一种亚麻非织造物及其复合材料的制造方法 【技术领域】
本发明涉及一种纤维非织造物支持体及其复合材料的制造方法，具体为一种亚麻非织造物及其以该亚麻非织造物作为增强材料的树脂基复合材料的制造方法，国际专利主分类号拟为Int.cl7 D04H 1/00。
背景技术
产业用的织物(包括机织物、非织造物等)常用来做树脂基复合材料的增强材料(也称骨架、增强体或支持体)。天然植物纤维如麻、竹、麦杆、椰壳纤维等因其具有源于自然、对环境无害、可生物降解等特点而被归入环境材料的范围。同时，麻、竹类等天然纤维材料具有多相体系，按复合材料的广义定义也属于复合材料范围。因此，采用麻、竹等具有较高比强度和比模量的高性能天然纤维替代或取代木材、玻璃纤维等材料做聚合物复合材料的增强体，在净化环境、防止污染、替代有害物质、减少废弃物以及有效利用自然资源和材料的再资源化等方面具有积极意义。
1992年日本东京大学的山本良一教授首先提出环境材料(Environmentconscious materials简称Ecomaterials)的概念，我国重庆大学于1994年进而提出环境意识材料学(Environmental-conscious-materials-logy即Ecomaterials)的概念以来，环境材料和环境意识材料学已成为国际高技术、新材料研究中的一个新领域，作了大量有益的工作，并取得了可喜的进展。
这一研究包括对麻、竹类等天然纤维材料及其复合材料的研究。欧洲关于麻纤维复合材料及其制品的研究开发工作开展得较早。这方面的研究以德国、英国、丹麦和意大利等国为主。例如，德国的巴斯夫(BASF)公司研究了采用黄麻、剑麻和亚麻纤维作增强材料，与聚丙烯等热塑性塑料复合，制造出天然纤维毡增强复合材料的技术。其产品重量可在500-1800克/平方米范围变化，厚度可在2-3mm范围内变化，针刺密度介于20-40针/平方厘米之间，比现有玻璃纤维增强热塑性塑料轻17％，并且加工方法简单，生产成本也比较低。德国生产的麻类纤维增强复合材料主要被汽车行业所用，如已被奔驰(Benz)、福特(Ford)等汽车公司采用(肖加余等，高性能天然纤维复合材料及其制品研究与开发现状，玻璃钢/复合材料.2000(2)：38-43)；又如德国的拜耳(Bayer)公司与其子公司汉奈克(Hennecke)公司合作开发了一种利用亚麻纤维垫做增强体地聚氨基甲酸酯复合材料的技术，用于生产汽车装饰材料。它采用树脂传递模塑工艺(RTM)，用天然亚麻纤维垫生产壁厚仅1.5mm-2.0mm的汽车部件，最终产品比用传统注塑材料生产的产品质量轻约45％(Lightweight trims reinforcedwith sisal and flax.High Performance Textile，1998，(12)：5～6)。再如，比利时的波考泰克斯(Procotex)公司在技术纺织品展览会上展出了一种亚麻复合材料，是用50％亚麻和50％聚丙烯混合制成的毡，毡厚2cm，再把它进一步制成压缩平板或模压成组件复合材料，主要也用于汽车工业(Flax-based biocomposite.High PerformanceTextiles，1997，(6)：6)。
