CN103030890B - 一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料，由如下重量份原料组成：红麻纤维10-15、均聚聚丙烯100、增容剂2.5-5、减重剂5-20、偶联剂0.1-0.15。同时本发明还公开了一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料的制备方法。该复合材料采用空心玻璃微珠，减重效果稳定，复合材料密度可控；可有效避免马来酸酐接枝物这类增容剂与化学发泡剂间的相互干扰，使增容剂充分发挥作用，改善复合材料性能，从而兼顾了复合材料在力学性能及密度方面的要求；空心玻璃微珠为无机物，无味无色，不影响复合材料在汽车内饰方面的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料及其制备方法，尤其涉及一种利用空心玻璃微珠制备的轻质聚合物基麻纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
麻纤维是天然有机填料中的一大类，主要成分为天然纤维素。常见的麻纤维种类有剑麻、洋麻、亚麻、黄麻、苎麻、大麻、红麻等。将麻纤维与热塑性或热固性树脂等聚合物基体混合均匀后，经注射成型、压制成型等成型方法可制成车用板材、汽车内饰件等。麻纤维是天然可再生资源，来源丰富、价格低廉，利用麻纤维与合成树脂制备汽车顶棚、座椅背板等内饰件，具有一定的环保性和较大的经济效益。
麻纤维对合成树脂有一定增强作用，聚合物基麻纤维增强复合材料，重量比传统玻璃纤维增强复合材料轻，但仍然重于实木材料，需要对聚合物基麻纤维增强复合材料进一步减轻重量。此外，聚合物基麻纤维增强复合材料的力学性能也需要进一步提高，以便缩小其性能与玻璃纤维增强复合材料的差距。目前，对聚合物基麻纤维增强复合材料进行减重处理的主要方法为化学发泡法，即将一定量的化学发泡剂（如AC发泡剂）及交联剂(如DCP)加入复合材料配方中，利用发泡剂受热分解产生的气体在复合材料中形成无数孔穴，从而减轻材料。这种方法减重效果明显，且操作简便，实用性较强，但存在一定的局限性。原因在于：⑴化学发泡过程较难精确控制，导致复合材料密度波动较大，不易形成质量稳定的产品；⑵AC发泡剂为放热型发泡剂，在发泡过程中要释放一定的热量，容易导致材料中形成的孔穴大小不一，甚至在局部形成孔穴塌陷，严重影响复合材料的力学性能。⑶现有技术中往往采用马来酸酐接枝物等增容剂来改进复合材料力学性能，但马来酸酐接枝物会干扰化学发泡过程，导致复合材料性能与密度难以很好兼顾。⑷化学发泡法中采用的AC发泡剂以及DCP交联剂等化学物质会释放出难闻的味道，不利于复合材料在汽车内饰件方面的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种减重效果明显、复合材料性能稳定、易控的轻质聚合物基麻纤维增强复合材料。
同时，本发明还提供了一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料，由如下重量份原料组成：红麻纤维10-15、均聚聚丙烯100、增容剂2.5-5、减重剂5-20、偶联剂0.1-0.15。
作为本发明的一种优选方案，所述增容剂采用马来酸酐接枝聚丙烯。
作为本发明的另一种优选方案，所述减重剂采用空心玻璃微珠。
一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料的制备方法，在该方法中采用如下重量份原料：红麻纤维10-15、均聚聚丙烯100、马来酸酐接枝聚丙烯2.5-5、空心玻璃微珠5-20、偶联剂0.1-0.15；
该方法包括如下步骤：
（1）、选择偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理；
（2）、称取空心玻璃微珠，将其与马来酸酐接枝聚丙烯、均聚聚丙烯及处理好的红麻纤维在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C；
（3）、将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、减重效果稳定，复合材料密度可控：本发明采用空心玻璃微珠这种轻质填料对聚合物基麻纤维增强复合材料进行减重，空心玻璃微珠密度恒定，粒径均一，减重效果不易受工艺条件影响，使复合材料密度容易控制。
2、可兼顾材料力学性能与密度要求：本发明可有效避免马来酸酐接枝物这类增容剂与化学发泡剂间的相互干扰，使增容剂充分发挥作用，改善复合材料性能，从而兼顾了复合材料在力学性能及密度方面的要求。
3、利于产品在汽车方面的推广应用：空心玻璃微珠为无机物，无味无色，不影响复合材料在汽车内饰方面的应用。
具体实施方式
一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料，由如下重量份原料组成：红麻纤维10-15、均聚聚丙烯100、增容剂（马来酸酐接枝聚丙烯）2.5-5、减重剂（空心玻璃微珠）5-20、偶联剂0.1-0.15。
一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料的制备方法，在该方法中采用如下重量份原料：红麻纤维10-15、均聚聚丙烯100、马来酸酐接枝聚丙烯2.5-5、空心玻璃微珠5-20、偶联剂0.1-0.15。其方法包括如下步骤：
（1）、选择偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理；
（2）、称取空心玻璃微珠，将其与马来酸酐接枝聚丙烯、均聚聚丙烯及处理好的红麻纤维在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C；
（3）、将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa。
实施例1
分别以中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司生产的三种空心玻璃微珠H32、H40、H46为减重剂：
