CN102615886A - 一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺，由两台双螺杆挤出机分别制备玄武岩短纤维聚丙烯复合材料，作为多层铆接材料的上下层，中间夹持一层长度可调的薄薄的玄武岩纤维，三层组合进入保温加压装置，在压辊压制下，熔融态聚丙烯浸润，切割后直接由机器手送往压机，成型过程中熔融态聚丙烯进一步浸润，压制成厚度为2-6mm的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料片材。该工艺中间层玄武岩纤维分布在三层中，克服了GMT加工玻纤含量难以不高的缺点，玄武岩纤维长度也得以提高并可根据应用需要柔性变化，所得复合材料片材具有十分优良的物理和机械性能。
Description
技术领域
本发明属于新型复合材料领域，涉及一种复合材料成型工艺，具体涉及一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺。
背景技术
玻纤增强热塑性复合材料(GFRTP)是以热塑性树脂为基体，以玻璃纤维为增强骨架的复合材料，近年来迅速崛起，出于环保要求，有逐步替代热固性复合材料的趋势。在GFRTP中，开发最早的是短纤维增强热塑性树脂基复合材料(SFT)，但由于成型时纤维在制品中保留长度很短，仅为0.2～0.4mm，增强效果有限，不适用于对材料性能要求较高的场合；第二代是玻纤毡增强热塑性塑料片材(GMT)，这一技术的成功问世使塑料制品中的玻纤长度得以提高，但由于热塑性树脂本身的粘度较高，限制了增强纤维的加入量；第三代开发了连续复合纤维(Twintex)，Twintex是在拉丝时将玻璃纤维与热塑性树脂纤维复合而成的增强材料，解决了以上的两个问题，但工艺比较复杂，成本较高，其中用玻璃纤维和聚丙烯纤维复合可制成具有优异刚度、重量比和抗冲击性等力学性能的增强材料，并且不排放挥发性有机化合物；长玻纤增强热塑性塑料(LFT)是近年来得到迅速发展的一类高性能复合材料，LFT相较于SFT而言，玻纤长度得以提高，采用特殊的螺杆、切割器、模头及浸润剂配方，可得到10mm以上的料粒或片材，相较于GMT而言，玻纤含量可提高，理论上这种玻璃纤维在制品中的比例可以达到重量比的10％～80％，而实际上常用玻璃纤维的比例通常为20％～40％，相较于Twintex而言，工艺简单，生产一个汽车部件，仅需半分钟左右，但LFT的制备是采用螺杆挤出，剪切力大，玻纤长度很难控制。
玄武岩连续纤维以玄武岩矿石为原料，将矿石破碎后加入熔炉中，在1450℃～1500℃熔融后，将均匀的熔融物通过拉丝漏板先拉成粗纤维，然后粗纤维由拉丝机拉制成各种规格的连续纤维，并根据后续用途采用不同的浸润剂进行浸润处理，加工形成最终产品。
玄武岩纤维具有以下优势：1、优异的力学性能，其抗拉强度为3000～4900Mpa，比大丝束碳纤维、芳纶、PBI纤维、钢纤维、硼纤维、氧化铝纤维都要高，与S玻璃纤维相当。而断裂伸长率则大于碳纤维，成品的耐冲击性能要好于碳纤维；2、突出的化学稳定性，玄武岩纤维耐酸碱和水的腐蚀。玄武岩纤维含有的K2O、MgO和TiO2等成分对提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到重要的作用。玄武岩纤维在饱和Ca(OH)2溶液以及在水泥等碱性介质中耐久性好，能保持高度的稳定性，可代替钢筋用作混凝土建筑结构的增强材料，制作桥梁等大型建筑的结构件；3、突出的物理性能，玄武岩纤维耐温性能好，使用温度范围为：-260～700℃(软化点为960℃)，而玻璃纤维为-60～450℃。玄武岩纤维在400℃下工作时，其断裂强度能够保持85％。而碳纤维氧化性差，300℃即有气体产生；芳纶最高使用温度也只有250℃。玄武岩纤维具有良好介电性能，其体积电阻率比E玻璃纤维高一个数量级。因此玄武岩纤维是碳纤维的低价替代品，是继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维。
玄武岩矿石是一种天然的环保型的洁净原料，可以说是一种万能的廉价增强材料。随着对玄武岩复合材料的不断研发，将会降低成本，提高和稳定质量，迅速扩大产量，拓展应用领域，将会以更大的广度和深度，日益广泛地应用于各行各业。由于玄武岩产品它具有一些玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维不具备的特性，决定了它在特殊行业领域有不可替代的市场需求。该项目属国家鼓励发展的高科技项目，投资风险小，回报率高，生产无“三废”排放，市场前景十分广阔，投资回报率十分诱人。
