CN110964313A - 一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法 - Google Patents

一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)改性玻璃纤维的制备；(2)改性复合纤维的制备；(3)按重量份计，将以下原料混合：20‑30份聚酰胺树脂、5‑10份聚乙烯醇、5‑20份聚乙烯、1‑3份TPE、30‑40份步骤(1)中制备的改性玻璃纤维、2‑5份步骤(2)中制备的改性复合纤维、5‑10份聚乙烯蜡、2‑5份钛酸酯偶联剂、4‑10份碳酸钙、10‑25份氧化铝混合，在280‑290℃条件下，模压成型，通过本发明制备的材料具有优异的力学性能，具有优异的防水和耐磨性能。

Description

一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法。
背景技术
复合材料是由增强材料和基体组成，对聚合物基复合材料，在复合材料过程中，会经历一系列的物理化学变化，与增强材料成为具有一定形状的整体，基体材料为连续相，基体材料可以保护纤维，防止纤维磨损的作用。纺织复合材料的使用温度、耐环境性，力学性能和其他特定的某些功能性能很大程度上取决于使用的树脂基体。
但是目前树脂基体在使用过程中，存在以下问题，一是对于热塑性树脂而言，在使用过程中，会发生蠕变和应力松弛；二是高性能的树脂通常会具有高模量，但是断裂伸长率与韧性较低。
为了解决上述问题，通常在基体中加入纤维或者其他物质进行改性，但是增强材料的加入，在树脂基体间形成了界面区，界面区会因为外力造成破坏，影响材料性质。
发明内容
发明目的：本发明一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法，通过该方法制备的复合材料具有优异的力学性能。
技术方案：本发明所述的一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)改性玻璃纤维的制备：将玻璃纤维在含有硅烷偶联剂的溶液浸泡20-30min，随后将混合溶液烘干，冷却，得改性玻璃纤维；
(2)改性复合纤维的制备：
(2a)将竹纤维、亚麻纤维以及棉纤维混合得复合纤维，浸入氢离子浓度为0.01-0.05mol/L的酸溶液中，超声处理1-2min，将经过酸处理的复合纤维晾干；
(2b)将海藻酸钠溶于氢离子浓度为2-3mol/L的酸溶液中，搅拌，水解，将经过酸解后的溶液提纯，得经过水解的海藻酸；
(2c)将步骤(2b)中得到的海藻酸分散于乙醇溶液中，随后加入步骤(2a)得到的复合纤维，在70-80℃条件下烘干，得包覆有海藻酸钠薄膜的改性复合纤维；
(3)按重量份计，将以下原料混合：20-30份聚酰胺树脂、5-10份聚乙烯醇、5-20份聚乙烯、1-3份TPE、30-40份步骤(1)中制备的改性玻璃纤维、2-5份步骤(2)中制备的改性复合纤维、5-10份聚乙烯蜡、2-5份钛酸酯偶联剂、4-10份碳酸钙、10-25份氧化铝混合，在280-290℃条件下，模压成型。
优选地，步骤(1)中，所述改性复合纤维的平均长度为5-10mm。
优选地，步骤(2a)中，所述竹纤维、亚麻纤维以及棉纤维的质量比为2-3:1:0.5-1。
优选地，步骤(1)中，所述硅烷偶联剂的质量百分浓度为0.5-1％。
优选地，所述硅烷偶联剂为KH550。
优选地，步骤(3)中，所述碳酸钙的平均粒径低于100nm；所述氧化铝粒径低于100nm。
优选地，步骤(1)中，所述改性玻璃纤维的直径为10μm。
优选地，步骤(3)中，所述钛酸酯偶联剂、碳酸钙与氧化铝的重量比为1:2:5。
优选地，步骤(3)中，按重量份计，所述原料由以下组分组成：25-30份聚酰胺树脂、6-8份聚乙烯醇、15-20份聚乙烯、2份TPE、35份改性玻璃纤维、4份改性复合纤维、6份聚乙烯蜡、3份钛酸酯偶联剂、6份碳酸钙、15份氧化铝。
本发明中选用聚酰胺作为基底材料，制备的复合材料有较好的外观和手感，但是聚酰胺的热变形温度较低，故本发明中加入玻璃纤维，提高聚氨酯的热变形温度，但是玻璃纤维与基体的相容性较差，故对玻璃纤维进行改性，提高玻璃纤维与基体的相容性。
本发明中加入高强度和高耐磨性聚乙烯，提高了复合材料的防水性能和耐低温性能。但是聚乙烯同样存在耐热性能较差的缺点，故本发明中加入了改性复合纤维，用于提高复合材料的耐热性能，且改性复合纤维同时还可增加复合材料的拉伸性能和强度。
为了提高本发明中复合材料的韧性，本发明中加入了TPE与无机纳米颗粒，TPE加入可以提高材料三维方向的强度，材料的抗冲击性能得到提高。本发明中的无机纳米颗粒用于承载负荷，具有协同增韧的效果，提高材料的抗冲击性能。
本发明中聚乙烯蜡作为纤维的柔软剂和润滑剂，改善耐磨性、撕裂强度，并且提高了聚酰胺树脂的抗溶剂性能。
进一步地，无机粒子的加入可以提高复合材料的耐磨性能，使得本发明的复合材料具有优异的耐磨性能。
现有技术中制备工艺有：手糊成型工艺、树脂传递模塑(RTM)成型、纤维缠绕成型、拉挤成型、喷射成型工艺、短纤维沉积预成型法、模压成型、层压成型、注射成型、真空袋成型、压力袋成型以及真空袋-热压罐成型树脂膜熔渗工艺等。本发明中由于加入了具有高耐磨性能的聚乙烯材料，使用模压成型工艺制备本发明的复合材料。
