CN110643102A - 一种竹纤维增强热塑性树脂复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，公开了一种竹纤维增强热塑性树脂复合材料，包括按重量份数计的如下组分：热塑性树脂45～75份、改性竹纤维10～30份、改性填料4～8份、增韧剂6～12份、相容剂2～5份和流动改性剂0.1～1份；所述改性填料为改性二氧化硅和改性碳酸钙中的一种或两种；还公开了上述竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法。从而提高了复合材料主成分间的相容性，提高了复合材料的机械性能。

Description

一种竹纤维增强热塑性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技术领域，具体涉及一种竹纤维增强热塑性树 脂复合材料及其制备方法。
背景技术
随着城镇化、工业化进程的加快，我国对石油煤炭和金属矿产资源 等不可再生资源的消耗量急剧增加，原材料价格不断攀升，塑料因各方 面表现出的性能优势使其应用范围越来越广，但大多数塑料因具有不可 降解性而致使耐久不腐的塑料垃圾不断增加，曾经引以为傲的“白色革命” 成为了人类为之头疼的“白色垃圾”。此外，在人们对材料的需求量不断加 大的同时，各种工业生产中对材料各个方面性能品质的要求也不断提升， 单一材料的性能己经不能满足需要，开发和研究低成本、高性能且环境 友好型复合材料成为新材料发展领域的重点。
近年来，利用可再生资源开发新型复合材料越来越多的引起人们的 关注。其中，天然植物纤维作为塑料的增强材料具有巨大的潜在优势。 天然植物纤维在自然界中资源丰富，价格低廉，最重要的是可自然降解， 与热塑性树脂制备的复合材料属于环境友好型的产品。竹纤维作为植物 纤维中重要的一员，是最具有应用前景的植物纤维之一，竹子具有生长 周期短，繁殖快，产量高，成本低等优点，一般3～5年左右便可成熟收 获。从竹材性能上来说，竹子作为一种工程结构材料表现出了优异的机 械性能，如拉伸、弯曲和耐磨性，其抗拉强度甚至可以达到中碳钢的2～3 倍，耐磨性是木材的1.5倍。
对于竹纤维增强热塑性树脂复合材料，竹纤维加入会引起复合材料 耐热性差、刚性差和抗冲击性差的问题。
发明内容
为了解决现有技术中竹纤维增强热塑性树脂复合材料耐热性差、 刚性差和抗冲击性差的问题，提供一种竹纤维增强热塑性树脂复合材 料及其制备方法。
本发明提供一种竹纤维增强热塑性树脂复合材料，按重量份数计，由 如下组分组成：热塑性树脂45～75份、改性竹纤维10～30份、改性填料 4～8份、增韧剂6～12份、相容剂2～5份和流动改性剂0.1～1份；所述 改性填料为改性二氧化硅和改性碳酸钙中的一种或两种。
采用上述技术方案，复合材料中加入改性二氧化硅和/或改性碳酸钙， 一方面，改性二氧化硅和改性碳酸钙均可以与热塑性树脂、改性竹纤维具 有较佳的相容性，另一方面，改性二氧化硅和改性碳酸钙具有硬度佳、耐 磨性好和耐高温特点，因此，热塑性树脂和改性竹纤维与改性填料相互作 用，不仅能提高复合材料各组分的相容性，还可以最大程度上提高复合材 料的耐热性、刚性和抗冲击性。
另外，通过上述特定的复合材料的组分配比，能够提高改性竹纤维与 热塑性树脂的相容性，从而提高改性竹纤维在热塑性树脂基体内的分散性 和溶体流动性，使改性竹纤维与热塑性树脂能够更有效的融合，进一步提 高改性竹纤维对热塑性树脂的增强效果，从而提高复合材料的机械性能。
进一步的，按重量份数计，由如下组分组成：热塑性树脂50～65份、 改性竹纤维15～25份、改性填料5～8份、增韧剂8～10份、相容剂3～ 5份和流动改性剂0.1～0.5份。
采用上述技术方案，通过优化的复合材料的组分配比，进一步提高了 改性竹纤维和热塑性树脂的相容性。
进一步的，所述改性竹纤维的改性方法是：竹纤维依次经过碱性溶液 浸泡、清洗至洗液为中性、异氰酸酯丙酮溶液浸泡、干燥、粉碎和分散处 理。
采用上述技术方案，竹纤维经碱性溶液处理后，能够去除竹纤维中的 胶质杂质，增大竹纤维表面的粗糙度，增大竹纤维与基体热塑性树脂的界 面结合面积，提高界面结合力。经碱性溶液改性后的竹纤维与异氰酸酯 (TDI)丙酮溶液反应，能够减少竹纤维的羟基数量，降低竹纤维表面极 性，大大改善改性竹纤维与热塑性树脂的界面相容性；随着改性竹纤维与 热塑性树脂相容性的提高、界面结合力的提高，可提高改性竹纤维增强的 复合材料的机械性能。
进一步的，所述碱性溶液的质量分数为8～15wt％；所述异氰酸酯丙酮 溶液的质量分数为1～5wt％，所述异氰酸酯丙酮溶液浸泡处理的浸泡温度 为55～70℃。
采用上述技术方案，碱性溶液质量分数过小，无法有效去除竹纤维中 的胶质，碱性溶液质量分数过大时，会破坏竹纤维组织结构，降低材料机 械强度。8～15wt％为优选的质量分数，既能起到去除竹纤维胶质，也不 会损伤竹纤维组织结构。1～5wt％是异氰酸酯丙酮溶液的适宜质量分数， 质量分数过大时，异氰酸酯与竹纤维表面的羟基反应后，会进一步与更深 层的羟基反应，破坏竹纤维组织结构。55～70℃为异氰酸酯与竹纤维提供 适宜的反应环境，提高反应效率。
进一步的，所述改性填料的改性方法是将填料采用表面活性剂进行处 理，所述表面活性剂是油酸或硬脂酸钠，所述表面活性剂的重量是所述改 性填料的重量的2～4wt％。
采用上述技术方案，经油酸或硬脂酸钠活化处理的改性填料，改性填 料的表面张力降低，使其更易与改性竹纤维、热塑性树脂相容，其分散性 及相容性都大大提高。
