复合材料的制作方法

1.本发明涉及一种复合材料，其除了纤维之外还包含至少一种基质聚合物。


背景技术：

2.纤维增强复合材料在过去几十年中已被广泛用作材料。在此方面的一个突出的例子是飞机制造。现代大型飞机的机身和机翼在此期间大部分由复合材料制成。但大宗商品，例如网球拍、滑雪板或摄影三脚架也由复合材料制成，因为它们一方面具有低密度，另一方面在机械方面极其耐用，并且尤其是具有高刚度、耐冲击性和对拉力以及压力的耐受性。
3.复合材料的主要弱点仍然是其环境可承受性差。这一方面是由于制造过程，该制造过程通常非常耗能并且同时还经常要求使用对环境和健康有强烈危害的物质。另一方面，对由复合材料制成物品的废物回收通常不能以经济的方式和方法实现，从而对于由复合材料制成的废物经常仅考虑热回收，这通常导致相应产品的差的co2平衡。


技术实现要素：

4.在此背景下，需要提供一种复合材料，其虽然具有传统复合材料的有利的特性(在低密度的同时机械负荷能力高)，但其能够以环境友好的方式制造并且同时提供了以经济的方式回收的可能性。
5.在回收时要区分两种基本方式：一种是材料回收，其中废弃物品转化为新的形式并且继续使用。尤其是在回收玻璃和金属时经常这样做且实践得非常成功。另一种更复杂的回收方式是将待回收的物品视为原料并且从其中获取新的材料，所述新的材料然后能够被加工成完全不同的产品。这在塑料回收的领域中已在一定程度上得到实践，在塑料回收的领域中，塑料废物被分解成其单体，然后将单体送至工业过程中。
6.通常，复合材料是包含至少一种基质材料和至少一种在化学上与其不同的纤维材料的多组分系统。因此，对由复合材料制成的物品的废物回收的可能性非常有限，因为相应的物品仅能够以切割方式实现新的形状。
7.基质聚合物和纤维材料的组分分离通常是特别费事的，因为在制造相应的材料时通常很重视基质聚合物与纤维材料的紧密的、难以分开的结合。
8.纤维素纤维改善了复合材料的co2平衡，因为它是不含化石原料的天然来源的纤维。
9.现在令人惊讶地表明，现有技术的缺陷可以通过一种含有纤维和至少一种基质聚合物的复合材料得到克服，其特征在于，该复合材料含有一种由纤维素短纤维和纤维素长纤维构成的混合物，其中纤维素短纤维的纤维长度小于500μm，而纤维素长纤维的纤维长度大于1mm。
具体实施方式
10.在一个实施方案中，所述至少一种基质聚合物是热塑性聚合物，例如聚烯烃，如聚
丙烯或聚乙烯或聚酰胺，如聚酰胺6.6，聚酰胺6，聚酰胺4.10，聚酰胺6.10或聚酰胺10.10。作为热塑性基质聚合物，也可以考虑聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(ptt)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(pbat)、聚丙交酯(pla)、聚羟基烷酸，如聚羟基丁酸酯和聚己内酯。热塑性基质聚合物提供的优点是，由本发明的纤维复合材料制成的物品的废物能够被熔化并通过注射或浇铸而形成新的形状。
11.在一个实施方案中，本发明的复合材料包含热固性聚合物。在此方面可以考虑所有类型的可固化的树脂，特别是可热固化的树脂，例如环氧树脂、氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂。
12.在一个实施方案中，本发明的复合材料包含弹性体。在此方面可以考虑基于丁腈橡胶、异丁烯-异戊二烯橡胶、氯丁橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、乙烯-丙烯-二烯橡胶、硅基橡胶或天然橡胶的弹性体。
13.在一个实施方案中，本发明复合材料的基质聚合物是可生物降解的聚合物。在本技术的上下文中，“可生物降解”是指可以根据din en 13432标准堆肥的那些聚合物。该标准在此描述了一种在与正常环境条件不同的条件下进行堆肥的工业方法。这使得可以这样设计根据本发明的复合材料，使其在环境条件下不被腐蚀或仅非常缓慢地被腐蚀，但是能够在使用结束之后进行生物降解。可能的可生物降解的聚合物例如是聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(pbat)、聚丙交酯(pla)、聚羟基烷酸，如聚羟基丁酸酯和聚己内酯。
