CN103374220A - 天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其由包括以下重量份的组分制成：天然纤维30-70份，聚氨酯弹性体70-30份，其中所述天然纤维选自黄麻、剑麻、大麻、亚麻、苎麻，所述聚氨酯弹性体选自硬质的聚氨酯弹性体、软质的聚氨酯弹性体或半硬质的聚氨酯弹性体。本发明还公开了上述天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料的制备方法。本发明采用可降解的天然纤维为原料，利于环保，而且采用反应注射工艺将液体聚氨酯A、B组分原料混合后浸渍天然纤维毡，然后固化成型，克服了传统的玻璃纤维与聚氨酯弹性体浇注过程引起的制品表面不平整问题，制备出的复合材料耐磨性好，抗冲击强度提高，可用于替代现有的玻璃纤维增强复合材料用于汽车内饰件。

Description

天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，特别涉及一种天然纤维增强聚氨酯弹性体（UE）复合材料及其制备方法，为适用于汽车内饰方面的可降解的复合材料。

背景技术

目前的汽车内饰板材主要是纤维增强热塑性树脂的复合材料，所用的纤维大多是玻璃纤维，玻璃纤维增强的复合材料成本低，强度高，但是玻璃纤维增强的复合材料冲击性能差，而且还存在玻璃纤维与聚氨酯弹性体浇注过程中玻璃纤维带入到制品表面引起的制品表面不平整问题，同时玻璃纤维不容易降解，不利于环保。由于现在社会对于汽车行业方面的要求越来越高，并且对汽车环保型、轻量化、降油耗、降成本等各项指标也有明确的要求，一些汽车内饰正在向天然纤维增强的复合材料转型，天然纤维增强的复合材料将会拥有更广阔的市场。

全世界天然纤维的产量很大，并且在不断增加，是纺织工业的重要材料来源，也是复合材料未来发展的一个重要方向。但是天然纤维增强的普通热塑性塑料得到的复合材料强度较低，用于汽车领域，很多方面性能达不到要求。

聚氨酯弹性体比热塑性塑料拥有更多优异的性能，如拉伸强度高，耐磨，抗冲击性能良好，负载支撑容量大，减震效果好，这些都使得它在一些特殊的应用领域发挥巨大的作用，其与天然纤维复合可以弥补天然纤维强度上的不足，制备高强度高模量的天然纤维-聚氨酯弹性体复合材料，对于汽车行业也是一个较大的突破。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种天然纤维增强聚氨酯弹性体（UE）复合材料，以解决现有技术中天然纤维增强普通热塑性塑料得到的复合材料强度较低，性能达不到要求的问题。

本发明的第二目的在于提供上述天然纤维增强聚氨酯弹性体（UE）复合材料的制备方法，以解决传统的玻璃纤维与聚氨酯弹性体浇注过程中玻璃纤维带入到制品表面引起的制品表面不平整及得到的制品强度较低的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，由包括以下重量份的组分制成：

