一种木纤维增强材料、其制备方法及应用与流程

本发明属于增强材料，尤其涉及一种木纤维增强材料、其制备方法及应用。

背景技术：

1、高性能纤维作为一种增强材料，与树脂复合成型复合材料结构件，具有轻质高强的特点，可以实现结构的轻量化，因此广泛应用于汽车、航空航天、轨道交通、船舶、建筑、运动器械、风电、消费电子、生活家装、休闲娱乐等。

2、增强纤维主要包括有机类纤维和无机类纤维。其中，有机类纤维主要来源于化石能源，经过高温高压将碳链进行致密排布从而获得优异力学性能，这类材料包括碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。无机类纤维主要包括玻璃纤维、玄武岩纤维等，这类纤维通过将无机材料在高温下熔融后拉丝获得，密度相比于有机纤维要高，因此轻量化效果要差。

3、但上述有机类人造纤维和无机类纤维在制备方法上都需要用大量能耗，往往伴随大量废气废液排放，同时由于材料无法在环境中分解，所以需要进行回收以避免土壤或者海洋污染。

4、植物纤维作为一种通过光合作用自然形成的纤维材料，具有全生命周期可持续的特点，使用植物纤维作为产品材料容易达到零碳排放，甚至因为植物纤维本身固碳的特性而达到负碳排放。但是大多数的植物纤维在没有特殊处理下并不具备增强材料所需的力学性能，所以目前只有极少数的植物纤维成功被商业开发用于复合材料领域，主要为麻纤维。麻纤维具有优异的力学性能，但是其成型后呈现偏灰黄色的外观和质感，缺乏木制品的高级感，而且麻纤维的长期动态力学性能一般，抗蠕变性和抗疲劳较差，不适宜用于长期受力的结构件。植物纤维还包括一些从秸秆等植物中提炼出纤维素后直接使用，或者进一步人工合成出木素纤维的产品，但这些方法涉及到化学提炼和合成，具有一定门槛，且纤维素单丝具有高吸湿等缺点。上述原因制约了植物纤维在复合材料增强纤维领域的市场规模。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种具有优异力学增强作用的木纤维增强材料、其制备方法及应用。

2、本发明提供了一种木纤维增强材料，包括压缩的木细胞胞壁；所述木纤维增强材料的直径为0.2～0.8mm；所述木纤维增强材料的密度为0.9～1.8g/cm3；所述木纤维增强材料的密度为木材原料的1.64～3.6倍。

3、优选的，所述木纤维增强材料的拉伸断裂强度为200～800mpa；所述木纤维增强材料的杨氏模量为15～60gpa。

4、优选的，所述木纤维增强材料为连续长丝；单股所述连续长丝包含单根有捻回的线材；所述线材的截面为圆形或者近似圆形。

5、优选的，所述木纤维增强材料的表面及内部具有微观层状褶皱结构；所述层状褶皱结构与木纤维增强材料轴向的倾斜度为5°～40°。

6、优选的，所述木纤维增强材料的自然木材的比例为99.95～99.993wt.％。

7、本发明还提供了一种木纤维增强材料的制备方法，包括以下步骤：

8、s1)将窄直纹木皮进行化学改性，得到改性后的木皮；

9、s2)将改性后的木皮进行拼接，得到连续木皮；

10、s3)将连续进行加捻，得到木线；

11、s4)将所述木线进行拉丝致密，得到木纤维增强材料。

12、优选的，所述窄直纹木皮的厚度为0.1～0.5mm；所述窄直纹木皮的宽度为0.5～8mm；

13、和/或，所述窄直纹木皮的纹理与边缘的角度小于10°；

14、在20cm长度范围内，所述窄直纹木皮的边缘大于1mm的毛刺数量小于等于10根，且没有毛刺的长度大于5mm，宽度大于0.3mm。

15、优选的，所述步骤s1)中化学改性在密闭高压体系内进行；所述化学改性的温度为100～150℃；所述化学改性的压强为0.07～1mpa；所述化学改性的时间为2～12h；所述化学改性的升温速率为0.5～5℃/min；

