[发明专利]柔性纤维的真空辅助共挤出和所生产的可模制热塑性复合材料

说明书

描述了一种复合材料和一种用于通过将木材或木浆纤维与合适的热塑性聚合物和偶联剂结合来生产所述复合材料的方法。生产了呈粒料、薄膜或三维可模制产品形式的均匀、无空隙的透明/半透明热塑性材料。所述木浆纤维可以是离散的天然纤维，以及纳米至微米元件的柔性组件，例如聚集的碳纳米管的组件。还有可能使用真空辅助共挤出工艺来生产混合复合材料，所述混合复合材料包含所述木浆纤维和另外的刚性纤维，如玻璃纤维或碳纤维；以及柔性纤维或纤维网络，如纤维素纤维或纤维素长丝。热塑性树脂可以是但不限于，聚烯烃，如聚丙烯或聚乙烯；或聚酯，如聚乳酸；或共聚物，如丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯三元共聚物。

背景技术

i)技术领域

描述了一种将柔性纤维与合适的热塑性聚合物和偶联剂结合的系统和方法，其中所述方法产生呈粒料、薄膜或三维可模制产品形式的完全均匀、无空隙的透明热塑性复合材料。

ii)现有技术描述

生物纤维作为热塑性复合材料中的增强组分在过去几十年中引起了极大的关注，这主要是由于增加的环境问题，但也由于它们的高性能和它们的低密度。如今，纤维增强热塑性塑料中使用的主要纤维仍然是合成纤维(主要是玻璃纤维)，所述合成纤维由于它们的低成本和良好的机械性质而被广泛使用。与玻璃纤维相比，生物纤维是碳中和的、可再生的、可回收利用的并且在相似的性能下具有低得多的密度。在过去的二十年中，生物纤维增强的热塑性塑料越来越多地用于汽车、建筑、家具和其他行业。在汽车领域内，聚丙烯(PP)是典型的热塑性树脂，并且生物纤维增强的热塑性塑料已经广泛用于非结构性汽车零件，如门板、杂物盘、座椅靠背、后备箱衬垫等。

生物纤维-PP复合材料的缺点是它们在界面处的固有不相容性。纤维素的高极性表面导致与非极性聚丙烯的界面相容性差。已经研究了许多策略来改进聚合物-纤维界面相互作用。在策略中，马来酸酐-接枝聚合物被认为是非常有效的并且已经广泛用于商业规模。偶联剂上的酸酐基团可通过酯化与纤维素上的羟基形成共价键。因此，可降低纤维素表面的极性，并且进而改进与非极性聚合物的相容性。聚合物/纤维素复合材料的机械性质最终应该增加。

共挤出已经广泛用于将热塑性聚合物与添加剂和增强材料(reinforcement)配混，由此共挤出机的双螺杆用于将添加剂或增强材料共混到热塑性熔体中。可同向或反向旋转的双螺杆的设计可以是具有所需属性的产品的最终设计的关键方面。在共挤出过程中，气泡可能被捕获，特别是在试图挤出不相容和不均匀的成分时。这些气泡可能是在复合材料产品中产生微裂纹的位置，以及增强材料与聚合物之间的弱界面。一些发明人(美国专利4,067,554和4,063,718)已尝试使用双螺杆挤出机来使热塑性塑料和弹性体脱气，而其他发明人(美国专利申请2011/0001255A1)使用共挤出使制备的聚氨酯泡沫脱气。共挤出也已用于制备纤维状多孔衬底(美国专利申请2009/0166910A1)，其与本文所述的目标相反。

发明内容

根据一个实施方案，提供了一种复合材料，所述复合材料包括：50wt.％至96wt.％的热塑性树脂；0.1wt.％至10wt.％的增容剂；以及2wt.％至40wt.％的木浆纤维，其中所述复合材料包含小于0.5wt.％的水。

根据另一个实施方案，提供了本文所述的复合材料，其中所述热塑性塑料是聚烯烃、聚酯树脂或共聚物树脂。

根据另一个实施方案，提供了本文所述的复合材料，其中所述聚烯烃是聚丙烯或聚乙烯。

根据另一个实施方案，提供了本文所述的复合材料，其中所述聚酯是聚乳酸。

根据另一个实施方案，提供了本文所述的复合材料，其中所述共聚物是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物。

根据另一个实施方案，提供了本文所述的复合材料，其中所述热塑性树脂是复合材料的55wt.％至90wt.％。

根据另一个实施方案，提供了本文所述的复合材料，其还包含10wt.％至20wt.％的玻璃纤维。