環氧乙烯基樹脂複合材料及其製備方法與流程

2023-11-08 04:25:52 2

本發明涉及複合材料製備領域，且特別涉及一種環氧乙烯基樹脂複合材料及其製備方法。

背景技術：

我國棉花種植面積廣泛，棉稈韌皮資源豐富。棉杆皮纖維容易在自然界中分解，對生活環境的保護有著重要的作用。人們可以利用巨大的棉杆皮資源，將棉杆轉化為可以利用的紡織纖維，不僅可以解決製備傳統複合材料使用化纖原料對環境的汙染和原料短缺的問題，推動了紡織業的發展，而且減輕了環境的壓力，值得大力推廣，是經濟建設的一大關鍵之處。

傳統的合成纖維增強材料不僅造價高，消耗大量能源，在加工過程中對工作人員的身體狀況造成極大損壞，而且材料回收困難，給環境造成沉重的負擔。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種環氧乙烯基樹脂複合材料的製備方法，該製備方法能耗少，能夠有效利用棉花種植的廢棄物，提升棉杆的綜合利用率，利於環境保護和可持續發展。

本發明的另一目的在於提供一種環氧乙烯基樹脂複合材料，解決了傳統複合材料無增強基或採用其他化學纖維作為增強基體製得的複合材料拉伸、彎曲性能和吸水性能差等缺點。

本發明解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的：

本發明提出一種環氧乙烯基樹脂複合材料的製備方法包括：將環氧乙烯基樹脂和固化劑混合後噴塗到棉杆皮纖維氈後噴塗促進劑後加熱固化成型。其中，環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10:3-5:3-5。

本發明提出一種環氧乙烯基樹脂複合材料，其通過上述製備方法製備得到。

本發明環氧乙烯基樹脂複合材料的製備方法的有益效果是：該製備方法通過環氧乙烯基樹脂、固化劑、促進劑和棉杆皮纖維反應固化，不僅可以降低生產成本，來滿足市場的需要，而且還可以滿足可持續發展的要求，解決了傳統的合成纖維增強材料不僅造價高，消耗大量能源，在加工過程中對工作人員的身體狀況造成極大損壞，而且材料回收困難，給環境造成沉重的負擔的問題。且該製備方法流程短、成本低、綠色環保。製備得到的複合材料具有強度高、模量高、耐磨、耐高溫等特性，同時具有強度高、質地輕、韌性好、具有良好的可延伸性能的特點。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

下面對本發明實施例的環氧乙烯基樹脂複合材料的製備方法以及環氧乙烯基樹脂複合材料進行具體說明。

本發明實施例提供的一種環氧乙烯基樹脂複合材料的製備方法：

s1、棉杆預處理；

利用開松設備將剝好的棉杆皮開松成細纖維束即棉杆皮纖維粗品，將開松好的纖維原料放入容器中，向容器中灌注水，水深漫過纖維表面，加熱容器至水溫升至70℃-120℃，並保溫20-26小時。

由於開松後的棉杆皮纖維粗品結構緊實，纖維與纖維之間緊密貼合在一起，若直接將開松好的棉杆皮纖維粗品進行脫膠，增大了脫膠的難度，不易脫膠完全，而且強行將緊密貼合纖維與纖維剝離開，容易損害纖維的結構。因此，先對棉杆皮纖維粗品進行蒸煮，使得棉杆皮纖維粗品吸水膨脹，增大纖維與纖維之間的空隙，便於脫膠。同時，棉杆皮纖維粗品表面溼潤更容易吸收等離子體的脫膠處理液，進一步地，增加脫膠的速率和效率。

s2、脫膠、漂白、軟化、第一梳理、烘乾、給油以及第二次處理；

s2.1、脫膠和漂白；

向開松浸泡好的棉杆皮纖維粗品的存儲容器中加入配製好的鹼金屬氧化物的水溶液進行浸泡和加熱。鹼金屬氧化物的水溶液對棉杆皮纖維粗品表面的纖維素、半纖維素、膠質等具有溶脹作用，能夠滲透到各個大分子的內部使其裂解為單糖或者其他小分子，進而溶解以實現脫膠。進一步地，使用的鹼金屬氧化物水溶液的量為總的水量的1/20-1/30；使用的鹼金屬氧化物為氫氧化鈉或者氫氧化鉀，使用的鹼金屬氧化物的水溶液的質量濃度為10-18g/l。在該濃度範圍內，鹼金屬氧化物水溶液能夠將棉杆皮纖維粗品表面的膠質、纖維素等雜質去除，又不會因為鹼金屬氧化物的濃度過高而破壞脫膠後的棉杆皮纖維粗品的纖維結構，保證後續得到的棉杆皮纖維粗品的結構的完整性，進而保證了後續製備得到的複合材料的結構完整，具有良好的拉伸、延展等性能。

