植物纤维增强树脂基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种植物纤维增强树脂基复合材料，其特征在于该复合材料由增强体和树脂基组成，其中：增强体包括纳米纤维素晶体、碳纳米管、连续植物纤维组成，所述纳米纤维素晶体和碳纳米管附着于连续植物纤维的表面。该复合材料增强体是纤维素晶体、碳纳米管和连续植物纤维的复合体，具有纳米级和分米级两个尺度，所制备的复合材料为双尺度增强复合材料。本专利为连续植物纤维增强树脂基复合材料高性能化提供了一条技术途径。

Vegetable Fiber Reinforced Resin Matrix Composites and Their Preparation Method

The invention relates to a plant fiber reinforced resin matrix composite material, which is characterized in that the composite material is composed of a reinforcing body and a resin matrix. The reinforcing body comprises a nano cellulose crystal, a carbon nanotube and a continuous plant fiber. The nano cellulose crystal and a carbon nanotube are attached to the surface of the continuous plant fiber. The composite reinforcement is a composite of cellulose crystals, carbon nanotubes and continuous vegetable fibers. It has two scales of nanometer and decimeter. The composite prepared is a two-scale reinforced composite material. This patent provides a technical approach for the high performance of continuous vegetable fiber reinforced resin matrix composites.

【技术实现步骤摘要】
植物纤维增强树脂基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种双尺度植物纤维增强复合材料及其制备方法，属于植物纤维增强树脂基复合材料高性能化的

