本發(fā)明涉及復(fù)合材料領(lǐng)域，特別是涉及一種由回收塑料再生纖維與玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

玻璃纖維(簡(jiǎn)稱“玻纖”)增強(qiáng)環(huán)氧樹脂是一類傳統(tǒng)的有機(jī)一無機(jī)復(fù)合材料。它是經(jīng)由環(huán)氧樹脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)合工藝及熱固化后制成，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、電絕緣性好、耐腐蝕、耐熱性能優(yōu)良等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防科技、航天航空、船舶制造、化工、建筑、交通運(yùn)輸及智能電網(wǎng)自動(dòng)化等領(lǐng)域。雖然玻璃纖維在環(huán)氧復(fù)合體系中發(fā)揮了出色的增強(qiáng)效果，但由于玻璃纖維本身屬于剛性極強(qiáng)的材料，往往會(huì)造成環(huán)氧復(fù)合材料的抗沖擊性能及韌性不足，還會(huì)造成其壓縮強(qiáng)度的損失，尤其對(duì)于應(yīng)力集中點(diǎn)較多的外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜制品，這一缺陷尤其突出，從而限制了此類材料的應(yīng)用。雖然早期相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員開發(fā)出通過在環(huán)氧樹脂中引入柔性分子鏈，來提高玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料抗沖擊性能的方法，但這一方法不但復(fù)雜、而且還降低了復(fù)合材料的耐熱性、熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

近年來，隨著高性能有機(jī)纖維研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的迅速發(fā)展，采用高性能有機(jī)纖維如芳綸(凱夫拉)纖維、芳雜環(huán)纖維、超高分子量聚乙烯纖維等作為增強(qiáng)體來制備環(huán)氧復(fù)合材料已成為復(fù)合材料發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。利用這些有機(jī)纖維的強(qiáng)度高和延展好的特性，不但可以賦予環(huán)氧復(fù)合材料優(yōu)異的強(qiáng)度、還使其具備更好的韌性和抗壓縮性能。例如，中國(guó)專利CN103992490A公開了一種利用對(duì)芳綸纖維進(jìn)行特殊表面處理的方法來提高芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料韌性的技術(shù)；中國(guó)專利CN104194010A則公開了采用芳雜環(huán)BPO纖維來增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的技術(shù)方案，該技術(shù)可顯著提升環(huán)氧復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能、長(zhǎng)期使用性能和更優(yōu)異的輕量化特性。

然而，這些高性能有機(jī)纖維雖然具有優(yōu)異的增強(qiáng)功效，但價(jià)格卻十分昂貴，它們通常是普通玻璃纖維價(jià)格的十幾倍甚至數(shù)百倍。這對(duì)高性能有機(jī)纖維在環(huán)氧復(fù)合材料領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了消極影響。因此，開發(fā)一種既具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度，又擁有良好的耐沖擊性、耐壓縮和耐彎折性，同時(shí)還具備合理性價(jià)比的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料，就成為復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決傳統(tǒng)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合體系中，由于玻璃纖維增強(qiáng)體本身剛性強(qiáng)而造成復(fù)合材料的耐沖擊性和抗壓縮性不足的問題，提出了采用回收塑料再生纖維與玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料及其制備方法。

回收塑料再生纖維是指利用回收的聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯醇縮甲醛(PVFM)、尼龍6、尼龍66等普通熱塑性樹脂進(jìn)行熔融紡絲而制備的有機(jī)纖維，此類纖維具有制造成本低廉、力學(xué)性能可接受的特點(diǎn)。本發(fā)明正是利用了回收塑料再生纖維所具備的柔性好和價(jià)格低廉的特征，將其引入玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合體系中，形成有機(jī)/無機(jī)纖維協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料。在該體系中，玻璃纖維作為主增強(qiáng)體，為環(huán)氧復(fù)合材料提供力學(xué)強(qiáng)度支撐；回收塑料再生纖維作為輔助增強(qiáng)體，可在復(fù)合材料發(fā)生斷裂時(shí)起到橋接作用、并憑借其良好的柔性而發(fā)生延伸斷裂，大量吸收沖擊能量，從而顯著提高復(fù)合材料的耐沖擊性和抗壓縮性能。

本發(fā)明提出的回收塑料再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，可通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。

