CN104669636B

CN104669636B - 一种混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN104669636B
Application number: CN201510089155.1A
Authority: CN
Inventors: 秦岩; 陈佳; 裴煜; 宋九强; 黄志雄
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: CN104669636A

Abstract

本发明是一种混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料的制备方法，具体为：将玻璃纤维与凯夫拉纤维混杂并通过改性塑料组分熔体浸渍得到改性塑料包覆的连续混杂纤维，然后将处理后所得的混杂纤维通过缠绕装置定向排布、热压、冷却、切割，得到改性塑料包覆连续混杂纤维薄片，最后再将纤维薄片与聚丙烯树脂薄片间隔叠层并热压得到混杂纤维增强聚丙烯复合材料。本发明制得的复合材料具有优异的界面结合性能，而且纤维含量高、可以连续定向排布，该材料可通过热压工艺制备热塑性复合材料片材制品，制品具有优异的力学性能和强度可设计性。

Description

一种混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于高分子复合材料改性技术领域和加工技术领域，具体涉及一种混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料的制备方法。

背景技术

玻璃纤维增强热塑性复合材料(GMT)是一种以热塑性树脂为基体，玻璃纤维或连续玻璃纤维毡为增强材料的复合材料，其力学性能优良，尤其具有突出的耐冲击性能、耐腐蚀性、低成本、易加工、无存放期限制、可回收和重复加工等优点，弥补了热固性复合材料的缺点，有重要应用前景。随着国际市场上汽车、化工等行业的不断发展，对热塑性复合材料需求的不断增加，GMT材料的发展将持续快速壮大。

目前，国外制备GMT片材工艺的方法主要有预浸渍法、毡结构法、表面修饰法、钢带改进法、片材加热法和离心法等。近年来，国内大量引进国外先进生产技术，从而形成一套从研发、设计、生产及原材料较完整的工业体系。但是同国外相比，我国的增强基材不论是在品种还是质量方面都有很大差距，所以必须具有更大的决心和更大的努力去研究和开发，要努力解决提高高粘滞塑料与玻纤的结合力和均匀分散的问题，必须处理好浸润剂环节；同时采取多种预混措施，以及对玻纤织物的结构形式进行更合理的设计。

随着纤维增强热塑性复合材料的研究发展，中国专利号CN103146073A公开了一种玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，该材料由均聚聚丙烯、玻璃纤维、PP-g-MAH、相容剂、偶联剂通过挤出造粒工艺制成，该材料的制备工艺虽然相对简单，但是该材料的强度等级不高，其拉伸强度只有60-80MPa，冲击强度为35-45J/m，该材料很难用于强度要求较高的领域。中国专利号CN102603980A公开了一种玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，该方法是将聚丙烯、聚丙烯蜡、马来酸酐、N,N-二甲基乙醇胺等通过双螺旋挤出注塑成型工艺制成玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，该法所制成的复合材料拉伸强度60-80MPa，缺口冲击强度最大为192KJ/m²，从其强度来看，达不到纤维增强聚丙烯高强度复合材料的要求。

相比以上专利，本发明所涉及的制备方法，是通过将两种纤维混杂，用缠绕、层叠热压的工艺制备混杂纤维增强热塑性复合材料片材，工艺简单易行，便于操作，而且所制备的复合材料力学性能优异，其拉伸强度可达到200MPa以上，缺口冲击强度超过200KJ/m²,并且具有较高的强度可设计性，其强度可根据要求通过改变纤维的排布来调整，这样可以使得该法所制备的复合材料能够满足更多方面的应用需要，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料片材的制备方法，该方法制备的GMT板材具有优异的力学性能。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料片材的制备方法，包括以下步骤：

(1)改性塑料包覆的连续纤维束的制备：

将PP-g-MAH、EVA、PP蜡、偶联剂按质量比为(30％-50％)：(10％-20％)：(30％-50％)：(1％-2％)配料，该配料在170-190℃下熔融得到改性塑料熔体，再将玻璃纤维与凯夫拉纤维以质量比为(40％-80％)：(60％-20％)混杂后得到的混杂纤维束通过改性塑料熔体，然后进行浸渍和拉丝，得到改性塑料包覆的连续纤维束；

(2)改性塑料包覆混杂纤维薄片的制备：

将改性塑料包覆的连续纤维束通过缠绕方式在平板金属模具表面进行定向排布，再经过热压机在170-190℃、10MPa条件下热压30min，然后冷却至室温用切割机进行切割，得到定向排布的含塑料包覆层的混杂纤维薄片；

