植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法

2023-09-19 10:52:50

植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法
【專利摘要】植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，包括如下步驟：（1）利用矽烷偶聯劑對植物纖維進行處理；（2）纖維表面接枝超支化聚醯胺；（3）將接枝上超支化聚醯胺的植物纖維與相容劑、熱塑性樹脂基體進行熔融共混製備複合材料。本發明通過對植物纖維表面進行超支化聚醯胺接枝改性，增加了纖維表面的可反應基團數量，以促進纖維表面更多的活性基團與樹脂基體中界面相容劑上的官能團發生更多有效碰撞並發生反應，從而在樹脂基體與纖維之間搭建數目更多的且長度可控的柔性分子鏈，進而改善複合材料的力學性能。
【專利說明】植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於植物纖維表面改性領域，涉及一種採用植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法。

【背景技術】
[0002]植物纖維在自然界中資源極為豐富，具有價格低廉、密度小、環境友好、可自然降解等優點。近些年來，採用植物纖維製備複合材料已經成為複合材料研究領域的一大熱點，具有顯著的經濟及社會效益，對提高農產品附加值，推動我國農業工業的發展具有極為重要的意義。然而目前此類複合材料仍未獲得較大的市場，這主要是由於其力學性能尚不能達到滿意的使用要求。因此，提高這類複合材料的力學性能已成為當務之急。


【發明內容】

[0003]本發明提供一種植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，以提供具有良好力學性能的植物纖維複合材料。
[0004]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，包括如下步驟:
(1)利用矽烷偶聯劑對植物纖維進行處理；
(2)纖維表面接枝超支化聚醯胺；
(3)將接枝上超支化聚醯胺的植物纖維與相容劑、熱塑性樹脂基體進行熔融共混製備複合材料。
[0005]植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法中，所述的植物纖維為:木纖維、麻纖維、農作物秸杆纖維、竹纖維中的任意一種或幾種的混合。
[0006]植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法中，所述的相容劑為:聚乙烯接枝馬來酸酐、聚丙烯接枝馬來酸酐、乙烯-辛烯共聚物接枝馬來酸酐、聚苯乙烯接枝馬來酸酐、聚乳酸接枝馬來酸酐、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物接枝馬來酸酐、聚乙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯、聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯、乙烯-辛烯共聚物接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯、聚乳酸接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯中的任意一種或幾種的任意組合。
[0007]所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法中，所述的熱塑性樹脂基體為:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的任意一種或幾種的任意組合。
[0008]所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法中，所述矽烷偶聯劑為3-氨基丙基三乙氧基矽烷，處理條件為:矽烷偶聯劑水溶液質量分數為1%~10%，在 80°C ~90°C條件下處理 4h~8h。
[0009]所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法中，第(2)步中工藝條件為:首先採用丙烯酸甲酯對第(I)步處理後的纖維進行接枝改性，接枝處理條件為:在50°c條件下接枝處理24h ;然後，在接枝丙烯酸甲酯的纖維上利用乙二胺或己二胺進行氨化處理接枝超支化聚醯胺，接枝處理條件為:在50°C條件下接枝處理24h。