进一步的，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯 和丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物中的一种或多种；
其中，所述聚乙烯的分子量为20～60万，所述聚丙烯的分子量为 3000～5000，所述聚氯乙烯的分子量为5～11万，所述聚苯乙烯的分子量为 18～22万，所述丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物的分子量为15～30万。
采用上述特定分子量的热塑性树脂，其作为改性竹纤维的溶剂，表面 张力较其他分子量的热塑性树脂更低，更有利于和改性竹纤维相容。
进一步的，所述相容剂为马来酸酐接枝乙烯—辛烯共聚物 (POE-g-MAH)；所述增韧剂为具有核壳结构的丙烯酸酯类共聚物；所 述丙烯酸酯类共聚物是以有机硅氧烷-丙烯酸酯复合橡胶相为核，以甲基丙 烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为壳。
采用上述技术方案，POE-g-MAH在复合材料体系中兼具增容和增韧 的作用，接枝聚合物增强了亲水性改性竹纤维和疏水性聚合物热塑性树脂 的界面结合，有效改善改性竹纤维与热塑性树脂基体的相容性，提高复合 材料的综合力学性能。POE-g-MAH还可产生能量耗散并改善应力的有效 传递、增强改性竹纤维和基体的界面粘附，进一步提高复合材料的冲击强 度和韧性等。通过加入具有核壳结构的增韧剂，进一步解决了改性竹纤维 加入导致的复合材料的韧性差的问题。
进一步的，所述流动改性剂为N,N’—乙撑双硬酯酰胺、硬脂酸丁酯、 油酰胺和微晶石蜡中的一种或多种。
通过流动改性剂的加入，能够进一步提高改性竹纤维在热塑性树脂基 体内的流动性，使两者更加均匀的融合，进而提高复合材料的机械性能。
本发明还提供一种制备上述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的方 法，包括以下步骤：
混合：将一定量的热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动 改性剂混合均匀；
复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔融共混 法制备；将混合后的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流 动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤维投入所述 双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为170～210℃， 机头挤出温度为180～200℃，所述双螺杆挤出机的主机螺杆转速为 350～400r/min，加料转速为25～35r/min。
采用上述技术方案，通过采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机 熔融共混的制备方法，在充分混合的情况下，控制转速，有效减少了高速 剪切作用对改性竹纤维的损伤，制备出具有较高强度和韧性，良好的加工 性能以及外观效果的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，该复合材料可广泛 应用于电子、汽车、家用电器等各个领域。
双螺杆挤出机的主机螺杆的转速不可过快，若转速越快，剪切力越大， 会导致改性竹纤维长度较短，强度降低，350～400r/min为适宜转速范围。 双螺杆挤出机的加热温度不宜过高，改性竹纤维耐热性较差，温度过高， 易导致纤维降解而影响其性能发挥，170～210℃为适宜温度范围，温度不 会过高影响其性能发挥。
进一步的，所述双螺杆挤出机的侧喂料口与机头之间的距离是所述双 螺杆挤出机的主喂料口与机头之间距离的0.5～0.75倍。
采用上述技术方案，当改性竹纤维喂料位置距离机头过长时，改性竹 纤维更容易经受长时间的剪切破坏而导致长度变短，导致产品的力学性能 变差；若距离机头过近，则改性竹纤维与其他组分之间混合不均匀，产品 的力学性能仍然会受到影响，侧喂料口与机头之间的距离是主喂料口与机 头之间距离的1/2～3/4倍可以达到最好的混合效果，且不会导致改性竹纤 维过短。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明复合材料中加入改性二氧化硅和/或改性碳酸钙，一方面， 改性二氧化硅和改性碳酸钙均可以与热塑性树脂、改性竹纤维具有较佳的 相容性，另一方面，改性二氧化硅和改性碳酸钙具有硬度佳、耐磨性好和 耐高温特点，因此，热塑性树脂和改性竹纤维与改性填料相互作用，不仅 能提高复合材料各组分的相容性，还可以最大程度上提高复合材料的耐热 性、刚性和抗冲击性。
2、本发明通过加入相容剂有效改善改性竹纤维与热塑性树脂基体的 相容性，提高复合材料的综合性能；通过加入具有核壳结构的增韧剂进一 步解决了竹纤维加入导致复合材料的韧性差的问题。
