CN115975289B - 一种塑胶复合材料及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种塑胶复合材料的制作方法，包括：对玻璃纤维进行疏水表面改性，得到疏水改性的玻璃纤维；对玻璃纤维进行亲水表面改性，得到亲水改性的玻璃纤维；将所述疏水改性的玻璃纤维、所述亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料混合后成型，得到塑胶复合材料。与现有技术相比，本申请通过对玻璃纤维进行两种不同的表面改性，来使两种玻璃纤维相互排斥来解决玻璃纤维的团聚问题，使其在灌注管道及塑胶复合材料中分布的更加均匀，避免机械强度不均带来的开裂问题。
Description
技术领域
本申请属于注塑成型技术领域，尤其涉及一种塑胶复合材料及其制作方法。
背景技术
所谓注塑成型是指将已加热熔融的材料喷射注入模具内，经冷却与固化后，得到成型品的方法。注塑成型是塑胶成型加工中普遍采用的方法，它适用于全部热塑性塑料(如ABS、PP、PE、PC、PA、POM)和部分热固性塑料，成型周期短(几秒到几分钟)，成型制品的质量可由几克到几十千克，能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品，因此该方法适用性强、生产效果高。
在塑胶产品中添加玻璃纤维可进一步增强塑料的强度，但在注塑形成中，玻璃纤维在塑胶中会因为团聚导致分布均匀，进而导致复合材料机械强度的不均匀分布，玻璃纤维分布较少的位置强度较弱，而其周围玻璃纤维团聚的位置强度较大，强度的差异会导致产品开裂，如图1所示。
发明内容
有鉴于此，本申请要解决的技术问题在于提供一种塑胶复合材料及其制作方法，该方法可避免玻璃纤维在注塑时的团聚现象，使其分布更加均匀，避免因分布不均的机械强度导致的开裂。
本申请提供了一种塑胶复合材料的制作方法，包括：
对玻璃纤维进行疏水表面改性，得到疏水改性的玻璃纤维，对玻璃纤维进行亲水表面改性，得到亲水改性的玻璃纤维；
将所述疏水改性的玻璃纤维、所述亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料混合后成型，得到塑胶复合材料。
具体的，所述玻璃纤维进行疏水表面改性包括：：
将所述玻璃纤维在含有疏水改性剂的溶液中浸润，得到疏水改性的玻璃纤维；所述疏水改性剂为烷基卤代硅烷。
具体的，所述疏水改性剂为甲基三氯硅烷；所述含有疏水改性剂的溶液中疏水改性剂的浓度20～50mmol/L；所述浸润的时间为1～5min。
具体的，所述玻璃纤维进行亲水表面改性，包括：
将所述玻璃纤维在包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中浸润；
将浸润后的所述玻璃纤维进行UV臭氧曝光处理，得到所述亲水改性的玻璃纤维。
具体的，所述烷基卤代硅烷与聚乙二醇的摩尔比为1：(0.8～1.2)；所述包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中烷基卤代硅烷的浓度大于等于20mmol/L；所述浸润的时间大于等于1min。
具体的，所述UV臭氧曝光处理的光照时间为40～80min。
具体的，所述UV臭氧曝光处理的功率为100～200W。
具体的，所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的质量比为(0.9～1.1)：(1.1～0.9)。
具体的，所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的总质量与塑胶原料的质量比为(1～5)：(9～5)；
所述成型为注塑成型；
所述塑胶原料选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺与聚甲醛中的一种或多种。
本申请还提供了一种塑胶复合材料，由混合物成型得到；所述混合物包括疏水改性的玻璃纤维、亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料。
本申请提供了一种塑胶复合材料的制备方法，包括：对玻璃纤维进行疏水表面改性，得到疏水改性的玻璃纤维；对玻璃纤维进行亲水表面改性，得到亲水改性的玻璃纤维；将所述疏水改性的玻璃纤维、所述亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料混合后成型，得到塑胶复合材料。与现有技术相比，本申请通过对玻璃纤维进行两种不同的表面改性，来使两种玻璃纤维相互排斥来解决玻璃纤维的团聚问题，使其在灌注管道及塑胶复合材料中分布的更加均匀，避免机械强度不均带来的开裂问题。
附图说明
图1为塑胶产品的开裂示意图；
图2为本申请提供的塑胶复合材料的制备方法流程示意图；
图3为本申请一实施例中不同甲基三氯硅烷乙醇溶液的浓度的玻璃纤维的接触角测试图；
