專利名稱：來自富含木素的大直徑天然纖維的非織造織物復合材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種非織造織物復合材料、其制造方法及其用途。更具體而言，其涉及以下非織造織物復合材料所述非織造織物復合材料含有富含木素的大直徑天然纖維(包括但不限于椰皮纖維(coir fibers))與由熱塑性聚合物制造的纖維的組合，所述非織造織物復合材料諸如聚丙烯并包括由可生物降解的聚合物制造的纖維。授予Mieck和Reussmann的德國專利DE 19711247描述了一種從混紡帶(hybrid band)生產(chǎn)長纖維顆粒的方法。該方法包括將亞麻和大麻混紡帶移動經(jīng)過200°C預熱區(qū)，并將材料牽引經(jīng)過加熱噴嘴，隨后冷卻。授予Michels和Meister的德國專利DE 4440246描述了一種至少使用熱塑性聚合物作為基質(zhì)材料和纖維素纖維或單纖維作為增強材料來生產(chǎn)纖維增強復合材料的方法。授予Tanabe美國專利5，948，712描述了一種包含硬纖維和熱塑性纖維的織物。該織物通過以下方式制造在環(huán)境壓力下加熱硬纖維和熱塑性纖維，隨后在環(huán)境溫度下進行壓模。得到的織物在任何相當大的力下撕裂，但是生產(chǎn)該織物的兩步法是昂貴的。授予Bayer和Koine的德國專利DE 19934377描述了一種生產(chǎn)聚酯加強型聚丙烯化合物的方法，并且涉及含天然材料諸如黃麻、亞麻、大麻或再生纖維素的聚丙烯材料。授予Kitsayama和Yoshinori的德國專利DE 10052693描述了具有天然纖維含量的層壓材料和材料，其集中在汽車內(nèi)部。描述了以下方法，該方法包括將重量為150g/cm2的材料與黃麻纖維和丙烯纖維混合，隨后進行針刺，并將所得材料于180°C進行烘烤。然而，該方法昂貴而且產(chǎn)生熱塑性材料中心而不是材料均勻分布。美國專利公布2006/0099393描述了一種包括天然纖維的復合熱塑性片材，其中所述片材材料包含用熱塑性樹脂粘合的不連續(xù)纖維。授予Mueller等的德國專利DE 10151761描述了一種制造用于高載荷結(jié)構(gòu)材料的半成品纖維加強型熱塑性塑料的方法。描述了一種制造熱塑性材料的方法，其中將含熱塑性基質(zhì)和長纖維的材料牽引經(jīng)過罐(pot)以使基質(zhì)內(nèi)的纖維定向。隨后用紅外輻射加熱該材料。美國專利公布2007/0116923描述了一種纖維增強型熱塑性樹脂模制物，其中所述纖維含有紡成紗線的亞麻纖維。Wittig和Retzlaff的德國專利公布DE 102004054228描述了將一組部分粘合/ 成形的天然纖維材料制造成人造材料的方法和制品。該公布描述了一種將天然纖維形成單獨的人造功能片的改進方法，所述方法使用膠和在每片中特別設計的通路(opening)。在赤道20°內(nèi)的國家中，椰子是一種豐富的可再生資源。椰子或椰子實在殼層內(nèi)生長，殼層為果實提供保護。椰子廣泛用于從白色椰肉(稱為干椰子肉，如在圖1所見) 生產(chǎn)椰子油。殼層中約50%的生物質(zhì)為纖維形式，其通常被稱為椰皮纖維(coir或coir fiber)。殼層經(jīng)常作為廢物被丟棄并焚燒，以溫室氣體和其它污染物污染大氣。用天然纖維如來自椰殼的椰皮纖維代替石油基纖維而不是燒掉這些殼使得本新發(fā)明對環(huán)境非常友好。當前發(fā)明的非織造織物復合材料的最大應用之一是用于汽車部件。通過將具有較高粘流溫度(viscous flow temperature)的纖維如聚酯與具有較低粘流溫度的纖維如聚丙烯結(jié)合，目前制造了用于后備箱墊、地墊、門板、儀表板及其它汽車部件的非織造織物復合材料。這兩種纖維均得自石油。本發(fā)明涉及用較廉價的富含木素的天然纖維如椰皮纖維代替非織造織物復合材料中具有較高粘流溫度的一些或全部石油基纖維，使得該復合材料更可持續(xù)且環(huán)境友好，并且提供適當?shù)那以谝恍┣闆r下優(yōu)于現(xiàn)在正在使用的PP:PET復合材料的物理和機械性能。使用目前用于制造汽車部件的相同模具和加工設備(與目前用于 PPPET氈化材料大致相同的溫度和壓力)，通過將富含木素的大直徑天然纖維如椰皮纖維與由熱塑性塑料(諸如聚丙烯或聚乙烯)制成的纖維組合制造的非織造織物復合氈化材料可被壓縮模塑成汽車部件，這使得有可能使用本文所述的發(fā)明而無縫無障礙地進入用于汽車部件的非織造織物復合材料市場。對于可使用本發(fā)明的很多其它行業(yè)，這也應當是可行的。本發(fā)明的人道主義利益在于其對椰皮纖維產(chǎn)生需求，為其當前通常被燒掉的殼提供一些價值，并因此為一千一百萬非常貧窮的椰農(nóng)提供額外的收入，他們中的很多人依靠每年不到幾百美元的收入生活。本發(fā)明進一步的環(huán)境益處在于其將“使用”在世界一些區(qū)域豐富的椰皮纖維并避免作為廢物丟棄和焚燒從中提取纖維的椰殼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面涉及含有富含木素的大直徑天然纖維的非織造織物復合材料以及生產(chǎn)此類復合材料的方法。