CN115771320B - 一种聚丙烯自增强复合材料及其制备方法 - Google Patents
一种聚丙烯自增强复合材料及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种聚丙烯自增强复合材料及其制备方法，聚丙烯自增强复合材料具有高拉伸强度和高弯曲强度的特点。聚丙烯自增强复合材料包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，聚丙烯织物包括表层和基层，基层包含基料和改性碳纤维组合物，第一材料层、第二材料层和表层均为低熔点聚丙烯，基料为高熔点聚丙烯；其中，基料和改性碳纤维组合物的重量百分比为0.89～0.91：1.5～2，改性碳纤维组合物为三种不同长径比改性碳纤维组成，三种不同长径比改性碳纤维的长径比为2：3：5，三种不同长径比改性碳纤维的质量比为2：3：7。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种聚丙烯自增强复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯自增强复合材料是以经过定向拉伸取向后的聚丙烯纤维或织物作为增强体，聚丙烯树脂作为基体的一种自增强热塑性复合材料。聚丙烯自增强复合材料采用同质材料作为增强体和基体，在纤维与基体之间形成的反式结晶层使得两相间的粘合更好，还可避免偶联剂的使用，能获得比玻璃纤维或其他纤维增强PP更好的界面结合从而极大提升材料的主要性能：(1)密度小，相对密度在0.95左右，低于现有的大部分塑料，这让SRPP复合材料的比强度跟比模量方面跟传统复合材料有可比性；(2)具有优异的抗低温冲击性，适用于低至-40℃的极端环境；(3)绿色环保，增强体和基体都是聚丙烯，因此可以实现100％的回收，且回收工艺简单，加工过程对人体无害；(4)易加工成形，SRPP复合材料延展性较好，冲压成形方便；(5)破坏前具有较大的伸长率，破坏初期能展现较明显的现象从而避免更进一步灾难性的损坏；(6)生产周期短，效率高，SRPP复合材料的生产周期小于一分钟；(7)成本更低，设备投资低，低压生产能耗也低，尽管SRPP的材料成本会比部分其他纤维增强PP材料如GMT高，但SRPP复合材料的制造成本相对更低，且通常无需打磨喷涂等后处理。
随着人们环保意识的增强和对材料性能要求的提高，对聚丙烯自增强复合材料提出了更高的要求。但是现代聚丙烯自增强复合材料的使用环境复杂，传统的聚丙烯自增强复合材料已满足不了现在的需求。特别是对于拉伸强度，弯曲强度的要求更高。因此，如何制备出同时增韧增强、加工温度更宽以及保留纤维取向的自增强复合材料的配方和制备方法还有待进一步研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚丙烯自增强复合材料及其制备方法，聚丙烯自增强复合材料具有高拉伸强度和高弯曲强度的特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种聚丙烯自增强复合材料包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为(0.89～0.91)：(1.5～2)，所述改性碳纤维组合物为三种不同长径比的改性碳纤维组成，所述三种不同长径比的改性碳纤维的长径比为2：3：5，所述三种不同长径比的改性碳纤维的质量比为2：3：7。
作为本发明的一种优选技术方案，所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层25.1～40.5份，第二材料层25.1～40.5份，聚丙烯织物19～59.8份。
作为本发明的一种优选技术方案，所述表层和所述基层的重量百分比为1：12。
作为本发明的一种优选技术方案，所述改性碳纤维的制造方法包括以下步骤：将碳纤维在丙酮中静置，使用去离子水浸泡洗涤后，在恒温干燥箱中干燥至恒重，得到预浸润物，然后将预浸润物完全浸润到过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理后，使用去离子水洗至中性，在烘箱中干燥至恒重。
作为本发明的一种优选技术方案，所述改性碳纤维组合物的制备方法包括以下步骤：将三种不同长径比的改性碳纤维混合均匀即得改性碳纤维组合物。
作为本发明的一种优选技术方案，改性碳纤维在丙酮中静置时间为30～50h，去离子水浸泡洗涤次数为3次，恒温干燥箱的温度为100℃，过氧化氢溶液浓度为5％，在超声清洗机中氧化处理时间为30min，在烘箱中的干燥温度为100℃。
