CN100522574C - 改性纤维、复合材料及改性纤维的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种改性纤维(12)和一种复合材料，所述复合材料包括具有腔的纤维，所述腔具有孔(20)。将一种含有粘合剂、化学起泡剂和催化剂的悬浮液通过毛细管作用吸入到所述腔中来改善纤维的性能。可将改性纤维同聚合材料相嵌来形成所述复合材料。通过悬浮液保全所述腔的天然孔从而使得纤维保持自然密度和强度性能。

Description

改性纤维、复合材料及改性纤维的制造方法

本申请为2002年10月10日申请的No.10/269,051的部分继续申请。

技术领域

本发明涉及一种纤维复合材料及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种用于塑性复合材料的改性纤维素纤维及其制造方法。

背景技术

随着天然木材成本的增加、品质和可获量的降低，在建筑和运输业中，主要由塑料和天然纤维构成的复合材料正不断地取代着传统木材的使用。复合材料不象天然木材那样破裂和变形，其不受天气影响且维护相对方便，但外观和触觉仍与天然木材相同。

例如，文献DE4107617A和US5,494,748公开了多种纤维增强的复合材料。在文献US5,494,748中描述了一种工艺，通过超声效应将来自亚麻或大麻中的纤维从木质成分里去除。如有必要接着用一种金属化合物的水溶液处理所述纤维，接着清洗所述纤维、尽可能地将之干燥并用粘合剂处理或者用无机酸中和。使用粘合剂悬浮液的水溶液或者有机溶液，并通过将所述纤维浸泡在溶液或悬浮液中，或者用之喷洒所述纤维从而浸透所述纤维。优选在室温下进行浸透。

复合材料通常包含大量嵌入到聚合材料中的纤维。聚合材料通常由高或低密度烯烃热塑性或乙烯基热塑性聚合物组成，这取决于想要得到的复合材料的最终使用性能。可从多种植物中选取所述纤维，这取决于想要得到的纤维的性能，例如密度或者强度。不同植物纤维表观密度上的天然差异归因于纤维中中心孔或腔的存在。

制造复合材料通常涉及聚合材料和纤维的挤压。在制造过程中，挤压机熔化所述聚合材料，并把熔化的聚合材料与纤维混合。混合的结果是熔化的聚合材料同纤维相嵌。可将粘合剂加入到混合物中，从而有助于纤维和聚合材料之间获得粘附结合(adhesive bond)。可引入许多其它的“添加剂”，如稳定剂、抗氧化剂、UV吸收剂、填充剂和补充剂、颜料、加工助剂和润滑剂、抗冲改性剂，杀菌剂以及其它能增强物理和/或化学性能及加工性的物质。还可将化学起泡剂或气体引入到该混合物中。在挤压机中，发泡剂分解，放出气体如氮气或二氧化碳进入到熔化的聚合材料中。在将聚合材料、纤维和其它添加剂混合后，熔化的混合物通过一个模具离开挤压机。当聚合材料离开模具时，挤压压力降低到大气压，聚合材料开始冷却，从而使得夹带气体膨胀成为该熔化混合物中的气泡。气泡被周围的聚合材料阻挡并在复合材料中形成孔。这些孔降低复合材料的总体密度和重量。

通常在挤压过程中，纤维中的腔在压缩压力下倒塌。当所述腔倒塌时，纤维中的天然孔损失，从而导致纤维的自然密度增加。由于纤维的密度增加，复合材料的质量也增加。密度的增加与使用纤维的优点背道而驰，使用纤维的优点应该是质量的减少和硬度的加强。

因此期望研究出一种纤维及其制造方法，其中在挤压过程中，腔不压缩以至于腔的天然孔得到保全，从而使得纤维保持自然密度和强度性能。还期望通过使用发泡剂进一步将孔体积引入到聚合材料中来降低整体复合材料的质量。

发明内容

本发明涉及一种改性纤维和复合材料。所述改性纤维包括一种具有腔的纤维，所述腔具有孔。悬浮液被吸入到腔中从而改变纤维的性能。将聚合材料同纤维相嵌来形成复合材料。通过悬浮液成分保全腔的天然孔，从而使得纤维保持自然密度和强度性能。

本发明还涉及一种制造改性纤维的方法。将纤维同悬浮液混合形成一种均相混合物。通过毛细管作用将悬浮液吸入到纤维的腔中来改善纤维的性能，并冷却改性纤维。然后可将改性纤维同熔化的聚合材料混合形成一种复合材料，挤压所述复合材料以形成一种复合材料构件。