有益效果：(1)本发明中选用聚酰胺作为基底材料，制备的复合材料有较好的外观和手感；(2)本发明中加入高强度和高耐磨性聚乙烯，提高了复合材料的防水性能和耐低温性能；(3)本发明中加入改性复合纤维，增加复合材料的拉伸性能和强度；(4)本发明中加入TPE与无机纳米颗粒，增加材料的抗冲击性能得到提高；(5)本发明加入聚乙烯蜡作为纤维的柔软剂和润滑剂，改善耐磨性、撕裂强度，并且提高了材料的抗溶剂性能。
具体实施方式
一、原料来源
聚酰胺树脂来自山东子安化工有限公司；
聚乙烯醇牌号为1788，来自安徽皖维；
聚乙烯牌号为U010 PE500，来自东菀市今力辉橡塑科技有限公司；
TPE牌号为SF45A，来自昆山首发塑化有限公司；
聚乙烯蜡牌号为AC6，含油量为10％，品牌为霍尼韦尔；
钛酸酯偶联剂型号为201，纯度大于98％，品牌为昱信；
碳酸钙来源于清远市高峰粉体有限公司；
氧化铝为α相氧化铝，纯度大于99.99％，平均粒径小于100nm，来自江苏天行新材料有限公司；
硅烷偶联剂为KH550；
海藻酸钠有效物质含量大于99％，来自郑州永鑫化工有限公司；
玻璃纤维为S-玻璃纤维，直径为10μm。
二、样品制备
2.1原料制备
改性复合纤维的制备：将质量比为2:1:1的竹纤维、亚麻纤维以及棉纤维混合所得的复合纤维，先进行预处理，使得复合纤维的平均长度为5-10mm之间，随后将复合纤维浸入氢离子浓度为0.02mol/L的酸溶液中，超声处理2min，将经过酸处理的复合纤维晾干，将海藻酸钠溶于氢离子浓度为2mol/L的酸溶液中，搅拌，水解，将经过酸解后的溶液，加入三倍体积的95％工业乙醇沉淀，过滤，洗涤3次，将得到的海藻酸分散于乙醇溶液中，海藻酸在乙醇溶液中的质量浓度为0.01mg/ml，在分散有海藻酸乙醇溶液中浸入复合纤维，在80℃条件下烘干，得包覆有海藻酸钠薄膜的改性复合纤维。
改性玻璃纤维的制备：将玻璃纤维在含有质量百分浓度的1％的硅烷偶联剂KH550的溶液浸泡30min，随后将混合溶液烘干，冷却，得改性玻璃纤维。
2.2复合材料的制备
实施例1：复合材料由以下重量份组分组成：20份聚酰胺树脂、5份聚乙烯醇、5份聚乙烯、1份TPE、30份改性玻璃纤维、2份改性复合纤维、5份聚乙烯蜡、2份钛酸酯偶联剂、4份碳酸钙、10份氧化铝。
实施例2：复合材料由以下重量份组分组成：30份聚酰胺树脂、10份聚乙烯醇、20份聚乙烯、3份TPE、40份改性玻璃纤维、5份改性复合纤维、10份聚乙烯蜡、5份钛酸酯偶联剂、10份碳酸钙、25份氧化铝。
实施例3：复合材料由以下重量份组分组成：25份聚酰胺树脂、6份聚乙烯醇、15份聚乙烯、2份TPE、35份改性玻璃纤维、4份改性复合纤维、6份聚乙烯蜡、3份钛酸酯偶联剂、6份碳酸钙、15份氧化铝。
实施例4：复合材料由以下重量份组分组成：30份聚酰胺树脂、8份聚乙烯醇、20份聚乙烯、2份TPE、35份改性玻璃纤维、4份改性复合纤维、6份聚乙烯蜡、3份钛酸酯偶联剂、6份碳酸钙、15份氧化铝。
对比例1：无聚乙烯，其余同实施例4。
对比例2：无TPE。
对比例3：无改性复合纤维。
对比例4：无聚乙烯蜡。
三、性能测试
3.1力学性能测试
将制备的实施例1-4及对比例1-4样品测定力学性能，测定结果见表1。
表1不同样品的力学性能测试结果
Figure BDA0001815636710000041
Figure BDA0001815636710000051
从表1的结果可以看出，本发明中的复合材料具有优异的力学性能，且通过不同添加剂的加入，增加了复合材料的Tg温度，增加了材料的耐高温性能。
从对比例2和3可以看出，本发明TPE与改性复合纤维可改善材料的Tg温度的同时，对模量和弯曲强度具有很大提高。
3.2耐高温和防水性能测试
试验方法：经45℃，相对湿度95％，300h后，观察实施例是否有侵蚀。
表2不同样品的耐高温及防水性能测定结果
样品 测试结果
实施例1 无侵蚀
实施例2 无侵蚀
实施例3 无侵蚀
实施例4 无侵蚀
对比例1 表面吸水膨胀
对比例2 无侵蚀
对比例3 无侵蚀
对比例4 表面吸水膨胀
3.3断裂伸长率测定
表3不同样品的断裂伸长率测定结果
Figure BDA0001815636710000052
Figure BDA0001815636710000061
从表3的结果可以看出，本发明中，改性复合纤维可显著提高材料的抗拉伸性能。
3.4耐磨性能测试
测试方法：用磨损机磨损测试试样，测试试样放置在一个以恒定转速60rpm的旋转转盘上，把一定重量的砂轮压在测试试样上，当转盘达到1000圈数，测试结束。然后称量磨损掉下来的试样碎片的质量来表征材料的耐磨性能指标，用磨损量来表征材料的耐磨性能。
表4不同样品的耐磨性能测定结果
样品 磨损量(mg/1000圈)
实施例1 0.01
实施例2 0.01
实施例3 0.01
实施例4 0.01
对比例1 1.45
对比例2 0.89
对比例3 0.78
对比例4 0.65
3.5耐低温冲击性能
测定低温条件下材料的冲击性能。
试验方法：材料放置于-40℃中2h，用1kg铁球自1m高度处落下冲击试样。
标准：以冲击点为圆心半径6mm区域无开裂、分层、剥离或其他破坏现象。
表5不同样品耐低温冲击性能测定结果
样品 测试结果
实施例1 无变化
实施例2 无变化
实施例3 无变化
实施例4 无变化
对比例1 细小裂纹
对比例2 细小裂纹
对比例3 细小裂纹
对比例4 无变化
从以上结果可以看出，本发明的复合材料具有优异的力学性能，具有优异的防水和耐磨性能。

