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CN109023719A - 一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料及其制备方法 - Google Patents

一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料及其制备方法 Download PDF

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CN109023719A
CN109023719A CN201810585675.5A CN201810585675A CN109023719A CN 109023719 A CN109023719 A CN 109023719A CN 201810585675 A CN201810585675 A CN 201810585675A CN 109023719 A CN109023719 A CN 109023719A
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杨海存
龚方红
马文中
陶国良
刘春林
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Changzhou University
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Changzhou University
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  • Textile Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料及其制备方法，其制备方法包括以下制备步骤：(1)聚丙烯纤维的制备；(2)聚丙烯纤维表面羧基化；(3)玻璃纤维表面改性；(4)聚丙烯纤维和玻璃纤维的混合：使用纤维自称重混合系统将聚丙烯纤维和玻璃纤维混合，控制混合环境湿度为33～43％，控制混合环境温度为20～30℃；(5)压制成型：将精确混合后的聚丙烯纤维和玻璃纤维织物进行热压成型。本制备方法工艺步骤简单，且生产过程连续，生产效率高，设备简单，技术便于掌握，聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料一方面具备较好机械性能，另一方面，与常用的浸渍法相比，混纺法更便于加工。

Description

一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于混杂纤维复合材料技术领域，尤其涉及一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料及其制备方法。
背景技术
科学技术的创新和发展推动了材料的持续更新和发展，而新材料则成为推动与发展高科技领域的重点和关键。特别是在材料改性与纺织领域，对新材料的创新和要求越来越得到人们的重视。多组分复合线是指将两种或者两种以上的纤维通过纱线加工工艺制备而成的一种新型纱线，通过改变纱线的混杂方式与结构，可以获得力学性能优良的多组分复合线，实现纤维之间的优势互补，在保证力学性能的基础上，还能减少原料成本，实现较高的性价比。将复合线通过机织、针织或编织技术制得二维或三维、单向或多向的纺织预制件，可以制得高性能的复合材料，具有高韧性并且耐冲击性能好，耐环境及化学腐蚀能力强，性价比高，可以进行多次加工，实现再生和再利用等诸多优点。玻璃纤维增强复合材料通过调节混杂纤维的体积分数，可以得到不同力学性能的成品制件，以适应各种领域的技术需要，保证了纤维增强复合材料的选材自由度得到逐步满足；在保证各项应用性能的条件下，用廉价且环保的纤维代替部分价格昂贵纤维，可大大降低原料和生产成本；用环保型高性能纤维代替普通合成纤维，可满足绿色可持续发展的要求。纤维混杂增强复合材料的发展属于新型复合材料领域，对其研究和发展不仅能够进一步扩大复合材料的应用范围，使制品既保留同种增强纤维的优势和特点，同时也实现了多种纤维之间的协同配合，使复合材料产品实现低成本条件下的多功能化。随着科技的创新和发展，混杂纤维复合材料的产品日益成熟，性能逐步改善，应用范围越来越广泛，并成功地应用于航空航天、汽车等制造工业领域。
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。而相对于聚丙烯，强度高，是制造渔网、缆绳的理想材料；耐磨性和回弹性好，强度与涤纶和锦纶相似，回弹率可与锦纶、羊毛相媲美，比涤伦、粘胶纤维大得多；但其尺寸稳定性差，易起球和变形，抗微生物，不蛀；耐化学药品性优于一般纤维。聚丙烯纤维的熔点低(165～173℃)，对光和热的稳定性差，所以，聚丙烯的耐热性、耐老化性差，不耐熨烫。但两者的结合混纺更有利于其两者的优势互补，补齐不足，使混合物既具有聚丙烯的耐磨行等优点也具有玻纤的耐热性等优点。但现有技术中聚丙烯与连续玻璃纤维的混纺织物存在结合性能不理想，制备过程复杂，生产效率低等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、生产效率高且能够制备出具有强度高、耐热、耐磨性能好的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料的制备方法。
为了解决上述技术问题，采用如下技术方案:一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，是由表面羧基化的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混纺编织而成。
进一步优化的，热复合材料中的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为30％～70％。纤维含量越高，理论强度越高，当纤维含量在30％～70％时，可以实现较高强度下的良好润湿效果。
进一步优化的，聚丙烯纤维为黑色聚丙烯纤维，其纤维规格为6D。
进一步优化的表面羧基化的聚丙烯纤维是由如下方法制得：牵引聚丙烯纤维单丝通过无机氧化剂和硫酸的混合溶液，随后经碱水洗涤，烘干后收卷即得表面羧基化的聚丙烯纤维。
更进一步优化的，无机氧化剂和硫酸的混合溶液的温度为30～75℃。
更进一步优化的，无机氧化剂为K2Cr2O7和/或Na2Cr2O7.
