CN105038114B - 一种通过纤维增强的复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过纤维增强的复合材料，所述的复合材料中各组分的重量份数如下：聚异戊二烯20～24份，环氧酚醛树脂22～26份，聚乙烯18～22份，植物纤维粉末10～15份，轻质碳酸钙6～8份，增塑剂2.0～2.5份，硅酸酯偶联剂1.2～1.4份，十二烷基苯磺酸钠3～4份，玻璃纤维4.5～5.5份，无机晶须3.5～4.5份，硬脂酸锌1～2份，聚乙烯蜡1.5～2.4份，色粉2.5～3.0份；本发明以三种有机聚合物为原料，通过配合着玻璃纤维添加的无机晶须和植物纤维粉末结构，在保证了复合材料本身较高的硬度和力学性能的情况下，提高了复合本身的韧性和抗冲击性，使用寿命长，复合材料的应用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料的生产和制造领域，尤其涉及一种通过纤维增强的复合材料。
背景技术
目前市面上的复合材料主要是的是两种或者两种以上的不同性质的材料，通过物理或化学的方法组成具有新性能的材料；由于材料本身分为有机材料和无机材料，两者在性能上差别较大，但是通过将两者相互结合，产生协同效应，最终混合结合后得到的复合材料的综合性能远远优于原有材料，实用效果较好。
目前市面上通过纤维增强的复合材料，其本身硬度硬度好，强度大，适用于高强度的机械制造领域，但是由玻璃纤维本身的性质决定，其本身韧性和延展性较差，同时当材料表面遭遇撞击后，其表面容易磨损，这些因素大大影响了纤维增强的复合材料的应用范围和使用寿命，不能满足企业的生产过程中作为机械零部件的生产需求。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种综合性能较好，韧性和延展性较好，同时具有较高的机械强度的纤维增强的复合材料。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种通过纤维增强的复合材料，所述的复合材料中各组分的重量份数如下：聚异戊二烯20～24份，环氧酚醛树脂22～26份，聚乙烯18～22份，植物纤维粉末10～15份，轻质碳酸钙6～8份，增塑剂2.0～2.5份，硅酸酯偶联剂1.2～1.4份，十二烷基苯磺酸钠3～4份，玻璃纤维4.5～5.5份，无机晶须3.5～4.5份，硬脂酸锌1～2份，聚乙烯蜡1.5～2.4份，色粉2.5～3.0份。
本发明所述的植物纤维粉末为稻草秸秆，小麦秸秆，大豆秸秆和玉米秸秆中的一种，所述植物纤维粉末的含水率不超过5%；植物纤维粉末中必然含有少量的水分，为了避免这些水分在混合过程中影响其他原料的结合效果，需要通过烘干的方式将其去除。
本发明所述的玻璃纤维为铝硼硅酸盐纤维和钠钙硅酸盐纤维中的一种，所述的玻璃纤维中氧化钠的质量分数不超过10%；氧化钠的含量决定了玻璃纤维的酸碱性，本发明主要采用无碱或中碱类的玻璃纤维，避免了碱性材料对其他组分在混合过程中的影响。
本发明所述的无机晶须为碳化硅晶须，氧化铝晶须，氮化硅晶须和氧化锌晶须中的一种或者几种以任意比例的混合；所述的无机晶须的直径为0.1～0.3μm，长度为10～50μm。
本发明所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯中的一种或几种以任意比例的混合；当植物纤维与一些玻璃化温度和熔融流动粘度较高的树脂进行复合时，往往加工困难，常常需要添加增塑剂来改善其加工性能。增塑剂可以使高分子制品的塑性增加，改进其柔性、延伸性和加工性。。
