CN108546353B

CN108546353B - 一种车体制造用玄武岩纤维复合材料及其制备方法

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Publication number: CN108546353B
Application number: CN201810130664.8A
Authority: CN
Inventors: 钱振地; 冯克敏; 杨永林; 胡基士; 王挺; 吴元光; 叶光斗; 王九龙; 陈逊; 陈珉; 罗杰.古德尔; 侯建平; 刘鹏清; 姜猛进
Original assignee: Chengdu Tianfu Rail-Tech Valley Co ltd
Current assignee: Chengdu Tianfu Rail-Tech Valley Co ltd
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: CN108546353A

Abstract

本发明涉及一种车体制造用玄武岩纤维复合材料及其制备方法，属于材料领域，以重量份计，该复合材料包含以下组分：45～65份改性玄武岩纤维、40～60份聚乙烯树脂、4～8份增韧剂、1～3份表面活性剂、1～3份偶联剂、0.5～2.5份抗氧剂和0.5～2.5份去离子粉；改性玄武岩纤维中二氧化硅、氧化铝、铁氧化物、二氧化钛的质量含量分别为50％～54％、15％～18％、10％～14％、4％～6％；其制备方法为：A、制备改性玄武岩纤维，B、挤出造粒；与现有技术相比，该复合材料具有更好的防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸、耐疲劳性能，该方法成本低廉、操作简单、适合大规模生产，且容易实现玄武岩纤维在聚合物中的均匀分散，并加强它们的结合强度。

Description

一种车体制造用玄武岩纤维复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其涉及一种玄武岩纤维复合材料。

背景技术

聚合物材料虽然只有几十年的发展历史，但是其发展速度之快，应用之广，远远超过人类历史上任何一种其它材料。聚合物具有可塑性、高弹性、成膜性等很多优良而独特的性能，可以制成各种塑料、合金橡胶、合成纤维、涂料和粘合剂等。但是聚合物还存在不耐高温、强度不够高、容易燃烧、容易老化、容易产生积累静电等缺点，如何克服这些缺点进一步完善聚合物的性能是当前材料领域的一个热点问题。

玄武岩纤维是以天然的基性玄武岩矿石为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1450～1500℃熔融后制成的纤维，是继碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大高技术纤维。玄武岩纤维与其它高科技纤维相比，具有隔热、防潮、防水、防火、耐酸碱、保冷、吸声、良好的抗拉强度、耐腐蚀、且长期使用不退变、劣化等很多独特的优异性能，并且原料价格低廉，生产加工投入成本低，是碳纤维等的低价替代品。尤为主要的是由于它取自天然矿石，而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色玻璃质纤维产品。

通过聚合物材料和玄武岩纤维制备复合材料能够有效克服聚合物材料的缺陷，进一步完善聚合物材料的性能，但在制备玄武岩纤维聚合物复合材料时人们面临的问题之一就是玄武岩纤维的均匀分散较困难，这是因为改性玄武岩纤维的直径较细是微米级的，具有同其它微米粉体类似的表面效应、小尺寸效应，因而有较大的比表面积和较高的表面能，容易发生团聚等问题，使得复合材料的性能仍然受到一定限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种车体制造用玄武岩纤维复合材料及其制备方法，该车体制造用玄武岩纤维复合材料具有更好的防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸、耐疲劳性能，该方法成本低廉、操作简单、适合大规模生产，且容易实现玄武岩纤维在聚合物中的均匀分散。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种车体制造用玄武岩纤维复合材料，以重量份计，它包含以下组分：45～65份改性玄武岩纤维、40～60份聚乙烯树脂、4～8份增韧剂、1～3份表面活性剂、1～3份偶联剂、0.5～2.5份抗氧剂和0.5～2.5份去离子粉；

所述改性玄武岩纤维中二氧化硅的质量含量为50％～54％、氧化铝的质量含量为15％～18％、铁氧化物的质量含量为10％～14％、二氧化钛的质量含量为4％～6％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中表面活性剂、去离子粉、抗氧剂、增韧剂能作为填料分散于聚乙烯树脂的网链状结构中，有效降低改性玄武岩纤维的表面能，减弱表面效应，同时去离子粉还能有效去除聚乙烯树脂表面积累的静电，使得改性玄武岩纤维能够更加均匀得分散于聚乙烯树脂的网链状结构中，并通过偶联剂更好得与聚乙烯树脂有机结合在一起，显著增加其与聚乙烯树脂介面间的结合强度，进而大大提高车体制造用玄武岩纤维复合材料的密度、硬度、弹性和抗氧性，使其具有更好的防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸性能，与普通玄武岩纤维聚合物复合材料相比，其防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸性能分别可提高44％、12％、25％、36％、40％，使用寿命可延长70％。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