所述非織造織物復合材料可由具有較高粘流溫度和降解溫度的富含木素的大直徑天然纖維與具有較低粘流溫度的由熱塑性聚合物制成的纖維構(gòu)成， 所述熱塑性聚合物諸如聚丙烯或可生物降解熱塑性聚合物纖維諸如聚乳酸。用于熱壓該復合材料的加工窗口高于所述熱塑性聚合物的粘流溫度并且是所述天然纖維的降解溫度或粘流溫度中的較低者。用于熱壓椰皮纖維和聚丙烯的方法的例子需要下述步驟(1)從椰殼中取出被稱為椰皮纖維的天然纖維，其具有相對高的降解溫度；( 固定(securing)由再生聚丙烯制成的熱塑性纖維，所述熱塑性纖維的粘流溫度低于椰皮纖維的降解溫度；C3)將纖維切割成25-75mm的長度，但是優(yōu)選50_75mm的長度；(4)摻合磨碎的50_75mm椰皮纖維與聚丙烯纖維，形成非常柔韌的非織造織物材料氈(或非織造織物材料墊)；以及根據(jù)應用，(4)使用模具或平印壓機，在高于聚丙烯纖維的粘流溫度(或熔融溫度)的高溫對該柔性非織造織物材料氈進行熱壓，以形成具有所需形狀的剛性部件或平板。


下面的附圖形成本說明書的一部分并被包括以進一步展示本發(fā)明的某些方面。通過參考這些附圖中的一個或多個并結(jié)合本文呈現(xiàn)的具體實施方式
的詳述，可以更好地理解本發(fā)明。圖1顯示打開的椰子和含纖維的殼，該纖維通常被稱為椰皮纖維；圖2顯示包含椰子的打開的椰殼、殼的一部分和長椰皮纖維，所述長椰皮纖維可磨成約50-75mm的長度，以便被加工成本發(fā)明的氈化材料；圖3顯示在摻合之前的短椰皮纖維(左上)和短聚丙烯纖維(左下)，其被梳理并針刺成本發(fā)明的氈化材料(右)；圖4顯示目前廣泛使用的由50%聚酯/50%聚丙烯纖維席構(gòu)成的氈(左)和本發(fā)明的由椰皮纖維/聚丙烯纖維構(gòu)成的氈(右)；圖5顯示在熱壓(其與高溫下的壓縮模塑相同)之前由50wt%椰皮纖維和50wt% 聚丙烯纖維構(gòu)成的氈化材料，在10X(左)和40X(右)下觀察；圖6顯示由聚酯纖維和聚丙烯纖維制造的非織造織物復合材料(左)以及由椰皮纖維和聚丙烯纖維制造的非織造織物復合材料(右)，每片通過在約207°C和約150psi的壓力下熱壓各自的氈化材料產(chǎn)生。圖7顯示在180°C (左)以及在220°C (右)熱壓非織造織物復合材料氈的差異， 其表明40°C的顯著差異可干涉PP纖維的流動以及椰皮纖維被PP潤濕的程度；圖8顯示熱壓的門板(上)、熱壓的后備箱墊(中)和熱壓之前的聚酯/丙烯非織造織物復合材料氈(下)。本發(fā)明的一個方面將以椰皮纖維取代此類部件中的聚酯纖維；圖9顯示在熱壓之后作為非織造織物復合材料的密度函數(shù)的抗張強度，采用溫度與壓力的各種組合以獲得密度范圍；圖10顯示在熱壓之后作為非織造織物復合材料的密度函數(shù)的彎曲模量，采用溫度與壓力的各種組合以獲得密度范圍。
具體實施例方式定義如本文使用的術語“天然纖維”指的是得自天然的可再生來源諸如植物或動物的任何連續(xù)單纖維(filament)。詞語“纖維(fiber) ”和“纖維(f ibers) ”互換使用。天然纖維可包括但不限于種子纖維諸如棉花和木棉花；葉纖維諸如劍麻和龍舌蘭屬；韌皮纖維或皮纖維諸如亞麻、黃麻、洋麻、大麻、苧麻、藤杖、大豆纖維、藤纖維和香蕉纖維；水果纖維諸如椰子纖維；莖稈纖維諸如小麥麥稈、稻米、大麥、竹子、草和樹木；獸毛纖維諸如綿羊毛、 山羊毛(山羊絨、馬海毛)、羊駝毛、馬鬃；絲綢纖維；鳥纖維諸如羽毛。優(yōu)選地，本發(fā)明中使用的天然纖維應當至少具有中等強度和硬度以及良好的延展性。其還應當對低熔點纖維具有足夠的粘合，或者是表面可處理的，以增加化學相容性以及在天然纖維與熱塑性纖維之間提供適當?shù)恼澈?。富含木素的天然纖維是特別需要的，優(yōu)選具有大于約20wt%的木素含量。具有更大直徑的纖維也是優(yōu)選的，以提供更大的纖維硬度和較低密度的氈化材料以及從該氈化材料壓成的較低密度部件。如本文使用的短語“椰皮纖維”指的是得自椰子樹(Cocos nucifera)的椰殼的任意類型的纖維。如本文使用的短語“具有較高粘流溫度的纖維”和“具有較低粘流溫度的纖維”指的是各纖維的粘度達到適當?shù)偷闹狄灾抡承粤飨鄬θ菀装l(fā)生時的溫度。纖維的降解溫度是纖維開始氧化和降解時的溫度。這不是唯一的溫度但將取決于在溫度下的時間，在高溫下較短的時間導致稍微較高的降解溫度，而在溫度下較長的時間導致較低的降解溫度。在本發(fā)明中定義的熱壓非織造織物復合材料的加工窗口將處于熱塑性纖維(其與天然纖維相比必須具有更低的粘流溫度)的粘流溫度和天然纖維的降解溫度或粘流溫度中的較低者之間。一般而言，熱壓使用天然纖維和熱塑性纖維制造的非織造織物復合材料的加工窗口具有加工上限，其為天然纖維的降解溫度(對于天然纖維而言，該溫度通常比粘性流易于發(fā)生時的溫度低)，而且下限將取決于熱塑性纖維的粘流溫度，在該粘流溫度時將在特定壓力下發(fā)生這些熱塑性纖維的充分流動以粘合天然纖維。如本文使用的短語“非織造織物復合材料”指的是包含兩種或多種既非編織也非針織的纖維的任何材料，也就是說，纖維已進行摻合并鋪設成纏結(jié)形式，其中纖維在墊或如通常所稱的氈中隨意定向。50-75mm的長纖維在高溫下通過化學、機械、壓力粘結(jié)在一起，而不需要任何表面處理或者在表面處理之后施加壓力和溫度以增強兩種類型纖維之間的粘合。所述復合材料可以以兩種形式存在非常柔韌的氈(或墊)以及通過熱壓(或壓縮模塑)產(chǎn)生的更剛性的形式。