天然纤维            30-70份，

聚氨酯弹性体        70-30份。

较佳地，所述天然纤维的重量份数优选50-70份；所述聚氨酯弹性体的重量份数优选30-50份。

较佳地，所述天然纤维选自黄麻、剑麻、大麻、亚麻、苎麻中的一种或几种。

较佳地，所述聚氨酯弹性体选自硬质的聚氨酯弹性体、软质的聚氨酯弹性体或半硬质的聚氨酯弹性体。

较佳地，所述聚氨酯弹性体优选半硬质的聚氨酯弹性体或硬质的聚氨酯弹性体的一种。

较佳地，所述聚氨酯弹性体由重量比为100-108：100-101的A组分和B组分合成，其中

所述A组分为聚醚混合物，主要包括重量比100:0.1-1:5-10的多元醇、催化剂和添加剂；

所述B组分为异氰酸酯类混合物。

较佳地，所述A组分中：

所述多元醇选自聚氧化丙烯二醇，聚四氢呋喃二醇，聚氧化乙烯二醇，聚丁二烯二醇的一种或几种；

所述催化剂选自二月桂酸二丁基锡，辛酸亚锡，三乙醇胺，三亚乙基三胺的一种或几种；

所述添加剂选自1,4-丁二醇，3,3′-二氯-4,4′-二氨基-二苯基甲烷，三羟甲基丙烷的一种或几种。

较佳地，所述B组分选自二苯基甲烷-4﹐4ˊ-二异氰酸酯TDI、甲苯二异氰酸酯MDI、液化甲苯二异氰酸酯MDI的一种或几种。

一种上述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）预处理：

将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到20℃-60℃；

选择厚度为0.1-10mm的连续的天然纤维毡，将天然纤维毡切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入已预热的模具中；

将A组分和B组分分别放入进料罐中并将其温度分别保持在25℃-40℃，之后量取质量比为100-108:100-101的A组分和B组分使其进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；

（2）充模：

注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，将30-70重量份的A、B组分混合物加入到70-30重量份的1-20层天然纤维毡中，其中每一层天然纤维毡上均按照相同质量比例加入A、B组分混合物，待模具充满后关闭阀门，合模；

（3）固化：将模具置于1-5MPa压力下反应固化10-30min，固化温度为60℃-100℃，冷却成型后从模具中取出制品，即得到天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料。

较佳地，所述步骤（1）中模具的预热温度为40℃-60℃；天然纤维毡的厚度优选0.2-5mm； 

所述步骤（2）中，所述A、B组分混合物为30-50重量份，所述天然纤维毡为70-50重量份；

所述步骤（3）中，所述固化压力优选1-2MPa，固化温度优选80℃-90℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一．本发明采用反应注射工艺将液体的聚氨酯A、B组分原料混合后浸渍天然纤维毡，在一定的条件下固化成型制得天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，此反应注射工艺克服了传统的玻璃纤维与聚氨酯弹性体浇注过程中玻璃纤维带入到制品表面引起的制品表面不平整问题，所得复合材料表面光滑，手感好；

第二．本发明制备的复合材料耐磨性好，抗冲击强度提高，其耐磨性、抗冲击强度及拉伸强度比天然纤维增强热塑性塑料的复合材料更好，可用于替代现有的玻璃纤维增强复合材料用于汽车内饰件如门内板，车顶棚等；

第三．本发明采用可降解的天然纤维，利于环保，可实现汽车内饰件轻质化、高强化、环保化的新型汽车理念，达到材料与生活的绿色和谐统一。

具体实施方式

下面结合各实施例详细描述本发明。

实施例1

将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到40℃，模具事先预热有助于降低反应物A、B组分混合物的粘度，使得进入的聚氨酯反应物A、B组分的混合物粘度降低，流动性好，天然纤维毡与混合物的浸渍效果良好；选择厚度为0.5 mm连续的黄麻天然纤维毡，将天然纤维毡通过一个连续的输送带送入到模具上方并切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入到已预热的模具中；将两种反应原材料A组分和B组分（其中A组分为重量比100:0.1:5的聚氧化乙烯二醇1000（上海昊毅化工科技有限公司）、二月桂酸二丁基锡（型号101）、1,4-丁二醇（国药）；B组分为二苯基甲烷-4﹐4ˊ-二异氰酸酯TDI；A、B组分原料的组成重量配比为100：100）分别放入带有搅拌器可控制温度的进料罐中，A组分和B组分的温度调节分别保持在40℃和25℃，经过计量泵的精确计量，A组分和B组分进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物高速激烈碰撞，在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，在本实施例中将35重量份的A、B组分混合物加入到65重量份的7层天然纤维毡中，每一层天然纤维毡上均按照上述重量比例加入A、B组分混合物，待模具充满后关闭阀门，合模；将模具置于1MPa的压力下反应固化25min，固化温度为85℃，冷却成型后从模具中取出制品。得到的复合材料中天然纤维毡的质量分数为65%，相应的两种反应原材料（硬质聚氨酯弹性体组分原料）A、B组分占总质量的百分数为35%，复合材料的拉伸强度为29MPa，冲击强度为33kj/m²，而普通的汽车内饰板一般拉伸强度为25MPa左右，冲击强度在30kj/m²，相比而言，拉伸强度提高了16%，冲击强度提高了10%。

