一种挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料及其制备工艺

摘要

本发明属于高性能聚合物领域，具体公布了一种挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料及其制备工艺。本发明所用到的剑麻纤维采用新型的表面处理技术，即在超临界CO2环境下对剑麻纤维进行偶联剂处理，经该法处理后的剑麻纤维的空隙及表面均与偶联剂发生偶合反应，且剑麻纤维中原有的水分、果胶和半纤维素又被CO2溶解并随之溶出，经该法处理后的剑麻纤维与树脂基体的相容性更好，提高了复合材料的力学性能。该复合材料具有质轻、节能、环保等特点，可实现产品的轻量化设计，并广泛地应用于汽车零部件、航空航天等领域。另外，本发明所用的双螺杆挤出制备工艺简单，生产效率高，产品质量稳定，适于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明属于高性能聚合物领域，具体涉及一种挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料及其制备工艺。

背景技术

近年来，由于全球能源和环境问题日益突出，采用自然界丰富的天然植物纤维替代传统纤维增强树脂基复合材料逐渐受到人们的关注，生态复合材料（eco-composites）的概念应运而生，天然纤维主要是大麻、亚麻、剑麻和苎麻等。与传统复合材料相比，生态复合材料可生物降解和循环利用，在环境协调性和生态学方面都具有相对优势。其中，剑麻具有密度小、比强度和比模量高、价格低廉等优点，价格不到玻璃纤维的一半，只有碳纤维的1/20左右，在制备车身内饰复合材料方面具有很大的应用前景。

有关剑麻纤维/树脂基复合材料的研究表明，目前，剑麻纤维在使用中还存在一些不足，例如剑麻纤维中存在大量羟基，具有亲水性，而大部分聚合物具有憎水性，不利于纤维与树脂基体的界面粘结。因此，在制备复合材料时需要首先对纤维表面进行改性，以除去纤维中的果胶、半纤维素和一些低分子杂质，从而增强其与基体之间的粘结性及稳定性。

发明内容

本发明是为了解决剑麻纤维亲水性强，与憎水性的聚丙烯树脂基体的界面粘结性差，从而导致剑麻纤维/聚丙烯复合材料的力学性能较低，不利于其在汽车工业领域的应用等问题。本发明的技术方案是含有60~90wt%的熔融指数为10~25g/10min的聚丙烯树脂，10~30 wt%的剑麻纤维，5~15 wt%的偶联剂，5~15 wt%的增韧剂，0~5 wt%的抗氧剂。

本发明中所用到的偶联剂为γ-（2,3-环氧丙氧基）丙基,三甲氧基硅烷和γ-氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种。

本发明中所用到的剑麻纤维是采用超临界CO₂法进行偶联剂处理后的产品，具体的实施过程为：将一定量的偶联剂倒入高压反应釜中，再将称量好的剑麻纤维放入装有偶联剂的高压反应釜中，在超临界CO₂环境下对剑麻纤维进行偶联剂处理，再放入烘箱中烘干至恒重即得到发明所需的剑麻纤维。

制备挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的具体步骤如下：

（1）按照配方将各组分称量好，将除剑麻纤维以外的物料放入高速混合机中混合均匀，并将剑麻纤维采用超临界CO₂法进行偶联剂处理后待用；

（2）采用双螺杆挤出机制备本发明产品，双螺杆挤出机的各段螺筒温度应控制在170~185℃之间，螺杆长径比24~36。

（3）将混合后的物料倒入双螺杆挤出机的料斗中，并将处理后的剑麻纤维通过玻纤口加入到双螺杆挤出机中，经过双螺杆挤出机挤出、水冷、烘干、切粒等步骤即得到颗粒状的挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料。

本发明所用到的剑麻纤维采用新型的表面处理技术，即在充满偶联剂的高压反应釜中，采用超临界CO₂法对剑麻纤维进行偶联剂处理。在超临界CO₂环境下，偶联剂被CO₂溶解并被剑麻纤维的孔隙所吸收，此时，剑麻纤维的孔隙及表面均与偶联剂发生偶合反应，与此同时，剑麻纤维中原有的水分、果胶和半纤维素又被体系中的CO₂所溶解并随之溶出，从而使剑麻纤维的吸水性降低，提高了剑麻纤维与树脂的相容性。另外，存在于剑麻纤维中的偶联剂也可与基体树脂发生反应形成交联网状结构，使二者的相容性更好，提高了复合材料的力学性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于以下实施例。

实施例：

（1）将称量好的偶联剂倒入高压反应釜中，再将剑麻纤维放入装有偶联剂的高压反应釜中，待于超临界CO₂环境下对剑麻纤维进行偶联剂处理；

（2）将高压反应釜的温度设置为40℃，压力设置为7.5MPa，在温度和压力均达到设定值后开始计时，达到3小时后，将剑麻纤维取出，放入烘箱中于80℃烘干至恒重，得到经过超临界CO₂法进行偶联剂处理的剑麻纤维1#；

（3）将高压反应釜的温度设置为80℃，压力设置为9MPa，在温度和压力均达到设定值后开始计时，达到5小时后，将剑麻纤维取出，放入烘箱中于80℃烘干至恒重，得到经过超临界CO₂法进行偶联剂处理的剑麻纤维2#；

（4）按照如表1所示的两组配方将各组分称量好，并放入高速混合机中混合均匀；

（5）采用双螺杆挤出机制备本发明产品，双螺杆挤出机的各工艺段温度为170℃、175℃、175℃、175℃、175℃、180℃、180℃、185℃，螺杆长径比36。

（6）将混合后的物料倒入双螺杆挤出机的料斗中，并将处理后的剑麻纤维通过玻纤口加入到双螺杆挤出机中，经过双螺杆挤出机挤出、水冷、烘干、切粒等步骤即得到颗粒状的挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料，具体检测结果如表2所示。

表1 挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的配方

原料名称聚丙烯剑麻纤维1#剑麻纤维2#偶联剂增韧剂抗氧剂配方1（重量份数）7030 6505配方2（重量份数）70 306505配方3（重量份数）8010 8505配方4（重量份数）80 108505

表2 挤出级剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的检测结果

项目测试方法单位配方1配方2配方3配方4简支梁无缺口冲击强度ISO 179KJ/m²57.8不断59.3不断48.1不断49.5不断简支梁缺口冲击强度ISO 179KJ/m²18.5不完全22.4不完全20.9不完全24.8不完全拉伸强度ISO 527MPa20.821.419.720.3弯曲强度ISO 178MPa30.134.531.732.9弯曲模量ISO 178MPa1102117610311058密度ISO 1183g/cm³0.9260.9320.9160.918