CN105504501A - 一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，其包括以下重量份计的原料：天然纤维：10-35；聚丙烯：50-85；相容剂：1-10；偶联剂：0.5-2；抗氧剂：0.1-1；润滑剂：0.5-2；防霉抗菌剂：0.2-2。本发明的有益效果为：采用价格低廉、资源丰富、比模量高、密度低的天然纤维来制备车用增强聚丙烯复合材料，可降低生产成本；同时本发明考虑采用碱溶液与偶联剂和相容剂联合对天然纤维进行处理，不但降低纤维吸湿性，而且通过添加防霉抗菌剂，制备出一种具有防霉、抗菌作用的天然纤维增强聚丙烯复合材料可大大改善该种复合材料的防霉抗菌性能，使其在应用中能有利于人的健康，同时也能延长其自身的使用寿命。

Description

一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于纤维复合材料技术领域，涉及一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
天然纤维是一种可再生的生态环保的材料，因其来源丰富，环境友好，易降解，价格低廉，比性能突出等优点，加上随着人们环保意识的增强和可持续发展的理念加深，使得天然纤维增强复合材料得到迅速的发展。目前、天然纤维复合材料已经广泛应用于建筑和交通运输领域。欧洲、美国和日本等一些发达国家目前在大力推广和发展天然纤维复合材料，尤其是在汽车领域中的一些应用。在汽车未来发展的绿色化、可回收、轻量化、低能耗这一大趋势的背景下，天然纤维增强复合材料将逐步替代一些传统的玻璃纤维复合材料。目前，天然纤维复合材料已经被广泛应用于汽车内饰材料中，如车门内饰板、护顶、仪表板、座椅靠背、行李盘、备用轮罩、立柱内饰件等。
天然纤维主要指一些植物纤维，包括一些木纤维、棉纤维、竹纤维、椰纤维以及洋麻、大麻、亚麻、黄麻和剑麻等麻纤维。而麻纤维强度较好，密度低，加工方便，可回收利用，具有较高的长径比，制备的复合材料外观较好，使得其在天然纤维增强复合材料中得到较多的关注。
天纤维有着独特的结构，其主要成分是纤维素，半纤维素和木质素，具有吸水性高这一特点，由其制备的天然纤维复合材料在潮湿环境中很容易受到周围水的腐蚀，会给一些霉菌和真菌提供了生活环境，从而导致材料受到霉菌真菌等感染，使其力学性能下降，同时树脂基体本身作为一种有机高分子材料，在使用和存放过程中也会受到污染并成为一些细菌、真菌等有害微生物质的滋生地，这样会对接触者的健康产生不利的影响，同时霉菌的产生会使材料的机械性能下降，在天然纤维复合材料的表面也会产生一些霉菌的斑点，影响材料的美观，这样就大大影响了材料的使用寿命。
鉴于目前也有很多专利和文献报道了采用天然纤维来增强聚合物树脂制备复合材料，并且也针对材料的功能化和性能提高等方面做了一些研究，比如提高天然纤维增强复合材料的阻燃性能研究等，增加天然纤维与基体树脂相容性研究，但是针对提高其防霉变抗菌性能的报道较少，为此本研究考虑以聚丙烯树脂材料为基体，提供一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维复合材料及其制备方法，旨在提高天然纤维复合材料实际使用性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，以解决现有技术的上述问题。
为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：
一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其包括以下重量份计的原料：
天然纤维：10-35；
聚丙烯：50-85；
相容剂：1-10；
偶联剂：0.5-2；
抗氧剂：0.1-1；
润滑剂：0.5-2；
防霉抗菌剂：0.2-2。
其中，所述的聚丙烯基体树脂采用均聚聚丙烯，熔融指数在15g/10min左右。
所述的天然纤维选自木纤维、棉纤维、竹纤维、椰纤维、黄麻纤维、剑麻纤维、苎麻纤维和亚麻纤维中的至少一种。
所述的相容剂采用极性单体接枝聚合物，接枝聚合物基体选用聚乙烯或聚丙烯，接枝单体选用马来酸酐，即所用的相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)或聚乙烯接枝马来酸酐(PE-g-MAH)。
所述的偶联剂选自硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂中的一种。优选为3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)中的一种。
所述的抗氧剂选用四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)、三[2，4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)中的一种或者两种以上混合。
所述的润滑剂选自内润滑剂中的硬脂酸钙、硬脂酸钠、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸单甘油酯的一种或两种以上；外润滑剂中的聚乙烯蜡、液体石蜡中的一种或两种以上。
所述的防霉抗菌剂采用无机抗菌剂中含有金属离子银、钛、锌、铜等物质。优选自银玻璃珠、银活性炭、磷酸钛盐、纳米二氧化钛、纳米氧化锌和纳米氧化铜中的一种或两种以上。
上述具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)天然纤维的改性处理。
本实验选用的天然纤维为短切纤维，长度为3-5mm，采用5％的NaOH碱液浸泡处理，碱处理之后的黄麻纤维在80℃下烘干处理，采用硅烷偶联剂对纤维进行表面涂覆处理，得到改性后的纤维。
(2)具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料的制备。
利用高速混合机，按质量份配比将聚丙烯树脂、抗氧剂、润滑剂、防霉抗菌剂高速混合5min左右，混合均匀后加入到双螺杆挤出机中，再将步骤(1)中改性好的纤维通过双螺杆挤出机的侧向喂料口加入，进行熔融挤出、拉条、风冷、造粒后得到具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料。其中双螺杆挤出机各区的加工工艺温度控制在160℃-190℃的范围。