一種回收塑料再生纖維與玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其組成和各組份重量百分比如下：

所述的環(huán)氧樹脂為各型牌號(hào)的雙酚A型、雙酚F型、雙酚S型或酚醛型環(huán)氧樹脂。

所述的玻璃纖維增強(qiáng)體為玻璃纖維織物、玻璃纖維無紡布或短切玻璃纖維。

所述的回收塑料再生纖維為由回收PP、HDPE、PET、PVFM、尼龍6或尼龍66樹脂經(jīng)熔融紡絲所得到的再生纖維，這些回收塑料再生纖維可以單獨(dú)添加，也可以多種纖維結(jié)合使用。

所述的固化劑為環(huán)氧樹脂樹脂常用固化劑，包括脂肪族和芳香族多元胺類、酸酐類和潛伏型固化劑。

所述的固化促進(jìn)劑為環(huán)氧固化劑常用的咪唑類化合物，包括2-乙基-4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-苯基咪唑、2-異丙基咪唑、2，4-二甲基咪唑等，這些固化促進(jìn)劑可以單獨(dú)使用，也可以幾種結(jié)合使用。

上述一種回收塑料再生纖維與玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟(1)，將回收塑料再生纖維剪切至3～5mm的短切纖維，然后，采用星型球磨機(jī)對(duì)其進(jìn)行研磨30～60min，然而用清水將研磨后的纖維進(jìn)行清洗3～5遍，并在80℃的烘箱內(nèi)干燥12小時(shí)，所獲得再生纖維的表面粗糙度明顯增加，從而增加纖維與有機(jī)樹脂的接觸面積。

步驟(2)，將上述經(jīng)研磨、清洗和干燥后的短切再生纖維按配比添加到預(yù)熱至50～65℃的環(huán)氧樹脂中，經(jīng)機(jī)械攪拌后，冷卻至室溫；然后再按環(huán)氧當(dāng)量比加入固化劑和固化促進(jìn)劑，再攪拌15～30min，得到質(zhì)地均勻的懸浮漿料。

步驟(3)，將上述環(huán)氧懸浮漿料與玻璃纖維增強(qiáng)體按預(yù)先設(shè)定的配比結(jié)合，并經(jīng)過一定程序熱固化后，得到回收塑料再生纖維與玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

在上述步驟(3)中，如果采用玻璃纖維織物和玻璃纖維無紡布作為增強(qiáng)體，則復(fù)合材料加工方法為：將上述環(huán)氧懸浮料液按一定的配比涂敷在玻璃纖維織物和玻璃纖維無紡布上，使其被懸浮漿液充分浸潤(rùn)；然后將浸漬漿料后的增強(qiáng)體通過熱壓制固化成型，制得各種形狀的復(fù)合材料。所述的熱壓制固化條件可包括：機(jī)械壓力為2.5～4MPa，溫度80～100℃下維持2～3小時(shí)，然后溫度100～155℃下維持3～6小時(shí)。

在步驟(3)中，如果采用短切玻璃纖維作為增強(qiáng)體，則復(fù)合材料加工方法為：將上述環(huán)氧懸浮料液按一定的配比與短切玻璃纖維在機(jī)械攪拌條件下混合20～30min，然后將混合物注入相應(yīng)的模壓成型裝置中，在真空環(huán)境下脫除氣泡，然后進(jìn)行熱固化成型，制得各種形狀的復(fù)合材料。所述的熱壓制固化條件可包括：壓力為2.5～4MPa，溫度80～100℃下維持2～3小時(shí)，然后溫度100～150℃下維持3～6小時(shí)。

本發(fā)明的回收塑料再生纖維與玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，即具備了傳統(tǒng)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的剛性和強(qiáng)度，又獲得了較好的韌性和耐壓縮性能，且復(fù)合材料制備工藝簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)。與此同時(shí)，由于在復(fù)合材料中引入了價(jià)廉的回收塑料再生纖維，從而提高了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的性能價(jià)格比。如果將本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用，可為廢舊塑料回收再利用提供一條新的途徑。

具體實(shí)施方式

以下是結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案所提供的物料配比及制備工藝所做的實(shí)施例，用以進(jìn)一步解釋本發(fā)明。