本发明所述的聚异戊二烯重量份数为环氧酚醛树脂和聚乙烯两者重量份数之和的二分之一。
本发明所提供的一种通过纤维增强的复合材料的制备方法，其详细的制备方法如下：
1）将聚异戊二烯、环氧酚醛树脂、聚乙烯和植物纤维粉末投入到混合机中进行混合和烘干操作，搅拌1～2h，混合过程中，缓慢加入硬脂酸锌，得到混合填料。
2）将玻璃纤维、无机晶须和轻质碳酸钙加入到超声波粉碎机中进行粉碎，粉碎过程中加入硅酸酯偶联剂，持续粉碎0.5h，粉碎完成后进行过滤和干燥操作，干燥过程完成后加入十二烷基苯磺酸钠继续进行混合操作，最终得到辅助填料。
3）将步骤1）中得到的混合填料和步骤2）中得到的辅助填料加入到高混机，在100～120℃的条件下，持续混合1h，混合过程中缓慢加入聚乙烯蜡和增塑剂，再将其余原料在180～230℃的条件下，全部加入到混合体系中，持续混合20～30min，得到熔融状态的下的混合产品。
4）将步骤3）中得到的混合产品进行逐级降温冷却，逐级降温速率为10℃/20min，当产品降温到160℃时，将其投入到双螺杆挤出机中进行挤出操作，最终得到产品。
本发明所述的通过纤维增强的复合材料的制备方法，步骤2）的超声波粉碎过程中，超声波粉碎机中采用的介质为乙醇和水的混合溶液，其中混合溶液中乙醇和水的体积比为1:1。
本发明所述的通过纤维增强的复合材料的制备方法，步骤4）中的逐级降温操作优选为：原料分别在220℃，210℃，200℃，190℃，180℃，170℃，160℃，150℃的各个温度段逐级降温，每个温度段的保温时间为20min。
本发明的优点在于：本发明以三种有机聚合物为原料，通过配合着玻璃纤维添加的无机晶须和植物纤维粉末结构，在保证了复合材料本身较高的硬度和力学性能的情况下，提高了复合本身的韧性和抗冲击性，无机晶须与有机聚合物充分接触和混合，其较小的颗粒均匀分布在有机聚合物之间，形成稳定的结构，保证材料本身的稳定性，同时通过十二烷基苯磺酸钠和硅酸酯的组合作用，使得无机晶须和玻璃纤维在复合材料中可以发生一定距离的偏移，而不影响复合材料内部结构的稳定性，进而提高了复合材料的延展性，提高了复合材料本身的使用寿命，最终提高了复合材料的应用范围。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例1：一种通过纤维增强的复合材料，所述的复合材料中各组分的重量份数如下：聚异戊二烯20份，环氧酚醛树脂22份，聚乙烯18份，稻草粉末10份，轻质碳酸钙6份，邻苯二甲酸二丁酯2.0份，硅酸酯偶联剂1.2份，十二烷基苯磺酸钠3份，铝硼硅酸盐纤维4.5份（氧化钠含量3.2%），碳化硅晶须3.5份，硬脂酸锌1份，聚乙烯蜡1.5份，色粉2.5份。
通过上述配方进行生产，最终得到的复合材料的硬度为62HRR，横向拉伸强度为42.13MPa，其冲击强度7.26KJ·mm-2，弯曲弹性模量为2121MPa。
实施例:2：一种通过纤维增强的复合材料，所述的复合材料中各组分的重量份数如下：聚异戊二烯24份，环氧酚醛树脂26份，聚乙烯22份，小麦秸秆粉末15份，轻质碳酸钙8份，邻苯二甲酸二辛酯2.5份，硅酸酯偶联剂1.4份，十二烷基苯磺酸钠4份，钠钙硅酸盐纤维5.5份（氧化钠含量7.6%），氧化铝晶须4.5份，硬脂酸锌2份，聚乙烯蜡2.4份，色粉3.0份。
通过上述配方进行生产，最终得到的复合材料的硬度为60HRR，横向拉伸强度为43.13MPa，其冲击强度7.75KJ·mm-2，弯曲弹性模量为2189MPa。
