CN103497495B - 一种等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料及其制备方法，采用等离子体技术对竹原纤维表面进行改性，将改性的竹原纤维、不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂通过热压成型得到改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料。本发明制备的等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料具有很好的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量。
Description
技术领域
本发明属于植物纤维增强树脂复合材料技术领域，具体涉及一种等离子体改性竹原纤维增强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人们的广泛关注，天然植物纤维质轻、比强度高、来源广、价格便宜，且环保、可再生，用其与聚合物制成复合材料不仅可降低复合材料的成本，而且具有易降解、无污染等优点。竹材纤维素含量较高，且是微纤丝角很小的厚薄相间的多层壁结构，不同层间界面内夹角逐渐变化，避免了几何和物理的突变，从而具有天然的螺旋增韧结构。我国竹子资源丰富（现有竹林总面积6300多万亩，占全世界竹林总面积的1/3），竹纤维的密度低（1.38g/cm3左右），而且竹子生长周期短，制备过程能耗较低。据报道，单根毛竹纤维轴向拉伸强度可达到1.43-1.69GPa，最大拉伸模量可达32.0-34.6GPa，比大多数的木质纤维高。因此，竹纤维有望成为一种重要的复合材料增强体。通常，由于植物纤维是亲水性的，而作为热固性树脂的不饱和聚酯是憎水性的，二者之间的界面结合强度很低。因此，竹原纤维作为复合材料的增强体，其提高复合材料性能的程度有限。采用等离子体处理竹原纤维，会使纤维材料表面葡萄糖苷键断裂生成大分子自由基、不饱和链和交联层，可以与不饱和聚酯树脂中的不饱和键发生交联反应，从而提高复合材料的各项力学性能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中竹原纤维与树脂界面结合强度低，制备出的复合材料拉伸强度、弯曲强度不高等问题，提供一种等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料及其制备方法，制得的等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料具有很好的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料是由改性竹原纤维、不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂通过热压成型工艺得到；所述的改性竹原纤维是采用等离子体技术对竹原纤维进行表面改性得到的。
等离子体对竹原纤维表面进行物理改性过程为：称取绝干竹原纤维均匀分散在等离子体处理腔内；开启真空泵，待处理腔内真空度降至7.0Pa后打开气体阀，通入氮气、氧气或氩气，调节其流量为1.0-2.0L/min；待流量及真空度稳定后，以30-70W功率对竹原纤维进行处理1-5min，结束后关闭等离子体并取出竹原纤维，即得改性竹原纤维。
所述的复合材料原料组分的质量份数是：改性竹原纤维80-100份，不饱和聚酯树脂80-100份，交联剂1-3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；所述的交联剂为苯乙烯；所述的促进剂为环烷酸钴；所述的引发剂为过氧化丁酮。
制备如上所述的等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料的方法包括以下步骤：
（1）将改性竹原纤维手工铺装裁剪成3层22cm×22cm规格的纤维毡备用；
（2）按原料配比称取不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂，混合后搅拌0.5-2min，使之混合均匀；
（3）把不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂混合物均匀涂敷在改性竹原纤维毡的表面，将3层涂有树脂混合物的纤维毡叠合排布成纤维板坯，然后移至钢模中在室温下以6-9MPa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6-9MPa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；热压完成后模具室温保压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，纤维与不饱和聚酯树脂的用量比（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竹原纤维/不饱和聚酯复合材料。采用等离子体处理技术对竹原纤维表面进行物理改性，复合材料的拉伸强度、弯曲强度以及弯曲模量均有显著的提高。
