本发明涉及PVC管材料技术领域，尤其涉及一种绿色抗菌碳纤维增强PVC材料及其制备方法。
背景技术：
传统PVC材料具有以下不足：耐候性差，易变形；抗菌性差，易滋生有害细菌；不环保，使用铅盐稳定剂，对人体有害；生产过程操作不规范，产品易黄变；模量与强度不足，产品使用安全水平总体较低；加工水平低，产品附加值低。所以，制备具有绿色、抗菌效果的增强材料具有重要意义。
中国专利申请号201210043789.X公开了一种玻璃纤维增强PVC材料及其制备方法，将添加有经硅烷基浸润剂浸润处理后的短切玻璃纤维原丝的干混料通过异向双螺杆挤出机和挤出模具获得玻璃纤维增强PVC材料。但其所述材料强度提升有限，且未涉及绿色环保性能和抗菌性能，产品附加值较低。
中国专利申请号201120213000.1公开了一种聚对苯二甲酸丁二醇酯碳纤维聚氯乙烯复合材料，在聚氯乙烯材料的各个型腔的插槽内安装固定聚对苯二甲酸丁二醇酯-碳纤维高增强工程塑料支撑壁。但其所述材料由于两部分收缩不同，在冷热交替环境中可能出现较大内应力而造成材料开裂，且未涉及绿色环保性能及抗菌性能。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种模量高、抗疲劳性能好、抗高低温性能好、破坏安全性高的绿色抗菌碳纤维增强PVC材料，质量轻、防水性好，阻燃性好，绿色环保。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种绿色抗菌碳纤维增强PVC材料，包括以下重量份的原料：PVC树脂100份，钛白粉3-6份，改性高岭土5-10份、抗冲击改性剂5-12份，环保型稳定剂3-5份，润滑剂0.5-3份，无机抗菌剂4-8份，紫外线吸收剂0.3-0.5份、改性硫酸钡5-10份、复合助剂2-5份，经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维1-20份，增白剂0-5份。
所述改性高岭土由以下方法制备：将高岭土在400-500℃下煅烧1-2小时，冷却至常温后放入质量浓度为10-15％的硫酸溶液中浸泡1-3小时，过滤，洗涤至中性，烘干，粉碎，过300-400目筛；过筛后的粉末加水搅拌制成浓度为40-50％的悬浮液，然后加入悬浮液重量1-2％的三聚磷酸钠、1-2％的水溶性纳米级硅溶胶、2-3％的钼酸钠，2000-3000rpm高速剪切分散10-15分钟，喷雾干燥即可。
所述改性硫酸钡由以下组分组成：硫酸钡50-70份、偶联剂0.5-3.0份、硬脂酸0.3-0.6份。添加改性的硫酸钡，提高隔音效果。
所述复合助剂由以下方法制备：按重量份比例将纳米氧化锌5-8份、纳米二氧化硅3-5份和三氧化二锑3-5份加入适量乙醇中超声分散10-15分钟，然后加入单宁酸0.3-0.5份、铝酸酯偶联剂2-4份，在300-400转/分钟条件下搅拌30-40分钟，过滤并洗涤，真空干燥后加入白矿油3-6份、单硬脂酸甘油酯1-3份在80-90℃、800-900转/分钟条件下搅拌1-2小时，过滤后洗涤干燥即得。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维直径为4.3-7μm，密度为1.75-1.96g/cm3，丝数为500-24000根，含碳量大于95％，伸长率大于1.6％。
所述的环保型稳定剂为钙锌复合稳定剂。
所述的无机抗菌剂为ZnO/Ag纳米复合无机抗菌剂。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维由以下方法制备：
步骤1.洗涤：用丁酮或二氯甲烷抽提碳纤维短切纤至无热失重；
步骤2.氧化：在80-90℃温度下，用酸性溶液氧化处理洗涤后的碳纤维45min至2h；
步骤3.涂覆：将氧化后的碳纤维放入PVC糊料中混合，160-200℃温度下烘干塑化后收丝。氧化后的碳纤维与PVC糊料的重量比可以为1:3。
所述的绿色抗菌碳纤维增强PVC材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1.混合：a.将PVC树脂加入热混机中高速混合，再依次加入环保型稳定剂、抗冲改性剂、无机抗菌剂、钛白粉、改性高岭土、紫外线吸收剂、改性硫酸钡、复合助剂、增白剂；
b.启动热混机，转速为600r/min至850r/min；
c.在95-105℃时，加入润滑剂；
d.在120-130℃时，将热混机中的混合料送入冷混机中；
步骤2.冷混：在冷混机中搅拌，料温至45℃以下出料；
