本發(fā)明涉及的是一種聚合物基復(fù)合材料，本發(fā)明也涉及的是一種聚合物基復(fù)合材料的制備方法。具體地說是一種玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
玄武巖纖維是一種綠色環(huán)保的礦物纖維，對(duì)人體沒有危害，能在土壤中降解。隨著制造玄武巖纖維的技術(shù)日益成熟，其制造成本已接近于玻璃纖維，它的彈性模量要優(yōu)于玻璃纖維，除具有高技術(shù)纖維的高強(qiáng)度、高模量特點(diǎn)外，玄武巖纖維還具有耐高溫性佳、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好、抗壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高、適應(yīng)于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能，是性能介于碳纖維與玻璃纖維之間的一種無機(jī)礦物纖維，在某些特定場(chǎng)合能夠替代碳纖維、玻璃纖維使用，也是一種可以滿足國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新的基礎(chǔ)材料和高技術(shù)纖維。
聚丙烯(PP)是一種用途廣泛的通用高分子材料，是最輕的塑料之一，其屈服、拉伸和壓縮強(qiáng)度及硬度均優(yōu)于聚乙烯，剛性好，高溫(90℃)拉應(yīng)力松弛性能好；耐熱性能好，可在100℃以上使用；除濃硫酸、濃硝酸外，在許多介質(zhì)中均穩(wěn)定，幾乎不吸水，成型加工性能優(yōu)異；具有良好的力學(xué)性能、電性能、化學(xué)和物理機(jī)械性能等，且價(jià)格低廉。然而，由于聚丙烯在低溫下較脆，容易斷裂破壞，制品的收縮率大，而且聚丙烯是非極性的，表面能低，導(dǎo)致了它的染色性、粘結(jié)性、親水性以及和其它極性高分子或無機(jī)填料等的相容性很差，限制了聚丙烯的應(yīng)用領(lǐng)域。
玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料將玄武巖纖維強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)與聚丙烯良好的加工性能和力學(xué)性能相結(jié)合，既可以改善聚丙烯低溫較脆，表面能低，收縮率大等缺點(diǎn)，又可獲得高強(qiáng)度且價(jià)格低廉的輕質(zhì)復(fù)合材料。玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料與玻璃纖維/聚丙烯復(fù)合材料相比，力學(xué)強(qiáng)度更高，與碳纖維/聚丙烯復(fù)合材料相比，成本更低，可以滿足交通、建筑、國防、民用結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域的需求，且具有操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是很有發(fā)展前景的一類輕質(zhì)復(fù)合材料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種重量輕、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)異的玄武巖纖維與聚丙烯復(fù)合材料。本發(fā)明的目的還在于提供一種玄武巖纖維與聚丙烯復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的玄武巖纖維與聚丙烯復(fù)合材料是由重量比為40～80％的聚丙烯基體和重量比為20～60％的玄武巖纖維布增強(qiáng)體，通過熱壓成型法制成的。
所述的聚丙烯基體是純聚丙烯和極性單體接枝改性聚丙烯的混合物，其中極性單體接枝改性聚丙烯的重量比為10％～100％。
所述的玄武巖纖維布增強(qiáng)體的纖維直徑為7-11μm，面密度為200～300g/m2。
本發(fā)明的玄武巖纖維與聚丙烯復(fù)合材料的制備方法為：
將聚丙烯基體通過熱壓法制備成1-2mm厚的薄片，分別將表面改性后的玄武巖纖維布增強(qiáng)體和聚丙烯基體薄片裁剪成尺寸相同的片，依次放入模具中，通過平板硫化機(jī)在200℃經(jīng)層層復(fù)合制得玄武巖纖維與聚丙烯復(fù)合材料。
玄武巖纖維布增強(qiáng)體得表面改性方法為包括酸處理、堿處理、水處理、硅烷偶聯(lián)劑改性、酸處理后硅烷偶聯(lián)劑改性、堿處理后硅烷偶聯(lián)劑處理、水處理后硅烷偶聯(lián)劑處理中的一種。
所述酸處理是以0.5-5mol/L的鹽酸、硫酸、草酸、乙酸、食魚水溶液或者它們的混合溶液為酸處理劑，在室溫至80℃下浸泡0.5-12h。
所述的堿處理是以0.5-5mol/L的NaOH或KOH水溶液為堿處理劑，在室溫至80℃下浸泡0.5-12h。
所述的水處理是在室溫至50℃的水中，超聲活化0.5h-1h。
所述的硅烷偶聯(lián)劑改性是將玄武巖纖維布浸入4％硅烷偶聯(lián)劑溶液中，于80℃水浴中反應(yīng)1.5小時(shí)，然后取出玄武巖纖維布，將其置于鼓風(fēng)干燥箱中，于120℃繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)。選用的硅烷偶聯(lián)劑為KH540、KH550、KH792等帶有氨基或環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)劑的一種或它們的混合物。
所述聚丙烯基體是純聚丙烯和極性單體接枝改性聚丙烯的混合物，所述極性單體接枝改性聚丙烯的接枝方法為固相接枝、水相懸浮接枝或熔融接枝，所述極性單體為帶有羧基、酰胺基團(tuán)或環(huán)氧基團(tuán)的極性不飽和單體。
本發(fā)明所得到的復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，具有良好的吸聲性能和隔熱性能，同時(shí)綠色環(huán)保，價(jià)格相對(duì)低廉，可以代替部分玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
