CN106883556B - 一种回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料及其制备方法。该方法以回收塑料经熔融纺丝法制备的再生纤维为辅助增强体，将其剪切为3～5mm长的短切纤维，并通过研磨增加其表面粗糙度，然后将其与环氧树脂混合后，并加入固化剂和固化促进剂，再经均匀混合后，与玻璃纤维主增强体进行混合并充分浸润，最后经热压固化成型，制得回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料。本发明利用了回收塑料再生纤维所具备的柔性好和价格低廉的特征，将其与玻璃纤维共同组成环氧树脂的增强体，从而使环氧复合材料获得更优异的力学强度、韧性和抗压缩性能，同时具备了良好的性价比。

Description

一种回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材 料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种由回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料及其制备方法。
背景技术
玻璃纤维(简称“玻纤”)增强环氧树脂是一类传统的有机一无机复合材料。它是经由环氧树脂和玻璃纤维经复合工艺及热固化后制成，具有质量轻、比强度高、电绝缘性好、耐腐蚀、耐热性能优良等特点，已广泛应用于国防科技、航天航空、船舶制造、化工、建筑、交通运输及智能电网自动化等领域。虽然玻璃纤维在环氧复合体系中发挥了出色的增强效果，但由于玻璃纤维本身属于刚性极强的材料，往往会造成环氧复合材料的抗冲击性能及韧性不足，还会造成其压缩强度的损失，尤其对于应力集中点较多的外形结构复杂制品，这一缺陷尤其突出，从而限制了此类材料的应用。虽然早期相关领域技术人员开发出通过在环氧树脂中引入柔性分子链，来提高玻璃纤维增强环氧复合材料抗冲击性能的方法，但这一方法不但复杂、而且还降低了复合材料的耐热性、热稳定性、尺寸稳定性和化学稳定性。
近年来，随着高性能有机纤维研究开发及产业化的迅速发展，采用高性能有机纤维如芳纶(凯夫拉)纤维、芳杂环纤维、超高分子量聚乙烯纤维等作为增强体来制备环氧复合材料已成为复合材料发展领域的一个重要方向。利用这些有机纤维的强度高和延展好的特性，不但可以赋予环氧复合材料优异的强度、还使其具备更好的韧性和抗压缩性能。例如，中国专利CN103992490A公开了一种利用对芳纶纤维进行特殊表面处理的方法来提高芳纶纤维增强环氧复合材料韧性的技术；中国专利CN104194010A则公开了采用芳杂环BPO纤维来增强环氧树脂的技术方案，该技术可显著提升环氧复合材料的综合力学性能、长期使用性能和更优异的轻量化特性。
然而，这些高性能有机纤维虽然具有优异的增强功效，但价格却十分昂贵，它们通常是普通玻璃纤维价格的十几倍甚至数百倍。这对高性能有机纤维在环氧复合材料领域中的广泛应用产生了消极影响。因此，开发一种既具有优异的力学强度，又拥有良好的耐冲击性、耐压缩和耐弯折性，同时还具备合理性价比的玻璃纤维增强环氧复合材料，就成为复合材料技术领域中的一个重要课题。
发明内容
本发明为解决传统玻璃纤维增强环氧复合体系中，由于玻璃纤维增强体本身刚性强而造成复合材料的耐冲击性和抗压缩性不足的问题，提出了采用回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料及其制备方法。
回收塑料再生纤维是指利用回收的聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯醇缩甲醛(PVFM)、尼龙6、尼龙66等普通热塑性树脂进行熔融纺丝而制备的有机纤维，此类纤维具有制造成本低廉、力学性能可接受的特点。本发明正是利用了回收塑料再生纤维所具备的柔性好和价格低廉的特征，将其引入玻璃纤维增强环氧复合体系中，形成有机/无机纤维协同增强环氧复合材料。在该体系中，玻璃纤维作为主增强体，为环氧复合材料提供力学强度支撑；回收塑料再生纤维作为辅助增强体，可在复合材料发生断裂时起到桥接作用、并凭借其良好的柔性而发生延伸断裂，大量吸收冲击能量，从而显著提高复合材料的耐冲击性和抗压缩性能。
本发明提出的回收塑料再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料，可通过下述技术方案来实现。
