CN101260222A - 阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料，各组分的重量百分比为：改性阻燃香蕉纤维30％，环氧树脂25－35％，固化剂25－35％，阻燃剂5－15％，稀释剂3－5％，增韧剂1－3％，固化促进剂0.2－0.3％。其制备采用常规方法提取香蕉纤维，对香蕉纤维偶联改性、对香蕉纤维进行阻燃处理后，再按配方把原料混合均匀，热压固化成型。本发明解决了香蕉纤维与环氧树脂的相容性及阻燃处理问题，实现了香蕉茎叶的综合利用，处理了农业废弃物；制备的复合材料不仅可有天然木材的外观，而且质量轻，防腐、防潮、防虫、防火，尺寸稳定性高，可加工性能好，能回收利用，制品成本低。

Description

阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法。

背景技术

天然纤维复合材料是利用天然纤维(麻纤维、木纤维等)与热塑性树脂或热固性树脂基体复合而成的一种新型复合材料，属于绿色环保型材料。它具有密度低、隔音效果好、性能好、价格低廉、人体亲和性好、可降解等优点，广泛应用于建筑、日用消费品的包装材料等领域，高性能天然纤维复合材料的研究、开发与应用已成为各国研究的热点。据文献报道，以剑麻纤维、亚麻纤维、竹纤维、木纤维等天然纤维与酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等热塑性或热固性树脂基体复合而成的复合材料已成为国内材料界研究的新领域，部分新型天然纤维复合材料已得到了应用。

香蕉是广西区内大规模种植的经济作物，目前全区香蕉年产量约107.34万吨，占中国总产量约1/5。长期以来人们只食香蕉果肉，香蕉茎叶等则随意丢弃或堆放。实际上，香蕉除果肉外，其皮和茎叶也含有丰富的营养成分，在开发新型饲料、制药、造纸及复合材料等领域都有着巨大的应用潜力。香蕉纤维蕴藏于香蕉树的韧皮内，属韧皮纤维类，其主要成分为纤维素，半纤维素，木质素，灰份，脂蜡质和果胶等物质。以前由于人们缺乏对这种纤维的用途和提取技术的了解，这些茎叶被作为农业垃圾丢弃，造成环境污染和资源的浪费。

香蕉茎叶中含有大量的粗纤维，经提取、改性可得到优质纤维素，是一种生态友好型的天然纤维，可用以加工成强度较高的纸张及食品包装袋。哥斯达黎加用香蕉茎纤维制造的一种生态纸，适用于绘图、印刷及制作帘子、灯罩、雕刻、艺术书刊和书的封面等。马来西亚研究人员最近也成功地从香蕉树干中提取纤维并制成了高级纸张。但一直没有发现有提高香蕉纤维及其复合材料阻燃性能的报道。

随着高聚物材料生产的发展，各种塑料、合成橡胶、合成纤维及其制品，在各个行业都得到了广泛应用。但目前生产和使用的高聚物材料绝大多数都是可燃的，且燃烧时产生的热量大，温度高，容易因不完全燃烧而冒黑烟，并随之产生诸如氯化氢、氰化氢、氟化氢、苯乙烯等有毒和腐蚀性气体，给逃难、救生和消防等工作带来了诸多新问题。因此提高材料的阻燃性能成为迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种阻燃性能好、力学指标高的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

制备本发明的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的各原料质量百分比为：

改性阻燃香蕉纤维：        30％

环氧树脂：                25-35％

固化剂：                  25-35％

阻燃剂：                  5-15％

稀释剂：                  3-5％

增韧剂：                  1-3％

固化促进剂：              0.2-0.3％

制备本发明的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的方法为：采用常规方法对香蕉茎叶压榨、漂白、清洗、烘干提取香蕉纤维，用偶联剂对香蕉纤维进行偶联改性处理，其特征是用水性阻燃液以喷雾-浸渍-烘干的方式将香蕉纤维进行阻燃处理后，再按配方把原料混合均匀，将混合料注入模具内，在平板硫化机上热压固化成型，检验合格得成品。

香蕉纤维阻燃处理使用的水性阻燃液成份为：(NH₄)₂SO₄ 3-5％、NH₄H₂PO₄ 3-10％、APP(n＜10)3-10％、H₃BO₃ 1-5％，余为水；水性阻燃液的固体含量为12-30％。

每40g纤维采用100ml的阻燃液进行喷雾2-3次，每次间隔20-30min，再用400ml的阻燃液浸泡，浸泡的时间为40-60min，浸泡的次数2-3次。

环氧树脂为双酚A型环氧树脂。

固化剂为低分子量聚酰胺树脂。

阻燃剂为双氰胺、三聚氰胺焦磷酸盐(MPP)、三聚氰胺氰脲酸盐(MCA)、季戊四醇、磷酸二氢铵、四溴双酚A(TBA)、Sb₂O₃等。

阻燃剂双氰胺、三聚氰胺焦磷酸盐同时是辅助固化剂。

稀释剂为丙酮。

增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯。

本发明阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，很好地解决了香蕉纤维与环氧树脂的相容性及阻燃处理技术等问题，实现了香蕉茎叶原料的综合利用，处理了农业废弃物；制备的复合材料不仅可有天然木材的外观，而且质量轻，防腐、防潮、防虫、防火，尺寸稳定性高，可加工性能好，能回收利用，制品成本低。