技术介绍
复合化是新材料发展的重要方向，以纤维为增强体的聚合物基复合材料是复合材料的重要分支。在众多增强纤维中，植物纤维以其可降解、可再生、高比强、低成本以及易加工等特性而受到重视。然而，和以碳纤维、玻璃纤维等为代表的合成纤维相比，植物纤维表面的亲水结构和疏水的聚合物基难以形成高质量的界面，不能在增强纤维和基之间有效传递应力，使得复合材料的力学性能较差。力学性能的不足直接导致植物纤维增强聚合物基复合材料的应用领域受限。因此，强化基和纤维之间的界面粘结性能，显著提高植物纤维复合材料的受载服役性能，是植物纤维增强复合材料高性能改性的重要研究方向将碳纳米管附着于植物纤维表面得到表面改性的植物纤维，以表面附着有碳纳米管的植物纤维作为增强体是近年来发展的一种新技术。要想把碳纳米管附着于植物纤维表面，需要首先制备碳纳米管分散均匀的悬浮液。在公开发表的文献中有学者将羧基化碳纳米管分散于水溶剂中得到碳纳米管悬浮液，并将此悬浮液和黄麻短纤维水溶液混合，强力搅拌下使碳纳米管附着于黄麻纤维表面。这种方法需要将碳纳米管进行化学改性，并且需要强力搅拌使碳纳米管分散于水溶剂中，而且得到的碳纳米管悬浮液稳定性差。
技术实现思路
本专利技术提出一种植物纤维增强树脂基复合材料及其制备方法，为解决碳纳米管在植物纤维表面均匀附着的问题，本专利技术提出一种高性能植物纤维增强树脂基复合材料，并提供了一种绿色、简单可行的制备方法。本专利技术的技术方案是：植物纤维增强树脂基复合材料，该复合材料由增强体和树脂基组成，其中：增强体包括纳米纤维素晶体、碳纳米管、连续植物纤维组成，所述纳米纤维素晶体和碳纳米管附着于连续植物纤维的表面。增强体具有纳米级和分米级两个尺度，所制备的复合材料为双尺度增强复合材料。具体的，按重量份记，该复合材料由连续植物纤维40～55份、纳米纤维素晶体0.1～0.5份、碳纳米管0.1～2份、树脂30～45份和固化剂1.0～30份组成。所述的连续植物纤维包括但不限于苎麻、剑麻、亚麻、洋麻、黄麻、竹纤维中任意一种，或是几种的组合。所述的树脂基采用热固性树脂或热塑性树脂，所述热固性树脂包括但不限于环氧树脂、乙烯基树脂中任意一种；热塑性树脂包括但不限于热塑性聚酯、聚氨酯中任意一种。本专利技术的具体工艺步骤如下：（1）将羟基化或者羧基化改性的碳纳米管加入到纳米纤维素晶体水溶液中，然后进行分散混合，得到碳纳米管分散均匀的纳米纤维素晶体和碳纳米管混合悬浮液；（2）将连续植物纤维织物裁剪成合适的尺寸，然后在质量分数为4%的氢氧化钠溶液中浸泡2h后取出，用去离子水冲洗浸泡后的连续植物纤维至冲洗液为中性，然后将冲洗后的连续植物纤维织物烘干备用；（3）将步骤（1）中混合均匀的纳米纤维素晶体和碳纳米管混合悬浮液均匀喷洒于步骤（2）中烘干的连续植物纤维表面，然后烘干备用；（4）将步骤（3）得到的附着纳米纤维素晶体和碳纳米管的连续植物纤维织物按顺序铺层，得到植物纤维预制体，并进行真空封装；（5）通过真空灌注工艺将树脂基灌入步骤（4）中的植物纤维预制体，使树脂基和植物纤维充分浸渍；（6）将步骤（5）中得到的真空密封的浸渍了树脂基的植物纤维预制体放入固化炉中或者在室温环境下固化。最佳的，步骤（3）中，纳米纤维素晶体和碳纳米管悬浮液的浓度为0.15wt%～2.5wt%，喷洒次数为2～10次。通过控制纳米纤维素晶体和碳纳米管悬浮液的浓度及喷洒次数，保证纳米纤维素晶体的质量分数为0.1%～0.5%，碳纳米管的质量分数为0.1%～2%。步骤（6）中的具体固化温度和时间由所用树脂基的固化特性决定。与现有植物纤维增强树脂基复合材料相比，本专利技术具有以下特点和优势：1）以纳米纤维素晶体水溶液为碳纳米管分散剂，具有绿色、无污染的优势；2）纳米纤维素晶体本身是一种力学性能非常高的增强材料，通过本方法，纳米纤维素晶体可以和碳纳米管共同起到增强作用；3）纳米纤维素晶体和植物纤维具有良好的附着性，本专利技术专利中碳纳米管是先附着在纳米纤维素晶体表面，然后通过纳米纤维素晶体再附着在植物纤维表面，附着性强，增强效果较好。综上，本专利技术是在实验过程中发现的制备高性能植物纤维复合材料的新方法，为制备高性能植物纤维增强复合材料提供了一种绿色、简单可行的技术途径，对拓展植物纤维复合材料的应用领域具有积极作用。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施案例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1：该实施例的材料组份配比(质量份比)如表1所示。表1本实施例材料组份配比（质量比）：平纹苎麻纤维织物环氧树脂基固化剂纳米纤维素晶体羟基化碳纳米管455040.10.9制备步骤如下：（1）将一定量羟基化碳纳米管加入到纳米纤维素晶体水溶液中，然后进行分散混合，得到碳纳米管质量分数为1%左右的分散均匀的纳米纤维素晶体和碳纳米管混合悬浮液。（2）将厚度约为0.2mm的平纹苎麻纤维织物裁剪成长*宽为10cm*5cm的尺寸，共裁剪7片，然后在质量分数为4%的氢氧化钠溶液中浸泡2h后取出，用去离子水冲洗浸泡后的连续苎麻纤维织物至冲洗液为中性，然后将冲洗后的连续苎麻纤维织物烘干备用。（3）将步骤（1）中混合均匀的纳米纤维素晶体和碳纳米管混合悬浮液均匀喷洒于步骤（2）中烘干的连续苎麻纤维织物表面，正反面均匀喷涂三次，然后烘干备用。（4）将步骤（3）得到的附着纳米纤维素晶体和碳纳米管的连续苎麻纤维织物顺序铺层，得到植物纤维预制体，并进行真空封装，反复抽真空压实20次以上。（5）通过真空灌注工艺将混合了固化剂的树脂基灌入步骤（4）中的苎麻纤维预制体，使树脂基和苎麻纤维充分浸渍。（6）将步骤（5）中得到的真空密封的浸渍了树脂基的植物纤维预制体放入固化炉中固化2小时，固化温度120℃。固化完成后将固化制件在真空压力作用下置于室温环境中冷却，冷却到室温进行脱模，然后裁剪成标准弯曲和冲击试验样条备用。经检测，上述复合材料的弯曲强度达到185MPa，弯曲模量达到8.6GPa，无缺口简支梁冲击强度为20KJ/m2。实施例2：该实施例的材料组份配比(质量份比)如表2所示。表2本实施例材料组份配比（质量比）：平纹苎麻纤维织物乙烯基树脂基固化剂纳米纤维素晶体羟基化碳纳米管4540130.21.8制备步骤如下：（1）将一定量羟基化碳纳米管加入到纳米纤维素晶体水溶液中，然后进行分散混合，得到碳纳米管质量分数为1%左右的分散均匀的纳米纤维素晶体和碳纳米管混合悬浮液。（2）将厚度约为0.2mm的平纹苎麻纤维织物裁剪成长*宽为10cm*5cm的尺寸，共裁剪7片，然后在质量分数为4%的氢氧化钠溶液中浸泡2h后取出，用去离子水冲洗浸泡后的连续苎麻纤维织物至冲洗液为中性，然后将冲洗后的连续苎麻纤维织物烘干备用。（3）将步骤（1）中混合均匀的纳米纤维素晶体和碳纳米管混合悬浮液均匀喷洒于步骤（2）中烘干的连续苎麻纤维织物表面，正反面均匀喷涂六次，然后烘干备用。（4）将步骤（3）得到的附着纳米纤维素晶体和碳纳米管的连续苎麻纤维织物顺序铺层，得到植物纤维预制体，并进行真空封装，反复抽真空压实20次以上。（5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.植物纤维增强树脂基复合材料，其特征在于该复合材料由增强体和树脂基组成，其中：增强体包括纳米纤维素晶体、碳纳米管、连续植物纤维组成，所述纳米纤维素晶体和碳纳米管附着于连续植物纤维的表面。

【技术特征摘要】
1.植物纤维增强树脂基复合材料，其特征在于该复合材料由增强体和树脂基组成，其中：增强体包括纳米纤维素晶体、碳纳米管、连续植物纤维组成，所述纳米纤维素晶体和碳纳米管附着于连续植物纤维的表面。2.如权利要求1所述的植物纤维增强树脂基复合材料，其特征在于按重量份记，该复合材料由连续植物纤维40～55份、纳米纤维素晶体0.1～0.5份、碳纳米管0.1～2份、树脂30～45份和固化剂1.0～30份组成。3.如权利要求1或2所述的植物纤维增强树脂基复合材料，其特征在于连续植物纤维包括但不限于苎麻、剑麻、亚麻、洋麻、黄麻、竹纤维中任意一种，或是几种的组合。4.如权利要求1或2所述的植物纤维增强树脂基复合材料，其特征在于树脂基采用热固性树脂基或热塑性树脂基，所述热固性树脂基包括但不限于环氧树脂基、乙烯基树脂基中任意一种；热塑性树脂基包括但不限于热塑性聚酯、聚氨酯中任意一种。5.植物纤维增强树脂基复合材料的制备方法，其特征在于：（1）将碳纳米管加入到纳米纤维素晶体水溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张靠民，江绍萍，李如燕，谢涛，赵焱，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53