一种回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料，其组成和各组份重量百分比如下：
所述的环氧树脂为各型牌号的双酚A型、双酚F型、双酚S型或酚醛型环氧树脂。
所述的玻璃纤维增强体为玻璃纤维织物、玻璃纤维无纺布或短切玻璃纤维。
所述的回收塑料再生纤维为由回收PP、HDPE、PET、PVFM、尼龙6或尼龙66树脂经熔融纺丝所得到的再生纤维，这些回收塑料再生纤维可以单独添加，也可以多种纤维结合使用。
所述的固化剂为环氧树脂树脂常用固化剂，包括脂肪族和芳香族多元胺类、酸酐类和潜伏型固化剂。
所述的固化促进剂为环氧固化剂常用的咪唑类化合物，包括2-乙基-4-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2-苯基咪唑、2-异丙基咪唑、2，4-二甲基咪唑等，这些固化促进剂可以单独使用，也可以几种结合使用。
上述一种回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)，将回收塑料再生纤维剪切至3～5mm的短切纤维，然后，采用星型球磨机对其进行研磨30～60min，然而用清水将研磨后的纤维进行清洗3～5遍，并在80℃的烘箱内干燥12小时，所获得再生纤维的表面粗糙度明显增加，从而增加纤维与有机树脂的接触面积。
步骤(2)，将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维按配比添加到预热至50～65℃的环氧树脂中，经机械搅拌后，冷却至室温；然后再按环氧当量比加入固化剂和固化促进剂，再搅拌15～30min，得到质地均匀的悬浮浆料。
步骤(3)，将上述环氧悬浮浆料与玻璃纤维增强体按预先设定的配比结合，并经过一定程序热固化后，得到回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料。
在上述步骤(3)中，如果采用玻璃纤维织物和玻璃纤维无纺布作为增强体，则复合材料加工方法为：将上述环氧悬浮料液按一定的配比涂敷在玻璃纤维织物和玻璃纤维无纺布上，使其被悬浮浆液充分浸润；然后将浸渍浆料后的增强体通过热压制固化成型，制得各种形状的复合材料。所述的热压制固化条件可包括：机械压力为2.5～4MPa，温度80～100℃下维持2～3小时，然后温度100～155℃下维持3～6小时。
在步骤(3)中，如果采用短切玻璃纤维作为增强体，则复合材料加工方法为：将上述环氧悬浮料液按一定的配比与短切玻璃纤维在机械搅拌条件下混合20～30min，然后将混合物注入相应的模压成型装置中，在真空环境下脱除气泡，然后进行热固化成型，制得各种形状的复合材料。所述的热压制固化条件可包括：压力为2.5～4MPa，温度80～100℃下维持2～3小时，然后温度100～150℃下维持3～6小时。
本发明的回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料，即具备了传统玻璃纤维增强环氧复合材料的刚性和强度，又获得了较好的韧性和耐压缩性能，且复合材料制备工艺简单、可操作性强。与此同时，由于在复合材料中引入了价廉的回收塑料再生纤维，从而提高了玻璃纤维增强环氧复合材料的性能价格比。如果将本发明技术进行推广应用，可为废旧塑料回收再利用提供一条新的途径。
具体实施方式
以下是结合本发明技术方案所提供的物料配比及制备工艺所做的实施例，用以进一步解释本发明。
实施例1
选取由回收的PP经熔融纺丝法制备得到的再生纤维150g，将其剪切至5mm长度的短切纤维，然后用星型球磨机在600rpm的转速下，对其进行研磨30min，然而用清水将研磨后的纤维进行洗涤5遍，并在80℃的烘箱内干燥12小时。
将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维添加到350g的双酚A型环氧树脂中并预热至60℃，经机械搅拌30min后，冷却至室温；然后再加入11g的N，N-二甲基氨基丙胺固化剂和0.2g的2-乙基咪唑固化促进剂，再搅拌30min，即得到质地均匀的悬浮浆料。
将上述环氧悬浮浆料对质量为500g的玻璃布进行涂敷和浸渍，然后将其放置到热压机内，在机械压力为3MPa且真空条件下，进行热压固化。固化程序为90℃下维持2小时，120℃下维持3小时，150℃下维持3小时，然后降至室温，即得到回收PP再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料。
实施例2