進一步優選地，脫膠過程中還需要進行加熱，以促進鹼金屬氧化物與纖維素和膠質等雜質作用的速率以及效率。具體地，加熱的溫度是80-120℃，加熱時間為2-5小時。在該範圍的加熱溫度和加熱時間內，棉杆皮纖維粗品表面的雜質能夠良好地與鹼金屬氧化物進行反應以實現良好的脫膠，若加熱溫度或加熱時間高於或低於該範圍，脫膠效果均會大大降低，使得棉杆皮纖維粗品表面的殘膠過多。而需要進行更多的後續處理，且對棉杆皮纖維粗品的損傷較大。

進一步優選地，在棉杆皮纖維粗品脫膠後，利用熱水對脫膠後的棉杆皮纖維粗品進行衝洗。採用熱水是防止已分解並溶解的雜質因為溫度降低而重新附著到棉杆皮纖維粗品表面，進而降低脫膠的效率。並且採用衝洗利用水的重力和壓力進一步促進水解的雜質的脫落。具體地，採用的熱水的溫度為90-120℃的水，衝洗次數為2-3次。進一步優選地，為了保證脫膠的效率，可以進行多次脫膠。

漂白不僅能夠去除棉杆皮纖維粗品內含有的天然色素，賦予纖維必要的白度，提升其美觀度。同時對棉杆纖維上殘留的其他雜質進一步去除並且一定程度上提升棉杆皮纖維粗品的溼潤性能。具體地，漂白是將脫膠的棉杆皮纖維粗品放置在溫度為80-120℃的水浴鍋內，使得水漫過最上層的棉杆皮纖維粗品，而後加入氧化性漂白劑，並保溫1-3小時。採用氧化性漂白劑是利用其氧化性能對棉杆皮纖維粗品進行褪色，並且在褪色後不能在回復到原來的顏色，保證了漂白的效果。進一步優選地，使用氧化性漂白劑選用質量百分比為30-40％過氧化氫，並且加入的過氧化氫的量為總的水量的1/20-1/30。將褪色後的棉杆皮纖維粗品使用水衝洗2-3次，去除棉杆皮纖維粗品表面可能附著的過氧化氫。

s2.2、軟化和第一次處理；

因為漂白後的纖維手感硬挺，且大部分是纖維束，不利於後面的工藝進行，所以需要將纖維軟化。軟化的同時能夠補充棉杆皮纖維粗品在脫膠和漂白過程中喪失的油脂，提升棉杆皮纖維粗品的手感。具體地，軟化是將漂白後的棉杆皮纖維粗品在溫度為60-80℃的水浴鍋內，使得水漫過最上層的棉杆皮纖維粗品，而後加入與軟化劑，並保溫8-12小時，其中，加入的軟化劑的量為總的水量的1/7-1/12。進一步優選地，使用的軟化劑為兩性型柔軟劑和陽離子型柔軟劑的混合物，兩者協同作用能夠提升軟化劑的柔軟性能，同時，能夠防止棉杆纖維變黃或者變色。將軟化後的棉杆皮纖維粗品使用水衝洗2-3次，去除棉杆皮纖維粗品表面可能附著的軟化劑。

經過脫膠、漂白以及軟化後的棉杆皮纖維粗品的表面的雜質、色素等基本已經去除，但是得到的棉杆皮纖維粗品團簇在一起，結構緊實，單纖維含量少。為了解決這一技術問題，需要對團簇的棉杆皮纖維粗品進行梳理。具體地，是將團簇的棉杆皮纖維粗品在安裝有細密梳針的梳理設備進行梳理得到細小纖維素或者單根纖維，梳理過程需要根據纖維的分離度不斷反覆的進行，直至單纖維含量超過棉杆皮纖維粗品總量的80％。同時，採用軟化能夠有效防止後續烘乾過程中棉杆纖維重新合併和粘連在一起。

s2.3、烘乾、給油以及第二次梳理；

棉杆皮纖維粗品經過脫膠、漂白、軟化、第一次梳理後表面可能含有大量的水分，若直接將經過上述處理的棉杆皮纖維粗品與固化劑、促進劑反應製備複合材料，得到的複合材料結構鬆散、延展性、吸水性均會降低。同時，為了除去纖維內部游離的水分子，保證後續製備得到的複合材料的相關性能，需要對棉杆皮纖維粗品進行烘乾。

