摘 要:本发明公开了一种复合材料及其制备方法。亚麻废料经低粘度树脂浸渗与压实处理形成致密芯层，芯层可根据需要进一步加工为具有不同界面结构的板材或结构件，并在其外表面贴合天然纤维编织预浸层，通过模压或热压实现二次压实与固化，得到整体成型的复合材料。本发明提升了植物废料芯层的强度、模量和耐湿稳定性，天然纤维层增强界面结合与弯曲性能，适用于建筑及工程领域，具有高生物基含量和良好结构性能。
权利要求书
1.一种亚麻废渣芯层与天然纤维表层增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将来源于亚麻纤维加工过程的亚麻废渣制备为板坯或条坯，所述亚麻废渣为含有天然细胞腔及贯通孔隙结构的短纤维团、碎屑或麻芯屑；
2)将所述板坯或条坯置于低粘度树脂体系中进行浸渗处理，所述浸渗处理包括在负压条件下排除亚麻废渣内部气体，并在常压或加压条件下继续浸渗，使树脂进入亚麻废渣内部的细胞腔及贯通孔隙结构，在芯层内部形成贯通连续的树脂填充相；
3)对完成浸渗的亚麻废渣进行压实处理，使其孔隙体积分数相对于浸渗前降低至少30%，从而形成由亚麻纤维骨架与所述贯通连续树脂填充相共同构成的承载型致密复合芯层；
4)在所述致密复合芯层完成浸渗与压实处理之后，于其至少一个外表面贴合经偶联处理和/或防水改性的天然纤维编织预浸层；
5)将贴合天然纤维编织预浸层的组合体置入模具中进行二次压实并加热固化，使所述致密复合芯层内部的树脂填充相在界面区域与所述天然纤维编织预浸层中的树脂发生共固化融合，从而形成芯层与表层之间具有连续树脂相过渡的一体化结合复合材料结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低粘度树脂体系在25°C条件下的粘度为200～400mPa·s，以使树脂能够进入亚麻废渣内部的细胞腔及贯通孔隙结构并形成连续填充相。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树脂在致密复合芯层内部形成贯通的连续填充网络，并在压实处理后保持结构连续性。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天然纤维编织预浸层在亚麻废渣完成树脂浸渗与压实处理、形成致密复合芯层之后，再贴合于所述芯层外表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述致密复合芯层的密度由浸渗前的0.25～0.40g/cm³提高至0.50～0.65g/cm³。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次压实与加热固化在110～160°C的温度下进行，使致密复合芯层中的树脂填充相与天然纤维编织预浸层中的树脂在界面区域发生共固化融合，形成具有连续树脂相过渡的界面结合结构。
7.一种由权利要求1～6任一项方法制得的亚麻废渣增强复合材料，其特征在于，包括：
1)一致密复合芯层，所述芯层由经树脂浸渗与压实处理的亚麻废渣构成，其内部原有细胞腔及贯通孔隙被树脂连续填充，形成以亚麻纤维骨架与树脂连续相构成的承载型致密结构；
2)至少一层包覆于所述芯层外表面的天然纤维编织增强层，所述增强层与芯层经共同固化形成整体式结合结构。
8.根据权利要求7所述的复合材料，其中，所述天然纤维编织增强层选用亚麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维或其组合，并经偶联处理和/或防水改性处理。
9.根据权利要求7所述的复合材料，其中，所述复合材料为板材、梁材、壳体，或具有几何形截面的结构构件。
10.根据权利要求7所述的复合材料，其中，所述致密复合芯层用于承担结构构件中的压缩载荷和剪切载荷，所述天然纤维编织增强层用于提升结构构件的弯曲承载能力及耐湿稳定性。
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种以农业废料与填充树脂为芯层、以天然纤维编织物为表层增强结构的复合材料及其制备方法。该复合材料通过树脂浸渗、孔隙填充、压实处理以及二次成型工艺实现芯层致密化与表层增强，属于可用于建筑结构件、工程构件及装配式结构部件的生物基结构复合材料制备技术。
背景技术
随着农业产量的持续增长，甘蔗渣、秸秆、麦草、竹屑等大量植物性废弃物不断产生。此类农业废料广泛来源于农产品榨汁、脱粒或分离过程，因成本极低、获取便捷，被视为潜在的可再生材料来源。然而，在现有工业实践中，这些植物废料往往由于吸湿率高、易霉变、内部孔隙多、力学性能离散性大、耐久性不足等固有缺陷，难以满足工程材料对强度、模量及稳定性的要求，因而其应用仍主要局限于焚烧处理、堆积腐熟或作为低附加值饲料使用，实际工业再利用率极低。
