CN102585358B - 一种天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，其主要是先将短切天然纤维丝束进行超声波表面脱附处理，再经微波加热快速除水、干燥，将聚丙烯、增韧剂、润滑剂、相容剂、热稳定剂混合均匀后，加入到挤出机中，将纤维以侧喂料的方式加入，熔融后进行挤出、冷却、风干、切粒得到天然纤维增强聚丙烯复合材料。本发明制备方法简单，配方合理，制得的材料具有环保、吸声、隔热、低密度、低收缩率、加工成型性能好、可降解以及优良的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。
背景技术
目前制备汽车内饰件的材料主要是添加矿粉填充改性聚丙烯，产品尺寸好，易加工成型，价格低廉。但是随着近几年来汽车的轻量化和节能减排的呼声越来越高，综合性能高、密度低的改性塑料越来越受到重视。天然植物纤维就是一种综合性能很好的材料，可用来代替矿粉甚至玻璃纤维来满足材料的要求。天然纤维有很多种，例如剑麻、亚麻、大麻、苎麻以及竹纤维等等。综合比较，苎麻纤维性能在所有天然纤维中是最好的，主要表现在纤维强度高，纤维素含量大，是唯独可以单纤维状纺纱的天然纤维，并且天然植物纤维是廉价的可降解的有机纤维，具有价廉、可回收、可降解、可再生等特性，其工业利用有利于环境保护和可持续发展。
早在上个世纪七十年代，北美一些汽车公司就已经开始了新材料的探索，特别是天然植物纤维改性塑料的研究和探索。在本世纪初，日本三菱已经开发出了质量轻、综合性能优良的天然植物纤维增强塑料，并成功应用到某些高档车型上。
我国的苎麻产量占全世界的93%，苎麻纤维在我国南方具有很大的资源优势，苎麻是湖南省的特产，产量占到了全国的40%，并且其加工能力、技术水平和出口创汇都位居全国第一。但是这些苎麻纤维都是用作纺织和建材，很少用来做改性塑料。在国内天然纤维增强复合材料刚刚起步，仅限于文献和专利有一些报道，真正实现量产的产品还没有出现。
申请号：200410028501.7，名称为：一种植物纤维聚丙烯复合材料及制备方法专利中，通过一步法，通过挤出机直接做成型材，使生产成本得到降低。该专利中，没有对植物纤维进行脱附处理，只能做低端的型材，不能用于注塑。
申请号：2010010227445.5，名称为一种绿色天然亚麻纤维增强聚丙烯树脂基复合材料的制备方法专利中，处理亚麻纤维的的方法采用酸性溶液，同时加入戊二醛进行加热，处理方法与本专利采用的碱性溶液不同。
申请号：200810203877.5，名称为一种天然纤维增强无卤阻燃聚丙烯复合材料及其制备方法专利中，所述的是一种阻燃类复合材料，并且天然纤维也没有进行表面处理，与本专利不同。
发明内容
为了解决现有技术的不足和缺陷，本发明提供了一种天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，该材料具有环保、吸声、隔热、低密度、低收缩率、加工成型性能好、可降解以及综合力学性能优良。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于其组成原料的重量份为：聚丙烯28-94份、增韧剂2-10份、加工助剂0.1-1份、相容剂0.8-10份、热稳定剂0.1-1份和天然纤维3-50份。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：
1）改性天然纤维的制备：
将天然纤维丝束短切预处理，使天然纤维丝束长度保持3-20mm，放入到强碱性水溶液中，利用超声波表面脱附技术，除去纤维表面的杂质、油脂和糖类物质，水洗3-5次后，经压辊将纤维表面的水分强制挤掉，再经微波加热除水至天然纤维的含水量小于0.5%，制备出能够满足使用的短切天然纤维；
2）聚丙烯/天然纤维复合材料的制备：
按重量配方比例将聚丙烯、加工助剂、相容剂、增韧剂、热稳定剂混合均匀后，在长径比为35-50：1 的双螺杆挤出机中熔融混合分散，将短切天然纤维从侧喂料加入，在160-210℃温度下，天然纤维与聚丙烯充分塑化，再通过口模定型、水冷、风干、切粒后得到天然纤维增强聚丙烯复合材料。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的天然纤维主要为一年生或多年生的植物纤维。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯为均聚聚丙稀、共聚聚丙烯的一种或其混合物。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的增韧剂选自乙烯类弹性体或苯乙烯类弹性体。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的加工助剂选自低分子烃类、金属皂类、硬脂酸复合酯类和酰胺类加工助剂中的一种或其混合物。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的相容剂选自极性单体的接枝聚合物，其中聚合物基体为聚乙烯、聚丙烯、丙烯-乙烯的共聚物、乙烯-丙烯-二烯类三元共聚物等中的一种或其混合物，极性单体为马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸中的一种或其混合物。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的热稳定剂选自受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯类热稳定剂中的一种或其混合物。
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的强碱溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙或其他强碱性化合物及其混合物配置而成的水溶液，其水溶液质量浓度为：0.2-5%。
