本發(fā)明涉及一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備方法，具體涉及一種高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法。

背景技術(shù)：

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在工程材料及輕量化裝備方面具有極大的應(yīng)用價值。目前常用的增強(qiáng)纖維材料主要是麻纖維、玻璃纖維，還有高性能纖維芳綸、碳纖維等。與這些纖維相比，蠶絲纖維具有密度低、強(qiáng)伸性好、表面親和力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有利于獲得更好增強(qiáng)效果和更高纖維體積分?jǐn)?shù)的纖維復(fù)合材料。而且，蠶絲纖維可生物降解、可再生，是環(huán)境友好材料。采用蠶絲纖維及制品制備的增強(qiáng)復(fù)合材料也表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能，但是經(jīng)絲紡織工藝制成的蠶絲纖維材料成本大幅提高，性價比遠(yuǎn)低于麻纖維和玻璃纖維，極大地限制了其推廣應(yīng)用。

實(shí)際上，蠶繭本身是一種非常輕巧卻異常堅韌的天然結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、防護(hù)性好等優(yōu)良特性。但是蠶繭個體太小，傳統(tǒng)的絲紡織工藝又會破壞天然蠶繭結(jié)構(gòu)，而且通過蠶絲重新來復(fù)制蠶繭結(jié)構(gòu)不僅難度大，而且成本高。在2014年的文獻(xiàn)compositesscienceandtechnology第101期173～183頁公開的名稱為“cansilkbecomeaneffectivereinforcingfibre：apropertycomparisonwithflaxandglassreinforcedcomposites”，將蠶絲織物、蠶絲無紡布分別與環(huán)氧樹脂復(fù)合，得到的復(fù)合材料可獲得更高的纖維體積分?jǐn)?shù)，但其力學(xué)性能與亞麻類復(fù)合材料相當(dāng)、低于玻璃纖維，性價比不高。在2016年的文獻(xiàn)materialsscienceandengineeringc的第65期215～220頁公開的名稱為“comparingthepropertiesofbombyxmorisilkcocoonsagainstsericin-fibroinregummedbiocompositesheets”，將絲素纖維再用絲膠粘合起來制備絲素-絲膠復(fù)合材料，但其拉伸強(qiáng)度僅為天然蠶繭的一半，下降明顯。在2015年的文獻(xiàn)polymer第56期93～101頁公開的名稱為“silkcocoonsasnaturalmacro-balloonfillersinnovelpolyurethane-basedsyntacticfoams”，將天然蠶繭嵌入到聚氨酯合成泡沫中，蠶繭占據(jù)60～90％的質(zhì)量，40～70％的體積分?jǐn)?shù)，復(fù)合泡沫的壓縮性能、熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性都比純泡沫有明顯提高。2015年泰國研究者公開報道了將蠶繭也特制樹脂復(fù)合，經(jīng)液壓8小時制成2cm厚的防彈材料，該材料防彈效果好，成本比普通芳綸纖維防彈材料降低40％。上述方法表明利用蠶繭結(jié)構(gòu)可以有效提高復(fù)合材料的機(jī)械性能，而蠶繭結(jié)構(gòu)的設(shè)計、構(gòu)建及復(fù)合技術(shù)都有需要改進(jìn)的地方。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種直接利用蠶繭制備高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的方法，通過蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的結(jié)構(gòu)設(shè)計、構(gòu)建及熱壓復(fù)合，使蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制造簡單、規(guī)格一致、性能穩(wěn)定。

本發(fā)明提供一種高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

s1、將天然蠶繭的橢圓形端部切除，再將剩余部分沿徑向剖開，得到大小一致的蠶繭方塊；

s2、將所述蠶繭方塊沿兩對邊方向等間距剪切一定長度的開口，制成兩邊多觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”；

s3、將所述若干蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成一定長度的蠶繭條；

s4、將所述若干蠶繭條用蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大面積蠶繭片；

s5、將所述大面積蠶繭片鋪疊奇數(shù)層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

s6、將粘合劑施加到所述層疊蠶繭材料中，再將含粘合劑的層疊蠶繭材料放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