[0010]所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法中，第(3)步的工藝條件為:將(2)處理後的纖維與相容劑、熱塑性樹脂基體在熔融共混設備中進行熔融混合，並在平板硫化機中進行模壓製備出複合材料。
[0011]所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法中，所述的熔融共混設備為:開煉機、擠出機、微型雙螺杆擠出機或哈克轉矩流變儀中的任意一種。
[0012]本發明的第(I)步對植物纖維表面利用矽烷偶聯劑溶液處理的工藝為:
將植物纖維浸入矽烷偶聯劑的水溶液中進行處理，隨後將矽烷偶聯劑溶液處理過的植物纖維採用蒸餾水抽提洗滌至中性，烘乾；
本發明的第(2)步對纖維表面接枝超支化聚醯胺的工藝為:
將第(I)步矽烷偶聯劑處理過的纖維採用接枝改性工藝在表面接枝超支化聚醯胺，隨後將接枝上超支化聚醯胺的纖維採用甲醇抽提洗滌，烘乾；
本發明的第(3)步進行複合材料的製備的工藝為:
將接枝上超支化聚醯胺的植物纖維與相容劑、熱塑性樹脂基體進行熔融共混製備複合材料。
[0013]採用上述技術方案所產生的有益效果在於:通過對植物纖維表面進行超支化聚醯胺接枝改性，增加了纖維表面的可反應基團數量，以促進纖維表面更多的活性基團與樹脂基體中界面相容劑上的官能團發生更多有效碰撞並發生反應，從而在樹脂基體與纖維之間搭建數目更多的且長度可控的柔性分子鏈，進而改善複合材料的力學性能。

【具體實施方式】
[0014]下面實施例是對本發明的進一步說明，但並不局限於此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的保護範圍中。
[0015]說明:本發明實施例中所用的各種原料以及開煉機、平板硫化機、塑料液壓機、萬能制樣機、力學試驗機、粉碎機均為市售產品。
[0016]實施例1
(I)將用蒸餾水洗滌乾淨並烘乾了的劍麻纖維剪成2?3_長，同時將3-氨基丙基三乙氧基矽烷配製成10wt%的水溶液。將劍麻纖維放入燒瓶中，加入10%的矽烷偶聯劑，油浴下升溫至80°C，反應4個小時，反應完成後，用蒸餾水真空抽提洗滌劍麻纖維至中性，然後放入真空乾燥箱中乾燥。
[0017](2)將矽烷偶聯劑處理過的劍麻纖維放入燒瓶中，以甲醇為溶劑，加入過量的丙烯酸甲酯與之反應，Ig纖維對應丙烯酸甲酯的體積為2ml，反應時間為24小時，反應溫度設為50°C，通入氮氣作保護氣體，反應完成後，用甲醇真空抽提洗滌劍麻纖維5?6次。洗滌乾淨後，將纖維裝入燒瓶中，同樣以甲醇為溶劑，加入過量的乙二胺與之反應，Ig纖維對應的乙二胺體積為10ml，反應條件與丙烯酸甲酯相同。反應完成後用甲醇真空抽提洗滌劍麻纖維5?6次，得到劍麻纖維表面接枝超支化聚醯胺產品。
[0018](3)稱取30g超支化聚醯胺改性的劍麻纖維，65g均聚聚丙烯，5g聚丙烯接枝馬來酸酐，在開煉機中進行熔融混合，溫度為180°C，時間為lOmin。將混合均勻後的物料快速放入預熱好的模具中，並在平板硫化機中進行模壓成板，模壓溫度為180°C，時間為3min，壓力為5MPa。完成後，取出模具，將模具放在塑料液壓機中常溫冷卻，壓力設定在IMPa，時間為2min。待I旲具冷卻後，取出製品。
[0019](4)根據GB/T 1040-1992,GB9341-2000要求，在萬能制樣機上製備出本實施例所制製品的標準樣條，並在力學試驗機上測試複合材料的拉伸及彎曲性能。測試結果:拉伸強度為26.91MPa，拉伸模量為1634MPa，彎曲強度為51.27MPa，彎曲模量為2328MPa。
[0020]對比例I
稱取30g的用蒸餾水洗滌乾淨並烘乾了的未經改性處理的劍麻纖維、65g均聚聚丙烯以及5g聚丙烯接枝馬來酸酐，在開煉機中進行熔融混合，溫度為180°C，時間為lOmin。將混合均勻後的物料快速放入預熱好的模具中，並在平板硫化機中進行模壓成板，模壓溫度為180°C，時間為3min，壓力為5MPa。完成後，取出模具，將模具放在塑料液壓機中常溫冷卻，壓力設定在IMPa，時間為2min。待模具冷卻後，取出製品。
[0021]根據GB/T 1040-1992、GB9341-2000要求，在萬能制樣機上製備出本對比例所制製品的標準樣條，並在力學試驗機上測試複合材料的拉伸及彎曲性能。測試結果:拉伸強度為25.09MPa，拉伸模量為1086MPa，彎曲強度為41.46MPa，彎曲模量為1798MPa。
[0022]實施例2
