CN106633391B - 一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种玻璃纤维/聚丙烯界面横晶结构的诱导方法，该方法首先利用湿法研磨制备出含碳纳米管和聚丙烯成核剂的稳定水性分散液，该分散液的组成是：1～3％碳纳米管，0.5～2％表面活性剂，0～1％聚丙烯成核剂，0～10％助溶剂，84～98.5％去离子水。然后采用浸润法，将玻璃纤维连续浸润在碳纳米管和成核剂分散液中，制备出表面有碳纳米管和聚丙烯成核剂涂层的玻璃纤维，纤维表面碳纳米管和成核剂的存在可以诱导聚丙烯沿纤维结晶，在玻璃纤维/聚丙烯界面处形成横晶结构，界面处的横晶结构可以提高玻璃纤维与聚丙烯的界面剪切强度。

Description

一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法，更具体地，是涉及碳纳米管和聚丙烯成核剂在水中的分散和浸润法连续表面处理玻璃纤维，这种表面含有碳纳米管和聚丙烯成核剂的玻璃纤维可以诱导聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的形成。
背景技术
玻璃纤维增强聚合物复合材料广泛应用于电气、电子、能源和汽车等领域。对于纤维增强聚合物的改性研究主要围绕聚合物基体、纤维增强体本身性质的改善以及纤维/聚合物基体界面性质的改善三个方面展开。其中纤维/树脂界面起到基体树脂与纤维之间的桥梁作用，影响着力由基体传向纤维。聚丙烯是一种低密度，半结晶性的聚合物，随着汽车工业发展、汽车轻量化要求的提高，玻璃纤维增强聚丙烯得到了广泛关注和应用。针对玻璃纤维增强聚丙烯材料，由于聚丙烯是一种非极性聚合物，高分子链上缺少活性官能团，导致聚丙烯与玻璃纤维的界面结合较差。
对于聚丙烯/玻璃纤维的界面改善可以通过诱导聚丙烯在玻璃纤维界面结晶、形成横晶结构来实现。聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的存在可以改善基体与纤维的结合，提高界面剪切强度。商业玻璃纤维本身不具备诱导横晶结构的能力，为了形成横晶结构可以将成核剂引入玻璃纤维表面。成核剂是一种加工助剂，可以加快聚丙烯结晶，增加异相成核点密度，使晶体尺寸减小、晶粒细化。中国专利CN104356642中提供了一种在玻璃纤维表面引入成核剂的负载成核剂的玻璃纤维复合材料制备方法，在玻璃纤维表面引入成核剂可以使玻璃纤维表面产生大量成核点、诱导横晶结构形成。然而，成核剂单独引入玻璃纤维表面存在引入量少、易脱落的问题，这会导致玻璃纤维表面成核物质不足、横晶结构发展不充分。
碳纳米管是一种一维纳米材料，可以看做是一种按六边形排布碳原子层卷曲成管状的碳结构。碳纳米管具有极高的长径比、优越的力学性能、导电性能和导热性能可以作为聚合物的填充材料用于改性聚合物。碳纳米管被发现具有异相成核的效果(Assouline E等在Journal of Polymer Science Part B Polymer Physics,2003,41(5):520中.)，可以诱导聚丙烯形成α晶。碳纳米管由于其易团聚的特征，难以聚合物和溶液中分散，限制了碳纳米管的应用。
发明内容
本发明其目的在于解决单独引入成核剂到玻璃纤维表面引入量少、易脱落，玻璃纤维表面成核物质不足、横晶结构发展不充分的问题，而提供的一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法，具体实施方案如下：
一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法，包括如下具体步骤：
