專利名稱：以竹纖維加強的聚丙烯合成材料及其制備方法
此發(fā)明涉及新型材料的制備，尤其是關(guān)于一種可代替木材的由竹纖維加強的聚丙烯合成材料及其制備方法。
當(dāng)今社會，木材仍舊是一種在不同領(lǐng)域廣泛使用的材料之一，不僅可以進行內(nèi)部裝飾、家具制造，而且還是造船、建房等的基礎(chǔ)材料。
眾所周知，由于世界范圍內(nèi)對于木材，尤其是硬木的需求很大，從而出現(xiàn)了一些發(fā)展中國家過度采伐熱帶硬木林的現(xiàn)象，此種現(xiàn)象目前已受到極大關(guān)注。除部分由于生態(tài)環(huán)境遭到破壞的問題外，因供給量下降而需求居高不下而造成的成本明顯上升也是原因之一。
纖維板作為原木的替代品已經(jīng)在不同領(lǐng)域應(yīng)用多年，但是由于其本身的特性，如硬度不夠等原因，只能用于一般機械制造，而無法廣泛應(yīng)用于建筑施工及工業(yè)設(shè)計。因此，發(fā)明一種新型商品質(zhì)的木材替代材料就更顯迫切。
近年來，竹子因其本身固有一些優(yōu)點而倍受重視。竹子在亞洲儲量巨大，其機械性能堪木材相媲美，并且可以在較短時間內(nèi)再生。一棵竹子的成長期只需六至八個月為大多樹木的5％。
許多人做了大量嘗試，將竹子作為合成材料中的加強材料并且取得了成功。例如F.G.SHIN，X.J.XIAN及M.W.YIPP在ICCM--VIII，3，469(1989)項目過程中發(fā)現(xiàn)在不同的合成條件下，竹子--環(huán)氧樹脂合成材料具有不同的機械性能和斷裂極限。他們在1989年第19期ADVANCES IN MECHANISMS雜志上發(fā)表的“竹纖維加強的塑料合成材料的機械性能及應(yīng)用范圍的評估”(PP515-519)一文中對不同的纖維和樹脂組成的各種合成材料的機械性能進行了比較。
U.C.JINDAL，SEEMA JAIN及RAKESH KUMAR發(fā)表的“竹纖維/聚脂樹脂合成材料的發(fā)展及其斷裂極限”(J.Mater.Sci.Lett，12，1993，pp558-560)和“竹纖維及竹纖維合成材料的機械性能”(見J.Mater.Sci，27，1992pp4598-4604)兩文中討論了可應(yīng)用于簡單鑄塑工藝的竹纖維加強(BFR)合成樹脂的發(fā)展。實驗顯示BFR合成樹脂的抗拉強度極限與生鐵基本相似，但其密度僅為生鐵的八分之一，使其抗沖擊強度就比較差了。
在比較早的研究中，合成材料主要使用固本環(huán)氧樹脂或聚脂樹脂，這些材料的成本均比較高。
本發(fā)明的目的提供了一種成本低、但性能好的由竹纖維加強的聚丙烯合成材料。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種上述材料的制備方法。
本發(fā)明的以竹纖維加強的聚丙烯合成材料中含有40-80％的聚丙烯和20-60％的竹纖維。
其中，所述聚丙烯中可采用部分馬來酸化的聚丙烯；此時，本合成材料中含有16-50％的馬來酸化聚丙烯，40-60％的竹纖維，由普通聚丙烯補足100％。
本發(fā)明的以竹纖維加強的聚丙烯合成材料的制備方法包括將竹子加工成竹纖維，將竹纖維與聚丙烯混合均勻，加熱至，即可得到以竹纖維加強的聚丙烯合成材料。
其中，所述竹纖維的加工過程包括先用碾壓機將竹子切割成小條竹片，之后用用攪拌機將竹片壓碎制得所需長度的竹纖維，再將竹纖維在70-90℃的溫度下干燥40-50小時后用500um-2mm的篩子分選。合成材料中竹纖維的尺寸越小，其物理性能越好。所述竹纖維的長度應(yīng)＜2000um，優(yōu)選長度應(yīng)小于1000um。
