CN106397973A - 一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，按质量分数计算，包含以下组分：玻璃纤维10‑30％、碳纤维10‑50％、芳纶2‑5％、竹纤维5‑15％、碱式硫酸镁晶须5‑25％、聚丙烯10‑30％、功能聚丙烯共聚物2‑5％、环氧树脂3‑6％、粘结剂2‑8％、填料5‑30％。本发明通过添加自制的功能聚丙烯共聚物作为高分子表面活性剂，可以明显提高混杂纤维增强的聚丙烯复合材料的表面张力，改善聚丙烯树脂和玻纤的界面相容性；本发明的混杂纤维增强的聚丙烯复合材料具有较高的弹性模量、拉伸强度和韧性，扩大了材料的适用范围。

Description

一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料，尤其涉及一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料。
背景技术
混杂复合材料是指将两种或两种以上的增强体增强同一基体或多种基体而制成的复合材料。混杂复合材料可以看成是两种或多种纤维或颗粒增强复合材料的相互复合。按照基体分，混杂复合材料可分为金属基混杂复合材料、陶瓷基混杂复合材料、树脂基混杂复合材料和多种基体复合的混杂复合材料。按照增强体分，可以分为混杂纤维复合材料，混杂颗粒复合材料以及纤维和颗粒混杂复合材料。当增强体和基体都多于一种的混杂复合材料称为超混杂复合材料。
混杂复合材料，由于具有比强度、比模量高的特点，所以是航空、航天产品结构的理想材料。混杂复合材料的应用不仅推动了航空航天领域结构产品的更新换代，而且对缓解目前国际能源不足的问题起到积极的作用。
纤维增强复合材料由于具有轻质、高强、耐腐蚀、可设计等优点在其他领域已得到大量的应用，随着研究不断深入，许多基础理论、方法已趋于完善，新型FRP材料不断涌现，新应用技术层出不穷，在基础设施建设中的应用正呈现出高速发展的趋势。在我国，尤其在国家各级科研计划项目的支持下，FRP材料的研究开发及其在基础设施建设中的应用也得到飞速发展。纤维增强材料具有弹性材料的性质，强度较高，但拉伸强度和韧性较差。
综上所述，有必要开发一种混杂纤维增强的复合材料。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，按质量分数计算，包含以下组分：玻璃纤维10-30％、碳纤维10-50％、芳纶2-5％、竹纤维5-15％、碱式硫酸镁晶须5-25％、聚丙烯10-30％、功能聚丙烯共聚物2-5％、环氧树脂3-6％、粘结剂2-8％、填料5-30％。
优选地，所述粘结剂为丁腈改性酚醛树脂和橡胶粉的混合物。
优选地，所述填料为叶蜡石粉、硫酸钡、钾长石、蓝晶石、氧化铝、氧化铁、石墨粉中的一种或多种。
优选地，所述玻璃纤维为连续无碱玻璃纤维，其直径为15-30μm。
优选地，所述聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯中的一种或两种。
优选地，所述功能聚丙烯共聚物为聚丙烯/聚乙烯基吡咯烷酮嵌段共聚物，其熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为2.8-7.5g/min。
优选地，所述功能聚丙烯共聚物中的聚乙烯基吡咯烷酮质量百分含量为60-80％。
优选地，所述功能聚丙烯共聚物的制备方法如下：
S1.合成双端基聚丙烯：将等规聚丙烯加入过量的浓硝酸中，加热到100～120℃进行回流反应4.5～5.5h，然后对反应液冷却过滤后分别用水、丙酮冲洗至pH值为5.8～6.1，除尽残余硝酸后干燥得双端基聚丙烯；
S2.合成端羟基聚乙烯基吡咯烷酮：以N-乙烯基吡咯烷酮为单体，水作溶剂，过氧化氢为引发剂，浓氨水为活性剂，将上述物料在氮气保护下升温至65～75℃进行聚合反应2.5～3.5h，反应结束后用丙酮沉淀，并对沉淀物进行干燥得端羟基聚乙烯基吡咯烷酮；
S3.合成功能聚丙烯共聚物：将双端基聚丙烯和聚乙烯基吡咯烷酮按质量比为1.8：3.0～10.0溶解在环己酮中，然后加入2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺，所述双端基聚丙烯、2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺三者之间的质量比为1.6：0.25～0.5：0.1～0.5；升温至110～125℃反应9～11.5h后进行冷却至室温，然后过滤、真空干燥得到功能聚丙烯共聚物。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过添加自制的功能聚丙烯共聚物作为高分子表面活性剂，可以明显提高混杂纤维增强的聚丙烯复合材料的表面张力，改善聚丙烯树脂和玻纤的界面相容性；
