一種具有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種具有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，其包括如下重量份配比的原料：低密度聚乙烯(LDPE)100、麻纖維10、氣相白炭黑5?20、助包覆劑0.5?2.0，本發(fā)明利用助包覆劑將氣相白炭黑直接包覆于麻纖維表面，無需對(duì)白炭黑和麻纖維各自進(jìn)行偶聯(lián)劑處理后再分別加入熱塑性聚合物基體，工藝過程簡(jiǎn)單，制備的復(fù)合材料具有特殊的“嵌塊”結(jié)構(gòu)，即被白炭黑包覆后的麻纖維形成約50?100μm的纖維束“嵌塊”分散于熱塑性聚合物基體中。
【專利說明】
-種具有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及復(fù)合材料，尤其設(shè)及一種白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002] W麻纖維為代表的天然植物纖維具有來源廣、價(jià)格低、密度小、可再生、可降解等 優(yōu)點(diǎn)。其價(jià)格約為玻璃纖維的1/3,密度約為玻璃纖維的1/2。常見的麻纖維種類有劍麻、洋 麻、亞麻、黃麻、巧麻、紅麻等，用此類纖維替代玻璃纖維制成聚合物基復(fù)合材料運(yùn)用到新能 源汽車等領(lǐng)域，不僅可W實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化，還具有成型簡(jiǎn)單、容易回收、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。
[0003] 麻纖維等植物纖維中往往含有果膠、木質(zhì)素和半纖維素等低分子雜質(zhì)，不利于獲 得性能優(yōu)良的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，需要通過物理或化學(xué)方法對(duì)植物纖維進(jìn)行預(yù)處理。采用 氨氧化鋼水溶液對(duì)植物纖維進(jìn)行潤(rùn)脹處理（即堿處理法)是發(fā)現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的預(yù)處理手 段之一。通過堿處理，可去除纖維素中的雜質(zhì)，使纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)和微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化， 有利于增大纖維與基體界面結(jié)合力
[0004] 氣相白炭黑也稱為氣相二氧化娃或納米白炭黑，是一種重要的超細(xì)無機(jī)填料，粒 子呈現(xiàn)半透明的白色絮狀(粒徑小于l(K)nm)，無毒，有巨大的比表面積。在橡膠或塑料中添 加少量氣相白炭黑后，材料的強(qiáng)度、耐磨性和抗老化性等性能均有一定提高。
[0005] -般纖維狀填料(如短玻纖、碳纖等)與無機(jī)粉狀填料(如碳酸巧、滑石粉等)并用， 可促使材料的性能更加平衡。而如果將麻纖維與氣相白炭黑等超細(xì)無機(jī)填料作為兩種填料 直接加入熱塑性聚合物，所制備的復(fù)合材料往往性能不佳。原因在于:(1)麻纖維在聚合物基 體中很容易結(jié)成團(tuán)塊，分散性遠(yuǎn)不如短玻纖和碳纖;間未經(jīng)表面處理的氣相白炭黑粒子為 納米級(jí)絮狀粒子，同樣容易發(fā)生"團(tuán)聚"現(xiàn)象，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。間現(xiàn)有技術(shù)中 改善填料"團(tuán)聚"現(xiàn)象的方法通常是利用偶聯(lián)劑對(duì)麻纖維及納米無機(jī)填料進(jìn)行表面處理，雖 有一定效果，但不能從根本上解決問題。(4)麻纖維、納米無機(jī)填料由于表面特性不同，需要 分別用不同種類的偶聯(lián)劑表面處理后再與熱塑性聚合物基體混合，工藝過程繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供一種處理工序相對(duì)簡(jiǎn)單、復(fù)合效果 突出的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[000引一種具有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，包括如下重量份數(shù)比的原 料:低密度聚乙締(LD陽）100、麻纖維10、氣相白炭黑5-20、助包覆劑0.5-2.0。上述原料通過 W下方法步驟制備獲得本復(fù)合材料：
[0009] (1)將麻纖維用濃度2%的氨氧化鋼水溶液浸泡24h后洗凈干燥備用；稱取助包覆 劑，將助包覆劑配成濃度10 % -12 %的水溶液。
[0010] (2)麻纖維用上述水溶液充分浸潤(rùn)后與氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬拌混 合，然后將混合物烘干備用。
[0011] (3)將用白炭黑包覆好的麻纖維與低密度聚乙締在雙漉開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料 片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為I20°c、ii(rc。
[0012] (4)、將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度 為 140〇C。
[0013] 制備獲得的復(fù)合材料具有特殊的"嵌塊"結(jié)構(gòu)，即被白炭黑包覆后的麻纖維形成約 50-100WI1的纖維束"嵌塊"分散于熱塑性聚合物基體中。