所述的微波连续加热干燥技术利用微波加热的方法快速脱除纤维表面的水分，由常规的10-40h减少到2-5min，极大的提高了纤维的干燥效率。
传统工艺与微波加热除水技术的效果对比
| 干燥方法 | 干燥时间 | 含水量/% |
| 传统方法 | 10h | 8 |
| 传统方法 | 20h | 6 |
| 传统方法 | 30h | 5-6 |
| 传统方法 | 40h | 4-4.5 |
| 微波加热 | 10-30min | 4.0 |
| 微波加热 | 5-10min | 4-4.5 |
| 微波加热 | 2-5min | 4.5-4.8 |
本发明的有益效果：
本发明制备方法简单，超声波分散技术和微波加热技术的联合应用极大的简化了生产工序，使产品的生产效率比传统生产方法大大提高，制得的材料具有环保、吸声、隔热、低密度、低收缩率、加工成型性能好、可降解以及优良的综合力学性能。
具体实施方式
实施例1：
共聚聚丙烯： 64重量份
均聚聚丙烯： 30重量份
增韧剂POE: 2 重量份
加工助剂EBS: 0.1重量份
相容剂聚丙烯接枝马来酸酐： 0.8重量份
热稳定剂1010： 0.1重量份
洋麻纤维: 3重量
在长径比为36:1杆挤出机中将聚丙烯，热稳定剂，加工助剂，增韧剂熔融混合分散，洋麻纤维从侧喂料加入，挤出造粒。
实施例2：
共聚聚丙烯： 34.3重量份
均聚聚丙烯： 40重量份
增韧剂POE: 2重量份
加工助剂EBS: 0.3重量份
相容剂聚丙烯接枝丙烯酸： 3重量份
热稳定剂1010： 0.2重量份
热稳定剂168： 0.2重量份
苎麻纤维: 20重量份
在长径比为36:1杆挤出机中将聚丙烯，热稳定剂，加工助剂，增韧剂熔融混合分散，苎麻纤维从侧喂料加入，挤出造粒。
实施例3：
共聚聚丙烯： 60重量份
增韧剂POE: 4重量份
加工助剂硬脂酸钙: 0.5重量份
相容剂聚丙烯接枝丙烯酸： 5重量份
热稳定剂1010： 0.3重量份
热稳定剂168： 0.2重量份
竹粉: 30重量份
在长径比为40:1杆挤出机中将聚丙烯，热稳定剂，加工助剂，增韧剂熔融混合分散，竹粉从侧喂料加入，挤出造粒。
实施例4：
共聚聚丙烯： 28重量份
增韧剂SBS: 10重量份
加工助剂硬脂酸钙: 0.5重量份
加工助剂PE蜡 0.5重量份
相容剂POE接枝马来酸酐： 10重量份
热稳定剂1010： 0.5重量份
热稳定剂168： 0.5重量份
亚麻纤维: 50重量份
在长径比为40:1杆挤出机中将聚丙烯，热稳定剂，加工助剂，增韧剂熔融混合分散，亚麻纤维从侧喂料加入，挤出造粒。
天然纤维增强聚丙烯复合材料主要物性指标：
| 项目 | 测试标准 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 熔体流动速率 g/10min | GB/T3682 | 20 | 11.4 | 7.5 | 5 |
| 收缩率% | GB/T15585 | 1.4-1.5 | 1.2-1.4 | 1.1-1.3 | 0.9-1.1 |
| 密度g/cm3 | GB/T1033 | 0.9 | 0.92 | 0.93 | 0.95 |
| 拉伸强度MPa | GB/T1040 | 24 | 24 | 20 | 18 |
| 弯曲强度MPa | GB/T9341 | 28 | 30 | 33 | 28 |
| 弯曲模量MPa | GB/T9341 | 1300 | 1500 | 1600 | 1500 |
| 缺口冲击KJ/m2 | GB/T1843 | 6.5 | 5.2 | 6.5 | 5.5 |
Claims (1)
1.一种天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于其组成原料的重量份为：聚丙烯28-94份、增韧剂2-10份、加工助剂0.1-1份、相容剂0.8-10份、热稳定剂0.1-1份和天然纤维3-50份；
所述的天然纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法如下：
1） 改性天然纤维的制备：
将天然纤维丝束短切预处理，使天然纤维丝束长度保持3-20mm，放入到强碱性水溶液中，利用超声波表面脱附技术，除去纤维表面的杂质、油脂和糖类物质，水洗3-5次后，经压辊将纤维表面的水分强制挤掉，再经微波加热除水至天然纤维的含水量小于0.5%，制备出能够满足使用的短切天然纤维；
2） 聚丙烯/天然纤维复合材料的制备：
按重量配方比例将聚丙烯、加工助剂、相容剂、增韧剂、热稳定剂混合均匀后，在长径比为35-50：1 的双螺杆挤出机中熔融混合分散，将短切天然纤维从侧喂料加入，在160-210℃温度下，天然纤维与聚丙烯充分塑化，再通过口模定型、水冷、风干、切粒后得到天然纤维增强聚丙烯复合材料；
所述的天然纤维主要为一年生或多年生的植物纤维；所述的聚丙烯为均聚聚丙稀、共聚聚丙烯的一种或其混合物；所述的增韧剂选自乙烯类弹性体或苯乙烯类弹性体；所述的加工助剂选自低分子烃类、金属皂类、硬脂酸复合酯类和酰胺类加工助剂中的一种或其混合物；所述的相容剂选自极性单体的接枝聚合物，其中聚合物基体为聚乙烯、聚丙烯、丙烯-乙烯的共聚物、乙烯-丙烯-二烯类三元共聚物中的一种或其混合物，极性单体为马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸中的一种或其混合物；所述的热稳定剂选自受阻酚类、受阻胺类、亚磷酸酯类热稳定剂中的一种或其混合物；所述的强碱溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡、氢氧化钙或其他强碱性化合物及其混合物配置而成的水溶液，其水溶液质量浓度为：0.2-5%；所述的微波加热干燥为利用微波加热的方法快速脱除纤维表面的水分，由常规的10-40h减少到2-5min。
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