3、本发明将竹纤维经碱性溶液处理，能去除竹纤维中的胶质杂质， 增大竹纤维表面的粗糙度，增大竹纤维与基体热塑性树脂的界面结合面积， 提高界面结合力。经碱性溶液改性后的竹纤维继续与异氰酸酯(TDI)丙 酮溶液反应，能够减少竹纤维的羟基数量，降低竹纤维表面极性，大大改 善竹纤维与树脂的界面相容性，从而提高复合材料的机械性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种竹纤维增强热塑性树脂复合材料，按重量份数计，由如下组分组 成：热塑性树脂45～75份、改性竹纤维10～30份、改性填料4～8份、 增韧剂6～12份、相容剂2～5份和流动改性剂0.1～1份；所述改性填料 为改性二氧化硅和改性碳酸钙中的一种或两种。
需要进一步说明的是，改性填料可以选择改性二氧化硅、改性碳酸 钙或改性二氧化硅与改性碳酸钙的混合物，其均可以与热塑性树脂、改 性竹纤维具有较佳的相容性，通过提高其相容性，可以最大程度上提高 复合材料的耐热性、刚性和抗冲击性。
在上述实施例的基础上，进一步的，按重量份数计，由如下组分组 成：热塑性树脂50～65份、改性竹纤维15～25份、改性填料5～8份、 增韧剂8～10份、相容剂3～5份和流动改性剂0.1～0.5份。
在上述实施例的基础上，进一步的，所述改性竹纤维的改性方法是： 竹纤维依次经过碱性溶液浸泡、清洗至洗液为中性、异氰酸酯丙酮溶液浸 泡、干燥、粉碎和分散处理。
需要说明的是，碱性溶液可以是氢氧化钠(NaOH)，也可以是现有 技术中其他的碱性溶液。
可以先用碱性溶液处理，处理后的对竹纤维进行清洗至洗液为中性， 然后再用异氰酸酯丙酮溶液处理。也可以先用异氰酸酯丙酮溶液处理， 再用碱性溶液处理，处理后的对竹纤维进行清洗至洗液为中性。
具体的，本实施例中，改性竹纤维的粒径为120～250μm，碱性溶液 选用氢氧化钠。
在上述实施例的基础上，进一步的，所述碱性溶液的质量分数为 8～15wt％；所述异氰酸酯丙酮溶液的质量分数为1～5wt％，所述异氰酸酯 丙酮溶液浸泡处理的浸泡温度为55～70℃。
具体的，本实施例中，用碱性溶液浸泡时，先搅拌30分钟，然后静 置浸泡48小时；异氰酸酯丙酮溶液浸泡时，先搅拌1小时，然后静置浸 泡24小时，浸泡时采用水浴加热。当然也可以省去搅拌过程，直接进行 静置浸泡，并延长浸泡时间。异氰酸酯丙酮溶液浸泡，还可以采用其他 的加热方式。
在上述实施例的基础上，进一步的，所述改性填料的改性方法是将 填料采用表面活性剂进行处理，所述表面活性剂是油酸或硬脂酸钠，所 述表面活性剂的重量是所述填料的重量的2～4wt％。
具体的，本实施例中，改性填料的粒径为200～500nm，改性方法为 填料在机械搅拌的条件下分散于水溶液中，再将油酸或硬脂酸钠加入到 含有填料的水溶液中，继续搅拌1小时，抽滤、放置于电热鼓风干燥箱 中80℃下干燥4小时。添加表面活性剂时，其重量可以是填料的重量的 2wt％、4wt％、3wt％或2wt％～4wt％范围内的其他数值。
在上述实施例的基础上，进一步的，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚 丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物中的一种 或多种；其中，所述聚乙烯的分子量为20～60万，所述聚丙烯的分子量为 3000～5000，所述聚氯乙烯的分子量为5～11万，所述聚苯乙烯的分子量为 18～22万，所述丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物的分子量为15～30万。
需要说明的是，热塑性树脂可以是一种，也可以是两种或多种的混 合。
在上述实施例的基础上，进一步的，所述相容剂为马来酸酐接枝乙 烯—辛烯共聚物(POE-g-MAH)；所述增韧剂为具有核壳结构的丙烯酸 酯类共聚物；所述丙烯酸酯类共聚物是以有机硅氧烷-丙烯酸酯复合橡胶 相为核，以甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为壳。
具体的，本实施例中，有机硅氧烷-丙烯酸酯复合橡胶中丙烯酸酯与 有机硅氧烷的重量比为3～1:1；所述丙烯酸酯类共聚物的平均粒径为 250～350nm。
在上述实施例的基础上，进一步的，所述流动改性剂为N,N’—乙撑 双硬酯酰胺、硬脂酸丁酯、油酰胺和微晶石蜡中的一种或多种。
需要说明的是，流动改性剂选择其中一种或者多种混合使用，均可 以达到增强溶体流动性的效果。
本发明还提供一种制备上述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的方 法，包括以下步骤：
(1)改性竹纤维、改性填料的制备：将一定量的竹纤维干燥后粉碎 过筛；将过筛后的竹纤维浸入到碱性溶液中，搅拌20～40分钟，静置36～56 小时后抽滤并清洗至洗液为中性；将清洗后的竹纤维烘干处理，然后将 竹纤维浸入氰酸酯丙酮溶液中，水浴加热55℃～70℃，搅拌0.8～1.5小时， 静置20～30小时后抽滤，抽滤后的竹纤维干燥后再次粉碎、分散，制得 改性竹纤维备用；将填料分散于水中，并在水溶液中加入表面活性剂， 搅拌0.5～1.5小时后，抽滤、干燥处理制得改性填料备用；
(2)混合：将一定量的热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以 及流动改性剂置进行混合；