采用玄武岩纤维作为增强物制得的复合材料，根据其缠绕和编制、分布方式及其填充混容物的不同而应用于各个领域。混容物一般用的是有机高分子或者无机非金属材料以及金属、碳纤维等，通过有机粘合剂和矿物粘合剂或者纤维的改性使其粘合。短切纤维及纤维肋、织物用作混凝土、水泥、沥青的增强体，使混凝土、水泥、沥青的强度和韧性极大增强，且破碎性和对裂缝的敏感度减弱。用玄武岩纤维和织物浸渍树脂后缠绕为压力塑料管，可以使产品的物理及机械性能达到最佳化。玄武岩纤维与树脂的粘合强度高于玻璃纤维，利用聚乙烯、聚丙烯为基体，通过环氧树脂粘合可制成高强性能的复合材料。通过对玄武岩短切纤维聚酰胺复合材料的研究指出，复合材料的结构随聚酰胺的量而改变，10％-20％的聚酰胺同玄武岩纤维形成无序的网状结构，这一性质极大地增强了了复合材料的机械性而无需对纤维的长度和编织有更高的要求，该研究成果大大降低了复合材料的成本。玄武岩纤维的导热系数随纤维直径的减小而减小，随纤维密度的增大先减小后增大，选用合适细度和密度的玄武岩纤维可使玄武岩纤维导热系数很低，可作为热绝缘复合材料。由于玄武岩纤维织成的板状和网状的结构具有多孔结构和无规则的排列方式，吸声性能好，且吸声能力随纤维层厚度的增加和密度的减少而增强，可制成声绝缘复合材料。KoderaKazuo通过适当的玄武岩纤维产品与树脂、碳纤维的混合编织，制得了性能优越的声、热复合材料。此外玄武岩纤维还可以复合成防水复合材料、电磁屏蔽材料、过滤材料和可降解生态复合材料等。
因此力学性能突出的玄武岩纤维复合材料成为研究热点，其中性价比高且可制备复杂形状制品的玄武岩纤维增强热塑性复合材料得到更多的关注，玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料备受青睐，工艺发展也日新月异，但仍然存在着复合材料中玄武岩纤维含量不高，按照传统方法制得的复合材料中玄武岩纤维含量仅为30％左右，同时玄武岩纤维长度难以提高且难以根据应用需要调整。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多层铆接直接模压，并能根据不同应用需要中间层玄武岩纤维长度柔性可变的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的工艺由两台双螺杆挤出机分别制备玄武岩短纤维聚丙烯复合材料，经压辊压制成薄膜，作为多层铆接材料的上下层，中间夹持一层长度可调的薄薄的玄武岩纤维，三层组合进入保温加压装置，在压辊压制下，熔融态聚丙烯浸润，切割后直接由机器手送往压机，成型过程中熔融态聚丙烯进一步浸润，压制成厚度为2-6mm的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料片材。
所述的上层玄武岩短纤维复合材料薄膜厚度为0.8-2.5mm，下层玄武岩短纤维复合材料薄膜厚度为0.8-2.5mm；
所述的中间层玄武岩纤维厚度为0.2-0.8mm；
所述的保温加压装置条件为在180-250℃，压力1-5MPa；
所述的聚丙烯数均分子量为50000-250000，熔融指数5-30g/10min；
所述的压机为双钢带压机，线速度为0.15-0.25m/min；
所述的浸润熔体温度为180-220℃，加压时间为2-3min，压力为4-10MPa。
该工艺中间层玄武岩纤维切断长度可根据产品需要柔性可调，玄武岩纤维分布在三层中，克服了GMT加工玻纤含量难以提高的缺点，玄武岩纤维长度也得以提高并可根据应用需要柔性变化。
附图说明
图1是本发明的工艺原理示意图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的工艺进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
以玄武岩矿石为原料，将矿石破碎后加入熔炉中，在1450℃～1500℃下熔融，将均匀的熔融物通过拉丝漏板先拉成粗纤维，然后粗纤维由拉丝机拉制成玄武岩短纤维，熔融造粒。用一台双螺杆挤出机将玄武岩料粒和数均分子量为50000-250000、熔融指数为5-30g/10min的聚丙烯料粒混合熔融挤出，经辊压机压制成厚度为0.8mm的玄武岩短纤维复合聚丙烯薄膜，作为多层铆接材料的底层，同样的由另一台双螺杆挤出机混合熔融挤出经辊压机压制成1.0mm的玄武岩短纤维复合聚丙烯薄膜作为多层铆接材料的上层，将一层厚度为0.2mm的玄武岩短纤维夹持到两层玄岩短纤维复合材料中，三层材料相间铺放，组合进入保温加压装置，保温加压装置设置条件为温度180℃，压力为5MPa，中间层纤维层较GMT法的玻纤毡薄，在压辊压制下，熔融态的聚丙烯更容易浸润，也能更好的粘结，压制好后经过切割直接由机器手送往压机，节能高效，压机为双钢带压机，以线速度0.25m/min移动，浸润熔体温度为180℃，加压时间3min，压力为10MPa，在成型过程中，熔融态的聚丙烯可进一步浸润。最终压制成厚度为2mm的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料片材，并制得样品1测试物理机械性能。
实施例2