附图说明
图1是等离子体处理时间对复合材料拉伸强度的影响。
图2是等离子体处理时间对复合材料弯曲性能的影响。
图3是等离子体处理功率对复合材料拉伸强度的影响。
图4是等离子体处理功率对复合材料弯曲性能的影响。
具体实施方式
实施例1
原料：竹原纤维由福建海博斯化学技术有限公司提供；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：40-50min；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），购自国药集团化学试剂有限公司；促进剂为环烷酸钴，购自国药集团化学试剂有限公司；交联剂为苯乙烯，购自国药集团化学试剂有限公司（沃凯）。
改性竹原纤维复合材料：
采用氧气气氛、流量为1.5L/min、功率为30W、时间为1min的等离子体处理技术改性竹原纤维表面，将改性的竹原纤维与UPE树脂及交联剂、促进剂和引发剂热压成型，得到改性竹原纤维复合材料。改性过程为：称取95g的绝干竹原纤维均匀分散在等离子体处理腔内；开启真空泵，待处理腔内真空度降至7.0Pa后打开氧气气体阀并调节流量为1.5L/min；待流量及真空度稳定后，分别调节处理时间为1min和处理功率为30W对纤维进行处理，结束后关闭等离子体并取出纤维，即得改性竹原纤维。
制备方法：将改性竹原纤维手工铺装裁剪成3层22cm×22cm规格的纤维毡备用；按原料配比称取不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂，混合后搅拌0.5min，使之混合均匀；把不饱和聚酯树脂混合物均匀涂敷在改性纤维毡的表面，将3层涂有树脂混合液的纤维毡叠合排布成纤维板坯；然后移至钢模中在室温下以8MPa的压力冷压5min，使树脂渗透入纤维板坯中；然后热压机升温至110℃在8MPa压力下预热压5min；继续升温至140℃，压力保持不变，热压30min；热压完成后模具室温保压60min，并使之自然冷却至室温。
实施例2
原料：竹原纤维由由福建海博斯化学技术有限公司提供；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：40-50min；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），购自国药集团化学试剂有限公司；促进剂为环烷酸钴，购自国药集团化学试剂有限公司；交联剂为苯乙烯，购自国药集团化学试剂有限公司（沃凯）。
改性竹原纤维复合材料：
采用氧气气氛、流量为1.5L/min、功率为50W、时间为3min的等离子体处理技术改性竹原纤维表面，将改性的竹原纤维与UPE树脂及交联剂、促进剂和引发剂热压成型，得到改性竹原纤维复合材料。改性过程为：称取95g的绝干竹原纤维均匀分散在等离子体处理腔内；开启真空泵，待处理腔内真空度降至7.0Pa后打开氧气气体阀并调节流量为1.5L/min；待流量及真空度稳定后，分别调节处理时间为3min和处理功率为50W对纤维进行处理，结束后关闭等离子体并取出纤维，即得改性竹原纤维。
制备方法：将改性竹原纤维手工铺装裁剪成3层22cm×22cm规格的纤维毡备用；按原料配比称取不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂，混合后搅拌2min，使之混合均匀；把不饱和聚酯树脂混合物均匀涂敷在改性纤维毡的表面，将3层涂有树脂混合液的纤维毡叠合排布成纤维板坯；然后移至钢模中在室温下以8MPa的压力冷压5min，使树脂渗透入纤维板坯中；然后热压机升温至110℃在8MPa压力下预热压5min；继续升温至140℃，压力保持不变，热压30min；热压完成后模具室温保压120min，并使之自然冷却至室温。
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；弯曲性能的测试样品为长条状（规格：80mm×10mm×3.0mm）。拉伸测试依据GB1447-83标准进行；弯曲测试依据GB1449-83标准进行。拉伸强度和弯曲强度测试在微机控制电子万能试验机上完成。
（1）等离子体处理时间对复合材料力学性能的影响
固定处理功率为50W不变，改变处理时间。由图1知：未处理复合材料的拉伸强度为40.68MPa，处理时间为1min时，复合材料的拉伸强度为48.25MPa，与未处理相比，提高18.61%；当处理时间为3min时，复合材料的拉伸强度提高到58.90MPa，提高44.80%；当处理时间为5min时，复合材料的拉伸强度为49.91MPa，提高22.70%。