附图说明

图1为一种改性纤维复合材料构件的立体图；

图2为一束纤维的立体图；

图3为显示改善纤维性能和制造改性纤维复合材料工艺的流程图。

具体实施方式

首先参考图1说明本发明，图1显示一种改性纤维复合材料构件10。复合材料构件10具有多个用悬浮液14改性并嵌入聚合材料16的纤维12。悬浮液14可由化学起泡剂或发泡剂、催化剂和载体组成。复合材料构件10还具有多个孔18。复合材料构件10的主要部件，以及改善纤维12性能和制造复合材料构件10的方法将在下面进行说明。

现在将详细说明复合材料构件10的每一个主要部件。图2显示了纤维12。纤维12可以是一种来自韧皮纤维植物如亚麻、大麻、黄麻、椰纤维、洋麻或苎麻的天然纤维。或者作为选择可以是精制木头，小麦，稻草或其它木质纤维素纤维。韧皮纤维植物的特征在于它们长、结实的纤维束和高纤维素含量。来自韧皮纤维植物的纤维12具有高拉伸强度和相对低的表观密度即0.28-0.62g/cc，从而获得特别高的强度与重量比。每个纤维12具有中心孔或腔20。腔20具有一个大约30微米的开口。还可使用其它具有高纯度和高纵横比(纤维直径和长度的比率)的纤维，例如精制的木头、小麦、稻草或其它木质纤维素纤维。

悬浮液14可包含一种化学起泡剂或起泡剂，一种催化剂和一种载体。将各种成分混合，然后搅动或乳化形成一种共混混合物。载体可以是一种丙烯酸氨基甲酸乙酯聚合物溶液或乳化液，还可使用其它公知的成膜聚合物来加强纤维的内壁。对最终结果有用的聚合物实例为聚丙烯酸酯类(acrylics)，环氧树脂类(epoxies)，酚醛树脂(phenolics)，三聚氰胺，乙烯基树脂(vinyls)以及实际上所有成膜的热固或热塑聚合物。载体可以作为用水的乳化液或者作为溶液，其中发泡剂和/或催化剂分散在该溶液中。化学起泡剂或起泡剂可为任何一种公知的、由于热分解释放气体的化学试剂。放热发泡剂为适宜的化学起泡剂。例如，这种发泡剂可包括级别很好的偶氮二酰胺或酰肼衍生物如苯磺酰肼。催化剂或活化剂可为碳酸钙。其它颗粒催化剂或活化剂实例可选自镉，锌，钡，钙，锶，镁，铅，锡或硅的化合物。可使用任何公知的、有助于起泡剂分解的催化剂或活化剂。由于纤维12的腔20具有一个大约30微米的开口，所以，颗粒成分应该不大于5微米。起泡剂和其它颗粒的分散需要高速分散搅拌机来解聚颗粒。可将任何一种公知的分散搅拌机如Cowles和Hockmeyer分散搅拌机用于这个工艺。

聚合材料16可为一种聚氯乙烯泡沫，然而，可使用任何一种热塑聚合物，例如包括但不局限为聚乙烯和聚丙烯的聚烯烃类；纤维素类，其它乙烯基树脂，聚丙烯酸酯类，聚氨基甲酸乙酯，聚苯乙烯类(styrenics)等等。复合材料构件10优选包括大约25-99％的聚合材料16。

可将一种着色剂例如染色颜料等添加到聚合材料16中或将之吸附在纤维12的外表面上来获得期望的颜色。还可将稳定剂、抗氧化剂、填充剂和补充剂、润湿剂、粘合剂、抗冲改性剂以及加工助剂选择性吸附在纤维12的外表面上。通常在挤压之前或挤压过程中将这些添加剂添加到聚合材料16中，但在挤压之前将这些添加剂吸附在纤维12的表面上为将这些添加剂引入到复合材料构件10中提供了一种更好的媒介手段。逐一选择这些添加剂来增强聚合材料16中的性能或加工性。