图4为本申请一实施例中不同浸润时间的疏水改性的玻璃纤维的接触角测试图；
图5为本申请一实施例中疏水改性前后的玻璃纤维的扫描电镜图；
图6为本申请一实施例中玻璃纤维疏水改性的原理示意图；
图7为本申请另一实施例中亲水改性的玻璃纤维的接触角测试图；
图8为本申请另一实施例中改性前后玻璃纤维的扫描电镜图；
图9为本申请另一实施例中玻璃纤维亲水改性的原理示意图；
图10为本申请又一实施例中注塑机中玻璃纤维的分布的扫描电镜图；
图11为本申请对比例1中注塑机中玻璃纤维的分布的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图2，本申请提供了一种塑胶复合材料的制作方法，包括：
对玻璃纤维进行疏水表面改性，得到疏水改性的玻璃纤维，对玻璃纤维进行亲水表面改性，得到亲水改性的玻璃纤维；
将所述疏水改性的玻璃纤维、所述亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料混合后成型，得到塑胶复合材料。
对玻璃纤维进行疏水表面改性，得到疏水改性的玻璃纤维；所述疏水改性本申请中具体为：将玻璃纤维在含有疏水改性剂的溶液中浸润，得到疏水改性的玻璃纤维；所述疏水改性剂可以为烷基卤代硅烷，具体的，在一些实施例中，可以为甲基三氯硅烷；所述含有疏水改性剂的溶液中疏水改性剂的浓度大于等于20mmol/L。具体的，在一些实施例中可以为20～50mmol/L；所述浸润的时间大于等于1min，具体的，在一些实施例中可以为1～5min。甲基三氯硅烷在玻璃纤维表面水解聚合形成微尺度纳米级的粗糙结构；微米级玻璃纤维及表面纳米级凸起协同作用使得改性玻璃纤维表面呈现超疏水特性。
对玻璃纤维进行亲水表面改性，得到亲水改性的玻璃纤维；所述亲水表面改性具体为：将玻璃纤维在包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中浸润，然后进行UV臭氧曝光处理，得到所述亲水改性的玻璃纤维；所述烷基卤代硅烷具体为甲基三氯硅烷；所述烷基卤代硅烷与聚乙二醇的摩尔比为1：(0.8～1.2)，具体的，在一些实施例中可以为1：1；所述包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中烷基卤代硅烷的浓度大于等于20mmol/L，具体的，在一些实施例中可以为20～50mmol/L；所述浸润的时间大于等于1min；所述UV臭氧曝光处理的光照时间大于等于40min，具体的，在一些实施例中大于等于60min，进一步具体的，在一些实施例中为60～160min；所述UV臭氧曝光处理的功率具体为100～200W。请参阅图9，通过亲水表面改性，甲基三氯硅烷在玻璃纤维表面形成一层纳米凸起结构，并接枝和捕捉聚乙二醇中分离的羟基，使得玻璃纤维接枝有亲水基团，从而形成立体式的羟基亲水被膜，以使亲水改性的玻璃纤维表面具有较强的极性。
将所述疏水改性的玻璃纤维、所述亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料混合后成型，得到塑胶复合材料。两种玻璃纤维的表面均有各自的疏水或亲水基团，疏水基团的非极性强而亲水基团的极性强，两种表面基团互相排斥使得两种玻璃纤维具有一定的互斥性，避免其团聚。所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的质量比为(0.9～1.1)：(1.1～0.9)，具体的，在一些实施例中可以为1：1；所述塑胶原料具体可为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺与聚甲醛中的一种或多种；所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的总质量与塑胶原料的质量比具体为(1～5)：(9～5)；所述成型的方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制，具体的，在一些实施例中所用成型的方法为注塑成型。疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维由于表面极性不同有所排斥，在熔融注塑成型时可做到无序分散在熔融体，玻璃纤维分布变得无需，差异性减少，从而使机械强度的分布更加均匀，进而减少因团聚导致的开裂现象。
本申请实施例还提供了一种塑胶复合材料，由混合物成型得到；所述混合物包括疏水改性的玻璃纤维、亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料。
