專利名稱：：一種聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于高分子材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體涉及一種聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
：聚丙烯(PP)由于原來來源豐富、易于加工成型、產(chǎn)品綜合性能優(yōu)良，用途非常廣泛，已成為通用樹脂中發(fā)展最快的品種。在通用塑料工程化的研究和開發(fā)中，PP是最具有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧现?。但聚丙烯也存在一些缺點，比如耐寒性差、收縮率大、抗蠕變性差、制品尺寸穩(wěn)定性差、二次加工性能差、與其他極性聚合物和無機填料的相容性差等，從而限制了聚丙烯工程化的進一步應(yīng)用。為了改進聚丙烯的性能，延長其使用壽命并擴大應(yīng)用范圍，需對其進行改性。目前，復(fù)合增強改性是一種對聚丙烯進行改性的十分有效、簡單、經(jīng)濟、適用的方法。其中，以聚丙烯樹脂為基材，采用纖維(玻璃纖維、天然纖維或合成纖維等)增強的方法，使其具有更好的剛性、抗沖擊性、抗蠕變性、熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性，是聚丙烯材料改性研究和應(yīng)用的一個重要方面。用于制作增強復(fù)合材料的纖維品種很多，主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維，此外還有尼龍、聚酯纖維以及硼纖維、晶須等。玻璃纖維增強改性的PP復(fù)合材料已成為目前應(yīng)用廣泛的樹脂基復(fù)合材料，但仍有現(xiàn)實性的不足回收再利用困難，會造成環(huán)境污染；成型加工相對困難；為滿足某一特定性能的要求，還必須用纖維的組合增強；在短切纖維粒料滿足不了力學(xué)性能要求的場合，還必須使用長纖維增強。而聚合物纖維不僅具有纖維增強PP材料的普遍優(yōu)點，而且還具有一些普通玻纖增強PP復(fù)合材料無法比擬的優(yōu)勢芳綸纖維，全稱芳香族聚酰胺纖維，是一種高強度、高模量且質(zhì)輕的新型聚合物纖維。其代表性品種是美國DuPont公司開發(fā)的Kevlar纖維，化學(xué)組成為聚對苯二甲酰對苯二胺。Kevlar纖維相對密度僅為1.431.45，比強度為鋼絲的5倍，且具有良好的熱穩(wěn)定性。芳綸纖維增強復(fù)合材料已成功應(yīng)用于宇航、飛機、船舶、體育用品等領(lǐng)域，但其增強聚丙烯復(fù)合材料的應(yīng)用研究報道較少，故研究制備芳綸纖維增強聚丙烯復(fù)合材料是很有現(xiàn)實意義的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料及其制備方法，解決聚丙烯與Kevlar(芳綸纖維)相容性差的問題，制備方法簡單、切實可行，顯著提高復(fù)合材料力學(xué)性能(如拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度)，擴大應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料，其特征在于所述聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的原料配方為按照質(zhì)量比聚丙烯PP100份，Kevlar纖維35份，PP-g-MAH-St接枝物520份，復(fù)合抗氧劑0.51份。本發(fā)明的制備方法技術(shù)方案為Kevlar的超聲處理，以洗掉Kevlar纖維表面附著的雜質(zhì)。將經(jīng)過超聲處理的Kevlar纖維置于堿液中，進行水解處理。Kevlar纖維經(jīng)水解后，其表面胺基數(shù)量增加。制備PP-g-MAH-St接枝物，以用作復(fù)合材料中的增容劑。通過雙螺桿擠出機制備聚丙烯/Kevlar纖維復(fù)合材料。本發(fā)明的制備原理及顯著優(yōu)點為首先Kevlar纖維水解產(chǎn)生胺基，然后Kevlar纖維/PP-g-(MAH-co-St)/PP通過雙螺桿擠出機熔融共混，此過程中改性的Kevlar纖維表面的胺基可與增容劑PP-g-MAH/St的酸酐基團形成酰胺化學(xué)鍵，從而增加了纖維與聚丙烯的相容性，增強了復(fù)合材料的界面結(jié)合力，并可有效地提高復(fù)合材料的力學(xué)性能(如拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>改性的PP/KF復(fù)合材料有機地結(jié)合了增強纖維與基體樹脂的綜合性能，可用于航空、航天、軍事、汽車、機械、電子電氣、石化等各領(lǐng)域；而且制備方法簡單、高效快速，適合大范圍的推廣應(yīng)用，具有顯著的經(jīng)濟效益。