植物纤维在自然状态下含有大量封闭或贯通的微孔及细胞腔结构，这些孔隙不但导致密度低、变形大、受潮后机械性能迅速衰减，还使树脂难以充分渗透，从而形成界面结合不良的问题。因此，虽然农业废弃物作为潜在的生物基材料来源具有明显的资源优势，但由于其本体结构松散，难以直接作为工程结构件的承载芯材使用。
为了提升此类材料的结构性能，现有技术中已经出现了将农业废料与树脂或纤维增强层复合的方案。例如，国际专利WO2017068602A1提出以甘蔗渣短纤维板条作为芯层，并在其外侧依次包覆天然纤维层和合成纤维织物层，通过树脂体系固化形成整体型材。该专利主要依赖连续拉挤成型，使芯层与表层在长度方向保持连续性，从而获得一定的弯曲和剪切承载能力。虽然该技术首次将甘蔗渣用于结构性复合型材，但其甘蔗渣板条并未经过内部孔隙填充或压实处理，芯层仍保留大量未被树脂侵渗的天然孔洞，导致密度低、压缩强度和剪切性能不足。
此外，植物纤维含湿性强，芯层易在固化和使用过程中吸水膨胀，与包覆层之间的界面结合稳定性受到显著影响。由于WO2017068602A1的增强方式主要依靠外侧的合成纤维织物层以及化工纤维填充物，其整体结构中生物基成分比例仍然有限，难以充分体现植物基材料的环保优势。同时，连续拉挤工艺不适合对芯层进行三维树脂浸渗、压实重构等处理，因而无法从微结构层面改善农业废料芯层的本体力学性能。
综上所述，现有技术中尚缺乏一种能够在保持高比例生物基成分的同时，显著提升农业废料芯层密实度、力学性能和界面结合能力的复合材料结构设计与制造方法。特别是缺乏能够通过内部树脂浸渗、压实力学重构以及天然纤维表层增强协同发挥作用的复合体系。为解决上述问题，本发明提供一种新的材料处理与成型方法，对植物废料（如甘蔗渣、亚麻纤维残渣等）进行孔隙树脂浸渗和压实改性，同时采用具有防水改性的天然纤维织物作为表层增强结构，以形成致密稳定、承载路径明确并具备优良耐湿性和界面结合强度的生物基复合材料型材，从而克服现有技术的不足并拓展农业废料在工程领域的应用。
发明内容
本发明提供了一种生物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：将植物废料（如甘蔗渣、亚麻残渣等）经粉碎、成型或板条化处理后置于低粘度树脂体系中进行浸渗，使树脂在负压、常压或加压条件下充分进入植物纤维细胞腔及三维孔隙网络，并在内部形成连续填充相；对浸渗后的材料进行压实处理，使孔隙体积分数显著降低，从而形成以植物纤维骨架+树脂连续相构成的致密复合结构。随后将经界面增强剂、防水处理或其他表面改性工艺处理的天然纤维编织预浸层贴合于芯层表面，使天然纤维层作为表面增强结构覆盖于芯层至少一个面或多个面。上述贴合结构随后被送入模具进行模压成型，使其获得设计的板状、片状、壳状或其他结构截面，并在加热条件下将芯层树脂及天然纤维预浸层树脂共同固化，形成整体化复合材料结构件。
在一种优选方案中，所述天然纤维可包括亚麻、黄麻、大麻、剑麻、竹纤维、棉纤维、苎麻纤维等单一或混合纤维，并可采用平纹、斜纹、经编、纬编等编织方式制成织物或非织造结构。此类天然纤维经过适当的防水改性、偶联处理或树脂预浸处理，可显著提高其界面结合强度和耐湿稳定性，使其在固化后与芯层形成牢固的一体化结构。
所述低粘度树脂体系可以为环氧树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂、改性生物基树脂等，具备良好的孔隙渗透能力与固化性能。成型方式可以为模压、热压、平板加压、壳体压制等适用于结构复合材料的成型方法。
本发明还提供了一种由上述方法制备的生物基复合材料结构件，其包括经树脂浸渗与压实改性的植物废料增强芯层，以及包覆于芯层外部的天然纤维编织预浸层，两者经模压和固化形成连续、稳定的整体结构。该结构件能够表现为板材、片材、壳体、梁材或具有特定截面形状的结构构件，具有高生物基含量、优良的力学性能、耐湿可靠性强、界面结合稳定以及加工灵活性高等优点。
本发明相对于现有技术具有显著的有益效果。通过在农业废料芯层中引入低粘度树脂浸渗与压实处理，使植物废料由原本的多孔弱结构转变为致密、可承载的增强芯材；内部树脂填充相能够有效承担压缩与剪切载荷，显著提升力学强度与结构稳定性。天然纤维编织预浸层作为表层增强结构，不仅提升了复合材料的弯曲性能与韧性，还通过表面改性提高了耐湿性和界面结合强度，使材料适用于长周期、高湿度或户外环境。相比现有技术中对甘蔗渣芯层未进行微结构重构、依赖合成纤维层增强且难以提升生物基比例的技术路线，本发明实现了从芯层到表层的全链路生物基强化，使农业废料能够真正进入工程结构应用领域，兼具环保性、可持续性与工程性能，克服了现有技术的局限。
