专利名称：Mape增容的玄武岩纤维-木塑复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料及其制备方法，属于材料技术领域。
背景技术：
近年来，随着环保意识的提高和森林等生态资源的日益减少，生态材料的研究开发已成为热门话题。木塑复合材料(Wood Plastic Composites,简称WPC)以木纤维等植物纤维和热塑性塑料等为原料，经挤出、注塑、模压等成型方法制备而成，它继承了木材原有的加工性能、纹理及色泽，可广泛应用于家具、地板、托盘和汽车等领域；它可以用废弃塑料和废旧木材作为原料，从而直接实现“变废为宝”的转换过程。不过，木塑复合材料也有不足之处与实木相比，能耗大、制作成本高，密度大而强度偏低。目前还很难应用到结构材料等性能要求较高的行业。另一方面，玄武岩纤维(Basalt Fiber，简称BF)被誉为“21世纪无污染的绿色工业材料”，是天然玄武岩矿石经高温熔融后通过钼铑合金拉丝制成的一种新型纤维。玄武岩纤维原料来源广、成本低，并具有耐高温、耐腐蚀、隔热、吸音及低吸湿等优良性能，为高性价比的一种新兴高强纤维’，已广泛应用于交通路面，建筑加固等诸多领域。、
为了克服前述木塑的缺点，人们在材质配方，用玻纤增强，改性处理，加工工艺等方面作了大量的研究，并取得了一些可喜的效果。本发明人申请的申请号为 201010253516. 9，名称为玄武岩纤维增强的木塑复合材料及其制备方法的发明申请中木塑中用3mm、6mm短切玄武岩纤维增强市售木塑复合材料。本发明是在该发明申请文件基础上的改进发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种MAPE (马来酸酐接枝高密度聚乙烯)增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，抗拉强度、断裂伸长率、弯曲强度均比玄武岩纤维增强的木塑复合材料有明显增长。本发明的另一个目的是提供一种MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料制备方法。为解决上述技术问题，本发明是这样实现的
MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，其特征在于玄武岩纤维与木塑材料的重量比为I :6-1 :3，且MAPE的含量范围为1%_10%，较佳为3_9%，最佳为3%、6%。一种MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料制备方法，其特征在于包括以下步骤
(1)、采用双辊开炼机对玄武岩纤维、木塑材料、MAPE进行塑化混炼，前后辊筒温度分别为160-180。。和160-180°C，开炼IOmin ;玄武岩纤维与木塑材料的重量比为I 6到I :3，且 MAPE的含量范围为1-10重量％ ；
(2)、利用平板硫化机热压成型，成型温度170-180°C,预热5min,保压IOmin,压力6-IOMPa；
(3)、卸模后再冷压10-20min，即得成品。前述MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料制备方法，包括以下步骤
(1)、采用双辊开炼机对各组份进行塑化混炼，前后辊筒温度分别为160°C和170°C，开炼 IOmin ；
(2)、利用平板硫化机热压成型,成型温度180°C,预热5min,保压IOmin,压力8MPa；
(3)、卸模后再冷压15min，既得成品。。本发明的复合原理探讨如下在玄武岩纤维增强的木塑复合材料，主要由木质纤维，HDPE及玄武岩纤维组成，木质纤维为天然生长的植物，含有大量的羟基，亲水性强，玄武岩纤维为岩石经熔融后丝而成的无机材料，呈表面惰性，树脂HDPE也为疏水性的高分子材料。三者的界面主要通过物理的范德华力的吸附，机械摩擦等作用进行力的传递，并且因存在基团间活性和惰性(亲水和憎水)的不同而相互排斥作用，因而界面较 为薄弱。