天然纤维增强的复合板及方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。根据本专利技术的实施方案，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。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：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。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。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。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。所述聚合物材料可以是聚醚醚酮(PEEK)或低密度聚乙烯(LDPE)。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。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。根据本专利技术的另一实施方案，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。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：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。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。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。根据本专利技术的另一实施方案，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。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。附图说明以下将结合附图描述示例性实施方案，其中：图1为制备增强复合板的方法的示例性步骤的示意图；图2为制备复合板的另一方法的步骤的示意图；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；图4为取自图3的放大图；以及图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。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HCl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℃，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。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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.09 US 61/864,2111.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
\t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)。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：米哈艾拉·巴努，胡仕新，金泰亨，杨嵩林，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，奥博蒂莫公司，
类型：发明
国别省市：美国;US