CN103113734B - 一种增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料及其制备方法，采用增韧剂对不饱和聚酯进行增韧后，将大麻纤维、增韧不饱和聚酯树脂、促进剂和引发剂通过热压成型得到增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料。本发明制备的增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料具有很好的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲应变与冲击强度，制备方法简单，可操作性强，有利于广泛推广应用。

Description

一种增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于天然植物纤维增强树脂复合材料技术领域，具体涉及一种增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料及其制备方法。

背景技术

    近年来，利用天然植物纤维增强聚合物复合材料的研究受到了广泛关注。大麻纤维具有产量大、分布广、强度与模量高等优点，是一种具有广阔应用前景的增强材料。不饱和聚酯（UPE）是热固性树脂中用量最大的树脂品种之一，UPE树脂基复合材料具有优良的抗拉强度，相对密度小，热性能及电绝缘性能好，还有良好的透光、耐候、耐酸和隔音等优点。但UPE树脂固化后硬而脆，冲击性能差，因此提高UPE树脂基复合材料韧性具有重要意义。目前UPE树脂基复合材料的增韧技术主要有添加橡胶弹性体、纳米粒子增韧、在UPE分子中引入长链结构等，但这些方法会使复合材料强度发生不同程度的下降。采用植物纤维增强体和增韧树脂技术相结合，可制备得到综合力学性能高的大麻纤维/UPE复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料及其制备方法，解决现有技术中UPE树脂脆性大，制备出的复合材料冲击强度较低等问题。本发明制备的增韧大麻纤维/UPE复合材料具有很好的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲应变和冲击强度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种增韧大麻纤维/UPE复合材料由大麻纤维、增韧UPE树脂、促进剂和引发剂通过热压成型工艺得到；所述的增韧UPE树脂是采用增韧剂对UPE树脂进行增韧得到。

所述的复合材料原料组分的质量份数是：大麻纤维80~100份，增韧UPE树脂80~100份，促进剂0.5~1.5份，引发剂3~7份。

所述的增韧剂为甲基丙烯酸丁酯（英文名为：Butyl Methacrylate, 即BMA）；增韧过程为：将UPE树脂（60~90份）、稀释剂（1~3份）和增韧剂（10~40份）置于圆底烧瓶中，室温下用磁力搅拌器搅拌15 ~30min后，即得到增韧UPE树脂混合液；所述的稀释剂为苯乙烯。

所述UPE树脂为邻苯二甲酸型UPE树脂；所述的促进剂为环烷酸钴；所述的引发剂为过氧化丁酮。

一种如上所述的增韧大麻纤维/UPE复合材料的具体制备步骤如下：

（1）按原料配比称取增韧UPE树脂混合液、促进剂和引发剂，混合后搅拌0.5~2min，使之混合均匀；

（2）大麻纤维在100~105℃条件下烘至绝干后从烘箱中取出，用塑料密封袋包好，冷却至室温，5~9片大麻纤维毡按正交方向叠合排布成纤维板坯，把增韧UPE树脂混合液、促进剂和引发剂混合物均匀涂敷在纤维板坯的两表面，然后移至钢模中在室温下以6~8MPa的压力冷压3~8min，使树脂渗透入纤维板坯中；然后热压机升温至100~120℃在6~8MPa压力下预热压3~6min；继续升温至120~160℃，压力保持不变，热压20~40min；热压完成后模具隔热保压60~120min，并使之自然冷却至室温。

本发明的有益效果在于：本发明采用优化的工艺参数组合，纤维与增韧UPE树脂的用量比（质量比）为1∶1，热压温度140℃，热压时间30min，以模压工艺可制备力学性能优良的大麻纤维/UPE复合材料。采用BMA增韧UPE树脂，复合材料的断裂伸长率、弯曲应变以及冲击强度有显著的提高。