因为本实验所用的木塑市售获得，已经含有适量的添加剂，因此图2a，2b的样品虽然没有添加增容剂MAPE，但木质纤维与HDPE之间的界面应该得到了相当的改善，可隐约观察到木质纤维和HDPE两种物质，但它们相互已经不易完全区分，说明有较好的相容性； 与此不同，图2b中的玄武岩纤维纤维表面较为光洁，很容易将它从木塑中区分出来。这说明原来木塑中含有的添加剂并没有对玄武岩纤维与木塑之间起到太大的增容作用，玄武岩纤维与木塑之间的界面仍然为前述较为薄弱的“Model O”界面。加有MAPE样品，由于增容剂MAPE中的酐基与木纤维中的醇羟基发生酯化反应，在它们之间形成化学结合的同时，降低了纤维的极性和亲水性。根据“极性相似相容”原则，木质纤维亲水性的下降，意味着非极性基团增加，从而容易与憎水性的HDPE及表面惰性的玄武岩纤维相容，提高了木塑与玄武岩纤维之间的结合强度；与此同时，MAPE中的长链可以插入基体中，形成较强的结合，它起到了增强纤维和基体之间联接的桥梁作用，由此提高了纤维和基体间的结合强度[38]。从而形成了大量前述的“Model I”界面(见图2，图3)。至于更加深层次的机理，例如MAPE 与木质纤维的脂化程度，MAPE插入基体的深度及其数量，是否发生横向结晶以及小量的化学结合等将有待于日后深化研究。总之，本发明采用MAPE增容玄武岩纤维-木塑复合材料，UBF-WPC的力学性能一开始随着MAPE含量的增加而快速提高，MAPE含量为6%前达到最大值。与无MAPE的样号相比，抗拉，弯曲强度及断裂伸长率的最大增幅均在三分之一以上。2)在拉伸断口破坏微观形态上，添加MAPE后木质纤维与HDPE几乎已经融合成一体，并在BF表面形成界面层。
图I为不同MAPE含量的样品的力学性能曲线；
图2为添加MAPE前后所得复合材料的拉伸破坏断面形貌图，其中
图2a、2b未添加MAPE ；
图 2c、2d、2e、2f 添加 MAPE ；
图3是MAPE改性前后玄武岩纤维与木塑界面层的概念图，其中
图3a中玄武岩纤维表面光滑；
图3b中玄武岩纤维表面的局部形成界面层；图3c只是界面层环包玄武岩纤维表面，且界面层断口形貌为波状，如同由许多个“D” 重叠构成；
图3d只是界面层环包玄武岩纤维表面，且界面层断口较为平坦；
图3e为玄武岩纤维和木塑材料紧靠结合的模式图(model O)；
图3f为玄武岩纤维和木塑材料紧靠结合的模式图(model I)；
图4.为样品的TG及DSC曲线，由图4可知，各曲线根据熔融峰温度的高低可分成两组 左侧为低温组，右侧为高温组，两组之间熔融峰温度相差约5°C。高温组只有MAPE含量为3% 和6%的两个样品。而样品的熔融峰温度高，说明复合材料的熔融困难，意味着材料中各成分之间的结合更加牢固。因而在MAPE含量为3%和6%时，应该有最好的机械(强度)性能。 这与前述的各力学性能指标 的最大值主要出现在MAPE含量为6%以下的实验结果一致(见图I)。至于MEPA含量大于6%后，各项力学性能不再随MEPA含量增加而明显提高的理由， 可认为是由于MAPE本身拉伸和弯曲强度与HDPE大致相近，当MAPE含量过多(如9%或以上)，过剩的增容剂充当了基体HDPE的作用，反而可能会影响到界面层质量(如界面层过厚或强度下降)，表现为拉伸和弯曲强度有所下降(图1，回归实线及表I)。当然，因MAPE本身具有较好的塑性，此时样品断裂伸长率继续得到小幅的改善(图1，回归实线)。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明做进一步的详细说明。木塑料粒(柚木粉HDPE=7:3，上海鑫记鑫有限公司);玄武岩纤维(浙江石金玄武岩纤维有限公司，短切长度6 mm，直径17μπι) ；ΜΑΡΕ (ΚΤ-12，沈阳科通塑胶科技有限公司)。双辊开炼机(SK160-B，上海第一橡胶机械厂)；平板硫化机(XLB-25 D型平板硫化机， 上海第一橡胶机械厂)、XLB-400 D高温型平板硫化机，上海第一橡胶机械厂)。实施例I
一种MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，以玄武岩纤维木塑材料=I -A (重量比)为前提，按0%，3%，... 12重量%加入MAPE,(代号分别为“25-0%”，…，“25-12%”，简写为0%，…，12%)，另加一纯木塑作为对比样号(编号为“0-0%”)，因此，共设计了 6组实验。一种MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料制备方法，包括以下步骤