14.在一个实施方案中，在根据本发明复合材料中所含有的基质聚合物全部或部分来自生物源。生物源的使用减少了化石原料如煤、石油或天然气的消耗，并且因此改善了根据本发明的复合材料的co2平衡。基于生物原料的聚合物的生产在过去的几十年中取得了巨大的进步。尤其在聚酰胺和聚酯的领域中，目前存在一定数量的完全或部分基于生物的产品，例如基于生物乙二醇的聚对苯二甲酸乙二醇酯或基于癸二酸的聚酰胺，例如聚酰胺4.10、聚酰胺6.10和聚酰胺10.10，所述癸二酸能够从蓖麻油获得。特别值得一提的是以发酵方法获得的生物聚合物，例如聚羟基丁酸酯。发酵生产提供了特别节能和环境友好的过程控制的可能性。
15.在一个实施方案中，根据本发明复合材料的纤维素长纤维是按照再生方法或直接溶解方法获得的纤维素长纤维。在本技术的上下文中，再生方法是指将纤维素分子通过化学改性转为可溶形式的方法。这种可溶形式通过喷丝孔压入凝固浴中，在该凝结浴中通过合适的化学过程纤维素分子重新成形并且由液体射流中纺成由再生纤维素制成的纤维。相应的方法对于本领域技术人员来说是本身已知的，其例子例如是黄原酸盐法或粘胶法。
16.在本技术的上下文中，直接溶解方法应理解为是将纤维素分子通过合适的溶剂溶解而不必进行化学改性的方法。将由此获得的溶液通过喷丝孔压入沉淀浴中，在其中由溶液重新形成固体纤维素并由液体射流中纺成再生纤维素制成的纤维。相应的方法本身是本领域技术人员已知的，可以提到的例子是使用n-甲基吗啉-n-氧化物作为溶剂的所谓的lyocell方法或基于四氨铜络合物(tetraminkupferkomplex)的铜氨方法，以及将纤维素分子溶解在离子液体中的方法。无论是根据再生方法还是根据直接溶解方法，首先都会产生无限长度的纤维素纤维，其在必要时可以在清洁和干燥之后被切割成更短的长度。对于本发明，长度超过1mm但是不大于20mm的长纤维已经证明是特别有利的。在一个实施方式中，
纤维的长度不大于15mm.
17.在一个实施方案中，根据本发明的复合材料包含按照再生方法、如粘胶方法或按照直接溶解方法、如lyocell方法、铜氨方法或基于离子液体的方法获得的短纤维。无论是根据再生方法还是根据直接溶解方法，首先都会产生无限长度的纤维素纤维，其在必要时可以在清洁和干燥之后被切割成更短的长度。对于本发明，长度不超过500μm的短纤维已被证明是特别有利的。在一个实施方式中，短纤维的长度不超过400μm。在一个实施方式中，短纤维的长度不超过300μm。
18.在一个实施方案中，根据本发明复合材料中的短纤维也可以是天然纤维，如棉纤维、大麻纤维、苎麻纤维、麻蕉纤维、剑麻纤维、亚麻纤维、蔗渣纤维、由木材获得的纤维素纤维(所谓的木浆)或它们的混合物。纤维根据需要被清洁，从可能存在的木质素中释放，并被缩短至所需的长度。对于本发明，其长度不超过500μm的短纤维已被证明是特别有利的。在一个实施方式中，短纤维的长度不超过400μm。在一个实施方式中，短纤维的长度不超过300μm。
19.在一个实施例中，复合材料另外还包含木粉。这种复合材料具有特别均衡的性能。
20.在一个实施方案中，复合材料含有最多60％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料含有最多50％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料含有最多40％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料含有最多30％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料含有最多20％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料包含至少5％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料包含至少10％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料包含至少20％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料包含至少30％质量的木粉。在一个实施方案中，复合材料包含至少40％质量的木粉。
21.本发明的复合材料例如由10％质量的纤维素短纤维、10％质量的再生纤维素纤维组成。10％质量的木粉、3％质量的粘合剂和67％质量的聚丙烯组成。其弯曲模量为2.7gpa，拉伸模量为2.9gpa，拉伸强度为46mpa，在23℃下的夏氏冲击强度为50kj/m2，在-20℃下的夏氏冲击韧性为36kj/m2。在190℃、2.16kg下的熔体流动指数为3.5g/10min。