本发明具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料防霉、抗菌性能的测试方法。
步骤(2)得到的具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，采用中国轻工业行业标准QB/T2591-2003《抗菌塑料—抗菌性能评价及其测试方法》标准来对其进行测试。实验采用的菌种：金黄色葡萄球菌、酵母菌、大肠杆菌、黑曲霉、土曲霉。
抗细菌性能是通过定量接种细菌于待检样品上，用贴膜的方法使细菌均匀接触样品，经过一定时间的培养后，测得样品的活菌数，计算出样品抗细菌率。抗细菌的计算公式为：R(％)＝(B-C)/B*100，其中R为抗细菌率(％)，B代表空白对照样品中平均回收菌数，C为具有抗菌性能材料的平均回收菌数。
防霉菌性能是通过直接观测长霉的程度来评价抗菌材料的长霉等级。样品长霉等级如下：
0级不长，即显微镜(放大50倍)下观察未见生长；
1级痕迹生长，即肉眼可见生长，但生长覆盖面积小于10％；
2级生长覆盖面积不小于10％。
本发明的有益效果为：
采用价格低廉、资源丰富、比模量高、密度低的天然纤维来制备车用增强聚丙烯复合材料，可降低生产成本；同时本发明考虑采用碱溶液与偶联剂和相容剂联合对天然纤维进行处理，不但降低纤维吸湿性，而且通过添加防霉抗菌剂，制备出一种具有防霉、抗菌作用的天然纤维增强聚丙烯复合材料可大大改善该种复合材料的防霉抗菌性能，使其在应用中能有利于人的健康，同时也能延长其自身的使用寿命。
具体实施方式：
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。除特殊说明外，实施例中各组分都为重量份。但本发明不限于此，凡是本发明等同或等效变换，都在本发明的保护范围之内。
实施例1：
聚丙烯85份；黄麻纤维10份；相容剂3份；偶联剂0.5份；抗氧剂0.2份；润滑剂1份；防霉抗菌剂0.3份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上实施例所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜。其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
实施例2：
聚丙烯80份；黄麻纤维15份；相容剂3份；偶联剂0.5份；抗氧剂0.2份；润滑剂1份；防霉抗菌剂0.3份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上实施例所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜。其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
实施例3：
聚丙烯72份；黄麻纤维20份；相容剂5份；偶联剂1份；抗氧剂0.4份；润滑剂1份；防霉抗菌剂0.6份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上实施例所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜。其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
实施例4：
聚丙烯64份；黄麻纤维25份；相容剂7份；偶联剂1份；抗氧剂0.6份；润滑剂1.5份；防霉抗菌剂0.9份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上实施例所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜。其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
实施例5：
聚丙烯58份；黄麻纤维30份；相容剂7份；偶联剂1.5份；抗氧剂0.8份；润滑剂1.5份；防霉抗菌剂1.2份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上实施例所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜。其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
实施例6：
聚丙烯50份；黄麻纤维35份；相容剂10份；偶联剂1份；抗氧剂1份；润滑剂1.5份；防霉抗菌剂1.5份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上实施例所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜。其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
对比例1
聚丙烯85.3份；黄麻纤维10份；相容剂3份；偶联剂0.5份；抗氧剂0.2份；润滑剂1份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上述对比例1所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
对比例2
聚丙烯80份；黄麻纤维15份；相容剂3份；偶联剂0.5份；抗氧剂0.2份；润滑剂1份；防霉抗菌剂0.3份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，再与聚丙烯树脂、抗氧剂、润滑剂、防霉抗菌剂等一同在高速混合机中混合5min，将混合后的料采用主喂料的方式进入双螺杆挤出机，经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上对比例2所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜。其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
对比例3
聚丙烯67份；黄麻纤维20份；相容剂10份；偶联剂1份；抗氧剂0.4份；润滑剂1份；防霉抗菌剂0.6份；黄麻纤维经5％NaOH溶液、偶联剂和相容剂处理后，侧向喂料进入双螺杆挤出机后经加工工艺温度为160-190℃的挤出机挤出、造粒。
