專利名稱：一種玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于新型復合材料領域，涉及一種復合材料成型工藝，具體涉及一種玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝。
背景技術：
玻纖增強熱塑性復合材料(GFRTP)是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維為增強骨架的復合材料，近年來迅速崛起，出于環(huán)保要求，有逐步替代熱固性復合材料的趨勢。在GFRTP中，開發(fā)最早的是短纖維增強熱塑性樹脂基復合材料(SFT)，但由于成型時纖維在制品中保留長度很短，僅為0. 2 0. 4mm，增強效果有限，不適用于對材料性能要求較高的場合；第二代是玻纖氈增強熱塑性塑料片材(GMT)，這一技術的成功問世使塑料制品中的玻纖長度得以提高，但由于熱塑性樹脂本身的粘度較高，限制了增強纖維的加入量；第三代開 發(fā)了連續(xù)復合纖維(Twintex)，Twintex是在拉絲時將玻璃纖維與熱塑性樹脂纖維復合而成的增強材料，解決了以上的兩個問題，但工藝比較復雜，成本較高，其中用玻璃纖維和聚丙烯纖維復合可制成具有優(yōu)異剛度、重量比和抗沖擊性等力學性能的增強材料，并且不排放揮發(fā)性有機化合物；長玻纖增強熱塑性塑料(LFT)是近年來得到迅速發(fā)展的一類高性能復合材料，LFT相較于SFT而言，玻纖長度得以提高，采用特殊的螺桿、切割器、模頭及浸潤劑配方，可得到IOmm以上的料粒或片材，相較于GMT而言，玻纖含量可提高，理論上這種玻璃纖維在制品中的比例可以達到重量比的10% 80%，而實際上常用玻璃纖維的比例通常為20 % 40 %，相較于Twintex而言，工藝簡單，生產(chǎn)一個汽車部件，僅需半分鐘左右，但LFT的制備是采用螺桿擠出，剪切力大，玻纖長度很難控制。玄武巖連續(xù)纖維以玄武巖礦石為原料，將礦石破碎后加入熔爐中，在1450°C 1500°C熔融后，將均勻的熔融物通過拉絲漏板先拉成粗纖維，然后粗纖維由拉絲機拉制成各種規(guī)格的連續(xù)纖維，并根據(jù)后續(xù)用途采用不同的浸潤劑進行浸潤處理，加工形成最終產(chǎn)品。玄武巖纖維具有以下優(yōu)勢1、優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度為3000 4900Mpa，比大絲束碳纖維、芳綸、PBI纖維、鋼纖維、硼纖維、氧化鋁纖維都要高，與S玻璃纖維相當。而斷裂伸長率則大于碳纖維，成品的耐沖擊性能要好于碳纖維；2、突出的化學穩(wěn)定性，玄武巖纖維耐酸堿和水的腐蝕。玄武巖纖維含有的K20、MgO和Ti02等成分對提高纖維耐化學腐蝕及防水性能起到重要的作用。玄武巖纖維在飽和Ca (OH) 2溶液以及在水泥等堿性介質(zhì)中耐久性好，能保持高度的穩(wěn)定性，可代替鋼筋用作混凝土建筑結構的增強材料，制作橋梁等大型建筑的結構件；3、突出的物理性能，玄武巖纖維耐溫性能好，使用溫度范圍為-260 7000C (軟化點為960°C )，而玻璃纖維為-60 450°C。玄武巖纖維在400°C下工作時，其斷裂強度能夠保持85%。而碳纖維氧化性差，300°C即有氣體產(chǎn)生；芳綸最高使用溫度也只有250°C。玄武巖纖維具有良好介電性能，其體積電阻率比E玻璃纖維高一個數(shù)量級。因此玄武巖纖維是碳纖維的低價替代品，是繼碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維之后的第四大高技術纖維。