[0014] 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述助包覆劑采用聚乙締醇(PVA)樹脂、水溶性酪醒 樹脂、水溶性丙締酸醋樹脂或水溶性聚氨醋。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0016] 1、工藝過程簡(jiǎn)單:本發(fā)明利用助包覆劑將氣相白炭黑直接包覆于麻纖維表面，而 無需對(duì)白炭黑和麻纖維各自進(jìn)行偶聯(lián)劑處理后再分別加入熱塑性聚合物基體，大大簡(jiǎn)化了 工藝過程。
[0017] 2、復(fù)合效果突出：如圖1和圖2所示，本發(fā)明制備的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材 料具有特殊的"嵌塊"結(jié)構(gòu)，即被白炭黑包覆后的麻纖維形成約50-100皿的纖維束"嵌塊"分 散于熱塑性聚合物基體中。其在掃描電子顯微鏡下觀察如圖1所示，示意性的結(jié)構(gòu)如圖2所 示，圖中嵌塊1分散于熱塑性聚合物基體2中，嵌塊1中的麻纖維3被絮狀氣相白炭黑4包覆， 運(yùn)種特殊結(jié)構(gòu)不同于現(xiàn)有技術(shù)中添加麻纖維、白炭黑各自形成的團(tuán)聚體，不僅未使復(fù)合材 料性能劣化，反而使復(fù)合材料性能的沖擊強(qiáng)度顯著提高，其沖擊強(qiáng)度明顯優(yōu)于將麻纖維、氣 相白炭黑作為兩種填料獨(dú)立加入熱塑性聚合物制備的復(fù)合材料(表1)。
【附圖說明】
[0018] 圖1是白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料中的"嵌塊"結(jié)構(gòu)（其中試樣經(jīng)液氮脆斷后 斷面噴金，在掃描電子顯微鏡下觀察）
[0019] 圖2具有"嵌塊"結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021] 實(shí)施例1
[0022] 稱取PVAO. 5g，將助包覆劑配成濃度12 %的水溶液。稱取1 Og經(jīng)堿處理后的紅麻纖 維，用PVA水溶液充分浸潤(rùn)。稱取5g氣相白炭黑，將其與浸潤(rùn)好的紅麻纖維在小型高速混合 機(jī)中攬拌混合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維及100g低密度聚乙 締樹脂在雙漉開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、110 °C。將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為14(TC。測(cè) 試復(fù)合材料力學(xué)性能。
[0023] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的紅麻纖維及0.1 g侶酸醋偶聯(lián)劑，并采用偶聯(lián)劑汽化法對(duì)紅 麻纖維進(jìn)行表面處理。稱取0.05g硅烷偶聯(lián)劑KH570并用無水乙醇溶解配成10%的溶液，加 入5g氣相白炭黑均勻混合后80°C干燥化備用。將100g低密度聚乙締樹脂在雙漉開煉機(jī)中塑 煉好并依次加入表面處理后的紅麻纖維、氣相白炭黑，混煉均勻后制成復(fù)合材料片材，雙漉 的前、后漉設(shè)定溫度分別為12(TC、ll(rC。將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫 化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為14(TC。測(cè)試復(fù)合材料力學(xué)性能。
[0024] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的紅麻纖維及0.1 g侶酸醋偶聯(lián)劑，并采用偶聯(lián)劑汽化法對(duì)紅 麻纖維進(jìn)行表面處理。稱取0.05g硅烷偶聯(lián)劑KH570并用無水乙醇溶解配成10%的溶液，加 入5g氣相白炭黑均勻混合后80°C干燥化備用。將表面處理后的紅麻纖維、氣相白炭黑先在 小型高速混合機(jī)中初混，然后再與100g低密度聚乙締樹脂在雙漉開煉機(jī)中混煉均勻制成復(fù) 合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為12(TC、ll(rC。將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁 剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為14(TC。測(cè)試復(fù)合材料力學(xué)性能。
[0025] 將W上制得的S種復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。
[0026] 表1具有"嵌塊"結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料與常規(guī)混合形成的復(fù)合材料性能對(duì)比
[0027]
12345 通過力學(xué)性能指標(biāo)可W看出具有嵌塊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度明顯優(yōu)于將麻纖 維、氣相白炭黑作為兩種填料獨(dú)立加入熱塑性聚合物制備的復(fù)合材料。 2 實(shí)施例2 3 稱取PVAO. 5g，將助包覆劑配成濃度12 %的水溶液。稱取1 Og經(jīng)堿處理后的紅麻纖 維，用PVA水溶液充分浸潤(rùn)。稱取5g氣相白炭黑，將其與浸潤(rùn)好的紅麻纖維在小型高速混合 機(jī)中攬拌混合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維及100g低密度聚乙 締樹脂在雙漉開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、110 °C。將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為14(TC。