本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種玄武巖纖維增強(qiáng)的木塑復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
木塑復(fù)合材料是以各種植物及木質(zhì)纖維和廢舊熱塑性塑料為原料，通過熱加工制備得到的一類新型復(fù)合材料。它的出現(xiàn)有利于緩解目前木材資源匱乏的問題，有效解決了天然及合成高分子材料廢棄物的資源化利用，因而備受關(guān)注，目前已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、建筑行業(yè)、室內(nèi)裝飾、家電和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)方面。由于兼具木質(zhì)纖維材料與聚合物材料的部分性能特點(diǎn)，木塑復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能。木塑復(fù)合材料還具備木材和塑料的雙重加工性能，既可采用擠出、熱壓等塑料或木質(zhì)人造板工藝進(jìn)行成型生產(chǎn)，也可采用鋸、刨、旋切、磨削、砂光、膠合、軋花、印刷等木材或塑料的加工方法進(jìn)行加工和后期處理。
目前木塑制品主要應(yīng)用在戶外鋪板、柵欄等園林景觀制品方面。由于在力學(xué)強(qiáng)度和木材存在差距，使其在門窗、家具等的結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用上仍受到很大的限制。近年來無機(jī)質(zhì)纖維迅猛發(fā)展，已經(jīng)在樹脂基復(fù)合材料中得到了廣泛的應(yīng)用，而其在木塑復(fù)合材料領(lǐng)域也已逐漸興起。因此利用無機(jī)質(zhì)纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能是拓展其應(yīng)用的一個(gè)良好途徑。
玄武巖纖維是天然玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融后通過鉑銠合金拉絲制成的一種新型高性能纖維。最早誕生于前蘇聯(lián)的烏克蘭科學(xué)研究院。近年來隨著全新低能耗生產(chǎn)裝置的誕生，其高性價(jià)比優(yōu)勢逐漸凸顯出來。玄武巖表面呈化學(xué)惰性，直接加入木塑復(fù)合材料中不能形成良好的界面結(jié)合，因此如何對纖維表面進(jìn)行改性處理，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題之一。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的問題，提供了一種玄武巖纖維增強(qiáng)的木塑復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種玄武巖纖維增強(qiáng)的木塑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
（1）玄武巖纖維改性處理：
a.先將玄武巖纖維放入溫度為180~220℃的條件下干燥處理10~15min，完成后取出冷卻后備用；
b.將操作a處理后的玄武巖纖維放入濃度為6.5~7.5mol/l的鹽酸溶液中，保持鹽酸溶液的溫度為22~25℃，同時(shí)又施加頻率為45~50khz的超聲波進(jìn)行處理，40~45min后進(jìn)行過濾，將玄武巖纖維取出后備用；
c.用去離子水對操作b所得的玄武巖纖維進(jìn)行沖洗一次，完成后再將其置于溫度為75~80℃的條件下干燥處理30~40min后備用；
d.將操作c處理后的玄武巖纖維放入硅烷偶聯(lián)劑水溶液中浸泡處理，加熱保持硅烷偶聯(lián)劑水溶液的溫度為37~42℃，同時(shí)又施加頻率為70~75khz的超聲波進(jìn)行處理，1~1.5h后過濾，然后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為120~130℃的條件下處理10~15min后備用；
e.將操作d所得的玄武巖纖維浸入到改性環(huán)氧樹脂水溶液中，加熱保持改性環(huán)氧樹脂水溶液的溫度為30~35℃，同時(shí)又施加頻率為100~110khz的超聲波進(jìn)行處理，45~50min后過濾，最后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為45~50℃的條件下處理50~55min后備用；所述的改性環(huán)氧樹脂水溶液中的改性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15~20%；
（2）擠出成型：
將步驟（1）處理后的玄武巖纖維與楊木粉、高密度聚乙烯、液體石蠟、穩(wěn)定劑按照質(zhì)量比6~10：70~75：40~45：2~4：0.5~1.5進(jìn)行混合，然后放入雙階擠出機(jī)中擠出成型即可。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作b中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為2~2.5w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作d中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為4~4.5w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為7.5~8w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的改性環(huán)氧樹脂的制備方法是將聚氧乙烯二醇、聚氧丙烯二醇和環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比2~3：1~2：8~11進(jìn)行混合后，加熱保持溫度為45~50℃，反應(yīng)處理35~40min后，再加入其總質(zhì)量10~12%的雙酚a型環(huán)氧樹脂、5~8%的雙酚a、0.3~0.7%的三苯基磷，加熱保持溫度為72~77℃，反應(yīng)處理1~1.5h后即可。