参考图3，现在将详细说明一种改善纤维12性能和制造所述复合材料构件10的方法。

图3中标有“A”的第一部分工艺显示了改善纤维12性能的方法。为了改善纤维12的性能，从步骤22开始，将纤维12放置在一台连续搅拌机/混合器的螺旋桨上，所述搅拌机或混合器被设计成在延伸式底座上连续地将干燥物质同液体物质搅拌和混合。连续搅拌机/混合器具有一个螺旋桨和一个搅拌元件，所述搅拌元件为了确保所需的纵横比(纤维直径与长度的比率)，不进行切割而仅仅打开多束纤维12。优选设备是Readco连续处理机，然而，本领域技术人员将意识到和理解的是，为了达到实质上相似的结果，也可使用许多其它单个或者两个螺旋桨的搅拌机/混合器。

在步骤24中，将悬浮液14放置在一个存储容器中，所述存储容器将悬浮液14进料到搅拌机/混合器中。需要一台能处理粘性液体和乳化物质的计量泵。重要的是不破坏乳化或聚集悬浮颗粒。然后如步骤26所示，把悬浮液14添加到纤维12中并同纤维12搅拌。每约100份纤维12用大约1-10份的悬浮液12来制备均相混合物。步骤26中搅拌机/混合器的温度在200-350华氏度的范围内。在步骤26中，需要注意确保均匀搅拌和混合。当纤维12用悬浮液14搅拌时，毛细管作用将悬浮液吸入到纤维12的腔20中，在那纤维12将之吸附。悬浮液14由此改善了纤维12的性能，并保全腔20以进行在步骤32的挤压机中的后续处理。

在步骤26之后，发生其它添加剂的吸附，所述添加剂沉积在纤维12的表面上。在步骤28中，将其它添加剂作为液态浓缩物或干燥混合物添加到搅拌机/混合器中。这些添加剂被混合和分散以至于均匀地沉积在纤维12的表面上。在搅拌机/混合器筒外部控制大约350-500华氏度的热量，从而更好地混合添加剂和纤维12以及去除工艺挥发物。需要注意的是添加剂的温度应保持在低于所选择的化学起泡剂活性温度的温度。如在步骤30中所示，将改性纤维12引出搅拌机/混合器，并将之引入到连续螺条混合器中，该连续螺条混合器使纤维冷却和疏松。

图3中标有“B”的第二部分工艺显示了复合材料构件10的制造方法。在步骤32中，通过将改性纤维12同聚合材料16放置在一台挤压机中来形成复合材料构件10。在步骤28中，所述挤压机熔化聚合材料16，并将聚合材料16同改性纤维12混合。混合的结果是，聚合材料16涂覆了改性纤维12，并同悬浮液14相嵌。作为挤压的替代方案，可将改性纤维12和聚合材料16加热、混合并注模到模具中。用于熔化聚合材料16的热量进一步导致腔20中的起泡剂分解。起泡剂在由催化剂控制的预定温度分解。当起泡剂分解时，起泡剂放出气体，例如氮气和二氧化碳，所述气体在熔化的聚合材料16中形成气泡。由于悬浮液14的成分充分地填充了改性纤维12的腔20，所以在挤压过程中，腔20得以保全从而保持了纤维12的自然密度。

在步骤34中，改性纤维12和聚合材料16的熔化混合物通过一个模具以薄板或者任何其它挤压片的形式离开挤压机。当所述熔化混合物离开模具时，熔化混合物开始冷却，从而使得气体历经一次压降，这使得被周围聚合材料16阻挡的气泡膨胀从而形成孔18。当熔化混合物离开所述模具时，它可被挤压成任何一种预定的形状，或者可将熔化混合物模具。作为一种替代方案，可将挤压热成形成多种形状。冷却的熔化混合物形成复合材料构件10。

由于在挤压过程中，腔20未被压缩，通过悬浮液14保全了腔20的天然孔，从而使得纤维12保持了自然密度和强度性能。复合材料构件10因此重量轻并具有卓越的强度。复合材料构件10适宜用在任何一种部分结构件(semi-structure)中，这包括但不局限为盖板、外部装饰面(exterior trim profiles)、窗形面(window profile)、栏杆、露台、包覆件、挡板、模制件、以及门边框等等。

本领域技术人员应该理解的是，在制造商那可完成图3中制造工艺中的第一部分“A”，而在服务点或者顾客那可以完成制造工艺中的第二部分“B”，复合材料构件10在维修点或者顾客那形成。由于工艺中的第二部分“B”仅仅需要标准挤压机设备，可将改性纤维12筛选、分类和包装，然后在步骤30之后提供给顾客。然后顾客可以在自己那制造复合材料构件10。作为选择，可在制造商那按照顾客的说明完成包括“A”和“B”两部分的整个工艺。当在维修点或者顾客那进行工艺的第二部分“B”时，顾客具有很大灵活性在其它性能中来决定想要的复合材料构件10的聚合率、颜色和形状。