附图说明

图1是BMA用量对复合材料拉伸强度的影响。

图2是BMA用量对复合材料断裂伸长率的影响。

图3是BMA用量对复合材料弯曲强度的影响。

图4是BMA用量对复合材料弯曲应变的影响。

图5是BMA用量对复合材料冲击强度的影响。

具体实施方式

实施例1

原料：大麻纤维（大麻纤维绒支数为1300，平均长度为3cm）由安徽铜陵三星麻业有限公司提供；不饱和聚酯树脂（UPE）为邻苯二甲酸型不饱和聚酯树脂（型号：9231-1TP；粘度(23℃)：300~550cps；酸值：18~24mgKOH/g；胶化时间：40~50 min；固体含量：57~63 %），购自上纬(上海）精细化工有限公司；引发剂为过氧化丁酮（MEKP），购自上海晶纯（阿拉丁）实业有限公司；促进剂为环烷酸钴，购自国药集团化学试剂有限公司；稀释剂为苯乙烯，购自天津市福晨化学试剂厂；增韧剂为甲基丙烯酸丁酯（BMA），购自天津市福晨化学试剂厂。

增韧大麻纤维/UPE复合材料：

按一定的质量比混合稀释剂、增韧剂和UPE树脂，得到增韧UPE树脂混合液。将大麻纤维与增韧UPE树脂混合液及引发剂、促进剂热压成型，得到增韧大麻纤维/UPE复合材料。增韧剂为BMA，增韧过程为：将UPE树脂（90g）、稀释剂（1g）、和增韧剂（10g）置于圆底烧瓶中，室温下用磁力搅拌器搅拌15~30min后，即得到增韧UPE树脂混合液；采用的UPE树脂）为邻苯二甲酸型UPE树脂；稀释剂为苯乙烯；促进剂为环烷酸钴；引发剂为MEKP。

制备方法：称取90g增韧UPE树脂混合液，0.5g环烷酸钴，3gMEKP，混合后用玻棒搅匀1min。将干燥后的大麻纤维从烘箱中取出后用塑料密封袋包好后待冷却至室温时，5~9片大麻纤维毡按正交方向叠合排布成大麻纤维板坯，把混合均匀的UPE树脂及添加剂均匀涂敷在纤维板坯的两表面，然后移至钢模中在室温以及6MPa压力下冷压5min，使树脂渗透入纤维板坯中。然后热压机升温至110℃在6MPa下预热压5min；继续升温至140℃，压力6MPa热压30min。热压完成后模具隔热保压120min，并使之自然冷却至室温。所述制备过程中，大麻纤维与增韧UPE树脂混合液的用量比，按照质量比为1∶1；稀释剂的量为树脂质量的1%；促进剂的量为树脂质量的0.56%；引发剂的量为树脂质量的3.33%。

实施例2

原料：大麻纤维（大麻纤维绒支数为1300，平均长度为3cm）由安徽铜陵三星麻业有限公司提供；UPE树脂为邻苯二甲酸型UPE树脂（型号：9231-1TP；粘度(23℃)：300~550cps；酸值：18~24mgKOH/g；胶化时间：40~50 min；固体含量：57~63 %），购自上纬(上海）精细化工有限公司；引发剂为MEKP，购自上海晶纯（阿拉丁）实业有限公司；促进剂为环烷酸钴，购自国药集团化学试剂有限公司；稀释剂为苯乙烯，购自天津市福晨化学试剂厂；增韧剂为BMA，购自天津市福晨化学试剂厂。

增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料：

按一定的质量比混合稀释剂、增韧剂和UPE树脂，得到增韧UPE树脂混合液。将大麻纤维与增韧UPE树脂混合液及引发剂热压成型，得到增韧大麻纤维/UPE复合材料。增韧剂采用BMA，增韧过程为：将UPE树脂（80g）、稀释剂（1g）、和增韧剂（20g）置于圆底烧瓶中，室温下用磁力搅拌器搅拌15 ~30min后，即得到增韧UPE树脂混合液；采用的UPE树脂为邻苯二甲酸型UPE树脂；稀释剂为苯乙烯；促进剂为环烷酸钴；引发剂为MEKP。

制备方法：称取90g增韧UPE树脂混合液，0.5g环烷酸钴，3gMEKP，混合后用玻棒搅匀1min。将干燥后的大麻纤维从烘箱中取出后用塑料密封袋包好后待冷却至室温时，5~9片大麻纤维毡按正交方向叠合排布成大麻纤维板坯，把混合均匀的UPE及添加剂均匀涂敷在纤维板坯的两表面，然后移至钢模中在室温以及6MPa压力下冷压5min，使树脂渗透入纤维板坯中。然后热压机升温至110℃在6MPa下预热压5min；继续升温至140℃，压力6MPa热压30min。热压完成后模具隔热保压120min，并使之自然冷却至室温。所述制备过程中，大麻纤维与增韧UPE树脂混合液的用量比，按照质量比为1∶1；稀释剂的量为树脂质量的1.11%；促进剂的量为树脂质量的0.56%；引发剂的量为树脂质量的3.33%。

