一種等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料及其制備方法，采用等離子體技術(shù)對(duì)竹原纖維表面進(jìn)行改性，將改性的竹原纖維、不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑通過熱壓成型得到改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料。本發(fā)明制備的等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料具有很好的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。
【專利說明】一種等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于植物纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】[0002]近年來，利用天然植物纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的研究受到了人們的廣泛關(guān)注，天然植物纖維質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、來源廣、價(jià)格便宜，且環(huán)保、可再生，用其與聚合物制成復(fù)合材料不僅可降低復(fù)合材料的成本，而且具有易降解、無污染等優(yōu)點(diǎn)。竹材纖維素含量較高，且是微纖絲角很小的厚薄相間的多層壁結(jié)構(gòu)，不同層間界面內(nèi)夾角逐漸變化，避免了幾何和物理的突變，從而具有天然的螺旋增韌結(jié)構(gòu)。我國(guó)竹子資源豐富(現(xiàn)有竹林總面積6300多萬畝，占全世界竹林總面積的1/3)，竹纖維的密度低(1.38g/cm3左右)，而且竹子生長(zhǎng)周期短，制備過程能耗較低。據(jù)報(bào)道，單根毛竹纖維軸向拉伸強(qiáng)度可達(dá)到1.43-1.69GPa，最大拉伸模量可達(dá)32.0-34.6GPa,比大多數(shù)的木質(zhì)纖維高。因此,竹纖維有望成為一種重要的復(fù)合材料增強(qiáng)體。通常，由于植物纖維是親水性的，而作為熱固性樹脂的不飽和聚酯是憎水性的，二者之間的界面結(jié)合強(qiáng)度很低。因此，竹原纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，其提高復(fù)合材料性能的程度有限。采用等離子體處理竹原纖維，會(huì)使纖維材料表面葡萄糖苷鍵斷裂生成大分子自由基、不飽和鏈和交聯(lián)層，可以與不飽和聚酯樹脂中的不飽和鍵發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而提高復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中竹原纖維與樹脂界面結(jié)合強(qiáng)度低，制備出的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度不高等問題，提供一種等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料及其制備方法，制得的等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料具有很好的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料是由改性竹原纖維、不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑通過熱壓成型工藝得到；所述的改性竹原纖維是采用等離子體技術(shù)對(duì)竹原纖維進(jìn)行表面改性得到的。
[0005]等離子體對(duì)竹原纖維表面進(jìn)行物理改性過程為:稱取絕干竹原纖維均勻分散在等離子體處理腔內(nèi)；開啟真空泵，待處理腔內(nèi)真空度降至7.0Pa后打開氣體閥，通入氮?dú)狻⒀鯕饣驓鍤?，調(diào)節(jié)其流量為1.0-2.0L/min ;待流量及真空度穩(wěn)定后，以30-70W功率對(duì)竹原纖維進(jìn)行處理l_5min，結(jié)束后關(guān)閉等離子體并取出竹原纖維，即得改性竹原纖維。
[0006]所述的復(fù)合材料原料組分的質(zhì)量份數(shù)是:改性竹原纖維80-100份，不飽和聚酯樹脂80-100份，交聯(lián)劑1-3份，促進(jìn)劑0.5-1.5份，引發(fā)劑3-7份。
[0007]所述的不飽和聚酯樹脂為鄰苯二甲酸型不飽和聚酯樹脂；所述的交聯(lián)劑為苯乙烯；所述的促進(jìn)劑為環(huán)烷酸鈷；所述的引發(fā)劑為過氧化丁酮。[0008]制備如上所述的等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的方法包括以下步驟:
(1)將改性竹原纖維手工鋪裝裁剪成3層22cmX22cm規(guī)格的纖維氈備用；
(2)按原料配比稱取不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑，混合后攪拌0.5-2min，使之混合均勻；
(3)把不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑混合物均勻涂敷在改性竹原纖維氈的表面，將3層涂有樹脂混合物的纖維氈疊合排布成纖維板坯，然后移至鋼模中在室溫下以6-9MPa的壓力冷壓3-8min，使樹脂滲透入纖維板坯中；然后熱壓機(jī)升溫至100_120°C在6-9MPa壓力下預(yù)熱壓3-6min ;繼續(xù)升溫至120_160°C，壓力保持不變，熱壓20_40min ;熱壓完成后模具室溫保壓60-120min，并使之自然冷卻至室溫。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明采用優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，纖維與不飽和聚酯樹脂的用量比(質(zhì)量比)為1: 1，熱壓溫度140°C，熱壓時(shí)間30min，以模壓工藝可制備力學(xué)性能優(yōu)良的竹原纖維/不飽和聚酯復(fù)合材料。采用等離子體處理技術(shù)對(duì)竹原纖維表面進(jìn)行物理改性，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及彎曲模量均有顯著的提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是等離子體處理時(shí)間對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。
[0011]圖2是等離子體處理時(shí)間對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響。