(3)最终产品的制备：

将PP粒料和EVA以质量比为(80％-95％)：(5％-20％)配料，该配料在混炼机中混炼挤出得到聚丙烯树脂薄片，再将上述步骤(2)中所制备的改性塑料包覆混杂纤维薄片与聚丙烯树脂薄片间隔叠层经过模具在170-190℃、10MPa下热压30min，然后冷却至室温得到最终产品，即所述混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料。

所述的偶联剂可以为铝酸酯偶联剂，型号是DL411，该偶联剂为固态，其熔融温度为70-80℃，具有较好的相容性。

本方法可以采用颗粒型PP-g-MAH，其接枝率为0.8％，在190℃、2.16kg下的熔指为≥40g/10min。

本方法可以采用熔点为160℃的PP蜡，其具有熔点高(160℃)、熔融度低、润滑性、分散性好的特点。

所述的混杂纤维由玻璃纤维与凯夫拉纤维混杂而成，其质量比为(40％-80％)：

(60％-20％)，其中玻璃纤维属于无碱高强玻璃纤维，具有较高的拉伸强度和弹性模量；凯夫拉纤维由美国杜邦公司生产，细度是400D。

所述的浸渍工艺是：将混杂纤维束在170-190℃的温度条件下以0.2r/s速度通过浸渍槽，并进行连续浸渍刮胶，保证浸渍效果和≥70％的纤维含量，再通过平板模具缠绕。

所述定向排布的工艺是：根据强度要求采取45°-90°交叉排布，热压定型(160℃)、冷却、切割得所得薄片厚度为0.5㎜-1mm。

本方法可以将等厚的改性塑料包覆混杂纤维薄片、聚丙烯树脂薄片进行间隔叠层。

所述的聚丙烯树脂薄片为PP片材，其中PP片材由PP粒料和EVA以(80％-95％)：(5％-20％)的质量比混炼挤出而成，PP粒料是中石化生产的T03，分子量大于8万。

所得到的混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料板材，其厚度为5-10㎜，拉伸强度大于200MPa。该板材可根据产品要求采用热模冲压法加工成各种形状的高强度热塑性复合材料制品。

所述的EVA是美国杜邦公司生产的型号是250，熔融温度是70℃，平均分子量2000，热分解温度在230℃以上，其作为流动助剂可以很好的提高树脂熔体的流动性。

本发明同现有技术相比，具有以下注意的优点和有益效果：

1.首次使用热塑性缠绕工艺来制备高性能纤维增强热塑性复合材料(GMT)。

2.没有采取一次成型工艺，而是采用混杂纤维薄片与聚丙烯树脂薄片间隔层叠，这样能使后来的复合材料纤维排布更密集，力学性能更优异，强度具有较好的可设计性。

3.打破只用普通玻璃纤维制备GMT片材的束缚，运用强度更好的凯夫拉纤维。

4.制得的复合材料界面结合性能优异，纤维可以是连续的并且含量高(70％以上)，而且通过缠绕方式根据强度要求对纤维进行定向排布，使得复合材料具有较高的拉伸强度(最高达268MPa)、冲击性能(其缺口冲击强度为200-240KJ/m²)，使其可以在高强度热塑性复合材料领域得到广泛应用。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步阐述，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施示例。

实施例1

步骤一：将PP-g-MAH、EVA、PP蜡、偶联剂以30：19：50：1的质量比，在烘箱中以190℃的温度进行熔融共混制备熔融态树脂，再将玻璃纤维和凯夫拉纤维以80:20的质量比混杂得到的混杂纤维，以一定速度(0.2r/s)均匀通过含熔融树脂的浸渍槽拉丝，并连续刮胶，控制胶含量(质量占比小于30％)，得到改性塑料包覆连续混杂纤维；

步骤二：将处理后的混杂纤维通过缠绕方式在平板金属模具表面进行定向排布，缠绕速度为0.2r/s，然后在热压机中于180℃、10MPa的条件下热压30min，然后冷却至室温后用切割机进行切割，得到改性塑料包覆连续混杂纤维薄片；

步骤三：将PP粒料和EVA以90:10质量比在混炼机中混炼挤出得到聚丙烯树脂薄片，将所得纤维薄片与塑料薄片间隔叠层在180℃和10MPa的条件下在特定模具(尺寸由所需片材尺寸决定)中热压得到混杂纤维增强热塑性复合材料片材(高强GMT片材)。

实施例2

步骤一：将PP-g-MAH、EVA、PP蜡、偶联剂以40：18：40：2的质量比，在烘箱中以190℃的温度进行熔融共混制备熔融态树脂，再将玻璃纤维和凯夫拉纤维以70:30的质量比混杂得到的混杂纤维，以一定速度(0.2r/s)均匀通过含熔融树脂的浸渍槽拉丝，并连续刮胶，控制胶含量(质量占比小于30％)，得到改性塑料包覆连续混杂纤维；