所述非織造織物復合材料不應當與由聚合物的連續(xù)基質(zhì)與增強塑料的間斷式纖維構(gòu)成的常規(guī)纖維增強塑料復合材料混為一談。所述非織造織物復合材料由兩種或多種類型的纖維的摻合組成而不是由一種纖維類型在粘性聚合物熔體中的混合物(其隨后冷卻為用纖維增強的固體塑料)組成。如本文使用的術語“熱塑性聚合物纖維”指的是包含在較高溫度下易于形成的聚合物的任意纖維，因為其粘度隨著增加的溫度單一性減小，并迅速高于熔融溫度。比較而言，熱固性聚合物在加熱時發(fā)生化學反應，并且隨后不能被容易地形成。為本發(fā)明的目的， 熱塑性聚合物包括但不限于聚丙烯(“PP”)、聚乙烯(“PE”)和聚乳酸。在本專利中提供的纖維的比率為重量分數(shù)。因此，混合物中50 50的纖維A與纖維B之比表示混合物中總質(zhì)量的50%由纖維A組成，而混合物中總質(zhì)量的50%由纖維B 組成。本發(fā)明中重量比的范圍為從20 80至95 5的椰皮纖維比熱塑性纖維。椰皮纖維越多，非織造織物復合材料氈的密度越低，且非織造織物復合材料氈在其進行熱壓成部件形狀之后的密度越低。在旨在通過熱壓(或者將氈化材料轉(zhuǎn)化成剛性材料的其它高溫成形方法)制成更高密度、更剛性部件的非織造織物復合材料的一個優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明涉及由下述構(gòu)成的非織造織物復合材料(1)天然纖維，其與熱塑性纖維相比具有相對更高的粘流溫度和/或生物降解溫度，在大致室溫下纏結(jié)在一起；和( 具有較低粘流溫度的熱塑性纖維， 其優(yōu)選由回收材料或由作為可生物降解纖維的熱塑性纖維制造。在優(yōu)選實施方式中，天然纖維可包含具有相對較大直徑的富含木素的天然纖維諸如椰皮纖維，而熱塑性纖維可以是聚丙烯(“PP”)或聚乙烯(“PE”)或可生物降解纖維諸如聚乳酸(“PLA”)，或者它們的混合物。此類復合材料可用在汽車部件和其它產(chǎn)品諸如通過高溫壓縮模塑制造的那些產(chǎn)品中。在第二優(yōu)選實施方式中，其中非織造織物復合材料要以低密度、柔軟、柔性形式使用，并且因此無需進行熱壓成剛性部件，富含木素的大直徑纖維諸如椰皮纖維可以單獨使用或少量添加(5-30%)任意其它纖維(不必是熱塑性的，但可以是聚酯纖維諸如PET)，但是優(yōu)選是具有小直徑的纖維以便于加工，以及更優(yōu)選第二種天然纖維以制造更環(huán)境友好的非織造織物復合材料。如在該第二實施方式中所述的柔性非織造織物復合材料可用于諸如絕緣、 包裝減震或兒童玩具中的填料等應用。富含木素的天然纖維具有一些與眾不同的物理和機械性能，其在特定應用中可以非常有益。首先，富含木素纖維不像更富含纖維素的天然纖維那樣迅速燃燒。第二，富含木素纖維較不易于產(chǎn)生由于霉菌和其它微生物引起的氣味。第三，富含木素纖維當暴露于水時更耐用。例如，與亞麻(2. 8wt% )、劍麻(10wt% )、黃麻(12wt% )、洋麻(15wt% )或棉花(15Wt% )相比，椰皮纖維是含33wt%木素的富含木素纖維。具有較大直徑的纖維對非織造織物復合材料的一些應用也具有優(yōu)勢。具有較大直徑的纖維彎曲時更硬而且具有更多彈性。其椰將不同地加工成非織造織物，與用均是較小直徑的纖維制造的非織造織物相比，其因纖維硬度而得到較低密度氈化材料。熱壓之后，用包括一些較大直徑纖維的混合物制造的非織造織物與完全用小直徑纖維制造的非織造織物相比也具有低得多的密度。椰皮纖維也具有比大部分天然或合成纖維大得多的平均直徑，相比具有 40 μ m 直徑的大部分天然或合成纖維，其直徑在 150 μ m至約500 μ m的范圍內(nèi)。椰皮纖維也具有吸引人的機械性能，包括與大部分天然纖維的1-2%的伸長率相比的 15-20%的伸長率。富含木素的纖維(例如椰皮纖維)可被引入兩類非織造織物復合材料中(1)作為氈化或纏結(jié)形式的非織造織物復合材料生產(chǎn)和使用的那些復合材料，其是柔軟且柔性的，和( 作為氈化形式的非織造織物復合材料生產(chǎn)但是隨后將在高溫下被模塑成剛性部件或板的那些復合材料。對于將在高溫下模塑成更剛性部件的非織造織物復合材料，與富含木素的天然纖維摻合的第二種類型纖維的粘流溫度(有時稱為熔融溫度)必須低于天然纖維降解時的溫度，并且該降解溫度取決于在加工期間纖維處于最大模塑溫度下的時間長度。較高的模塑溫度可忍受較短時間，而較低模塑時間可忍受較長時間。由聚丙烯、聚乙烯或者兩種單體的共聚物制造的纖維在低于富含木素的纖維諸如椰皮纖維的降解之下的溫度下流動。此外， 由回收材料(recycled materials)制造的這些纖維具有大量供應。如在本發(fā)明中，當富含木素的纖維諸如椰皮纖維與從回收材料制造的聚丙烯纖維結(jié)合時，所得到的非織造織物復合材料的確是非常環(huán)境友好的。I使用天然纖維的非織造織物復合材料在優(yōu)選實施方式中，本發(fā)明包括非織造織物復合材料，其包含至少兩種類型纖維的摻合物，一種纖維具有較高的降解溫度或粘流溫度，而另一種纖維具有較低的粘流溫度。 具有較高的粘流溫度或降解溫度的纖維是天然纖維，優(yōu)選椰皮纖維，并且可以與一些較高溫度粘性流熱塑性纖維諸如“PET”或聚酯纖維物理混合(諸如在進料斗中)。具有較低粘流溫度的纖維可以是熱塑性纖維，諸如聚丙烯(“PP”)、聚乙烯(“PE”)、聚乳酸(“PLA”) 或其混合物。因此，所述非織造織物復合材料可包括椰皮纖維、PP和PET的混合物。天然纖維和熱塑性纖維的長度可從約IOmm變化至100mm，優(yōu)選約25mm至約75mm。 同樣，優(yōu)選地，天然纖維和熱塑性纖維具有大約相同的長度。熱塑性纖維可具有約30 μ m至約50 μ m的直徑。通過下述方法，不同類型的纖維可以被制成以氈的形式粘著，或纏結(jié)在一起 熱粘合