 

实施例2

选择厚度为0.6 mm连续的剑麻天然纤维毡；将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到45℃，模具事先预热有助于降低反应物A、B组分的混合物的粘度，使得进入的热塑性聚氨酯反应物A、B组分的混合物粘度降低，流动性好，天然纤维毡与混合物的浸渍效果良好；天然纤维毡通过一个连续的输送带送入到模具上方，切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入到已预热的模具中；将两种反应原材料A组分和B组分（其中A组分为重量比100:0.2:6的聚四氢呋喃二醇1000（PTMEG1000，上海昊毅化工科技有限公司）、辛酸亚锡、3,3′-二氯-4,4′-二氨基-二苯基甲烷；B组分为二苯基甲烷-4﹐4ˊ-二异氰酸酯TDI；A、B组分原料的组成配比为100：101）分别放入带有搅拌器可控制温度的进料罐中，A组分和B组分的温度调节分别保持在30℃，经过计量泵的精确计量，A组分和B组分进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物高速激烈碰撞，在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，在本实施例中将40重量份的A、B组分混合物加入到60重量份的6层天然纤维毡中，每一层天然纤维毡上均按照这个质量比例加入A、B组分混合料，待模具充满后关闭阀门，合模；将模具置于1.5MPa的压力下反应固化30min，反应温度为85℃，冷却成型后从模具中取出制品。得到的复合材料中天然纤维毡的质量分数为60%，相应的两种反应原材料（硬质聚氨酯弹性体组分原料）A、B组分占总质量的百分数为40%，复合材料的拉伸强度为32MPa，冲击强度为36kj/m²，而普通的汽车内饰板一般拉伸强度为25MPa左右，冲击强度在30kj/m²，相比而言，拉伸强度提高了28%，冲击强度提高了20%。

 

实施例3

将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到50℃，模具事先预热有助于降低反应物A、B组分的混合物的粘度，使得进入的热塑性聚氨酯反应物A、B组分的混合物粘度降低，流动性好，天然纤维毡与混合物的浸渍效果良好；选择厚度为0.8 mm连续的大麻天然纤维毡，将天然纤维毡通过一个连续的输送带送入到模具上方，切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入到已预热的模具中；将两种反应原材料A组分和B组分（其中A组分为重量比100:0.1:6的聚氧化丙烯二醇（PPG1000，上海凯必特化工有限公司）、三乙醇胺、三羟甲基丙烷；B组分为二苯基甲烷-4﹐4ˊ-二异氰酸酯TDI；A、B组分原料的组成配比为108：100）分别放入带有搅拌器可控制温度的进料罐中，A组分和B组分的温度调节分别保持在35℃，经过计量泵的精确计量，A组分和B组分进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物高速激烈碰撞，在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，在本实施例中将35份的A、B料混合物加入到65份的5层天然纤维毡中，每一层天然纤维毡上均按照这个质量比例加入A、B组分混合物，待模具充满后关闭阀门，合模，将模具置于1MPa的压力下反应固化25min，固化温度为90℃，冷却成型后从模具中取出制品。得到的复合材料中天然纤维毡的质量分数为65%，相应的两种反应原材料（半硬质聚氨酯弹性体组分原料）A、B组分占总质量的百分数为35%，复合材料的拉伸强度为28MPa，冲击强度为36kj/m²，而普通的汽车内饰板一般拉伸强度为25MPa左右，冲击强度在30kj/m²，相比而言，拉伸强度提高了24%，冲击强度提高了20%。

 