选取由回收的HDPE经熔融纺丝法制备得到的再生纤维170g，将其剪切至4mm长度的短切纤维，然后用星型球磨机在300rpm的转速下，对其进行研磨20min，然而用清水将研磨后的纤维进行洗涤5遍，并在70℃的烘箱内干燥12小时。
将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维添加到300g的双酚A型环氧树脂中并预热至60℃，经机械搅拌30min后，冷却至室温；然后再加入12g的四氢邻苯二甲酸酐固化剂和0.15g的2-乙基咪唑固化促进剂，再搅拌30min，即得到质地均匀的悬浮浆料。
将上述环氧悬浮浆料对质量为530g的玻璃布进行涂敷和浸渍，然后将其放置到热压机内，在机械压力为2.5MPa且真空条件下，进行热压固化。固化程序为80℃下维持2小时，100℃下维持3小时，135℃下维持3小时，然后降至室温，即得到回收HDPE再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料。
实施例3
选取由回收的PET经熔融纺丝法制备得到的再生纤维150g，将其剪切至5mm长度的短切纤维，然后用星型球磨机在500rpm的转速下，对其进行研磨20min，然而用清水将研磨后的纤维进行洗涤5遍，并在80℃的烘箱内干燥12小时。
将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维添加到350g的双酚F型环氧树脂中并预热至60℃，经机械搅拌30min后，冷却至室温；然后再加入15g的N，N-二乙氨基丙胺固化剂和0.2g的2-苯基咪唑固化促进剂，再搅拌30min，即得到质地均匀的悬浮浆料。
将上述环氧悬浮浆料对质量为500g的玻璃布进行涂敷和浸渍，然后将其放置到热压机内，在机械压力为3MPa且真空条件下，进行热压固化。固化程序为80℃下维持2小时，110℃下维持2小时，150℃下维持3小时，然后降至室温，即得到回收PET再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料。
实施例4
选取由回收的尼龙6经熔融纺丝法制备得到的再生纤维120g，将其剪切至4mm长度的短切纤维，然后用星型球磨机在600rpm的转速下，对其进行研磨20min，然而用清水将研磨后的纤维进行洗涤5遍，并在80℃的烘箱内干燥12小时。
将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维添加到380g的双酚S型环氧树脂中并预热至60℃，经机械搅拌30min后，冷却至室温；然后再加入15g的N，N-二乙氨基丙胺固化剂和0.2g的2，4-二甲基咪唑固化促进剂，再搅拌30min，即得到质地均匀的悬浮浆料。
将上述环氧悬浮浆料对质量为500g的玻璃无纺布进行涂敷和浸渍，然后将其放置到热压机内，在机械压力为2.5MPa且真空条件下，进行热压固化。固化程序为80℃下维持2小时，120℃下维持3小时，150℃下维持2.5小时，然后降至室温，即得到回收尼龙6再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料。
实施例5
选取由回收的尼龙66经熔融纺丝法制备得到的再生纤维100g，将其剪切至5mm长度的短切纤维，然后用星型球磨机在400rpm的转速下，对其进行研磨20min，然而用清水将研磨后的纤维进行洗涤5遍，并在80℃的烘箱内干燥12小时。
将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维添加到400g的双酚A型环氧树脂中并预热至60℃，经机械搅拌30min后，冷却至室温；然后再加入13g的双氰双胺固化剂和0.25g的2-乙基咪唑固化促进剂，再搅拌30min，即得到质地均匀的悬浮浆料。
将500g的短切玻璃纤维加入上述环氧悬浮浆料中，经机械搅拌30min后，将混合均匀的环氧树脂/短切纤维悬浮浆料灌注到设计成一定形状的模压成型装置中，在真空环境下除掉气泡，然后进行热固化成型。固化程序为80℃下维持2小时，120℃下维持3小时，155℃下维持2.5小时，然后降至室温，即得到回收尼龙66再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料。
实施例6
选取由回收的PP经熔融纺丝法制备得到的再生纤维130g，将其剪切至5mm长度的短切纤维，然后用星型球磨机在600rpm的转速下，对其进行研磨30min，然而用清水将研磨后的纤维进行洗涤5遍，并在80℃的烘箱内干燥12小时。