進(jìn)一步，所述高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法具體包括以下步驟：

a.將天然蠶繭的兩端切除，再將剩余的圓柱形蠶繭沿徑向剖開，剪成長度為20～30mm的蠶繭方塊；

b.將步驟a制得的蠶繭方塊沿兩對邊方向等間距剪切一定長度的開口，制成兩邊多觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”，觸手的寬度為5～10mm，長度為4～8mm；

c.將步驟b制得的若干蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”，沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成長度為100～1000mm的蠶繭條；

d.將步驟c制得的若干個蠶繭條用蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大面積蠶繭片；

e.將步驟d制得的大面積蠶繭片鋪疊奇數(shù)層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

f.將粘合劑均勻施加到步驟e制得的層疊蠶繭材料中，再將含粘合劑的層疊蠶繭材料放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

進(jìn)一步，所述粘合劑為環(huán)氧樹脂ab膠、聚四氟乙烯乳液、pva溶液、pe粉末、pp粉末中的一種或幾種。

進(jìn)一步，所述粘合劑在蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0％～20％。

進(jìn)一步，平板硫化機(jī)的熱壓溫度為25～300℃，壓力為10～30mpa，時間為30～900秒。

本發(fā)明的有益效果在于，直接利用蠶繭殼設(shè)計規(guī)格一致的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”，通過簡單拼接組合就可以形成大面積的蠶繭片狀結(jié)構(gòu)材料，不經(jīng)過絲紡織工藝，成本大幅降低。蠶繭結(jié)構(gòu)材料在添加或者不添加粘合劑的情況下，通過簡單的熱壓工藝就可以成型，得到強(qiáng)度很高的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。該材料保留了天然蠶繭結(jié)構(gòu)，能很好地發(fā)揮蠶繭自身的優(yōu)異力學(xué)性能，可用作增強(qiáng)及防護(hù)材料。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明的高強(qiáng)度蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的流程圖；

圖2是實(shí)施例4的施加粘合劑的蠶繭表面sem圖；

圖3是實(shí)例6的熱壓蠶繭表面sem圖；

圖4是實(shí)例6的蠶繭材料的拉伸強(qiáng)度曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1是本發(fā)明的高強(qiáng)度蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的流程圖。從圖1可以看出，本發(fā)明的制備方法簡單易行。關(guān)鍵是設(shè)計好蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”，通過在蠶繭方塊的對邊等分剪開一定深度的開口，形成多個觸手，通過這些觸手的相互交叉咬合，可以方便地實(shí)現(xiàn)一定長度的蠶繭條，再進(jìn)一步拼合做大成蠶繭片，從而實(shí)現(xiàn)蠶繭結(jié)構(gòu)的大面積化，為以后的熱壓復(fù)合制備蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

下面的例子將對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但并非用于限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的詳細(xì)步驟如下：

(1)將天然家蠶繭的兩端切除，再將剩余部分沿徑向剖開，剪成大小為20mm×30mm的蠶繭方塊；

(2)將上述蠶繭方塊沿長度邊方向每隔5mm剪切5mm深的開口，制成兩邊各六個觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”；

(3)將20個蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成長度200mm左右的蠶繭條；

(4)將步驟(3)制得的25個蠶繭條用步驟(2)中的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大面積蠶繭片，其寬度為蠶繭條的長度，長度為1000mm左右；

(5)將步驟(4)制得的蠶繭片鋪疊3層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

(6)將pe粉末均勻噴灑到步驟(5)所述層疊蠶繭材料中，再將含5％pe的層疊蠶繭材料放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度120℃，壓力20mpa，處理時間100秒，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

實(shí)施例2

高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的詳細(xì)步驟如下：

(1)將天然家蠶繭的兩端切除，再將剩余部分沿徑向剖開，剪成大小為20mm×20mm的蠶繭方塊；

(2)將上述蠶繭方塊沿對邊方向每隔5mm剪切4mm深的開口，制成兩邊各四個觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”；

(3)將50個蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成長度500mm左右的蠶繭條；

(4)將步驟(3)制得的15個蠶繭條用步驟(2)中的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大片狀材料，其寬度為蠶繭條的長度，長度500mm左右；

(5)將步驟(4)制得的蠶繭片鋪疊5層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

(6)將pp粉末均勻噴灑到步驟(5)所述層疊蠶繭材料中，再將含20％pp的層疊蠶繭材料放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度200℃，壓力25mpa，處理時間30秒，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

實(shí)施例3

高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的詳細(xì)步驟如下：

(1)將天然家蠶繭的兩端切除，再將剩余部分沿徑向剖開，剪成大小為30mm×30mm的蠶繭方塊；

(2)將上述蠶繭方塊沿對邊方向每隔10mm剪切8mm深的開口，制成兩邊各三個觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”；