(1)碳纳米管和成核剂分散液的制备：将0～10g成核剂溶于助溶剂中，在100～200rpm速度下搅拌5～10min，使其充分溶解得到成核剂分散液，将成核剂分散液和5～20g表面活性剂加入去离子水中，以100～200rpm的搅拌速度，搅拌5～10min使其充分溶解分散得到悬浮液。将悬浮液加入湿法研磨装置，缓慢加入10～30g碳纳米管，充分研磨得到1kg碳纳米管和成核剂混合的分散液。
所述碳纳米管和成核剂分散液的组成如下：1～3％碳纳米管，0.5～2％表面活性剂，0～1％聚丙烯成核剂，0～10％助溶剂，84～98.5％去离子水。
所述碳纳米管为多壁碳纳米管，直径在15～50nm，长度在1～3μm。
所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基磺酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、聚苯乙烯磺酸钠、木质素磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、曲拉通X-100、吐温80、碳纳米管水性分散剂(TNWDIS)中的一种或几种。
所述聚丙烯成核剂为苯甲酸钠、1,3:2,4二亚苄基山梨醇(DBS)，2,2’-亚甲基双(4,6-二叔丁基苯基)磷酸钠(NA11)、2,2’-亚甲基双(4,6-二叔丁基苯基)磷酸铝碱式盐(NA21)、二环[2.2.1]庚烷二羧酸钠(HPN-68L)、芳香族酰胺(TMB-5)中一种或几种。
所述助溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、去离子水中的一种或几种。
所述湿法研磨装置为卧式研磨机，研磨介质为直径为0.6～0.8mm的锆珠，研磨转速为3000rpm，研磨时间为0.5～1h。
(2)玻璃纤维的连续浸润处理：将碳纳米管和成核剂分散液加入连续浸润装置的浸润槽中，通过纤维绕卷机牵引玻璃纤维通过浸润槽和两段预烘干加热筒，连续制备出表面含有碳纳米管和成核剂的玻璃纤维卷。将玻璃纤维卷于40～60℃的鼓风烘箱中干燥6～12h。
所述纤维绕卷机牵引速度为5～8m/min，所述两段预烘干加热筒温度在100-200℃。
本发明利用湿法研磨制备碳纳米管和成核剂稳定分散的分散液，采用浸润法将碳纳米管和成核剂同时引入玻璃纤维表面，方法简单易行、可以连续化生产。玻璃纤维表面碳纳米管和成核剂的涂层为玻璃纤维表面提供了足够的成核能力，可以高效的诱导横晶结构的形成，改善界面结合、提高界面剪切强度。
附图说明
图1为实施例4中的1％碳纳米管分散液处理后，表面有碳纳米管的玻璃纤维单丝样品的电镜照片。
图2为实施例4中的表面有碳纳米管单丝玻璃纤维/聚丙烯横晶结构偏光显微镜照片。
图3为实施例6中的含1％碳纳米管和0.5％TMB-5成核剂分散液处理后，表面有碳纳米管和TMB-5的玻璃纤维单丝的电镜照片。
图4为实施例6中的表面有碳纳米管和TMB-5单丝玻璃纤维/聚丙烯样品横晶结构偏光显微镜照片。
图5为对比例中未浸润处理商业玻璃纤维单丝纤维表面电镜照片。
图6为对比例中未浸润处理单丝玻璃纤维/聚丙烯样品偏光显微镜照片。
具体实施方式
下面用具体实施案例来进一步说明本发明的具体内容。本发明内容不仅限于实施例，对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围下做出的其他变化和修改仍然在本发明保护范围之内。
实施例1
配制碳纳米管分散液，该分散液的组成是：多壁碳纳米管1％，十二烷基磺酸钠0.5％，去离子水98.5％。将十二烷基硫酸钠预先溶于去离子水中，搅拌10min充分溶解，再向研磨装置缓慢加入碳纳米管，研磨1h，转速3000rpm，研磨介质为0.6～0.8mm锆珠。
实施例2
配制碳纳米管分散液，该分散液的组成是：多壁碳纳米管1％，木质素磺酸钠0.5％，去离子水98.5％。将木质素磺酸钠溶于去离子水中，搅拌10min充分溶解，再向研磨装置缓慢加入碳纳米管，研磨1h，转速3000rpm，研磨介质为0.6～0.8mm锆珠。