(3)复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔 融共混法制备；将混合后的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容 剂以及流动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤 维投入所述双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为 170～210℃，机头挤出温度为180～200℃，所述双螺杆挤出机的主机螺杆 转速为350～400r/min，加料转速为25～35r/min。
需要说明的是，步骤(1)和步骤(2)的顺序可以颠倒，并不会影 响复合材料的制备。
在上述实施例的基础上，进一步的，所述双螺杆挤出机的侧喂料口 与机头之间的距离是主喂料口与机头之间距离的0.5～0.75倍。
以下为本发明提供的具体实施例
下述实施例中，表示原料含量的单位均基于重量以份计，单位为千 克，除非另外说明。
实施例1
本实施例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，按重量份数计，组 分如下：热塑性树脂60份、改性竹纤维20份、改性填料6份、增韧剂 9份、相容剂4份和流动改性剂0.3份。
热塑性树脂采用分子量为3000～5000的聚丙烯。改性填料包括改性 碳酸钙，改性填料的粒径为200～500nm。增韧剂为以机硅氧烷-丙烯酸酯 复合橡胶相为核，以甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为壳 的丙烯酸酯类共聚物，丙烯酸酯与有机硅氧烷的重量比为2:1，增韧剂的 平均粒径为250～350nm。相容剂为马来酸酐接枝乙烯—辛烯共聚物。流 动改性剂包括N,N’—乙撑双硬酯酰胺。
本实施例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括以下 步骤：
(1)改性竹纤维、改性填料的制备：将购买的下脚料竹屑作放入电 热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，将干燥后的竹纤维放入高速粉碎机 中粉碎，经60目(孔径为250μm)滤筛过筛；将过筛后的竹纤维浸入到 质量分数为10％的氢氧化钠碱性溶液中，迅速搅拌30分钟，静置48小 时后抽滤并清洗至洗液为中性(pH＝7.0)；将清洗后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，然后将竹纤维浸入质量分数为3％的氰酸酯 丙酮溶液中，水浴加热至62℃，机械搅拌1小时，静置24小时后抽滤， 抽滤后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(90℃，12h)，用小型高速粉 碎机再次粉碎、分散竹纤维，制得改性竹纤维备用，改性竹纤维的粒径 为120～250μm；
将填料在机械搅拌的条件下分散于水中，并在水溶液中加入表面活 性剂，搅拌1小时后，抽滤后于电热鼓风干燥箱中80℃下干燥4小时， 得到改性填料备用。
(2)混合：将热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动改 性剂置于高速混合机进行混合，混合时间为5分钟；表面活性剂为油酸 和硬脂酸钠，表面活性剂的重量是填料的重量的3wt％。
(3)复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔 融共混法制备；将混合后的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容 剂以及流动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤 维投入所述双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为 170～210℃，1段/170℃，2段/180℃，3段/190℃，4段/200℃，5段/210℃， 6段/210℃，7段/200℃，8段/200℃，9段/195℃，机头挤出温度为195℃， 所述双螺杆挤出机的主机螺杆转速为380r/min，加料转速为30r/min。所 述双螺杆挤出机的侧喂料口与机头之间的距离是主喂料口与机头之间距 离的0.65倍。
实施例2
本实施例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，按重量份数计，组 分如下：热塑性树脂45份、改性竹纤维10份、改性填料4份、增韧剂 6份、相容剂2份和流动改性剂0.1份。
热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和丙烯腈— 苯乙烯—丁二烯，其组分的质量比为1:1:1:1:1。聚乙烯的分子量为20～60 万，聚丙烯的分子量为3000～5000，聚氯乙烯的分子量为5～11万，聚苯乙 烯的分子量为18～22万，丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物的分子量为 15～30万。改性填料包括改性碳酸钙和改性二氧化硅，其组分的质量比为 1:1，改性填料的粒径为200～500nm。增韧剂为以机硅氧烷-丙烯酸酯复合 橡胶相为核，以甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为壳的丙 烯酸酯类共聚物，丙烯酸酯与有机硅氧烷的重量比为3:1，增韧剂的平均 粒径为250～350nm。相容剂为马来酸酐接枝乙烯—辛烯共聚物。流动改 性剂包括N,N’—乙撑双硬酯酰胺、硬脂酸丁酯、油酰胺和微晶石蜡，其 组分的质量比为1:1:1:1。
