一種環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天然植物纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]竹原纖維/不飽和聚酯(UPE)復(fù)合材料是利用高分子材料成型原理，混合一定比例的竹原纖維和UPE樹脂，經(jīng)一定工藝處理后加工成型的一種新型材料。竹原纖維/UPE復(fù)合材料中的生物材料部分來源廣泛，價格低廉。竹原纖維/UPE復(fù)合材料的拉伸與彎曲性能可與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相當(dāng)。因此竹原纖維/UPE復(fù)合材料在船舶、汽車、建筑、運(yùn)動器材以及家具等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是一種正在發(fā)展的重要竹塑復(fù)合新材料。但其在制備與實際應(yīng)用中，由于竹原纖維與UPE樹脂的相容性較差，界面結(jié)合力較低，從而影響復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。此外，植物纖維極易吸水，也使得竹原纖維/UPE樹脂復(fù)合材料的耐水性能尚無法滿足一些應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求。因此，改善纖維與基體之間的界面相容性至關(guān)重要。目前，對于提高纖維與基體之間的界面相容性可通過物理和化學(xué)方法對纖維表面進(jìn)行處理。物理改性主要是通過對纖維的結(jié)構(gòu)或表面進(jìn)行改性，來提高植物纖維的強(qiáng)度和降低其親水性，從而達(dá)到改性目的，但是物理方法只能改變纖維淺表層特性。而化學(xué)改性方法如對纖維進(jìn)行氧化改性、單體接枝共聚處理、偶聯(lián)處理、或?qū)w維進(jìn)行交聯(lián)改性等可顯著改善纖維的表面特性，從而增強(qiáng)纖維與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度，提高復(fù)合材料的整體性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料及其制備方法，改善竹原纖維與UPE樹脂基體之間的界面相容性，提高竹原纖維/UPE復(fù)合材料的整體性能。本發(fā)明制備的竹原纖維增強(qiáng)UPE復(fù)合材料具有較高的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，而且沖擊強(qiáng)度未見明顯降低。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，是由1，2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷(EVC)改性的竹原纖維和不飽和聚酯樹脂通過熱壓成型工藝制得的。
[0005]原料組分按質(zhì)量份數(shù)計:竹原纖維78~95份、不飽和聚酯樹脂78~95份、I, 2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷2~4份、催化劑0.02-0.04份、溶劑80~90份、引發(fā)劑2~4份。
[0006]所述的引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB);所述的催化劑為N，N-二甲基芐胺(DBA);所述的溶劑為三乙胺。
[0007]制備方法的具體步驟如下:
(1)竹原纖維經(jīng)開松并裁剪成20cmX20 cm規(guī)格的纖維氈，100~105°C下烘至絕干，冷卻至室溫；
(2)在三乙胺中加入1，2_環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷和N，N-二甲基芐胺，混合攪拌lOmin，使之均勻分散；將混合液均勻噴灑在竹原纖維氈表面，100~105°C干燥3h ; (3)在不飽和聚酯樹脂中加入過氧化苯甲酸叔丁酯，混合攪拌lmin，使之混合均勻；
(4)將5~9片步驟(2)制得的改性竹原纖維氈按同一方向疊合排布成纖維板坯，把步驟(3)的樹脂混合液迅速均勻涂敷在纖維板坯的兩表面，在室溫下以3~6MPa的壓力冷壓3~8min，使樹脂滲透入纖維板坯中；然后升溫至110~160°C，以3~6MPa的壓力熱壓20~40min ;保壓60~120min，自然冷卻至室溫。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明采用優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，竹原纖維與UPE樹脂的用量比(質(zhì)量比)為1: 1，熱壓溫度160°C，熱壓時間30min，以模壓工藝可制備力學(xué)性能優(yōu)良的竹原纖維增強(qiáng)UPE復(fù)合材料。采用EVC改性的竹原纖維作為UPE復(fù)合材料的增強(qiáng)體，所得復(fù)合材料具有較高的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，而且沖擊強(qiáng)度未明顯降低。
【附圖說明】
[0009]圖1是竹原纖維/UPE復(fù)合材料的拉伸性能。其中，control表示未改性竹原纖維/UPE復(fù)合材料；EVC-1表示采用1%EVC為纖維改性劑的復(fù)合材料；EVC_3表示采用3%EVC為纖維改性劑的復(fù)合材料；EVC-5表示采用5%EVC為纖維改性劑的復(fù)合材料。圖2和圖3橫坐標(biāo)中control、EVC-U EVC-3、EVC-5表示含義相同。圖中矩形柱上下方橫線表示數(shù)據(jù)均值的標(biāo)準(zhǔn)差，柱狀圖上方無相同字母的表示兩組數(shù)據(jù)之間差異顯著，否則差異不顯著。