影響竹纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素之一為竹纖維與基體間的結(jié)合力。眾所周知，相容體可以提高結(jié)合力，進而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于竹子的表面有親水性的極性羥基群，而聚丙烯(PP)是疏水的聚烯烴，這兩種材料的結(jié)合力很弱。因此，為了提高竹纖維與聚丙烯樹脂的結(jié)合能力，我們采用將聚丙烯經(jīng)過馬來酸化而得到馬來酸化聚丙烯(MAPP)作為相容體以提高結(jié)合力，因為馬來酸酐可與竹子表面的羥基群產(chǎn)生強烈的結(jié)合力。其中，一種馬來酸化聚丙烯是根據(jù)J.M.G.Martiner.J.Taranco，O.Laguna和E.P.COllar在Inter.Polymer processing LX，3，246(1994)上及S.N.Sathe，G.S.S.Rao.和S.Devi，J.Apl在Inter.polym.Sci.，53，246(1993)上描述的方法在溶液表面結(jié)合過氧化乙酰(BPO)制成的。聚丙烯表面結(jié)合的MAH大約為1％。此種方法獲得的馬來酸化聚丙烯被稱為s-MAPP。
另一種類型的馬來酸化聚丙烯是根據(jù)C.W.Lin，在J.Mater.Sci，Lett，12，612-614(1993)中描述的方法直接由聚丙烯、MAH和一種過氧化物引發(fā)劑混合反應(yīng)制成的。MAH和聚丙烯的反應(yīng)是先將聚丙烯粉末放入Haake Plasticorder型混合器加溫至160度，旋轉(zhuǎn)速度維持30rpm.3分鐘后聚丙烯融化加入dicumyl peroxide(DCP)，繼續(xù)加熱4分鐘，最后加入MAH加熱3分鐘。此種方法制得的馬來酸化聚丙烯被稱為m-MAPP。
通過實驗可知，馬來酐攙雜聚丙烯(MAPP)確實起到了相容體的作用，提高了竹纖維增強塑料(BFRP)復(fù)合材料的界面結(jié)合力，而且加強了MAPP與竹纖維間的鍵合力(例如，氫鍵)。于是，復(fù)合材料的力學(xué)性能大大增強。
在聚丙烯(PP)基體材料中，竹纖維的分布是很不均勻的，而在

圖10(b)中，可以看到，在聚丙烯/馬來酐攙雜聚丙烯(PP/MAPP)基體材料中，竹纖維的分布就好多了。
在以聚丙烯/馬來酐攙雜聚丙烯(PP/MAPP)為基體材料的復(fù)合材料中，馬來酐攙雜聚丙烯(MAPP)可以很輕易地促使重量比在50％-60％之間的竹纖維趨向于更好的分布。在竹子的重量百分比為50附近，得到了該復(fù)合材料的拉伸強度最大值(32-36兆帕)和拉伸模量最大值(5-6千兆帕)。和商業(yè)用木漿復(fù)合材料對比，竹纖維增強MAPP復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的拉伸強度，更小的密度(0.920)，和更低的成本。除此以外，竹子是再生的，并且對環(huán)境有獨到的調(diào)節(jié)效果，與我們以前的研究相聯(lián)系，可以看出，馬來酐攙雜聚丙烯(MAPP)能在竹子的表面生成結(jié)晶，而聚丙烯(PP)卻不可以。由此可以推測，在竹子材料和馬來酐攙雜聚丙烯基體材料之間形成的緊密的鍵接可能一部分是結(jié)晶的結(jié)果，一部分是氫鍵的結(jié)果。由此得到結(jié)論，竹纖維的作用是多方面的，一方面增強了復(fù)合材料，一方面作為MAPP結(jié)晶的形核中心。
所述聚丙烯與竹纖維的混合過程可在配料攪拌機中進行，也可在溶劑中進行，所述溶劑可為甲苯。
所述聚丙烯中還可以加入穩(wěn)定劑，所述穩(wěn)定劑可為第三丁基氫氧根苯基丙醛。
所述聚丙烯作為合成樹脂主要原料是基于其低廉的成本及其良好的機加工性能。它可以使此種新型合成材料很容易加工成板材、線材或片材。