具體地，將第一次梳理完成後的棉杆皮纖維粗品均勻鋪設到烘乾器內進行烘乾，烘乾的溫度為100-150℃，烘乾時間為5-8小時。均勻鋪設保證了棉杆皮纖維粗品各個部位受熱均勻，保證烘乾效果。同時，採用上述的烘乾溫度和烘乾時間在保證能夠將棉杆皮纖維粗品烘乾的前提下儘可能地減少加熱對纖維結構的影響，保證纖維結構的完整性。

由於棉杆皮纖維粗品硬度較大，纖維長度長，不利於纖維在梳棉機上進行梳理成網，進而影響棉杆皮纖維與環氧乙烯基樹脂反應，影響複合材料的生成，以及得到的複合材料的性能。若棉杆纖維硬度大，後期製備時不易與環氧乙烯基樹脂反應，同時製得的複合材料脆性過高，延展性差。因此，需要對棉杆皮纖維給油以軟化單纖維，同時促進棉杆皮纖維與環氧乙烯基樹脂反應。具體地，給油是將乳化劑噴射到烘乾後的棉杆皮纖維粗品上進行密封。採用噴射是保證棉杆皮纖維粗品上具有乳化劑，同時防止乳化劑含量過高，使得棉杆皮纖維過軟，降低後續複合材料的性能。同時，乳化劑過多地附著在棉杆皮纖維粗品表面，不利於棉杆皮纖維與環氧乙烯基樹脂接觸並反應。採用密封，是為了促進乳化劑與棉杆皮纖維粗品進行反應，加快乳化過程。具體的密封方式採用塑料包裹棉杆皮纖維粗品進行密封。進一步優選地，乳化劑主要由麻油、乳化油和水製成。使用的麻油、乳化油和水的質量比為1-3：1-3：20。密封的時間為12-16小時。

第二次梳理棉杆皮纖維粗品其分布均勻，便於後續與環氧乙烯基樹脂固化反應得到複合材料。具體地，將處理過的棉杆皮纖維粗品放在梳棉機進行梳理，使其分布均勻，梳理次數為3-5次得到棉杆皮纖維氈。

s3、製備複合材料；

由於促進劑和固化劑在一起會產生劇烈化學反應，進而二者先混合便會失去對應的效果，不能製備得到複合材料，因此促進劑和固化劑需要分別添加。首先，將環氧乙烯基樹脂和固化劑混合併攪拌均勻，而後均勻噴塗到棉杆皮纖維氈上，再均勻噴塗促進劑，而後在30-60℃、11-15mpa的條件下固化1-3小時，製備得到複合材料。其中，使用的環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10:3-5:3-5。採用上述比例的環氧乙烯基樹脂、固化劑和促進劑保證了環氧乙烯基樹脂能夠完全地棉杆皮纖維氈內的纖維進行反應，保證了複合材料的生成。若使用的環氧乙烯基樹脂、固化劑和促進劑的比例低於或高於該範圍得到的複合材料的性能將會急劇降低，甚至不能生成複合材料。

本發明實施例還提供的一種環氧乙烯基樹脂複合材料。該複合材料通過上述的製備方法製備得到。該複合材料具有強度高、模量高、耐磨、耐高溫等特性，利用棉杆皮纖維製備環氧乙烯基樹脂複合材料可廣泛應用於汽車、建築、室內裝飾等領域。該製備方法不僅可以降低生產成本，來滿足市場的需要，而且還可以滿足可持續發展的要求，解決了傳統的合成纖維增強材料不僅造價高，消耗大量能源，在加工過程中對工作人員的身體狀況造成極大損壞，而且材料回收困難，給環境造成沉重的負擔。

以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述。

實施例1

本實施例還提供一種製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法：

利用開松設備將剝好的棉杆皮開松成細纖維束即棉杆皮纖維粗品，將開松好的纖維原料放入容器中，向容器中灌注水，水深漫過纖維表面，加熱容器至水溫升至70℃，並保溫24小時。而後添加質量濃度為10g/l的氫氧化鈉水溶液，使用的氫氧化鈉水溶液的量為總的水量的1/20，脫膠的加熱溫度為100℃，加熱時間為3小時，而後，將脫膠後的棉杆皮纖維粗品使用90℃的水衝洗2次。