实施例3
配制碳纳米管分散液，该分散液的组成是：多壁碳纳米管3％，十二烷基苯磺酸钠1.5％，去离子水95.5％。将十二烷基苯磺酸钠溶于去离子水中，搅拌10min充分溶解，再向研磨装置缓慢加入碳纳米管，研磨1h，转速3000rpm，研磨介质为0.6～0.8mm锆珠。
实施例4
配制碳纳米管分散液，该分散液的组成是：多壁碳纳米管1％，十二烷基苯磺酸钠0.5％，去离子水98.5％。将十二烷基苯磺酸钠溶于去离子水中，搅拌10min充分溶解，再向研磨装置缓慢加入碳纳米管，研磨1h，转速3000rpm，研磨介质为0.6～0.8mm锆珠。通过连续浸润装置连续处理玻璃纤维，得到表面有碳纳米管的玻璃纤维，将处理后的玻璃纤维卷放入40℃鼓风干燥箱，烘干6h。将处理后玻璃纤维卷剥离出单丝纤维制备单丝玻璃纤维/聚丙烯样品用于横晶结构拍摄和界面剪切强度测试。所述玻璃纤维为重庆国际复合材料的ER4305PM。
图1为1％碳纳米管分散液处理后，表面有碳纳米管的玻璃纤维单丝样品的电镜照片。
图2为表面有碳纳米管单丝玻璃纤维/聚丙烯样品横晶结构偏光显微镜照片。
实施例5
通过湿法研磨配制碳纳米管和成核剂苯甲酸钠分散液，该分散液的组成是：多壁碳纳米管1％，十二烷基苯磺酸钠0.5％，苯甲酸钠0.5％，去离子水98％。通过连续浸润装置连续处理玻璃纤维，得到表面有碳纳米管和成核剂苯甲酸钠的玻璃纤维，将处理后的玻璃纤维卷放入40℃鼓风干燥箱，烘干6h。将处理后玻璃纤维卷剥离出单丝纤维制备单丝玻璃纤维/聚丙烯样品用于横晶结构拍摄和界面剪切强度测试。所述玻璃纤维为重庆国际复合材料的ER4305PM。
实施例6
通过湿法研磨配制碳纳米管和成核剂TMB-5分散液，该分散液的组成是：多壁碳纳米管1％，十二烷基苯磺酸钠0.5％，TMB-5 0.5％，丙酮5％，去离子水93％。将TMB-5溶于丙酮中，再与十二烷基苯磺酸钠一起溶于去离子水中，然后加入湿法研磨装置与碳纳米管一起研磨制备碳纳米管和TMB-5分散液。通过连续浸润装置连续处理玻璃纤维，得到表面有碳纳米管和成核剂TMB-5的玻璃纤维，将处理后的玻璃纤维卷放入40℃鼓风干燥箱，烘干6h。将处理后玻璃纤维卷剥离出单丝纤维制备单丝玻璃纤维/聚丙烯样品用于横晶结构拍摄和界面剪切强度测试。
所述玻璃纤维为重庆国际复合材料的ER4305PM。
所述TMB-5为山西煤化所的芳香族酰胺聚丙烯成核剂TMB-5。
图3为含1％碳纳米管和0.5％TMB-5成核剂分散液处理后，表面有碳纳米管和TMB-5的玻璃纤维单丝的电镜照片。
图4为表面有碳纳米管和TMB-5单丝玻璃纤维/聚丙烯样品横晶结构偏光显微镜照片。
对比例
从商业玻璃纤维卷中剥离一根单丝玻璃纤维，制备单丝玻璃纤维/聚丙烯样品用于横晶结构拍摄和界面剪切强度测试。所述单丝玻璃纤维不经过任何浸润处理。
图5为未浸润处理商业玻璃纤维单丝玻璃纤维表面电镜照片。
图6为未浸润处理单丝玻璃纤维/聚丙烯样品偏光显微镜照片。
实施例中碳纳米管和成核剂分散液的分散粒径和粒径分布指数(PDI)列与表1中。
表1
如表1所示，湿法研磨制备碳纳米管和成核剂分散液Z均粒径结果说明：对比实施例1～4，在未加入成核剂组分的情况下，实施例4有最佳分散粒径。对比实施例4～6可以发现成核剂加入后没有大幅度影响碳纳米管的分散效果，可以与碳纳米管形成稳定分散液。
实施例4～6和对比例中所述界面剪切强度，是按照聚合物微液滴脱粘法测试而得，各实施例和对比例界面剪切强度测试数据列与表2中。
实施例4～6和对比例中横晶结构偏光显微照片是在等温结晶过程下拍摄记录的，于130℃下等温结晶5min，每隔30s记录一张照片，等温结晶5min时的横晶层厚列与表2中。
表2