玄武巖礦石是一種天然的環(huán)保型的潔凈原料，可以說是一種萬能的廉價增強材料。隨著對玄武巖復合材料的不斷研發(fā)，將會降低成本，提高和穩(wěn)定質(zhì)量，迅速擴大產(chǎn)量，拓展應用領域，將會以更大的廣度和深度，日益廣泛地應用于各行各業(yè)。由于玄武巖產(chǎn)品它具有一些玻璃纖維，芳綸纖維和碳纖維不具備的特性，決定了它在特殊行業(yè)領域有不可替代的市場需求。該項目屬國家鼓勵發(fā)展的高科技項目，投資風險小，回報率高，生產(chǎn)無“三廢”排放，市場前景十分廣闊，投資回報率十分誘人。采用玄武巖纖維作為增強物制得的復合材料，根據(jù)其纏繞和編制、分布方式及其填充混容物的不同而應用于各個領域?；烊菸镆话阌玫氖怯袡C高分子或者無機非金屬材料以及金屬、碳纖維等，通過有機粘合劑和礦物粘合劑或者纖維的改性使其粘合。短切纖維及纖維肋、織物用作混凝土、水泥、浙青的增強體，使混凝土、水泥、浙青的強度和韌性極大增強，且破碎性和對裂縫的敏感度減弱。用玄武巖纖維和織物浸潰樹脂后纏繞為壓力塑料管，可以使產(chǎn)品的物理及機械性能達到最佳化。玄武巖纖維與樹脂的粘合強度高于玻璃纖維，利用聚乙烯、聚丙烯為基體，通過環(huán)氧樹脂粘合可制成高強性能的復合材料。通過對玄武巖短切纖維聚酰胺復合材料的研究指出，復合材料的結構隨聚酰胺的量而改變，10% -20%的聚酰胺同玄武巖纖維形成無序的網(wǎng)狀結構，這一性質(zhì)極大地增強了了復合材料的機械性而無需對纖維的長度和編織有更高的要求，該研究成果大大降低了復合材料的成本。玄武巖纖維的導熱系數(shù)隨纖維直徑的減小而減小，隨纖維密度的增大先減小后增大，選用合適細度和密度的玄武巖纖維可使玄武巖纖維導熱系數(shù)很低，可作為熱絕緣復合材料。由于玄武巖纖維織成的板狀和網(wǎng)狀的結構具有多孔結構和無規(guī)則的排列方式，吸聲性能好，且吸聲能力隨纖維層厚度的增加和密度的減少而增強，可制成聲絕緣復合材料。Kodera Kazuo通過適當?shù)男鋷r纖維產(chǎn)品與樹脂、碳纖維的混合編織，制得了性能優(yōu)越的聲、熱復合材料。此外玄武巖纖維還可以復合成防水復合材料、電磁屏蔽材料、過濾材料和可降解生態(tài)復合材料等。因此力學性能突出的玄武巖纖維復合材料成為研究熱點，其中性價比高且可制備復雜形狀制品的玄武巖纖維增強熱塑性復合材料得到更多的關注，玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料備受青睞，工藝發(fā)展也日新月異，但仍然存在著復合材料中玄武巖纖維含量不高，按照傳統(tǒng)方法制得的復合材料中玄武巖纖維含量僅為30%左右，同時玄武巖纖維長度難以提高且難以根據(jù)應用需要調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種多層鉚接直接模壓，并能根據(jù)不同應用需要中間層玄武巖纖維長度柔性可變的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是本發(fā)明的工藝由兩臺雙螺桿擠出機分別制備玄武巖短纖維聚丙烯復合材料，經(jīng)壓 輥壓制成薄膜，作為多層鉚接材料的上下層，中間夾持一層長度可調(diào)的薄薄的玄武巖纖維，三層組合進入保溫加壓裝置，在壓輥壓制下，熔融態(tài)聚丙烯浸潤，切割后直接由機器手送往壓機，成型過程中熔融態(tài)聚丙烯進一步浸潤，壓制成厚度為2-6mm的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料片材。所述的上層玄武巖短纖維復合材料薄膜厚度為0. 8-2. 5mm，下層玄武巖短纖維復合材料薄膜厚度為0. 8-2. 5mm ；
所述的中間層玄武巖纖維厚度為0. 2-0. 8mm ；所述的保溫加壓裝置條件為在180_250°C，壓力l_5MPa ；所述的聚丙烯數(shù)均分子量為50000-250000，熔融指數(shù)5_30g/10min ；所述的壓機為雙鋼帶壓機，線速度為0. 15-0. 25m/min ；所述的浸潤熔體溫度為180-220°C，加壓時間為2-3min，壓力為4_10MPa。該工藝中間層玄武巖纖維切斷長度可根據(jù)產(chǎn)品需要柔性可調(diào)，玄武巖纖維分布在三層中，克服了 GMT加工玻纖含量難以提高的缺點，玄武巖纖維長度也得以提高并可根據(jù)應用需要柔性變化。