(1)、采用双辊开炼机(SK160-B，上海第一橡胶机械厂)对各组份进行塑化混炼，前后辊筒温度分别为160°C和170°C，开炼IOmin ；
(2)、利用平板硫化机(XLB-25D型平板硫化机，上海第一橡胶机械厂)热压成型，成型温度180°C,预热5min,保压IOmin,压力8MPa ；
(3)、卸模后再冷压15min(XLB-400 D高温型平板硫化机，上海第一橡胶机械厂)。力学性能测试分别按国标GB/T 1040. 2-2006和GB/T 1449-2005制备哑铃型拉伸试样和条形弯曲试样，并在电子万能试验机(REGER-200A，深圳市瑞格尔仪器制造有限公司)上进行拉伸和弯曲性能试验。每次实验的样本容量为5，各样品均重复二次，因此总样本容量为15。由图I中的点画线可知，玄武岩纤维-木塑的各力学性能一开始随着MAPE含量的增加而快速提高，到MAPE含量为6%前达到了最大值附近。此时，与未加MAPE的样品相比， 增幅均在三分之一以上；与纯木塑相比，抗拉强度和弯曲强度的增幅在50%以上。其后，拉伸和弯曲强度有所下降，断裂伸长率则基本保持不变。表I为MAPE的增容改性效果(％)
比较基准I断裂强度I断裂伸长率I弯曲强度
无 MAPE 34_42(36*) 43_
荷禾塑丨72丨30(25*) 丨58
*括号内数据为回归曲线上MAPE含量为6%时的增容改性效果
显微观察切取实施例I的样品，经真空喷金，再利用SEM (JSM-5610LV)观察试样断口
形态。由图2a、2b可知，两个对比样品没有添加MAPE，玄武岩纤维纤维表面光滑(图2b箭
头)，并可观察到有木纤维和HDPE这两种成分存在(见图2a，b中的三角及角号星所示)，呈
犬牙或者说是毛刺状的断口形态；由图2b-f可知对于含有玄武岩纤维的各样品，均有外伸
的玄武岩纤维(箭头)残留在断面上，其根部包裹在木塑基体中。对于加有MAPE的样品，就
玄武岩纤维表面形貌而言，虽然也有少量看似较为光洁的纤维存在(图2e，箭头)，但多数
玄武岩纤维表面已经形成了具有一定厚度的界面层，界面层有的凹凸不平的(图2d，2e宽
箭头)，也有看上去比较光滑的(图2c，2f宽箭头);就木质纤维与HDPE而言，MAPE几乎已经
将它们融合成一体，已经观察不到前述的毛刺，断面形貌变得柔和密实(图2c-2f，六角螺
母所示)。甚至可以可观察到一些“丝状”及网状的断口形貌(图2d，f，弯形箭头)。为了从断口形貌分析MAPE的增容效果，图3a_3d给出断口中玄武岩纤维周围几种典型的界面形式。其中，有如图3a所示玄武岩纤维表面光滑，没有形成界面层的Type O ;有如图3b所示在玄武岩纤维局部表面形成界面层(IL)厚度为“t”的Type E ；Type D和Type I则和Type E类似，只是界面层遍布(环包)玄武岩纤维表面，且前者断口形貌为波状，如同由许多个“D”重叠构成(图3c)，后者则较为平坦(图3d)。不过，从强化机理与效果上看，可将它们归纳成两个模式图，不妨称之为“Model O”和“Model I'Model O对应于Type 0，图中玄武岩纤维和木塑材料只是紧靠的(图3e)，没有界面层，没有加MAPE时均为这种形式； Model I对应于Type E，D和Type I，加有MAPE的样品多为此类界面，同时也只出现在加有MAPE的样品中。本模式图中用一具有一定透视率的平面(图中用倾斜的方框)表示MAPE 及其增容效果。图中MAPE平面置于最表层，并覆盖(或包容)玄武岩纤维和木塑材料，寓意 MAPE对它们都起增容作用；再通过半透视的庶挡作用，图3f中的玄武岩纤维，木塑材料，包括木塑材料中的HDPE和木纤维(Wood fiber)之间的界线图3e要模糊得多，这样就能很好地表达了 MAPE增容所形成的界面模糊与柔和效果。当然，图中一细长的条形，就代表玄武岩纤维和木塑之间所形成厚度为t的界面层了(图3b-d，f)。为了叙述方便，本文用Li和 Lo表示界面层的内，外表面。