亚洲则以印度等国的研究起步较早。他们采用黄麻、剑麻、亚麻及竹纤维作为增强材料，与热固性或热塑性聚合物复合，制成天然纤维增强聚合物复合材料制品，并也已开始工程应用(Prakash Yadav，Ajay K.Nema，Anurag Nema& S.K.Nema.Physico-mechanical characterization of jute fibercomposites with themoset resin，ICCM-12，July，1999，Paris)。我国这方面的研究起步较晚，但进展较快。目前各科研部门、尤其是一些高校已经开始研究制造不同麻纤维的复合材料。例如，西安工程科技学院研究的“苎麻纤维增强不饱和聚脂树脂”(H.M.Wang，Y.Q.Sun et al.Exploring of a newnatural fiber composite-Ramie fabric/UP composite，ICCM-12，July，1999，Paris)，中山大学研究的“剑麻纤维增强不饱和聚脂树脂”(曾汉民等，剑麻纤维增强玻璃钢靠背椅性能研究.玻璃钢/复合材料，1999，(4)：19-31)和国防科技大学研究的“苎麻纤维增强聚氨脂泡沫和热塑性塑料”(肖加余等，重视高性能天然纤维复合材料性能研究与制品开发，山东泰安：中国复合材料学会第三次全国会员代表大会，1999)等。但无论是国内还是国外，关于麻纤维特别是亚麻纤维非织造物增强复合材料的具体技术，至今尚未见工程应用的报道。
【发明内容】
针对实际需要和现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种亚麻非织造物以及以该非织造物作增强支持体的复合材料制造方法，它具有工艺流程短，操作简单，工业化容易，成本低，无污染等特点。
本发明解决所述制造亚麻非织造物技术问题的技术方案是：设计一种用于作复合材料增强材料的亚麻非织造物的制造方法，该方法包括焖麻、开松、梳理、铺网和针刺工艺，其特征在于所选用的亚麻纤维平均长度为2.8～18.5cm，平均细度为12～40μm；所述的焖麻工艺为均匀加入亚麻纤维重量2～5％的和毛水，焖麻24小时；所述的针刺工艺针刺频率为600～650r/min；制造出的亚麻非织造物厚度为2～7mm，定重为380～860g/m2。
本发明进一步解决所述制造复合材料技术问题的技术方案是：设计一种亚麻非织造物增强复合材料的制造方法，其特征在于该方法以所述的针刺亚麻非织造物作复合材料的增强体，配置树脂，并采用真空吸注法制造复合材料；所述配置树脂的重量配方组分为：不饱和聚酯树脂∶引发剂∶促进剂＝100∶0.8～1.2∶1.2～1.5；所述的引发剂为过氧化甲乙铜；所述的促进剂为环烷酸钴；所述的真空吸注法的工艺参数为：真空压力-0.085～0.095Mpa，吸注时间10～30分钟，凝胶时间15～30分钟。
本发明亚麻非织造物制造方法与现有技术相比，选取了尚未见文献报道的亚麻作为复合材料增强体的主要原料，可以充分利用我国亚麻资源丰富的优势(我国亚麻的主要产区在北方的黑龙江、内蒙古等地)；而利用针刺方法来加工亚麻非织造物，可以节约成本、缩短生产周期，操作方法简单，工业化生产容易，同时不产生化学废物，对环境无污染。
本发明方法所述复合材料的制造方法与现有技术相比，采用了真空吸注法(VARTM)的复合方法，易于操作，成本低廉，产品形状丰富，同时采用室温固化，在密封条件下使亚麻纤维和树脂相结合，节省能源，没有废弃物产生，有利于对环境的保护，具有绿色生产含义。
【附图说明】
图1是本发明亚麻非织造物增强复合材料板材成型设备及工艺示意图；
图2是本发明亚麻非织造物增强复合材料内凹形异型件的成型工艺示意图；
图3是本发明亚麻非织造物增强复合材料外凸形异型件的成型工艺示意图。
【具体实施方式】
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