上述对比例1所述的聚丙烯选用熔融指数在15g/10min左右；黄麻纤维为3-5mm短切纤维；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；偶联剂为KH550；抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168按质量比1:2复配抗氧剂；润滑剂为硬脂酸钙；防霉抗菌剂为纳米氧化铜；其中双螺杆挤出机各区挤出工艺在：一区160℃，二区170℃，三区180-190℃，四区170℃。
下面对所述的上面六个实施例及3个对比例中的具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料进行性能测试，具体的，将上述完成造粒的粒子材料在80℃的鼓风烘箱中干燥2小时，然后将干燥好的粒子在注射成型机上进行注塑成型，然后进行性能测试。
拉伸强度按照ASTMD638标准进行检验，样条尺寸为170*13*3.22mm，拉伸速度50mm/min，弯曲强度和弯曲模量按照ASTMD790标准进行检验，样条尺寸为127*12.7*3.22mm，跨距56mm，弯曲速度为2mm/min，缺口冲击强度按照ASTMD256标准进行检验，样条尺寸为63.5*12.7*3.22mm，缺口深度为试样厚度的三分之一。
抗菌率的测试按照中国轻工业行业标准QB/T2591-2003《抗菌塑料—抗菌性能评价及其测试方法》标准来对其进行测试。实验采用的菌种：金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、黑曲霉、土曲霉。
表1
实施例和对比例中的各主要组分含量(质量百分含量)
表2
实施例和对比例材料性能测试数据
表3
实施例和对比例材料防霉抗菌性能测试数据
由上述表中的数据及实施例1和对比例1，实施例2和对比例2，实施例3和对比例3可以看出，制备的黄麻纤维增强聚丙烯复合材料具有较好的力学性能，黄麻纤维采用侧喂料比采用主喂料得到的材料的力学性能较好，相容剂马来酸酐接枝聚丙烯的加入会提高材料的相容性，使材料表现较好的力学性能，同时在添加了防霉抗菌剂纳米氧化铜之后，材料表现出较好的防霉抗菌性能。

Claims (10)

1.一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：其包括以下重量份计的原料：
天然纤维：10-35；
聚丙烯：50-85；
相容剂：1-10；
偶联剂：0.5-2；
抗氧剂：0.1-1；
润滑剂：0.5-2；
防霉抗菌剂：0.2-2。
2.根据权利要求1所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的天然纤维选自木纤维、棉纤维、竹纤维、椰纤维、黄麻纤维、剑麻纤维、苎麻纤维和亚麻纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的相容剂采用极性单体接枝聚合物，接枝聚合物基体选用聚乙烯或聚丙烯，接枝单体选用马来酸酐，即所用的相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)或聚乙烯接枝马来酸酐(PE-g-MAH)。
4.根据权利要求1所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的偶联剂选自硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂中的一种。
5.根据权利要求5所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的偶联剂选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)、3-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH560)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂选用四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、三[2，4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯中的一种或者两种以上混合。
7.根据权利要求1所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的润滑剂选自硬脂酸钙、硬脂酸钠、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺、硬脂酸单甘油酯、聚乙烯蜡和液体石蜡中的一种或两种以上。
8.根据权利要求1所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的防霉抗菌剂采用无机抗菌剂中含有金属离子银、钛、锌、铜等物质。
9.根据权利要求8所述的一种具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的防霉抗菌剂选自银玻璃珠、银活性炭、磷酸钛盐、纳米二氧化钛、纳米氧化锌和纳米氧化铜中的一种或两种以上。
10.权利要求1所述具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)天然纤维的改性处理：
选用的天然纤维为短切纤维，长度为3-5mm，采用5％的NaOH碱液浸泡处理，碱处理之后的黄麻纤维在80℃下烘干处理，采用硅烷偶联剂对纤维进行表面涂覆处理，得到改性后的纤维；
(2)具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料的制备：
利用高速混合机，按重量份配比将聚丙烯树脂、抗氧剂、润滑剂、防霉抗菌剂高速混匀，混合均匀后加入到双螺杆挤出机中，再将步骤(1)中改性好的纤维通过双螺杆挤出机的侧向喂料口加入，进行熔融挤出、拉条、风冷、造粒后得到具有防霉、抗菌性能的天然纤维增强聚丙烯复合材料。其中双螺杆挤出机各区的加工工艺温度控制在160℃-190℃的范围。
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