作为本发明的一种优选实施方式，所述改性玄武岩纤维的密度为2.6～2.8g/cm³、抗拉强度为4000～4800MPa、单纤直径为8～12μm。

采用上述优选方案的有益效果是：

能够更加显著得增加改性玄武岩纤维与聚乙烯树脂介面间的结合强度，进而大大提高车体制造用玄武岩纤维复合材料的密度、硬度和弹性。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述抗氧剂由芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯均匀混合而成。

采用上述优选方案的有益效果是：

采用此混合抗氧剂作为填料加入基料中，能够有效发挥主抗氧剂和辅助抗氧剂的协同作用，消除自由基、促使氢过氧化物分解，从而阻止自由基链式反应，进而避免有机化合物的结构和性质发生根本变化，提高最终产品的抗氧化性，使得产品不易老化，使用寿命更长，并且使用更加安全放心。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯的重量比为5～7:6～8：1。

采用上述优选方案的有益效果是：

采用此配比的混合抗氧剂能够更加有效得发挥主抗氧剂和辅助抗氧剂的协同作用，消除自由基、促使氢过氧化物分解，从而更加有效得阻止自由基链式反应，进而避免有机化合物的结构和性质发生根本变化，大大提高最终产品的抗氧化性。

作为本发明的另一种优选实施方式，所述去离子粉的粒径均为0.1～1μm。

采用上述优选方案的有益效果是：

采用此粒径的去离子粉作为填料，既可以有效发挥纳米级材料的部分特殊性能，去除聚乙烯树脂表面静电，更加有效得改善聚乙烯树脂的机械性能，从而达到实际生产和应用的要求，又可以大大降低生产纳米级材料的难度，节约成本。

一种如上所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，它包括以下步骤：

A、制备改性玄武岩纤维

先对玄武岩纤维进行冻干处理，然后用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行改性处理，再用等离子体对玄武岩纤维进行改性处理，即得到改性玄武岩纤维；

B、挤出造粒

按照重量份比例将聚乙烯树脂、增韧剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、去离子粉以及步骤A得到的改性玄武岩纤维混合均匀，然后放入造粒挤出机中熔融共混并挤出造粒，即得到所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明方法成本低廉、操作简单、适合大规模生产，玄武岩纤维通过冻干处理既能有效去除其表面附着的水分，又能使玄武岩纤维更加蓬松，然后经过硅烷偶联剂、等离子体进行双重改性处理，再与聚乙烯树脂、表面活性剂、去离子粉、抗氧剂、增韧剂熔融共混并挤出造粒，更加容易实现玄武岩纤维在聚乙烯树脂中的均匀分散，同时表面活性剂、去离子粉、抗氧剂、增韧剂作为填料分散于聚乙烯树脂的网链状结构中能够有效降低改性玄武岩纤维的表面能、减弱表面效应、去除聚乙烯树脂表面积累的静电，使得改性玄武岩纤维能够更加均匀得分散于聚乙烯树脂的网链状结构中，并通过偶联剂更好得与聚乙烯树脂有机结合在一起，显著增加其与聚乙烯树脂介面间的结合强度，进而大大提高车体制造用玄武岩纤维复合材料的密度、硬度、弹性和抗氧性。

作为本发明的一种优选实施方式，在步骤A中，先将玄武岩纤维用无水乙醇浸泡，然后放入介质为丙酮的超声波清洗机中振荡清洗，取出后再进行冻干处理。

采用上述优选方案的有益效果是：

这样对玄武岩纤维进行浸泡和清洗，可有效去除玄武岩纤维表面附着的杂质，有利于进行下一步改性处理，并且可以使改性玄武岩纤维与聚乙烯树脂有机结合的更加紧密，增加改性玄武岩纤维与聚乙烯树脂介面间的结合强度。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤A中，浸泡时间为5～6h，振荡清洗时间为0.5～1h。

采用上述优选方案的有益效果是：

清洗浸泡效果更佳，更加有利于对其进行改性处理，并且更加容易与聚乙烯树脂有机结合。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤A中，冻干处理时的温度为-60～-45℃、真空度为5～15Pa。

采用上述优选方案的有益效果是：

既能更加有效得去除玄武岩纤维表面附着的水分，又能使玄武岩纤维更加蓬松，不但更加有利于进行改性处理，而且更加容易实现玄武岩纤维在聚乙烯树脂中的均匀分散。

作为本发明的另一种优选实施方式，在步骤B中，所述造粒挤出机工作时机头温度为220～230℃，且机头至机尾之间有五个温度递增的加热区间，相邻加热区间的温度差为4～6℃。