作为本发明的一种优选技术方案，所述低熔点聚丙烯为无规聚丙烯；所述高熔点聚丙烯为等规聚丙烯，所述高熔点聚丙烯的熔点为160～170℃，所述低熔点聚丙烯的熔点为130～140℃。
一种聚丙烯自增强复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将三种不同长径比的改性碳纤维混合均匀制备改性碳纤维组合物；
(2)将改性碳纤维组合物和基料熔融共混来制备基层，其中，所述基料为高熔点聚丙烯；
(3)将所述基层和所述表层共挤出成型获得所述聚丙烯织物条带；
(4)将所述聚丙烯织物条带拉伸后经编织得到平纹、斜纹、缎纹或三维的聚丙烯织物；
(5)将第一材料层、聚丙烯织物和第二材料层依次层叠热压，其中，所述聚丙烯织物为中间夹层。
作为本发明的一种优选技术方案，其中，在步骤(3)中，所述挤出成型的条件包括：温度为140～180℃，挤出时螺杆转速为8rpm～50rpm；
其中，在步骤(4)中，所述拉伸的条件包括：温度为105～115℃，拉伸速率为5m/min～12m/min，拉伸倍率为10～16倍；
其中，在步骤(5)中，所述层叠热压的条件包括：温度为125～180℃，热压压力为2～5MPa，预热时间为180～300秒，加压时间为20～70秒。
本发明的有益效果：
(1)改性碳纤维组合物可以提高电缆料的强度，但是纤维状的改性碳纤维具有各项异性的特点，改性碳纤维的长径比等会对复合材料最终的性能产生影响，通常来说颗粒粒径越小，力学性能越好，但是过细则易团聚，分散性越差；
(2)同时改性碳纤维组合物和高熔点聚丙烯可以相互作用，通过对碳纤维进行改性，提高碳纤维表面粗糙度，增加碳纤维表面含氧官能团的数量，使碳纤维表面极性提高，从而提升碳纤维与高熔点聚丙烯融合后的界面黏结强度，进一步提高性能；
(3)本发明通过选择三种不同长径比的改性碳纤维，调整其配比，大大提高了复合材料的强度；同时通过对碳纤维表面进行改性，增加改性碳纤维组合物与高熔点聚丙烯复合材料的粘性，使得聚丙烯自增强复合材料的拉伸强度，弯曲强度得以提升。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
实施例1
一种聚丙烯自增强复合材料，包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为0.9：1.8，所述改性碳纤维组合物为三种不同长径比的改性碳纤维组成，所述三种不同长径比的改性碳纤维的长径比为2：3：5，质量比为2：3：7；所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层25.1份，第二材料层25.1份，聚丙烯织物59.8份。
改性碳纤维的制备方法：将改性碳纤维在丙酮中静置40h，使用去离子水浸泡洗涤3次后，在100℃的恒温干燥箱中干燥至恒重，然后将改性碳纤维完全浸润到5％过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理30min后，使用去离子水洗至中性，在100℃的烘箱中干燥至恒重；
改性碳纤维组合物的制备方法包括以下步骤：将长径比为2：3：5，质量比为2：3：7的三种改性碳纤维混合均匀即得改性碳纤维组合物。
实施例2
一种聚丙烯自增强复合材料，包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为0.9：1.8，所述改性碳纤维组合物为三种不同长径比的改性碳纤维组成，所述三种不同长径比的改性碳纤维的长径比为2：3：5，质量比为2：3：7；所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层32.8份，第二材料层32.8份，聚丙烯织物39.4份。
改性碳纤维的制备方法：将改性碳纤维在丙酮中静置40h，使用去离子水浸泡洗涤3次后，在100℃的恒温干燥箱中干燥至恒重，然后将改性碳纤维完全浸润到5％过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理30min后，使用去离子水洗至中性，在100℃的烘箱中干燥至恒重；
改性碳纤维组合物的制备方法包括以下步骤：将长径比为2：3：5，质量比为2：3：7的三种改性碳纤维混合均匀即得改性碳纤维组合物。
实施例3