Claims (9)

1.一种具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)改性玻璃纤维的制备：将玻璃纤维在含有硅烷偶联剂的溶液浸泡20-30min，随后将混合溶液烘干，冷却，得改性玻璃纤维；
(2)改性复合纤维的制备：
(2a)将竹纤维、亚麻纤维以及棉纤维混合得复合纤维，浸入氢离子浓度为0.01-0.05mol/L的酸溶液中，超声处理1-2min，将经过酸处理的复合纤维晾干；
(2b)将海藻酸钠溶于氢离子浓度为2-3mol/L的酸溶液中，搅拌，水解，将经过酸解后的溶液提纯，得经过水解的海藻酸；
(2c)将步骤(2b)中得到的海藻酸分散于乙醇溶液中，随后加入步骤(2a)得到的复合纤维，在70-80℃条件下烘干，得包覆有海藻酸钠薄膜的改性复合纤维；
(3)按重量份计，将以下原料混合：20-30份聚酰胺树脂、5-10份聚乙烯醇、5-20份聚乙烯、1-3份TPE、30-40份步骤(1)中制备的改性玻璃纤维、2-5份步骤(2)中制备的改性复合纤维、5-10份聚乙烯蜡、2-5份钛酸酯偶联剂、4-10份碳酸钙、10-25份氧化铝混合，在280-290℃条件下，模压成型。
2.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述改性复合纤维的平均长度为5-10mm。
3.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于步骤(2a)中，所述竹纤维、亚麻纤维以及棉纤维的质量比为2-3:1:0.5-1。
4.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述硅烷偶联剂的质量百分浓度为0.5-1％。
5.根据权利要求4所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为KH550。
6.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中，所述碳酸钙的平均粒径低于100nm；所述氧化铝粒径低于100nm。
7.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于步骤(1)中，所述改性玻璃纤维的直径为10μm。
8.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中，所述钛酸酯偶联剂、碳酸钙与氧化铝的重量比为1:2:5。
9.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的复合材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中，按重量份计，所述原料由以下组分组成：25-30份聚酰胺树脂、6-8份聚乙烯醇、15-20份聚乙烯、2份TPE、35份改性玻璃纤维、4份改性复合纤维、6份聚乙烯蜡、3份钛酸酯偶联剂、6份碳酸钙、15份氧化铝。
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