本發(fā)明以聚丙烯為基體，以玄武巖纖維布為增強(qiáng)體，通過熱壓成型法使玄武巖纖維布和聚丙烯經(jīng)層層復(fù)合而制備，復(fù)合材料中基體材料聚丙烯占40～80％，增強(qiáng)體材料玄武巖纖維布占20～60％。
本發(fā)明所制備的復(fù)合材料中基體材料聚丙烯為純聚丙烯和極性單體接枝改性聚丙烯的混合物，其中接枝改性聚丙烯占10％～100％。本發(fā)明通過固相接枝、水相懸浮接枝、熔融接枝等方法將極性單體為帶有羧基、酰胺基團(tuán)或環(huán)氧基團(tuán)的極性不飽和單體接枝到聚丙烯主鏈上以制備接枝改性聚丙烯。選用的極性單體為甲基丙烯酸縮水甘油酯、馬來酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺等。
本發(fā)明所制備的復(fù)合材料中增強(qiáng)體材料為玄武巖纖維布，其纖維直徑為7-11μm，面密度200～300g/m2。本發(fā)明對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面改性，以提高纖維布與基體材料聚丙烯的表面粘結(jié)力，表面改性的方法包括酸處理、堿處理、水處理、硅烷偶聯(lián)劑改性、酸處理后硅烷偶聯(lián)劑改性、堿處理后硅烷偶聯(lián)劑處理、水處理后硅烷偶聯(lián)劑處理等。
本發(fā)明在對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面酸處理時(shí)選用的酸處理劑為0.5-5mol/L的鹽酸、硫酸、草酸、乙酸、食魚水溶液或者它們的混合溶液，所用方法為在室溫至80℃下浸泡0.5-12h。
本發(fā)明在對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面堿處理時(shí)選用的堿處理劑為0.5-5mol/L的NaOH或KOH水溶液，所用方法為在室溫至80℃下浸泡0.5-12h。
本發(fā)明在對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行表面水處理時(shí)采用的處理方法為在室溫至50℃下水中超聲活化0.5h-1h。
本發(fā)明在對(duì)玄武巖纖維進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑改性時(shí)選用的硅烷偶聯(lián)劑為KH540、KH550、KH792等帶有氨基或環(huán)氧基的硅烷偶聯(lián)劑。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特征：
1)本發(fā)明的玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料是以玄武巖纖維布作為增強(qiáng)體材料，通過與聚丙烯基體片材的層層復(fù)合來制備復(fù)合材料。與短纖、長(zhǎng)纖、連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料相比，該方法具有設(shè)備和操作工藝簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、成本低廉的特點(diǎn)，所制得的玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、耐熱性好和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。
2)本發(fā)明在制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料時(shí)，分別對(duì)基體樹脂聚丙烯和玄武巖纖維進(jìn)行了化學(xué)改性，使兩相分別都帶有反應(yīng)官能團(tuán)，在基體樹脂和增強(qiáng)纖維布層層復(fù)合的過程中，通過兩相界面處反應(yīng)官能團(tuán)間的化學(xué)反應(yīng)，大大地改善了兩相的粘結(jié)性，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)施例1：
(1)接枝改性聚丙烯的制備：將1000份PP樹脂、40份甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、30份苯乙烯、4份引發(fā)劑過氧化二異丙苯(DCP)置于高速混合機(jī)中混合均勻，加入雙螺桿擠出機(jī)中于200℃對(duì)聚丙烯進(jìn)行熔融接枝(GPP1)，經(jīng)水冷后對(duì)接枝產(chǎn)物進(jìn)行造粒。采用化學(xué)滴定法(具體步驟參見：Yang J.H.,Yao Z.H.,Shi D.A.,et al.Journal of Applied Polymer Science,2001,79,535.)測(cè)定GPP1的接枝率為0.94％。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入2mol/L的鹽酸水溶液中，于80℃下反應(yīng)1小時(shí)，然后用蒸餾水洗滌2-3次，置于真空干燥箱中常溫干燥12h。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：將接枝改性聚丙烯通過熱壓法制備成1-2mm厚的薄片，分別將表面改性后的玄武巖纖維布和接枝改性聚丙烯薄片裁剪成7cm×7cm大小，依次放入模具中，通過平板硫化機(jī)在200℃經(jīng)層層復(fù)合制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料。采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
實(shí)施例2：