实施例3：一种通过纤维增强的复合材料，，所述的复合材料中各组分的重量份数如下：聚异戊二烯21份，环氧酚醛树脂23份，聚乙烯19份，大豆秸秆粉末12份，轻质碳酸钙7份，癸二酸二辛酯2.2份，硅酸酯偶联剂1.3份，十二烷基苯磺酸钠3.4份，钠钙硅酸盐纤维4.8份（氧化钠含量9.8%），碳化硅晶须1.4份，氮化硅晶须1.5份，硬脂酸锌1.5份，聚乙烯蜡2.2份，色粉2.8份。
通过上述配方进行生产，最终得到的复合材料的硬度为61HRR，横向拉伸强度为45.13MPa，其冲击强度7.46KJ·mm-2，弯曲弹性模量为2230MPa。
实施例4：一种通过纤维增强的复合材料，，所述的复合材料中各组分的重量份数如下：聚异戊二烯23份，环氧酚醛树脂25份，聚乙烯21份，玉米秸秆粉末14份，轻质碳酸钙7.5份，邻苯二甲酸二丁酯0.8份、邻苯二甲酸二辛酯0.8份、癸二酸二辛酯0.8份，硅酸酯偶联剂1.35份，十二烷基苯磺酸钠3.6份，铝硼硅酸盐纤维5.2份（氧化钠含量0.8%），氧化铝晶须2.1份，氧化锌晶须2.2份，硬脂酸锌1.8份，聚乙烯蜡1.9份，色粉2.7份。
通过上述配方进行生产，最终得到的复合材料的硬度为63HRR，横向拉伸强度为48.22MPa，其冲击强度8.16KJ·mm-2，弯曲弹性模量为2298MPa。
实施例5：将以上实施例1-4的实验中的配方的用量进行进行对比实验，最终得到的实验结果如下表所示
。
由上表可知：其中当聚异戊二烯重量份数为环氧酚醛树脂和聚乙烯两者重量份数之和的二分之一时，得到的最终产品的综合性能较高，而当聚异戊二烯的用量变少时，最终产品的抗冲击强度变小，进而影响其延展性，由于无机晶须在复合材料中起到了稳定的作用，当其用量过少时，则产品本身的硬度降低；而当其用量过多时，产品的弯曲弹性模量有所提升，但是由于配方中其他润滑剂等组分用量未发生改变，则导致最终产品本身的冲击强度和延展性有所下降；对于配方中玻璃纤维的氧化钠含量，由于氧化钠在混合过程中呈碱性，其本身容易改变聚合物本身的性状，使其硬度增加，但是当其用量过多时，则会影响最终产品的延展性能。
实施例6：一种通过纤维增强的复合材料的制备方法，其详细的制备方法如下：
1）将聚异戊二烯、环氧酚醛树脂、聚乙烯和植物纤维粉末投入到混合机中进行混合和烘干操作，搅拌1～2h，混合过程中，缓慢加入硬脂酸锌，得到混合填料。
2）将玻璃纤维、无机晶须和轻质碳酸钙加入到超声波粉碎机中进行粉碎，超声波粉碎机中采用的介质为乙醇和水的混合溶液，其中混合溶液中乙醇和水的体积比为1:1:；粉碎过程中加入硅酸酯偶联剂，持续粉碎0.5h，粉碎完成后进行过滤和干燥操作，干燥过程完成后加入十二烷基苯磺酸钠继续进行混合操作，最终得到辅助填料。
3）将步骤1）中得到的混合填料和步骤2）中得到的辅助填料加入到高混机，在100～120℃的条件下，持续混合1h，混合过程中缓慢加入聚乙烯蜡和增塑剂，再将其余原料在180～230℃的条件下，全部加入到混合体系中，持续混合20～30min，得到熔融状态的下的混合产品。
4）将步骤3）中得到的混合产品进行逐级降温冷却，逐级降温操作为：原料分别在220℃，210℃，200℃，190℃，180℃，170℃，160℃，150℃的各个温度段逐级降温，每个温度段的保温时间为20min。当产品降温到160℃时，将其投入到双螺杆挤出机中进行挤出操作，最终得到产品。
本发明的熔融冷却过程中，采用逐级降温的方式进行冷却，其主要是为了方便最终产品中的各组分充分混合，由于在高温条件下，最终产品中各组分之间形成的稳定连接结构不太稳定，快速冷却虽然效率较高，但是快速冷却过程中，容易导致最终产品中的各组分之间形成的稳定机构发生断裂，进而影响最终产品的挤出效果和稳定性。
