一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料及其製備方法與流程
2024-04-10 01:19:05
本發明涉及聚碳酸酯複合材料領域，具體涉及一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料及其製備方法。
背景技術：
：玄武巖纖維是一種新出現的新型無機環保綠色高性能纖維材料，是未來我國重點發展的四大高性能纖維之一，它是由二氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成的玄武巖石料在高溫熔融後，通過紡絲工藝製備而成的。玄武巖連續纖維不僅穩定性好，而且還具有電絕緣性、抗腐蝕、抗燃燒、耐高溫等多種優異性能，而且，玄武巖纖維的生產工藝產生的廢棄物少，對環境汙染小，產品廢棄後可直接轉入生態環境中，無任何危害，因而是一種名副其實的綠色、環保材料。玄武巖連續纖維已在纖維增強複合材料、摩擦材料、造船材料、隔熱材料、汽車行業、高溫過濾織物以及防護領域等多個方面得到了廣泛的應用。聚碳酸酯是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，聚碳酸酯材料具有較好的綜合性能，聚碳酸酯無色透明，耐熱，抗衝擊，阻燃性好，成型尺寸穩定性好，在使用溫度內具有良好的機械性能；但由於碳酸酯基具有較強的活性，導致聚碳酸酯材料存在耐高溫性能差，耐磨性差的缺陷，因此，在某些特殊環境下，聚碳酸酯材料需要進行耐高溫、耐磨等增強改性處理後才能進行應用。現今對聚碳酸酯材料的纖維增強改性主要採用玻璃纖維材料和碳纖維材料進行改性處理，改性效果顯著，但玻璃纖維和碳纖維生產成本高、環境汙染大，嚴重限制了改性聚碳酸酯材料的應用，因此，採用無毒、無汙染、來源廣泛、性能優異、穩定好的玄武巖纖維材料來替代玻璃纖維和碳纖維對聚碳酸酯材料進行增強，從而得到的玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料是聚碳酸酯增強複合材料發展的新方向。但由於玄武巖纖維為無機材料，而聚碳酸酯為高分子有機材料，兩者相容性極差，且玄武巖纖維自身結構和性能穩定，纖維表面光滑、表面活性位點少，造成玄武巖纖維在改性過程中更難以與聚碳酸酯材料進行化學鍵合和機械鉚合，即玄武巖纖維在聚碳酸酯材料中是獨立存在，對聚碳酸酯材料增強效果不佳，玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的性能較差。技術實現要素：本發明的目的在於克服玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料性能差的缺陷，提供一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料及其製備方法；本發明先利用改性劑對玄武巖纖維進行表面改性處理，使纖維表面粗糙度增加並形成大量活性位點和活性基團，從而增加玄武巖纖維與聚碳酸酯材料的相容性，使玄武巖纖維能與聚碳酸酯材料進行化學鍵合和機械鉚合，再將經過改性處理的玄武巖纖維與聚碳酸酯材料複合得到性能更優異的玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。為了實現上述發明目的，本發明提供了一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，包括以下步驟：（1）預處理：將玄武巖纖維用改性劑進行預處理得改性玄武巖纖維；（2）複合：將改性玄武巖纖維與聚碳酸酯材料進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，步驟1中所述的改性劑包括有機酸鹽、強鹼和羰基二咪唑；所述改性劑能對玄武巖纖維表面腐蝕、活化，形成粗糙表面，並接枝多種活性基團，使纖維表面形成大量活性位點和活性基團，從而能與聚碳酸酯進行化學鍵合和機械鉚合；所述的機械鉚合是指基體材料通過收縮應力包緊粗糙表面的纖維而產生的摩擦結合。優選的，所述的改性劑包括5-15重量份的有機酸鹽、5-10重量份的強鹼、10-15重量份的羰基二咪唑、50-80重量份的溶劑，通過優選，改性劑對玄武巖纖維的改性程度易控制，對玄武巖纖維改性效果更好；最優選的，所述的改性劑包括10重量份的有機酸鹽、8重量份的強鹼、12重量份的羰基二咪唑、60重量份的溶劑。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，其中所述的有機酸鹽為醋酸鈉、醋酸鉀、甲酸鈉、甲酸鉀中的一種或多種；所述的強鹼為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣中的一種或多種；所述的溶劑為甘油的水溶液；優選的，所述溶劑中甘油與水的體積比為1-3︰1；最優選的，甘油的水溶液中甘油與水的體積比為2︰1。一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，本發明方法先利用改性劑對玄武巖纖維進行預處理，在預處理過程中，改性劑使纖維表面粗糙度增加並形成大量活性位點和活性基團，增加了玄武巖纖維與聚碳酸酯材料的相容性；再將經過預處理的玄武巖纖維與聚碳酸酯材料進行複合，從而使玄武巖纖維能與聚碳酸酯材料在複合過程中進行化學鍵合和機械鉚合，使玄武巖纖維與聚碳酸酯材料形成統一的整體，進而得到性能更優異的玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料；該發明方法簡單可靠，產品質量穩定，適合玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的大規模、工業化生產。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，其中步驟1中所述的玄武巖纖維包括玄武巖短纖維、玄武巖長纖維、連續玄武巖纖維中的一種。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，其中步驟1中預處理的溫度為30-50℃，溫度越高，反應速度越快，控制越困難，溫度越低，反應速度越慢，反應效果越差；優選的，預處理溫度為35-45℃。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，其中步驟1中預處理的時間為2-5h，處理時間越長，對玄武巖纖維表面處理效果越好，但過長的處理時間造成處理過渡，玄武巖纖維性能顯著下降，不利於對聚碳酸酯的增強改性；優選的，所述的預處理時間為3-4h。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，其中步驟2中的複合處理是指通過工藝手段將預處理玄武巖纖維與聚碳酸酯材料進行化學鍵合和機械鉚合，使玄武巖纖維與聚碳酸酯材料形成統一的整體的方法。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，其中步驟2中改性玄武巖纖維用量是聚碳酸酯材料的0.1-15%，改性玄武巖纖維的用量可根據玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料在不同應用領域中要求進行調整。