CN104725748A - 超惰性纤维增强复合材料及制备方法 - Google Patents

超惰性纤维增强复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超惰性纤维增强复合材料及及制备方法，为解决现有防腐材料可加工性能差问题，材料是连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，再通过固化成型形成的纤维带状材料。所述聚偏氟乙烯树脂悬浮液的重量组分包括：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末，5-25份的界面增强剂，20-100份的分散剂和适量的水；所述纤维为机械性能和尺寸稳定性的人工纤维材料。方法是将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，利用聚偏氟乙烯树脂的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品。具有力学性、防腐蚀性、热稳定性、耐候性、机械性能和可加工性可操作性好的优点。

Description

超惰性纤维增强复合材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种纤维增强复合材料，特别是涉及一种超惰性纤维增强复合材料及制备方法。
技术背景
复合材料是近几十年来材料工艺发展而形成的一种新材料的总称，已广泛应用于各个领域，如航天、航空、汽车、造船、医疗和各种民用工业，其是由两种或两种以上组份材料复合而成的一种多相材料，可以根据使用条件的不同要求进行性能设计以满足多种特殊用途。纤维作为一种力学性能优异的材料，可用于增强高分子基体的机械性能，同时还可保持高分子基体自身的特殊性能。
现在市面上有很多防腐蚀的高分子材料，如聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)，具有优异的化学惰性，但其自身的热稳定性、耐候性、机械性能和可加工性等性能的不足，极大地限制了其应用领域，所以寻找具有优异的抗腐蚀、机械性能、稳定性且性价比高的材料是行业中所面临的课题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种力学性、防腐蚀性、热稳定性、耐候性、机械性能和可加工性好的超惰性纤维增强复合材料，本发明还涉及该超惰性纤维增强复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明超惰性纤维增强复合材料是连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，再通过固化成型形成的纤维带状材料。采用化学惰性极强的聚偏氟乙烯树脂作为基体材料，并用纤维材料与其均匀共混，从而极大地提高材料的机械性能和稳定性。本发明能最大的发挥了成分中两种材料自身的优点，使其在具有十分优异的防腐蚀性和耐候性的同时也拥有极好的机械性能和稳定性。具有力学性、防腐蚀性、热稳定性、耐候性、机械性能和可加工性好的优点。
作为优化，所述聚偏氟乙烯树脂悬浮液的重量组分包括：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末，5-25份的界面增强剂，20-100份的分散剂和适量的水；优选300份的聚偏氟乙烯(PVDF)树脂、15份的界面增强剂、60份的分散剂和适量的水制成。
所述纤维为机械性能和尺寸稳定性的人工纤维材料。
作为优化，所述聚偏氟乙烯树脂悬浮液是先将分散剂加入水中，随着搅拌进行，再将聚偏氟乙烯粉末和界面增强剂逐步加入水中，继续搅拌直至分散均匀制得；所述水为4375-4875重量份；优选300份的聚偏氟乙烯PVDF树脂粉末、15份的界面增强剂、60份的分散剂和4625份的水制成。
所述纤维是包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高份子量聚乙烯纤维等具有优异力学性能的纤维材料；
所述界面增强剂是双官能团或多官能团的偶联剂，可以促使基体材料和纤维材料在加工成型的过程中形成共价键，以增强其界面剪切力。界面增强剂可为3-氨基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯或马来酸酐接枝聚偏氟乙烯其中一种或多种的混合物。
所述分散剂是阴离子表面活性剂、含氟表面活性剂和含硅分散剂配合的复合分散剂。
作为优化，由包括如下重量比的组分：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末、适量的界面增强剂、适量的分散剂和375-875的纤维制成。
作为优化，由包括如下重量比的组分：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末、5-25份的界面增强剂、20-100份的分散剂和375-875份的纤维制成。