所制的改性環(huán)氧樹脂是先用聚氧乙烯二醇、聚氧丙烯二醇和環(huán)氧樹脂反應(yīng)，形成端基為環(huán)氧基的加成物，然后在三苯基磷為催化劑的條件下，此加成物與雙酚a型環(huán)氧樹脂、雙酚a進(jìn)行反應(yīng)，最后得到含有親水性聚氧乙烯、聚氧丙烯鏈段的環(huán)氧樹脂，此環(huán)氧樹脂可不用外加乳化劑即可溶于水中，便于對玄武巖纖維的進(jìn)一步改性，同時(shí)因親水鏈段包含在環(huán)氧樹脂分子中，又能增強(qiáng)玄武巖纖維以及木塑復(fù)合材料整體的耐水性。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的楊木粉的目數(shù)為40~60目。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的穩(wěn)定劑為硬脂酸鎂、硬脂酸銼、硬脂酸鋁中的任意一種。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的擠出機(jī)熔融區(qū)的溫度控制為138~143℃，擠出區(qū)的溫度控制為150~155℃，定型區(qū)的溫度控制為164~169℃。
對于玄武巖纖維的表面改性處理方法多種多樣，如用硅烷偶聯(lián)劑改性等，但其處理的效果仍有待加強(qiáng)。本發(fā)明通過對玄武巖纖維的多次特殊改性處理，最終制得的玄武巖纖維具有更佳的使用性能。其中先用適量濃度的鹽酸溶液對玄武巖纖維表面進(jìn)行了刻蝕處理，能在表面形成不同的凹坑，施加的超聲波能進(jìn)一步增強(qiáng)刻蝕的效果，刻蝕后的玄武巖纖維表面粗糙度提升，更利于與高密度聚乙烯等成分的結(jié)合，接著又將其浸入到硅烷偶聯(lián)劑水溶液中進(jìn)行硅烷偶聯(lián)處理，此時(shí)利用硅烷偶聯(lián)劑在其表面進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng)，改善了玄武巖纖維的表面特性，提升了其與高密度聚乙烯的相容性，此時(shí)施加的超聲波處理可進(jìn)一步增強(qiáng)硅烷偶聯(lián)劑對玄武巖纖維表面的處理效果，因?yàn)榇藭r(shí)的玄武巖纖維表面凹凸不平，粗糙度較大，若表面處理效果不好、不均勻，會(huì)造成后期復(fù)合材料內(nèi)部形成裂紋、開裂等的現(xiàn)象的發(fā)生，然后又將其浸入到改性環(huán)氧樹脂水溶液中進(jìn)行二次改性處理，此時(shí)利用水溶液中特殊配制的改性環(huán)氧樹脂對玄武巖纖維進(jìn)行二次交聯(lián)改性處理，改性環(huán)氧樹脂能進(jìn)一步改善玄武巖纖維的表面特性，提升其與高密度聚乙烯等材料的連接強(qiáng)度，并能增強(qiáng)材料整體的耐水特性，施加的超聲波處理同樣增強(qiáng)了改性處理效果，并避免了改性環(huán)氧樹脂等成分過多的固化堆積于玄武巖纖維表面，導(dǎo)致部分凹坑被填覆，粗糙度下降的問題。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明對玄武巖纖維進(jìn)行了特殊的改性處理，有效改善了其表面活性，使得其能與木塑復(fù)合材料的其他成分形成良好的界面結(jié)合，配合其余成分的合理添加，最終制得的木塑復(fù)合材料具有很好的強(qiáng)度、耐水性、耐腐蝕性等，綜合使用性能好，有效拓展了木塑復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種玄武巖纖維增強(qiáng)的木塑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
（1）玄武巖纖維改性處理：
a.先將玄武巖纖維放入溫度為180℃的條件下干燥處理10min，完成后取出冷卻后備用；
b.將操作a處理后的玄武巖纖維放入濃度為6.5mol/l的鹽酸溶液中，保持鹽酸溶液的溫度為22℃，同時(shí)又施加頻率為45khz的超聲波進(jìn)行處理，40min后進(jìn)行過濾，將玄武巖纖維取出后備用；
c.用去離子水對操作b所得的玄武巖纖維進(jìn)行沖洗一次，完成后再將其置于溫度為75℃的條件下干燥處理30min后備用；
d.將操作c處理后的玄武巖纖維放入硅烷偶聯(lián)劑水溶液中浸泡處理，加熱保持硅烷偶聯(lián)劑水溶液的溫度為37℃，同時(shí)又施加頻率為70khz的超聲波進(jìn)行處理，1h后過濾，然后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為120℃的條件下處理10min后備用；
e.將操作d所得的玄武巖纖維浸入到改性環(huán)氧樹脂水溶液中，加熱保持改性環(huán)氧樹脂水溶液的溫度為30℃，同時(shí)又施加頻率為100khz的超聲波進(jìn)行處理，45min后過濾，最后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為45℃的條件下處理50min后備用；所述的改性環(huán)氧樹脂水溶液中的改性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%；
（2）擠出成型：