步骤3.成型：将冷却后的混合料放入挤出机主喂料料斗，将经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维放入挤出机侧喂料料斗，然后挤出成型；所述挤出机自进料口至出料口分为4段，分别为一区、二区、三区和口模，设置一区温度为170℃至180℃，二区温度为165℃至170℃，三区温度为170℃至175℃，口模温度为180℃至185℃。
与已有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明添加经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维，对碳纤维表面进行改性，提高了与树脂基体的相容性，大大提高了复合材料的强度，比强度可达到金属材料5倍以上，但比重较轻，仅为钢铁的1/5。而且本发明的PVC材料在保证高强度的同时，兼具抗菌性能，使此种新型PVC材料具有多功能化优势，扩展应用范围。
(2)本发明的PVC材料具有出色的抗热冲击性能和较低的线性膨胀率，在使用过程中形变量较小，而且防水性好，质量轻。
(3)本发明中所述的绿色抗菌碳纤维增强PVC材料成本较金属材料低1至2倍，正常使用寿命较普通树脂基材料和金属材料延长了2至4倍，综合性价比较高。
(4)本发明采用绿色环保型助剂，无重金属成分，绿色环保性能较高。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不仅限于这些实施例，在未脱离本发明宗旨的前提下，所作的任何改进均落在本发明的保护范围之内。
实施例1：
一种绿色抗菌碳纤维增强PVC材料，各原料配比如下：
所述改性高岭土由以下方法制备：将高岭土在400℃下煅烧2小时，冷却至常温后放入质量浓度为10％的硫酸溶液中浸泡3小时，过滤，洗涤至中性，烘干，粉碎，过300目筛；过筛后的粉末加水搅拌制成浓度为40％的悬浮液，然后加入悬浮液重量1％的三聚磷酸钠、2％的水溶性纳米级硅溶胶、2％的钼酸钠，2000rpm高速剪切分散15分钟，喷雾干燥即可。
所述改性硫酸钡由以下组分组成：硫酸钡50份、偶联剂0.5份、硬脂酸0.6份。
所述复合助剂由以下方法制备：按重量份比例将纳米氧化锌5份、纳米二氧化硅5份和三氧化二锑3份加入适量乙醇中超声分散10分钟，然后加入单宁酸0.3份、铝酸酯偶联剂2份，在300转/分钟条件下搅拌40分钟，过滤并洗涤，真空干燥后加入白矿油3份、单硬脂酸甘油酯1份在80℃、800转/分钟条件下搅拌2小时，过滤后洗涤干燥即得。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维直径为4.3-7μm，密度为1.75-1.96g/cm3，丝数为500-24000根，含碳量大于95％，伸长率大于1.6％。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维由以下方法制备：
步骤1.洗涤：用丁酮或二氯甲烷抽提碳纤维短切纤至无热失重；
步骤2.氧化：在80℃下，用酸性溶液氧化处理洗涤后的碳纤维1h；
步骤3.涂覆：将氧化后的碳纤维放入PVC糊料中混合，160℃下烘干塑化后收丝。
所述的绿色抗菌碳纤维增强PVC材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1.混合：a.将PVC树脂加入热混机中高速混合，再依次加入环保型稳定剂、抗冲改性剂、无机抗菌剂、钛白粉、改性高岭土、紫外线吸收剂、改性硫酸钡、复合助剂、增白剂；
b.启动热混机，转速为600r/min至850r/min；
c.在95℃时，加入润滑剂；
d.在120℃时，将热混机中的混合料送入冷混机中；
步骤2.冷混：在冷混机中搅拌，料温至45℃以下出料；
步骤3.成型：将冷却后的混合料放入挤出机主喂料料斗，将经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维放入挤出机侧喂料料斗，然后挤出成型；所述挤出机自进料口至出料口分为4段，分别为一区、二区、三区和口模，设置一区温度为170℃，二区温度为165℃，三区温度为170℃，口模温度为180℃。
实施例2：
一种绿色抗菌碳纤维增强PVC材料，各原料配比如下：
所述改性高岭土由以下方法制备：将高岭土在450℃下煅烧2小时，冷却至常温后放入质量浓度为12％的硫酸溶液中浸泡2小时，过滤，洗涤至中性，烘干，粉碎，过400目筛；过筛后的粉末加水搅拌制成浓度为45％的悬浮液，然后加入悬浮液重量2％的三聚磷酸钠、2％的水溶性纳米级硅溶胶、3％的钼酸钠，3000rpm高速剪切分散10分钟，喷雾干燥即可。