本发明所述亚麻非织造物的制造方法，设计了焖麻、开松、梳理、铺网和针刺等工艺。在所述各工序中，下列工艺及其参数具有重要意义：所选亚麻纤维的平均长度设计为2.8-18.5cm，平均细度为12-40μm；但本发明所述方法并不受亚麻纤维平均长度和细度所给范围的限制。所述的焖麻工艺设计为，均匀加入亚麻纤维重量2～5％的和毛水，和毛水为常规产品，焖麻24小时；所述的针刺工艺针刺频率为600～650r/min；亚麻非织造物的设计厚度为2～7mm，定重为380～860g/m2。亚麻非织造物的厚度和定重设计主要取决于其作为支持体复合材料的实际需要，所给出的范围并不是严格限定。
本发明所述亚麻非织造物的制造方法的进一步特征是，所述的针刺工艺设计为：先低频预刺加固亚麻纤维网1次，预刺针刺频率为600～650r/min；然后高频主刺加固亚麻纤维网1～6次，主刺针刺频率为800～850r/min。采用多次针刺工艺可以提高亚麻非织造物的强度，但过多的针刺次数不利于复合时的吸脂。本发明所述的铺网，可以采用多种铺网方式，如平行铺网、交叉铺网等。本发明亚麻非织造物制造方法其余的开松、梳理等工艺为现有技术。本发明亚麻非织造物制造方法使用的设备也为现有技术。
本发明所述亚麻非织造物增强复合材料的制造方法，特征在于该方法采用所述的针刺亚麻非织造物作为复合材料的增强体，适当配置树脂，并采用真空吸注法(VARTM)来制造复合材料。本发明所述制造亚麻非织造物增强复合材料的具体设备和方法设计为(参见图1)：先将所述的亚麻非织造物7放置在依次排列的透气层5、压板6和隔离膜3与隔离膜10之间，再将其一并放置在密封膜4与底板11通过密封胶8构成的密闭模具之间。用真空泵16经管接的阀门12和密封罐13将所述密闭模具间的空气抽出，使其内的亚麻非织造物7形成一定的真空度，造成亚麻非织造物7与所述密闭模具外的大气之间产生压力差。密闭模具内真空度大小反应在设置于回流吸管17上的压力表15上，并据此控制工艺。在这个压力差的作用下，树脂罐1中的树脂，通过注入管2注入到亚麻非织造物7的一侧，再经树脂分配管9将树脂输送到亚麻非织造物7的周围，进而在压力差的作用下逐渐流向吸管17。在这一树脂的流动过程中，树脂会逐步浸润纤维并最终填满亚麻非织造物7纤维间的空隙，然后凝胶固化，形成本发明所述的树脂基亚麻非织造物增强复合材料。而多余的树脂被吸到密封罐13内的树脂收集瓶14中。
本发明复合材料制造方法所述适当配置树脂的重量配方组分设计为：不饱和聚酯树脂∶引发剂∶促进剂＝100∶0.8～1.2∶1.2～1.5；所述引发剂为过氧化甲乙铜；所述促进剂为环烷酸钴；所述真空吸注法的工艺参数为：真空压力-0.085～-0.095Mpa，吸注时间15～30分钟，凝胶时间15～30分钟。本发明所述真空吸注法的工艺参数不受实施例的限制。本发明方法所述的不饱和聚酯树脂为常规的市售196s或191等。
本发明复合材料制造方法所述的压板6可以根据需要采用。当使用压板6时，所制得的复合材料板材上、下表面均为光面；而不采用压板6时，制得的复合材料板材只有下表面为光面，上表面为糙面，但降低了生产成本，。
本发明复合材料制造方法所述的真空吸注法使用的模具可以根据产品需要设计，例如可以为平板形、凹面形或凸面形，也即所述的密封膜4下依次排列的透气层5、压板6和隔离膜3，以及所述的隔离膜10和底板11(隔离膜3下面与隔离膜10之间为亚麻非织造物7)通过密封胶8构成的密闭模具可以为平面形状(如图1所示)，也可以设计为非平面形状。制造这种非平面的异形复合材料完全可以采用本发明所述的设备和工艺方法，所要做的主要工作就是设计所需的密闭异形模具，例如把所述底板11及其他相应的模具件设计为凹面形状(如图2中的底板11’等所示)，或者凸面形状(如图3中的底板11”等所示)以及其他没有给出图示的其他非平面的异形形状。另外，对于注入管2和回流吸管17等也可以做适应性修改设计(参见图1、2、3)。这些修改设计本领域普通技术人员不经创造性劳动即可实施。本发明利用这些异形模具可以制造出亚麻非织造物复合材料异形件。