一种聚丙烯自增强复合材料，包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为0.9：1.8，所述改性碳纤维组合物为三种不同长径比的改性碳纤维组成，所述三种不同长径比的改性碳纤维的长径比为2：3：5，质量比为2：3：7；所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层40.5份，第二材料层40.5份，聚丙烯织物19份。
改性碳纤维的制备方法：将改性碳纤维在丙酮中静置40h，使用去离子水浸泡洗涤3次后，在100℃的恒温干燥箱中干燥至恒重，然后将改性碳纤维完全浸润到5％过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理30min后，使用去离子水洗至中性，在100℃的烘箱中干燥至恒重；
改性碳纤维组合物的制备方法包括以下步骤：将长径比为2：3：5，质量比为2：3：7的三种改性碳纤维混合均匀即得改性碳纤维组合物。
对比例1
一种聚丙烯自增强复合材料，包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为1：2.5，所述改性碳纤维组合物为三种不同长径比的改性碳纤维组成，所述三种不同长径比的改性碳纤维的长径比为2：3：5，质量比为2：3：7；所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层32.8份，第二材料层32.8份，聚丙烯织物39.4份。
改性碳纤维的制备方法：将改性碳纤维在丙酮中静置40h，使用去离子水浸泡洗涤3次后，在100℃的恒温干燥箱中干燥至恒重，然后将改性碳纤维完全浸润到5％过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理30min后，使用去离子水洗至中性，在100℃的烘箱中干燥至恒重；
改性碳纤维组合物的制备方法包括以下步骤：将长径比为2：3：5，质量比为2：3：7的三种改性碳纤维混合均匀即得改性碳纤维组合物。
对比例2
一种聚丙烯自增强复合材料，包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为0.9：1.8，所述改性碳纤维组合物为两种不同长径比的改性碳纤维组成，所述两种不同长径比的改性碳纤维的长径比为2：3，质量比为2：3；所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层32.8份，第二材料层32.8份，聚丙烯织物39.4份。
改性碳纤维的制备方法：将改性碳纤维在丙酮中静置40h，使用去离子水浸泡洗涤3次后，在100℃的恒温干燥箱中干燥至恒重，然后将改性碳纤维完全浸润到5％过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理30min后，使用去离子水洗至中性，在100℃的烘箱中干燥至恒重；
改性碳纤维组合物的制备方法包括以下步骤：将长径比为2：3，质量比为2：3的两种改性碳纤维混合均匀即得改性碳纤维组合物。
对比例3
一种聚丙烯自增强复合材料，包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为0.9：1.8，所述改性碳纤维组合物为同一种改性碳纤维；所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层32.8份，第二材料层32.8份，聚丙烯织物39.4份。
改性碳纤维组合物的制备方法：将改性碳纤维在丙酮中静置40h，使用去离子水浸泡洗涤3次后，在100℃的恒温干燥箱中干燥至恒重，然后将改性碳纤维完全浸润到5％过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理30min后，使用去离子水洗至中性，在100℃的烘箱中干燥至恒重。
实施例1～3和对比例1～3制得聚丙烯自增强复合材料性能测试结果
由上表的测试结果可知，在实施例1～3中，添加了改性碳纤维来提升与基料之间的界面黏结强度，其中基料为高熔点聚丙烯，其聚丙烯自增强复合材料的拉伸强度均超过135MPa，其弯曲强度均超过40MPa，与实施例1～3相比，对比例1～3的力学性能均有明显下降，因此改性碳纤维的加入，能有效提高聚丙烯自增强复合材料的力学性能；对碳纤维进行表面处理有两个主要作用：①提高碳纤维表面粗糙度；②增加碳纤维表面含氧官能团的数量(包括O-H、C＝C＝O、C-O等)，使碳纤维表面极性提高，从而提升碳纤维与基料间的界面黏结强度。