其中，所述疏水纤维改性的玻璃纤维为疏水表面改性的玻璃纤维，其水滴接触角具体为大于90°小于150°；所述疏水纤维改性的玻璃纤维具体按照以下方法制备：将玻璃纤维在含有疏水改性剂的溶液中浸润，得到疏水改性的玻璃纤维；所述疏水改性剂为烷基卤代硅烷，具体的，在本申请提供的一些实施例中为甲基三氯硅烷；所述含有疏水改性剂的溶液中疏水改性剂的浓度大于等于0.25mmol/L，具体的，在一些实施例中可以为0.25～0.5mmol/L；所述浸润的时间大于等于1min，具体的，在一些实施例中可以为1～5min。
所述亲水改性的玻璃纤维为亲水表面改性的玻璃纤维，其水滴接触角小于90°；在本申请中亲水改性的玻璃纤维具体按照以下方法制备：将玻璃纤维在包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中浸润，然后进行UV臭氧曝光处理，得到所述亲水改性的玻璃纤维；所述烷基卤代硅烷具体为甲基三氯硅烷；所述烷基卤代硅烷与聚乙二醇的摩尔比为1：(0.8～1.2)，具体的，在一些实施例中可以为1：1；所述包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中烷基卤代硅烷的浓度大于等于0.25mmol/L，具体的，在一些实施例中可以为0.25～0.5mmol/L；所述浸润的时间大于等于1min；所述UV臭氧曝光处理的光照时间大于等于40min，具体的，在一些实施例中，光照时间可以大于等于40min～80min；所述UV臭氧曝光处理的功率为100～200W。
所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的质量比为(0.9～1.1)：(1.1～0.9)，具体的，在本申请提供的一些实施例中可以为1：1；所述塑胶原料具体为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺与聚甲醛中的一种或多种；所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的总质量与塑胶原料的质量比为(1～5)：(9～5)。
为了进一步说明本申请，以下结合实施例对本申请提供的一种塑胶复合材料及其制作方法进行详细描述。
实施例1
使用甲基三氯硅烷对玻璃纤维进行表面改性，将玻璃纤维浸润在甲基三氯硅烷的乙醇溶液中，取出干燥，得到疏水改性的玻璃纤维。
改变甲基三氯硅烷的乙醇溶液的浓度，设定浸润时间为5min，得到疏水改性的玻璃纤维的接触角如表1与图3所示，通过甲基三氯硅烷的乙醇溶液对玻璃纤维浸润改性，甲基三氯硅烷在玻璃纤维表面水解聚合形成微尺度纳米级的粗糙结构；微米级玻璃纤维及表面纳米级凸起协同作用使得改性玻璃纤维表面呈现超疏水特性，提高玻璃纤维的水滴接触角，水滴接触角越大，说明疏水改性的玻璃纤维表面的非极性越强。
表1不同改性浓度的疏水改性的玻璃纤维的水滴接触角
| 浓度mM(0.001mol/L) | 水滴接触角(°) |
| 0 | 135.5 |
| 2.5 | 144.7 |
| 5 | 147.6 |
| 10 | 151.9 |
| 20 | 154.3 |
| 40 | 154.8 |
固定甲基三氯硅烷乙醇溶液的浓度为20mmol/L，改变浸润的时间，得到不同浸润时间的疏水改性的玻璃纤维的水滴接触角如表2与图4所示。
表2不同浸润时间的疏水改性的玻璃纤维的水滴接触角
| 时间(min) | 水滴接触角(°) |
| 0 | 130.0 |
| 0.25 | 131.5 |
| 0.5 | 135.5 |
| 1 | 140.2 |
| 2 | 141.7 |
| 4 | 145.4 |
| 5 | 154.8 |
甲基三氯硅烷的乙醇溶液的浓度为20mmol/L，浸润的时间5min，得到疏水改性的玻璃纤维，利用扫描电子显微镜对改性前后的玻璃纤维进行分析，得到其扫描电子显微镜图如图5所示，其中a为改性前的玻璃纤维，b为疏水改性后的玻璃纤维。
疏水改性的原理是甲基三氯硅烷在玻璃纤维表面水解聚合形成微尺度的粗糙结构；微米级玻璃纤维及表面纳米级凸起协同作用使得改性玻璃纤维表面呈现超疏水特性，其原理示意图如图6所示。
实施例2
亲水性的处理是使用甲基三氯硅烷与聚乙二醇的混合物对玻璃纤维进行表面改性：将玻璃纤维浸润在含有20mmol甲基三氯硅烷与20mmol聚乙二醇的乙醇溶液中，5min之后在进行UV臭氧曝光处理(功率100W)，得到不同曝光处理的亲水改性的玻璃纤维，其水滴接触角如表3与图7所示；通过亲水改性可使玻璃纤维表面接枝亲水性的羟基，进而提高了亲水改性的玻璃纤维表面的极性，亲水改性的玻璃纤维表面接触角越小，说明其极性越大，亲水性越好。
表2不同曝光处理时间的亲水改性的玻璃纤维的水滴接触角
| 时间(min) | 水滴接触角(°) |
| 0 | 154 |
| 30 | 104 |
| 60 | 60 |
| 90 | 42 |
| 120 | 23 |
利用扫描电子显微镜对曝光处理时间120min的亲水改性的玻璃纤维进行分析，得到改性前后玻璃纤维的扫描电镜图如图8所示，其中a为改性前的玻璃纤维，b为亲水改性的玻璃纤维。