具體實施例方式制備方法的步驟為Kevlar纖維的超聲處理將Kevlar纖維放入密閉容器，以乙醇為溶劑，超聲處理1216h，除去纖維表面雜物，然后將經(jīng)過表面處理的Kevlar纖維真空干燥備用；Kevlar纖維的水解將經(jīng)過步驟(1)超聲處理的Kevlar纖維置于812。/。的Na0H水溶液中水解反應(yīng)1216h，溶液溫度控制在9010(TC，將其產(chǎn)物水洗至中性，然后真空干燥備用;反應(yīng)機理如下PP-g-MAH-St接枝物的制備往帶有攪拌器的反應(yīng)器中加入聚丙烯PP、過氧化苯甲酰BPO、二甲苯，在N2氣氛下靜置溶脹l2h;然后加入馬來酸酐MAH和苯乙烯St，升溫至120。C，開動機械攪拌，反應(yīng)l2h，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通N2—段時間，直到接枝產(chǎn)物完全冷卻為止；將接枝產(chǎn)物置于索氏提取器中，用丙酮抽提24h，除去未接枝的單體均聚物和共聚物，然后6(TC真空干燥至恒重；聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備將聚丙烯、經(jīng)過步驟(2)水解處理過的Kevlar纖維、步驟(3)制備的PP-g-MAH-St接枝物和復(fù)合抗氧劑于高速混合機中充分混合，然后在雙螺桿擠出機中熔融共混擠出、造粒，制備出聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料。所得的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料粒料經(jīng)干燥后注射成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行力學(xué)性能測試所述步驟(1)中Kevlar纖維的長度為5mm6mm，Kevlar纖維與乙醇的用量為按照2025gKevlar纖維加入300500ml的乙醇。所述步驟(1)中超聲處理溫度為608(TC，功率為80100w。所述步驟(2)中超聲處理過的Kevlar纖維與NaOH水溶液的用量為按照2025g超聲處理過的Kevlar纖維加入300500ml的NaOH水溶液。所述步驟(3)pp-g-mah-st接枝物的制備中聚丙稀pp:過氧化苯甲酰bpo:二甲苯馬來酸酐MAH:苯乙烯st的質(zhì)量比為i:o.oio.02:ii.5:o.08o.16:o.ioo.20。所述步驟(4)中所用原料配方為按照質(zhì)量比聚丙烯PPIOO份，Kevlar纖維35份，PP-g-MAH-St接枝物520份，復(fù)合抗氧劑0.51份。所述復(fù)合抗氧劑為抗氧劑1010和抗氧劑168的復(fù)合物，其復(fù)配質(zhì)量比為2:1。所述步驟(4)中雙螺桿擠出機的機筒溫度為18(TC20(rC。采用化學(xué)滴定法測定步驟(2)制備的PP-g-MAH-St接枝物的接枝率，具體操作為取l2g接枝純化物，置于單口燒瓶中，加入二甲苯，加熱回流4060min，稍冷后再加入過量的KOH—乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液，再回流46h;冷卻后加入酚酞作為指示劑，在攪拌器上快速攪拌，用HC1—異丙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液反滴定過量的堿，記錄加入的堿量和反滴定所用的酸量，按下式計算接枝率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>接枝率=:n-x醒2000附其中Mkoh~氫氧化鉀乙醇溶液濃度，mol/L;MHC1—鹽酸異丙醇溶液濃度，mol/L;Vkoh~加入氫氧化鉀乙醇溶液的量，mL;VHd鹽酸異丙醇溶液的用量，mL;m——純化物的質(zhì)量，g。以下是本發(fā)明的幾個具體實施例，進一步闡述本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于此。