一种包覆处理的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种包覆处理的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料及其制备工艺，该复合发泡材料由以下重量百分比的原料制成：包覆处理的剑麻纤维织物10~60wt％、聚烯烃10~86 wt％、发泡剂1~10 wt％、交联剂0.05~1wt％、增塑剂1~10wt％、润滑剂1~10w t％、活化剂1~10 wt％。本发明制备的复合材料不仅具有高强度，高模量，耐冲击性好、韧性优异，并且加工简单、绿色环保。

说明书

技术领域

本发明涉及复合发泡材料技术领域，尤其是涉及一种包覆处理的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料及其制备工艺。

背景技术

随着我国现代化建设步伐的大力推进，我国高分子材料的需求保持快速增长，综合性能优异的高分子复合材料在包装、日用品、汽车、建筑等各领域都有着广阔的发展空间，与此同时，出于资源和环境的压力，对高分子材料的品质也有了更高的要求。如何进一步提高材料的强度、韧性、环境友好等问题亟待解决。

现有技术中的发泡材料主要为热塑性塑料、热固性塑料或橡胶的合成材料，虽然以上材料价格低廉，易加工制造，但不易降解，强度和韧性低，其力学性能无法满足人们对此类材料的追求，因此不适于大量生产应用。

现有技术中人们想通过添加植物纤维改善聚烯烃发泡材料的力学性能，虽然性能有所增加，但是由于纤维与烯烃材料相容性差，导致力学性能不稳定，其韧性和强度大打折扣。

剑麻纤维具有质地坚硬、富有弹性、拉伸强度高、耐摩擦、耐低温、无毒、防静电等特点，最为关键的是天然可再生资源，可自然降解，不会对环境构成负担。剑麻纤维可替代合成纤维，增强热塑性树脂，获得综合性能优异的复合材料。研究和开发剑麻增强聚烯烃复合发泡材料，不仅将为国民经济建设增添一种价廉而有广泛应用前景的新材料，而且能为减少废旧塑料的危害和提高农作物的综合利用率开辟一条新途径。

发明内容

发明的目的是提供一种包覆处理的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料及其制备工艺。将剑麻纤维织物进行包覆处理，辅配其他加工助剂制成的剑麻/聚烯烃复合发泡材料具有优良的加工性能和物理机械性能。主要的技术关键是解决剑麻纤维与聚烯烃相容性的问题，从而提供一种强度高，韧性好的剑麻/聚烯烃复合发泡材料配方及其制备工艺。包覆处理剑麻纤维增强了聚烯烃复合发泡材料的韧性，同时改善了剑麻纤维和聚烯烃的相容性，有效提高了发泡复合材料的力学性能。

本发明为解决上述技术问题通过以下技术方案实现：

一种包覆处理的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物10~60wt％、聚烯烃10~83wt％、发泡剂1~10 wt％、交联剂0.05~1wt％、增塑剂1~10wt％、润滑剂1~10w t％、活化剂1~10 wt％。

进一步地，所述包覆处理的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物20~45wt％、聚烯烃23~63 wt％、发泡剂1.5~8wt％、交联剂0.1~0.5wt％、增塑剂1.5~6wt％、润滑剂2~6w t％、活化剂0.5~7 wt％。

进一步地，优选所述包覆处理剑麻纤维高密度聚乙烯复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物30wt％、聚烯烃61 wt％、发泡剂2.35wt％、交联剂0.3wt％、增塑剂2wt％、润滑剂2wt％、活化剂2.35 wt％。

进一步地，所述聚烯烃为高密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯中的一种或几种。

进一步地，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺、碳酸氢钠、乙烯醋酸乙烯、聚乙烯珍珠棉、聚乳酸中的一种或几种，优选偶氮二甲酰胺。

进一步地，所述交联剂为过氧化二异丙苯、过氧化双2，4一二氯苯甲酰、聚乙二醇、4,4'-双马来酰亚胺二苯甲烷中的一种或几种，优选过氧化二异丙苯。

进一步地，所述增塑剂为邻苯二甲酸二乙酯、乙酰柠檬酸三丁酯、氯化石蜡、顺丁烯二酸二丁酯、硬脂酸、己二酸二辛酯、聚氨酯中的一种或几种。

进一步地，所述润滑剂为聚乙烯蜡、羟基硬脂酸、硬脂酸正丁酯、硬脂酸单甘油酯、油酰胺、硅油、硅酮、有机硅烷、液体石蜡、甘油三羟硬脂酸酯、N，N-乙撑双硬脂酸酰胺、极性基团改性的乙撑双脂肪酸酰胺中的一种或几种。