本实施例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括以下 步骤：
(1)改性竹纤维、改性填料的制备：将购买的下脚料竹屑作放入电 热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，将干燥后的竹纤维放入高速粉碎机 中粉碎，经60目(孔径为250μm)滤筛过筛；将过筛后的竹纤维浸入到 质量分数为8％的氢氧化钠碱性溶液中，迅速搅拌20分钟，静置36小时 后抽滤并清洗至洗液为中性(pH＝7.0)；将清洗后的竹纤维在电热鼓风干燥 箱中干燥(100℃，12h)，然后将竹纤维浸入质量分数为1％的氰酸酯丙 酮溶液中，水浴加热至55℃，机械搅拌0.8小时，静置20小时后抽滤， 抽滤后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(90℃，12h)，用小型高速粉 碎机再次粉碎、分散竹纤维，制得改性竹纤维备用，改性竹纤维的粒径 为120～250μm；
将填料在机械搅拌的条件下分散于水中，并在水溶液中加入表面活 性剂，搅拌0.5小时后，抽滤后于电热鼓风干燥箱中80℃下干燥4小时， 得到改性填料备用。
(2)混合：将热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动改 性剂置于高速混合机进行混合，混合时间为5分钟；表面活性剂为油酸 和硬脂酸钠，表面活性剂的重量是填料的重量的2wt％。
(3)复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔 融共混法制备；将混合后的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容 剂以及流动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤 维投入所述双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为 170～210℃，1段/170℃，2段/180℃，3段/190℃，4段/200℃，5段/210℃，6段/210℃，7段/200℃，8段/200℃，9段/195℃，机头挤出温度为180℃， 所述双螺杆挤出机的主机螺杆转速为350r/min，加料转速为30r/min。所 述双螺杆挤出机的侧喂料口与机头之间的距离是主喂料口与机头之间距 离的0.5倍。
实施例3
本实施例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，按重量份数计，组 分如下：热塑性树脂75份、改性竹纤维30份、改性填料8份、增韧剂 12份、相容剂5份和流动改性剂1份。
热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯，其组分的质量比为1:1:1。 聚乙烯的分子量为20～60万，聚丙烯的分子量为3000～5000，聚氯乙烯的 分子量为5～11万。改性填料包括改性二氧化硅，改性填料的粒径为 200～500nm。增韧剂为以机硅氧烷-丙烯酸酯复合橡胶相为核，以甲基丙 烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为壳的丙烯酸酯类共聚物，丙烯 酸酯与有机硅氧烷的重量比为1:1，增韧剂的平均粒径为250～350nm。相 容剂为马来酸酐接枝乙烯—辛烯共聚物。流动改性剂包括硬脂酸丁酯、 油酰胺和微晶石蜡，其组分的质量比为1:1:1。
本实施例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括以下 步骤：
(1)改性竹纤维、改性填料的制备：将购买的下脚料竹屑作放入电 热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，将干燥后的竹纤维放入高速粉碎机 中粉碎，经60目(孔径为250μm)滤筛过筛；将过筛后的竹纤维浸入到 质量分数为15％的氢氧化钠碱性溶液中，迅速搅拌40分钟，静置56小 时后抽滤并清洗至洗液为中性(pH＝7.0)；将清洗后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，然后将竹纤维浸入质量分数为5％的氰酸酯 丙酮溶液中，水浴加热至70℃，机械搅拌1.5小时，静置30小时后抽滤， 抽滤后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(90℃，12h)，用小型高速粉 碎机再次粉碎、分散竹纤维，制得改性竹纤维备用，改性竹纤维的粒径 为120～250μm；
将填料在机械搅拌的条件下分散于水中，并在水溶液中加入表面活 性剂，搅拌1.5小时后，抽滤后于电热鼓风干燥箱中80℃下干燥4小时， 得到改性填料备用。
(2)混合：将热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动改 性剂置于高速混合机进行混合，混合时间为5分钟；表面活性剂为油酸 和硬脂酸钠，表面活性剂的重量是填料的重量的4wt％。