采用上述优选方案的有益效果是：

在此条件下熔融共混并挤出造粒，可以使改性玄武岩纤维能够更加均匀得分散于聚乙烯树脂的网链状结构中，并通过偶联剂更好得与聚乙烯树脂有机结合在一起，更加显著增加其与聚乙烯树脂介面间的结合强度。

下面对本发明的最佳实施方式做进一步详细说明。

所述改性玄武岩纤维中二氧化硅的质量含量为50％～54％、氧化铝的质量含量为15％～18％、铁氧化物的质量含量为10％～14％、二氧化钛的质量含量为4％～6％；所述改性玄武岩纤维的密度为2.6～2.8g/cm3、抗拉强度为4000～4800MPa、单纤直径为8～12μm；

所述抗氧剂由芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯按照5～7:6～8：1的重量比均匀混合而成，所述去离子粉的粒径均为0.1～1μm。

A、制备改性玄武岩纤维

先将玄武岩纤维用无水乙醇浸泡5～6h，然后放入介质为丙酮的超声波清洗机中振荡清洗0.5～1h，取出后在温度为-60～-45℃、真空度为5～15Pa的条件下进行冻干处理，然后用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行改性处理，再用等离子体对玄武岩纤维进行改性处理，即得到改性玄武岩纤维；

B、挤出造粒

按照重量份比例将聚乙烯树脂、增韧剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、去离子粉以及步骤A得到的改性玄武岩纤维混合均匀，然后放入造粒挤出机中，所述造粒挤出机工作时机头温度为220～230℃，且机头至机尾之间有五个温度递增的加热区间，相邻加热区间的温度差为4～6℃，熔融共混并挤出造粒后，即得到所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种车体制造用玄武岩纤维复合材料，以重量份计，它包含以下组分：55份改性玄武岩纤维、50份聚乙烯树脂、6份增韧剂、2份表面活性剂、2份偶联剂、1.5份抗氧剂和1.5份去离子粉；

所述改性玄武岩纤维中二氧化硅的质量含量为54％、氧化铝的质量含量为18％、铁氧化物的质量含量为14％、二氧化钛的质量含量为6％；所述改性玄武岩纤维的密度为2.8g/cm3、抗拉强度为4800MPa、单纤直径为8μm；

所述抗氧剂由芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯按照6:7：1的重量比均匀混合而成，所述去离子粉的粒径均为0.1μm。

A、制备改性玄武岩纤维

先将玄武岩纤维用无水乙醇浸泡5.5h，然后放入介质为丙酮的超声波清洗机中振荡清洗0.75h，取出后在温度为-60℃、真空度为5Pa的条件下进行冻干处理，然后用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行改性处理，再用等离子体对玄武岩纤维进行改性处理，即得到改性玄武岩纤维；

B、挤出造粒

按照重量份比例将聚乙烯树脂、增韧剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、去离子粉以及步骤A得到的改性玄武岩纤维混合均匀，然后放入造粒挤出机中，所述造粒挤出机工作时机头温度为225℃，且机头至机尾之间有五个温度递增的加热区间，相邻加热区间的温度差为5℃，熔融共混并挤出造粒后，即得到所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料。

与普通玄武岩纤维聚合物复合材料相比，其防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸性能分别可提高60％、24％、39％、48％、51％，使用寿命可延长83％。

实施例2

一种车体制造用玄武岩纤维复合材料，以重量份计，它包含以下组分：45份改性玄武岩纤维、40份聚乙烯树脂、4份增韧剂、1份表面活性剂、1份偶联剂、0.5份抗氧剂和0.5份去离子粉；

所述改性玄武岩纤维中二氧化硅的质量含量为52％、氧化铝的质量含量为16.5％、铁氧化物的质量含量为12％、二氧化钛的质量含量为5％；所述改性玄武岩纤维的密度为2.6g/cm3、抗拉强度为4000MPa、单纤直径为10μm；

所述抗氧剂由芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯按照5:6：1的重量比均匀混合而成，所述去离子粉的粒径均为0.55μm。

A、制备改性玄武岩纤维

先将玄武岩纤维用无水乙醇浸泡5h，然后放入介质为丙酮的超声波清洗机中振荡清洗0.5h，取出后在温度为-52.5℃、真空度为10Pa的条件下进行冻干处理，然后用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行改性处理，再用等离子体对玄武岩纤维进行改性处理，即得到改性玄武岩纤维；