实施例3

原料：大麻纤维（大麻纤维绒支数为1300，平均长度为3cm）由安徽铜陵三星麻业有限公司提供；UPE树脂为邻苯二甲酸型UPE树脂（型号：9231-1TP；粘度(23℃)：300~550cps；酸值：18~24mgKOH/g；胶化时间：40~50 min；固体含量：57~63 %），购自上纬(上海）精细化工有限公司；引发剂为MEKP，购自上海晶纯（阿拉丁）实业有限公司；促进剂为环烷酸钴，购自国药集团化学试剂有限公司；稀释剂为苯乙烯，购自天津市福晨化学试剂厂；增韧剂为BMA，购自天津市福晨化学试剂厂。

增韧大麻纤维/UPE复合材料：

按一定的质量比将稀释剂、增韧剂和UPE树脂混合，得到增韧UPE树脂混合液。将大麻纤维与增韧UPE混合液及引发剂热压成型，得到增韧大麻纤维/UPE复合材料。增韧剂采用BMA，增韧过程为：将UPE树脂（70g）、稀释剂（1g）、和增韧剂（30g）置于圆底烧瓶中，室温下用磁力搅拌器搅拌15 ~30min后，即得到增韧UPE树脂混合液；采用的UPE树脂为邻苯二甲酸型UPE树脂；稀释剂为苯乙烯；促进剂为环烷酸钴；引发剂为MEKP。

制备方法：称取90g的增韧UPE树脂混合液，0.5g环烷酸钴，3g的MEKP，混合后用玻棒搅匀1min。将干燥后的大麻纤维从烘箱中取出后用塑料密封袋包好后待冷却至室温时， 5~9片大麻纤维毡按正交方向叠合排布成大麻纤维板坯，把混合均匀的UPE及添加剂均匀涂敷在纤维板坯的两表面，然后移至钢模中在室温以及6MPa压力下冷压5min，使树脂渗透入纤维板坯中。然后热压机升温至110℃在6MPa下预热压5min；继续升温至140℃，压力6MPa热压30min。热压完成后模具隔热保压120min，并使之自然冷却至室温。所述制备过程中，大麻纤维与增韧UPE树脂混合液的用量比，按照质量比为1∶1；稀释剂的量为树脂质量的1.11%；促进剂的量为树脂质量的0.56%；引发剂的量为树脂质量的3.33%。

实施例4

原料：大麻纤维（大麻纤维绒支数为1300，平均长度为3cm）由安徽铜陵三星麻业有限公司提供；UPE树脂为邻苯二甲酸型UPE树脂（型号：9231-1TP；粘度(23℃)：300~550cps；酸值：18~24mgKOH/g；胶化时间：40~50 min；固体含量：57~63 %），购自上纬(上海）精细化工有限公司；引发剂为MEKP，购自上海晶纯（阿拉丁）实业有限公司；促进剂为环烷酸钴，购自国药集团化学试剂有限公司；稀释剂为苯乙烯，购自天津市福晨化学试剂厂；增韧剂为BMA，购自天津市福晨化学试剂厂。

增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料：

按一定的质量比混合稀释剂、增韧剂和UPE树脂，得到增韧UPE树脂混合液。将大麻纤维与增韧UPE树脂混合液及引发剂热压成型，得到增韧大麻纤维/UPE复合材料。增韧剂采用BMA，增韧过程为：将UPE树脂（60g）、稀释剂（1g）和增韧剂（40g）置于圆底烧瓶中，用磁力搅拌器搅拌15 ~30min后，即得到增韧UPE树脂混合液；采用的UPE树脂为邻苯二甲酸型UPE树脂；稀释剂为苯乙烯；促进剂为环烷酸钴；引发剂为MEKP。