[0010]圖2是竹原纖維/UPE復(fù)合材料的彎曲性能。
[0011 ] 圖3是竹原纖維/UPE復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。
【具體實施方式】
[0012]—種環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，是由1，2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷(EVC)改性的竹原纖維和不飽和聚酯樹脂通過熱壓成型工藝制得的。
[0013]原料組分按質(zhì)量份數(shù)計:竹原纖維78~95份、不飽和聚酯樹脂78~95份、1，2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷2~4份、催化劑0.02-0.04份、溶劑80~90份、引發(fā)劑2~4份。
[0014]所述的引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB);所述的催化劑為N，N-二甲基芐胺(DBA);所述的溶劑為三乙胺。
[0015]制備方法的具體步驟如下:
(1)竹原纖維經(jīng)開松并裁剪成20cmX20 cm規(guī)格的纖維氈，100~105°C下烘至絕干，冷卻至室溫；
(2)在三乙胺中加入1，2_環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷和N，N-二甲基芐胺，混合攪拌lOmin，使之均勻分散；將混合液均勻噴灑在竹原纖維氈表面，100~105°C干燥3h ;
(3)在不飽和聚酯樹脂中加入過氧化苯甲酸叔丁酯，混合攪拌lmin，使之混合均勻；
(4)將5~9片步驟(2)制得的改性竹原纖維氈按同一方向疊合排布成纖維板坯，把步驟(3)的樹脂混合液迅速均勻涂敷在纖維板坯的兩表面，在室溫下以3~6MPa的壓力冷壓3~8min，使樹脂滲透入纖維板坯中；然后升溫至110~160°C，以3~6MPa的壓力熱壓20~40min ;保壓60~120min，自然冷卻至室溫。
[0016]原料:竹原纖維(平均長度22.81mm，平均寬度150 μm)由福建海博斯化學(xué)技術(shù)有限公司提供；不飽和聚酯(型號:9231-1TP)，購自上瑋(上海)精細(xì)化工有限公司；纖維改性劑為1，2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷偶聯(lián)劑(EVC)、催化劑N，N-二甲基芐胺(DBA)，引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)和溶劑三乙胺均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
[0017]實施例1
制備過程中，環(huán)氧單體EVC用量為竹原纖維質(zhì)量的1% ;竹原纖維與UPE樹脂混合液的用量比1:1 ;催化劑DBA的用量為EVC的1% ;引發(fā)劑TBPB的用量為UPE樹脂混合液質(zhì)量的5% ο
[0018]實施例2
制備過程中，環(huán)氧單體EVC單體用量為竹原纖維質(zhì)量的3% ;竹原纖維與UPE樹脂混合液的用量比1:1 ;催化劑DBA的用量為EVC的1% ;引發(fā)劑TBPB的用量為UPE樹脂混合液質(zhì)量的5%。
[0019]實施例3
制備過程中，環(huán)氧單體EVC用量為竹原纖維質(zhì)量的5% ;竹原纖維與UPE樹脂混合液的用量比1:1 ;催化劑DBA的用量為EVC的1% ;引發(fā)劑TBPB的用量為UPE樹脂混合液質(zhì)量的5% ο
[0020]復(fù)合材料板力學(xué)性能測試:
復(fù)合材料板制成啞鈴型試樣(規(guī)格:長80mm，兩端寬15mm，中間寬10mm，標(biāo)距50mm，厚度
3.0mm)以測試?yán)煨阅?；彎曲性能的測試樣品為長條狀(規(guī)格:60 mmX 12.7 mmX 3.0mm)；沖擊強(qiáng)度的測試樣品為長條狀(規(guī)格:80 mmX 10 mmX3.0mm)o拉伸強(qiáng)度測試依據(jù)ASTMD3039-08標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；彎曲強(qiáng)度與模量測試依據(jù)ASTM D790-10標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；沖擊強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T1043-93。拉伸性能和彎曲性能測試在微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上完成，沖擊強(qiáng)度測試在擺錘沖擊試驗機(jī)上完成。
[0021]復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度
由圖1知，竹原纖維經(jīng)EVC改性后，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度顯著提高。control、EVC-UEVC-3、EVC-5 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分別為 52.2MPa、57.lMPa、62.lMPa、61.9MPa。其中 EVC-3復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度(62.1MPa)與EVC-5復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度(61.9MPa)相當(dāng)，無顯著差升。