(3)复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔 融共混法制备；将混合后的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容 剂以及流动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤 维投入所述双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为 170～210℃，1段/170℃，2段/180℃，3段/190℃，4段/200℃，5段/210℃， 6段/210℃，7段/200℃，8段/200℃，9段/195℃，机头挤出温度为200℃， 所述双螺杆挤出机的主机螺杆转速为400r/min，加料转速为35r/min。所 述双螺杆挤出机的侧喂料口与机头之间的距离是主喂料口与机头之间距 离的0.75倍。
实施例4
本实施例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，按重量份数计，组 分如下：热塑性树脂50份、改性竹纤维15份、改性填料5份、增韧剂 8份、相容剂3份和流动改性剂0.2份。
热塑性树脂包括聚丙烯和聚氯乙烯，其组分的质量比为1:1。聚丙烯 的分子量为3000～5000，聚氯乙烯的分子量为5～11万。改性填料包括改 性碳酸钙，改性填料的粒径为200～500nm。增韧剂为以机硅氧烷-丙烯酸 酯复合橡胶相为核，以甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为 壳的丙烯酸酯类共聚物，丙烯酸酯与有机硅氧烷的重量比为2.5:1，增韧 剂的平均粒径为250～350nm。相容剂为马来酸酐接枝乙烯—辛烯共聚物。 流动改性剂包括N,N’—乙撑双硬酯酰胺。
本实施例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括以下 步骤：
(1)改性竹纤维、改性填料的制备：将购买的下脚料竹屑作放入电 热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，将干燥后的竹纤维放入高速粉碎机 中粉碎，经60目(孔径为250μm)滤筛过筛；将过筛后的竹纤维浸入到 质量分数为9％的氢氧化钠碱性溶液中，迅速搅拌25分钟，静置40小时 后抽滤并清洗至洗液为中性(pH＝7.0)；将清洗后的竹纤维在电热鼓风干燥 箱中干燥(100℃，12h)，然后将竹纤维浸入质量分数为2％的氰酸酯丙 酮溶液中，水浴加热至58℃，机械搅拌0.9小时，静置22小时后抽滤， 抽滤后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(90℃，12h)，用小型高速粉 碎机再次粉碎、分散竹纤维，制得改性竹纤维备用，改性竹纤维的粒径 为120～250μm；
将填料在机械搅拌的条件下分散于水中，并在水溶液中加入表面活 性剂，搅拌0.8小时后，抽滤后于电热鼓风干燥箱中80℃下干燥4小时， 得到改性填料备用。
(2)混合：将热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动改 性剂置于高速混合机进行混合，混合时间为5分钟；表面活性剂为油酸 和硬脂酸钠，表面活性剂的重量是填料的重量的2.5wt％。
(3)复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔 融共混法制备；将混合后的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容 剂以及流动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤 维投入所述双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为 170～210℃，1段/170℃，2段/180℃，3段/190℃，4段/200℃，5段/210℃， 6段/210℃，7段/200℃，8段/200℃，9段/195℃，机头挤出温度为190℃， 所述双螺杆挤出机的主机螺杆转速为370r/min，加料转速为27r/min。所 述双螺杆挤出机的侧喂料口与机头之间的距离是主喂料口与机头之间距 离的0.6倍。
实施例5
本实施例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，按重量份数计，组 分如下：热塑性树脂65份、改性竹纤维25份、改性填料7份、增韧剂 10份、相容剂4.5份和流动改性剂0.5份。
热塑性树脂采用分子量为20～60万的聚乙烯。改性填料包括改性二 氧化硅，改性填料的粒径为200～500nm。增韧剂为以机硅氧烷-丙烯酸酯 复合橡胶相为核，以甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为壳 的丙烯酸酯类共聚物，丙烯酸酯与有机硅氧烷的重量比为1.5:1，增韧剂 的平均粒径为250～350nm。相容剂为马来酸酐接枝乙烯—辛烯共聚物。 流动改性剂包括微晶石蜡。
本实施例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法，包括以下 步骤：