具体实施方式
本发明提供一种以植物废料为芯层、以天然纤维编织物为防水放腐外层的生物基复合材料及其制备方法。植物废料（如甘蔗渣、秸秆、麦草、竹质残料等）通过低粘度树脂体系的浸渗及压实处理得到致密化增强芯层；所述芯层可在产线上进一步加工成平板、条材或具有U形、I形、L形、N形等复杂截面形状的构件。成型后的芯层外表面再覆盖天然纤维编织预浸层，并在成型模具中进行二次压实与热固固化，使芯层与天然纤维层形成稳定的整体结构。通过上述方式，可获得具有高生物基含量、良好力学性能及优异耐湿性和尺寸稳定性的工程结构构件。
在本发明中，植物废料芯层的初始形态可以为板状、条状或其他利于连续生产的形状，上述形状并不构成本发明的限制。通过进一步的折弯、辊弯或匹配模具的成型操作，芯层可被加工为多种复杂截面结构。天然纤维层采用编织物、非织造物或其他织构形式的天然纤维材料制成预浸布料，能够包覆于芯层的一个或多个表面，形成结构增强层。
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1：亚麻残渣芯层的树脂浸渗与压实处理
将干燥后的亚麻残渣压制成厚度约10～30mm的板坯，含水率控制在8%以下。将所述板坯置入低粘度树脂体系中进行浸渗，树脂体系由环氧树脂、稀释剂及表面活性剂组成，室温下粘度为200～400mPa·s。浸渗步骤包括先在负压条件下维持15～20分钟，以排除板坯内部空气，再在常压或加压条件下继续浸渗，使树脂进入纤维孔隙结构，并使所述致密化芯层的孔隙体积分数相对于浸渗前降低30%以上。浸渍过程中，可加入阻燃剂，防腐剂等工程实用性溶液。
浸渗后的板坯置入平板压机中，施加3～6MPa的压力压实5～10分钟，使内部孔隙体积分数明显降低。压实处理后芯层密度一般提高至0.5～0.6g/cm³，形成以植物纤维骨架+树脂连续相构成的致密复合结构。
实施例2：天然纤维预浸层的制备与平板构件成型
将天然纤维编织物经偶联剂、防水剂等表面处理后，浸入树脂体系制成天然纤维预浸布。将预浸布铺设于实施例1的致密芯层板材的上下表面或侧边，并根据需要对天然纤维层进行折包处理，使其覆盖芯层至少一个主表面。
将包覆后的组合体置入平板模具中，在110～160°C、3～5MPa下进行固化40～60分钟，得到平板生物基复合材料。所制板材具有良好的弯曲强度、耐湿稳定性和界面结合强度。
实施例3：工程级矩形梁构件的制备
制备宽度约80mm、高度240mm、长度3000～4000mm的工程级梁。
首先按照实施例1方法制备厚度约20mm、宽度约240mm的致密化亚麻废料芯层板。将两块芯层板组合叠合，使总芯层厚度达到工程梁要求。
将天然纤维预浸层铺设于芯层的上下表面及侧边，使天然纤维层在截面上形成完整包覆结构。将组合体置入金属梁模具中二次压实，在110～160°C、3～5MPa下固化40～60分钟。固化后的梁具备良好的弯曲承载能力，可用于房屋框架梁、檩条等结构用途。
实施例4：I形生物基结构梁的制备
腹板采用实施例1方法制得的致密化芯层，厚度约30mm、长度约4000mm。翼缘采用厚度约20mm的致密化亚麻废料板条。天然纤维预浸层铺设于腹板两侧及翼缘上下表面，在腹板与翼缘连接区域连续过渡。
将上述组合结构放入I形梁专用模具中二次压实，在110～160°C下进行固化，得到整体I形生物基梁。该梁中腹板承担剪切载荷，翼缘承担弯曲拉压应力，整体结构强度和界面稳定性良好。
实施例5：U形结构件的在线折弯与二次成型
按照实施例1制备厚度15～25mm的致密化板材作为芯层。将芯层送入折弯或辊弯工位，在控制的弯曲半径下形成U形截面。折弯过程中保持芯层内部树脂填充相的连续性，避免出现拉裂或分层。
将天然纤维预浸布料覆盖在U形构件外表面，并在截面转角区域通过剪切与折叠保持连续覆盖。将包覆后的构件送入与U形截面匹配的模具中，在110～160°C下以3～5MPa压力进行二次压实与固化，使天然纤维层与芯层充分结合，形成整体结构。
所得U形构件适用于建筑檩条、立柱包覆件、管线托架等用途。
实施例6：L形与N形截面构件
利用实施例1的致密化芯层板，在折弯工位对单侧或多折点进行弯折，分别形成L形或N形截面。其外表面均通过天然纤维预浸布料包覆并在模具中二次压实与固化。由此获得的L形构件可用于边梁、角部支撑等；N形构件可用于建筑节点增强件、框架内部加强元件等。
文章摘自国家发明专利，一种亚麻芯层与天然纤维表层增强的复合材料及其制备方法，发明人:黄闻博，常铮，申请号:202511922046.3，申请日:2025.12.18。