本發(fā)明的以竹纖維加強的聚丙烯復(fù)合材料新型材料具有重量輕、較好的抗老化性能，在性能上可與傳統(tǒng)材料相媲美或好于傳統(tǒng)材料，易于設(shè)計和加工成成品，中等強度，不僅是家具制造及建筑等領(lǐng)域的良好材料，還適合應(yīng)用于更為廣泛的領(lǐng)域。
這種新復(fù)合材料的拉伸強度達到32-36兆帕，拉伸模量達到5-6千兆帕。與商業(yè)上可買到的木槳板相比，這種新材料更輕，防水，更便宜，尤為重要的是，它的拉伸強度要比商業(yè)產(chǎn)品的拉伸強度高3倍多。
合成材料的彈性及耐沖擊性可使用現(xiàn)有的各種技術(shù)進行檢驗評估。
彈性測試使用美國Universal testing mashine(UTM)公司產(chǎn)的SintecchlO/D彈性測試器，按照ATSM D639-90方法進行檢驗。用于檢驗彈性強度的竹子、聚丙烯及合成材料樣本應(yīng)按照ASTM D639-90樣本類型1中規(guī)定的尺寸制成啞鈴形。每種產(chǎn)品檢驗5個樣本，檢驗前，每個樣本頸部的寬度及厚度均應(yīng)使用數(shù)字式電子測徑尺進行測量。標準檢驗條件為彈性速度3.00mm/min，最大負荷50KN，伸長儀25.00mm，50％伸長。
合成材料的抗沖擊強度是使用CEAST擺錘式抗沖擊強度測量儀進行單擺式抗沖擊實驗的。測試方法諄循ISO 179-1982(E)。合成材料的切口樣品應(yīng)按照ISO 179-1982type 2A制成。樣品的切口應(yīng)使用CEAST切口機在樣品的中央切出。使用0.5J的擺錘對每種材料的15個樣本進行檢驗。
另外，根據(jù)實驗還得出了，成品中竹纖維的性狀及含量的多少對合成材料性能的影響，結(jié)果是合成材料的彈性強度隨著竹纖維含量的變化而變動，當(dāng)含量為50％左右時，彈性強度達到最高值；隨著竹纖維含量的增加，合成材料的抗沖擊強度也同樣逐漸增長；隨著竹纖維含量的增加，合成材料的彈性模數(shù)通常也跟著增長；隨著竹纖維尺寸的減少，彈性強度有所增加，當(dāng)竹纖維尺寸少于1000um時，這種增加就會特別明顯，抗沖擊強度有增加的趨墊，彈性模數(shù)有所增加，但是當(dāng)聚丙烯的馬來酸化的程度增加時，彈性強度會有明顯的增加。
下面結(jié)合實施例進一步描述本發(fā)明。
實施例其中，所使用的聚丙烯為Himent Chemical Inc.提供的Profax 6201型聚丙烯，聚丙烯(PP)粉，即Profax 6201，是從海夢得(Himont)化學(xué)香港有限公司購得。樣品中溶化流動指數(shù)為20，密度為0.920g/cm3。
樣品將使用普通聚丙烯制作，另外，還需填加以順丁烯二酸酐(MAH)為反應(yīng)觸媒制成的馬來酸化聚丙烯，以促進聚丙烯與竹纖維之間的內(nèi)部反應(yīng)。反應(yīng)是在甲苯溶劑中進行的。
制作樣品所使用的竹子是屬于Bammussa paravariabilis的一種在亞洲廣泛生長的竹子，制備纖維時，先用碾壓機將竹子切割成小條竹片，之后用雅馬哈MX--301型高速實驗室用攪拌機將竹片壓碎制得所需竹纖維。竹纖維在80度的溫度下干燥48小時后用500um-2mm的篩子分選。
將樹脂和竹纖維直接在容器內(nèi)混合，加熱至180度制得合成材料，并在180度的溫度下可直接壓制出各種厚度的片材。
馬來酐攙雜聚丙烯(MAPP)是用溶液表面制備的。反應(yīng)是在三頸圓底瓶中進行，該瓶裝配有冷凝器，溫度計和干燥氮氣入口。采用司馬來克(Cimarec)熱片進行加熱和攪動。反應(yīng)溫度維持在80攝氏度，并用水浴中的接觸溫度計將溫度控制在±0.5度的精度內(nèi)。將80克聚丙烯粉體分散在裝有600毫升甲苯的反應(yīng)器中。在整個反應(yīng)過程中，用氮氣進行凈化，以去除已溶解的氧。8克的馬來酐，預(yù)先溶在50攝氏度的熱甲苯中，加入到反應(yīng)器中。在反應(yīng)介質(zhì)經(jīng)過2分鐘的均勻化后，將預(yù)先溶在50攝氏度的熱甲苯中的0.8克苯酰過氧化氫加入到反應(yīng)器中。在磁力攪拌器的有力攪動下，進行了8小時的反應(yīng)。反應(yīng)完成后，用過濾器將溶劑過濾，并用丙酮將反應(yīng)產(chǎn)物清洗5次，以去除沒有反應(yīng)的馬來酐。將攙雜的聚丙烯產(chǎn)物在180毫毫泵壓強下，60攝氏度的真空爐中進行3小時的烘干。