(1)改性竹纤维、改性填料的制备：将购买的下脚料竹屑作放入电 热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，将干燥后的竹纤维放入高速粉碎机 中粉碎，经60目(孔径为250μm)滤筛过筛；将过筛后的竹纤维浸入到 质量分数为13％的氢氧化钠碱性溶液中，迅速搅拌35分钟，静置50小 时后抽滤并清洗至洗液为中性(pH＝7.0)；将清洗后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(100℃，12h)，然后将竹纤维浸入质量分数为4％的氰酸酯 丙酮溶液中，水浴加热至68℃，机械搅拌1.3小时，静置27小时后抽滤， 抽滤后的竹纤维在电热鼓风干燥箱中干燥(90℃，12h)，用小型高速粉 碎机再次粉碎、分散竹纤维，制得改性竹纤维备用，改性竹纤维的粒径 为120～250μm；
将填料在机械搅拌的条件下分散于水中，并在水溶液中加入表面活 性剂，搅拌1.3小时后，抽滤后于电热鼓风干燥箱中80℃下干燥4小时， 得到改性填料备用。
(2)混合：将热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动改 性剂置于高速混合机进行混合，混合时间为5分钟；表面活性剂为油酸 和硬脂酸钠，表面活性剂的重量是填料的重量的3.5wt％。
(3)复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔 融共混法制备；将混合后的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容 剂以及流动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤 维投入所述双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为 170～210℃，1段/170℃，2段/180℃，3段/190℃，4段/200℃，5段/210℃， 6段/210℃，7段/200℃，8段/200℃，9段/195℃，机头挤出温度为200℃， 所述双螺杆挤出机的主机螺杆转速为395r/min，加料转速为33r/min。所 述双螺杆挤出机的侧喂料口与机头之间的距离是主喂料口与机头之间距 离的0.7倍。
对比例1
本对比例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料与实施例1基本相同， 仅组分配比不同：按重量份数计，本对比例中组分如下：热塑性树脂75 份、改性竹纤维5份、改性填料6份、增韧剂10份、相容剂4份和流动 改性剂0.2份。
本对比例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法与实施例1 相同。
对比例2
本对比例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料为：将实施例1中的 改性填料去除，其他组分重量不变。
本对比例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法与实施例1 相同。
对比例3
本对比例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料组分配比为：将实施 例1中的改性竹纤维等量替换为未经过任何处理的竹纤维。
本对比例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法与实施例1 基本相同，不同点仅在于：
(1)竹纤维的制备：将购买的下脚料竹屑作放入电热鼓风干燥箱中 干燥(100℃，12h)，将干燥后的竹纤维放入高速粉碎机中粉碎，经60目 (孔径为250μm)滤筛过筛备用，竹纤维的粒径为120～250μm。
对比例4
本对比例中的竹纤维增强热塑性树脂复合材料与实施例2基本相同， 不同点在于：聚乙烯的分子量为1～10万，聚丙烯的分子量为1000～8000， 聚氯乙烯的分子量为1～20万，聚苯乙烯的分子量为2～16万，丙烯腈—苯 乙烯—丁二烯共聚物的分子量为10～50万。
本对比例的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的制备方法与实施例2 相同。
进一步的，本发明还对实施例1～5和对比例1～4的产品按照国标方 法进行性能测试，各项性能数据见下表。
表1竹纤维增强热塑性树脂复合材料的性能
上述实施例中，拉伸强度、断裂伸长率按照国标GB/T1040.2-2006进 行测试；弯曲强度、弯曲模量按照国标GB/T9341-2000进行测试；悬臂梁 缺口冲击强度按照国标GB/T1843-2008进行测试；溶体流动速率按照国标 GB/T3682-2000进行测试。
从上表实施例1-5中可以看出，按照本发明组分及制备方法制备得到 的竹纤维增强热塑性树脂复合材料具备良好的力学性能。
另外，通过比较对比例1与本发明的实施例，可以看到，对比例1中 改性竹纤维的含量不在本发明的限制范围内，虽然复合材料的外观效果较 好，但材料的力学性能(拉伸强度，弯曲强度，缺口冲击强度)很差，限 制了其在很多领域的应用。
比较对比例2与本发明的实施例，可以看到，因对比例2中没有使用 改性填料，导致其力学性能较差，复合材料在强度和韧性较差，在实际应 用中受到限制。