由如下重量比的组分：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末、5-25份的界面增强剂、20-100份的分散剂和375-875的纤维及4375-4875重量份水制成。优选300份的聚偏氟乙烯(PVDF)树脂、15份的界面增强剂、60份的分散剂和625份的纤维、4625份的水制成。
作为优化，是将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，利用聚偏氟乙烯树脂的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品，如板材、片材和管材等。
作为优化，所述通过连续型固化装置进行成型是通过牵引、浸润、一次加热烘干、二次加热熔融、压片和缠绕等步骤制成纤维带状材料。经测试，按重量组分，这种复合材料具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。所述二次加热熔融是使PVDF树脂熔融成粘流态，使其在压片的过程中能够均匀地包裹纤维材料。
本发明所述复合材料的制备方法是将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，利用聚偏氟乙烯树脂的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品，如板材、片材和管材等。
作为优化，所述通过连续型固化装置进行成型是通过牵引、浸润、一次加热烘干、二次加热熔融、压片和缠绕等步骤制成纤维带状材料；所述二次加热熔融是使PVDF树脂熔融成粘流态，使其在压片的过程中能够均匀地包裹纤维材料。
所述聚偏氟乙烯PVDF悬浮液是先将分散剂加入水中，随着搅拌进行，再将聚偏氟乙烯粉末和界面增强剂逐步加入水中，继续搅拌直至分散均匀制得。
作为优化，所述通过连续型固化装置进行成型是由纤维旋架向悬浮液槽供连续长纤维料，悬浮液浸润后的连续长纤维料出自悬浮液槽后进入干燥烘箱进行一次加热烘干，经烘干的连续长纤维料进入熔融烘箱进行二次加热熔融使树脂熔融成粘流态，经加热熔融的连续长纤维料经压片装置成型，使其在压片的过程中能够均匀地包裹纤维，经成型的连续长纤维料最后收集至卷轮上。
具体步骤为：(1)制备聚偏氟乙烯悬浮液，按重量其组分，先将规定重量份的分散剂加入到规定重量份的水中，随着搅拌进行，再将规定份的聚偏氟乙烯树脂粉末和规定重量份的界面增强剂逐步加入，继续搅拌直至得到均匀聚偏氟乙烯悬浮液；(2)将连续的纤维材料安装到连续生产线中的纤维旋架上；(3)开启连续生产线后，通过卷轮的卷动牵引，纤维材料会先浸入制备好的聚偏氟乙烯悬浮液，接下来通过干燥烘箱一次加热烘干，再通过熔融烘箱二次加热熔融使PVDF树脂熔融成粘流态，使其在压片的过程中能够均匀地包裹纤维材料，最后形成带状材料附于卷轮上；(4)可将这种带状材料依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品，如板材、片材和管材等。
所述聚偏氟乙烯树脂悬浮液的重量组分包括：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末，5-25份的界面增强剂，20-100份的分散剂和4375-4875份的水。优选300公斤的聚偏氟乙烯(PVDF)树脂粉末、15公斤的界面增强剂、60公斤的分散剂和4625公斤的水制成。
经测试，按重量组分，这种方法制成的复合材料具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。
在聚偏氟乙烯(PVDF)的分子链上，碳-氟键(C-F)要比传统的碳-氢键有更强的键能，同时氟原子也比氢原子的体积大许多，所以很好的保护了高分子主链上键能较弱的碳-碳键(C-C)，因此，在聚偏氟乙烯聚合物具有极好的化学惰性。增强纤维材料具有许多优良性能，其轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐高温，耐疲劳性好等，所以很好的补偿了高分子材料在力学性能方面的不足，极大地提高了机械性能和稳定性。界面增强剂是一种双官能团或多官能团的偶联剂，可以促使树脂基体材料和纤维材料在加工成型的过程中形成共价键，以增强其界面剪切力。
本发明超惰性纤维增复合材料，主要用于解决传统塑料材料在长期接触活性及腐蚀性物质时或长期曝光于恶劣环境时所产生的侵蚀、开裂、机械性能下降等问题。本技术方案是将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯PVDF悬浮液，利用PVDF的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品，如板材、片材、和管道。PVDF树脂的惰性特质可以极大地降低各种液体和气体对其基体材料破坏及腐蚀，同时通过利用纤维增强的方法则可极大地提高材料的机械性能，从而有效地提高的材料的性能和使用寿命。
采用上述技术方案后，本发明超惰性纤维增强复合材料及制备方法具有力学性、防腐蚀性、热稳定性、耐候性、机械性能和可加工性可操作性好的优点。
附图说明
图1为本发明超惰性纤维增强复合材料的生产方法的连续生产加工流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明：