實(shí)施例1

選取由回收的PP經(jīng)熔融紡絲法制備得到的再生纖維150g，將其剪切至5mm長(zhǎng)度的短切纖維，然后用星型球磨機(jī)在600rpm的轉(zhuǎn)速下，對(duì)其進(jìn)行研磨30min，然而用清水將研磨后的纖維進(jìn)行洗滌5遍，并在80℃的烘箱內(nèi)干燥12小時(shí)。

將上述經(jīng)研磨、清洗和干燥后的短切再生纖維添加到350g的雙酚A型環(huán)氧樹脂中并預(yù)熱至60℃，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，冷卻至室溫；然后再加入11g的N，N-二甲基氨基丙胺固化劑和0.2g的2-乙基咪唑固化促進(jìn)劑，再攪拌30min，即得到質(zhì)地均勻的懸浮漿料。

將上述環(huán)氧懸浮漿料對(duì)質(zhì)量為500g的玻璃布進(jìn)行涂敷和浸漬，然后將其放置到熱壓機(jī)內(nèi)，在機(jī)械壓力為3MPa且真空條件下，進(jìn)行熱壓固化。固化程序?yàn)?0℃下維持2小時(shí)，120℃下維持3小時(shí)，150℃下維持3小時(shí)，然后降至室溫，即得到回收PP再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

實(shí)施例2

選取由回收的HDPE經(jīng)熔融紡絲法制備得到的再生纖維170g，將其剪切至4mm長(zhǎng)度的短切纖維，然后用星型球磨機(jī)在300rpm的轉(zhuǎn)速下，對(duì)其進(jìn)行研磨20min，然而用清水將研磨后的纖維進(jìn)行洗滌5遍，并在70℃的烘箱內(nèi)干燥12小時(shí)。

將上述經(jīng)研磨、清洗和干燥后的短切再生纖維添加到300g的雙酚A型環(huán)氧樹脂中并預(yù)熱至60℃，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，冷卻至室溫；然后再加入12g的四氫鄰苯二甲酸酐固化劑和0.15g的2-乙基咪唑固化促進(jìn)劑，再攪拌30min，即得到質(zhì)地均勻的懸浮漿料。

將上述環(huán)氧懸浮漿料對(duì)質(zhì)量為530g的玻璃布進(jìn)行涂敷和浸漬，然后將其放置到熱壓機(jī)內(nèi)，在機(jī)械壓力為2.5MPa且真空條件下，進(jìn)行熱壓固化。固化程序?yàn)?0℃下維持2小時(shí)，100℃下維持3小時(shí)，135℃下維持3小時(shí)，然后降至室溫，即得到回收HDPE再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

實(shí)施例3

選取由回收的PET經(jīng)熔融紡絲法制備得到的再生纖維150g，將其剪切至5mm長(zhǎng)度的短切纖維，然后用星型球磨機(jī)在500rpm的轉(zhuǎn)速下，對(duì)其進(jìn)行研磨20min，然而用清水將研磨后的纖維進(jìn)行洗滌5遍，并在80℃的烘箱內(nèi)干燥12小時(shí)。

將上述經(jīng)研磨、清洗和干燥后的短切再生纖維添加到350g的雙酚F型環(huán)氧樹脂中并預(yù)熱至60℃，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，冷卻至室溫；然后再加入15g的N，N-二乙氨基丙胺固化劑和0.2g的2-苯基咪唑固化促進(jìn)劑，再攪拌30min，即得到質(zhì)地均勻的懸浮漿料。

將上述環(huán)氧懸浮漿料對(duì)質(zhì)量為500g的玻璃布進(jìn)行涂敷和浸漬，然后將其放置到熱壓機(jī)內(nèi)，在機(jī)械壓力為3MPa且真空條件下，進(jìn)行熱壓固化。固化程序?yàn)?0℃下維持2小時(shí)，110℃下維持2小時(shí)，150℃下維持3小時(shí)，然后降至室溫，即得到回收PET再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

實(shí)施例4

選取由回收的尼龍6經(jīng)熔融紡絲法制備得到的再生纖維120g，將其剪切至4mm長(zhǎng)度的短切纖維，然后用星型球磨機(jī)在600rpm的轉(zhuǎn)速下，對(duì)其進(jìn)行研磨20min，然而用清水將研磨后的纖維進(jìn)行洗滌5遍，并在80℃的烘箱內(nèi)干燥12小時(shí)。