比较对比例3与本发明的实施例，可以看到，因对比例3中没有对竹 纤维进行改性处理，使用普通的竹纤维，导致竹纤维与基体热塑性树脂以 及其他组分的相容性较差，复合材料在强度、韧性以及外观效果均较差， 在实际应用中受到限制。
比较对比例4与本发明的实施例，可以看到，因对比例4中热塑性树 脂非本发明特定的分子量的热塑性树脂，导致竹纤维与基体热塑性树脂以 及其他组分的相容性较差，复合材料力学性能不足，在实际应用中受到限 制。
从表1中可以看出，实施例1～5按照本发明方法提供的配方组成以及 加工方法制备出的产品具有较好的力学性能及外观效果。而对比例1～4中 组分不同或某些组分的含量不在本发明权利要求所保护的参数范围内，最 终得到的产品无法兼顾力学性能及外观效果，限制了其实际应用。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并 非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提 下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均 应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部 记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，按重量份数计，由如下组分组成：热塑性树脂45～75份、改性竹纤维10～30份、改性填料4～8份、增韧剂6～12份、相容剂2～5份和流动改性剂0.1～1份；
所述改性填料为改性二氧化硅和改性碳酸钙中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，按重量份数计，由如下组分组成：热塑性树脂50～65份、改性竹纤维15～25份、改性填料5～8份、增韧剂8～10份、相容剂3～5份和流动改性剂0.1～0.5份。
3.根据权利要求1或2所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述改性竹纤维的改性方法是：竹纤维依次经过碱性溶液浸泡、清洗至洗液为中性、异氰酸酯丙酮溶液浸泡、干燥、粉碎和分散处理。
4.根据权利要求3所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述碱性溶液的质量分数为8～15wt％；所述异氰酸酯丙酮溶液的质量分数为1～5wt％，所述异氰酸酯丙酮溶液浸泡处理的浸泡温度为55～70℃。
5.根据权利要求1～4任一项所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述改性填料的改性方法是将填料采用表面活性剂进行处理，所述表面活性剂为油酸或硬脂酸钠，所述表面活性剂的重量是所述填料的重量的2～4wt％。
6.根据权利要求1～5任一项所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙、聚苯乙烯和丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物中的一种或多种；
其中，所述聚乙烯的分子量为20～60万，所述聚丙烯的分子量为3000～5000，所述聚氯乙烯的分子量为5～11万，所述聚苯乙烯的分子量为18～22万，所述丙烯腈—苯乙烯—丁二烯共聚物的分子量为15～30万。
7.根据权利要求1～6任一项所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝乙烯—辛烯共聚物；
所述增韧剂为具有核壳结构的丙烯酸酯类共聚物；所述丙烯酸酯类共聚物是以有机硅氧烷-丙烯酸酯复合橡胶相为核，以甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物为壳。
8.根据权利要求1～7任一项所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料，其特征在于，所述流动改性剂为N,N’—乙撑双硬酯酰胺、硬脂酸丁酯、油酰胺和微晶石蜡中的一种或多种。
9.一种制备权利要求1～8任一项所述的竹纤维增强热塑性树脂复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
混合：将一定量的热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动改性剂混合均匀；
复合材料制备：采用改性竹纤维侧喂料方式，双螺杆挤出机熔融共混法制备；将混合均匀的所述热塑性树脂、改性填料、增韧剂、相容剂以及流动改性剂投入所述双螺杆挤出机的主喂料口，将所述改性竹纤维投入所述双螺杆挤出机的侧喂料口，所述双螺杆挤出机的加热温度为170～210℃，机头挤出温度为180～200℃，所述双螺杆挤出机的主机螺杆转速为350～400r/min，加料转速为25～35r/min。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机的侧喂料口与机头之间的距离是所述双螺杆挤出机的主喂料口与机头之间距离的0.5～0.75倍。
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