玻璃纤维表面疏水性能够随曝光处理时间延长逐渐转变为亲水特性，其原理是甲基三氯硅烷在玻璃纤维表面形成一层纳米凸起结构，并接枝和捕捉聚乙二醇中分离的羟基，使得玻璃纤维接枝有亲水基团，从而形成立体式的羟基亲水被膜；羟基分布在玻纤表面提升与水分子的结合力，亲水性提升，其改性原理示意图如图9所示。
实施例3
将实施例1得到的疏水改性的玻璃纤维(甲基三氯硅烷乙醇溶液的浓度为20mmol/L，浸润的时间5min)、实施例2中得到的亲水改性的玻璃纤维(曝光处理时间120min)与聚丙烯混合，疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的质量比为1：1，疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的总质量与聚丙烯的质量比为3：1，经注塑成型，得到塑胶复合材料，其良率为97％。
利用扫描电子显微镜(SEM)对在注塑机中玻璃纤维的分布进行分析，得到其扫描电镜图如图10所示。
对比例1
将玻璃纤维与聚丙烯混合，玻璃纤维与聚丙烯的质量比为3：1，经注塑成型，得到塑胶复合材料，其良率为81％。
利用扫描电子显微镜(SEM)对在注塑机中玻璃纤维的分布进行分析，得到其扫描电镜图如图11所示。
由实施例3及对比例1可知，改性后的注塑成型力玻纤的分布变得无序，相比之前的差异性减少，机械强度的分布更加均匀，减少因团聚导致的开裂现象。
Claims (9)
1.一种塑胶复合材料的制作方法，其特征在于，包括：
对玻璃纤维进行疏水表面改性，得到疏水改性的玻璃纤维，对玻璃纤维进行亲水表面改性，得到亲水改性的玻璃纤维；所述疏水改性的玻璃纤维的水滴接触角具体为大于90°小于150°；所述亲水改性的玻璃纤维的水滴接触角小于90°；
将所述疏水改性的玻璃纤维、所述亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料混合后成型，得到塑胶复合材料；所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的质量比为(0.9～1.1)：(1.1～0.9)。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述玻璃纤维进行疏水表面改性包括：
将所述玻璃纤维在含有疏水改性剂的溶液中浸润，得到疏水改性的玻璃纤维；所述疏水改性剂为烷基卤代硅烷。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述疏水改性剂为甲基三氯硅烷；所述含有疏水改性剂的溶液中疏水改性剂的浓度20～50mmol/L；所述浸润的时间为1～5min。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述玻璃纤维进行亲水表面改性，包括：
将所述玻璃纤维在包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中浸润；
将浸润后的所述玻璃纤维进行UV臭氧曝光处理，得到所述亲水改性的玻璃纤维。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述烷基卤代硅烷与聚乙二醇的摩尔比为1：(0.8～1.2)；所述包含烷基卤代硅烷与聚乙二醇的溶液中烷基卤代硅烷的浓度大于等于20mmol/L；所述浸润的时间大于等于1min。
6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述UV臭氧曝光处理的光照时间为40～80min，所述UV臭氧曝光处理的功率为100～200W。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述将所述疏水改性的玻璃纤维、所述亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料混合，所述疏水改性的玻璃纤维与亲水改性的玻璃纤维的总质量与塑胶原料的质量比为(1～5)：(9～5)。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述成型为注塑成型；所述塑胶原料选自丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺与聚甲醛中的一种或多种。
9.一种塑胶复合材料，其特征在于，包括疏水改性的玻璃纤维、亲水改性的玻璃纤维与塑胶原料，所述疏水改性的玻璃纤维和所述亲水改性的玻璃纤维分散于所述塑胶原料中；所述疏水改性的玻璃纤维的水滴接触角具体为大于90°小于150°；所述亲水改性的玻璃纤维的水滴接触角小于90°。
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