[0012]圖3是等離子體處理功率對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。
[0013]圖4是等離子體處理功率對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1
原料:竹原纖維由福建海博斯化學(xué)技術(shù)有限公司提供；不飽和聚酯樹脂(UPE)為鄰苯二甲酸型不飽和聚酯樹脂(型號(hào):9231-1TP ;粘度(23°C ):300-550cps ;酸值:18_24mgK0H/g;膠化時(shí)間:40-50 min ;固體含量:57-63%)，購(gòu)自上緯(上海)精細(xì)化工有限公司；引發(fā)劑為過氧化丁酮(MEKP)，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；促進(jìn)劑為環(huán)烷酸鈷，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；交聯(lián)劑為苯乙烯，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(沃凱)。
[0015]改性竹原纖維復(fù)合材料:
采用氧氣氣氛、流量為1.5L/min、功率為30W、時(shí)間為Imin的等離子體處理技術(shù)改性竹原纖維表面，將改性的竹原纖維與UPE樹脂及交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑熱壓成型，得到改性竹原纖維復(fù)合材料。改性過程為:稱取95g的絕干竹原纖維均勻分散在等離子體處理腔內(nèi)；開啟真空泵，待處理腔內(nèi)真空度降至7.0Pa后打開氧氣氣體閥并調(diào)節(jié)流量為1.5L/min ;待流量及真空度穩(wěn)定后，分別調(diào)節(jié)處理時(shí)間為Imin和處理功率為30W對(duì)纖維進(jìn)行處理，結(jié)束后關(guān)閉等離子體并取出纖維，即得改性竹原纖維。
[0016]制備方法:將改性竹原纖維手工鋪裝裁剪成3層22cmX22cm規(guī)格的纖維氈備用；按原料配比稱取不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑，混合后攪拌0.5min，使之混合均勻；把不飽和聚酯樹脂混合物均勻涂敷在改性纖維氈的表面，將3層涂有樹脂混合液的纖維氈疊合排布成纖維板坯；然后移至鋼模中在室溫下以SMPa的壓力冷壓5min，使樹脂滲透入纖維板坯中；然后熱壓機(jī)升溫至110°C在SMPa壓力下預(yù)熱壓5min ;繼續(xù)升溫至140°C，壓力保持不變，熱壓30min ;熱壓完成后模具室溫保壓60min，并使之自然冷卻至室溫。
[0017]實(shí)施例2
原料:竹原纖維由由福建海博斯化學(xué)技術(shù)有限公司提供；不飽和聚酯樹脂(UPE)為鄰苯二甲酸型不飽和聚酯樹脂(型號(hào):9231-1TP;粘度(23。。):300-550cpS ;酸值:18-24mgK0H/g ;膠化時(shí)間:40-50 min ;固體含量:57~63%)，購(gòu)自上緯(上海)精細(xì)化工有限公司；引發(fā)劑為過氧化丁酮(MEKP)，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；促進(jìn)劑為環(huán)烷酸鈷，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；交聯(lián)劑為苯乙烯，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(沃凱)。
[0018]改性竹原纖維復(fù)合材料:
采用氧氣氣氛、流量為1.5L/min、功率為50W、時(shí)間為3min的等離子體處理技術(shù)改性竹原纖維表面，將改性的竹原纖維與UPE樹脂及交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑熱壓成型，得到改性竹原纖維復(fù)合材料。改性過程為:稱取95g的絕干竹原纖維均勻分散在等離子體處理腔內(nèi)；開啟真空泵，待處理腔內(nèi)真空度降至7.0Pa后打開氧氣氣體閥并調(diào)節(jié)流量為1.5L/min ;待流量及真空度穩(wěn)定后，分別調(diào)節(jié)處理時(shí)間為3min和處理功率為50W對(duì)纖維進(jìn)行處理，結(jié)束后關(guān)閉等離子體并取出纖維，即得改性竹原纖維。
[0019]制備方法:將改性竹原纖維手工鋪裝裁剪成3層22cmX22cm規(guī)格的纖維氈備用；按原料配比稱取不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑，混合后攪拌2min，使之混合均勻；把不飽和聚酯樹脂混合物均勻涂敷在改性纖維氈的表面，將3層涂有樹脂混合液的纖維氈疊合排布成纖維板坯；然后 移至鋼模中在室溫下以SMPa的壓力冷壓5min，使樹脂滲透入纖維板坯中；然后熱壓機(jī)升溫至110°C在SMPa壓力下預(yù)熱壓5min ;繼續(xù)升溫至140°C，壓力保持不變，熱壓30min ;熱壓完成后模具室溫保壓120min，并使之自然冷卻至室溫。
[0020]復(fù)合材料板力學(xué)性能測(cè)試
復(fù)合材料板制成啞鈴型試樣(規(guī)格:長(zhǎng)150mm,兩端寬20mm,中間寬IOmm,標(biāo)距50mm,厚度3.0mm)以測(cè)試?yán)煨阅?；彎曲性能的測(cè)試樣品為長(zhǎng)條狀(規(guī)格:80 mmX 10 mmX3.0mm)。拉伸測(cè)試依據(jù)GB1447-83標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；彎曲測(cè)試依據(jù)GB1449-83標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度測(cè)試在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上完成。
[0021](I)等離子體處理時(shí)間對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
固定處理功率為50W不變，改變處理時(shí)間。由圖1知:未處理復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為40.68MPa，處理時(shí)間為Imin時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為48.25MPa，與未處理相比，提高18.61% ;當(dāng)處理時(shí)間為3min時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高到58.90MPa，提高44.80% ;當(dāng)處理時(shí)間為5min時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為49.91MPa，提高22.70%。