B、挤出造粒

按照重量份比例将聚乙烯树脂、增韧剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、去离子粉以及步骤A得到的改性玄武岩纤维混合均匀，然后放入造粒挤出机中，所述造粒挤出机工作时机头温度为220℃，且机头至机尾之间有五个温度递增的加热区间，相邻加热区间的温度差为6℃，熔融共混并挤出造粒后，即得到所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料。

与普通玄武岩纤维聚合物复合材料相比，其防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸性能分别可提高54％、19％、33％、41％、45％，使用寿命可延长79％。

实施例3

一种车体制造用玄武岩纤维复合材料，以重量份计，它包含以下组分：65份改性玄武岩纤维、60份聚乙烯树脂、8份增韧剂、3份表面活性剂、3份偶联剂、2.5份抗氧剂和2.5份去离子粉；

所述改性玄武岩纤维中二氧化硅的质量含量为50％、氧化铝的质量含量为15％、铁氧化物的质量含量为10％、二氧化钛的质量含量为4％；所述改性玄武岩纤维的密度为2.7g/cm3、抗拉强度为4400MPa、单纤直径为12μm；

所述抗氧剂由芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯按照7:8：1的重量比均匀混合而成，所述去离子粉的粒径均为1μm。

A、制备改性玄武岩纤维

先将玄武岩纤维用无水乙醇浸泡6h，然后放入介质为丙酮的超声波清洗机中振荡清洗1h，取出后在温度为-45℃、真空度为15Pa的条件下进行冻干处理，然后用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行改性处理，再用等离子体对玄武岩纤维进行改性处理，即得到改性玄武岩纤维；

B、挤出造粒

按照重量份比例将聚乙烯树脂、增韧剂、表面活性剂、偶联剂、抗氧剂、去离子粉以及步骤A得到的改性玄武岩纤维混合均匀，然后放入造粒挤出机中，所述造粒挤出机工作时机头温度为230℃，且机头至机尾之间有五个温度递增的加热区间，相邻加热区间的温度差为4℃，熔融共混并挤出造粒后，即得到所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料。

与普通玄武岩纤维聚合物复合材料相比，其防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸性能分别可提高52％、18％、32％、40％、44％，使用寿命可延长78％。

实施例4

所述改性玄武岩纤维中二氧化硅的质量含量为50％、氧化铝的质量含量为15％、铁氧化物的质量含量为10％、二氧化钛的质量含量为4％。

A、制备改性玄武岩纤维

B、挤出造粒

与普通玄武岩纤维聚合物复合材料相比，其防静电、吸波、耐高温、抗冲击、抗拉伸性能分别可提高44％、12％、25％、36％、40％，使用寿命可延长70％。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

A、制备改性玄武岩纤维

先对玄武岩纤维进行冻干处理，然后用硅烷偶联剂对玄武岩纤维进行改性处理，再用等离子体对玄武岩纤维进行改性处理后，即得到改性玄武岩纤维，所述改性玄武岩纤维中二氧化硅的质量含量为50％～54％、氧化铝的质量含量为15％～18％、铁氧化物的质量含量为10％～14％、二氧化钛的质量含量为4％～6％；

B、挤出造粒

按照重量份比例将40～60份聚乙烯树脂、4～8份增韧剂、1～3份表面活性剂、1～3份偶联剂、0.5～2.5份抗氧剂、0.5～2.5份去离子粉以及45～65份步骤A得到的改性玄武岩纤维混合均匀，然后放入造粒挤出机中熔融共混并挤出造粒，即得到所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于,在步骤A中，先将玄武岩纤维用无水乙醇浸泡，然后放入介质为丙酮的超声波清洗机中振荡清洗，取出后再进行冻干处理。

3.根据权利要求2所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于,在步骤A中，浸泡时间为5～6h，振荡清洗时间为0.5～1h。

4.根据权利要求1所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于,在步骤A中，冻干处理时的温度为-60～-45℃、真空度为5～15Pa。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于,在步骤B中，所述造粒挤出机工作时机头温度为220～230℃，且机头至机尾之间有五个温度递增的加热区间，相邻加热区间的温度差为4～6℃。

6.根据权利要求1所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述改性玄武岩纤维的密度为2.6～2.8g/cm³、抗拉强度为4000～4800MPa、单纤直径为8～12μm。

7.根据权利要求1所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述抗氧剂由芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯均匀混合而成。

8.根据权利要求7所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述芳香胺类抗氧剂、受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯的重量比为5～7:6～8：1。

9.根据权利要求1所述的车体制造用玄武岩纤维复合材料的制备方法，其特征在于，所述去离子粉的粒径均为0.1～1μm。