一种自增强聚合物复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种自增强聚合物复合材料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 利用纤维增强改性是提高聚合物材料机械性能，扩大其应用范围的重要手段。常 见的增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、涤纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶 纤维等。无论是对于有机纤维还是无机纤维增强聚合物复合材料都无法规避一个问题-聚 合物基体与增强纤维的界面相容性，这也是决定改性效果优劣的主要因素。目前常用的提 高增强纤维-基体树脂界面相容性的方法是纤维表面处理和添加第三元材料作为相间增容 剂。
[0003] 不同体系纤维表面处理方法的选择及工艺参数的调控、特殊结构相间增容剂的合 成及结构控制无疑会增加工艺环节，提高加工成本。而且不同复合材料体系对于表面处理 方法及相间增容剂有很强的选择性。因此，对于特定材料体系，想要获得理想的界面增容及 最佳的改性效果是比较困难的。
[0004] 1975年，英国的Leeds大学的研究人员以高密度聚乙烯体系为基础第一次提出了 单一聚合物复合材料(single polymer composites，SPC)的概念-基体和增强相是由同种 聚合物的不同形态所构成，既自增强聚合物。这类复合材料基体与增强相具有相同的分子 结构单元，因此，二者具有理论上最佳的界面相容性。目前，已有一些商品化的自增强材料， 例如Amoco公司生产的Curv?产品，已经用于车底护板、旅行箱、运动器材、防护用品、头盔等 领域。该产品是将聚丙烯纤维布层叠并在严格控温条件下加热而成型，在狭窄的加工温度 窗内，聚丙烯纤维仅在表面熔融，相互粘结，最终获得增强骨架和基体树脂均为聚丙烯的一 元复合材料。国内也有一些研究单位采用相同的方法研究尼龙自体增强材料，但改性效果 鲜有报导。这类加工方法虽然规避了复合材料界面相容性问题，针对特定材料也获得了很 好的改性效果。但是该方法对于材料加工过程中工艺参数的要求极为严格：1)首先是温度 控制，温度稍高会导致纤维晶区熔融，最后形成完全均相材料，达不到纤维增强效果。温度 稍低则有可能影响纤维之间的粘结，导致复合材料在后期使用过程中的脱粘和性能快速劣 化。2)其次是对加工方法的限制。剪切作用和剪切过程中的传质传热会导致纤维晶区的快 速熔融，最终形成完全均相材料，因此这类复合材料难以通过传统的共混方法制备。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决现有的自增强聚合物复合材料制备工艺要求严格的技 术问题，而提供一种自增强聚合物复合材料及其制备方法。
[0006] 本发明首先提供一种自增强聚合物复合材料的制备方法，该方法包括：
[0007] 步骤一:将聚乙烯纤维放入Co-60源或电子束中，在真空或氮气氛围下，对聚乙烯 纤维进行辐照交联，得到交联后的聚乙烯；
[0008] 步骤二：将步骤一得到的交联后的聚乙烯与聚乙烯进行混炼，得到自增强聚合物 复合材料。
[0009] 优选的是，所述步骤一的辐照剂量为30~300kGy。
[0010] 优选的是，所述步骤一聚乙烯纤维为聚乙烯短切纤维或聚乙烯连续纤维。
[0011] 优选的是，所述的聚乙烯纤维与聚乙烯的质量比为（10~100): 100。
[0012] 优选的是，所述步骤二的聚乙烯为聚乙烯颗粒或聚乙烯粉末。
[0013] 优选的是，所述步骤二的混炼温度为130~180°C。
[0014] 本发明还提供上述制备方法得到的自增强聚合物复合材料。
[0015] 本发明的有益效果
[0016] 本发明提供一种自增强聚合物复合材料及其制备方法，该方法采用高能射线辐射 对聚合物纤维进行交联处理，改变纤维材料的加工性能，然后利用传统工艺方法将其与同 质的聚合物材料共混，制备具有两相结构的单一聚合物复合材料。本发明辐射条件的改变 可以实现增强纤维交联程度、耐热性能、加工性能在一定区间内的变化，通过辐射条件和重 量配比的调控，可以实现聚乙烯自增强复合材料结构和性能的多样化。另外，交联结构不熔 融的特点使得复合材料可以在比较宽的温度窗内经受剪切作用，而不会破坏增强纤维聚集 态结构。与现有技术相对比，本发明的制备方法简单，不受制备工艺的局限，制备得到的三 维体型结构不溶不熔的特点使得增强纤维在热加工时，可以保持自身聚集态结构和物理性 能基本不变，并最终获得宏观均相、微观分相，且不存在明显界面的复合材料。
【具体实施方式】
[0017] 本发明首先提供一种自增强聚合物复合材料的制备方法，该方法包括：
[0018] 步骤一：将聚乙烯纤维（乙纶纤维）放入Co-60源或电子束中，在真空或氮气氛围 下，对聚乙烯纤维进行辐照交联，得到交联后的聚乙烯；
[0019] 步骤二：将步骤一得到的交联后的聚乙烯与聚乙烯进行混炼，得到自增强聚合物 复合材料。