將步驟（1）處理后的玄武巖纖維與楊木粉、高密度聚乙烯、液體石蠟、穩(wěn)定劑按照質(zhì)量比6：70：40：2：0.5進(jìn)行混合，然后放入雙階擠出機(jī)中擠出成型即可。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作b中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為2w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作d中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為4w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為7.5w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的改性環(huán)氧樹脂的制備方法是將聚氧乙烯二醇、聚氧丙烯二醇和環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比2：1：8進(jìn)行混合后，加熱保持溫度為45℃，反應(yīng)處理35min后，再加入其總質(zhì)量10%的雙酚a型環(huán)氧樹脂、5%的雙酚a、0.3%的三苯基磷，加熱保持溫度為72℃，反應(yīng)處理1h后即可。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的楊木粉的目數(shù)為40~60目。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的穩(wěn)定劑為硬脂酸鎂。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的擠出機(jī)熔融區(qū)的溫度控制為138℃，擠出區(qū)的溫度控制為150℃，定型區(qū)的溫度控制為164℃。
實(shí)施例2
一種玄武巖纖維增強(qiáng)的木塑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
（1）玄武巖纖維改性處理：
a.先將玄武巖纖維放入溫度為200℃的條件下干燥處理13min，完成后取出冷卻后備用；
b.將操作a處理后的玄武巖纖維放入濃度為7mol/l的鹽酸溶液中，保持鹽酸溶液的溫度為24℃，同時(shí)又施加頻率為48khz的超聲波進(jìn)行處理，43min后進(jìn)行過濾，將玄武巖纖維取出后備用；
c.用去離子水對操作b所得的玄武巖纖維進(jìn)行沖洗一次，完成后再將其置于溫度為78℃的條件下干燥處理35min后備用；
d.將操作c處理后的玄武巖纖維放入硅烷偶聯(lián)劑水溶液中浸泡處理，加熱保持硅烷偶聯(lián)劑水溶液的溫度為40℃，同時(shí)又施加頻率為72khz的超聲波進(jìn)行處理，1.2h后過濾，然后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為125℃的條件下處理13min后備用；
e.將操作d所得的玄武巖纖維浸入到改性環(huán)氧樹脂水溶液中，加熱保持改性環(huán)氧樹脂水溶液的溫度為33℃，同時(shí)又施加頻率為105khz的超聲波進(jìn)行處理，48min后過濾，最后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為47℃的條件下處理53min后備用；所述的改性環(huán)氧樹脂水溶液中的改性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%；
（2）擠出成型：
將步驟（1）處理后的玄武巖纖維與楊木粉、高密度聚乙烯、液體石蠟、穩(wěn)定劑按照質(zhì)量比8：73：42：3：1進(jìn)行混合，然后放入雙階擠出機(jī)中擠出成型即可。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作b中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為2.3w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作d中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為4.2w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為7.8w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的改性環(huán)氧樹脂的制備方法是將聚氧乙烯二醇、聚氧丙烯二醇和環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比2.5：1.5：10進(jìn)行混合后，加熱保持溫度為48℃，反應(yīng)處理37min后，再加入其總質(zhì)量11%的雙酚a型環(huán)氧樹脂、7%的雙酚a、0.6%的三苯基磷，加熱保持溫度為75℃，反應(yīng)處理1.2h后即可。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的楊木粉的目數(shù)為40~60目。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的穩(wěn)定劑為硬脂酸銼。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的擠出機(jī)熔融區(qū)的溫度控制為140℃，擠出區(qū)的溫度控制為153℃，定型區(qū)的溫度控制為167℃。
實(shí)施例3
一種玄武巖纖維增強(qiáng)的木塑復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：
（1）玄武巖纖維改性處理：
a.先將玄武巖纖維放入溫度為220℃的條件下干燥處理15min，完成后取出冷卻后備用；
b.將操作a處理后的玄武巖纖維放入濃度為7.5mol/l的鹽酸溶液中，保持鹽酸溶液的溫度為25℃，同時(shí)又施加頻率為50khz的超聲波進(jìn)行處理，45min后進(jìn)行過濾，將玄武巖纖維取出后備用；