进一步地，所述活化剂为氧化锌、硬脂酸盐、碳酸盐及磷酸盐、氢氧化镁、氧化镁、氧化铝中的一种或几种，优选氧化锌。

进一步地，所述包覆处理的剑麻纤维织物由剑麻纤维织物通过剑麻纤维包覆处理溶液处理得到；所述剑麻纤维包覆处理溶液各组分重量百分比包括：低密度聚乙烯粉料0.1~20wt%、对二甲苯溶剂80~99.9wt%。

进一步地，所述剑麻纤维包覆处理溶液各组分重量百分比包括：低密度聚乙烯粉料0.5~10wt%、对二甲苯溶剂90~99.5wt%；优选低密度聚乙烯粉料1wt%、对二甲苯溶剂99wt%。

本发明之包覆处理剑麻纤维增强聚烯烃复合发泡材料的制备工艺，包括如下步骤：

S1.剑麻纤维包覆处理溶液的制备：将低密度聚乙烯粉料加入对二甲苯溶剂中，加热到60~90℃并不断搅拌至低密度聚乙烯粉料完全溶解，配制成剑麻纤维包覆处理溶液，冷却，待用；

S2.剑麻织物的包覆处理：将剑麻纤维织物浸入步骤S1制备的剑麻纤维包覆处理溶液中浸泡5~40min，浸泡完全后取出，放置于温度为60~100℃条件下烘干2~10小时；

S3.将聚烯烃、发泡剂、活化剂、交联剂、增塑剂和润滑剂加入高速混合机中搅拌混合15~25min；

S4.将步骤S3所得混合物放入平板硫化机上模压成型，制成聚烯烃薄板，模压温度为120~190℃，压力为5~15MPa，时间为5~25min。

S5.将步骤S2所述包覆处理的剑麻纤维织物，与步骤S4制得的聚烯烃薄板放入模具中在平板硫化机上模压成型，制得剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料，模压温度为120~190℃，压力为5~15MPa，时间为5~25min。

进一步地，所述剑麻纤维包覆处理溶液浓度为0.1%~10%，优选剑麻纤维包覆处理溶液浓度为1%。

进一步地，优选所述步骤S1中加热80℃。

进一步地，所述步骤S2中浸泡时间为10~30min，优选20min；所述烘干条件为烘干温度选取80~94℃，优选90℃，烘干处理时间4~8小时，优选6小时。

进一步地，所述步骤S3中搅拌混合时间为15~25min，优选20min。

优选地，所述步骤S4中模压温度150℃，压力为10 MPa，时间为10min。

优选地，所述步骤S5中模压温度为180℃，压力为10 MPa，时间为20min。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：

本发明创造性的利用高韧性、耐腐蚀、环保的剑麻纤维，制备出拉伸强度高、抗冲击性强的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料。同时本发明首次使用剑麻纤维包覆处理溶液对剑麻纤维织物进行包覆处理，不仅解决了剑麻纤维与聚烯烃的相容性，还增强了剑麻纤维与聚烯烃的结合力。同时，本发明使用能产生均匀泡孔的复合发泡剂，使复合材料轻量化，交联剂DCP使聚合物单体发生交联，提高了复合材料的力学性能，硬脂酸和PE蜡作为润滑剂有效改善了熔体的流动性和复合材料的表面光滑度。

通过利用模压成型工艺成功的将剑麻纤维与聚烯烃复合，制备得到具有高强度，高模量，耐冲击性好、韧性优异，并且加工简单、环保的聚烯烃复合发泡材料。

附图说明

图1 包覆处理的剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料结构示意图。

其中：1.包覆处理的剑麻纤维织物；2.聚烯烃薄板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。除非特别说明，本发明实施例使用的各种原料均可以通过常规市购得到，或根据本领域的常规方法制备得到，所用设备为实验常用设备。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。

实施例1

（1）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物10wt％、高密度聚乙烯81wt％、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡;

（2）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料包括以下步骤：

S1.剑麻纤维包覆处理溶液的制备：将0.1wt%低密度聚乙烯粉料加入99.9wt%对二甲苯溶剂中，水浴加热到60℃并不断搅拌至低密度聚乙烯粉料完全溶解，配制成浓度为0.1wt%的剑麻纤维包覆处理溶液，冷却，待用；