(I)將用蒸餾水洗滌乾淨並烘乾了的劍麻纖維剪成2?3_長，同時將3-氨基丙基三乙氧基矽烷配製成10%的水溶液。將劍麻纖維放入燒瓶中，加入10%的矽烷偶聯劑，在油浴條件下反應4個小時，溫度設定在80°C，反應完成後，用蒸餾水真空抽提洗滌劍麻纖維至中性，然後放入真空乾燥箱中乾燥。
[0023](2)將矽烷偶聯劑處理過的劍麻纖維放入燒瓶中，以甲醇為溶劑，加入過量的丙烯酸甲酯與之反應，Ig纖維對應丙烯酸甲酯的體積為2ml，反應時間為24小時，反應溫度設為50°C，通入氮氣作保護氣體，反應完成後，用甲醇真空抽提洗滌劍麻纖維5?6次。洗滌乾淨後，將纖維裝入燒瓶中，同樣以甲醇為溶劑，加入過量的乙二胺與之反應，Ig纖維對應的乙二胺體積為10ml，反應條件與丙烯酸甲酯相同。反應完成後用甲醇真空抽提洗滌劍麻纖維5?6次，得到劍麻纖維表面接枝超支化聚醯胺產品。
[0024](3)稱取30g的超支化聚醯胺改性的劍麻纖維，65g均聚聚丙烯，5g聚丙烯接枝馬來酸酐，在開煉機中進行熔融混合，溫度為180°C，時間為lOmin。將混合均勻後的物料快速放入預熱好的模具中，並在平板硫化機中進行模壓成板，模壓溫度為180°C，時間為3min，壓力為5MPa。完成後，取出模具，將模具放在塑料液壓機中常溫冷卻，壓力設定在IMPa，時間為2min。待I旲具冷卻後，取出製品。
[0025](4)根據GB/T 1040-1992,GB9341-2000要求，在萬能制樣機上製備出本實施例製品的標準樣條，並在力學試驗機上測試複合材料的拉伸及彎曲性能。測試結果:拉伸強度為26.91MPa，拉伸模量為1634MPa，彎曲強度為51.27MPa，彎曲模量為2328MPa。
[0026]對比例2
(I)將用蒸餾水洗滌乾淨並烘乾了的劍麻纖維剪成2?3_長，同時將3-氨基丙基三乙氧基矽烷配製成10%的水溶液。將劍麻纖維放入燒瓶中，加入10%的矽烷偶聯劑，在油浴條件下反應4個小時，溫度設定在80°C，反應完成後，用蒸餾水真空抽提洗滌劍麻纖維至中性，然後放入真空乾燥箱中乾燥。
[0027](2)稱取第(I)步所得經3-氨基丙基三乙氧基矽烷改性的劍麻纖維30g、均聚聚丙烯65g，聚丙烯接枝馬來酸酐5g，在開煉機中進行熔融混合，溫度為180°C，時間為lOmin。將混合均勻後的物料快速放入預熱好的模具中，並在平板硫化機中進行模壓成板，模壓溫度為180°C，時間為3min，壓力為5MPa。完成後，取出模具，將模具放在塑料液壓機中常溫冷卻，壓力設定在IMPa，時間為2min。待模具冷卻後，取出製品。
[0028]根據GB/T 1040-1992、GB9341-2000要求，在萬能制樣機上製備出本對比例製品的標準樣條，並在力學試驗機上測試複合材料的拉伸及彎曲性能。測試結果:拉伸強度為25.41MPa，拉伸模量為1370MPa，彎曲強度為46.53MPa，彎曲模量為2075MPa。
[0029]實施例3
(I)將用蒸餾水洗滌乾淨並烘乾了的木纖維用粉碎機粉碎成I?2_長，同時將3-氨基丙基三乙氧基矽烷配製成10%的水溶液。將木纖維放入燒瓶中，加入10%的矽烷偶聯劑，在油浴條件下反應4個小時，溫度設定在80°C，反應完成後，用蒸餾水真空抽提洗滌木纖維至中性，然後放入真空乾燥箱中乾燥。
[0030](2)將矽烷偶聯劑處理過的木纖維放入燒瓶中，以甲醇為溶劑，加入過量的丙烯酸甲酯與之反應，Ig纖維對應丙烯酸甲酯的體積為2ml，反應時間為24小時，反應溫度設為50°C，通入氮氣作保護氣體，反應完成後，用甲醇真空抽提洗滌木纖維5?6次。洗滌乾淨後，將纖維裝入燒瓶中，同樣以甲醇為溶劑，加入過量的乙二胺與之反應，Ig纖維對應的乙二胺體積為10ml，反應條件與丙烯酸甲酯相同。反應完成後用甲醇真空抽提洗滌木纖維5?6次，得到木纖維表面接枝超支化聚醯胺產品。
[0031](3)稱取30g的超支化聚醯胺改性的木纖維，65g均聚聚丙烯，5g聚丙烯接枝馬來酸酐，在開煉機中進行熔融混合，溫度為180°C，時間為lOmin。將混合均勻後的物料快速放入預熱好的模具中，並在平板硫化機中進行模壓成板，模壓溫度為180°C，時間為3min，壓力為5MPa。完成後，取出模具，將模具放在塑料液壓機中常溫冷卻，壓力設定在IMPa，時間為2min。待I旲具冷卻後，取出製品。
[0032](4)根據GB/T 1040-1992,GB9341-2000要求，在萬能制樣機上製備出本實施例製品的標準樣條，並在力學試驗機上測試複合材料的拉伸及彎曲性能。超支化聚醯胺改性的木纖維複合材料拉伸強度為29.15MPa，拉伸模量為1610MPa，彎曲強度為57.72MPa，彎曲模量為 2600MPa。
[0033]對比例3