16、或者，所述化学改性在常压条件下进行；所述化学改性的时间为24～72h；所述化学改性的温度为100℃水沸腾温度；所述化学改性的升温速率为0.5～5℃/min；

17、和/或，化学改性后，将反应液降温，得到改性后的木皮；所述降温的速率为1～10℃/min；降温包括水冷或者风冷。

18、优选的，所述步骤s1)中化学改性的改性液包括碱性物质与磺化剂；

19、所述改性液的ph值为12～14；

20、所述改性液中碱性物质的浓度为0.01～5kg/l；

21、所述碱性物质选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸氢钠与碳酸氢钾中的一种或多种；

22、所述改性液中磺化剂的浓度为0.01～5kg/l；

23、所述改性液中磺化剂选自亚硫酸盐、氯磺酸、羟甲基磺酸盐、硫酰氯与氨基磺酸中的一种或多种；

24、和/或，所述窄直纹木皮与化学改性的改性液的物料比为1cm3：4.6～184l。

25、优选的，所述改性后的木皮的质量相比窄直纹木皮降低35～60％。

26、优选的，所述步骤s2)中所述拼接通过胶水进行；

27、连续木皮中自然木材的比例为99.95～99.993wt.％。

28、优选的，所述步骤s3)中加捻的线速度为0.5～5m/min；

29、和/或，所述木线的捻度为80～300捻/米。

30、优选的，所述步骤s3)中加捻后，进行挤压致密处理，得到木线；

31、所述挤压致密处理包括第一挤压致密处理或者包括第一挤压致密处理与第二挤压致密处理；

32、所述第一挤压致密处理所用模具的面积为改性后的木皮的截面积的30％～60％；

33、所述第二挤压致密处理所用模具的面积为第一挤压致密处理所用模具面积的40％～80％。

34、优选的，所述第二挤压致密处理在模具加热的条件下进行；所述模具加热的温度为60℃～250℃。

35、优选的，所述步骤s4)中拉丝致密的线速度为0.2～5m/min；

36、和/或，所述拉丝致密的模具温度为60℃～250℃。

37、优选的，所述步骤s4)中拉丝致密为多级拉丝模致密；所述多级拉丝模致密的级数为2～15；所述多级拉丝模致密所用的拉丝模的出口直径依次减小0～0.1mm。

38、优选的，所述多级拉丝模致密的第一级拉丝模的出口直径至第n级拉丝模出口直径依次减小0.01～0.1mm，第n+1级拉丝模的出口直径至最后一级拉丝模出口直径依次减少0～0.03mm；n为大于等于级数1/3～2/3的整数。

39、优选的，所述步骤s4)还包括角质化处理；所述角质化处理包括充水处理与脱水处理；

40、所述充水处理使含水率为60～120wt％；

41、所述脱水处理使含水率为2～20wt％。

42、优选的，所述角质化处理在拉丝致密的过程中进行，所述角质化的脱水处理通过拉丝致密所用的模具进行。

43、优选的，所述角质化处理为多次角质化处理；所述拉丝致密为多级拉丝模致密；

44、所述多次角质化处理的次数为1～5次；

45、所述多级拉丝模致密的级数为2～15。

46、本发明还提供了一种木纤维布料增强材料，包括上述的木纤维增强材料。

47、本发明还提供了一种高分子树脂复合材料，包括上述的木纤维增强材料和/或上述的木纤维布料增强材料。

48、本发明提供了一种木纤维增强材料，包括压缩的木细胞胞壁；所述木纤维增强材料的直径为0.2～0.8mm；所述木纤维增强材料的密度为0.9～1.8g/cm3。与现有技术相比，本发明提供的木纤维增强材料具有非常优异的力学增强作用，将其与树脂复合获得的复合材料具有显著的木质拉丝面板的纹理，色泽和质感，兼顾美观和高性能，同时具有优异的长期动态力学性能，在90mpa最大应力，5hz频率的疲劳测试条件下可以达到100万次周期无显著性能衰减；另外木纤维增强复合材料有优异的阻燃性能，可以在不添加任何阻燃剂下达到离火自熄的阻燃等级；此外，木纤维增强材料具有优异的抗紫外老化和抗湿热老化的性能。