c.用去離子水對操作b所得的玄武巖纖維進(jìn)行沖洗一次，完成后再將其置于溫度為80℃的條件下干燥處理40min后備用；
d.將操作c處理后的玄武巖纖維放入硅烷偶聯(lián)劑水溶液中浸泡處理，加熱保持硅烷偶聯(lián)劑水溶液的溫度為42℃，同時(shí)又施加頻率為75khz的超聲波進(jìn)行處理，1.5h后過濾，然后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為130℃的條件下處理15min后備用；
e.將操作d所得的玄武巖纖維浸入到改性環(huán)氧樹脂水溶液中，加熱保持改性環(huán)氧樹脂水溶液的溫度為35℃，同時(shí)又施加頻率為110khz的超聲波進(jìn)行處理，50min后過濾，最后將濾出的玄武巖纖維放入溫度為50℃的條件下處理55min后備用；所述的改性環(huán)氧樹脂水溶液中的改性環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%；
（2）擠出成型：
將步驟（1）處理后的玄武巖纖維與楊木粉、高密度聚乙烯、液體石蠟、穩(wěn)定劑按照質(zhì)量比10：75：45：4：1.5進(jìn)行混合，然后放入雙階擠出機(jī)中擠出成型即可。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作b中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為2.5w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作d中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為4.5w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的施加的超聲波的聲強(qiáng)為8w/cm2。
進(jìn)一步的，步驟（1）操作e中所述的改性環(huán)氧樹脂的制備方法是將聚氧乙烯二醇、聚氧丙烯二醇和環(huán)氧樹脂按照質(zhì)量比3：2：11進(jìn)行混合后，加熱保持溫度為50℃，反應(yīng)處理40min后，再加入其總質(zhì)量12%的雙酚a型環(huán)氧樹脂、8%的雙酚a、0.7%的三苯基磷，加熱保持溫度為77℃，反應(yīng)處理1.5h后即可。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的楊木粉的目數(shù)為40~60目。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的穩(wěn)定劑為硬脂酸鋁。
進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的擠出機(jī)熔融區(qū)的溫度控制為143℃，擠出區(qū)的溫度控制為155℃，定型區(qū)的溫度控制為169℃。
對比實(shí)施例1
本對比實(shí)施例1與實(shí)施例2相比，省去步驟（1）玄武巖纖維改性處理操作b、操作d、操作e中的超聲波處理，除此外的方法步驟均相同。
對比實(shí)施例2
本對比實(shí)施例2與實(shí)施例2相比，省去步驟（1）玄武巖纖維改性處理中的操作b處理，除此外的方法步驟均相同。
對比實(shí)施例3
本對比實(shí)施例3與實(shí)施例2相比，省去步驟（1）玄武巖纖維改性處理中的操作d處理，除此外的方法步驟均相同。
對比實(shí)施例4
本對比實(shí)施例4與實(shí)施例2相比，省去步驟（1）玄武巖纖維改性處理中的操作e處理，除此外的方法步驟均相同。
對比實(shí)施例5
本對比實(shí)施例5與實(shí)施例2相比，省去步驟（1）玄武巖纖維改性處理中的操作b處理和操作e處理，除此外的方法步驟均相同。
為了對比本發(fā)明效果，對上述實(shí)施例2、對比實(shí)施例1、對比實(shí)施例2、對比實(shí)施例3、對比實(shí)施例4、對比實(shí)施例5對應(yīng)制得的木塑復(fù)合材料進(jìn)行性能測試，具體對比數(shù)據(jù)如下表1所示：
表1
注：上表1中所述的拉伸強(qiáng)度按照ａｓtｍ標(biāo)準(zhǔn)塑料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ｄ638-03規(guī)定的方法進(jìn)行測試，試件總長度為165ｍｍ，兩端寬度為19ｍｍ，中間測試部分寬度為13ｍｍ，標(biāo)距為50ｍｍ，弧半徑為76ｍｍ拉伸速度為5mm/ｍin；所述的彎曲強(qiáng)度按照astm標(biāo)準(zhǔn)塑料彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)d790-03規(guī)定的方法進(jìn)行測試，試件長度為80mm，寬度為13mm，跨距為64mm，加壓速度為2mm/ｍin；所述的沖擊強(qiáng)度按照astm標(biāo)準(zhǔn)塑料沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)d4812進(jìn)行簡支梁擺錘沖擊試驗(yàn)，測試儀器為jc-25型沖擊試驗(yàn)機(jī)(承德精密試驗(yàn)機(jī)公司),試件長度為80mm，寬度為10mm,跨距為60mm，擺錘能量為2j，沖擊速度為2.9m/s；所述的吸水厚度膨脹率是指試樣在水中浸泡72h后其厚度的膨脹率。
由上表1可以看出，本發(fā)明制得的玄武巖纖維增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的綜合特性有很大程度的提升，使用價(jià)值更高，可應(yīng)用的領(lǐng)域更廣，市場競爭力更強(qiáng)。