CN105037878A - 一种短切碳纤维增强的木塑复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及木塑复合材料技术领域，特别涉及一种短切碳纤维增强的木塑复合材料。本发明公开了一种短切碳纤维增强的木塑复合材料，按重量份数，包括：聚烯烃塑料30~50份；短切碳纤维6~20份；相容剂1~4份；润滑剂0.5~1.5份；木粉50~60份。该复合材料物理力学性能明显提高，制备方法简单，可回收，解决了木塑复合材料在某些应用场合强度不足的问题，拓展了木塑复合材料的应用范围。

Description

一种短切碳纤维增强的木塑复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种短切碳纤维增强的木塑复合材料及其制备方法。
背景技术
木塑复合材料已是一种商业化产品并形成了相关制造产业，当前木塑复合材料主要用于包装行业、建筑行业、汽车飞机配件并不断用于其他新兴领域。然而木塑复合材料自身物理力学性能偏低已成为限制其应用的一个短板，并且木塑复合材料的总体性能也有继续提高的可能性，因此制备一种高性能木塑复合材料的极为必要的，直接关系到木塑复合材料产业的精深发展壮大。
添加增强体是一种有效增强复合材料性能的方法，短切碳纤维是复合材料常用的一种增强材料，其自身物理力学性能很高。当前采用短切碳纤维增强木塑复合材料的相关研究刚刚起步且并未出现可推广应用的成熟技术。现有技术还存在很多问题，如当前的制备方法较为繁琐，一般需对短切碳纤维进行表面改性处理，此外短切碳纤维与塑料基体之间的界面相容问题也未解决。本发明公开了一种在木塑复合材料制备过程中添加短切碳纤维的制备方法，工艺简单，增强效果明显。
发明内容
本发明要解决木塑复合材料力学性能的不足，提出采用短切碳纤维增强木塑复合材料，并提供一种相对简单的制备方法。
本发明的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料按质量份数由30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、0.5~1.5份润滑剂、1~4份相容剂和50~60份木粉制备而成。
本发明的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料的制备方法是按以下步骤进行的：
一、称取：按质量份数称取30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉；
二、将步骤一称取的30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉在高混机中混合均匀，混合速度1400~3000r/min，混合时间为15~30min，然后用混合料通过挤出机造粒，造粒温度为150℃~210℃，得到木塑粒料；
三、将木塑粒料进行成型加工，即得到短切碳纤维增强的木塑复合材料。
本发明的有益效果是：本发明制备的短切碳纤维增强的木塑复合材料力学强度明显提高，短切碳纤维与塑料基体间的界面相容性较好，相容剂的作用机理是渗透覆盖在短切碳纤维表面并与塑料基体间有紧密连接，可见该复合材料体系中相容剂发挥了应有的作用并确保了短切碳纤维的增强效果，此外为了确保特定长度的短切碳纤维在木塑复合材料中有较好的分散性，本发明限制了短切碳纤维的长度，并为制备高性能的木塑复合材料提供了一种有效可行的方法。
通过本发明制备的短切碳纤维增强的木塑复合材料，拉伸强度提高15%~30%，弯曲强度提高18%~40%，冲击强度提高10%~20%。
本发明用于一种短切碳纤维增强的木塑复合材料及其制备方法。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种短切碳纤维增强的木塑复合材料按质量份数由30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉制备而成。
通过本实施方式制备的短切碳纤维增强的木塑复合材料，拉伸强度提高15%~30%，弯曲强度提高18%~40%，冲击强度提高10%~20%。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯中的一种；所述的短切碳纤维长度为2~10mm，是PAN基工业用长碳纤维经刀切获得的。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种；所述的润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡中的一种；所述的木粉目数为20~120目。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式所述的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料的制备方法，是按以下步骤进行的：
一、称取：按质量份数称取30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉；
二、将步骤一称取的30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉在高混机中混合均匀，混合速度1400~3000r/min，混合时间为15~30min，然后用混合料通过挤出机造粒，造粒温度为150℃~210℃，得到木塑粒料；
三、将木塑粒料进行成型加工，即得到短切碳纤维增强的木塑复合材料。
本实施方式步骤二中所述的挤出机为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。
通过本实施方式制备的短切碳纤维增强的木塑复合材料，拉伸强度提高15%~30%，弯曲强度提高18%~40%，冲击强度提高10%~20%。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述的聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯中的一种；步骤一中所述的短切碳纤维长度为2~10mm，是PAN基工业用长碳纤维经刀切获得的；步骤一所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种；步骤一中润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡中的一种；步骤一所述的木粉目数为20~120目。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五之一不同的是：步骤三中所述的成型加工为挤出成型或模压成型。其它与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：当所述的成型加工为挤出成型时，挤出温度为140℃~200℃，口模温度为140℃~200℃；当所述的成型加工为模压成型时，模压温度为150℃~200℃，模压压力为1.5MPa~7.0MPa，冷却后定型。其它与具体实施方式四至六相同。
本实施方式所述的挤出成型使用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例所述的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料的制备方法，具体是按照以下步骤进行的：
一、称取：按质量份数称取35份聚烯烃塑料、10份短切碳纤维、4份相容剂、1份润滑剂和50份木粉；
二、将步骤一称取的35份聚烯烃塑料、10份短切碳纤维、1份润滑剂、4份相容剂和50份木粉在高混机中混合均匀，混合速度1400~3000r/min，混合时间为15~30min，然后将混合料用双螺杆挤出机进行造粒，造粒温度一到七区分别是157℃、165℃、165℃、170℃、172℃、167℃及160℃，螺杆转速为30r/min，得到木塑粒料；
三、将木塑粒料进行成型加工，即得到短切碳纤维增强的木塑复合材料。
步骤一中所述的聚烯烃为高密度聚乙烯：牌号2200J，大庆石化；
步骤一中所述的短切碳纤维为长碳纤维刀切获得，长度为4mm，型号UTS50，直径7.0μm，日本东邦公司；
步骤一中所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯，接枝率为1wt%，熔融指数≥50g/10min，上海日之升新技术发展有限公司；
步骤一中所述的润滑剂为聚乙烯蜡，市售；
步骤一中所述的木粉为杨木粉，目数40~80目，含水率≤3%。
步骤三中所述的成型加工为单螺杆挤出机挤出成型，设定一区到四区温度分别是142℃、157℃、160℃及164℃，模口温度165℃，螺杆转速为8r/min。
实施例二：本实施方式与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取35份聚烯烃塑料、12份短切碳纤维、4份相容剂、1份润滑剂和50份木粉；其它与实施例一相同。
实施例三：本实施方式与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取35份聚烯烃塑料、8份短切碳纤维、4份相容剂、1份润滑剂和50份木粉；其它与实施例一相同。
实施例四：本实施方式与实施例一不同的是：步骤一中所述的短切碳纤维长度为6mm。其它与实施例一相同。
对比试验：实施例一至四的对比试验，本实施方式与实施例一不同的是：步骤一中按质量份数称取35份聚烯烃塑料、4份相容剂、1份润滑剂和60份木粉。其它与实施例一相同。
对实施例一至四制备的短切碳纤维增强的木塑复合材料及对比试验制备的木塑复合材料进行静态力学性能测试，拉伸、弯曲和冲击强度测试结果如表1所示。
表1：短切碳纤维增强的木塑复合材料力学性能测试结果
测试项目 拉伸强度（MPa） 弯曲强度（MPa） 冲击强度（MPa）
测试方法 ASTM-D 638-03 ASTM-D790 GB/T1043-93
实施例一 51.69±1.28 83.95±1.04 14.20±1.02
实施例二 53.72±0.56 85.20±0.54 13.73±1.08
实施例三 48.83±1.08 81.56±1.10 12.29±0.48
实施例四 52.08±0.69 81.65±0.72 13.16±1.02
对比试验 43.14±1.22 61.14±1.12 11.03±0.51
由表可知实施例一至三与对比试验均在相同试验条件下造粒挤出，当4mm长的短切碳纤维分别添加8份、10份、12份时，短切碳纤维增强的木塑复合材料拉伸强度分别提高13.18%、19.81%、24.5%；弯曲强度分别提高33.33%、37.30%、39.35%；冲击强度分别提高11.42%、28.73%、24.27%；实施例一及实施四与对比试验均在相同试验条件下造粒挤出，当短切碳纤维添加量均为10份但长度分别为4mm和6mm时，短切碳纤维增强的木塑复合材料拉伸强度分别提高19.81%、20.72%；弯曲强度分别提高37.30%、33.54%；冲击强度分别提高28.73%、19.31%。由以上可知添加短切碳纤维可增强木塑复合材料，短切碳纤维的添加量和纤维长度对增强效果有一定影响即短切碳纤维的纤维长度应适中不宜过长也不宜过短且短切碳纤维的添加量为10份和12份时短切碳纤维增强的木塑复合材料的总体力学性能较好。