將脫膠的棉杆皮纖維粗品放置在溫度為100℃的水浴鍋內，使得水漫過最上層的棉杆皮纖維粗品，而後加入與質量百分比為35％過氧化氫，並保溫1小時，其中，加入的過氧化氫的量為總的水量的1/20，而後，將褪色後的棉杆皮纖維粗品使用水衝洗2次。

將漂白後的棉杆皮纖維粗品在溫度為80℃的水浴鍋內，使得水漫過最上層的棉杆皮纖維粗品，而後加入與軟化劑，並保溫9小時，其中，加入的軟化劑的量為總的水量的1/7。而後，將軟化後的棉杆皮纖維粗品衝洗3次。

軟化後進行第一梳理，直至單纖維含量超過棉杆皮纖維粗品總量的80％。將第一次梳理完成後的棉杆皮纖維粗品均勻鋪設到烘乾器內進行烘乾，烘乾的溫度為150℃，烘乾時間為6小時。

將麻油、乳化油和水按照1：1：20配比配製乳化劑，將配好的乳化劑均勻的噴灑在棉杆皮纖維粗品上，並用塑膠袋裝好，密封16小時。將處理過的棉杆皮纖維粗品放在梳棉機進行梳理，使其分布均勻，梳理次數為3次得到棉杆皮纖維氈。

將環氧乙烯基樹脂和固化劑混合併攪拌均勻，而後均勻噴塗到棉杆皮纖維氈上，再均勻噴塗促進劑，而後在40℃、13mpa的條件下固化2小時，製備得到複合材料。其中，環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10：4：4。

實施例2

本實施例提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法基本與實施例1提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法一致，區別在於操作條件以及使用的試劑發生變化。

預處理時的水溫為100℃，保溫時間為26小時。脫膠時，使用的鹼金屬氧化物水溶液為氫氧化鉀，其質量濃度為15g/l，其使用量為總水量的1/25，並且脫膠時的溫度為80℃，時間為2小時，衝洗用的水溫為120℃，衝洗次數為3次。

漂白時，所用的過氧化氫的質量百分比為30％，其使用量是總水量的1/30，漂白的溫度是80℃，漂白的時間是3小時，使用水衝洗的次數是3次。

軟化時，使用的軟化劑的量為總的水量的1/10，軟化時溫度為60℃，保溫時間為8小時，水衝洗的次數是3次。烘乾的溫度和時間分別為100℃，5小時。給油時使用的麻油、乳化油和水的質量比為1：3：20，密封時間為14小時，第二次梳理的次數為5次。

製備複合材料時，環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10：3：5，固化的溫度為30℃，壓力為15mpa，固化時間為3小時。

實施例3

本實施例提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法基本與實施例1提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法一致，區別在於操作條件以及使用的試劑發生變化。

預處理時的水溫為120℃，保溫時間為22小時。脫膠時，使用的鹼金屬氧化物水溶液為氫氧化鉀，其質量濃度為13g/l，其使用量為總水量的1/30，並且脫膠時的溫度為90℃，時間為4小時，衝洗用的水溫為100℃，衝洗次數為3次。

漂白時，所用的過氧化氫的質量百分比為40％，其使用量是總水量的1/22，漂白的溫度是120℃，漂白的時間是2小時，使用水衝洗的次數是2次。

軟化時，使用的軟化劑的量為總的水量的1/12，軟化時溫度為70℃，保溫時間為12小時，水衝洗的次數是2次。烘乾的溫度和時間分別為120℃，8小時。給油時使用的麻油、乳化油和水的質量比為3：2：20，密封時間為12小時，第二次梳理的次數為4次。

製備複合材料時，環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10：5：4，固化的溫度為60℃，壓力為14mpa，固化時間為1小時。

實施例4

本實施例提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法基本與實施例1提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法一致，區別在於操作條件以及使用的試劑發生變化。

預處理時的水溫為90℃，保溫時間為20小時。脫膠時，使用的鹼金屬氧化物水溶液為氫氧化鈉，其質量濃度為18g/l，其使用量為總水量的1/22，並且脫膠時的溫度為120℃，時間為5小時，衝洗用的水溫為110℃，衝洗次數為2次。