(2)本发明利用价格低廉的竹纤维和碱式硫酸镁晶须混杂增强改性酚醛树脂，发挥竹纤维室温耐磨性好，碱式硫酸镁晶须高温耐磨性佳的特点，从而获得了摩擦系数适中、磨损率低的混杂纤维增强的聚丙烯复合材料；
(3)本发明的混杂纤维增强的聚丙烯复合材料具有较高的弹性模量、拉伸强度和韧性，扩大了材料的适用范围。
具体实施方式
下面对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明公开了一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，按质量分数计算，包含以下组分：
玻璃纤维10％、碳纤维50％、芳纶2％、竹纤维5％、碱式硫酸镁晶须5％、聚丙烯10％、功能聚丙烯共聚物5％、环氧树脂3％、粘结剂2％、填料8％。
所述粘结剂为1wt％的丁腈改性酚醛树脂和1wt％的橡胶粉，所述填料为叶蜡石粉、硫酸钡、钾长石、蓝晶石的混合物。
所述玻璃纤维为连续无碱玻璃纤维，其直径为15-30μm，所述聚丙烯为均聚聚丙烯；所述功能聚丙烯共聚物为聚丙烯/聚乙烯基吡咯烷酮嵌段共聚物，其熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为2.8-7.5g/min，所述功能聚丙烯共聚物中的聚乙烯基吡咯烷酮质量百分含量为60％。
实施例2：
本发明公开了一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，按质量分数计算，包含以下组分：
玻璃纤维30％、碳纤维10％、芳纶5％、竹纤维10％、碱式硫酸镁晶须10％、聚丙烯15％、功能聚丙烯共聚物5％、环氧树脂5％、粘结剂3％、填料7％。
所述粘结剂为2wt％的丁腈改性酚醛树脂和1wt％的橡胶粉，所述填料为叶蜡石粉、硫酸钡、钾长石、蓝晶石、氧化铝、氧化铁、石墨粉的混合物。
所述玻璃纤维为连续无碱玻璃纤维，其直径为15-30μm，所述聚丙烯为共聚聚丙烯；所述功能聚丙烯共聚物为聚丙烯/聚乙烯基吡咯烷酮嵌段共聚物，其熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为2.8-7.5g/min，所述功能聚丙烯共聚物中的聚乙烯基吡咯烷酮质量百分含量为80％。
实施例3：
本发明公开了一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，按质量分数计算，包含以下组分：
玻璃纤维20％、碳纤维20％、芳纶5％、竹纤维7％、碱式硫酸镁晶须13％、聚丙烯11％、功能聚丙烯共聚物3％、环氧树脂6％、粘结剂8％、填料7％。
所述粘结剂为5wt％的丁腈改性酚醛树脂和3wt％的橡胶粉，所述填料为叶蜡石粉、硫酸钡、钾长石、氧化铝、氧化铁的混合物。
所述玻璃纤维为连续无碱玻璃纤维，其直径为15-30μm，所述聚丙烯为均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的混合物；所述功能聚丙烯共聚物为聚丙烯/聚乙烯基吡咯烷酮嵌段共聚物，其熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为2.8-7.5g/min，所述功能聚丙烯共聚物中的聚乙烯基吡咯烷酮质量百分含量为70％。
实施例4：
本发明还公开了功能聚丙烯共聚物的制备方法，步骤如下：
S1.合成双端基聚丙烯：将等规聚丙烯加入过量的浓硝酸中，加热到120℃进行回流反应4.5h，然后对反应液冷却过滤后分别用水、丙酮冲洗至pH值为5.8，除尽残余硝酸后干燥得双端基聚丙烯；
S2.合成端羟基聚乙烯基吡咯烷酮：以N-乙烯基吡咯烷酮为单体，水作溶剂，过氧化氢为引发剂，浓氨水为活性剂，将上述物料在氮气保护下升温至75℃进行聚合反应3.5h，反应结束后用丙酮沉淀，并对沉淀物进行干燥得端羟基聚乙烯基吡咯烷酮；
S3.合成功能聚丙烯共聚物：将双端基聚丙烯和聚乙烯基吡咯烷酮按质量比为1.8：3.0溶解在环己酮中，然后加入2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺，所述双端基聚丙烯、2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺三者之间的质量比为1.6：0.25：0.1；升温至110℃反应11.5h后进行冷却至室温，然后过滤、真空干燥得到功能聚丙烯共聚物。
实施例5：
本发明还公开了功能聚丙烯共聚物的制备方法，步骤如下：