步骤二：将处理后的混杂纤维通过缠绕方式在平板金属模具表面进行定向排布，缠绕速度为0.2r/s，然后在热压机中在180℃、10MPa的条件下热压30min，然后冷却至室温后用切割机进行切割，得到改性塑料包覆连续混杂纤维薄片；

步骤三：将PP粒料和EVA以80:20的质量比在混炼机中混炼挤出得到聚丙烯树脂薄片，将所得纤维薄片与塑料薄片间隔叠层在180℃和10MPa的条件下在特定模具(尺寸由所需片材尺寸决定)中热压得到混杂纤维增强热塑性复合材料片材(高强GMT片材)。

实施例3

步骤一：将PP-g-MAH、EVA、PP蜡、偶联剂以50：10：39：1的质量比，在烘箱中以190℃的温度进行熔融共混制备熔融态树脂，再将玻璃纤维和凯夫拉纤维以60:40的质量比混杂得到的混杂纤维，以一定速度(0.2r/s)均匀通过含熔融树脂的浸渍槽拉丝，并连续刮胶，控制胶含量(质量占比小于30％)，得到改性塑料包覆连续混杂纤维；

步骤三：将PP粒料和EVA以95:5的质量比在混炼机中混炼挤出得到聚丙烯树脂薄片，将所得纤维薄片与塑料薄片间隔叠层在180℃和10MPa的条件下在特定模具(尺寸由所需片材尺寸决定)中热压得到混杂纤维增强热塑性复合材料片材(高强GMT片材)。

实施例4

步骤一：将PP-g-MAH、EVA、PP蜡、偶联剂以48：20：30：2的质量比，在烘箱中以190℃的温度进行熔融共混制备熔融态树脂，再将玻璃纤维和凯夫拉纤维以50:50的质量比混杂得到的混杂纤维，以一定速度(0.2r/s)均匀通过含熔融树脂的浸渍槽拉丝，并连续刮胶，控制胶含量(质量占比小于30％)，得到改性塑料包覆连续混杂纤维；

步骤三：将PP粒料和EVA以85:15的质量比在混炼机中混炼挤出得到聚丙烯树脂薄片，将所得纤维薄片与塑料薄片间隔叠层在180℃和10MPa的条件下在特定模具(尺寸由所需片材尺寸决定)中热压得到混杂纤维增强热塑性复合材料片材(高强GMT片材)。

实施例5

步骤一：将PP-g-MAH、EVA、PP蜡、偶联剂以50：15：33.5：1.5的质量比，在烘箱中以190℃的温度进行熔融共混制备熔融态树脂，再将玻璃纤维和凯夫拉纤维以40:60的质量比混杂得到的混杂纤维，以一定速度(0.2r/s)均匀通过含熔融树脂的浸渍槽拉丝，并连续刮胶，控制胶含量(质量占比小于30％)，得到改性塑料包覆连续混杂纤维；

步骤三：将PP粒料和EVA以87.5:12.5的质量比在混炼机中混炼挤出得到聚丙烯树脂薄片，将所得纤维薄片与塑料薄片间隔叠层在180℃和10MPa的条件下在特定模具(尺寸由所需片材尺寸决定)中热压得到混杂纤维增强热塑性复合材料片材(GMT片材)。

对上述实施例1-5所得产品的拉伸强度及缺口冲击强度按GB(国标)进行了测试，测试结果如表1所示。

表1

Claims

1.一种混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)改性塑料包覆的连续纤维束的制备：

(2)改性塑料包覆混杂纤维薄片的制备：

(3)最终产品的制备：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的偶联剂为铝酸酯偶联剂。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于采用型号为DL411铝酸酯偶联剂。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于采用颗粒型PP-g-MAH，其接枝率为0.8％，在190℃、2.16kg下的熔指为≥40g/10min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于采用熔点为160℃的PP蜡。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的玻璃纤维为无碱高强玻璃纤维。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的浸渍工艺是：将混杂纤维束在170-190℃的温度条件下以0.2r/s速度通过浸渍槽，并进行连续浸渍刮胶，保证浸渍效果和≥70％的纤维含量。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述定向排布的工艺是：根据强度要求采取45°-90°交叉排布。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于将等厚的改性塑料包覆混杂纤维薄片、聚丙烯树脂薄片进行间隔叠层。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所得到的混杂纤维增强聚丙烯高强度复合材料板材，其厚度为5-10㎜，拉伸强度大于200MPa；该板材可根据产品要求采用热模冲压法加工成各种形状的高强度热塑性复合材料制品。