本发明所述的亚麻非织造物和制造方法虽着眼于做复合材料骨架或支持体，但它完全适用于普通服用织物，如制造单缝帽盔、仿形裤子等。两者的主要区别是所用纤维材料及其特数不同。前者使用的材料都是高强低伸的材料，如芳纶、碳纤维、玻璃纤维等，号数一般为数百特；后者则使用常规服用纤维。
下面给出本发明几个具体的实施例：
实施例1：
亚麻非织造物制造方法包括焖麻、开松、梳理、铺网和针刺工艺；所用亚麻纤维平均长度为16.6cm，平均细度为19.6μm；焖麻工艺为，均匀加入亚麻纤维重量5％的市售和毛水，焖麻24小时；针刺工艺为：先低频预刺加固亚麻纤维网，预刺针刺1次，频率为600r/min；然后高频主刺加固亚麻纤维网，主刺针刺频率为800r/min，交叉铺网，针刺2次，制造出的亚麻非织造物厚度为5.56mm，定重为672.92g/m2。
利用所得针刺亚麻非织造物，采用所述真空吸注法制造亚麻非织造物增强复合材料，工艺参数是：配置树脂的重量配方组分为：不饱和聚酯树脂196s∶引发剂∶促进剂＝100∶1.2∶1.5；引发剂为过氧化甲乙铜；促进剂为环烷酸钴；真空吸注法的真空压力为-0.095Mpa，吸注时间为15分钟，凝胶时间为20分钟，制成的复合材料板材尺寸为30×30cm2。
对所得复合材料进行拉伸与弯曲强度实验，拉伸强度为21.03MPa，弯曲强度为113.45MPa。实验方法分别参照GB1447-83与GB1449-83标准，实验设备为岛津AG-250KNE万能材料试验机。拉伸试样规格为200mm×25mm、夹持距离为100mm；弯曲试样规格为80mm×15mm、跨距为60mm。拉伸与弯曲试验的加载速度均为2mm/min。
实施例2：
制造非织造物所用亚麻纤维平均长度为6.6cm，平均细度为12μm；焖麻时均匀加入亚麻纤维重量2％的和毛水，针刺制造亚麻非织造物时，改变铺网方式，即采用平行铺网方式，针刺1次，针刺频率为650r/min，制造出亚麻非织造物的厚度为6.39mm，定重为857.39g/m2。其他同实施例1。
制造复合材料所述树脂的重量配方组分为：不饱和聚酯树脂196s∶引发剂∶促进剂＝100∶0.8∶1.2；吸注真空压力为-0.085Mpa，吸注时间为30分钟，凝胶时间为20分钟，余同实施例1。制成的复合材料板材尺寸为50×50cm2。
对所得复合材料进行拉伸与弯曲强度实验，拉伸强度为58.59MPa；弯曲强度为120.26MPa。实验方法同实施例1。
实施例3：
制造非织造物所用亚麻纤维平均长度为2.8cm，平均细度为40μm；焖麻时均匀加入亚麻纤维重量3％的和毛水，针刺制造亚非织造物时，平行铺网，预刺针刺1次，针刺频率为650r/min；主刺针刺频率为850r/min，针刺3次，其他工艺同实施例1。制造出的亚麻非织造物厚度为5.56mm，定重为672.92g/m2。
制造复合材料所述树脂的重量配方组分为：不饱和聚酯树脂196s∶引发剂∶促进剂＝100∶1.0∶1.2；吸注真空压力为-0.085Mpa，吸注时间为2 5分钟，凝胶时间为30分钟，余同实施例1。制成的复合材料板材尺寸为50×50cm2。
对所得复合材料进行拉伸与弯曲强度实验，拉伸强度为58.59MPa；弯曲强度为120.26MPa。实验方法同实施例1。
实施例4：
制造非织造物所用亚麻纤维平均长度为18.2cm，平均细度为20.5μm；焖麻时均匀加入亚麻纤维重量4％的和毛水，针刺制造亚非织造物时，平行铺网，预刺针刺1次，频率为650r/min；主刺针刺频率为850r/min，针刺6次，其他工艺同实施例1。制造出的亚麻非织造物厚度为2.56mm，定重为418.54g/m2。