·使用大型烘箱進行固化 通過熱輥壓延(當與紡粘(spunlaid)結(jié)合時成為稱為紡粘(spunbond))，壓延機可以是光滑表面的，用于全部粘合，或者可以是壓花的，用于更柔軟、更耐撕裂的粘結(jié) 水刺法借助噴水纖維機械纏結(jié)(稱為射流噴網(wǎng)成布) 超聲波提花粘合(Ultrasonic pattern bonding)，通常用于高蓬松度或織物絕
緣/床墊/床上用品 針刺氈(Needled felt or needle punched felt):借助針推動纖維，纖維機械纏結(jié)，穿過氈的厚度纖維鋪設在氈的平面中，增加了氈中纖維的粘結(jié) 化學粘合(濕法成網(wǎng)法)使用粘合劑(諸如膠乳乳液或溶液聚合物)化學連接纖維。更昂貴的途徑使用軟化或熔融的粘合用纖維或粉末，以將其它不熔融纖維保持在一起 一種棉纖維非織造織物用氫氧化鈉處理以收縮粘合墊，苛性堿引起纖維素基纖維在彼此周圍卷曲并收縮作為粘合技術 熔噴或空氣梳理(air carding)將兩種或多種類型的纖維隨意鋪設成纏結(jié)或氈化材料，所述纖維自空氣抽長的纖維非常弱地粘合，所述纖維在纖維網(wǎng)形成過程中使用自身以及隨著它們隨意鋪設其具有的臨時粘性而互相纏結(jié) 一種不尋常的聚酰胺紡粘非織造織物(Cerex)使用氣相酸自身粘合。在本發(fā)明的非織造織物復合材料中，有四種優(yōu)選的方法使兩種或更多種類型的纖維粘結(jié)。首先，非織造織物可以被隨意鋪設成松散的墊，其中纖維都位于平行平面中。然后，針刺使一些纖維彎曲并將它們部分或全部推動經(jīng)過墊的厚度，使墊更粘結(jié)，賦予其非常適度的拉伸強度但是高柔性用于處理目的，并使其易于壓縮模塑。此類纏結(jié)材料也適合絕緣、填料和需要低強度和低密度的其它應用。該方法中的纖維未被真正粘結(jié)，而只是被充分地機械纏結(jié)，以作為“半機械粘結(jié)”起作用。連接纖維的第二種方式也在纖維之間產(chǎn)生弱粘結(jié)，再次具有低強度和密度，其使用多種粘合劑，所述粘合劑在空氣梳理纖維過程中可以被噴涂，這使得它們是“粘性的”并在纖維之間產(chǎn)生非常弱的連接，再次使得纏結(jié)或氈化材料強度低，但具有高柔性，良好用于絕緣、填料和其它類似應用。第三種方式是熱壓，纖維可以被連接，導致高得多的強度和硬度，制成剛性部件，熱壓引起熱塑性纖維局部熔融并流動，潤濕鄰近的天然纖維，有效地將整個纖維網(wǎng)絡“膠粘”在一起成為剛性網(wǎng)，賦予熱壓部件顯著的強度和硬度。第四種方法通過增強天然纖維與熱塑性纖維之間的粘合賦予非織造織物復合材料最高的強度和硬度。這可以通過使用天然纖維的化學脫垢來完成，例如去除椰皮纖維上存在的蠟質(zhì)覆層，以及通過使用化學增容劑處理天然或熱塑性纖維來完成；例如使用馬來酐以制造與聚丙烯的接枝共聚物，因為馬來酐可以化學反應而與潔凈的椰皮纖維(但是并非具有蠟質(zhì)覆層的椰皮纖維)形成強結(jié)合，產(chǎn)生的界面強度是所觀察到的聚丙烯和未被清潔的椰皮纖維的三倍。氈化材料仍然必須進行熱壓以達到這種高拉伸強度和硬度，因為熱塑性塑料的流動是增加兩種纖維之間的界面結(jié)合所必需的。本發(fā)明的非織造織物復合材料可以以纖維、面密度和每種纖維的重量百分比的各種組合來制造，這取決于所需的應用和物理與機械性能的特定類型。對于汽車應用，例如， 后備箱墊較軟，門板適度硬，而儀表板需要最大硬度。對于不進行熱壓的非織造織物復合材料(例如建筑物絕緣、包裝減震)，根本不必使用熱塑性纖維而且天然纖維的降解溫度較不重要，因為不需要高溫加工。II使用天然纖維生產(chǎn)非織造織物復合材料的方法在進一步優(yōu)選的實施方式中，本發(fā)明包括使用具有較高粘流溫度的纖維和較低粘流溫度的纖維生產(chǎn)非織造織物復合材料的方法。較高熔點纖維是優(yōu)選富含木素的大直徑天然纖維，更優(yōu)選椰皮纖維。該方法包括下述步驟(1)獲得具有足夠高的粘流溫度和降解溫度并具有合適的硬度、強度和延展性組合的天然纖維(見圖幻；(2)將該較高熔點纖維研磨成由待要使用的加工設備確定的所需的纖維長度，以便隨后制造氈化材料，在開發(fā)本發(fā)明中使用的梳理和針刺設備中該纖維長度為50-75mm(圖幻；(3)混合該具有較高粘流溫度的磨碎天然纖維與熱塑性纖維，該熱塑性纖維已經(jīng)被切割成類似長度并具有較低的粘流溫度；(4)使用梳理和針刺、如前面所述的使用輕量粘合劑的空氣梳理或其它任何合適的工藝，從摻合的纖維產(chǎn)生纏結(jié)(或氈化)材料(圖4和5)；以及如果需要，(5)在壓模機中使用模具(賦予部件所需的形狀)熱壓氈化材料，其中氈化材料處于合適的溫度和壓力下，因此非織造織物復合材料呈現(xiàn)特定部件所需的剛性形狀(圖6)。