(3)將65個蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成長度1000mm左右的蠶繭條；

(4)將步驟(3)制得的25個蠶繭條用步驟(2)中的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大片狀材料，其寬度為蠶繭條的長度，長度1000mm左右；

(5)將步驟(4)制得的蠶繭片鋪疊9層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

(6)將環(huán)氧樹脂ab膠均勻噴灑到步驟(5)所述層疊蠶繭材料中，再將含15％環(huán)氧樹脂ab膠的層疊蠶繭材料放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度25℃，壓力10mpa，處理時間900秒，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

實(shí)施例4

高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的詳細(xì)步驟如下：

(1)將天然家蠶繭的兩端切除，再將剩余部分沿徑向剖開，剪成大小為20mm×30mm的蠶繭方塊；

(2)將上述蠶繭方塊沿長邊方向每隔6mm剪切5mm深的開口，制成兩邊各五個觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”；

(3)將9個蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成長度100mm左右的蠶繭條；

(4)將步驟(3)制得的5個蠶繭條用步驟(2)中的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大片狀材料，其寬度為蠶繭條的長度，長度200mm左右；

(5)將步驟(4)制得的蠶繭片鋪疊25層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

(6)將環(huán)氧樹脂ab膠均勻噴灑到步驟(5)所述層疊蠶繭材料中，再將含10％環(huán)氧樹脂ab膠的層疊蠶繭材料放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度80℃，壓力20mpa，處理時間600秒，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

圖2為本實(shí)施例的添加粘合劑的蠶繭材料表面sem圖，可見粘合劑較均勻地分布于蠶繭材料上，說明蠶繭結(jié)構(gòu)材料與粘合劑的粘合效果很好。

實(shí)施例5

高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的詳細(xì)步驟如下：

(1)將天然家蠶繭的兩端切除，再將剩余部分沿徑向剖開，剪成大小為25mm×25mm的蠶繭方塊；

(2)將上述蠶繭方塊沿對邊方向每隔5mm剪切6mm深的開口，制成兩邊各五個觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”；

(3)將11個蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成長度150mm左右的蠶繭條；

(4)將步驟(3)制得的5個蠶繭條用步驟(2)中的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大片狀材料，其寬度為蠶繭條的長度，長度170mm左右；

(5)將步驟(4)制得的蠶繭片鋪疊15層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

(6)將聚四氟乙烯乳液膠均勻噴灑到步驟(5)所述層疊蠶繭材料中，再將含20％聚四氟乙烯的層疊蠶繭材料放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度300℃，壓力30mpa，處理時間60秒，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

實(shí)施例6

高強(qiáng)蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備方法的詳細(xì)步驟如下：

(1)將天然家蠶繭的兩端切除，再將剩余部分沿徑向剖開，剪成大小為20mm×30mm的蠶繭方塊；

(2)將上述蠶繭方塊沿長度邊方向每隔5mm剪切5mm深的開口，制成兩邊各六個觸手的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”；

(3)將20個蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”沿觸手方向拼接，相鄰觸手一上一下相互交叉咬合，形成長度200mm左右的蠶繭條；

(4)將步驟(3)制得的6個蠶繭條用步驟(2)中的蠶繭“標(biāo)準(zhǔn)件”的觸手橫向連接，形成完整的大片狀材料，其寬度為蠶繭條的長度，長度為230mm左右；

(5)將步驟(4)制得的蠶繭片鋪疊3層，相鄰兩層的蠶繭條排列方向相互垂直；

(6)將步驟(5)所述層疊蠶繭材料(粘合劑含量為0％)放入平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度150℃，壓力25mpa，處理時間300秒，得到高強(qiáng)的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

圖3為本實(shí)施例的熱壓蠶繭材料的表面sem圖，由圖可以看出蠶繭結(jié)構(gòu)中的繭絲在熱壓作用下，即使不施加粘合劑也會牢固地粘黏在一起，可更好地發(fā)揮蠶繭結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。圖4為本實(shí)施例的蠶繭材料的拉伸強(qiáng)度曲線圖，由圖可以明顯看出，熱壓后的蠶繭材料的拉伸強(qiáng)度大幅提高，而斷裂伸長幾乎沒有變化，說明本發(fā)明的蠶繭結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能有極大改善，有利于拓展蠶繭結(jié)構(gòu)材料在增強(qiáng)及防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。