圖I是本發(fā)明的工藝原理示意圖。
具體實施例方式下面結合圖I對本發(fā)明的工藝進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。實施例I以玄武巖礦石為原料，將礦石破碎后加入熔爐中，在1450°C 1500°C下熔融，將均勻的熔融物通過拉絲漏板先拉成粗纖維，然后粗纖維由拉絲機拉制成玄武巖短纖維，熔融造粒。用一臺雙螺桿擠出機將玄武巖料粒和數(shù)均分子量為50000-250000、熔融指數(shù)為5-30g/10min的聚丙烯料?；旌先廴跀D出，經(jīng)棍壓機壓制成厚度為0. 8mm的玄武巖短纖維復合聚丙烯薄膜，作為多層鉚接材料的底層，同樣的由另一臺雙螺桿擠出機混合熔融擠出經(jīng)輥壓機壓制成I. Omm的玄武巖短纖維復合聚丙烯薄膜作為多層鉚接材料的上層，將一層厚度為0. 2mm的玄武巖短纖維夾持到兩層玄巖短纖維復合材料中，三層材料相間鋪放，組合進入保溫加壓裝置，保溫加壓裝置設置條件為溫度180°C，壓力為5MPa，中間層纖維層較GMT法的玻纖氈薄，在壓輥壓制下，熔融態(tài)的聚丙烯更容易浸潤，也能更好的粘結，壓制好后經(jīng)過切割直接由機器手送往壓機，節(jié)能高效，壓機為雙鋼帶壓機，以線速度0. 25m/min移動，浸潤熔體溫度為180°C，加壓時間3min，壓力為lOMPa，在成型過程中，熔融態(tài)的聚丙烯可進一步浸潤。最終壓制成厚度為2mm的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料片材，并制得樣品I測試物理機械性能。實施例2以玄武巖礦石為原料，將礦石破碎后加入熔爐中，在1450°C 1500°C下熔融，將均勻的熔融物通過拉絲漏板先拉成粗纖維，然后粗纖維由拉絲機拉制成玄武巖短纖維，熔融造粒。用一臺雙螺桿擠出機將玄武巖料粒和數(shù)均分子量為50000-250000、熔融指數(shù)為5-30g/10min的聚丙烯料?；旌先廴跀D出，經(jīng)棍壓機壓制成厚度為2. Omm的玄武巖短纖維復合聚丙烯薄膜，作為多層鉚接材料的底層，同樣的由另一臺雙螺桿擠出機混合熔融擠出經(jīng)輥壓機壓制成I. 8mm的玄武巖短纖維復合聚丙烯薄膜作為多層鉚接材料的上層，將一層厚度為0. 5mm的玄武巖短纖維夾持到兩層玄巖短纖維復合材料中，三層材料相間鋪放,組合進入保溫加壓裝置，保溫加壓裝置設置條件為溫度220°C，壓力為3MPa，中間層纖維層較GMT法的玻纖氈薄，在壓輥壓制下，熔融態(tài)的聚丙烯更容易浸潤，也能更好的粘結，壓制好后經(jīng)過切割直接由機器手送往壓機，節(jié)能高效，壓機為雙鋼帶壓機，以線速度0. 18m/min移動，浸潤熔體溫度為200°C，加壓時間2. 5min，壓力為6MPa，在成型過程中，熔融態(tài)的聚丙烯可進一步浸潤。最終壓制成厚度為4. 5mm的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料片材，并制得樣品2測試物理機械性能。實施例3以玄武巖礦石為原料，將礦石破碎后加入熔爐中，在1450°C 1500°C下熔融，將均勻的熔融物通過拉絲漏板先拉成粗纖維，然后粗纖維由拉絲機拉制成玄武巖短纖維，熔融造粒。用一臺雙螺桿擠出機將玄武巖料粒和數(shù)均分子量為50000-250000、熔融指數(shù)為