[0022]復(fù)合材料的彎曲性能
由圖2知，control復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度(97.4MPa)和彎曲模量(6893.4MPa)與EVC-1復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度(99.6MPa)和彎曲模量(7178.5MPa)相當(dāng)，兩者無顯著性差異；EVC_3復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度(109.2MPa)和EVC-5復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度(108.2MPa)與control和EVC-1的彎曲強(qiáng)度無顯著差異，而EVC-3復(fù)合材料的彎曲模量(8200.3MPa)和EVC-5復(fù)合材料的彎曲模量(7798.0MPa)相當(dāng)，但較conrol和EVC-1的彎曲模量有顯著提高。因此，在改性竹原纖維增強(qiáng)UPE復(fù)合材料中，EVC-3復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳。
[0023]復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度
由圖3知，control、EVC-U EVC-3, EVC-5復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度分別為16.7kJ/m2、16.6kJ/m2、16.2kJ/m2、15.8kJ/m2。四者的沖擊強(qiáng)度數(shù)值呈逐漸降低趨勢，但從統(tǒng)計學(xué)角度分析，并無顯著差異。
[0024]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【主權(quán)項】
1.一種環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，其特征在于:所述的復(fù)合材料是由1，2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷改性的竹原纖維和不飽和聚酯樹脂通過熱壓成型工藝制得的。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，其特征在于:原料組分按質(zhì)量份數(shù)計:竹原纖維78~95份、不飽和聚酯樹脂78~95份、1，2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷2~4份、催化劑0.02-0.04份、溶劑80~90份、引發(fā)劑2~4份。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，其特征在于:所述的引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯；所述的催化劑為N，N-二甲基芐胺；所述的溶劑為三乙胺。4.一種制備如權(quán)利要求1所述的環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料的方法，其特征在于:具體步驟如下: (1)竹原纖維經(jīng)開松并裁剪成20cmX20 cm規(guī)格的纖維氈，100~105°C下烘至絕干，冷卻至室溫； (2)在三乙胺中加入1，2_環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷和N，N-二甲基芐胺，混合攪拌lOmin，使之均勻分散；將混合液均勻噴灑在竹原纖維氈表面，100~105°C干燥3h ; (3)在不飽和聚酯樹脂中加入過氧化苯甲酸叔丁酯，混合攪拌lmin，使之混合均勻； (4)將5~9片步驟(2)制得的改性竹原纖維氈按同一方向疊合排布成纖維板坯，把步驟(3)的樹脂混合液迅速均勻涂敷在纖維板坯的兩表面，在室溫下以3~6MPa的壓力冷壓3~8min，使樹脂滲透入纖維板坯中；然后升溫至110~160°C，以3~6MPa的壓力熱壓20~40min ;保壓60~120min，自然冷卻至室溫。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種環(huán)氧單體改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料及其制備方法，以1,2-環(huán)氧-4-乙烯基環(huán)己烷為偶聯(lián)劑對竹原纖維進(jìn)行表面改性處理，并以此作為不飽和聚酯復(fù)合材料的增強(qiáng)體，制備出改性竹原纖維增強(qiáng)不飽和聚酯復(fù)合材料，具有較高的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，而且沖擊強(qiáng)度未見明顯降低。
【IPC分類】C08L51/08, C08F283/01, C08J5/06, C08L97/02, C08J5/24
【公開號】CN105111478
【申請?zhí)枴緾N201510569358
【發(fā)明人】邱仁輝, 謝天順, 陳涵, 吳銳, 劉文地, 張偉, 陳繼智, 沈云玉, 劉瑞芳
【申請人】福建農(nóng)林大學(xué)
【公開日】2015年12月2日
【申請日】2015年9月9日