CN106398159B - 一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法，本发明先利用改性剂对玄武岩纤维进行表面改性处理，所述改性剂包括有机酸盐、强碱和羰基二咪唑，使纤维表面粗糙度增加并形成大量活性位点和活性基团，从而增加玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性，使玄武岩纤维能与聚碳酸酯材料进行化学键合和机械铆合，再将经过改性处理的玄武岩纤维与聚碳酸酯材料复合得到性能更优异的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及聚碳酸酯复合材料领域，具体涉及一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法。
背景技术
玄武岩纤维是一种新出现的新型无机环保绿色高性能纤维材料，是未来我国重点发展的四大高性能纤维之一，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成的玄武岩石料在高温熔融后，通过纺丝工艺制备而成的。玄武岩连续纤维不仅稳定性好，而且还具有电绝缘性、抗腐蚀、抗燃烧、耐高温等多种优异性能，而且，玄武岩纤维的生产工艺产生的废弃物少，对环境污染小，产品废弃后可直接转入生态环境中，无任何危害，因而是一种名副其实的绿色、环保材料。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用。
聚碳酸酯是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，聚碳酸酯材料具有较好的综合性能，聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃性好，成型尺寸稳定性好，在使用温度内具有良好的机械性能；但由于碳酸酯基具有较强的活性，导致聚碳酸酯材料存在耐高温性能差，耐磨性差的缺陷，因此，在某些特殊环境下，聚碳酸酯材料需要进行耐高温、耐磨等增强改性处理后才能进行应用。现今对聚碳酸酯材料的纤维增强改性主要采用玻璃纤维材料和碳纤维材料进行改性处理，改性效果显著，但玻璃纤维和碳纤维生产成本高、环境污染大，严重限制了改性聚碳酸酯材料的应用，因此，采用无毒、无污染、来源广泛、性能优异、稳定好的玄武岩纤维材料来替代玻璃纤维和碳纤维对聚碳酸酯材料进行增强，从而得到的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料是聚碳酸酯增强复合材料发展的新方向。但由于玄武岩纤维为无机材料，而聚碳酸酯为高分子有机材料，两者相容性极差，且玄武岩纤维自身结构和性能稳定，纤维表面光滑、表面活性位点少，造成玄武岩纤维在改性过程中更难以与聚碳酸酯材料进行化学键合和机械铆合，即玄武岩纤维在聚碳酸酯材料中是独立存在，对聚碳酸酯材料增强效果不佳，玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料性能差的缺陷，提供一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料及其制备方法；本发明先利用改性剂对玄武岩纤维进行表面改性处理，使纤维表面粗糙度增加并形成大量活性位点和活性基团，从而增加玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性，使玄武岩纤维能与聚碳酸酯材料进行化学键合和机械铆合，再将经过改性处理的玄武岩纤维与聚碳酸酯材料复合得到性能更优异的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）预处理：将玄武岩纤维用改性剂进行预处理得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将改性玄武岩纤维与聚碳酸酯材料进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，步骤1中所述的改性剂包括有机酸盐、强碱和羰基二咪唑；所述改性剂能对玄武岩纤维表面腐蚀、活化，形成粗糙表面，并接枝多种活性基团，使纤维表面形成大量活性位点和活性基团，从而能与聚碳酸酯进行化学键合和机械铆合；所述的机械铆合是指基体材料通过收缩应力包紧粗糙表面的纤维而产生的摩擦结合。
优选的，所述的改性剂包括5-15重量份的有机酸盐、5-10重量份的强碱、10-15重量份的羰基二咪唑、50-80重量份的溶剂，通过优选，改性剂对玄武岩纤维的改性程度易控制，对玄武岩纤维改性效果更好；最优选的，所述的改性剂包括10重量份的有机酸盐、8重量份的强碱、12重量份的羰基二咪唑、60重量份的溶剂。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其中所述的有机酸盐为醋酸钠、醋酸钾、甲酸钠、甲酸钾中的一种或多种；所述的强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种或多种；所述的溶剂为甘油的水溶液；优选的，所述溶剂中甘油与水的体积比为1-3︰1；最优选的，甘油的水溶液中甘油与水的体积比为2︰1。
一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，本发明方法先利用改性剂对玄武岩纤维进行预处理，在预处理过程中，改性剂使纤维表面粗糙度增加并形成大量活性位点和活性基团，增加了玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性；再将经过预处理的玄武岩纤维与聚碳酸酯材料进行复合，从而使玄武岩纤维能与聚碳酸酯材料在复合过程中进行化学键合和机械铆合，使玄武岩纤维与聚碳酸酯材料形成统一的整体，进而得到性能更优异的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料；该发明方法简单可靠，产品质量稳定，适合玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的大规模、工业化生产。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其中步骤1中所述的玄武岩纤维包括玄武岩短纤维、玄武岩长纤维、连续玄武岩纤维中的一种。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其中步骤1中预处理的温度为30-50℃，温度越高，反应速度越快，控制越困难，温度越低，反应速度越慢，反应效果越差；优选的，预处理温度为35-45℃。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其中步骤1中预处理的时间为2-5h，处理时间越长，对玄武岩纤维表面处理效果越好，但过长的处理时间造成处理过渡，玄武岩纤维性能显著下降，不利于对聚碳酸酯的增强改性；优选的，所述的预处理时间为3-4h。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其中步骤2中的复合处理是指通过工艺手段将预处理玄武岩纤维与聚碳酸酯材料进行化学键合和机械铆合，使玄武岩纤维与聚碳酸酯材料形成统一的整体的方法。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其中步骤2中改性玄武岩纤维用量是聚碳酸酯材料的0.1-15%，改性玄武岩纤维的用量可根据玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料在不同应用领域中要求进行调整。
上述一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其中步骤2在进行复合处理过程中，还可以添加助剂，所述助剂包括分散剂、偶联剂、抗菌剂、抗静电剂、阻燃剂中的一种或多种。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料，所述玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料是通过上述制备方法制备得到的；该玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料由于玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性好，因而其机械性能和物化性能更优异，适用于更多环境条件，应用范围更广。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明方法利用改性剂对玄武岩纤维进行改性处理，使纤维表面粗糙度增加，从而是玄武岩纤维能与聚碳酸酯材料进行机械铆合，制备得到的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的机械性能更好。