所述改性硫酸钡由以下组分组成：硫酸钡60份、偶联剂2.0份、硬脂酸0.5份。
所述复合助剂由以下方法制备：按重量份比例将纳米氧化锌6份、纳米二氧化硅4份和三氧化二锑4份加入适量乙醇中超声分散12分钟，然后加入单宁酸0.4份、铝酸酯偶联剂3份，在400转/分钟条件下搅拌35分钟，过滤并洗涤，真空干燥后加入白矿油5份、单硬脂酸甘油酯2份在85℃、900转/分钟条件下搅拌2小时，过滤后洗涤干燥即得。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维直径为4.3-7μm，密度为1.75-1.96g/cm3，丝数为500-24000根，含碳量大于95％，伸长率大于1.6％。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维由以下方法制备：
步骤1.洗涤：用丁酮或二氯甲烷抽提碳纤维短切纤至无热失重；
步骤2.氧化：在85℃下，用酸性溶液氧化处理洗涤后的碳纤维2h；
步骤3.涂覆：将氧化后的碳纤维放入PVC糊料中混合，180℃下烘干塑化后收丝。
所述的绿色抗菌碳纤维增强PVC材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1.混合：a.将PVC树脂加入热混机中高速混合，再依次加入环保型稳定剂、抗冲改性剂、无机抗菌剂、钛白粉、改性高岭土、紫外线吸收剂、改性硫酸钡、复合助剂、增白剂；
b.启动热混机，转速为750r/min；
c.在100℃时，加入润滑剂；
d.在125℃时，将热混机中的混合料送入冷混机中；
步骤2.冷混：在冷混机中搅拌，料温至45℃以下出料；
步骤3.成型：将冷却后的混合料放入挤出机主喂料料斗，将经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维放入挤出机侧喂料料斗，然后挤出成型；所述挤出机自进料口至出料口分为4段，分别为一区、二区、三区和口模，设置一区温度为175℃，二区温度为170℃，三区温度为175℃，口模温度为185℃。
实施例3：
一种绿色抗菌碳纤维增强PVC材料，各原料配比如下：
所述改性高岭土由以下方法制备：将高岭土在500℃下煅烧1小时，冷却至常温后放入质量浓度为15％的硫酸溶液中浸泡1小时，过滤，洗涤至中性，烘干，粉碎，过400目筛；过筛后的粉末加水搅拌制成浓度为50％的悬浮液，然后加入悬浮液重量2％的三聚磷酸钠、2％的水溶性纳米级硅溶胶、2％的钼酸钠，3000rpm高速剪切分散15分钟，喷雾干燥即可。
所述改性硫酸钡由以下组分组成：硫酸钡70份、偶联剂3.0份、硬脂酸0.6份。
所述复合助剂由以下方法制备：按重量份比例将纳米氧化锌8份、纳米二氧化硅5份和三氧化二锑5份加入适量乙醇中超声分散15分钟，然后加入单宁酸0.5份、铝酸酯偶联剂2份，在400转/分钟条件下搅拌30分钟，过滤并洗涤，真空干燥后加入白矿油6份、单硬脂酸甘油酯3份在90℃、900转/分钟条件下搅拌2小时，过滤后洗涤干燥即得。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维直径为4.3-7μm，密度为1.75-1.96g/cm3，丝数为500-24000根，含碳量大于95％，伸长率大于1.6％。
所述的经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维由以下方法制备：
步骤1.洗涤：用丁酮或二氯甲烷抽提碳纤维短切纤至无热失重；
步骤2.氧化：在90℃下，用酸性溶液氧化处理洗涤后的碳纤维2h；
步骤3.涂覆：将氧化后的碳纤维放入PVC糊料中混合，200℃下烘干塑化后收丝。
所述的绿色抗菌碳纤维增强PVC材料的制备方法，按以下步骤进行：
步骤1.混合：a.将PVC树脂加入热混机中高速混合，再依次加入环保型稳定剂、抗冲改性剂、无机抗菌剂、钛白粉、改性高岭土、紫外线吸收剂、改性硫酸钡、复合助剂、增白剂；
b.启动热混机，转速为850r/min；
c.在105℃时，加入润滑剂；
d.在130℃时，将热混机中的混合料送入冷混机中；
步骤2.冷混：在冷混机中搅拌，料温至45℃以下出料；
步骤3.成型：将冷却后的混合料放入挤出机主喂料料斗，将经改性树脂涂覆处理后的短切碳纤维放入挤出机侧喂料料斗，然后挤出成型；所述挤出机自进料口至出料口分为4段，分别为一区、二区、三区和口模，设置一区温度为180℃，二区温度为170℃，三区温度为175℃，口模温度为185℃。