將非織造織物復合材料氈熱壓成剛性部件的最關鍵參數(shù)是壓制溫度。當PP片使用熱成型來成形時，其通常在165°C與180°C之間的溫度下形成，因為所使用的PP是全同立構(gòu)、半結(jié)晶聚合物，其結(jié)晶區(qū)在該溫度范圍熔融。當晶體熔融時，粘性流僅可以在半結(jié)晶PP 中容易地發(fā)生，而且在各種全同立構(gòu)PP中這發(fā)生在165°C與180°C之間。實際上，在170°C 與180°C之間，PP的粘度降低500因子，其性質(zhì)從硬的橡膠狀固體變成粘性液體3。如果在太低的溫度下壓制，則晶體使得永久形狀變化(通過粘性變形)難于產(chǎn)生。如果在太高的溫度下壓制(在文獻中通常被認為> 180°C )，則所產(chǎn)生的低粘度引起相當大的塌陷(流掛， sagging)。因此，人們可能假定，對于壓縮模塑含聚丙烯纖維作為較低粘流溫度組分的非織造織物復合材料氈而言，該溫度范圍是最佳的。令人驚訝地，這已經(jīng)證實并非是這種情況。壓縮模塑由椰皮纖維和聚丙烯纖維制造的非織造織物復合材料氈的適宜溫度和壓力取決于應用以及最佳適合應用的機械和物理性質(zhì)組合。對于需要絕熱或隔音的一些應用，可直接使用氈，而無需熱壓，并且氈的椰皮纖維含量可以非常高(80 20至95 5)，與椰皮纖維摻合的纖維也是天然纖維，其具有較低直徑(優(yōu)選< 80 μ m)，以便于加工成氈化材料。在沖擊過程中能量吸收是主要功能的一些包裝應用也可使用密度為 0. 15g/cm3的富含椰皮纖維的氈，無需熱壓，熱壓增加非織造織物復合材料的密度。沖擊過程中的能量吸收、絕熱性質(zhì)(即，低導熱性)和隔音特性(即，低聲音傳遞系數(shù))在低密度下都被最優(yōu)化， 優(yōu)選采用還未進行熱壓成更密集且剛性材料的非織造織物復合材料氈，這產(chǎn)生的機械性能最小但對于這類應用是不必要的。椰皮纖維的大纖維直徑提供大的絕緣彈性(resilience to insulation)，最小化隨時間發(fā)生的堆積和沉淀(packing and settling)，這允許絕緣保持其“R”值。R計算為絕緣厚度除以絕緣的導熱系數(shù)。為獲得改進的機械性能，非織造織物復合氈化材料需要進行熱壓或壓縮模塑以增加密度(每平方厘米更多纖維，以支撐載荷)以及將氈中的椰皮纖維和聚丙烯纖維穩(wěn)固地彼此連接(如前所述，通過增加兩種纖維被“粘接”之處的接觸面積)，形成堅固的網(wǎng)。隨著壓制溫度從180°C增加至約240°C和壓力從25psi增加至300psi或更大，壓模氈的密度從約0. 3g/cm3增加至0. 7g/cm3或更大。應當注意，通常用于熱成型聚丙烯片的高于170°C -180°C溫度范圍的溫度對獲得聚丙烯纖維的充分流動以穩(wěn)固連接纖維是必要的，其產(chǎn)生堅硬的網(wǎng)。聚丙烯與椰皮纖維的流動差異以及聚丙烯纖維流動時其對椰皮纖維的潤濕見圖7。不施加壓力的情況下加熱非織造織物復合氈化材料至180°C將產(chǎn)生聚丙烯的不足流動(或者加熱至無論何種熱塑性纖維被用于將纖維網(wǎng)絡“膠粘”在一起的熔融溫度)，從而在熱塑性纖維覆蓋天然纖維的地方產(chǎn)生堅固接頭，導致強度和硬度不足。總而言之，無壓力下加熱非織造織物復合氈材料至180°C對期望低密度氈的應用是不必要的，而對需要具有較好拉伸強度和硬度的更剛性部件的較高密度應用是不適當?shù)摹Ｔ谒袃?yōu)選的實施方式中，天然纖維具有較大直徑(大部分纖維在100 μ m以上) 并具有較高的木素含量(> 20% )，更優(yōu)選椰皮纖維。在將進行熱壓的非織造織物復合材料的優(yōu)選實施方式中，具有較低粘流溫度的纖維是熱塑性纖維，優(yōu)選石油基聚合物纖維，最優(yōu)選聚丙烯(PP)。實施例1第一實施例涉及非織造織物復合材料的壓模部件，該非織造織物復合材料使用富含木素的大直徑天然纖維和粘流溫度顯著低于該天然纖維的降解溫度的熱塑性塑料。非織造織物復合材料氈的生產(chǎn)-將天然纖維和熱塑性纖維切割成取決于待用于制造非織造織物復合材料氈的設備的長度，通常長度在25mm與75mm之間。將這兩種類型的纖維摻合在一起成為天然纖維和熱塑性纖維的混合物。天然纖維與熱塑性纖維之比可以是按重量計50 50，但是可以在 20 80至95 05的范圍內(nèi)，這取決于所需的機械性能組合。氈(或墊)形式的非織造織物復合材料可以從摻合纖維制造，使用梳理和針刺以將梳理層粘合在一起，或者使用空氣梳理，使用輕量噴涂的粘合劑將纖維粘合在一起。所述氈可以以多達1.5-2. Om的寬度(或者更多，取決于所使用的設備)和便于運送的任意長度生產(chǎn)。例如，可以生產(chǎn)an寬乘以:3m 長的墊，堆疊在滑板(skids)上并收縮卷繞用于運送?？蛇x地，可以做成用于運送的方便尺寸(例如，1.5m寬乘以IOOm長)的卷并收縮卷繞用于運送。因為纖維僅僅通過針刺或非常輕量粘合劑被保持在一起，以這些方式制造的非織造織物復合材料的氈非常柔軟，允許其以適合運送的卷來生產(chǎn)，而且更重要地，其具有必要的柔韌性，以便當隨后在熱塑性纖維的粘流溫度與天然纖維的降解溫度之間的高溫下進行熱壓時呈現(xiàn)模的形狀。重要的是注意在生產(chǎn)非織造織物復合材料氈的過程中纖維不被加熱(除非使用非常適度的加熱來固化噴涂粘合劑或以一些其它方式施加的粘合劑以使纖維粘著，代替使用針刺賦予氈相當?shù)膬?nèi)聚力)。