前面说明了用于实施本发明的可能性方案中的几种。不脱离本发明范围和精神，许多其它实施方案是可能的。因此，这意味着应将前述说明当作说明而非限制，本发明范围由所附权利要求及其相应范围给出。

Claims (99)

1.一种复合材料，其包括：

一种具有腔的纤维，所述腔具有孔；

一种吸入到腔中来改善纤维性能的悬浮液，其中所述悬浮液包含一种化学起泡剂；以及

一种与纤维相嵌的聚合材料；

由此通过所述悬浮液保全所述腔的天然孔，从而使得该纤维保持自然密度和强度性能。

2.权利要求1的复合材料，其中所述化学起泡剂是放热的。

3.权利要求2的复合材料，其中所述化学起泡剂是偶氮二酰胺。

4.权利要求2的复合材料，其中所述化学起泡剂是一种酰肼衍生物。

5.权利要求1的复合材料，其中所述悬浮液包含一种载体。

6.权利要求5的复合材料，其中所述载体是成膜热塑性的，其选自聚丙烯酸酯类、环氧树脂类、酚醛树脂、三聚氰胺和乙烯基树脂。

7.权利要求5的复合材料，其中所述载体是一种成膜热固性聚合物。

8.权利要求1的复合材料，其中所述悬浮液包含一种催化剂。

9.权利要求8的复合材料，其中所述催化剂选自碳酸钙、镉化合物、锌化合物、钡化合物、钙化合物、锶化合物、镁化合物、铅化合物、锡化合物和硅化合物。

10.权利要求1的复合材料，其中将大约1-10份悬浮液同大约100份的纤维混合。

11.权利要求1的复合材料，其中所述纤维为韧皮纤维。

12.权利要求11的复合材料，其中所述纤维为亚麻。

13.权利要求11的复合材料，其中所述纤维为大麻。

14.权利要求11的复合材料，其中所述纤维为黄麻。

15.权利要求11的复合材料，其中所述纤维为椰纤维。

16.权利要求11的复合材料，其中所述纤维为洋麻。

17.权利要求11的复合材料，其中所述纤维为苎麻。

18.权利要求1的复合材料，其中所述纤维为木纤维。

19.权利要求1的复合材料，其中所述纤维为小麦纤维。

20.权利要求1的复合材料，其中所述纤维为草纤维。

21.权利要求1的复合材料，其中所述纤维为木质纤维素纤维。

22.权利要求1的复合材料，其包含大约25％-99％的聚合材料。

23.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为聚氯乙烯泡沫。

24.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为聚烯烃。

25.权利要求24的复合材料，其中所述聚合材料为聚乙烯。

26.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为聚丙烯。

27.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为纤维素塑料。

28.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为乙烯基树脂。

29.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为聚丙烯酸酯类(acrylic)。

30.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为聚氨基甲酸酯。

31.权利要求22的复合材料，其中所述聚合材料为聚苯乙烯类(styrenic)。

32.权利要求1的复合材料，其还包含至少一种吸附在纤维表面上的添加剂。

33.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种着色剂。

34.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种稳定剂。

35.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种抗氧化剂。

36.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种填充剂。

37.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种补充剂。

38.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种润湿剂。

39.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种粘合剂。

40.权利要求32的复合材料，其中所述至少一种添加剂为一种抗冲改性剂。

41.权利要求1的复合材料，其中将所述复合材料形成一种复合材料构件。

42.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一盖板。

43.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一外部装饰结构。

44.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一栏杆。

45.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一露台构件。

46.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一包覆构件。

47.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一模制件。