測(cè) 試復(fù)合材料力學(xué)性能。 4 稱取PVAl. Og,將助包覆劑配成濃度12%的水溶液。稱取IOg經(jīng)堿處理后的紅麻纖 維，用PVA水溶液充分浸潤(rùn)。稱取IOg氣相白炭黑，將其與浸潤(rùn)好的紅麻纖維在小型高速混合 機(jī)中攬拌混合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維及100g低密度聚乙 締樹脂在雙漉開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、110 °C。將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為14(TC。測(cè) 試復(fù)合材料力學(xué)性能。 5 稱取PVAl. 5g，將助包覆劑配成濃度12 %的水溶液。稱取1 Og經(jīng)堿處理后的紅麻纖 維，用PVA水溶液充分浸潤(rùn)。稱取15g氣相白炭黑，將其與浸潤(rùn)好的紅麻纖維在小型高速混合 機(jī)中攬拌混合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維及100g低密度聚乙 締樹脂在雙漉開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、110 °C。將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為14(TC。測(cè) 試復(fù)合材料力學(xué)性能。
[0033] 稱取PVA2. Og，將助包覆劑配成濃度12 %的水溶液。稱取1 Og經(jīng)堿處理后的紅麻纖 維，用PVA水溶液充分浸潤(rùn)。稱取20g氣相白炭黑，將其與浸潤(rùn)好的紅麻纖維在小型高速混合 機(jī)中攬拌混合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維及100g低密度聚乙 締樹脂在雙漉開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、110 °C。將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為14(TC。測(cè) 試復(fù)合材料力學(xué)性能。
[0034] W上制得的四種復(fù)合材料力學(xué)性能如表2所示。
[0035] 表2添加不同用量白炭黑形成的復(fù)合材料性能
[0036]
[0037] 通過表2與表1的力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比可W看出，麻纖維、白炭黑用量為10:5時(shí)復(fù)合 材料的沖擊強(qiáng)度最好;隨著白炭黑用量增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能反而下降，可見麻纖維、 白炭黑的用量比應(yīng)恰當(dāng)。麻纖維用量一定的情況下，白炭黑用量越多，則散落在聚乙締基體 中的比例越大，導(dǎo)致材料性能劣化。
[003引實(shí)施例3
[0039] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的紅麻纖維。稱取0.3評(píng)VA樹脂配成濃度為10%PVA水溶液，紅 麻纖維用PVA水溶液充分浸潤(rùn)后與稱好的5g氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬拌混合，然 后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維與低密度聚乙締在雙漉開煉機(jī)中混煉 成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為I20°c、ii(rc。復(fù)合材料片材按模具尺寸 裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為140°c。
[0040] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的紅麻纖維。稱取0.5評(píng)VA樹脂配成濃度12 %PVA水溶液，紅麻 纖維用PVA水溶液充分浸潤(rùn)后與稱好的5g氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬拌混合，然后 將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維與100g低密度聚乙締在雙漉開煉機(jī)中混 煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為I20°c、ii(rc。復(fù)合材料片材按模具尺 寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為140°c。
[0041] W上制得的兩種復(fù)合材料力學(xué)性能如表3所示
[0042] 表3改變助包覆劑PVA用量前后復(fù)合材料性能對(duì)比
[0043]
[0044] 通過力學(xué)性能對(duì)比可W看出PVA與白炭黑的用量比應(yīng)恰當(dāng)，PVA用量過少會(huì)影響白 炭黑包覆麻纖維的效果，從而使復(fù)合材料力學(xué)性能變差。
[0045] 實(shí)施例4
[0046] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的巧麻纖維。稱取1.0評(píng)VA樹脂配成濃度12%PVA水溶液，巧麻 纖維用PVA水溶液充分浸潤(rùn)后與稱好的IOg氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬拌混合，然后 將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的巧麻纖維與100g低密度聚乙締在雙漉開煉機(jī)中混 煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為I20°c、ii(rc。復(fù)合材料片材按模具尺 寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為140°c。