應當注意，在缺乏壓力下加熱氈化材料至熱塑性纖維的熔融溫度以增加纖維之間的粘合從而增強氈的粘結(jié)力是不必要的，這將降低氈的柔韌性，并且在加工上將引起不必要的花費。在針刺之后在熱壓之前非織造織物復合材料氈的堆積密度通常在0. 1與0. 2g/ cm3之間。在高溫下將氈隨后熱壓成剛性部件之后，成品織物可以被加至氈化材料，以生產(chǎn)美觀上更令人愉快的部件。成品織物通常是 200g/m2，并且在氈隨后被壓縮模塑的溫度下不應當降解，因為其通常是純聚酯。非織造織物復合材料壓縮模塑成部件-隨后從卷切割合適尺寸的非織造織物復合材料氈片并加熱至合適的溫度——該溫度高于熱塑性纖維容易表現(xiàn)粘性流時的溫度(對于聚丙烯，> 180°C )但低于天然纖維的降解溫度(對于椰皮纖維，其為 M0°C，取決于溫度下的時間)，并使用合適的模具熱壓成所需的形狀。在缺乏壓力下加熱至180°C產(chǎn)生的聚丙烯纖維流動不足以增加密度或?qū)㈦S機定向的非織造纖維連接成剛性網(wǎng)。因此，例如，對于與聚丙烯纖維摻合的椰皮纖維，溫度范圍為約180°C至約M0°C，優(yōu)選地，從180°之上至約。壓縮模塑壓力可以在約25psi 至約400psi或更大的范圍。所采用的溫度與壓力的特定組合取決于賦予特定一組物理和機械性能所需的熱壓密度。壓模非織造織物復合材料部件的的密度通常在0. 3與0. 7gm/ cm3之間，這取決于溫度、壓力和在加工中所用的壓力下的時間的組合。機械、熱和聲性質(zhì)都隨密度顯著變化，通過選擇合適的加工條件這允許所述性質(zhì)適合特定應用的需要，如在圖9 和10中所見。例如，汽車后備箱墊可以用面密度為1000g/m2的氈形式的椰皮纖維和聚丙烯纖維的非織造織物復合材料制造，該氈隨后已經(jīng)被壓縮模塑成2mm厚度和0. 5g/cm3密度。 汽車的儀表板可以用面密度為2000g/m2的椰皮纖維和聚丙烯纖維的非織造織物復合材料氈制造，該氈已經(jīng)被壓縮模塑成3. 4mm的厚度和0. 6g/cm3的堆密度，這取決于具體設計以及所需的物理和機械性能組合。如果期望，在熱塑性纖維的制造過程中可以加入工業(yè)著色劑或染料，以賦予非織造織物復合材料氈一定的顏色。優(yōu)選的富含木素的大直徑天然纖維是椰皮纖維，優(yōu)選的熱塑性纖維是用于汽車后備箱墊的聚丙烯。這兩種纖維可以進行摻合，作為非織造織物生產(chǎn)，該非織造織物然后被針刺以增加非織造織物復合材料氈的粘結(jié)力，如上所述。其隨后可以在合適的溫度和壓力下熱壓成多種汽車用產(chǎn)品(例如，后備箱墊、門板、儀表板、車頂內(nèi)襯、組合支架(package carriers)、底板、擋泥板等)以及通過熱壓該非織造織物復合材料而生產(chǎn)的其它產(chǎn)品，諸如卡車和拖拉機駕駛室的內(nèi)部或兒童玩具。已經(jīng)由非織造織物復合材料氈熱壓的汽車部件見圖8。實施例2第二實施例涉及可以從(1-12. 5mm或可能更厚)非織造織物復合材料剛性片材制造的產(chǎn)品，其使用富含木素的大直徑天然纖維(例如椰皮纖維)并結(jié)合熱塑性纖維(例如聚丙烯)。使用在實施例1中所述的方法，非織造織物復合材料氈由富含木素的大直徑天然纖維如椰皮纖維和熱塑性纖維如聚丙烯制造，所述聚丙烯具有充分低于椰皮纖維的降解溫度的粘流溫度。所述由天然纖維和熱塑性纖維制造的非織造織物復合材料氈(或墊)使用壓力和溫度的組合可以被壓成平坦的剛性片材(與在壓縮模塑中制造的更復雜形狀不同)，以獲得將產(chǎn)生所需的機械和物理性質(zhì)組合的密度，如前所述。該平坦的非織造織物復合材料片材可用于建筑材料，諸如墻板、天花板、家具和其它應用，其需要具有中等強度和硬度和/或低聲音傳遞系數(shù)以及低導熱性的輕質(zhì)復合材料。實施例3第三實施例涉及可以用已經(jīng)使用富含木素的大直徑天然纖維(例如椰皮纖維)制造非織造織物復合材料氈制造的產(chǎn)品，但是其中所述氈不在高溫和壓力下加工以制造剛性復合材料如實施例1和2所述的那些。非織造織物復合材料氈主要(> 80% )由富含木素的大直徑天然纖維制造。如果所述氈被空氣梳理，其中纖維通過噴涂粘合劑而被保持在一起，則該氈可以由100%富含木素的天然纖維(例如椰皮纖維)制造。如果所述非織造織物復合材料由富含木素的大直徑(150-500um)纖維如椰皮纖維制造，則氈可以通過梳理和針刺生產(chǎn)，但是可能需要0-20% 具有較小直徑( 40um)的天然纖維，諸如洋麻，所述天然纖維更柔韌并且在針刺以穿透經(jīng)過厚度過程中容易彎曲，賦予氈粘結(jié)性。所述氈不必包括熱塑性纖維，因為對于這些應用， 如在實施例1和2中進行的熱壓以產(chǎn)生高密度剛性材料是不合需要的。為熱塑性塑料的較少量( 5%)的第三種纖維可以被引入以熔化然后將兩種天然纖維粘結(jié)在一起，這將需要加熱至熔化第三種纖維所需的溫度，但并非熱壓。在這種應用中，重點在于產(chǎn)品要求非常低的導熱性、低的聲音傳遞系數(shù)和/或高水平減震用于能量吸收。非常低密度的機織織物復合材料達到這些性質(zhì)；也就是說，氈隨后不會在較高溫度和壓力下被加工成較高密度的剛性材料。富含木素的主要(或?qū)Ｓ械?