本發(fā)明涉及一種聚合物復(fù)合材料板及其制備方法，具體涉及一種短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板及其制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著車用材料的輕量化及新能源汽車的蓬勃發(fā)展，以碳纖維為增強(qiáng)材料的聚合物基復(fù)合材料板材在汽車工業(yè)中的用量迅速上升，應(yīng)用范圍已經(jīng)從汽車傳統(tǒng)的外飾件、內(nèi)飾件、空調(diào)件擴(kuò)展到包括發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤在內(nèi)的結(jié)構(gòu)件等諸多零部件。

目前汽車行業(yè)使用的復(fù)合材料以碳纖(長(zhǎng)纖)增強(qiáng)熱固性聚合物基復(fù)合材料為主。而車用高分子材料今后的重點(diǎn)發(fā)展方向除輕量化、高性能化以外，對(duì)材料的環(huán)保性及可回收性也提出更高要求。熱塑性聚合物與熱固性聚合物相比，具有很好的可回收性；以麻纖維為代表的植物纖維具有生物分解性，可以加速?gòu)?fù)合材料廢棄物的降解，具有較好的環(huán)保性。如果將植物纖維與碳纖維在熱塑性聚合物中混合使用，可以兼顧性能、環(huán)保以及可回收要求，在汽車行業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。

與長(zhǎng)纖維/聚合物復(fù)合材料相比，短切纖維/聚合物復(fù)合材料更具有自動(dòng)化生產(chǎn)及成本優(yōu)勢(shì)。通常來(lái)說(shuō)，短切纖維包括了所有長(zhǎng)度較短的無(wú)機(jī)纖維及有機(jī)纖維，短切纖維是將長(zhǎng)纖維經(jīng)纖維切斷設(shè)備短切而成，其范圍涵蓋所有長(zhǎng)度較短的無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維。但是，將短切植物纖維、短切碳纖維與熱塑性聚合物直接混合后制備的復(fù)合材料板力學(xué)性能并不令人滿意。主要原因在于：短切植物纖維、短切碳纖維均容易聚集成團(tuán)，兩者同時(shí)加入熱塑性聚合物中會(huì)導(dǎo)致混料難度增大，且很難在熱塑性聚合物中分散均勻，從而使復(fù)合材料板性能劣化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板，解決短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板的力學(xué)性能不強(qiáng)等問(wèn)題。

本發(fā)明還提供該短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板的制備方法，解決短切植物纖維、短切碳纖維與熱塑性聚合物混料加工困難，質(zhì)量難以控制的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種短麻切纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板，其特征在于，為夾芯結(jié)構(gòu)，由上、下表層和中間芯層熱壓制成；所述上、下表層為短切麻纖維/熱塑性聚合物片料，中間芯層為短切碳纖維/熱塑性聚合物片料。

進(jìn)一步，所述短切麻纖維/熱塑性聚合物片料由短切麻纖維、增容劑和熱塑性聚合物按重量比為10：1.0-2.0：50的原料混煉而成；所述短切碳纖維/熱塑性聚合物片料由短切碳纖維、增容劑和熱塑性聚合物按重量比為5：1.0-2.0：50混煉而成。

所述熱塑性聚合物采用低密度聚乙烯，所述增容劑為馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯。

本發(fā)明還提供一種短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板的制備方法，包括如下步驟：

1)將麻纖維用質(zhì)量濃度2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h(堿處理)后洗凈干燥備用；

2)將麻纖維、增容劑和熱塑性聚合物在雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料得片料i，其組份配比同上；

3)將碳纖維、增容劑和熱塑性聚合物在雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料得片料ii，其組份配比同上；

4)將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪，將片料ii放在兩片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，然后將其放入壓制模，置于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度根據(jù)熱塑性聚合物成型溫度設(shè)定。

而本發(fā)明涉及短切麻纖維及短切碳纖維均屬于短切纖維，其中麻纖維長(zhǎng)度為5-10mm，碳纖維長(zhǎng)度為5-8mm。其中，短切麻纖維包括但不限于苧麻、亞麻或紅麻等植物纖維；所述短切碳纖維為t300、t400或t600的短切纖維。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、復(fù)合效果突出：本發(fā)明短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板具有特殊的夾芯結(jié)構(gòu)，即短切麻纖維/熱塑性聚合物片料作為復(fù)合材料板的表層，短切碳纖維/熱塑性聚合物片料作為復(fù)合材料板的芯層；并且復(fù)合材料板兼具碳纖維、植物纖維和熱塑性聚合物多重優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)復(fù)合材料板相比，其拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均有明顯提高，其中沖擊強(qiáng)度明顯優(yōu)于將麻纖維、碳纖維直接與熱塑性聚合物混合制備的復(fù)合材料板。使其復(fù)合材料性能達(dá)到最佳效果，其中沖擊強(qiáng)度高達(dá)21.85kj/㎡，斷裂伸長(zhǎng)率41.1％，拉伸強(qiáng)度11.59mpa。兼顧力學(xué)性能、環(huán)保等特點(diǎn)，在汽車行業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。

