CN109824980A - 一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法 - Google Patents

一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，所述制备步骤包括：1）竹纤维的预处理；2）称取氧化石墨烯配置成浓度为0.04~0.4mg/ml的溶液，溶质为水、无水乙醇或二甲基亚砜中的一种或几种；3）将预处理后的竹纤维放入氧化石墨烯溶液中，超声搅拌20~60min，将所得的竹纤维放入真空干燥箱中，在135~145℃下干燥12~15h，还原附着在竹纤维上的氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯改性竹纤维；4）将纤维与聚丙烯熔融共混后注塑，得到还原氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料，所制得的复合材料具有更加优异的力学性能。

Description

一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备 方法
技术领域
本发明属于纤维增强复合物领域，并且具体地，涉及短纤维增强复合材料及其制备方法。
背景技术
天然植物纤维复合材料以其环境友好性，可生物降解性，无毒，低成本，低密度，以及高拉伸强度和高弯曲模量的优点，在过去十年中得到了快速发展，被广泛用于汽车、建筑和土木领域。
竹纤维具有长径比大、比强度高、比表面积大、密度低、价格低廉、可再生的优点而受到越来越多的关注。竹纤维的力学性能非常优越，其拉伸强度高于除了麻纤维以外的其他天然纤维。然而，竹纤维含有大量羟基，使其具有强极性和亲水性，与非极性的聚丙烯之间的界面粘合性差，进而使得竹纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能差。为改善界面粘合性，需对竹纤维进行表面改性。
氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，颜色为棕黄色，通常由Hummers法制得，氧化石墨烯是一种性能优异的碳材料，具有较高的比表面积，电绝缘性好，且表面有丰富的含氧官能团，如羟基，羧基，环氧基，这些含氧官能团不仅使得氧化石墨烯片材能稳定分散在水中，同时使其易与其他物质发生化学反应，可用于与其他材料进行复合制备复合材料。目前常用化学还原法制备还原氧化石墨烯，所用的液态还原剂有水合肼、纯肼及对苯二酚等，然而这些化学药剂不仅有剧毒，且价格高昂，有待探索更简单、廉价的还原方法。
目前，没有将氧化石墨烯涂覆在竹纤维表面以提高纤维增强复合材料的研究，而常用的碱处理竹纤维、硅烷偶联剂接枝竹纤维对复合材料力学性能的提升有限。
发明内容
本发明针对背景技术中存在竹纤维增强聚丙烯复合材料力学性能不足的问题而提供了一种还原氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，并采用高效简易的方法还原氧化石墨烯，所制得的复合材料具有优异的力学性能。
复合材料的力学性能用AGS-X电子万能试验机测量，测试标准为ISO527-2-5A和ISO180/179。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤一）竹纤维预处理：将25~40份竹纤维浸于1000ml、质量浓度为1.5%的过氧化氢溶液中，调节溶液的pH值为12~13，浸置一段时间,然后放入鼓风干燥箱烘干，得到碱性过氧化氢预处理竹纤维；
步骤二）称取氧化石墨烯配置成浓度为0.04~0.4mg/ml的溶液；
步骤三）将碱性过氧化氢预处理竹纤维放入氧化石墨烯溶液中，竹纤维与氧化石墨烯分散液用量比例为25～40:1，超声搅拌，将所得的竹纤维放入真空干燥箱中，在135~145℃下干燥12~15h，还原附着在竹纤维上的氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯改性竹纤维;
步骤四）将步骤三）制得的25~40份还原氧化石墨烯改性竹纤维与150份聚丙烯混合后密炼，再注塑制得还原氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料。
进一步的改进，所述步骤一）浸置1~3h。
进一步的改进，所述步骤一）中在80℃下烘干12h。
进一步的改进，所述步骤二）中溶剂为水、无水乙醇或二甲基亚砜中的一种或几种的混合液。 进一步的改进，所述步骤二）超声搅拌20~60min。
进一步的改进，所述竹纤维为短纤维，长度为3~6mm。
本发明具有如下有益效果：
本发明使用碱性过氧化氢预处理竹纤维。碱处理可除去竹纤维的半纤维素、果胶、蜡质等杂质，过氧化氢可破坏竹纤维中木质素和半纤维素之间的醚键，降低木质素的聚合度，最终导致除去木质素，提高纤维素的含量，降低竹纤维的直径。通过本发明的方法能够将氧化石墨烯更高效地均匀涂覆在竹纤维上，且制取还原氧化石墨烯的方法具有更环保、安全、高效的优点，制得的复合材料的力学性能优异。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）竹纤维预处理：取25份竹纤维，将其浸渍在1000ml浓度为1.5%的过氧化氢溶液中，加氢氧化钠颗粒调节溶液的pH值为12，浸渍时间为3h,然后放入鼓风干燥箱，在80℃烘干12h，得到预处理竹纤维；
（2）称取氧化石墨烯配置成浓度为0.2mg/ml的溶液，溶质为水、无水乙醇或丙酮中的一种或几种；
（3）将预处理后的竹纤维放入步骤（2）的氧化石墨烯溶液中，超声1h，并不时搅拌。其中，竹纤维与氧化石墨烯分散液的用量比例为40:1。将所得的竹纤维放入真空干燥箱中，在145℃下真空干燥12h，还原附着在竹纤维上的氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯改性竹纤维。
（4）将步骤（3）制得的还原氧化石墨烯改性竹纤维与150份聚丙烯加入到哈克转矩流变仪中进行密炼，密炼温度为190℃，再通过哈克微量注射成型仪注塑制得还原氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料。
实施例2