S2.剑麻织物的包覆处理：将剑麻纤维织物浸入步骤S1制备的剑麻纤维包覆处理溶液中浸泡5min，浸泡完全后取出，放置于温度为60℃的烘干箱中烘干2小时，得到包覆处理的剑麻纤维织物；

S3.将81wt%高密度聚乙烯、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡加入高速混合机中搅拌混合15min；

S4.将步骤S3所得混合物放入平板硫化机上模压成型，制成高密度聚乙烯薄板，模压温度为120℃，压力为5MPa，时间为5min;

S5.将步骤S2制备的10wt%包覆处理的剑麻纤维织物，与步骤S4制得的高密度聚乙烯薄板放入模具中在平板硫化机上模压成型，制得剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料，模压温度为120℃，压力为5MPa，时间为5min。

实施例2

（1）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物20wt％、高密度聚乙烯71wt％、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡;

（2）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料包括以下步骤：

S1.剑麻纤维包覆处理溶液的制备：将0.5wt%低密度聚乙烯粉料加入99.5wt%对二甲苯溶剂中，水浴加热到70℃并不断搅拌至低密度聚乙烯粉料完全溶解，配制成浓度为0.5wt%的剑麻纤维包覆处理溶液，冷却，待用；

S2.剑麻织物的包覆处理：将剑麻纤维织物浸入步骤S1制备的剑麻纤维包覆处理溶液中浸泡15min，浸泡完全后取出，放置于温度为70℃的烘干箱中烘干4小时，得到包覆处理的剑麻纤维织物；

S3.将71wt%高密度聚乙烯、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡加入高速混合机中搅拌混合15min；

S4.将步骤S3所得混合物放入平板硫化机上模压成型，制成高密度聚乙烯薄板，模压温度为120℃，压力为5MPa，时间为5min;

S5.将步骤S2制备的20wt%包覆处理的剑麻纤维织物，与步骤S4制得的高密度聚乙烯薄板放入模具中在平板硫化机上模压成型，制得剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料，模压温度为130℃，压力为5MPa，时间为5min。

实施例3

（1）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物30wt％、高密度聚乙烯61wt％、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡;

（2）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料包括以下步骤：

S1.剑麻纤维包覆处理溶液的制备：将1wt%低密度聚乙烯粉料加入99wt%对二甲苯溶剂中，水浴加热到80℃并不断搅拌至低密度聚乙烯粉料完全溶解，配制成浓度为1wt%的剑麻纤维包覆处理溶液，冷却，待用；

S2.剑麻织物的包覆处理：将剑麻纤维织物浸入步骤S1制备的剑麻纤维包覆处理溶液中浸泡20min，浸泡完全后取出，放置于温度为90℃的烘干箱中烘干6小时，得到包覆处理的剑麻纤维织物；

S3.将61wt%高密度聚乙烯、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡加入高速混合机中搅拌混合20min；

S4.将步骤S3所得混合物放入平板硫化机上模压成型，制成高密度聚乙烯薄板，模压温度为150℃，压力为10MPa，时间为10min;

S5.将步骤S2制备的30wt%包覆处理的剑麻纤维织物，与步骤S4制得的高密度聚乙烯薄板放入模具中在平板硫化机上模压成型，制得剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料，模压温度为180℃，压力为10MPa，时间为20min。

实施例4

（1）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物40wt％、高密度聚乙烯51wt％、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡;

（2）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料包括以下步骤：

S1.剑麻纤维包覆处理溶液的制备：将5wt%低密度聚乙烯粉料加入95wt%对二甲苯溶剂中，水浴加热到90℃并不断搅拌至低密度聚乙烯粉料完全溶解，配制成浓度为5wt%的剑麻纤维包覆处理溶液，冷却，待用；

S2.剑麻织物的包覆处理：将剑麻纤维织物浸入步骤S1制备的剑麻纤维包覆处理溶液中浸泡30min，浸泡完全后取出，放置于温度为90℃的烘干箱中烘干8小时，得到包覆处理的剑麻纤维织物；

S3.将51wt%高密度聚乙烯、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡加入高速混合机中搅拌混合25min；

S4.将步骤S3所得混合物放入平板硫化机上模压成型，制成高密度聚乙烯薄板，模压温度为180℃，压力为15MPa，时间为25min;