5-30g/10min的聚丙烯料?；旌先廴跀D出，經(jīng)棍壓機壓制成厚度為2. 5mm的玄武巖短纖維復合聚丙烯薄膜，作為多層鉚接材料的底層，同樣的由另一臺雙螺桿擠出機混合熔融擠出經(jīng)輥壓機壓制成2. 5mm的玄武巖短纖維復合聚丙烯薄膜作為多層鉚接材料的上層，將一層厚度為0. 8mm的玄武巖長纖維夾持到兩層玄巖短纖維復合材料中，三層材料相間鋪放,組合進入保溫加壓裝置，保溫加壓裝置設置條件為溫度250°C，壓力為IMPa，中間層纖維層較GMT法的玻纖氈薄，在壓輥壓制下，熔融態(tài)的聚丙烯更容易浸潤，也能更好的粘結，壓制好后經(jīng)過切割直接由機器手送往壓機，節(jié)能高效，壓機為雙鋼帶壓機，以線速度0. 15m/min移動，浸潤熔體溫度為220°C，加壓時間2min，壓力為4MPa，在成型過程中，熔融態(tài)的聚丙烯可進一步浸潤。最終壓制成厚度為6mm的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料片材，并制得樣品3測試物理機械性能。采用本發(fā)明所述的工藝所制得的復合材料片材，由于中間層的玄武巖纖維在壓制時也可以浸入多層鉚接材料的上下層，粘結效果更好，玄武巖纖維切斷長度可根據(jù)產(chǎn)品需要柔性可調(diào)，玄武巖纖維分布在三層中，克服了 GMT加工玻纖含量提不高的缺點，使得復合材料中玄武巖纖維的含量可以達到45%以上。該復合材料具有十分優(yōu)良的物理和機械性能，對實施例1-3所得樣品經(jīng)行測試，其結果如下
權利要求
1.一種玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝，包括以下步驟 a)由兩臺雙螺桿擠出機分別制備厚度為0.8-2. 5mm的玄武巖短纖維復合聚丙烯薄膜，作為多層鉚接材料的上下層；b)在上下層中間夾持一層厚度為0.2-0. 8mm長度可調(diào)的玄武巖纖維，相間鋪放； c)三層組合進入溫度為180-250°C、壓力為l_5MPa的保溫加壓裝置，在壓輥壓制下，熔融態(tài)聚丙烯浸潤； d)切割后直接由機器手送往壓機，熔體溫度為180-220°C，加壓時間為2-3min，壓力為4-10MPa，熔融態(tài)聚丙烯進一步浸潤，壓制成型。
2.根據(jù)權利要求I所述的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝，其特征在于所述聚丙烯數(shù)均分子量為50000-250000、熔融指數(shù)為5_30g/10min。
3.根據(jù)權利要求I所述的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝，其特征在于所述的壓機為雙鋼帶壓機，線速度為0. 15-0. 25m/min。
4.一種玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料片材，其特征在于所述的片材由權利要求I所述的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝所制得。
5.根據(jù)權利要求4所述的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料片材，其特征在于所述的復合材料片材厚度為2-6mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料成型工藝，由兩臺雙螺桿擠出機分別制備玄武巖短纖維聚丙烯復合材料，作為多層鉚接材料的上下層，中間夾持一層長度可調(diào)的薄薄的玄武巖纖維，三層組合進入保溫加壓裝置，在壓輥壓制下，熔融態(tài)聚丙烯浸潤，切割后直接由機器手送往壓機，成型過程中熔融態(tài)聚丙烯進一步浸潤，壓制成厚度為2-6mm的玄武巖纖維增強聚丙烯復合材料片材。該工藝中間層玄武巖纖維分布在三層中，克服了GMT加工玻纖含量難以不高的缺點，玄武巖纖維長度也得以提高并可根據(jù)應用需要柔性變化，所得復合材料片材具有十分優(yōu)良的物理和機械性能。
文檔編號B32B27/12GK102615886SQ20121007208
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權日2012年3月19日
發(fā)明者周山花, 張彥慶, 董擎之, 高楠 申請人:華東理工大學, 常熟江南玻璃纖維有限公司