一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）竹纤维预处理：取30份竹纤维，将其浸渍在1000ml浓度为1.5%的过氧化氢溶液中，加氢氧化钠颗粒调节溶液的pH值为12.5，浸渍时间为2h,然后放入鼓风干燥箱，在80℃烘干12h，得到预处理竹纤维；
（2）称取氧化石墨烯配置成浓度为0.4mg/ml的溶液，溶质为水、无水乙醇或丙酮中的一种或几种；
（3）将预处理后的竹纤维放入步骤（2）的氧化石墨烯溶液中，超声20min，并不时搅拌。其中，竹纤维与氧化石墨烯分散液的用量比例为33:1。将所得的竹纤维放入真空干燥箱中，在145℃下真空干燥15h，还原附着在竹纤维上的氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯改性竹纤维。
（4）将步骤（3）制得的还原氧化石墨烯改性竹纤维与150份聚丙烯加入到哈克转矩流变仪中进行密炼，密炼温度为185℃，再通过哈克微量注射成型仪注塑制得还原氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料。
实施例3
一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）竹纤维预处理：取40份竹纤维，将其浸渍在1000ml浓度为1.5%的过氧化氢溶液中，加氢氧化钠颗粒调节溶液的pH值为13，浸渍时间为1h,然后放入鼓风干燥箱，在80℃烘干12h，得到预处理竹纤维；
（2）称取氧化石墨烯配置成浓度为 0.04mg/ml的溶液，溶质为水、无水乙醇或丙酮中的一种或几种；
（3）将预处理后的竹纤维放入步骤（2）的氧化石墨烯溶液中，超声30min，并不时搅拌.其中，竹纤维与氧化石墨烯分散液的用量比例为25:1。将所得的竹纤维放入真空干燥箱中，在135℃下真空干燥12h，还原附着在竹纤维上的氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯改性竹纤维。
（4）将步骤（3）制得的还原氧化石墨烯改性竹纤维与150份聚丙烯加入到哈克转矩流变仪中进行密炼，密炼温度为190℃，再通过哈克微量注射成型仪注塑制得还原氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料。
对比例1
（1）竹纤维预处理：取30份竹纤维，将其浸渍在1000ml浓度为1.5%的过氧化氢溶液中，加氢氧化钠颗粒调节溶液的pH值为12.5，浸渍时间为3h,然后放入鼓风干燥箱，在80℃烘干12h，得到预处理竹纤维；
（2）称取氧化石墨烯配置成浓度为0.4mg/ml的溶液，溶质为水、无水乙醇或丙酮中的一种或几种；
（3）将预处理后的竹纤维放入步骤（2）的氧化石墨烯溶液中，超声1h，并不时搅拌. 其中，竹纤维与氧化石墨烯分散液的用量比例为40:1。将所得的竹纤维放入鼓风干燥箱中，在80℃下鼓风干燥12h，得到氧化石墨烯改性竹纤维。
（4）将步骤（3）制得的氧化石墨烯改性竹纤维与150份聚丙烯加入到哈克转矩流变仪中进行密炼，密炼温度为185℃，再通过哈克微量注射成型仪注塑制得氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料。
对比例2
（1）竹纤维预处理：取40份竹纤维，将其浸渍在1000ml浓度为1.5%的过氧化氢溶液中，加氢氧化钠颗粒调节溶液的pH值为12.5，浸渍时间为3h,然后放入鼓风干燥箱，在80℃烘干12h，得到预处理竹纤维；
（2）将预处理后的竹纤维与150份聚丙烯加入到哈克转矩流变仪中进行密炼，密炼温度为190℃，再通过哈克微量注射成型仪注塑制得碱性过氧化氢改性竹纤维增强聚丙烯复合材料。
对比例3
将30份竹纤维与150份聚丙烯加入到哈克转矩流变仪中进行密炼，密炼温度为190℃，再通过哈克微量注射成型仪注塑制得竹纤维增强聚丙烯复合材料。
对比例4
取150份聚丙烯加入到哈克微量注射成型仪进行注塑，制得聚丙烯材料。
实施例1~3和对比例1~4制得的材料的力学性能结果如下表所示：
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
拉伸强度（MPa） 35.49 35.51 34.68 35.25 34.20 32.47 34.15
弯曲强度（MPa） 48.87 50.51 49.38 47.51 45.90 45.44 33.88
弯曲模量（MPa） 2431.20 2466.68 2504.97 2356.42 2314.74 2103.05 974.04

Claims (5)

1.一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一）竹纤维预处理：将25~40份竹纤维浸于1000ml质量分数为1.5%的过氧化氢溶液中，调节溶液的pH值为12~13，浸置一段时间,然后放入鼓风干燥箱，得到碱性过氧化氢预处理竹纤维；
步骤二）称取氧化石墨烯配置成浓度为0.04~0.4mg/ml的溶液；
步骤三）将碱性过氧化氢预处理竹纤维放入氧化石墨烯溶液中，竹纤维与氧化石墨烯分散液用量比例为25～40:1，超声搅拌，将所得的竹纤维放入真空干燥箱中，在135~145℃下干燥12~15h，还原附着在竹纤维上的氧化石墨烯，得到还原氧化石墨烯改性竹纤维;
步骤四）将步骤三）制得的25~40份还原氧化石墨烯改性竹纤维与150份聚丙烯混合后密炼，再注塑制得还原氧化石墨烯改性竹纤维增强聚丙烯复合材料。
2.如权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一）浸置1~3h。
3.如权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一）中在80℃下烘干12h。
4.如权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二）中溶剂为水、无水乙醇或二甲基亚砜中的一种或几种的混合液。
5.如权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯改性竹纤维/聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二）超声搅拌20~60min。
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