所述成型過程用機械加工制得一個200×200毫米的不銹鋼模具。將模具裝配，清洗，并用革勒德烘焙(Glad bake)紙包裹起來。將竹纖維、聚丙烯(PP)和馬來酐攙雜聚丙烯(MAPP)的混合物在模具中均勻地分布，然后在熱壓(PHI)下壓縮成型。
在一系列實驗之后，最優(yōu)化的成型條件如下溫度為210℃；加熱和冷卻期間的壓縮壓強為5兆帕；預(yù)熱時間為5分鐘；加熱時間為20分鐘。
權(quán)利要求
1.一種以竹纖維加強的聚丙烯合成材料，其特征是含有40-80％的聚丙烯和20-60％的竹纖維。
2.如權(quán)利要求1所述的以竹纖維加強的聚丙烯合成材料，其特征是所述聚丙烯中采用部分馬來酸化的聚丙烯；此時，本合成材料中含有16-50％的馬來酸化聚丙烯，40-60％的竹纖維，由普通聚丙烯補足100％。
3.一種如權(quán)利要求1-2所述的以竹纖維加強的聚丙烯合成材料的制備方法，其特征是包括將竹子加工成竹纖維，將竹纖維與聚丙烯混合均勻，加熱至，即可得到以竹纖維加強的聚丙烯合成材料。
4.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述竹纖維的加工過程包括先用碾壓機將竹子切割成小條竹片，之后用用攪拌機將竹片壓碎制得所需長度的竹纖維，再將竹纖維在70-90℃的溫度下干燥40-50小時后用500um-2mm的篩子分選。
5.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述竹纖維的長度＜2000um。
6.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述竹纖維的長度＜1000um。
7.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述聚丙烯與竹纖維的混合過程在配料攪拌機中進行或在溶劑中進行。
8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征是所述溶劑為甲苯。
9.如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述聚丙烯中加入穩(wěn)定劑。
10.如權(quán)利要求3所述的制備方法， 其特征是所述穩(wěn)定劑為第三丁基氫氧根苯基丙醛。
全文摘要
本發(fā)明為一種以竹纖維加強的聚丙烯合成材料及其制備方法。本發(fā)明的合成材料中含有馬來酸化的聚丙烯、普通聚丙烯和竹纖維。制備時,將竹子加工成竹纖維,將竹纖維與聚丙烯混合均勻,加熱至,即可得到以竹纖維加強的聚丙烯合成材料。本發(fā)明的以竹纖維加強的聚丙烯復(fù)合材料新型材料具有重量輕、較好的抗老化性能,在性能上可與傳統(tǒng)材料相媲美或好于傳統(tǒng)材料,易于設(shè)計和加工成成品,中等強度,不僅是家具制造及建筑等領(lǐng)域的良好材料,還適合應(yīng)用于更為廣泛的領(lǐng)域。
文檔編號C08L23/12GK1261078SQ0010337
公開日2000年7月26日 申請日期2000年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月2日
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