更进一步优化的，无机氧化剂浓度为0.02～0.3mol/L，硫酸浓度0.02～5mol/L。
如上所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料的制备方法，包括纤维自称重混合系统将表面羧基化的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合，然后编织成型，再经热压成型后制得所述混纺纤维复合材料。
进一步优化的，热压成型的压力为3～7MPa，温度为180～210℃。
进一步优化的，将表面羧基化的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合的具体过程如下：
将所述表面羧基化的聚丙烯纤维和所述的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维先经过预混合处理，然后用多轴金属针布预开松机粗开松，再将所述表面羧基化的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维进行旋风混合，再用多轴金属针布精开松机精开松，再在精开松后的所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维中加入大仓混棉，最后用梳理机进行开松处理，使硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维和羧基化改性的聚丙烯纤维混合，其中硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为30％～70％。
由于采用上述技术方案，具有以下有益效果:
本发明为一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料的制备方法，本发明的原料聚丙烯纤维和玻璃纤维的采用较为广泛，价格低廉，获取容易，选取机动性较高，其中选用纤维规格为6D的黑色聚丙烯纤维，可以保证良好的润湿性。本制备方法工艺步骤简单，且生产过程连续，生产效率高，设备简单，技术便于掌握，另外，通过本制备方法出的聚丙烯玻纤热塑性复合材料具备高强度、良好的耐冲击性能、吸热导热性能等优点；
本发明解决了导热材料强度不足、不易加工生产，浪费资源、对环境造成污染、使用寿命短的问题，本发明的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料一方面具备较好的导热性能，另一方面增强了导热材料的机械性能，便于加工。
混纺编制过程中，本发明还进一步控制混合环境湿度为35-41％，控制混合环境温度为22-28℃，这样可以最大程度地避免静电对聚丙烯纤维和玻璃纤维混合的影响。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
实施例1：
(1)聚丙烯纤维的制备：以拉丝级聚丙烯全新粒料为配料，在聚丙烯中加以适当的相容剂，并在配料中添加复配抗氧化剂，所述复配抗氧化剂由质量分数为28％的抗氧化剂1010、12％的抗氧化1024、23％的Omnistab 46、15％的抗氧化剂2246，得到聚丙烯纤维，聚丙烯纤维的氧化诱导时间大于30min。
(2)聚丙烯纤维的表面羧基化：通过三辊收卷机牵引聚丙烯(PP)纤维单丝通过一定温度℃的K2Cr2O7和硫酸的混合溶液，PP纤维单丝在混合液中的时间约为1分钟左右，混合溶液中K2Cr2O7浓度为0.1mol/L，硫酸浓度为2mol/L，处理温度为50℃，随后通过经碱水洗涤，烘干后收卷即得表面羧基化的PP单丝。
(3)连续玻璃纤维的改性：先选取无碱玻璃纤维长丝，让其经过一个装有KH550的乙醇溶液的容器，烘干后收卷。
(4)聚丙烯纤维和连续玻璃纤维的混纺编织：使用纤维自称重混合系统将聚丙烯纤维和玻璃纤维混合，然后以0和90度叠加编织成型，控制混合环境湿度为43％，控制混合环境温度为24℃。其中纤维自称重混合系统将表面羧基化改性的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合的具体过程如下：将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维先经过预混合处理，然后用多轴金属针布预开松机粗开松，再将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维进行旋风混合，再用多轴金属针布精开松机精开松，再在精开松后的所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维中加入大仓混棉，最后用梳理机进行开松处理，使硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维和羧基化改性的聚丙烯纤维混合，其中硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为，玻纤含量50％。(5)压制成型：将编织好的材料进行热压成型。压力为5MPa，热压温度200℃。
项目 拉伸强度(MPa) 弯曲强度(MPa) 断裂伸长率(％) 弯曲模量(MPa)
指标 270 270 2.1 10800
实施例2