具体实施方式

香蕉纤维的提取可采用如下方法：将香蕉茎叶剥成片状，用双辊压榨机把水份压出来，然后采用次氯酸钠溶液漂白，用稀硫酸酸洗，再用水洗，调PH值6-7，最后用加白柔软剂给油。

香蕉纤维偶联处理可采用如下方法：向乙醇水溶液中加入硅烷偶联剂A-174，充分混合1-2个小时，然后用醋酸调节PH为3-5，把纤维放入上述溶液中浸泡1-2小时，取出纤维放入恒温烘箱中在50-70℃时烘干为止。

香蕉纤维进行阻燃处理时所用的水性阻燃液的组成为(重量百分比)：(NH₄)₂SO₄ 3-5％、NH₄H₂PO₄ 3-10％、APP(n＜10)3-10％、H₃BO₃ 1-5％，水性阻燃液的固体含量为12-30％。

阻燃处理时可采用喷雾-浸渍-烘干方法：喷雾所用的阻燃液的用量为每40g香蕉纤维用100ml的阻燃液；将配好的水性阻燃液倒入喷雾器中，对香蕉纤维的表面喷雾2-3次，每次间隔20-30min，，使香蕉纤维的表面充分润湿，然后把香蕉纤维放在与喷雾用水性阻燃液成分相同的400ml浸渍液中，浸泡40-60min，浸泡的次数2-3次。然后在70℃的恒温干燥箱中烘干，得改性阻燃香蕉纤维。

制备阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料时，首先按以下配方的质量百分比称取各组分：

改性阻燃香蕉纤维：  30％

环氧树脂：          25-35％

固化剂：            25-35％

阻燃剂：            5-15％

稀释剂：            3-5％

增韧剂：            1-3％

固化促进剂：        0.2-0.3％

所用的环氧树脂为双酚A型环氧树脂，固化剂为低分子量聚酰胺树脂，稀释剂为丙酮，增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯，阻燃剂为双氰胺、三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺氰脲酸盐、季戊四醇、磷酸二氢铵、TBA、Sb₂O₃等，固化促进剂为1，2-二甲基咪唑。

制备时先将原料混合均匀，将混合料注入模具内，在平板硫化机上热压固化成型，热压温度为120℃～130℃，热压时间为3min～7min，压力为10MPa，然后冷却出片。在干燥箱中70℃恒温加热5小时进行后处理。

获得产品后进行检测，项目包括力学性能的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、压缩强度、悬臂梁缺口冲击强度等；阻燃性能测试方法包括了极限氧指数测定法、垂直燃烧测定法等。

实施例1

将经偶联剂A-174偶联处理过的香蕉纤维剪至5mm长度后，放入真空干燥箱在70℃时恒温1小时；试验分六组进行，每组含环氧树脂E-44 100g、低分子量聚酰胺树脂650(100g)、丙酮12.5g、邻苯二甲酸二丁酯5g，固化促进剂1，2-二甲基咪唑0.5g，混合均匀；将偶联处理过的香蕉纤维也分为六组，各组香蕉纤维含量分别为该组香蕉纤维和环氧树脂、低分子量聚酰胺树脂、丙酮、邻苯二甲酸二丁酯、1，2-二甲基咪唑质量总和的0％、5％、10％、20％、30％、40％，分别为0、11.46g、24.18g、54.42g、93.28g、145.11g；向每一组上述混合物中分别加入质量各异的长5mm的香蕉纤维，电动强力搅拌机分别搅拌均匀，将各组混合料分别注入模具内，在平板硫化机上热压固化成型，热压温度为120℃，热压时间为5min，压力为10MPa，冷却出片。在干燥箱中70℃恒温加热5小时进行后处理。然后进行相关力学试验。每种试样测试5次，具体的力学性能见表1。

表1  不同纤维含量的香蕉纤维环氧树脂复合材料的力学性能  (长度为5mm)

由表1可看出：香蕉纤维占原料总重超过30％时，复合材料的力学性能(除悬臂梁缺口冲击强度以外)总体呈下降趋势。

实施例2

方法跟例1相同，只是所加纤维的长度分别为3mm、5mm、10mm、20mm、30mm、40mm等，含量为10％，即所加纤维的质量为24.18g，在平板硫化机上热压固化成型，热压温度为130℃，热压时间为3min，压力为10MPa，然后冷却出片。在干燥箱中70℃恒温加热5小时进行后处理。每种试样测试5次，具体的力学性能见表2。

表2  不同纤维长度的香蕉纤维环氧树脂复合材料的力学性能(含量为10％)