实施例一，本发明超惰性纤维增强复合材料是连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯PVDF悬浮液，再通过固化成型形成的纤维带状材料。由如下重量比的组分：100公斤的聚偏氟乙烯PVDF树脂、5公斤的界面增强剂、20公斤的分散剂和375公斤的纤维、4375公斤的水制成。界面增强剂具体为3-氨基丙基三甲氧基硅烷。
所述纤维为机械性能和尺寸稳定性的人工纤维材料。所述纤维是包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高份子量聚乙烯纤维等具有优异力学性能的纤维材料，优选玻璃纤维。
所述界面增强剂是双官能团或多官能团的偶联剂，可以促使基体材料和纤维材料在加工成型的过程中形成共价键，以增强其界面剪切力。
所述分散剂是阴离子表面活性剂、含氟表面活性剂和含硅分散剂配合的复合分散剂。
是将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯PVDF悬浮液，利用聚偏氟乙烯PVDF的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品，如板材、片材和管材等。所述通过连续型固化装置进行成型是通过牵引、浸润、一次加热烘干、二次加热熔融、压片和缠绕等步骤制成纤维带状材料。
所述通过连续型固化装置进行成型是由纤维旋架1向悬浮液槽2供连续长纤维料9，悬浮液浸润后的连续长纤维料9出自悬浮液槽2后进入干燥烘箱3进行一次加热烘干，经烘干的连续长纤维料9进入熔融烘箱4进行二次加热熔融使树脂熔融成粘流态，经加热熔融的连续长纤维料9经压片装置5成型，使其在压片的过程中能够均匀地包裹纤维，经成型的连续长纤维料9最后收集至卷轮6上。
具体步骤为：(1)制备聚偏氟乙烯悬浮液，按重量其组分，先将规定重量份的分散剂加入到规定重量份的水中，随着搅拌进行，再将规定份的聚偏氟乙烯树脂粉末和规定重量份的界面增强剂逐步加入，继续搅拌直至得到均匀聚偏氟乙烯悬浮液；(2)将连续的纤维材料安装到连续生产线中的纤维旋架上；(3)开启连续生产线后，通过卷轮的卷动牵引，纤维材料会先浸入制备好的聚偏氟乙烯悬浮液，接下来通过干燥烘箱一次加热烘干，再通过熔融烘箱二次加热熔融使PVDF树脂熔融成粘流态，使其在压片的过程中能够均匀地包裹纤维材料，最后形成带状材料附于卷轮上；(4)可将这种带状材料依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品，如板材、片材和管材等。
经测试，这种复合材料具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。
实施例二，本发明超惰性纤维增强复合材料与实施例一的区别在于由如下重量比的组分：500公斤的聚偏氟乙烯PVDF树脂、25公斤的界面增强剂、100公斤的分散剂和875公斤的芳纶纤维、4875公斤的水制成。经测试，这种复合材料具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。界面增强剂具体为3-氨基丙基三乙氧基硅烷。
实施例三，本发明超惰性纤维增强复合材料与实施例一的区别在于由如下重量比的组分：100公斤的聚偏氟乙烯PVDF树脂、25公斤的界面增强剂、20公斤的分散剂和875公斤的超高份子量聚乙烯纤维、4375公斤的水制成。经测试，这种复合材料具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。界面增强剂具体为马来酸酐接枝聚乙烯。
实施例四，本发明超惰性纤维增强复合材料与实施例一的区别在于由如下重量比的组分：500公斤的聚偏氟乙烯PVDF树脂、5公斤的界面增强剂、100公斤的分散剂和375公斤的玻璃纤维、4875份的水制成。经测试，这种复合材料具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。界面增强剂具体为马来酸酐接枝聚丙烯。
实施例五，本发明超惰性纤维增强复合材料与实施例一的区别在于由如下重量比的组分：300公斤的聚偏氟乙烯PVDF树脂、15公斤的界面增强剂、60公斤的分散剂和625公斤的玻璃纤维、4625公斤的水制成。经测试，这种复合材料具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。界面增强剂具体为马来酸酐接枝聚偏氟乙烯。
实施例六，本发明超惰性纤维增强复合材料与实施例一的区别在于由如下重量比的组分150公斤的聚偏氟乙烯树脂粉末、5公斤的界面增强剂、20公斤的分散剂和850公斤的纤维和4875公斤的水制成。界面增强剂具体为3-氨基丙基三甲氧基硅烷与3-氨基丙基三乙氧基硅烷的1∶1重量比混合物。
首先制备上述的PVDF悬浮液，按重量其组分，先将分散剂加入到中，随着搅拌进行，再将聚偏氟乙烯树脂粉末和界面增强剂逐步加入，继续搅拌直至得到均匀PVDF悬浮液。再利用上述的连续生产加工装置生产玻璃纤维增强PVDF复合材料，通过牵引、浸润、烘干(一次加热)、熔融(二次加热)、压片和缠绕等步骤制成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品，如板材、片材和管材等。