[0022]由圖2知:未處理復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為62.08MPa,處理時(shí)間為Imin時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為80.92MPa，與未處理相比，提高30.35% ;當(dāng)處理時(shí)間為3min時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高到84.22MPa，提高35.68% ;當(dāng)處理時(shí)間為5min時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為72.93MPa，提高 17.48%。
[0023]未處理復(fù)合材料的彎曲模量為3949.68MPa，處理時(shí)間為Imin時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量為6515.60MPa，與未處理相比，提高64.97% ;當(dāng)處理時(shí)間為3min時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量為6025.58MPa，提高52.56% ;當(dāng)處理時(shí)間為5min時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量為4908.57MPa，提高 26.22%。
[0024](2)等離子體處理功率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
固定處理時(shí)間為3min不變，改變處理功率。由圖3知:未處理復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為40.68MPa，處理功率為30W時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為50.6IMPa,與未處理相比，提高24.42% ;當(dāng)處理功率為50W時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為58.90MPa，提高44.80% ;當(dāng)處理功率為70W時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為47.52MPa，提高16.83%。
[0025]由圖4知:未處理復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為62.08MPa,處理功率為30W時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為76.08MPa,與未處理相比，提高16.00% ;當(dāng)處理功率為50W時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為84.23MPa，提高35.68% ;當(dāng)處理功率為70W時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為72.42MPa，提高 16.67%。
[0026]未處理復(fù)合材料的彎曲模量為3949.68MPa，處理功率為30W時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量為5495.90MPa,與未處理相比，提高39.15% ;當(dāng)處理功率為50W時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量為6025.58MPa，提高52.56% ;當(dāng)處理功率為70W時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為5208.78MPa，提聞 31.88%。
[0027]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，其特征在于:復(fù)合材料是由改性竹原纖維、不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑通過熱壓成型工藝得到；所述的改性竹原纖維是采用等離子體技術(shù)對(duì)竹原纖維進(jìn)行表面改性得到的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，其特征在于:等離子體對(duì)竹原纖維表面進(jìn)行物理改性過程為:稱取絕干竹原纖維均勻分散在等離子體處理腔內(nèi)；開啟真空泵，待處理腔內(nèi)真空度降至7.0Pa后打開氣體閥，通入氮?dú)?、氧氣或氬氣，調(diào)節(jié)其流量為1.0-2.0L/min ;待流量及真空度穩(wěn)定后，以30-70W功率對(duì)竹原纖維進(jìn)行處理1-5min，結(jié)束后關(guān)閉等離子體并取出竹原纖維，即得改性竹原纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，其特征在于:所述的復(fù)合材料原料組分的質(zhì)量份數(shù)是:改性竹原纖維80-100份，不飽和聚酯樹脂80-100份，交聯(lián)劑1-3份，促進(jìn)劑0.5-1.5份，引發(fā)劑3-7份。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，其特征在于:所述的不飽和聚酯樹脂為鄰苯二甲酸型不飽和聚酯樹脂；所述的交聯(lián)劑為苯乙烯；所述的促進(jìn)劑為環(huán)烷酸鈷；所述的引發(fā)劑為過氧化丁酮。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述的等離子體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)將改性竹原纖維手工鋪裝裁剪成3層22cmX22cm規(guī)格的纖維氈備用； (2)按原料配比稱取不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑，混合后攪拌0.5-2min,使之混合均勻； (3)把不飽和聚酯樹脂、交聯(lián)劑、促進(jìn)劑和引發(fā)劑混合物均勻涂敷在改性竹原纖維氈的表面，將3層涂有樹脂混合物的纖維氈疊合排布成纖維板坯，然后移至鋼模中在室溫下以6-9MPa的壓力冷壓3-8min，使樹脂滲透入纖維板坯中；然后熱壓機(jī)升溫至100-120°C在6-9MPa壓力下預(yù)熱壓3-6min ;繼續(xù)升溫至120-160°C，壓力保持不變，熱壓20-40min ;熱壓完成后模具室溫保壓60-120min，并使之自然冷卻至室溫。
【文檔編號(hào)】C08L97/02GK103497495SQ201310464439
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】邱仁輝, 陳婷婷, 劉文地, 沈云玉, 謝天順, 賴富文, 許博皓, 林榮永 申請(qǐng)人:福建農(nóng)林大學(xué)