CN106750421A - 一种酚醛树脂增强复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种酚醛树脂增强复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酚醛树脂增强复合材料及其制备方法，本发明制备方法包括对玄武岩纤维的改性处理和复合；通过对含有磷酸钡的玄武岩纤维进行改性处理，最后在偶联剂的作用下与酚醛树脂进行偶联、复合，从而得到玄武岩纤维与酚醛树脂材料相容性更好的酚醛树脂复合材料，玄武岩纤维对酚醛树脂增强作用更好，使该复合材料性能更优异，有利于酚醛树脂复合材料在各个领域的推广应用。

Description

一种酚醛树脂增强复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及酚醛树脂复合材料领域，具体涉及一种酚醛树脂增强复合材料及其制备方法。
背景技术
酚醛树脂也叫电木，又称电木粉，具有良好的化学稳定性和阻燃性；但酚醛树脂材料同样存在韧性差、抗冲击强度低的缺陷，因此，在使用时都不使用纯的酚醛树脂材料，酚醛树脂材料需要进行增韧、增加抗冲击强度等增强复合改性处理后才能进行应用。现今对酚醛树脂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，严重限制了复合酚醛树脂材料的应用。
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。
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酚醛树脂材料进行增强，从而得到的酚醛树脂增强复合材料是酚醛树脂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，而酚醛树脂为高分子有机材料，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酚醛树脂材料进行化学键合和机械铆合，即玄武岩纤维在酚醛树脂材料中是独立存在，对酚醛树脂材料增强效果不佳，酚醛树脂增强复合材料的性能较差。
发明内容
本发明的目的在于克服酚醛树脂增强复合材料性能差的缺陷，提供一种酚醛树脂增强复合材料及其制备方法；本发明方法通过对含有磷酸钡的玄武岩纤维进行改性处理，最后在偶联剂的作用下与酚醛树脂进行偶联、复合，从而得到玄武岩纤维与酚醛树脂材料相容性更好的酚醛树脂复合材料，玄武岩纤维对酚醛树脂增强作用更好，使该复合材料性能更优异，有利于酚醛树脂复合材料在各个领域的推广应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种酚醛树脂增强复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）改性处理：将玄武岩纤维用改性剂A进行浸泡处理，取出后置入改性剂B中，加热反应完全后，取出干燥得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将改性玄武岩纤维与酚醛树脂材料、偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
上述一种酚醛树脂增强复合材料的制备方法，其中步骤1中所述的包括玄武岩短纤维、玄武岩长纤维、连续玄武岩纤维、玄武岩纤维棉中的一种或多种。
所述的玄武岩纤维中含有磷酸钡；磷酸钡中含有磷酸根，磷酸根与有机基团的键接能力强，能降低玄武岩纤维与有机材料的极性，增加与有机材料的相容性；优选的，所述的玄武岩纤维含有质量百分比0.1-2.0%的磷酸钡；最优选的，所述的玄武岩纤维含有质量百分比0.3-0.8%的磷酸钡。
所述的改性剂A为苯酚和甲醛的混合水溶液；所述改性剂A中苯酚与甲醛的物质的量比值为2︰1。
所述的改性剂B为碱溶液；所述的碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、氨水中的一种或多种；所述的碱溶液pH值为12-14。
所述的玄武岩纤维在改性剂A中浸泡的时间为1-3h，在浸泡过程中，溶液中的苯酚和甲醛在玄武岩纤维的表面吸附作用下均匀的附着在玄武岩纤维表面，浸泡时间过短，吸附单体量不足，浸泡时间过长，生产周期太长，效果也无明显提升。
所述加热反应的温度为80-100℃，反应时间为30-60min，温度过高，反应时间过长，缩聚反应过度，聚合物分子量过大，不利于对玄武岩纤维的改性处理；最优选的，所述加热反应的温度为90℃，反应时间为50min，反应效果好，能源消耗低，时间短。
上述一种酚醛树脂增强复合材料的制备方法，其中步骤2中所述的偶联剂为硅烷偶联剂。
所述的酚醛树脂为热塑性酚醛树脂。
所述改性玄武岩纤维的用量可根据酚醛树脂增强复合材料在不同应用领域中要求进行调整，优选的，所述改性玄武岩纤维用量是酚醛树脂树脂材料的1-20%。
所述酚醛树脂增强复合材料的制备方法步骤2中，还可以添加助剂；所述助剂包括分散剂、抗菌剂、抗静电剂、阻燃剂、抗老化剂、抗紫外线剂中的一种或多种；所述助剂的种类可根据酚醛树脂增强复合材料在不同应用领域中要求进行针对性调整添加。
所述的复合处理是指通过工艺手段将预处理玄武岩纤维与酚醛树脂材料进行化学键合，使玄武岩纤维与酚醛树脂材料形成统一的整体的方法。
一种酚醛树脂增强复合材料的制备方法，本发明制备方法先利用玄武岩纤维的表面吸附能力将苯酚和甲醛单体材料吸附在玄武岩纤维表面，再通过缩聚反应将吸附的单体进行聚合成一定分子量的聚合物，并使其与玄武岩纤维表面的磷酸钡键接，从而稳定的包覆在玄武岩纤维表面，显著增加玄武岩纤维与酚醛树脂的相容性；最后通过复合处理，使玄武岩纤维与酚醛树脂进行复合增强得到性能更加优异的酚醛树脂增强复合材料，本发明方法简单、方便，适合酚醛树脂增强复合材料的工业化、规模化生产。
为了实现上述发明目的，进一步的，本发明提供了一种酚醛树脂增强复合材料；所述酚醛树脂增强复合材料是通过上述制备方法制备得到的，上述制备方法得到的复合材料中酚醛树脂与玄武岩纤维之间键接力强，不易产生相分离，相容性好，玄武纤维对酚醛树脂的增强作用显著增加，复合材料的性能也显著提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明制备方法通过对玄武岩纤维的改性处理，能显著增加玄武岩纤维与酚醛树脂的相容性，使玄武岩纤维与酚醛树脂进行复合增强得到性能更加优异的酚醛树脂增强复合材料。
2、本发明制备方法制备得到的复合材料性能优异，方法简单、方便，适合酚醛树脂增强复合材料的工业化、规模化生产。
3、本发明复合材料中酚醛树脂与玄武岩纤维之间键接力强，不易产生相分离，相容性好，玄武纤维对酚醛树脂的增强作用显著增加，复合材料的性能也显著提高。