48.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一门边框。

49.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一挡板构件。

50.权利要求41的复合材料，其中所述复合材料构件为一窗形结构。

51.权利要求41的复合材料，其中通过挤压所述复合材料形成所述复合材料构件。

52.权利要求51的复合材料，其中通过热成型进一步形成所述复合材料构件。

53.权利要求41的复合材料，其中通过注模形成所述复合材料构件。

54.一种制造改性纤维的方法，包括：

将一种包含化学起泡剂的悬浮液与一种纤维混合来形成一种均相混合物；

通过毛细管作用将所述悬浮液吸入到所述纤维的腔中来改善纤维的性能；以及

冷却所述改性纤维。

55.权利要求54的方法，还包括疏松所述改性纤维。

56.权利要求54的方法，其中所述纤维为韧皮纤维。

57.权利要求54的方法，其中所述悬浮液包含一种载体和一种催化剂。

58.权利要求57的方法，其中将大约1-10份的悬浮液同大约100份的纤维混合。

59.权利要求54的方法，还包括将添加剂吸附在所述纤维的表面上，所述添加剂选自着色剂、稳定剂、抗氧化剂、填充剂、补充剂、润湿剂、粘合剂和抗冲改性剂。

60.权利要求59的方法，其中通过在大约350-500华氏度下进行混合来将所述添加剂吸附在所述纤维表面上。

61.权利要求54的方法，其中通过一台连续搅拌机/混合器来将所述悬浮液吸入到所述纤维的腔中。

62.权利要求61的方法，其中所述搅拌机/混合器的温度大约为200-350华氏度。

63.权利要求54的方法，还包括将所述改性纤维同一种熔化的聚合材料混合来形成一种复合材料。

64.权利要求63的方法，还包括挤压所述改性纤维和聚合材料来形成一种复合材料构件。

65.权利要求64的方法，还包括将所述改性纤维挤压成薄板。

66.权利要求65的方法，还包括热成形所述薄板。

67.权利要求63的方法，还包括注模所述改性纤维和聚合材料的步骤从而形成一种复合材料构件。

68.一种改性纤维，包括：

一种具有腔的纤维，所述腔具有孔；以及

一种吸入到腔中来改善纤维性能的悬浮液，所述悬浮液具有化学起泡剂；

由此通过所述悬浮液保全所述腔的天然孔，从而使得该纤维保持自然密度和强度性能。

69.权利要求68的改性纤维，其中所述悬浮液包含一种催化剂和一种载体。

70.权利要求69的改性纤维，其中将大约1-10份的悬浮液同大约100份的纤维混合。

71.权利要求69的改性纤维，其中所述化学起泡剂是放热的。

72.权利要求70的改性纤维，其中所述化学起泡剂为偶氮二酰胺。

73.权利要求70的改性纤维，其中所述化学起泡剂为酰肼衍生物。

74.权利要求69的改性纤维，其中所述载体为成膜热塑性的，其选自聚丙烯酸酯类、环氧树脂类、酚醛树脂、三聚氰胺和乙烯基树脂。

75.权利要求69的改性纤维，其中所述载体为一种成膜热固性聚合物。

76.权利要求69的改性纤维，其中所述催化剂选自碳酸钙、镉化合物、锌化合物、钡化合物、钙化合物、锶化合物、镁化合物、铅化合物、锡化合物和硅化合物。

77.权利要求68的改性纤维，其中所述纤维为韧皮纤维。

78.权利要求77的改性纤维，其中所述纤维为亚麻。

79.权利要求77的改性纤维，其中所述纤维为大麻。

80.权利要求77的改性纤维，其中所述纤维为黄麻。

81.权利要求77的改性纤维，其中所述纤维为椰纤维。

82.权利要求77的改性纤维，其中所述纤维为洋麻。

83.权利要求77的改性纤维，其中所述纤维为苎麻。

84.权利要求68的改性纤维，其中所述纤维为木纤维。

85.权利要求68的改性纤维，其中所述纤维为小麦纤维。

86.权利要求68的改性纤维，其中所述纤维为草纤维。

87.权利要求68的改性纤维，其中所述纤维为木质纤维素纤维。

88.权利要求68的改性纤维，还包含至少一种吸附在所述纤维表面上的添加剂。

89.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种着色剂。

90.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种稳定剂。

91.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种抗氧化剂。

92.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种填充剂。

93.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种补充剂。

94.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种润湿剂。

95.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种粘合剂。

96.权利要求88的改性纤维，其中所述至少一种添加剂为一种抗冲改性剂。

97.权利要求88的改性纤维，其中通过混合将所述添加剂吸附在所述纤维表面上。

98.权利要求89的改性纤维，其中通过在大约350-500华氏度下进行混合来将所述添加剂吸附在所述纤维表面上。

99.权利要求68的改性纤维，其中在大约200-350华氏度下改善所述纤维的性能。

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