需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所作出的等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种通过纤维增强的复合材料，其特征在于，所述的复合材料中各组分的重量份数如下：聚异戊二烯20～24份，环氧酚醛树脂22～26份，聚乙烯18～22份，植物纤维粉末10～15份，轻质碳酸钙6～8份，增塑剂2.0～2.5份，硅酸酯偶联剂1.2～1.4份，十二烷基苯磺酸钠3～4份，玻璃纤维4.5～5.5份，无机晶须3.5～4.5份，硬脂酸锌1～2份，聚乙烯蜡1.5～2.4份，色粉2.5～3.0份；所述的聚异戊二烯重量份数为环氧酚醛树脂和聚乙烯两者重量份数之和的二分之一。
2.根据权利要求1所述的通过纤维增强的复合材料，其特征在于，所述的植物纤维粉末为稻草秸秆，小麦秸秆，大豆秸秆和玉米秸秆中的一种，所述植物纤维粉末的含水率不超过5%。
3.根据权利要求1所述的通过纤维增强的复合材料，其特征在于，所述的玻璃纤维为铝硼硅酸盐纤维和钠钙硅酸盐纤维中的一种，所述的玻璃纤维中氧化钠的质量分数不超过10%。
4.根据权利要求1所述的通过纤维增强的复合材料，其特征在于，所述的无机晶须为碳化硅晶须，氧化铝晶须，氮化硅晶须和氧化锌晶须中的一种或者几种以任意比例的混合；所述的无机晶须的直径为0.1～0.3μm，长度为10～50μm。
5.根据权利要求1所述的通过纤维增强的复合材料，其特征在于，所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯中的一种或几种以任意比例的混合。
6.一种权利要求1所述的通过纤维增强的复合材料的制备方法，其特征在于，其详细的制备方法如下：
1）将聚异戊二烯、环氧酚醛树脂、聚乙烯和植物纤维粉末投入到混合机中进行混合和烘干操作，搅拌1～2h，混合过程中，缓慢加入硬脂酸锌，得到混合填料；
2）将玻璃纤维、无机晶须和轻质碳酸钙加入到超声波粉碎机中进行粉碎，粉碎过程中加入硅酸酯偶联剂，持续粉碎0.5h，粉碎完成后进行过滤和干燥操作，干燥过程完成后加入十二烷基苯磺酸钠继续进行混合操作，最终得到辅助填料；
3）将步骤1）中得到的混合填料和步骤2）中得到的辅助填料加入到高混机，在100～120℃的条件下，持续混合1h，混合过程中缓慢加入聚乙烯蜡和增塑剂，再将其余原料在180～230℃的条件下，全部加入到混合体系中，持续混合20～30min，得到熔融状态的下的混合产品；
4）将步骤3）中得到的混合产品进行逐级降温冷却，逐级降温速率为10℃/20min，当产品降温到160℃时，将其投入到双螺杆挤出机中进行挤出操作，最终得到产品。
7.根据权利要求6所述的通过纤维增强的复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2）的超声波粉碎过程中，超声波粉碎机中采用的介质为乙醇和水的混合溶液，其中混合溶液中乙醇和水的体积比为1:1。
8.根据权利要求6所述的通过纤维增强的复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤4）中的逐级降温操作优选为：原料分别在220℃，210℃，200℃，190℃，180℃，170℃，160℃的各个温度段逐级降温，每个温度段的保温时间为20min。
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