2、工藝簡(jiǎn)便：本發(fā)明將麻纖維、碳纖維分別與二分之一用量的熱塑性聚合物混合成片后再疊合壓制具有特殊的夾芯結(jié)構(gòu)，有效解決了熱塑性聚合物與植物纖維和碳纖維混料困難的問(wèn)題，使植物纖維和碳纖維在熱塑性聚合物中分散均勻，從而提高復(fù)合材料的性能。具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)化，操作更簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

一、本發(fā)明短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板

短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板為夾芯結(jié)構(gòu)，由上、下表層和中間芯層熱壓制成；所述上、下表層為短切麻纖維/熱塑性聚合物片料，中間芯層為短切碳纖維/熱塑性聚合物片料。所述短切麻纖維/熱塑性聚合物片料由短切麻纖維、增容劑和熱塑性聚合物按重量比為10：1.0-2.0：50的原料混煉而成；所述短切碳纖維/熱塑性聚合物片料由短切碳纖維、增容劑和熱塑性聚合物按重量比為5：1.0-2.0：50混煉而成。

二、本發(fā)明短切麻纖維/碳纖維/熱塑性聚合物復(fù)合材料板的制備及工藝優(yōu)選

實(shí)施例1

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為12min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為12min。

實(shí)施例2

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料i放在2個(gè)片料ii之間，使其疊合成“片料ii-片料i-片料ii”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

實(shí)施例3

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、5g碳纖維、2.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、100g低密度聚乙烯在雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min。將復(fù)合材料片料按模具尺寸裁剪后，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

將實(shí)施例1-3制得的三種不同的復(fù)合材料板的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1

從表1可以看出，以短切麻纖維/熱塑性聚合物片料作為表層，以短切碳纖維/熱塑性聚合物片料作為芯層的夾芯結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)技術(shù)制備的復(fù)合材料板。

實(shí)施例4

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為15min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為15min。

實(shí)施例5

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為12min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為12min。

實(shí)施例6

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、2.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、2.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

將實(shí)施例4-6制得的三種不同的復(fù)合材料板的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，如表2所示

表2

從表2可以看出，增容劑馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯的用量為1.0g時(shí)，制備的復(fù)合材料板在沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能最優(yōu)。

實(shí)施例7

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為12min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為12min。

實(shí)施例8

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯和50g聚丙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯、50g聚丙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為170℃，時(shí)間為10min。

將實(shí)施7-8制得的兩種不同的復(fù)合材料板的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，如表3所示

表3

從表3可以看出，熱塑性聚合物為低密度聚乙烯時(shí)，制備的復(fù)合材料板在沖擊強(qiáng)度、和斷裂伸長(zhǎng)率大大的優(yōu)于熱塑性聚合物為聚丙烯時(shí)制備的復(fù)合材料板。

實(shí)施例9

將短切苧麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切苧麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

實(shí)施例10

將短切紅麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切紅麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

實(shí)施例11

將短切亞麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切亞麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

實(shí)施例12

將短切劍麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切劍麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

實(shí)施例13

將短切洋麻纖維用濃度為2％的氫氧化鈉水溶液浸泡24h，再用去離子水洗凈、干燥。稱取10g上述的短切洋麻纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯和50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料i，其中雙輥開煉機(jī)前輥為115℃，后輥溫度為110℃；稱取5g碳纖維、1.0g馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯、50g低密度聚乙烯，再放入雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片料即片料ii。其中雙輥開煉機(jī)的前輥溫度為115℃，后輥溫度為110℃，時(shí)間為10min；將片料i、片料ii按模具尺寸裁剪后，再將片料ii放在2個(gè)片料i之間，使其疊合成“片料i-片料ii-片料i”的夾芯結(jié)構(gòu)，置于平板硫化機(jī)中熱壓成板，熱壓溫度為140℃，時(shí)間為10min。

實(shí)施例9-13說(shuō)明本發(fā)明涉及的短切麻纖維包括但不限于苧麻、紅麻、亞麻、纖維、劍麻和洋麻等植物纖維，用于制備的復(fù)合材料板在沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能相當(dāng)。

最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。