制造复合材料所述树脂的重量配方组分为：不饱和聚酯树脂196s∶引发剂∶促进剂＝100∶1.0∶1.0；吸注真空压力为-0.09Mpa，吸注时间为25分钟，凝胶时间为20分钟，余同实施例1。制成的复合材料板材尺寸为40×32cm2。
对所得复合材料进行拉伸与弯曲强度实验，拉伸强度为51.23MPa；弯曲强度为79.67MPa。实验方法同实施例1。
实施例5：
制造非织造物所用亚麻纤维平均长度为12.6cm，平均细度为15.3μm；焖麻为均匀加入亚麻纤维重量3％的和毛水，针刺制造亚麻非织造物时，采用交叉铺网方式；预刺1次，针刺频率为650r/min，主刺针刺频率800r/min，针刺3次，其他工艺同实施例1。制造出的亚麻非织造物厚度为3.16mm，定重为523.09g/m2。
制造复合材料所述树脂的重量配方组分为：不饱和聚酯树脂196s∶引发剂∶促进剂＝100∶0.8∶1.5；吸注真空压力为-0.09Mpa，吸注时间为25分钟，凝胶时间为15分钟，余同实施例1。制成的复合材料板材尺寸为45×40cm2。
对所得复合材料进行拉伸与弯曲强度实验，拉伸强度为60.14MPa；弯曲强度为82.14MPa。实验方法同实施例1。
实施例6：
制造非织造物所用亚麻纤维平均长度为15.2cm，平均细度为19.0μm；焖麻时均匀加入亚麻纤维重量3％的和毛水，针刺制造亚麻非织造物时，采用平行铺网方式，预刺1次，针刺频率为650r/min，主刺针刺频率800r/min，针刺5次，其他工艺同实施例1。制造出亚麻非织造物的厚度为3.12mm，定重为499.18g/m2。
制造复合材料所述树脂的重量配方组分为：不饱和聚酯树脂196s∶引发剂∶促进剂＝100∶0.9∶1.2；吸注真空压力为-0.095Mpa，吸注时间为15分钟，凝胶时间为2 5分钟，余同实施例1。制成的复合材料板材尺寸为30×35cm2。
对所得复合材料进行拉伸与弯曲强度实验，拉伸强度为65.23MPa；弯曲强度为87.46MPa。实验方法同实施例1。
实施例7：
针刺制造亚麻非织造物时，采用平行铺网方式，低频预刺1次，针刺频率为600r/min，高频主刺针刺频率为850r/min，针刺1次，制造出的亚麻非织造布厚度为5.39mm，定重为380.19g/m2。
制造复合材料所述树脂的重量配方同实施例1，使用图2所示的成型模具制作内凹形亚麻非织造物复合材料异型件。成型时没有使用类似实施例1中的压板6，而是利用凹形阴阳对模先将模压料压制成预成坯，再将配制好的树脂体系倒入，然后在压力值为-0.095MPa下压制成型。其他参数同实施例1。制成的内凹形亚麻非织造物增强复合材料与模具接触侧为光面，另一侧为糙面。
所得凹形异型件采用压力破坏实验检测，在日本岛津AG-250KN型材料实验机上进行测试，加载速率为3mm/min。测得破坏载荷为6.96KN；断裂位移6.05mm。
实施例8：
与实例1相同，制造出交叉铺网针刺2次，厚度为5.56mm，定重为672.92g/m2的亚麻非织造物。
制造复合材料树脂的重量配方同实施例1，使用图3所示的成型模具制作外凸形亚麻非织造物复合材料半球形异型件。成型时使用压板6，利用凸形阴阳对模先将模压料压制成预成坯，再将配制好的树脂体系倒入，然后在压力值为-0.1MPa下压制成型。其他参数同实施例1。制成的外凸形亚麻非织造物复合材料两面均为光面。
与实施例7相同，异型件在日本岛津AG-250KN型材料实验机上进行压力破坏测试，加载速率为3mm/min。测得破坏载荷为5.83KN；断裂位移5.14mm。