S5.将步骤S2制备的40wt%包覆处理的剑麻纤维织物，与步骤S4制得的高密度聚乙烯薄板放入模具中在平板硫化机上模压成型，制得剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料，模压温度为180℃，压力为15MPa，时间为25min。

实施例5

（1）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料由以下重量百分比的组分组成：包覆处理的剑麻纤维织物50wt％、高密度聚乙烯41wt％、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡;

（2）剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料包括以下步骤：

S1.剑麻纤维包覆处理溶液的制备：将10wt%低密度聚乙烯粉料加入90wt%对二甲苯溶剂中，水浴加热到90℃并不断搅拌至低密度聚乙烯粉料完全溶解，配制成浓度为10wt%的剑麻纤维包覆处理溶液，冷却，待用；

S2.剑麻织物的包覆处理：将剑麻纤维织物浸入步骤S1制备的剑麻纤维包覆处理溶液中浸泡40min，浸泡完全后取出，放置于温度为100℃的烘干箱中烘干10小时，得到包覆处理的剑麻纤维织物；

S3.将41wt%高密度聚乙烯、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡加入高速混合机中搅拌混合25min；

S4.将步骤S3所得混合物放入平板硫化机上模压成型，制成高密度聚乙烯薄板，模压温度为190℃，压力为15MPa，时间为25min；

S5.将步骤S2制备的50wt%包覆处理的剑麻纤维织物，与步骤S4制得的高密度聚乙烯薄板放入模具中在平板硫化机上模压成型，制得剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料，模压温度为190℃，压力为15MPa，时间为25min。

对比例1

大麻纤维聚烯烃复合发泡材料包括以下步骤：

S1.大麻纤维包覆处理溶液的制备：将1wt%低密度聚乙烯粉料加入99wt%对二甲苯溶剂中，水浴加热到80℃并不断搅拌至低密度聚乙烯粉料完全溶解，配制成浓度为1wt%的大麻纤维包覆处理溶液，冷却，待用；

S2.大麻织物的包覆处理：将大麻纤维织物浸入步骤S1制备的大麻纤维包覆处理溶液中浸泡20min，浸泡完全后取出，放置于温度为90℃的烘干箱中烘干6小时，得到包覆处理的大麻纤维织物；后续步骤与实施例3中步骤S3~S5相同处理，制得大麻纤维聚烯烃复合发泡材料。

对比例2

剑麻纤维聚烯烃复合发泡材料包括以下步骤：

S1.将100份剑麻纤维、20份浓度为2%高锰酸钾水溶液，共混45min，然后在60℃烘干2h，然后将其置于高压容器中，无氧或低氧、200℃、7MPa处理2h，自然冷却后取出密封待用；

S2.将61wt%高密度聚乙烯、2.35wt%偶氮二甲酰胺、2.35wt%氧化锌、0.3wt%过氧化二异丙苯、2wt%硬脂酸和2wt%聚乙烯蜡，放入反应釜中，在50℃下、40 r/min搅拌2h，自然冷却后密封待用；

S3.取步骤S1、步骤S2处理过的物料，在高速混合机中共混15min，密封待用；

S4.将混合好的物料，通过螺杆挤出机挤出制备得到复合发泡材料，控制机头温度为160℃、机头压力30MPa、螺杆转速80r/min。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

各实施例原材料及提供商如下：

以上实施例用剑麻长纤维，为广西剑麻集团生产的剑麻长纤维；高密度聚乙烯2908，中石化茂名分公司；偶氮二甲酰胺（AC），分析纯，上海源叶生物科技有限公司；氧化锌（ZnO），工业品，市售；过氧化二异丙苯（DCP），广东茂名化学试剂有限公司生产；硬脂酸，淄博丰森油脂化工有限公司；PE蜡，青岛凯杰森经济发展有限公司。

参照相关国家标准测定复合材料的拉伸强度和冲击强度。拉伸强度按GB/T 1040-92测试；弯曲强度按GB/T 1936. 1-1991,冲击强度按GB/T 1043-93测试。表2为各实施例检测结果比较。

表1 实施例及对比例产品性能检测结果比较

拉伸强度（MPa）弯曲强度（MPa）冲击强度（KJ/m2）实施例131.826.89.7实施例233.428.110.3实施例335.629.711.6实施例434.928.511.1实施例534.227.710.8对比例121.517.87.9对比例225.922.69.1

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。