將上述經(jīng)研磨、清洗和干燥后的短切再生纖維添加到380g的雙酚S型環(huán)氧樹脂中并預(yù)熱至60℃，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，冷卻至室溫；然后再加入15g的N，N-二乙氨基丙胺固化劑和0.2g的2，4-二甲基咪唑固化促進(jìn)劑，再攪拌30min，即得到質(zhì)地均勻的懸浮漿料。

將上述環(huán)氧懸浮漿料對(duì)質(zhì)量為500g的玻璃無紡布進(jìn)行涂敷和浸漬，然后將其放置到熱壓機(jī)內(nèi)，在機(jī)械壓力為2.5MPa且真空條件下，進(jìn)行熱壓固化。固化程序?yàn)?0℃下維持2小時(shí)，120℃下維持3小時(shí)，150℃下維持2.5小時(shí)，然后降至室溫，即得到回收尼龍6再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

實(shí)施例5

選取由回收的尼龍66經(jīng)熔融紡絲法制備得到的再生纖維100g，將其剪切至5mm長(zhǎng)度的短切纖維，然后用星型球磨機(jī)在400rpm的轉(zhuǎn)速下，對(duì)其進(jìn)行研磨20min，然而用清水將研磨后的纖維進(jìn)行洗滌5遍，并在80℃的烘箱內(nèi)干燥12小時(shí)。

將上述經(jīng)研磨、清洗和干燥后的短切再生纖維添加到400g的雙酚A型環(huán)氧樹脂中并預(yù)熱至60℃，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，冷卻至室溫；然后再加入13g的雙氰雙胺固化劑和0.25g的2-乙基咪唑固化促進(jìn)劑，再攪拌30min，即得到質(zhì)地均勻的懸浮漿料。

將500g的短切玻璃纖維加入上述環(huán)氧懸浮漿料中，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，將混合均勻的環(huán)氧樹脂/短切纖維懸浮漿料灌注到設(shè)計(jì)成一定形狀的模壓成型裝置中，在真空環(huán)境下除掉氣泡，然后進(jìn)行熱固化成型。固化程序?yàn)?0℃下維持2小時(shí)，120℃下維持3小時(shí)，155℃下維持2.5小時(shí)，然后降至室溫，即得到回收尼龍66再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

實(shí)施例6

選取由回收的PP經(jīng)熔融紡絲法制備得到的再生纖維130g，將其剪切至5mm長(zhǎng)度的短切纖維，然后用星型球磨機(jī)在600rpm的轉(zhuǎn)速下，對(duì)其進(jìn)行研磨30min，然而用清水將研磨后的纖維進(jìn)行洗滌5遍，并在80℃的烘箱內(nèi)干燥12小時(shí)。

將上述經(jīng)研磨、清洗和干燥后的短切再生纖維添加到300g的雙酚F型環(huán)氧樹脂中并預(yù)熱至60℃，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，冷卻至室溫；然后再加入9g的N，N-二甲基氨基丙胺固化劑和0.2g的2，4-二甲基咪唑固化促進(jìn)劑，再攪拌30min，即得到質(zhì)地均勻的懸浮漿料。

將570g的短切玻璃纖維加入上述環(huán)氧懸浮漿料中，經(jīng)機(jī)械攪拌30min后，將混合均勻的環(huán)氧樹脂/短切纖維懸浮漿料灌注到設(shè)計(jì)成一定形狀的模壓成型裝置中，在真空環(huán)境下除掉氣泡，然后進(jìn)行熱固化成型。固化程序?yàn)?0℃下維持2小時(shí)，120℃下維持3小時(shí)，150℃下維持3小時(shí)，然后降至室溫，即得到回收PP再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明制備的回收塑料再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，不僅其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均較純環(huán)氧樹脂熱固化物有了大幅度的提升，而缺口沖擊強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度也比純環(huán)氧樹脂熱固化物有了明顯的提高。這表明通過回收塑料再生纖維與玻璃纖維協(xié)同增強(qiáng)作用，可使環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度和韌性獲得同步提高，從而有力地提升了環(huán)氧復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。

表1 實(shí)施例1-6所制備的回收塑料再生纖維與玻璃纖維聯(lián)合增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能