实施例4

将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到60℃，模具事先预热有助于降低反应物A、B组分的混合物的粘度，使得进入的热塑性聚氨酯反应物A、B组分的混合物粘度降低，流动性好，天然纤维毡与混合物的浸渍效果良好；选择厚度为1.0 mm连续的亚麻天然纤维毡，将天然纤维毡通过一个连续的输送带送入到模具上方，切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入到已预热的模具中；将两种反应原材料A组分和B组分（其中A组分为重量比100:0.5:6的聚丁二烯二醇2000（上海凯必特化工有限公司）、三亚乙基三胺、三羟甲基丙烷；B组分为甲苯二异氰酸酯MDI；A、B组分原料的组成配比为108：100）分别放入带有搅拌器可控制温度的进料罐中，A组分和B组分的温度调节分别保持在40℃，经过计量泵的精确计量，A组分和B组分进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物高速激烈碰撞，在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，在本实施例中将45份的A、B料混合物加入到55份的3层天然纤维毡中，每一层天然纤维毡上均按照这个质量比例加入A、B组分混合物，待模具充满后关闭阀门，合模，将模具置于2MPa的压力下反应固化30min，固化温度为85℃，冷却成型后从模具中取出制品。得到的复合材料中天然纤维毡的质量分数为55%，相应的两种反应原材料（半硬质聚氨酯弹性体组分原料）A、B组分占总质量的百分数为45%。复合材料的拉伸强度为38MPa，冲击强度为40kj/m²，而普通的汽车内饰板一般拉伸强度为25MPa左右，冲击强度在30kj/m²，相比而言，拉伸强度提高了52%，冲击强度提高了33%。

 

实施例５

将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到40℃，模具事先预热有助于降低反应物A、B组分的混合物的粘度，使得进入的热塑性聚氨酯反应物A、B组分的混合物粘度降低，流动性好，天然纤维毡与混合物的浸渍效果良好；选择厚度为5.0 mm连续的苎麻天然纤维毡，将天然纤维毡通过一个连续的输送带送入到模具上方，切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入到已预热的模具中；将两种反应原材料A组分和B组分（其中A组分为重量比100:0.1:5的聚氧化丙烯二醇（PPG2000，上海凯必特化工有限公司）、三亚乙基三胺、三羟甲基丙烷；B组分为液化甲苯二异氰酸酯MDI；A、B组分原料的组成配比为108：100）分别放入带有搅拌器可控制温度的进料罐中，A组分和B组分的温度调节分别保持在35℃，经过计量泵的精确计量，A组分和B组分进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物高速激烈碰撞，在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，在本实施例中将50份的A、B料混合物加入到50份的1层天然纤维毡中，每一层天然纤维毡上均按照这个质量比例加入A、B组分混合物，待模具充满后关闭阀门，合模，将模具置于1MPa的压力下反应固化30min，固化温度为80℃，冷却成型后从模具中取出制品。得到的复合材料中天然纤维毡的质量分数为50%，相应的两种反应原材料（半硬质聚氨酯弹性体组分原料）A、B组分占总质量的百分数为50%，复合材料的拉伸强度为40MPa，冲击强度为46kj/m²，而普通的汽车内饰板一般拉伸强度为25MPa左右，冲击强度在30kj/m²，相比而言，拉伸强度提高了60%，冲击强度提高了53%。

 