實施例l(1)原料聚丙烯型號T30S，福建煉油化工有限公司；Kevlar纖維5mm，美國杜邦公司；其他原料均為市售普通商品級。(2)具體制備方法如下①Kevlar纖維的超聲處理將已切成5mm的Kevlar短纖放入密閉容器，以乙醇為溶劑，在6(TC、80w條件下超聲處理12h，除去纖維表面雜物，然后將經(jīng)過表面處理的Kevlar纖維真空干燥備用。②Kevlar纖維的水解將一定量經(jīng)過超聲處理的Kevlar纖維置于10。/。的Na0H水溶液中水解反應(yīng)16h，溶液溫度控制在9(TC左右，將其產(chǎn)物水洗至中性，然后真空干燥備用。③PP-g-MAH-St接枝物的制備往帶有攪拌器的反應(yīng)器中加入100份聚丙烯(PP)、2份過氧化苯甲酰(BPO)、IO份二甲苯，在N2氣氛下靜置溶脹lh。然后加入14份馬來酸酐(MAH)和18份苯乙烯(St)，升溫至12(TC，開動機械攪拌，反應(yīng)lh。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通N2—段時間，直到接枝產(chǎn)物完全冷卻為止。將接枝產(chǎn)物置于索氏提取器中，用丙酮抽提24h，除去未接枝的單體均聚物和共聚物，然后6(TC真空干燥至恒重。④聚丙烯/Kevlar纖維復(fù)合材料的制備將100份聚丙烯、3份Kevlar纖維(水解處理過)、10份PP-g-MAH/St、0.5份復(fù)合抗氧劑于高速混合機中充分混合，然后在雙螺桿擠出機中熔融共混擠出、造粒，機筒溫度分別為180°C，190°C，200°C，210°C，210°C，210°C。所得粒料經(jīng)干燥后注射成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行力學(xué)性能測試。性能測試對比如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>實施例2(1)原料聚丙烯型號T30S，福建煉油化工有限公司；Kevlar纖維6mm，美國杜邦公司；其他原料均為市售普通商品級。(2)具體制備方法如下①Kevlar纖維的超聲處理將已切成6mm的Kevlar短纖放入密閉容器，以乙醇為溶劑(Kevlar纖維與乙醇的用量為:按照20gKevlar纖維加入300ml的乙醇)，在80。C、100w條件下超聲處理13h，除去纖維表面雜物，然后將經(jīng)過表面處理的Kevlar纖維真空干燥備用。②Kevlar纖維的水解將一定量經(jīng)過超聲處理的Kevlar纖維置于8。/。的NaOH水溶液中(按照20g超聲處理過的Kevlar纖維加入300ml的NaOH水溶液)水解反應(yīng)12h，溶液溫度控制在9(TC左右，將其產(chǎn)物水洗至中性，然后真空干燥備用。③PP-g-MAH-St接枝物的制備往帶有攪拌器的反應(yīng)器中加入100份聚丙烯(PP)、l份過氧化苯甲酰(BPO)、IO份二甲苯，在N2氣氛下靜置溶脹lh。然后加入8份馬來酸酐(MAH)和10份苯乙烯(St)，升溫至120°C，開動機械攪拌，反應(yīng)lh。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通N2—段時間，直到接枝產(chǎn)物完全冷卻為止。將接枝產(chǎn)物置于索氏提取器中，用丙酮抽提24h，除去未接枝的單體均聚物和共聚物，然后6(TC真空干燥至恒重。④聚丙烯/Kevlar纖維復(fù)合材料的制備將100份聚丙烯、3份Kevlar纖維(水解處理過)、5份PP-g-MAH-St接枝物、0.5份復(fù)合抗氧劑于高速混合機中充分混合，然后在雙螺桿擠出機中熔融共混擠出、造粒，機筒溫度分別為i80。c，i90°c，2oo°c，2io°c，2io°c，2io°c。實施例3(1)原料聚丙烯型號T30S，福建煉油化工有限公司；Kevlar纖維5mm，美國杜邦公司；其他原料均為市售普通商品級。(2)具體制備方法如下①Kevlar纖維的超聲處理將已切成5mm的Kevlar短纖放入密閉容器，以乙醇為溶劑(Kevlar纖維與乙醇的用量為:按照25gKevlar纖維加入500ml的乙醇)，在8(TC、100w條件下超聲處理16h，除去纖維表面雜物，然后將經(jīng)過表面處理的Kevlar纖維真空干燥備用。②Kevlar纖維的水解將一定量經(jīng)過超聲處理的Kevlar纖維置于10。/。的NaOH水溶液中(按照25g超聲處理過的Kevlar纖維加入500ml的NaOH水溶液)水解反應(yīng)16h，溶液溫度控制在10(TC左右，將其產(chǎn)物水洗至中性，然后真空干燥備用。