上述一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的製備方法，其中步驟2在進行複合處理過程中，還可以添加助劑，所述助劑包括分散劑、偶聯劑、抗菌劑、抗靜電劑、阻燃劑中的一種或多種。為了實現上述發明目的，進一步的，本發明提供了一種玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料，所述玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料是通過上述製備方法製備得到的；該玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料由於玄武巖纖維與聚碳酸酯材料的相容性好，因而其機械性能和物化性能更優異，適用於更多環境條件，應用範圍更廣。與現有技術相比，本發明的有益效果：1、本發明方法利用改性劑對玄武巖纖維進行改性處理，使纖維表面粗糙度增加，從而是玄武巖纖維能與聚碳酸酯材料進行機械鉚合，製備得到的玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的機械性能更好。2、本發明方法利用改性劑對玄武巖纖維進行預處理，使玄武巖纖維能與聚碳酸酯材料在複合過程中進行化學鍵合，製備得到的玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的物化性能更好。3、本發明玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料，由於玄武巖纖維與聚碳酸酯材料的相容性好，因而其機械性能和物化性能更優異，適用於更多的環境條件，應用範圍更廣。具體實施方式下面結合試驗例及具體實施方式對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本
發明內容所實現的技術均屬於本發明的範圍。實施例1（1）預處理：將玄武巖纖維用由10重量份的醋酸鈉、8重量份的氫氧化鈉、12重量份的羰基二咪唑、40重量份的甘油和20重量份的水組成的改性劑中，在35℃的溫度下進行預處理3h得改性玄武巖纖維；（2）複合：將1重量份的改性玄武巖纖維與10重量份的聚碳酸酯進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。實施例2（1）預處理：將玄武巖纖維用由5重量份的醋酸鉀、10重量份的氫氧化鉀、10重量份的羰基二咪唑、30重量份的甘油和20重量份的水組成的改性劑中，在45℃的溫度下進行預處理4h得改性玄武巖纖維；（2）複合：將1重量份的改性玄武巖纖維與10重量份的聚碳酸酯進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。實施例3（1）預處理：將玄武巖纖維用由15重量份的有甲酸鈉、5重量份的氫氧化鈣、10重量份的羰基二咪唑、60重量份的甘油和20重量份的水組成的改性劑中，在50℃的溫度下進行預處理2h得改性玄武巖纖維；（2）複合：將1重量份的改性玄武巖纖維與10重量份的聚碳酸酯進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。實施例4（1）預處理：將玄武巖纖維用由10重量份的有甲酸鉀、10重量份的氫氧化鉀、10重量份的羰基二咪唑、30重量份的甘油和30重量份的水組成的改性劑中，在30℃的溫度下進行預處理2h得改性玄武巖纖維；（2）複合：將1重量份的改性玄武巖纖維與10重量份的聚碳酸酯進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。對比例1複合：將2重量份的玄武巖纖維與10重量份的聚碳酸酯進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。對比例2（1）預處理：將玄武巖纖維用由10重量份的醋酸鈉、12重量份的羰基二咪唑、40重量份的甘油和20重量份的水組成的改性劑中，在35℃的溫度下進行預處理3h得改性玄武巖纖維；（2）複合：將1重量份的改性玄武巖纖維與10重量份的聚碳酸酯進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。對比例3（1）預處理：將玄武巖纖維用由10重量份的醋酸鈉、8重量份的氫氧化鈉、40重量份的甘油和20重量份的水組成的改性劑中，在35℃的溫度下進行預處理3h得改性玄武巖纖維；（2）複合：將1重量份的改性玄武巖纖維與10重量份的聚碳酸酯進行複合處理，得到玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料。將上述實施例1-4和對比例1-3中所製備得到的玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料進行性能測試實驗記錄實驗結果，記錄數據如下：（聚碳酸酯：拉伸強度65MPa，缺口衝擊強度60kJ/m2，斷裂伸長率80%）編號玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料缺口衝擊強度（kJ/m2）玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料拉伸強度（MPa）玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料斷裂伸長率（%）實施例18678116實施例28577114實施例38378112實施例48576113對比例1657086對比例2676883對比例3717095對上述實驗數據分析可知，實施例1-4中採用本發明技術方案製備得到的玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料的缺口衝擊強度、拉伸強度、斷裂伸長率具有顯著提升；而對比例1製備方法中直接將玄武巖纖維與聚碳酸酯進行複合，得到了玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料，但由於玄武巖纖維未進行改性處理，纖維表面活性點位少和活性基團少，與聚碳酸酯材料相容性差，與聚碳酸酯材料的化學鍵合和機械鉚合作用差，玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料性能顯著降低；對比例2製備方法中使用的改性劑未添加強鹼，不能對玄武巖纖維表面進行侵蝕，也不能對纖維表面進行活化和接枝，玄武巖纖維表面活性點位少和活性基團少，與聚碳酸酯材料的化學鍵合和機械鉚合作用差，玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料性能顯著降低；對比例3製備方法中使用的改性劑未添加羰基二咪唑，不能在纖維表面進行接枝與聚碳酸酯鍵接的活性基團，玄武巖纖維表面活性點位少和活性基團少，與聚碳酸酯材料的化學鍵合作用差，玄武巖纖維增強聚碳酸酯複合材料性能顯著降低。當前第1頁1 2 3