2、本发明方法利用改性剂对玄武岩纤维进行预处理，使玄武岩纤维能与聚碳酸酯材料在复合过程中进行化学键合，制备得到的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的物化性能更好。
3、本发明玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料，由于玄武岩纤维与聚碳酸酯材料的相容性好，因而其机械性能和物化性能更优异，适用于更多的环境条件，应用范围更广。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
（1）预处理：将玄武岩纤维用由10重量份的醋酸钠、8重量份的氢氧化钠、12重量份的羰基二咪唑、40重量份的甘油和20重量份的水组成的改性剂中，在35℃的温度下进行预处理3h得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将1重量份的改性玄武岩纤维与10重量份的聚碳酸酯进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
实施例2
（1）预处理：将玄武岩纤维用由5重量份的醋酸钾、10重量份的氢氧化钾、10重量份的羰基二咪唑、30重量份的甘油和20重量份的水组成的改性剂中，在45℃的温度下进行预处理4h得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将1重量份的改性玄武岩纤维与10重量份的聚碳酸酯进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
实施例3
（1）预处理：将玄武岩纤维用由15重量份的有甲酸钠、5重量份的氢氧化钙、10重量份的羰基二咪唑、60重量份的甘油和20重量份的水组成的改性剂中，在50℃的温度下进行预处理2h得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将1重量份的改性玄武岩纤维与10重量份的聚碳酸酯进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
实施例4
（1）预处理：将玄武岩纤维用由10重量份的有甲酸钾、10重量份的氢氧化钾、10重量份的羰基二咪唑、30重量份的甘油和30重量份的水组成的改性剂中，在30℃的温度下进行预处理2h得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将1重量份的改性玄武岩纤维与10重量份的聚碳酸酯进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
对比例1
复合：将2重量份的玄武岩纤维与10重量份的聚碳酸酯进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
对比例2
（1）预处理：将玄武岩纤维用由10重量份的醋酸钠、12重量份的羰基二咪唑、40重量份的甘油和20重量份的水组成的改性剂中，在35℃的温度下进行预处理3h得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将1重量份的改性玄武岩纤维与10重量份的聚碳酸酯进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
对比例3
（1）预处理：将玄武岩纤维用由10重量份的醋酸钠、8重量份的氢氧化钠、40重量份的甘油和20重量份的水组成的改性剂中，在35℃的温度下进行预处理3h得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将1重量份的改性玄武岩纤维与10重量份的聚碳酸酯进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料。
将上述实施例1-4和对比例1-3中所制备得到的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料进行性能测试实验记录实验结果，记录数据如下：（聚碳酸酯：拉伸强度65MPa，缺口冲击强度60kJ/m2，断裂伸长率80%）
| 编号 | 玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料缺口冲击强度（kJ/m2） | 玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料拉伸强度（MPa） | 玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料断裂伸长率（%） |
| 实施例1 | 86 | 78 | 116 |
| 实施例2 | 85 | 77 | 114 |
| 实施例3 | 83 | 78 | 112 |
| 实施例4 | 85 | 76 | 113 |
| 对比例1 | 65 | 70 | 86 |
| 对比例2 | 67 | 68 | 83 |
| 对比例3 | 71 | 70 | 95 |
对上述实验数据分析可知，实施例1-4中采用本发明技术方案制备得到的玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率具有显著提升；而对比例1制备方法中直接将玄武岩纤维与聚碳酸酯进行复合，得到了玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料，但由于玄武岩纤维未进行改性处理，纤维表面活性点位少和活性基团少，与聚碳酸酯材料相容性差，与聚碳酸酯材料的化学键合和机械铆合作用差，玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料性能显著降低；对比例2制备方法中使用的改性剂未添加强碱，不能对玄武岩纤维表面进行侵蚀，也不能对纤维表面进行活化和接枝，玄武岩纤维表面活性点位少和活性基团少，与聚碳酸酯材料的化学键合和机械铆合作用差，玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料性能显著降低；对比例3制备方法中使用的改性剂未添加羰基二咪唑，不能在纤维表面进行接枝与聚碳酸酯键接的活性基团，玄武岩纤维表面活性点位少和活性基团少，与聚碳酸酯材料的化学键合作用差，玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料性能显著降低。
Claims (6)
1.一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）预处理：将玄武岩纤维用改性剂进行预处理得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将改性玄武岩纤维与聚碳酸酯材料进行复合处理，得到玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料；
所述的改性剂包括5-15重量份的有机酸盐、5-10重量份的强碱、10-15重量份的羰基二咪唑、50-80重量份的溶剂；所述有机酸盐为醋酸钠、醋酸钾、甲酸钠、甲酸钾中的一种或多种；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙中的一种或多种；所述的溶剂为甘油的水溶液。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的改性剂包括10重量份的有机酸盐、8重量份的强碱、12重量份的羰基二咪唑、60重量份的溶剂。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中预处理的温度为30-50℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中预处理的时间为2-5h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中改性玄武岩纤维用量是聚碳酸酯材料的0.1-15%。
6.一种玄武岩纤维增强聚碳酸酯复合材料，其特征在于，是通过权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到的。
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