[0047] 實(shí)施例5
[004引稱取IOg經(jīng)堿處理后的亞麻纖維。稱取1.5g水溶性酪醒樹脂配成濃度12%PVA水溶 液，亞麻纖維用PVA水溶液充分浸潤(rùn)后與稱好的15g氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬拌混 合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的亞麻纖維與100g低密度聚乙締在雙漉開 煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、11 (TC。復(fù)合材料片材 按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為140°C。
[0049] 實(shí)施例6
[0050] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的黃麻纖維。稱取1.5g水溶性丙締酸醋樹脂配成濃度10 %PVA 水溶液，黃麻纖維用PVA水溶液充分浸潤(rùn)后與稱好的15g氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬 拌混合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的黃麻纖維與100g低密度聚乙締在雙 漉開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、110°C。復(fù)合材料 片材按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為140°C。
[0化1 ] 實(shí)施例7
[0052] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的洋麻纖維。稱取2.Og或水溶性聚氨醋配成濃度12%PVA水溶 液，洋麻纖維用PVA水溶液充分浸潤(rùn)后與稱好的20g氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬拌混 合，然后將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的洋麻纖維與100g低密度聚乙締在雙漉開 煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為120°C、11 (TC。復(fù)合材料片材 按模具尺寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為140°C。
[0化3] 實(shí)施例8
[0054] 稱取IOg經(jīng)堿處理后的紅麻纖維。稱取0.5評(píng)VA樹脂配成濃度10 % PVA水溶液，紅麻 纖維用PVA水溶液充分浸潤(rùn)后與稱好的5g氣相白炭黑在小型高速混合機(jī)中攬拌混合，然后 將混合物烘干備用。將用白炭黑包覆好的紅麻纖維與100g低密度聚乙締在雙漉開煉機(jī)中混 煉成復(fù)合材料片材，雙漉的前、后漉設(shè)定溫度分別為I20°c、ii(rc。復(fù)合材料片材按模具尺 寸裁剪后，放于平板硫化機(jī)中熱壓成型，熱壓溫度為140°c。
[0化日]W上各例中，低密度聚乙締的密度范圍是0.910~0.925g/cm3。
[0056]最后說明的是，W上實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，其特征在于，包括如下重量 份配比的原料:低密度聚乙烯(LDPE)IOO、麻纖維10、氣相白炭黑5-20、助包覆劑0.5-2.0,以 上原料通過以下方法步驟制備獲得所述復(fù)合材料： (1) 將麻纖維用濃度2%的氫氧化鈉水溶液浸泡24h后洗凈干燥備用；將助包覆劑配成濃 度10%-12%的水溶液； (2) 將麻纖維用助包覆劑水溶液充分浸潤(rùn)后與氣相白炭黑在高速混合機(jī)中攪拌混合， 然后將混合物烘干備用，得到白炭黑包覆的麻纖維； (3) 將用白炭黑包覆的麻纖維與低密度聚乙烯在雙輥開煉機(jī)中混煉成復(fù)合材料片材； (4) 將復(fù)合材料片材按模具尺寸裁剪后，在平板硫化機(jī)中熱壓成型； 制備得到的復(fù)合材料具有嵌塊結(jié)構(gòu)，即被白炭黑包覆后的麻纖維形成約50-100μπι的纖 維束嵌塊分散于熱塑性聚合物基體中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，其特征在于， 所述助包覆劑采用聚乙烯醇(PVA)樹脂、水溶性酚醛樹脂、水溶性丙烯酸酯樹脂或水溶性聚 氨酯。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，其特征在于， 所述麻纖維選自洋麻、亞麻、黃麻、苧麻、紅麻這一類韌皮纖維。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，低密度聚乙 烯的密度范圍是0.910~0.925g/cm 3。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，其特征在于， 所述雙輥的前、后輥設(shè)定溫度分別為120°C、110°C。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有嵌塊結(jié)構(gòu)的白炭黑/麻纖維/聚合物復(fù)合材料，其特征在于， 所述步驟(4)的熱壓機(jī)設(shè)定溫度為140° C。
【文檔編號(hào)】C08L97/02GK105924748SQ201610478087
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】盛旭敏, 陳勇
【申請(qǐng)人】重慶理工大學(xué)