漂白時，所用的過氧化氫的質量百分比為33％，其使用量是總水量的1/25，漂白的溫度是90℃，漂白的時間是2小時，使用水衝洗的次數是3次。

軟化時，使用的軟化劑的量為總的水量的1/9，軟化時溫度為75℃，保溫時間為10小時，水衝洗的次數是2次。烘乾的溫度和時間分別為110℃，7小時。給油時使用的麻油、乳化油和水的質量比為2：1：20，密封時間為13小時，第二次梳理的次數為5次。

製備複合材料時，環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10：4：3，固化的溫度為50℃，壓力為11mpa，固化時間為2小時。

實施例5

本實施例提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法基本與實施例1提供的製備環氧乙烯基樹脂複合材料的方法一致，區別在於操作條件以及使用的試劑發生變化。

預處理時的水溫為110℃，保溫時間為21小時。脫膠時，使用的鹼金屬氧化物水溶液為氫氧化鉀，其質量濃度為16g/l，其使用量為總水量的1/27，並且脫膠時的溫度為110℃，時間為4小時，衝洗用的水溫為100℃，衝洗次數為3次。

漂白時，所用的過氧化氫的質量百分比為38％，其使用量是總水量的1/27，漂白的溫度是110℃，漂白的時間是3小時，使用水衝洗的次數是3次。

軟化時，使用的軟化劑的量為總的水量的1/8，軟化時溫度為65℃，保溫時間為11小時，水衝洗的次數是2次。烘乾的溫度和時間分別為135℃，6.5小時。給油時使用的麻油、乳化油和水的質量比為3：1：20，密封時間為15小時，第二次梳理的次數為4次。

製備複合材料時，環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10：5：3，固化的溫度為45℃，壓力為12mpa，固化時間為2小時。

實驗例

對比例1：採用與實施例1一致的製備方法以及步驟進行複合材料的製備，區別在於環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10:1:1。

實驗例2：採用與實施例1一致的製備方法以及步驟進行複合材料的製備，區別在於環氧乙烯基樹脂與固化劑和促進劑的質量比為10:9:7。

對比例3：採用與實施例1一致的製備方法以及步驟進行複合材料的製備，區別在於使用的棉杆皮纖維氈未進行第一次梳理。

對比例4：實施例1製備得到的棉杆皮纖維氈。

實驗例1

對實施例1-實施例5和對比例1-4製備得到的複合材料分別放置於斷裂強度測試儀進行斷裂強度測試。具體的測試結果見表1。

表1斷裂強度測試

通過表1可知，實施例1-5的複合材料具有良好的延伸性，在一定拉力下能夠進行延伸，並且斷裂時使用的力較大，其強度較高。而根據對比例1-3可發現改變本發明的製備條件得到的複合材料的延伸性均降低，能夠延伸的長度也降低。而對比實施例1和對比例4，複合材料相交原料棉杆皮纖維具有更優良的延伸性，能夠延伸更長，強度明顯增加。

實驗例2

對實施例1-實施例5和對比例1-4的複合材料分別進行吸水率測試。具體檢測結果見表2。

表2吸水性能測試

通過表2可知，實施例1-5製備得到的複合材料具備良好的吸水性能，說明其透氣性能良好。對比實施例1和對比例4的檢測結果可知，棉杆皮纖維製成複合材料後吸水性能得到大幅度提升。而對比實施例1和對比例1-3發現，改變本發明製備方法或條件，得到的複合材料的性能降低。

綜上所述，本發明實施例1-5提供的環氧乙烯基樹脂複合材料的製備方法通過環氧乙烯基樹脂、固化劑、促進劑和棉杆皮纖維反應固化，不僅可以降低生產成本，來滿足市場的需要，而且還可以滿足可持續發展的要求，解決了傳統的合成纖維增強材料不僅造價高，消耗大量能源，在加工過程中對工作人員的身體狀況造成極大損壞，而且材料回收困難，給環境造成沉重的負擔的缺點。且該製備方法流程短、成本低、綠色環保。而選用棉杆皮纖維作為原料減少棉花種植廢棄物棉杆的資源浪費，提升了對棉稈的綜合利用和產品開發。製備得到的複合材料具有強度高、模量高、耐磨、耐高溫等特性，同時具有強度高、質地輕、韌性好、具有良好的可延伸性能的特點。

以上所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。