[0020] 按照本发明，所述的对聚乙烯纤维没有特殊限制，采用市售商品即可，优选为聚乙 稀短切纤维或聚乙稀连续纤维，所述福照剂量优选为30~300kGy，更优选为50~250kGy。
[0021] 按照本发明，所述的聚乙烯纤维与聚乙烯质量比优选为（10~100): 100,更优选为 50:100;所述的聚乙烯优选为聚乙烯颗粒或聚乙烯粉末;所述的混炼方法没有特殊限制，为 本领域熟知的混炼方法即可，优选采用密炼机混炼或在双螺杆挤出机中混炼，所述的混炼 温度优选为130~180°C，更优选为150~160°C。
[0022] 本发明还提供上述制备方法得到的自增强聚合物复合材料。
[0023]下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述。
[0024] 实施例1
[0025]称取10g短切乙纶纤维，放入Co-60源中，在真空氛围下进行辐照，辐照剂量为 50kGy，然后将辐照后的乙纶纤维与100g聚乙烯颗粒料加入到密炼机中，在140°C下进行熔 融共混，获得自增强聚乙烯复合材料。实施例1得到的自增强聚乙烯复合材料机械性能见表 1〇
[0026] 实施例2
[0027] 称取500g连续乙纶纤维，放入Co-60源中，在氮气环境下进行辐照，辐照剂量为 220kGy;将辐照好的乙纶纤维与500g聚乙烯颗粒料投入到双螺杆挤出机喂料系统进行挤出 加工，双螺杆挤出机温度设定为160°C，获得自增强聚乙烯复合材料。实施例2得到的自增强 聚乙烯复合材料机械性能见表1。
[0028] 实施例3
[0029]称取500g短切乙纶纤维，放入Co-60源中，在真空氛围下进行辐照，辐照剂量为 250kGy;将辐照好的乙纶纤维与500g聚乙烯粉料投入到双螺杆挤出机喂料系统进行挤出加 工，双螺杆挤出机温度设定为170°C，获得自增强聚乙烯复合材料。实施例3得到的自增强聚 乙烯复合材料机械性能见表1。
[0030] 实施例4
[0031]称取500g连续乙纶纤维，放入电子束中，在氮气保护下进行辐照，辐照剂量为 150kGy;将辐照好的乙纶纤维与1000g聚乙烯颗粒料投入到双螺杆挤出机喂料系统进行挤 出加工，双螺杆挤出机温度设定为150°C，获得自增强聚乙烯复合材料。实施例4得到的自增 强聚乙烯复合材料机械性能见表1。
[0032] 对比例1
[0033]称取500g聚乙烯颗粒料和500g短切乙纶纤维，加入到双螺杆挤出机中熔融共混， 温度为160°C，所得材料的机械性能见表1。
[0034]表 1
【主权项】
1. 一种自增强聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括： 步骤一:将聚乙烯纤维放入Co-60源或电子束中，在真空或氮气氛围下，对聚乙烯纤维 进行辐照交联，得到交联后的聚乙烯； 步骤二:将步骤一得到的交联后的聚乙烯与聚乙烯进行混炼，得到自增强聚合物复合 材料。2. 根据权利要求1所述的一种自增强聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步 骤一的辐照剂量为30~300kGy。3. 根据权利要求1所述的一种自增强聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步 骤一聚乙烯纤维为聚乙烯短切纤维或聚乙烯连续纤维。4. 根据权利要求1所述的一种自增强聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述的 聚乙烯纤维与聚乙烯的质量比为（10~100): 100。5. 根据权利要求1所述的一种自增强聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步 骤二的聚乙烯为聚乙烯颗粒或聚乙烯粉末。6. 根据权利要求1所述的一种自增强聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述步 骤二的混炼温度为130~180°C。7. 权利要求1-6任何一项所述的制备方法得到的自增强聚合物复合材料。
【专利摘要】本发明提供一种自增强聚合物复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。解决现有的自增强聚合物复合材料制备工艺要求严格的技术问题。该方法是将聚乙烯纤维放入Co-60源或电子束中，在真空或氮气氛围下，对聚乙烯纤维进行辐照交联，得到交联后的聚乙烯；然后得到的交联后的聚乙烯与聚乙烯进行混炼，得到自增强聚合物复合材料。本发明还提供上述制备方法得到的自增强聚合物复合材料。本发明的制备方法简单，不受制备工艺的局限，制备得到的三维体型结构不溶不熔的特点使得增强纤维在热加工时，可以保持自身聚集态结构和物理性能基本不变，并最终获得宏观均相、微观分相，且不存在明显界面的复合材料。
【IPC分类】C08L23/06, D06M10/00, C08J5/06
【公开号】CN105524334
【申请号】CN201610098529
【发明人】张万喜, 尹园
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年2月23日