更具体是本发明复合材料的制备方法是：先依下列方法制得聚偏氟乙烯PVDF悬浮液，即是先将分散剂加入水中，随着搅拌进行，再将聚偏氟乙烯粉末和界面增强剂逐步加入水中，继续搅拌直至分散均匀制得。再将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯PVDF悬浮液，利用聚偏氟乙烯PVDF树脂的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品。所述通过连续型固化装置进行成型是通过牵引、浸润、一次加热烘干、二次加热熔融、压片和缠绕等步骤制成纤维带状材料；具体是所述通过连续型固化装置进行成型是由纤维旋架1向悬浮液槽2供连续长纤维料9，悬浮液浸润后的连续长纤维料9出自悬浮液槽2后进入干燥烘箱3进行一次加热烘干，经烘干的连续长纤维料9进入熔融烘箱4进行二次加热熔融，经加热熔融的连续长纤维料9经压片装置5成型，经成型的连续长纤维料9最后收集至卷轮6上。经测试，这种复合材料成品具有极好的机械性能和稳定性，优异的防腐蚀性和耐候性。

Claims (10)

1.一种超惰性纤维增强复合材料，其特征在于是连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，再通过固化成型形成的纤维带状材料。
2.如权利要求1所述复合材料，其特征在于所述聚偏氟乙烯树脂悬浮液的重量组分包括：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末，5-25份的界面增强剂，20-100份的分散剂和适量的水；
所述纤维为机械性能和尺寸稳定性的人工纤维材料。
3.如权利要求2所述复合材料，其特征在于所述聚偏氟乙烯树脂悬浮液是先将分散剂加入水中，随着搅拌进行，再将聚偏氟乙烯粉末和界面增强剂逐步加入水中，继续搅拌直至分散均匀制得；所述水为4375-4875重量份；
所述纤维是包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高份子量聚乙烯纤维等具有优异力学性能的纤维材料；
所述界面增强剂是双官能团或多官能团的偶联剂，可以促使基体材料和纤维材料在加工成型的过程中形成共价键，以增强其界面剪切力。
所述分散剂是阴离子表面活性剂、含氟表面活性剂和含硅分散剂配合的复合分散剂。
4.如权利要求1所述复合材料，其特征在于由包括如下重量比的组分：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末、适量的界面增强剂、适量的分散剂和375-875的纤维制成。
5.如权利要求4所述复合材料，其特征在于由包括如下重量比的组分：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末、5-25份的界面增强剂、20-100份的分散剂和375-875份的纤维制成。
由如下重量比的组分：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末、5-25份的界面增强剂、20-100份的分散剂和375-875的纤维及4375-4875重量份水制成。
6.如权利要求1-5任一所述复合材料，其特征在于是将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，利用聚偏氟乙烯树脂的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品。
7.如权利要求5所述复合材料，其特征在于所述通过连续型固化装置进行成型是通过牵引、浸润、一次加热烘干、二次加热熔融、压片和缠绕等步骤制成纤维带状材料。
8.一种权利要求1所述复合材料的制备方法，其特征在于是将连续的长纤维先浸入聚偏氟乙烯树脂悬浮液，利用聚偏氟乙烯树脂的浓度来控制产品中纤维含量，再通过连续型固化装置进行成型，形成纤维带状材料，这种材料可依据模具形状或缠绕直径加工成各种形状的复合材料成品。
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于所述通过连续型固化装置进行成型是通过牵引、浸润、一次加热烘干、二次加热熔融、压片和缠绕等步骤制成纤维带状材料；
所述聚偏氟乙烯(PVDF)悬浮液是先将分散剂加入水中，随着搅拌进行，再将聚偏氟乙烯粉末和界面增强剂逐步加入水中，继续搅拌直至分散均匀制得。
10.根据权利要求7或者8所述制备方法，其特征在于所述通过连续型固化装置进行成型是由纤维旋架向悬浮液槽供连续长纤维料，悬浮液浸润后的连续长纤维料出自悬浮液槽后进入干燥烘箱进行一次加热烘干，经烘干的连续长纤维料进入熔融烘箱进行二次加热熔融使树脂熔融成粘流态，经加热熔融的连续长纤维料经压片装置成型，使其在压片的过程中能够均匀地包裹纤维，经成型的连续长纤维料最后收集至卷轮上。
所述聚偏氟乙烯树脂悬浮液的重量组分包括：100-500份的聚偏氟乙烯树脂粉末，5-25份的界面增强剂，20-100份的分散剂和4375-4875份的水。
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