③PP-g-MAH-St接枝物的制備往帶有攪拌器的反應(yīng)器中加入100份聚丙烯(PP)、2份過氧化苯甲酰(BPO)、15份二甲苯，在N2氣氛下靜置溶脹lh。然后加入16份馬來酸酐(MAH)和20份苯乙烯(St)，升溫至12(TC，開動機械攪拌，反應(yīng)lh。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通N2—段時間，直到接枝產(chǎn)物完全冷卻為止。將接枝產(chǎn)物置于索氏提取器中，用丙酮抽提24h，除去未接枝的單體均聚物和共聚物，然后6(TC真空干燥至恒重。④聚丙烯/Kevlar纖維復(fù)合材料的制備將100份聚丙烯、5份Kevlar纖維(水解處理過)、20份PP-g-MAH-St接枝物、l份復(fù)合抗氧劑于高速混合機中充分混合，然后在雙螺桿擠出機中熔融共混擠出、造粒，機筒溫度分別為180。C，190。C，200。C，210。C，210。C，210。C。實施例4(1)原料聚丙烯型號T30S，福建煉油化工有限公司；Kevlar纖維6mm，美國杜邦公司；其他原料均為市售普通商品級。(2)具體制備方法如下①Kevlar纖維的超聲處理將已切成6mm的Kevlar短纖放入密閉容器，以乙醇為溶劑(Kevlar纖維與乙醇的用量為:按照25gKevlar纖維加入400ml的乙醇)，在70。C、90w條件下超聲處理13-15h，除去纖維表面雜物，然后將經(jīng)過表面處理的Kevlar纖維真空干燥備用。②Kevlar纖維的水解將一定量經(jīng)過超聲處理的Kevlar纖維置于10。/。的NaOH水溶液中(按照20-25g超聲處理過的Kevlar纖維加入400ml的NaOH水溶液)水解反應(yīng)16h，溶液溫度控制在95-100。C左右，將其產(chǎn)物水洗至中性，然后真空干燥備用。③PP-g-MAH-St接枝物的制備往帶有攪拌器的反應(yīng)器中加入100份聚丙烯(PP)、1.5份過氧化苯甲酰(BPO)、13份二甲苯，在N2氣氛下靜置溶脹lh。然后加入15份馬來酸酐(MAH)和18份苯乙烯(St)，升溫至12(TC，開動機械攪拌，反應(yīng)lh。當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通N2—段時間，直到接枝產(chǎn)物完全冷卻為止。將接枝產(chǎn)物置于索氏提取器中，用丙酮抽提24h，除去未接枝的單體均聚物和共聚物，然后6(TC真空干燥至恒重。④聚丙烯/Kevlar纖維復(fù)合材料的制備將100份聚丙烯、4份Kevlar纖維(水解處理過)、15份PP-g-MAH-St接枝物、0.5份復(fù)合抗氧劑于高速混合機中充分混合，然后在雙螺桿擠出機中熔融共混擠出、造粒，機筒溫度分別為i80。c，i90°c，2oo°c，2io°c，2io°c，2io°c。該方法制得的復(fù)合材料具有良好的拉伸、彎曲、抗沖擊等力學(xué)性能及較高的熱變形溫度權(quán)利要求1.一種聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料，其特征在于所述聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的原料配方為按照質(zhì)量比聚丙烯PP100份，Kevlar纖維3～5份，PP-g-MAH-St接枝物5～20份，復(fù)合抗氧劑0.5～1份。2.一種如權(quán)利要求l所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述制備方法的步驟為(1)Kevlar纖維的超聲處理將Kevlar纖維放入密閉容器，以乙醇為溶劑，超聲處理1216h，除去纖維表面雜物，然后將經(jīng)過表面處理的Kevlar纖維真空干燥備用；(2)Kevlar纖維的水解將經(jīng)過步驟(1)超聲處理的Kevlar纖維置于質(zhì)量濃度為812。/。