Claims (6)

1.一种短切碳纤维增强的木塑复合材料，其特征在于一种短切碳纤维增强的木塑复合材料按质量分数由30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料，其特征在于所述的聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯中的一种；所述的短切碳纤维长度为2~10mm，是PAN基工业用长碳纤维经刀切获得的。
3.根据权利要求1所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种；所述的润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡中的一种；所述的木粉目数为20~120目。
4.制备权利要求1所述的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料的方法，其特征在于一种短切碳纤维增强的木塑复合材料的制备方法是按以下步骤进行的：
一、称取：按质量份数称取30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉；
二、将步骤一称取的30~50份聚烯烃塑料、6~20份短切碳纤维、1~4份相容剂、0.5~1.5份润滑剂和50~60份木粉在高混机中混合均匀，混合速度1400~3000r/min，混合时间为15~30min，然后用混合料通过挤出机造粒，造粒温度为150℃~210℃，得到木塑粒料；
三、将木塑粒料进行成型加工，即得到短切碳纤维增强的木塑复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的聚烯烃为聚乙烯、聚丙烯中的一种；步骤一中所述的短切碳纤维长度为2~10mm，是PAN基工业用长碳纤维经刀切获得的；步骤一中所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种；步骤一中所述的润滑剂为石蜡、聚乙烯蜡、聚丙烯蜡中的一种；步骤一中所述的木粉目数为20~120目。
6.根据权利要求4所述的一种短切碳纤维增强的木塑复合材料的制备方法，其特征在于当所述的成型加工为挤出成型时，挤出温度为140℃~200℃，口模温度为140℃~200℃；当所述的成型加工为模压成型时，模压温度为150℃~200℃，模压压力为1.5MPa~7.0MPa，冷却后定型。
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