S1.合成双端基聚丙烯：将等规聚丙烯加入过量的浓硝酸中，加热到100℃进行回流反应5.5h，然后对反应液冷却过滤后分别用水、丙酮冲洗至pH值为6.1，除尽残余硝酸后干燥得双端基聚丙烯；
S2.合成端羟基聚乙烯基吡咯烷酮：以N-乙烯基吡咯烷酮为单体，水作溶剂，过氧化氢为引发剂，浓氨水为活性剂，将上述物料在氮气保护下升温至75℃进行聚合反应3.5h，反应结束后用丙酮沉淀，并对沉淀物进行干燥得端羟基聚乙烯基吡咯烷酮；
S3.合成功能聚丙烯共聚物：将双端基聚丙烯和聚乙烯基吡咯烷酮按质量比为1.8：10.0溶解在环己酮中，然后加入2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺，所述双端基聚丙烯、2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺三者之间的质量比为1.6：0.5：0.5；升温至125℃反应9h后进行冷却至室温，然后过滤、真空干燥得到功能聚丙烯共聚物。
经测试，本发明的实施例1-3中混杂纤维增强的聚丙烯复合材料的性能如下表所示：
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过添加自制的功能聚丙烯共聚物作为高分子表面活性剂，可以明显提高混杂纤维增强的聚丙烯复合材料的表面张力，改善聚丙烯树脂和玻纤的界面相容性；
(2)本发明利用价格低廉的竹纤维和碱式硫酸镁晶须混杂增强改性酚醛树脂，发挥竹纤维室温耐磨性好，碱式硫酸镁晶须高温耐磨性佳的特点，从而获得了摩擦系数适中、磨损率低的混杂纤维增强的聚丙烯复合材料；
(3)本发明的混杂纤维增强的聚丙烯复合材料具有较高的弹性模量、拉伸强度和韧性，扩大了材料的适用范围。
以上所述是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，按质量分数计算，包含以下组分：玻璃纤维10-30％、碳纤维10-50％、芳纶2-5％、竹纤维5-15％、碱式硫酸镁晶须5-25％、聚丙烯10-30％、功能聚丙烯共聚物2-5％、环氧树脂3-6％、粘结剂2-8％、填料5-30％。
2.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述粘结剂为丁腈改性酚醛树脂和橡胶粉的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述填料为叶蜡石粉、硫酸钡、钾长石、蓝晶石、氧化铝、氧化铁、石墨粉中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维为连续无碱玻璃纤维，其直径为15-30μm。
5.根据权利要求4所述的一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述功能聚丙烯共聚物为聚丙烯/聚乙烯基吡咯烷酮嵌段共聚物，其熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为2.8-7.5g/min。
7.根据权利要求6所述的一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述功能聚丙烯共聚物中的聚乙烯基吡咯烷酮质量百分含量为60-80％。
8.根据权利要求7所述的一种混杂纤维增强的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述功能聚丙烯共聚物的制备方法如下：
S1.合成双端基聚丙烯：将等规聚丙烯加入过量的浓硝酸中，加热到100～120℃进行回流反应4.5～5.5h，然后对反应液冷却过滤后分别用水、丙酮冲洗至pH值为5.8～6.1，除尽残余硝酸后干燥得双端基聚丙烯；
S2.合成端羟基聚乙烯基吡咯烷酮：以N-乙烯基吡咯烷酮为单体，水作溶剂，过氧化氢为引发剂，浓氨水为活性剂，将上述物料在氮气保护下升温至65～75℃进行聚合反应2.5～3.5h，反应结束后用丙酮沉淀，并对沉淀物进行干燥得端羟基聚乙烯基吡咯烷酮；
S3.合成功能聚丙烯共聚物：将双端基聚丙烯和聚乙烯基吡咯烷酮按质量比为1.8：3.0～10.0溶解在环己酮中，然后加入2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺，所述双端基聚丙烯、2-氯-1-甲基碘代吡啶和三乙胺三者之间的质量比为1.6：0.25～0.5：0.1～0.5；升温至110～125℃反应9～11.5h后进行冷却至室温，然后过滤、真空干燥得到功能聚丙烯共聚物。
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