其中，与实施例2相比，在对比例1中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量百分比为1：2.5，其中基料为高熔点聚丙烯，改性碳纤维含量过高，而高熔点聚丙烯过少，高熔点聚丙烯熔融后不能够充分地浸渍改性碳纤维，且高熔点聚丙烯可能分布不均匀，过多的改性碳纤维容易分层，导致其力学性能略有降低；
与实施例2相比，在对比例2中，所述改性碳纤维组合物为两种不同长径比的改性碳纤维，长径比为2：3，质量比为2：3，仅靠两种不同长径比的改性碳纤维其对聚丙烯自增强复合材料力学性能作用不够明显，其拉伸强度和弯曲强度有明显下降。
由上表的测试结果可知，与实施例2相比，对比例3仅靠同一种长径的改性碳纤维其对聚丙烯自增强复合材料力学性能作用不明显，其拉伸强度和弯曲强度有明显下降。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种聚丙烯自增强复合材料，包括第一材料层、第二材料层以及层叠在第一材料层和第二材料层之间的中间夹层，所述中间夹层为采用平纹、斜纹、缎纹或三维方式经编织而成的聚丙烯织物，其特征在于：所述聚丙烯织物包括表层和基层，所述基层包含基料和改性碳纤维组合物，所述第一材料层、所述第二材料层和所述表层均为低熔点聚丙烯，所述基料为高熔点聚丙烯；其中，所述基料和所述改性碳纤维组合物的重量比为（0.89～0.91）：（1.5～2），所述改性碳纤维组合物为三种不同长径比的改性碳纤维组成，所述三种不同长径比的改性碳纤维的长径比为2：3：5，所述三种不同长径比的改性碳纤维的质量比为2：3：7；所述低熔点聚丙烯为无规聚丙烯；所述高熔点聚丙烯为等规聚丙烯，所述高熔点聚丙烯的熔点为160～170℃，所述低熔点聚丙烯的熔点为130～140℃；
其中，所述第一材料层、第二材料层和聚丙烯织物的重量比为：第一材料层25.1～40.5份，第二材料层25.1～40.5份，聚丙烯织物19～59.8份；
所述改性碳纤维的制造方法包括以下步骤：将碳纤维在丙酮中静置，使用去离子水浸泡洗涤后，在恒温干燥箱中干燥至恒重，得到预浸润物，然后将预浸润物完全浸润到过氧化氢溶液中，放入超声清洗机中氧化处理后，使用去离子水洗至中性，在烘箱中干燥至恒重；
所述改性碳纤维在丙酮中静置时间为30～50ｈ，去离子水浸泡洗涤次数为3次，恒温干燥箱的温度为100℃，过氧化氢溶液浓度为5％，在超声清洗机中氧化处理时间为30min，在烘箱中的干燥温度为100℃。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯自增强复合材料，其特征在于：所述表层和所述基层的重量比为1：12。
3.根据权利要求1所述的一种聚丙烯自增强复合材料，其特征在于：所述改性碳纤维组合物的制备方法包括以下步骤：将三种不同长径比的改性碳纤维混合均匀即得改性碳纤维组合物。
4.一种权利要求1～3任一项所述的聚丙烯自增强复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将三种不同长径比的改性碳纤维混合均匀制备改性碳纤维组合物；
(2)将改性碳纤维组合物和基料熔融共混来制备基层，其中，所述基料为高熔点聚丙烯；
(3)将所述基层和所述表层共挤出成型获得所述聚丙烯织物条带；
(4)将所述聚丙烯织物条带拉伸后经编织得到平纹、斜纹、缎纹或三维的聚丙烯织物；
(5)将第一材料层、聚丙烯织物和第二材料层依次层叠热压，其中，所述聚丙烯织物为中间夹层。
5.根据权利要求4所述的一种聚丙烯自增强复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述挤出成型的条件包括：温度为140～180℃，挤出时螺杆转速为8rpm～50rpm；其中，在步骤(4)中，所述拉伸的条件包括：温度为105～115℃，拉伸速率为5m/min～12m/min，拉伸倍率为10～16倍；其中，在步骤(5)中，所述层叠热压的条件包括：温度为125～180℃，热压压力为2～5MPa，预热时间为180～300秒，加压时间为20～70秒。
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| 碳纤维与聚酰胺自增强复合材料协同增强体系的制备及其性能研究;门树林;中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑;摘要、第15-23页 * |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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