為大直徑的天然纖維如椰皮纖維的非織造織物復合材料的應用包括建筑物/住宅絕緣、總布置包裝(packing for packaging)和汽車中的引擎(under-the-hood)應用。實施例4本專利的一種應用是用于汽車工業(yè)的復合材料。具體而言，后備箱墊、卡車裝飾、 卡車罩內(nèi)襯、門板和地墊都是可以開發(fā)的潛在應用，如在下面所述。每種部件可能需要不同的強度和硬度，因此需要所使用的兩種纖維的百分比稍微不同OO 80至80 20)以及熱壓溫度不同O00°C-23(rC)，以達到所需的不同性質(zhì)。這種多功能性是本發(fā)明的另一優(yōu)勢。在該實施例中，在摻合過程中使天然椰皮纖維與石油基聚丙烯(PP)纖維結(jié)合(圖 3)，該過程產(chǎn)生摻合但非織造椰皮纖維和PP纖維的墊(圖3)，其面密度為lOOOg/cm2。椰皮纖維限于約對01的熱壓溫度，這取決于氧化降解的熱壓時間。聚丙烯纖維具有較低的粘流溫度，其粘度在170°C與180°C之間顯著降低500X，因為該半結(jié)晶聚合物中的晶體熔融。如前所述，180°C或更少是片狀聚丙烯的通常的熱成型(或熱壓)溫度。這種溫度限制是由于高于180°C時PP片中的塌陷問題(sag issues)。然而，如前面所解釋的，該溫度太低以至于不能制造具有合適的強度和硬度組合的PP:椰皮纖維非織造織物復合材料， 因為在180°C，存在相對很少的PP纖維流動，如在圖7所見，其中顯示220°C下的流動進行比較。注意在180°C無任何壓力時，將椰皮纖維牢固結(jié)合成堅硬的網(wǎng)所必需的聚丙烯纖維流動非常少。對于該應用，PP粘度足夠低是必要的，不僅僅是使PP纖維在100至150psi的中等壓力下流動。此外，PP纖維的流動必須是足夠的以潤濕椰皮纖維，從而有效地將椰皮纖維“膠粘”在一起，產(chǎn)生具有適度強度和硬度的網(wǎng)結(jié)構(gòu)。流動的程度可以通過增加熱壓溫度來增加，如在圖7所見，其中PP在180°C的流動程度可以與PP在220°C的流動程度進行比較。在180°C下熱壓的樣品的強度和硬度比在220°C下熱壓的樣品小得多(見圖7)。在商業(yè)生產(chǎn)中，在圖4和圖8中所見的纏結(jié)材料(穿過底部的條)被壓成汽車部件，如在圖8中所呈現(xiàn)的后備箱墊和門板。纏結(jié)材料在爐中被加熱至規(guī)定的熱壓溫度，然后放置進熱壓單元中，該熱壓單元具有產(chǎn)生所需的部件形狀的模具。通常，模具表面也被加熱，但是加熱至比所述規(guī)定熱壓溫度低的溫度，以便于更迅速冷卻和降低循環(huán)時間。加熱的材料也可在冷模中壓制。僅用一種類型的纖維制造的薄的成品非織造織物可使用縫紉連接至纏結(jié)的纖維摻合物，如圖4所見，所述纖維具有比待使用的熱壓溫度高的粘流溫度。在熱壓過程中，這種機織織物未受影響，但是變得甚至更牢固地連接至熱壓復合材料，這是因為在成品織物與復合材料襯背之間的界面上的PP流動。得到的板中等硬度，具吸引人的織物整理，因此該熱成形部件準備被安裝到汽車中，而無需進一步加工。引用的參考文獻下列參考文獻通過參考特定并入本文，其程度如同它們提供示例性步驟或其它細節(jié)，對本文所述的那些進行補充。美國專利文件美國專利6，939，903，2005年9月6日授權，Sigworth等列為發(fā)明人。美國專利6，682，673，2004年1月27日授權，Skwiercz列為發(fā)明人。美國專利6，648，363，2003年11月18日授權，Gordon列為發(fā)明人。美國專利5，948，712，1999年9月7日授權，Tanab列為發(fā)明人。美國專利5，709，925，1998年1月20日授權，Spengler列為發(fā)明人。美國專利5，976，646，1999年11月2日授權，Stevens列為發(fā)明人。美國專利公布2008/0081188,2008年4月3日授權，Chang列為發(fā)明人。美國專利公布2007/0116923,2007年5月24日公布，Kasuya列為發(fā)明人。美國專利公布2004/0185239，2004年9月23日公布，Nakamura列為發(fā)明人。非專利文件1. Polymer Data Handbook. , Editor :Mark, James E. (New York :0xford University Press),1999.2. Polymer Handbook, 4th Edition, Editors :J. Brandrup, E. H. Immergut, E. A. Grulke. (New York John Wiley & Sons，Inc), 1999.3. Throne, Jim, "Let' s Thermoform Polypropylene", A Technical Minute. Copyright 2007 Sherwood Technologies, throneifoammandform. com.4. Parikh, D.V. et al. “Thermoformab1e automotive composites containing kenaf and other cellulosic fibers，，Textile Research Journal, August 2002.