实施例6

将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到40℃，模具事先预热有助于降低反应物A、B组分的混合物的粘度，使得进入的热塑性聚氨酯反应物A、B组分的混合物粘度降低，流动性好，天然纤维毡与混合物的浸渍效果良好；选择厚度为0.2 mm连续的黄麻天然纤维毡，将天然纤维毡通过一个连续的输送带送入到模具上方，切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入到已预热的模具中；将两种反应原材料A组分和B组分（其中A组分为重量比100:1:10的聚氧化丙烯二醇（PPG2000，上海凯必特化工有限公司）、催化剂三亚乙基三胺、添加剂三羟甲基丙烷和1,4-丁二醇；B组分为甲苯二异氰酸酯MDI；A、B组分原料的组成配比为108：100）分别放入带有搅拌器可控制温度的进料罐中，A组分和B组分的温度调节分别保持在25℃，经过计量泵的精确计量，A组分和B组分进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物高速激烈碰撞，在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，在本实施例中将30份的A、B料混合物加入到70份的20层天然纤维毡中，每一层天然纤维毡上均按照这个质量比例加入A、B组分混合物，待模具充满后关闭阀门，合模，将模具置于1.5MPa的压力下反应固化10min，固化温度为80℃，冷却成型后从模具中取出制品。得到的复合材料中天然纤维毡的质量分数为70%，相应的两种反应原材料（半硬质聚氨酯弹性体组分原料）A、B组分占总质量的百分数为30%，复合材料的拉伸强度为33MPa，冲击强度为35kj/m²，而普通的汽车内饰板一般拉伸强度为25MPa左右，冲击强度在30kj/m²，相比而言，拉伸强度提高了32%，冲击强度提高了17%。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，由包括以下重量份的组分制成：

天然纤维            30-70份，

聚氨酯弹性体        70-30份。

2.如权利要求1所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，所述天然纤维的重量份数优选50-70份；所述聚氨酯弹性体的重量份数优选30-50份。

3.如权利要求1或2所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，所述天然纤维选自黄麻、剑麻、大麻、亚麻、苎麻中的一种或几种。

4.如权利要求1或2所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，所述聚氨酯弹性体选自硬质的聚氨酯弹性体、软质的聚氨酯弹性体或半硬质的聚氨酯弹性体。

5.如权利要求4所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，所述聚氨酯弹性体优选半硬质的聚氨酯弹性体或硬质的聚氨酯弹性体。

6.如权利要求1或2所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，所述聚氨酯弹性体由重量比为100-108：100-101的A组分和B组分合成，其中

所述A组分为聚醚混合物，主要包括重量比100:0.1-1:5-10的多元醇、催化剂和添加剂；

所述B组分为异氰酸酯类混合物。

7.如权利要求6所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，所述A组分中：

所述多元醇选自聚氧化丙烯二醇，聚四氢呋喃二醇，聚氧化乙烯二醇，聚丁二烯二醇的一种或几种；

所述催化剂选自二月桂酸二丁基锡，辛酸亚锡，三乙醇胺，三亚乙基三胺的一种或几种；

所述添加剂选自1,4-丁二醇，3,3′-二氯-4,4′-二氨基-二苯基甲烷，三羟甲基丙烷的一种或几种。

8.如权利要求6所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于，所述B组分选自二苯基甲烷-4﹐4ˊ-二异氰酸酯TDI、甲苯二异氰酸酯MDI、液化甲苯二异氰酸酯MDI的一种或几种。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）预处理：

将想要制成的汽车内饰板形状的模具预热到20℃-60℃；

选择厚度为0.1-10mm的连续的天然纤维毡，将天然纤维毡切割成模具形状大小的纤维毡，然后送入已预热的模具中；

将A组分和B组分分别放入进料罐中并将其温度分别保持在25℃-40℃，之后量取质量比为100-108:100-101的A组分和B组分使其进入混合头并搅拌混合均匀，形成A、B组分混合物；

（2）充模：

注射开始时，混合头的阀门打开，A、B组分混合物在接近大气压的压力下流入模具浸渍天然纤维毡，将30-70重量份的A、B组分混合物加入到70-30重量份的1-20层天然纤维毡中，其中每一层天然纤维毡上均按照相同质量比例加入A、B组分混合物，待模具充满后关闭阀门，合模；

（3）固化：将模具置于1-5MPa压力下反应固化10-30min，固化温度为60℃-100℃，冷却成型后从模具中取出制品，即得到天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料。

10.如权利要求9所述的天然纤维增强聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤（1）中模具的预热温度为40℃-60℃；天然纤维毡的厚度优选0.2-5mm； 

所述步骤（2）中，所述A、B组分混合物为30-50重量份，所述天然纤维毡为70-50重量份；

所述步骤（3）中，所述固化压力优选1-2MPa，固化温度优选80℃-90℃。