(I)將用蒸餾水洗滌乾淨並烘乾了的木纖維用粉碎機粉碎成I?2_長，同時將3-氨基丙基三乙氧基矽烷配製成10%的水溶液。將木纖維放入燒瓶中，加入10%的矽烷偶聯劑，在油浴條件下反應4個小時，溫度設定在80°C，反應完成後，用蒸餾水真空抽提洗滌木纖維至中性，然後放入真空乾燥箱中乾燥。
[0034](2)稱取3(^的經3-氨基丙基三乙氧基矽烷改性的木纖維，65g均聚聚丙烯，5g聚丙烯接枝馬來酸酐，在開煉機中進行熔融混合，溫度為180°C，時間為lOmin。將混合均勻後的物料快速放入預熱好的模具中，並在平板硫化機中進行模壓成板，模壓溫度為180°C，時間為3min，壓力為5MPa。完成後，取出模具，將模具放在塑料液壓機中常溫冷卻，壓力設定在IMPa，時間為2min。待模具冷卻後，取出製品。
[0035](4)根據GB/T 1040-1992,GB9341-2000要求，在萬能制樣機上製備出本對比例所制製品的標準樣條，並在力學試驗機上測試複合材料的拉伸及彎曲性能。測試結果:拉伸強度為28.09MPa，拉伸模量為1170MPa，彎曲強度為52.0lMPa，彎曲模量為2460MPa。
【權利要求】
1.植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於包括如下步驟: (1)利用矽烷偶聯劑對植物纖維進行處理； (2)纖維表面接枝超支化聚醯胺； (3)將接枝上超支化聚醯胺的植物纖維與相容劑、熱塑性樹脂基體進行熔融共混製備複合材料。
2.根據權利要求1所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於，所述的植物纖維為:木纖維、麻纖維、農作物秸杆纖維、竹纖維中的任意一種或幾種的混合。
3.根據權利要求1所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於，所述的相容劑為:聚乙烯接枝馬來酸酐、聚丙烯接枝馬來酸酐、乙烯-辛烯共聚物接枝馬來酸酐、聚苯乙烯接枝馬來酸酐、聚乳酸接枝馬來酸酐、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物接枝馬來酸酐、聚乙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯、聚丙烯接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯、乙烯-辛烯共聚物接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯、聚乳酸接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯中的任意一種或幾種的任意組合。
4.根據權利要求1所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於，所述的熱塑性樹脂基體為:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的任意一種或幾種的任意組合。
5.根據權利要求1所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於第(1)步中，所述矽烷偶聯劑為3-氨基丙基三乙氧基矽烷，處理條件為:矽烷偶聯劑水溶液質量分數為1%~10%，在80°C ~90°C條件下處理4h~8h。
6.根據權利要求1所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於， 第(2)步中工藝條件為:首先採用丙烯酸甲酯對第(1)步處理後的纖維進行接枝改性，接枝處理條件為:在50°C條件下接枝處理24h;然後，在接枝丙烯酸甲酯的纖維上利用乙二胺或己二胺進行氨化處理接枝超支化聚醯胺，接枝處理條件為:在50°C條件下接枝處理24h。
7.根據權利要求1所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於，第(3)步的工藝條件為:將(2)處理後的纖維與相容劑、熱塑性樹脂基體在熔融共混設備中進行熔融混合，並在平板硫化機中進行模壓製備出複合材料。
8.根據權利要求7所述的植物纖維表面接枝超支化聚醯胺改善複合材料力學性能的方法，其特徵在於，所述的熔融共混設備為:開煉機、擠出機、微型雙螺杆擠出機或哈克轉矩流變儀中的任意一種。
【文檔編號】C08L23/12GK104448567SQ201410801965
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月22日 優先權日:2014年12月22日
【發明者】孫佔英, 伊鳳強, 趙雄燕 申請人:河北科技大學