制备方法：称取90g的增韧UPE树脂混合液，0.5g环烷酸钴，3g的MEKP，混合后用玻棒搅匀1min。将干燥后的大麻纤维从烘箱中取出后用塑料密封袋包好后待冷却至室温时，5~9片大麻纤维毡按正交方向叠合排布成大麻纤维板坯，把混合均匀的UPE及添加剂均匀涂敷在纤维板坯的两表面，然后移至钢模中在室温以及6MPa压力下冷压5min，使树脂渗透入纤维板坯中。然后热压机升温至110℃在6MPa下预热压5min；继续升温至140℃，压力6MPa热压30min。热压完成后模具隔热保压120min，并使之自然冷却至室温。所述制备过程中，大麻纤维与增韧UPE树脂混合液的用量比，按照质量比为1∶1；稀释剂的量为树脂质量的1.11%；促进剂的量为树脂质量的0.56%；引发剂的量为树脂质量的3.33%。

复合材料板力学性能测试：

复合材料板制成哑铃型试样（规格：长150mm，两端宽20mm，中间宽10mm，标距50mm，厚度3.0mm）以测试拉伸性能；弯曲性能和冲击强度的测试样品为长条状（规格：80 mm×10 mm×3.0mm）。拉伸强度测试依据GB1447-83标准进行；弯曲强度与弯曲模量测试依据GB1449-83标准进行；冲击强度测试依据GB/T1043-93。拉伸性能和弯曲性能测试在微机控制电子万能试验机上完成，冲击强度测试在摆锤冲击试验机上完成。

BMA用量对复合材料拉伸强度的影响

由图1知，与对照（未增韧复合材料，拉伸强度为77.22MPa）比较，BMA用量为10%与30%的复合材料拉伸强度无显著变化，BMA用量为20%的复合材料拉伸强度（85.29MPa）提高10.45%，BMA用量为40%的复合材料拉伸强度（61.32MPa）降低20.59%。

BMA用量对复合材料断裂伸长率的影响

由图2知，与对照（断裂伸长率为7.60%）比较，BMA用量为10%的复合材料断裂伸长率（8.44%）提高11.00%，用量为20%、30%与40%的复合材料断裂伸长率分别为8.96%、9.56%、9.03%，与对照比较分别提高17.84%、25.82%、18.79%。

BMA用量对复合材料弯曲强度的影响

由图3知，与对照（弯曲强度为124.39MPa）比较，BMA用量为10%、30%的复合材料弯曲强度（124.91MPa、122.11MPa）无显著变化，BMA用量为20%的复合材料弯曲强度（136.56MPa）提高9.78%，BMA用量为40%的复合材料弯曲强度（83.54MPa）降低32.84%。

BMA用量对复合材料弯曲应变的影响

由图4知，与对照（弯曲应变为2.16%）比较，BMA用量为10%，20%，30%与40%的弯曲应变分别为2.32 %、2.34 %、2.96 %与3.61 %，分别提高了7.42 %、8.36 %、37.08%与66.85%。

BMA用量对复合材料冲击强度的影响

由图5知，与对照（冲击强度为16.12MPa）比较，BMA用量为10%，20%，30%和40%的冲击强度分别为17.04MPa、18.37MPa、20.32MPa、22.23MPa，分别提高了5.70 %、13. 93%、26.04%与30.45%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种增韧大麻纤维/不饱和聚酯复合材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）将不饱和聚酯树脂60~90份、苯乙烯1~3份和甲基丙烯酸丁酯10~40份置于圆底烧瓶中，室温下用磁力搅拌器搅拌15 ~30min后，即得到增韧不饱和聚酯树脂混合液；

（2）按原料配比称取增韧不饱和聚酯树脂混合液、促进剂和引发剂，混合后搅拌0.5~2min，使之混合均匀；

（3）大麻纤维在100~105℃下烘至绝干后从烘箱中取出，用塑料密封袋包好，冷却至室温，5~9片大麻纤维毡按正交方向叠合排布成纤维板坯，把步骤（2）的混合物均匀涂敷在纤维板坯的两表面，然后移至钢模中在室温下以6~8MPa的压力冷压3~8min，使树脂渗透入纤维板坯中；然后热压机升温至100~120℃在6~8MPa压力下预热压3~6min；继续升温至140℃，压力保持不变，热压30min；热压完成后模具隔热保压60~120min，并使之自然冷却至室温；

所述的复合材料的原料组分的质量份数是：大麻纤维80-100份，增韧不饱和聚酯树脂80-100份，促进剂0.5-1.5份，引发剂3-7份；

所述的不饱和聚酯树脂为邻苯二甲酸型不饱和聚酯树脂；所述的促进剂为环烷酸钴；所述的引发剂为过氧化丁酮。