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）改性处理：将含有质量百分比0.8%磷酸钡的玄武岩纤维用苯酚和甲醇的混合溶液进行浸泡处理2h，取出后置入pH值为13的氢氧化钠水溶液中，加热到90℃后反应50min后，取出干燥得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将10重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的酚醛树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
实施例2
（1）改性处理：将含有质量百分比2.0%磷酸钡的玄武岩纤维用苯酚和甲醇的混合溶液进行浸泡处理1h，取出后置入pH值为13的氨水中，加热到80℃后反应60min后，取出干燥得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将10重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的酚醛树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
实施例3
（1）改性处理：将含有质量百分比0.1%磷酸钡的玄武岩纤维用pH值为2的苯酚和甲醇的混合溶液进行浸泡处理3h，取出后置入pH值为14的氢氧化钙水溶液中，加热到80℃后反应60min后，取出干燥得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将10重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的酚醛树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
实施例4
（1）改性处理：将含有质量百分比0.3%磷酸钡的玄武岩纤维用pH值为1的苯酚和甲醇的混合溶液进行浸泡处理2h，取出后置入pH值为14的氢氧化钾水溶液中，加热到100℃后反应30min后，取出干燥得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将10重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的酚醛树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
对比例1
（1）改性处理：将常规玄武岩纤维用pH值为1的苯酚和甲醇的混合溶液进行浸泡处理2h，取出后置入pH值为13的氢氧化钠水溶液中，加热到90℃后反应50min后，取出干燥得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将10重量份的改性玄武岩纤维与90重量份的酚醛树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
对比例2
将10重量份的含有质量百分比1.0%磷酸钡的玄武岩纤维与90重量份的酚醛树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
对比例3
将10重量份的常规玄武岩纤维与90重量份的酚醛树脂材料、2重量份的硅烷偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料。
将上述实施例1-4和对比例1-3中所制备得到的酚醛树脂增强复合材料进行性能测试实验记录实验结果，记录数据如下：（酚醛树脂：拉伸强度46MPa，缺口冲击强度2.2kJ/m2，断裂伸长率0.5%）
编号 酚醛树脂增强复合材料缺口冲击强度（kJ/m2） 酚醛树脂增强复合材料拉伸强度（MPa） 酚醛树脂增强复合材料断裂伸长率（%）
实施例1 5.1 83 3.9
实施例2 5.2 82 4.2
实施例3 5.0 81 3.6
实施例4 5.1 83 4.3
对比例1 3.9 67 2.6
对比例2 4.1 68 2.8
对比例3 3.4 56 1.6
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酚醛树脂增强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制备方法中采用的玄武岩纤维不含有磷酸钡，改性后纤维与酚醛树脂材料相容性差，与酚醛树脂材料的化学键合能力差，酚醛树脂增强复合材料性能显著降低；对比例2制备方法中未进行改性处理，与酚醛树脂材料的化学键合能力变差，酚醛树脂增强复合材料性能显著降低；对比例3制备方法中直接使用常规玄武岩纤维进行复合，对酚醛树脂的增强作用最差。

Claims (10)

1.一种酚醛树脂增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）改性处理：将玄武岩纤维用改性剂A进行浸泡处理，取出后置入改性剂B中，加热反应完全后，取出干燥得改性玄武岩纤维；
（2）复合：将改性玄武岩纤维与酚醛树脂材料、偶联剂进行复合处理，得到酚醛树脂增强复合材料；
所述的玄武岩纤维中含有磷酸钡；所述的改性剂A为苯酚和甲醛的混合水溶液；所述的改性剂B为碱溶液。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的玄武岩纤维含有质量百分比1.0-2.0%的磷酸钡。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的玄武岩纤维含有质量百分比0.3-0.8%的磷酸钡。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性剂A中苯酚与甲醛的物质的量比值为2︰1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液、氨水中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的碱溶液的pH值为12-14。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中玄武岩纤维在改性剂A中浸泡的时间为1-3h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中加热反应的温度为80-100℃，反应时间为30-60min。
9.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酚醛树脂材料重量的1-20%。
10.一种酚醛树脂增强复合材料，其特征在于，所述复合材料是通过权利要求1-9任意制备方法制备得到的。
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