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取10g空心玻璃微珠H32，将其与处理好的红麻纤维及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取10g空心玻璃微珠H40，将其与处理好的红麻纤维及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取10g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
将以上制得的三种复合材料力学性能及密度与未添加空心玻璃微珠的复合材料进行对比，如下表所示。
| 玻璃微珠种类 | 冲击强度 /KJ/㎡ | 拉伸强度/MPa | 断裂伸长率 /% | 密度g/cm3 |
| 未添加空心微珠 | 7.68 | 24.20 | 3.61 | 0.87 |
| H32 | 5.47 | 23.28 | 6.97 | 0.84 |
| H40 | 5.77 | 15.25 | 4.60 | 0.78 |
| H46 | 5.48 | 18.68 | 4.93 | 0.85 |
通过力学性能及密封指标可以看出三种空心玻璃微珠都能起到减重的作用。
实施例2
以不同用量的空心玻璃微珠H46为减重剂：
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取5g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取10g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取15g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取20g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维、2.5-5g马来酸酐接枝聚丙烯及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
以上制得的四种复合材料力学性能及密度如下表所示。
| H46用量 | 冲击强度 /KJ/㎡ | 拉伸强度/MPa | 断裂伸长率 /% | 密度g/cm3 |
| 5 | 5.35 | 19.35 | 3.54 | 0.86 |
| 10 | 5.48 | 18.68 | 4.93 | 0.85 |
| 15 | 4.62 | 14.64 | 2.70 | 0.70 |
| 20 | 4.34 | 14.47 | 2.60 | 0.63 |
通过力学性能及密封指标，可以看出空心玻璃微珠用量增加，则对复合材料的减重效果越明显。
实施例3
以空心玻璃微珠H46为减重剂，并添加2.5-5份马来酸酐接枝聚丙烯PP-g-MAH：
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取15g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维、2.5g马来酸酐接枝聚丙烯PP-g-MAH及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取15g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维、4g马来酸酐接枝聚丙烯PP-g-MAH及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
称取10-15g红麻纤维及0.1-0.15g偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理。称取15g空心玻璃微珠H46，将其与处理好的红麻纤维、5g马来酸酐接枝聚丙烯PP-g-MAH及100g均聚聚丙烯树脂在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C。将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa，测试相关力学性能及密度。
以上制得的三种复合材料力学性能及密度如下表所示
| PP-g-MAH用量 | 冲击强度 /KJ/㎡ | 拉伸强度/MPa | 断裂伸长率/% | 密度g/cm3 |
| 0 | 4.62 | 14.64 | 2.70 | 0.70 |
| 2.5 | 3.33 | 16.78 | 1.68 | 0.76 |
| 4 | 3.42 | 18.72 | 1.96 | 0.73 |
| 5 | 3.46 | 20.86 | 2.01 | 0.74 |
通过力学性能及密度指标，可以看出添加马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）能进一步提高复合材料力学性能，且基本不影响空心玻璃微珠减重作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种轻质聚合物基麻纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于：在该方法中采用如下重量份原料：红麻纤维10-15、均聚聚丙烯100、马来酸酐接枝聚丙烯2.5-5、空心玻璃微珠5-20、偶联剂0.1-0.15；
该方法包括如下步骤：
（1）、选择偶联剂，并采用偶联剂汽化法对红麻纤维进行表面处理；
（2）、称取空心玻璃微珠，将其与马来酸酐接枝聚丙烯、均聚聚丙烯及处理好的红麻纤维在双辊塑炼机中塑炼成复合材料片材，塑炼温度为125-135°C；
（3）、将复合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化机中热压成型，热压温度为165-175°C，热压压力8-12MPa。
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