由图3b-d可知，Model I的断口均不在与玄武岩纤维结合的界面层的内表面Li上，而是在与木塑结合的外表面Lo上，这定性证明了内表面Li的结合力比外表面Lo大，从而证实了添加MAPE后玄武岩纤维表面与木塑之间的结合状态已经得到有效的改善。由此，本模式图不仅首次给出了 MAPE与玄武岩纤维和木塑材料之间的相互关系，界面层概念，而且很好地图解，并论证了 MAPE的增容效果。同时，设置实施例，复合材料中玄武岩纤维与木塑材料的重量比为I :6，MAPE含量为6%，复合材料抗拉强度、弯曲强度及断裂伸长率的增幅分别为40%、60%、50%。同时，设置实施例，复合材料中玄武岩纤维与木塑材料的重量比为I :3，MAPE含量为6%。复合材料抗拉强度、弯曲强度及断裂伸长率的增幅分别为45%、62%、55%。上述具体实施方式
不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围 。
权利要求
1.MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，其特征在于玄武岩纤维与木塑材料的重量比为I :6到I :3，且MAPE的含量范围为1-10重量％。
2.根据权利要求I所述的MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，其特征在于且MAPE的含量范围为3-9重量％。
3.根据权利要求I所述的MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，其特征在于且MAPE的含量为3重量％、6重量％。
4.一种MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料制备方法，其特征在于包括以下步骤 (1)、采用双辊开炼机对玄武岩纤维、木塑材料、MAPE进行塑化混炼，前后辊筒温度分别为160-180。。和160-180°C，开炼IOmin ;玄武岩纤维与木塑材料的重量比为I 6到I :3，且MAPE的含量范围为1-10重量％ ； (2)、利用平板硫化机热压成型，成型温度170-180°C,预热5min,保压IOmin,压力6-IOMPa； (3)、卸模后再冷压10-20min，即得成品。
5.基于权利要求4所述的MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料制备方法，其特征在于包括以下步骤 (1)、采用双辊开炼机对玄武岩纤维、木塑材料、MAPE进行塑化混炼，前后辊筒温度分别为 160。。和 170°C，开炼 IOmin ； (2)、利用平板硫化机热压成型,成型温度180°C,预热5min,保压IOmin,压力8MPa； (3)、卸模后再冷压15min，即得成品。
6.根据权利要求4所述的MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料制备方法，其特征在于其特征在于MAPE的含量范围为3-9重量％。
7.根据权利要求4所述的MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，其特征在于且MAPE的含量为3重量％、6重量％。
全文摘要
本发明涉及一种MAPE增容的玄武岩纤维-木塑复合材料，其特征在于玄武岩纤维与木塑材料的重量比为1∶6到1∶3，且MAPE的含量范围为1-10重量%。制备方法，包括以下步骤(1)采用双辊开炼机对玄武岩纤维、木塑材料、MAPE进行塑化混炼，前后辊筒温度分别为160℃和170℃，开炼10min；(2)利用平板硫化机热压成型，成型温度180℃，预热5min，保压10min，压力8MPa；(3)卸模后再冷压15min，即得成品。获得的复合材料与无MAPE的样号相比，抗拉，弯曲强度及断裂伸长率的最大增幅均在三分之一以上。且添加MAPE后木质纤维与HDPE几乎已经融合成一体，并在BF表面形成界面层，复合效果好。
文档编号C08L97/02GK102702762SQ201210087410
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者李敏, 王勇, 谢娟, 陈锦祥 申请人:东南大学