(1)聚丙烯纤维的制备：以拉丝级聚丙烯全新粒料为配料，在聚丙烯中加以适当的相容剂，并在配料中添加复配抗氧化剂，所述复配抗氧化剂由质量分数为28％的抗氧化剂1010、12％的抗氧化1024、23％的Omnistab 46、15％的抗氧化剂2246，得到聚丙烯纤维，聚丙烯纤维的氧化诱导时间大于30min。
(2)聚丙烯纤维的表面羧基化：将通过三辊收卷机牵引PP纤维单丝连续通过一定温度℃的K2Cr2O7和硫酸的混合溶液，PP纤维单丝在混合液中的时间约为1分钟左右，混合溶液中K2Cr2O7浓度为0.3mol/L，硫酸浓度为4mol/L，处理温度为60℃，随后通过经碱水洗涤，烘干后收卷即得表面羧基化的PP单丝。
(3)连续玻璃纤维的改性：先选取无碱玻璃纤维长丝，让其经过一个装有KH792的乙醇溶液的容器，烘干后收卷。
(4)聚丙烯纤维和连续玻璃纤维的混纺编织：使用纤维自称重混合系统将聚丙烯纤维和玻璃纤维混合，然后以0和90度叠加编织成型，控制混合环境湿度为35％，控制混合环境温度为28℃。其中纤维自称重混合系统将表面羧基化改性的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合的具体过程如下：将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维先经过预混合处理，然后用多轴金属针布预开松机粗开松，再将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维进行旋风混合，再用多轴金属针布精开松机精开松，再在精开松后的所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维中加入大仓混棉，最后用梳理机进行开松处理，使硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维和羧基化改性的聚丙烯纤维混合，其中硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为，玻纤含量60％。
(5)压制成型：将编织好的材料进行热压成型。压力为6MPa，热压温度190℃。
项目 拉伸强度(MPa) 弯曲强度(MPa) 断裂伸长率(％) 弯曲模量(MPa)
指标 288 276 2.2 11000
实施例3
(1)聚丙烯纤维的制备：以拉丝级聚丙烯全新粒料为配料，在聚丙烯中加以适当的相容剂，并在配料中添加复配抗氧化剂，所述复配抗氧化剂由质量分数为28％的抗氧化剂1010、12％的抗氧化1024、23％的Omnistab 46、15％的抗氧化剂2246，得到聚丙烯纤维，聚丙烯纤维的氧化诱导时间大于30min。
(2)聚丙烯纤维的表面羧基化：通过三辊收卷机牵引聚丙烯(PP)纤维单丝通过一定温度℃的K2Cr2O7和硫酸的混合溶液，PP纤维单丝在混合液中的时间约为1分钟左右，混合溶液中Na2Cr2O7浓度为0.2mol/L，硫酸浓度为1mol/L，处理温度为70℃，随后通过经碱水洗涤，烘干后收卷即得表面羧基化的PP单丝。
(3)连续玻璃纤维的改性：先选取无碱玻璃纤维长丝，让其经过一个装有KH550的乙醇溶液的容器，烘干后收卷。
(4)聚丙烯纤维和连续玻璃纤维的混纺编织：使用纤维自称重混合系统将聚丙烯纤维和玻璃纤维混合，然后以0和90度叠加编织成型，控制混合环境湿度为40％，控制混合环境温度为25℃。其中纤维自称重混合系统将表面羧基化改性的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合的具体过程如下：将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维先经过预混合处理，然后用多轴金属针布预开松机粗开松，再将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维进行旋风混合，再用多轴金属针布精开松机精开松，再在精开松后的所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维中加入大仓混棉，最后用梳理机进行开松处理，使硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维和羧基化改性的聚丙烯纤维混合，其中硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为，玻纤含量70％。
(5)压制成型：将编织好的材料进行热压成型。压力为7MPa，热压温度210℃。
项目 拉伸强度(MPa) 弯曲强度(MPa) 断裂伸长率(％) 弯曲模量(MPa)
指标 248 236 2.1 9800
实施例4
(1)聚丙烯纤维的制备：以拉丝级聚丙烯全新粒料为配料，在聚丙烯中加以适当的相容剂，并在配料中添加复配抗氧化剂，所述复配抗氧化剂由质量分数为28％的抗氧化剂1010、12％的抗氧化1024、23％的Omnistab 46、15％的抗氧化剂2246，得到聚丙烯纤维，聚丙烯纤维的氧化诱导时间大于30min。
(2)聚丙烯纤维的表面羧基化：通过三辊收卷机牵引聚丙烯(PP)纤维单丝通过一定温度℃的K2Cr2O7和硫酸的混合溶液，PP纤维单丝在混合液中的时间约为1分钟左右，混合溶液中Na2Cr2O7浓度为0.15mol/L，硫酸浓度为4mol/L，处理温度为50℃，随后通过经碱水洗涤，烘干后收卷即得表面羧基化的PP单丝。
(3)连续玻璃纤维的改性：先选取无碱玻璃纤维长丝，让其经过一个装有KH792的乙醇溶液的容器，烘干后收卷。