權利要求
1.一種非織造織物復合材料，其包含天然纖維和由合成熱塑性聚合物制造的纖維，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維纏結(jié)在一起，并且其中所述天然纖維的粘流溫度和降解溫度高于所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維的粘流溫度和降解溫度。
2.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維已與聚酯纖維混合。
3.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維的長度為約25mm至約75mm。
4.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維的直徑是約150μ m至約 500 μ m。
5.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維使用以下方式纏結(jié)在一起梳理和針刺、旋風氣流沉積、化學處理、熱處理或溶劑處理。
6.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維具有約33wt.%的木素含量。
7.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維是椰皮纖維。
8.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯、 聚乙烯、聚乳酸或其混合物。
9.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯。
10.如權利要求1所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維與所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維的重量比是約95 5至約20 80。
11.一種非織造織物復合材料，其包含椰皮纖維和由合成熱塑性聚合物制造的纖維，其中所述椰皮纖維和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維纏結(jié)在一起；所述椰皮纖維具有約150 μ m至約500 μ m的直徑以及約25mm至約75mm的長度；和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維是直徑為約30 μ m至約50 μ m且長度為約25mm 至約75mm的聚乙烯、聚丙烯、聚乳酸或其混合物。
12.一種熱壓非織造織物復合材料，其包含天然纖維和由合成熱塑性聚合物制造的纖維，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維纏結(jié)在一起并進行熱壓，并且其中所述天然纖維的粘流溫度和降解溫度高于所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維的粘流溫度和降解溫度。
13.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述天然纖維和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維的長度為約25mm至約75mm。
14.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述天然纖維的直徑是約 150 μ m 至約 500 μ m。
15.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述天然纖維具有約 33wt. %的木素含量。
16.如權利要求12所述的非織造織物復合材料，其中所述天然纖維是椰皮纖維。
17.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述天然纖維是椰皮纖維。
18.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸或其混合物。
19.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述合成熱塑性聚合物是聚丙烯。
20.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述天然纖維與由所述合成熱塑性聚合物制造的纖維的重量比是約95 5至約20 80。
21.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述纏結(jié)的天然纖維和由合成熱塑性聚合物制造的纖維在約180°C至約240°C及更高范圍內(nèi)的溫度進行熱壓。
22.如權利要求12所述的熱壓非織造織物復合材料，其中所述纏結(jié)的天然纖維與由合成熱塑性聚合物制造的纖維在約25psi至約400psi及更高范圍內(nèi)的壓力下進行熱壓。
23.一種熱壓非織造織物復合材料，其包含 椰皮纖維和由合成熱塑性聚合物制造的纖維， 其中所述椰皮纖維和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維纏結(jié)在一起并進行熱壓； 所述椰皮纖維具有約150 μ m至約500 μ m的直徑以及約25mm至約75mm的長度；和所述由合成熱塑性聚合物制造的纖維是直徑為約30 μ m至約50 μ m且長度為約25mm 至約75mm的聚乙烯、聚丙烯或聚乳酸。
24.一種制造非織造織物復合材料的方法，其包括獲得天然纖維，所述天然纖維具有足夠高的粘流溫度和降解溫度，具有合適的硬度、強度和延展性的組合；將所述較高熔點的天然纖維研磨成所需的纖維長度；將經(jīng)研磨的天然纖維與熱塑性纖維混合，其中所述熱塑性纖維切割成與天然纖維長度類似的長度，并且其中所述熱塑性纖維的粘流溫度低于所述天然纖維的粘流溫度和降解溫度；使用梳理和針刺、用輕膠噴涂的纖維的氣流沉積或其它方法，由所述混合的纖維產(chǎn)生纏結(jié)或氈化的材料，以提供纏結(jié)的非織造織物復合材料。
25.如權利要求M所述的方法，其中將所述天然纖維剝除其蠟質(zhì)覆層，并且用化學增容劑處理所述天然纖維或所述熱塑性纖維以產(chǎn)生接枝共聚物。
26.如權利要求M所述的方法，其中所述天然纖維已與聚酯纖維混合。
27.一種制造熱壓非織造織物復合材料的方法將權利要求M所述的纏結(jié)的非織造織物復合材料使用模具在壓模機中在合適的溫度進行熱壓，由此使所述非織造織物復合材料變成具有所述模具形狀的剛性部件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含天然纖維的非織造織物復合材料及生產(chǎn)此類復合材料的方法。所述非織造織物復合材料由具有高粘流溫度和高降解溫度的富含木素的大直徑天然纖維與由熱塑性聚合物制成的具有較低粘流溫度的纖維組合構(gòu)成，所述熱塑性聚合物諸如聚丙烯、聚乙烯或可生物降解的熱塑性聚合物纖維(諸如聚乳酸)、或者它們的混合物。本發(fā)明還公開了一種由所述非織造織物織物復合材料制造的熱壓非織造織物復合材料。
文檔編號D04H1/42GK102239284SQ200980148712
公開日2011年11月9日 申請日期2009年10月6日 優(yōu)先權日2008年10月6日
發(fā)明者戴維.S.格里爾, 沃爾特.布拉德利 申請人:貝勒大學