由图2知：未处理复合材料的弯曲强度为62.08MPa，处理时间为1min时，复合材料的弯曲强度为80.92MPa，与未处理相比，提高30.35%；当处理时间为3min时，复合材料的弯曲强度提高到84.22MPa，提高35.68%；当处理时间为5min时，复合材料的弯曲强度为72.93MPa，提高17.48%。
未处理复合材料的弯曲模量为3949.68MPa，处理时间为1min时，复合材料的弯曲模量为6515.60MPa，与未处理相比，提高64.97%；当处理时间为3min时，复合材料的弯曲模量为6025.58MPa，提高52.56%；当处理时间为5min时，复合材料的弯曲模量为4908.57MPa，提高26.22%。
（2）等离子体处理功率对复合材料力学性能的影响
固定处理时间为3min不变，改变处理功率。由图3知：未处理复合材料的拉伸强度为40.68MPa，处理功率为30W时，复合材料的拉伸强度为50.61MPa，与未处理相比，提高24.42%；当处理功率为50W时，复合材料的拉伸强度为58.90MPa，提高44.80%；当处理功率为70W时，复合材料的拉伸强度为47.52MPa，提高16.83%。
由图4知：未处理复合材料的弯曲强度为62.08MPa，处理功率为30W时，复合材料的弯曲强度为76.08MPa，与未处理相比，提高16.00%；当处理功率为50W时，复合材料的弯曲强度为84.23MPa，提高35.68%；当处理功率为70W时，复合材料的弯曲强度为72.42MPa，提高16.67%。
未处理复合材料的弯曲模量为3949.68MPa，处理功率为30W时，复合材料的弯曲模量为5495.90MPa，与未处理相比，提高39.15%；当处理功率为50W时，复合材料的弯曲模量为6025.58MPa，提高52.56%；当处理功率为70W时，复合材料的弯曲强度为5208.78MPa，提高31.88%。
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 (4)
1.一种等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料，其特征在于：复合材料是由改性竹原纤维、不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂通过热压成型工艺得到；所述的改性竹原纤维是采用等离子体技术对竹原纤维进行表面改性得到的；
等离子体对竹原纤维表面进行物理改性过程为：称取绝干竹原纤维均匀分散在等离子体处理腔内；开启真空泵，待处理腔内真空度降至7.0Pa后打开气体阀，通入氮气、氧气或氩气，调节其流量为1.0-2.0L/min；待流量及真空度稳定后，以30-70W功率对竹原纤维进行处理1-5min，结束后关闭等离子体并取出竹原纤维，即得改性竹原纤维；
改性竹原纤维与不饱和聚酯树脂的质量比为1∶1，热压温度140℃，热压时间30min。
2.根据权利要求1所述的等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料，其特征在于：所述的复合材料原料组分的质量份数是：改性竹原纤维80-100份，不饱和聚酯树脂80-100份，交联剂1-3份，促进剂0.5-1.5份，引发剂3-7份。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料，其特征在于：所述的不饱和聚酯树脂为邻苯二甲酸型不饱和聚酯树脂；所述的交联剂为苯乙烯；所述的促进剂为环烷酸钴；所述的引发剂为过氧化丁酮。
4.一种制备如权利要求1所述的等离子体改性竹原纤维增强不饱和聚酯复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将改性竹原纤维手工铺装裁剪成3层22cm×22cm规格的纤维毡备用；
（2）称取不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂，混合后搅拌0.5-2min，使之混合均匀；
（3）把不饱和聚酯树脂、交联剂、促进剂和引发剂混合物均匀涂敷在改性竹原纤维毡的表面，将3层涂有树脂混合物的纤维毡叠合排布成纤维板坯，然后移至钢模中在室温下以6-9MPa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6-9MPa压力下预热压3-6min；继续升温至140℃，压力保持不变，热压30min；热压完成后模具室温保压60-120min，并使之自然冷却至室温。
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