(4)聚丙烯纤维和连续玻璃纤维的混纺编织：使用纤维自称重混合系统将聚丙烯纤维和玻璃纤维混合，然后以0和90度叠加编织成型，控制混合环境湿度为43％，控制混合环境温度为22℃。其中纤维自称重混合系统将表面羧基化改性的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合的具体过程如下：将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维先经过预混合处理，然后用多轴金属针布预开松机粗开松，再将所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维进行旋风混合，再用多轴金属针布精开松机精开松，再在精开松后的所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维中加入大仓混棉，最后用梳理机进行开松处理，使硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维和羧基化改性的聚丙烯纤维混合，其中硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为，玻纤含量40％。
(5)压制成型：将编织好的材料进行热压成型。压力为6MPa，热压温度180℃。
项目 拉伸强度(MPa) 弯曲强度(MPa) 断裂伸长率(％) 弯曲模量(MPa)
指标 258 225 2.0 7500

Claims (10)

1.一种聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，其特征在于：所述混纺热复合增强材料是由表面羧基化的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混纺编织而成。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，其特征在于，所述混纺热复合增强材料中的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为30％～70％。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，其特征在于，所述聚丙烯纤维为黑色聚丙烯纤维，其纤维规格为6D。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，其特征在于，所述表面羧基化的聚丙烯纤维是由如下方法制得：
牵引聚丙烯纤维单丝通过无机氧化剂和硫酸的混合溶液，随后经碱水洗涤，烘干后收卷即得表面羧基化的聚丙烯纤维。
5.根据权利要求4所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，其特征在于，所述无机氧化剂和硫酸的混合溶液的温度为30～75℃。
6.根据权利要求4所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，其特征在于，所述无机氧化剂为K2Cr2O7和/或Na2Cr2O7。
7.根据权利要求4所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料，其特征在于，所述无机氧化剂浓度为0.02～0.3mol/L，所述硫酸浓度为0.02～5mol/L。
8.如权利要求1至7中任一项所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括将表面羧基化的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合，然后编织成型，再经热压成型后制得所述混纺纤维复合材料。
9.根据权利要求8所述的聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料的制备方法，其特征在于，所述热压成型的压力为3～7MPa，温度为180～210℃。
10.根据权利要求8所述聚丙烯纤维连续玻璃纤维混纺热复合增强材料的制备方法，其特征在于，所述纤维自称重混合系统将表面羧基化的聚丙烯纤维和硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维混合的具体过程如下：
将所述表面羧基化的聚丙烯纤维和所述的硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维先经过预混合处理，然后用多轴金属针布预开松机粗开松，再将所述表面羧基化的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维进行旋风混合，再用多轴金属针布精开松机精开松，再在精开松后的所述羧基化改性的聚丙烯纤维和所述硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维中加入大仓混棉，最后用梳理机进行开松处理，使硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维和羧基化改性的聚丙烯纤维混合，其中硅烷偶联剂改性的连续玻璃纤维含量为30％～70％。
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