如表1所示，按实施例4～6的方法均可以产生横晶结构，而对比例中没有横晶结构产生，说明按照本发明的方法可以诱导横晶结构的产生，并且界面剪切强度均有提高，其中实施例6提高了58.1％。对比实施例4，实施例5～6有更大的横晶厚度和更高的界面剪切强度，说明本发明同时引入碳纳米管和成核剂到玻璃纤维表面的方法可以高效诱导横晶结构产生，大幅度提高界面剪切强度。
实施例7
配制碳纳米管和成核剂TMB-5分散液，该分散液的组成是：多壁碳纳米管3％，TNWDIS1.5％，TMB-5成核剂1％，丙酮10％，去离子水84.5％。将TMB-5溶于丙酮中，再与十二烷基苯磺酸钠一起溶于去离子水中，然后加入湿法研磨装置与碳纳米管一起研磨制备碳纳米管和TMB-5分散液。通过连续浸润装置连续处理玻璃纤维，得到表面有碳纳米管和成核剂TMB-5的玻璃纤维，将处理后的玻璃纤维卷放入40℃鼓风干燥箱，烘干6h。将处理后玻璃纤维卷剥离出单丝纤维制备单丝玻璃纤维/聚丙烯样品用于横晶结构拍摄和界面剪切强度测试。
本发明采用浸润法将碳纳米管和成核剂同时引入玻璃纤维表面，可以克服成核剂单独引入玻璃纤维表面引入量少、易脱落的问题。碳纳米管可以在玻璃纤维表面形成网络，成核剂颗粒分布于碳管网络中得以固定，从而保证玻璃纤维表面有足够的成核物质，可以高效的诱导玻璃纤维表面横晶结构的产生，保证横晶结构的充分发展，改善界面结合、提高界面强度。浸润过程中使用的碳纳米管和成核剂稳定分散液是由湿法研磨制备而得，湿法研磨可以解决碳纳米管在水中的分散问题，确保碳纳米管和成核剂在浸润过程中的涂覆效果。

Claims (4)

1.一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法，其特征在于，该横晶诱导方法包括以下步骤：
(1)利用湿法研磨设备制备出含碳纳米管和聚丙烯成核剂的稳定水性分散液，所述分散液的组成是：1～3％碳纳米管，0.5～2％表面活性剂，0～1％聚丙烯成核剂，0～10％助溶剂，84～98.5％去离子水；所述的湿法研磨设备，采用的分散研磨介质为0.6～0.8mm的锆珠，研磨转速为3000rpm，研磨时间为1h；
(2)将步骤(1)中制备的碳纳米管和成核剂水性分散液，装入连续浸润装置的浸润槽中，通过纤维绕卷机牵引玻璃纤维，连续制备出表面有碳纳米管和聚丙烯成核剂涂层的玻璃纤维；
(3)将步骤(2)中得到的玻璃纤维卷放入鼓风烘箱中在40～60°C下干燥6～12h，形成聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构。
2.根据权利要求1所述的一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法，其特征在于，所述碳纳米管为直径小于50nm的工业级多壁碳纳米管；所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚苯乙烯磺酸钠、木质素磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、曲拉通X-100、吐温80、溴化十八烷基咪唑翁中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法，其特征在于，所述聚丙烯成核剂为苯甲酸钠、1,3:2,4二亚苄基山梨醇，2,2’-亚甲基双(4,6-二叔丁基苯基)磷酸钠、2,2’-亚甲基双(4,6-二叔丁基苯基)磷酸铝碱式盐、二环[2.2.1]庚烷二羧酸钠、芳香族酰胺中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种聚丙烯/玻璃纤维界面横晶结构的诱导方法，其特征在于，所述的连续浸润装置，是由一个纤维浸润槽，两段预烘干加热筒和纤维绕卷机组成；所述预烘干加热筒温度在100-200°C。
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