的NaOH水溶液中水解反應(yīng)1216h，溶液溫度控制在9010(TC，將其產(chǎn)物水洗至中性，然后真空干燥備用；(3)PP-g-MAH-St接枝物的制備往帶有攪拌器的反應(yīng)器中加入聚丙烯PP、過氧化苯甲酰BPO、二甲苯，在N2氣氛下靜置溶脹l2h;然后加入馬來酸酐MAH和苯乙烯St，升溫至120°C，開動機械攪拌，反應(yīng)l2h，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通N2—段時間，直到接枝產(chǎn)物完全冷卻為止；將接枝產(chǎn)物置于索氏提取器中，用丙酮抽提24h，除去未接枝的單體均聚物和共聚物，然后6(TC真空干燥至恒重；(4)聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備將聚丙烯100份、經(jīng)過步驟(2)水解處理過的Kevlar纖維35份、步驟(3)制備的PP-g-MAH-St接枝物520份和復(fù)合抗氧劑0.51份置于高速混合機中充分混合，然后在雙螺桿擠出機中熔融共混擠出、造粒，制備出聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所得的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料粒料經(jīng)干燥后注射成標(biāo)準(zhǔn)樣條，進行力學(xué)性能測試。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中Kevlar纖維的長度為5mm6mm;Kevlar纖維與乙醇的用量為:按照2025gKevlar纖維加入300500ml的乙醇。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中超聲處理溫度為608(TC，功率為80100w。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)中超聲處理過的Kevlar纖維與NaOH水溶液的用量為按照2025g超聲處理過的Kevlar纖維加入300500ml的NaOH水溶液。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(3)PP-g-MAH-St接枝物的制備中聚丙烯PP:過氧化苯甲酰BPO:二甲苯馬來酸酐MAH:苯乙烯st的質(zhì)量比為i:o.oio.02:ii.5:0.08o.16:o.ioo.20。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述復(fù)合抗氧劑為抗氧劑1010和抗氧劑168的復(fù)合物，其復(fù)配質(zhì)量比為2:1。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述步驟(4)中雙螺桿擠出機的機筒溫度為18(TC20(rC。10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于采用化學(xué)滴定法測定步驟(2)制備的PP-g-MAH-St接枝物的接枝率，具體操作為取l2g接枝純化物，置于單口燒瓶中，加入二甲苯，加熱回流4060min，稍冷后再加入過量的KOH—乙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液，再回流46h;冷卻后加入酚酞作為指示劑，在攪拌器上快速攪拌，用HC1—異丙醇標(biāo)準(zhǔn)溶液反滴定過量的堿，記錄加入的堿量和反滴定所用的酸量，按下式計算接枝率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>接枝率=:n-x醒2000附其中MKOH——氫氧化鉀乙醇溶液濃度，mol/L;腿C1——鹽酸異丙醇溶液濃度，mol/L;VK0H——加入氫氧化鉀乙醇溶液的量，mL;VHC1鹽酸異丙醇溶液的用量，mL;m——純化物的質(zhì)量，g。全文摘要本發(fā)明提供一種聚丙烯-Kevlar纖維復(fù)合材料及其制備方法；以聚丙烯、Kevlar纖維、PP-g-MAH-St接枝物和復(fù)合抗氧劑為原料，制備過程為包括超聲處理Kevlar纖維；Kevlar纖維的水解；增容劑PP-g-MAH/St接枝物的制備和制備聚丙烯/Kevlar復(fù)合材料。本發(fā)明利用改性的Kevlar纖維表面的胺基可與增容劑PP-g-MAH/St的酸酐基團形成酰胺化學(xué)鍵，解決了纖維與聚丙烯相容性差的問題，大大增強了復(fù)合材料的界面結(jié)合力，有效地提高了復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度及熱變形溫度等性能。制備的復(fù)合材料可用于航空、航天、軍事、汽車、機械、電子電氣和石化等各領(lǐng)域。文檔編號C08L23/12GK101358011SQ20081030478公開日2009年2月4日申請日期2008年10月8日優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日發(fā)明者李寶銘,雷程,鄭玉嬰申請人:福州大學(xué)