22.由纤维素短纤维和纤维素长纤维组成的混合物这样构成，使得纤维素短纤维的质量分数至少为50％。在一个实施方案中，由纤维素短纤维和纤维素长纤维组成的混合物被构成为使得纤维素短纤维的质量分数至少为60％。在一个实施方案中，由纤维素短纤维和纤维素长纤维组成的混合物被构成为使得纤维素短纤维的质量分数至少为70％。在一个实施方案中，由纤维素短纤维和纤维素长纤维组成的混合物被构成为使得纤维素短纤维的质量分数至少为80％。在一个实施方案中，由纤维素短纤维和纤维素长纤维组成的混合物被构成为使得纤维素短纤维的质量分数至少为90％。
23.根据所使用的基质聚合物，由纤维素短纤维和纤维素长纤维构成的混合物可以含有一种粘合剂，该粘合剂改善了在纤维素纤维和基质聚合物之间的粘合并且因此也能够影响本发明的复合材料的机械特性。如果使用大量的粘合剂，则会在基质聚合物和纤维素纤维之间出现强烈的粘合，这会导致复合材料具有相对高的强度但是也具有更大的脆性。相反，如果使用较少量的粘合剂，则产生的复合材料具有较低强度但是较大延展性和因此较大冲击韧性。在一个实施方式中，粘合剂可以是用马来酸酐接枝的聚丙烯。在一个实施方案中，粘合剂可以是间苯二酚、甲醛和胶乳的混合物，其是本领域技术人员已知的名为“rfl浸
渍液”。在一个实施方案中，粘合剂可以是一种或多种基于丙烯酸酯的聚合物。
24.本发明的复合材料被这样构成，使得由纤维素短纤维和纤维素长纤维组成的混合物的质量分数最高为80％。在一个实施方案中，复合材料被构成为使得纤维素短纤维和纤维素长纤维的混合物的质量分数最多为40％。在一个实施方案中，复合材料被构成为使得纤维素短纤维和纤维素长纤维的混合物的质量分数最多为30％。在一个实施方案中，复合材料被构成为使得纤维素短纤维和纤维素长纤维的混合物的质量分数最多为25％。在一个实施方案中，复合材料被构成为使得纤维素短纤维和纤维素长纤维的混合物的质量分数最多为20％。在一个实施方案中，复合材料被构成为使得纤维素短纤维和纤维素长纤维的混合物的质量分数最高为10％。
25.本发明还涉及一种用于生产复合材料的方法，包括以下步骤：提供纤维素短纤维和纤维素长纤维的混合物，用至少一种基质聚合物或至少一种用于基质聚合物的预聚物和/或单体浸渍由纤维素短纤维和纤维素长纤维构成的混合物，通过冷却、蒸发溶剂或使所述预聚物和/或单体反应(例如通过加热或光照射)而使所述基质聚合物固化。
26.在本技术的上下文中，“浸渍”是指尽可能完全地渗透由纤维素短纤维和纤维素长纤维构成的混合物，其中应当避免形成气泡，所述气泡将对复合材料的机械特性具有负面影响。
27.在根据本发明的方法的一个实施例中，热塑性基质材料被熔化，与由纤维素短纤维和纤维素长纤维构成的混合物混合，两种组分被一起挤出，并且例如通过注射成型而成形。然后，通过冷却在模具中形成由本发明的复合材料构成的物体。
28.在本发明方法的一个实施方案中，将由纤维素短纤维和纤维素长纤维构成的混合物与一种或多种用于热固性或弹性体的基质聚合物的预聚物和/或单体混合。在一个实施方案中，纤维素短纤维和纤维素长纤维的混合物散布到用于热固性或弹性体的基质聚合物的预聚物上。
29.作为用于热固性基质树脂的预聚物，例如可以考虑液态的、可热固化的树脂，如环氧树脂、氰酸酯树脂或苯并噁嗪树脂。作为用于弹性体的基质树脂的预聚物，适合使用例如可硫化的橡胶，如丁腈橡胶、异丁烯-异戊二烯橡胶、氯丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、乙烯-丙烯-二烯橡胶、基于硅的橡胶或天然橡胶。可选地，可以将固化剂组分、例如脂族胺或芳族胺，或硫化助剂、例如硫或含硫化合物，例如二硫化四乙基秋兰姆，以及过氧化物、金属氧化物或二丁胺混合到预聚物中。
30.如果使用热固性或弹性体的基质聚合物，那么在浸渍之后接着进行固化步骤或硫化步骤，在所述固化步骤或硫化步骤中产生能够实现基质聚合物的化学固化或形成弹性体结构的条件。这可以是对浸渍的纤维材料施加的一个或多个加热步骤或者是用可见光和/或紫外线辐射对浸渍的纤维材料的一次或多次照射。
31.本发明还涉及包含了根据本发明的复合材料的构件。在一个实施方式中，所述构件可以是杆、柱体或块式的半成品。在一种实施方式中，所述构件可以是用于内部建造/装修的型材件。在一种实施方式中，所述构件可以是用于内部建造的载体。
32.本发明还涉及一种包含了本发明复合材料的运输容器。在一个实施方式中，运输容器可以是支架。在一个实施方式中，运输容器可以是箱子，例如可折叠的存储箱或搬运箱，或者是集装箱。