与热塑性聚合物混合制备的复合材料板。使其复合材料性能达到最佳效果，其中冲击强度高达21.85kj/㎡，断裂伸长率41.1％，拉伸强度11.59mpa。兼顾力学性能、环保等特点，在汽车行业中有广阔的应用前景。
2、工艺简便：本发明将麻纤维、碳纤维分别与二分之一用量的热塑性聚合物混合成片后再叠合压制具有特殊的夹芯结构，有效解决了热塑性聚合物与植物纤维和碳纤维混料困难的问题，使植物纤维和碳纤维在热塑性聚合物中分散均匀，从而提高复合材料的性能。具有工艺过程简化，操作更简单的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一、本发明短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板
短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板为夹芯结构，由上、下表层和中间芯层热压制成；所述上、下表层为短切麻纤维/热塑性聚合物片料，中间芯层为短切碳纤维/热塑性聚合物片料。所述短切麻纤维/热塑性聚合物片料由短切麻纤维、增容剂和热塑性聚合物按重量比为10：1.0-2.0：50的原料混炼而成；所述短切碳纤维/热塑性聚合物片料由短切碳纤维、增容剂和热塑性聚合物按重量比为5：1.0-2.0：50混炼而成。
二、本发明短切麻纤维/碳纤维/热塑性聚合物复合材料板的制备及工艺优选
实施例1
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为12min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为12min。
实施例2
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料i放在2个片料ii之间，使其叠合成“片料ii-片料i-片料ii”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
实施例3
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、5g碳纤维、2.0g马来酸酐接枝聚乙烯、100g低密度聚乙烯在双辊开炼机中混炼成复合材料片料，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min。将复合材料片料按模具尺寸裁剪后，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
将实施例1-3制得的三种不同的复合材料板的力学性能进行对比，如表1所示。
表1
从表1可以看出，以短切麻纤维/热塑性聚合物片料作为表层，以短切碳纤维/热塑性聚合物片料作为芯层的夹芯结构复合材料板的冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率等力学性能优于常规技术制备的复合材料板。
实施例4
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为15min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为15min。
实施例5
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为12min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为12min。
实施例6
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、2.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、2.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
将实施例4-6制得的三种不同的复合材料板的力学性能进行对比，如表2所示
表2
从表2可以看出，增容剂马来酸酐接枝聚乙烯的用量为1.0g时，制备的复合材料板在冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率等力学性能最优。
实施例7
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为12min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为12min。
实施例8
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚丙烯和50g聚丙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚丙烯、50g聚丙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为170℃，时间为10min。
将实施7-8制得的两种不同的复合材料板的力学性能进行对比，如表3所示
表3
从表3可以看出，热塑性聚合物为低密度聚乙烯时，制备的复合材料板在冲击强度、和断裂伸长率大大的优于热塑性聚合物为聚丙烯时制备的复合材料板。
实施例9
将短切苎麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切苎麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
实施例10
将短切红麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切红麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
实施例11
将短切亚麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切亚麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
实施例12
将短切剑麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切剑麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
实施例13
将短切洋麻纤维用浓度为2％的氢氧化钠水溶液浸泡24h，再用去离子水洗净、干燥。称取10g上述的短切洋麻纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料i，其中双辊开炼机前辊为115℃，后辊温度为110℃；称取5g碳纤维、1.0g马来酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入双辊开炼机中混炼成复合材料片料即片料ii。其中双辊开炼机的前辊温度为115℃，后辊温度为110℃，时间为10min；将片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再将片料ii放在2个片料i之间，使其叠合成“片料i-片料ii-片料i”的夹芯结构，置于平板硫化机中热压成板，热压温度为140℃，时间为10min。
实施例9-13说明本发明涉及的短切麻纤维包括但不限于苎麻、红麻、亚麻、纤维、剑麻和洋麻等植物纤维，用于制备的复合材料板在冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率等力学性能相当。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。