(1)接枝改性聚丙烯的制備：將1000份PP樹脂、80份甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、60份苯乙烯、8份引發(fā)劑過氧化二異丙苯(DCP)置于高速混合機(jī)中混合均勻，加入雙螺桿擠出機(jī)中于200℃對(duì)聚丙烯進(jìn)行熔融接枝(GPP2)，經(jīng)水冷后對(duì)接枝產(chǎn)物進(jìn)行造粒。采用化學(xué)滴定法測(cè)定GPP2的接枝率為2.13％。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入4mol/L的NaOH水溶液中，于80℃下反應(yīng)1小時(shí)，然后用蒸餾水洗滌2-3次，置于真空干燥箱中常溫干燥12h。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：采用與實(shí)施例1相同的方法制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料，采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
實(shí)施例3：
(1)接枝改性聚丙烯的制備：以GPP1即接枝率為0.94％的接枝改性聚丙烯為基體材料。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入蒸餾水中，在室溫下水中超聲活化1h，然后用蒸餾水洗滌2-3次，置于真空干燥箱中常溫干燥12h。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：采用與實(shí)施例1相同的方法制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料，采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
實(shí)施例4：
(1)以純聚丙烯為基體材料。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入4％硅烷偶聯(lián)劑溶液中，于80℃水浴中反應(yīng)1.5小時(shí)，然后取出玄武巖纖維布，將其置于鼓風(fēng)干燥箱中，于120℃繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：采用與實(shí)施例1相同的方法制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料，采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
實(shí)施例5：
(1)接枝改性聚丙烯的制備：以GPP2即接枝率為2.13％的接枝改性聚丙烯為基體材料。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入4％硅烷偶聯(lián)劑溶液中，于80℃水浴中反應(yīng)1.5小時(shí)，然后取出玄武巖纖維布，將其置于鼓風(fēng)干燥箱中，于120℃繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：采用與實(shí)施例1相同的方法制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料，采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
實(shí)施例6：
(1)接枝改性聚丙烯的制備：以GPP1即接枝率為0.94％的接枝改性聚丙烯為基體材料。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入蒸餾水中，在室溫下水中超聲活化1h，然后用蒸餾水洗滌2-3次，置于真空干燥箱中常溫干燥12h；再將水處理后的玄武巖纖維布浸入4％硅烷偶聯(lián)劑溶液中，于80℃水浴中反應(yīng)1.5小時(shí)，然后取出玄武巖纖維布，將其置于鼓風(fēng)干燥箱中，于120℃繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：采用與實(shí)施例1相同的方法制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料，采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
實(shí)施例7：
(1)接枝改性聚丙烯的制備：以GPP1即接枝率為0.94％的接枝改性聚丙烯為基體材料。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入4mol/L的NaOH水溶液中，于80℃下反應(yīng)1小時(shí)，然后用蒸餾水洗滌2-3次，置于真空干燥箱中常溫干燥12h；再將水處理后的玄武巖纖維布浸入4％硅烷偶聯(lián)劑溶液中，于80℃水浴中反應(yīng)1.5小時(shí)，然后取出玄武巖纖維布，將其置于鼓風(fēng)干燥箱中，于120℃繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：采用與實(shí)施例1相同的方法制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料，采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
實(shí)施例8：
(1)接枝改性聚丙烯的制備：以GPP2即接枝率為2.13％的接枝改性聚丙烯為基體材料。
(2)玄武巖纖維的表面改性：將玄武巖纖維布浸入4mol/L的NaOH水溶液中，于80℃下反應(yīng)1小時(shí)，然后用蒸餾水洗滌2-3次，置于真空干燥箱中常溫干燥12h；再將水處理后的玄武巖纖維布浸入4％硅烷偶聯(lián)劑溶液中，于80℃水浴中反應(yīng)1.5小時(shí)，然后取出玄武巖纖維布，將其置于鼓風(fēng)干燥箱中，于120℃繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)。
(3)玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備：采用與實(shí)施例1相同的方法制備玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料，采用GB/1040.4-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定復(fù)合材料的力學(xué)性能，測(cè)試結(jié)果見表1。
表1玄武巖纖維/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果