由表2可看出：香蕉纤维的长度为30mm左右时复合材料的力学性能最好。

实施例3

称取环氧树脂E-44(100g)，低分子量聚酰胺树脂650(100g)、TBA为30g、Sb₂O₃10g，丙酮11g、邻苯二甲酸二丁酯6.5g、促进剂1，2-二甲基咪唑0.8g，把经偶联、阻燃处理过的纤维按总质量的30％(110.43g)加入。在平板硫化机上热压固化成型，热压温度为120℃，热压时间为6min，压力为10MPa，然后冷却出片。在干燥箱中70℃恒温加热5小时进行后处理。其余步骤与实施例1相同。试样按标准测试5次，具体的力学性能和阻燃性能见表3。

实施例4

用的阻燃剂为双氰胺8g、季戊四醇8g、磷酸二氢铵24g，其余与实施例3相同。在平板硫化机上热压固化成型，试样按标准测试5次，具体的力学性能和阻燃性能见表3.

实施例5

用的阻燃剂为MPP 30g、季戊四醇10g，其余与实施例3相同。试样按标准测试5次，具体的力学性能和阻燃性能见表3。

实施例6

用的阻燃剂为三聚氰胺氰脲酸盐32g，Sb₂O₃的用量为8g，其余与实施例3相同。试样按标准测试5次，具体的力学性能和阻燃性能见表3.

表3不同阻燃剂的香蕉纤维环氧树脂复合材料的力学性能和阻燃性能

复合材料名称	空白样	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6
						环氧树脂(g)	120	100	100	100	100
聚酰胺650(g)	120	100	100	100	100
						双氰胺(g)			8
季戊四醇(g)			8	10
						磷酸二氢铵(g)			24
三聚氰胺焦磷酸盐(g)				30
						TBA(g)		30
Sb2O3(g)		10			8
						MCA					32
经偶联、阻燃处理的纤维(长度30mm)	无添加	添加30％	添加30％	添加30％	添加30％
						拉伸强度(MPa)	25-30	65-75	70-80	68-75	65-73
断裂伸长率(％)	7-8	1-3	1-3	1-3	1-3
						弯曲强度(MPa)	35-45	75-85	77-88	74-85	78-85
压缩强度(MPa)(比例20％)	30-40	100-110	105-115	103-114	100-105
						悬臂梁缺口冲击强度(KJ/m2)	3-4	9-10	9-10	10-11	9-10
极限氧指数	18-21	32-34	32-35	33-35	32-35
						垂直燃烧	FV-2	FV-0	FV-0	FV-0	FV-0

本发明阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料，为提高相关技术性能的需要，制作时还可添加其它有关常规助剂，如为提高材料的抗老化性能可加抗紫外线剂，为提高材料的加工性能可添加润滑剂、脱模剂，为染色可添加着色剂等。

Claims (10)

1.一种阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料，其特征是阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料中各组分的质量百分比为：

改性阻燃香蕉纤维：    30％

环氧树脂：            25-35％

固化剂：              25-35％

阻燃剂：              5-15％

稀释剂：              3-5％

增韧剂：              1-3％

固化促进剂：          0.2-0.3％。

2.一种阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，采用常规方法对香蕉茎叶压榨、漂白、清洗、烘干提取香蕉纤维，用偶联剂对香蕉纤维进行偶联改性处理，其特征是用水性阻燃液以喷雾-浸渍-烘干的方式将香蕉纤维进行阻燃处理后，再按配方把原料混合均匀，将混合料注入模具内，在平板硫化机上热压固化成型，检验合格得成品。

3.如权利要求2所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是香蕉纤维阻燃处理使用的水性阻燃液成份为：(NH₄)₂SO₄ 3-5％、NH₄H₂PO₄ 3-10％、APP(n＜10)3-10％、H₃BO₃ 1-5％，余为水；水性阻燃液的固体含量为12-30％；处理方法是每40g香蕉纤维采用100ml的阻燃液进行喷雾2-3次，每次间隔20-30min，再用成分相同的水性阻燃液400ml浸泡，浸泡的时间为40-60min，浸泡的次数2-3次。

4.如权利要求2所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是环氧树脂为双酚A型环氧树脂。

5.如权利要求2所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是固化剂为低分子量聚酰胺树脂。

6.如权利要求2所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是阻燃剂为双氰胺、三聚氰胺焦磷酸盐、三聚氰胺氰脲酸盐、季戊四醇、磷酸二氢铵、TBA、Sb₂O₃。

7.如权利要求6所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是阻燃剂双氰胺、三聚氰胺焦磷酸盐同时是辅助固化剂。

8.如权利要求2所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是稀释剂为丙酮。

9.如权利要求2所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是增韧剂为邻苯二甲酸二丁酯。

10.如权利要求2所述的阻燃香蕉纤维环氧树脂复合材料的制备方法，其特征是固化促进剂为1，2-二甲基咪唑。