将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维添加到300g的双酚F型环氧树脂中并预热至60℃，经机械搅拌30min后，冷却至室温；然后再加入9g的N，N-二甲基氨基丙胺固化剂和0.2g的2，4-二甲基咪唑固化促进剂，再搅拌30min，即得到质地均匀的悬浮浆料。
将570g的短切玻璃纤维加入上述环氧悬浮浆料中，经机械搅拌30min后，将混合均匀的环氧树脂/短切纤维悬浮浆料灌注到设计成一定形状的模压成型装置中，在真空环境下除掉气泡，然后进行热固化成型。固化程序为90℃下维持2小时，120℃下维持3小时，150℃下维持3小时，然后降至室温，即得到回收PP再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料。
结合表1的数据可以看出，本发明制备的回收塑料再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料，不仅其拉伸强度和弯曲强度均较纯环氧树脂热固化物有了大幅度的提升，而缺口冲击强度和压缩强度也比纯环氧树脂热固化物有了明显的提高。这表明通过回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强作用，可使环氧树脂复合材料的力学强度和韧性获得同步提高，从而有力地提升了环氧复合材料的综合力学性能。
表1 实施例1-6所制备的回收塑料再生纤维与玻璃纤维联合增强环氧树脂复合材料的力学性能

Claims (6)

1.一种回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将回收塑料再生纤维剪切至3~5mm的短切纤维，然后，采用星形球磨机对其进行研磨30~60min，然而用清水将研磨后的纤维进行洗涤3~5遍，并在80℃的烘箱内干燥12小 时；
2）将上述经研磨、清洗和干燥后的短切再生纤维按配比添加到预热至50~65℃的环氧树脂中，经机械搅拌后，冷却至室温；然后再按环氧当量比加入固化剂和固化促进剂，再搅拌15~30min，得到质地均匀的悬浮浆料；
3）将上述环氧悬浮浆料与玻璃纤维增强体按预先设定的配比结合，并经过一定程序热固化后，制得到由回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料；所述回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料中，协同增强体由玻璃纤维增强体与回收塑料再生纤维共同组成，其中玻璃纤维增强体占整个复合材料的重量百分比为50.0~70.0wt%，回收塑料再生纤维占整个复合材料的重量百分比为10.0~15.0wt%，环氧树脂占整个复合材料的重量百分比为15.0~35.0wt%，固化剂占整个复合材料的重量百分比为1.0~3.0wt%，固化促进剂占整个复合材料的重量百分比为0.1~0.3wt%。
2.如权利要求1所述的回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的回收塑料再生纤维为回收的聚丙烯、高密度聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩甲醛、尼龙6或尼龙66热塑性树脂通过熔融纺丝所制备的有机纤维，回收塑料再生纤维中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的玻璃纤维增强体为玻璃纤维织物、玻璃纤维无纺布或短切玻璃纤维。
4.如权利要求1所述的回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的环氧树脂为双酚A型、双酚F型、双酚S型或酚醛型环氧树脂。
5.如权利要求1所述的回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的固化剂包括脂肪族和芳香族多元胺、酸酐或潜伏型固化剂。
6.如权利要求1所述的回收塑料再生纤维与玻璃纤维协同增强环氧树脂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的固化促进剂包括2-乙基-4-甲基 咪唑、2-乙基咪唑、2-苯基咪唑、2-异丙基咪唑、2,4-二甲基咪唑中的一种或多种。
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