以玄武岩矿石为原料，将矿石破碎后加入熔炉中，在1450℃～1500℃下熔融，将均匀的熔融物通过拉丝漏板先拉成粗纤维，然后粗纤维由拉丝机拉制成玄武岩短纤维，熔融造粒。用一台双螺杆挤出机将玄武岩料粒和数均分子量为50000-250000、熔融指数为5-30g/10min的聚丙烯料粒混合熔融挤出，经辊压机压制成厚度为2.0mm的玄武岩短纤维复合聚丙烯薄膜，作为多层铆接材料的底层，同样的由另一台双螺杆挤出机混合熔融挤出经辊压机压制成1.8mm的玄武岩短纤维复合聚丙烯薄膜作为多层铆接材料的上层，将一层厚度为0.5mm的玄武岩短纤维夹持到两层玄岩短纤维复合材料中，三层材料相间铺放，组合进入保温加压装置，保温加压装置设置条件为温度220℃，压力为3MPa，中间层纤维层较GMT法的玻纤毡薄，在压辊压制下，熔融态的聚丙烯更容易浸润，也能更好的粘结，压制好后经过切割直接由机器手送往压机，节能高效，压机为双钢带压机，以线速度0.18m/min移动，浸润熔体温度为200℃，加压时间2.5min，压力为6MPa，在成型过程中，熔融态的聚丙烯可进一步浸润。最终压制成厚度为4.5mm的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料片材，并制得样品2测试物理机械性能。
实施例3
以玄武岩矿石为原料，将矿石破碎后加入熔炉中，在1450℃～1500℃下熔融，将均匀的熔融物通过拉丝漏板先拉成粗纤维，然后粗纤维由拉丝机拉制成玄武岩短纤维，熔融造粒。用一台双螺杆挤出机将玄武岩料粒和数均分子量为50000-250000、熔融指数为5-30g/10min的聚丙烯料粒混合熔融挤出，经辊压机压制成厚度为2.5mm的玄武岩短纤维复合聚丙烯薄膜，作为多层铆接材料的底层，同样的由另一台双螺杆挤出机混合熔融挤出经辊压机压制成2.5mm的玄武岩短纤维复合聚丙烯薄膜作为多层铆接材料的上层，将一层厚度为0.8mm的玄武岩长纤维夹持到两层玄岩短纤维复合材料中，三层材料相间铺放，组合进入保温加压装置，保温加压装置设置条件为温度250℃，压力为1MPa，中间层纤维层较GMT法的玻纤毡薄，在压辊压制下，熔融态的聚丙烯更容易浸润，也能更好的粘结，压制好后经过切割直接由机器手送往压机，节能高效，压机为双钢带压机，以线速度0.15m/min移动，浸润熔体温度为220℃，加压时间2min，压力为4MPa，在成型过程中，熔融态的聚丙烯可进一步浸润。最终压制成厚度为6mm的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料片材，并制得样品3测试物理机械性能。
采用本发明所述的工艺所制得的复合材料片材，由于中间层的玄武岩纤维在压制时也可以浸入多层铆接材料的上下层，粘结效果更好，玄武岩纤维切断长度可根据产品需要柔性可调，玄武岩纤维分布在三层中，克服了GMT加工玻纤含量提不高的缺点，使得复合材料中玄武岩纤维的含量可以达到45％以上。
该复合材料具有十分优良的物理和机械性能，对实施例1-3所得样品经行测试，其结果如下：
| 项目 | 玻璃纤维/聚丙烯(GMT) | 样品1 | 样品2 | 样品3 |
| 拉伸强度(MPa) | 95 | 116 | 127 | 135 |
| 拉伸模量(GPa) | 6 | 7 | 8 | 8 |
| 弯曲强度(MPa) | 150 | 185 | 198 | 205 |
| 弯曲模量(GPa) | 6 | 7 | 8 | 8 |
| 缺口冲击强度(KJ/m2) | 70 | 91 | 100 | 106 |
| 玻纤质量含量(wt％) | 40 | 45 | 52 | 60 |
Claims (5)
1.一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺，包括以下步骤：
a)由两台双螺杆挤出机分别制备厚度为0.8-2.5mm的玄武岩短纤维复合聚丙烯薄膜，作为多层铆接材料的上下层；
b)在上下层中间夹持一层厚度为0.2-0.8mm长度可调的玄武岩纤维，相间铺放；
c)三层组合进入温度为180-250℃、压力为1-5MPa的保温加压装置，在压辊压制下，熔融态聚丙烯浸润；
d)切割后直接由机器手送往压机，熔体温度为180-220℃，加压时间为2-3min，压力为4-10MPa，熔融态聚丙烯进一步浸润，压制成型。
2.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺，其特征在于：所述聚丙烯数均分子量为50000-250000、熔融指数为5-30g/10min。
3.根据权利要求1所述的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺，其特征在于：所述的压机为双钢带压机，线速度为0.15-0.25m/min。
4.一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料片材，其特征在于：所述的片材由权利要求1所述的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料成型工艺所制得。
5.根据权利要求4所述的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料片材，其特征在于：所述的复合材料片材厚度为2-6mm。
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