专利名称：以竹纤维加强的聚丙烯合成材料及其制备方法
此发明涉及新型材料的制备，尤其是关于一种可代替木材的由竹纤维加强的聚丙烯合成材料及其制备方法。
当今社会，木材仍旧是一种在不同领域广泛使用的材料之一，不仅可以进行内部装饰、家具制造，而且还是造船、建房等的基础材料。
众所周知，由于世界范围内对于木材，尤其是硬木的需求很大，从而出现了一些发展中国家过度采伐热带硬木林的现象，此种现象目前已受到极大关注。除部分由于生态环境遭到破坏的问题外，因供给量下降而需求居高不下而造成的成本明显上升也是原因之一。
纤维板作为原木的替代品已经在不同领域应用多年，但是由于其本身的特性，如硬度不够等原因，只能用于一般机械制造，而无法广泛应用于建筑施工及工业设计。因此，发明一种新型商品质的木材替代材料就更显迫切。
近年来，竹子因其本身固有一些优点而倍受重视。竹子在亚洲储量巨大，其机械性能堪木材相媲美，并且可以在较短时间内再生。一棵竹子的成长期只需六至八个月为大多树木的5％。
许多人做了大量尝试，将竹子作为合成材料中的加强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)项目过程中发现在不同的合成条件下，竹子--环氧树脂合成材料具有不同的机械性能和断裂极限。他们在1989年第19期ADVANCES IN MECHANISMS杂志上发表的“竹纤维加强的塑料合成材料的机械性能及应用范围的评估”(PP515-519)一文中对不同的纤维和树脂组成的各种合成材料的机械性能进行了比较。
U.C.JINDAL，SEEMA JAIN及RAKESH KUMAR发表的“竹纤维/聚脂树脂合成材料的发展及其断裂极限”(J.Mater.Sci.Lett，12，1993，pp558-560)和“竹纤维及竹纤维合成材料的机械性能”(见J.Mater.Sci，27，1992pp4598-4604)两文中讨论了可应用于简单铸塑工艺的竹纤维加强(BFR)合成树脂的发展。实验显示BFR合成树脂的抗拉强度极限与生铁基本相似，但其密度仅为生铁的八分之一，使其抗冲击强度就比较差了。
在比较早的研究中，合成材料主要使用固本环氧树脂或聚脂树脂，这些材料的成本均比较高。
本发明的目的提供了一种成本低、但性能好的由竹纤维加强的聚丙烯合成材料。
本发明的另一个目的是提供一种上述材料的制备方法。
本发明的以竹纤维加强的聚丙烯合成材料中含有40-80％的聚丙烯和20-60％的竹纤维。
其中，所述聚丙烯中可采用部分马来酸化的聚丙烯；此时，本合成材料中含有16-50％的马来酸化聚丙烯，40-60％的竹纤维，由普通聚丙烯补足100％。
本发明的以竹纤维加强的聚丙烯合成材料的制备方法包括将竹子加工成竹纤维，将竹纤维与聚丙烯混合均匀，加热至，即可得到以竹纤维加强的聚丙烯合成材料。
其中，所述竹纤维的加工过程包括先用碾压机将竹子切割成小条竹片，之后用用搅拌机将竹片压碎制得所需长度的竹纤维，再将竹纤维在70-90℃的温度下干燥40-50小时后用500um-2mm的筛子分选。合成材料中竹纤维的尺寸越小，其物理性能越好。所述竹纤维的长度应＜2000um，优选长度应小于1000um。
影响竹纤维增强复合材料力学性能的重要因素之一为竹纤维与基体间的结合力。众所周知，相容体可以提高结合力，进而提高复合材料的力学性能。由于竹子的表面有亲水性的极性羟基群，而聚丙烯(PP)是疏水的聚烯烃，这两种材料的结合力很弱。因此，为了提高竹纤维与聚丙烯树脂的结合能力，我们采用将聚丙烯经过马来酸化而得到马来酸化聚丙烯(MAPP)作为相容体以提高结合力，因为马来酸酐可与竹子表面的羟基群产生强烈的结合力。其中，一种马来酸化聚丙烯是根据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结合过氧化乙酰(BPO)制成的。聚丙烯表面结合的MAH大约为1％。此种方法获得的马来酸化聚丙烯被称为s-MAPP。
另一种类型的马来酸化聚丙烯是根据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和一种过氧化物引发剂混合反应制成的。MAH和聚丙烯的反应是先将聚丙烯粉末放入Haake Plasticorder型混合器加温至160度，旋转速度维持30rpm.3分钟后聚丙烯融化加入dicumyl peroxide(DCP)，继续加热4分钟，最后加入MAH加热3分钟。此种方法制得的马来酸化聚丙烯被称为m-MAPP。
通过实验可知，马来酐搀杂聚丙烯(MAPP)确实起到了相容体的作用，提高了竹纤维增强塑料(BFRP)复合材料的界面结合力，而且加强了MAPP与竹纤维间的键合力(例如，氢键)。于是，复合材料的力学性能大大增强。
在聚丙烯(PP)基体材料中，竹纤维的分布是很不均匀的，而在
图10(b)中，可以看到，在聚丙烯/马来酐搀杂聚丙烯(PP/MAPP)基体材料中，竹纤维的分布就好多了。
在以聚丙烯/马来酐搀杂聚丙烯(PP/MAPP)为基体材料的复合材料中，马来酐搀杂聚丙烯(MAPP)可以很轻易地促使重量比在50％-60％之间的竹纤维趋向于更好的分布。在竹子的重量百分比为50附近，得到了该复合材料的拉伸强度最大值(32-36兆帕)和拉伸模量最大值(5-6千兆帕)。和商业用木浆复合材料对比，竹纤维增强MAPP复合材料表现出更高的拉伸强度，更小的密度(0.920)，和更低的成本。除此以外，竹子是再生的，并且对环境有独到的调节效果，与我们以前的研究相联系，可以看出，马来酐搀杂聚丙烯(MAPP)能在竹子的表面生成结晶，而聚丙烯(PP)却不可以。由此可以推测，在竹子材料和马来酐搀杂聚丙烯基体材料之间形成的紧密的键接可能一部分是结晶的结果，一部分是氢键的结果。由此得到结论，竹纤维的作用是多方面的，一方面增强了复合材料，一方面作为MAPP结晶的形核中心。
所述聚丙烯与竹纤维的混合过程可在配料搅拌机中进行，也可在溶剂中进行，所述溶剂可为甲苯。
所述聚丙烯中还可以加入稳定剂，所述稳定剂可为第三丁基氢氧根苯基丙醛。
所述聚丙烯作为合成树脂主要原料是基于其低廉的成本及其良好的机加工性能。它可以使此种新型合成材料很容易加工成板材、线材或片材。
本发明的以竹纤维加强的聚丙烯复合材料新型材料具有重量轻、较好的抗老化性能，在性能上可与传统材料相媲美或好于传统材料，易于设计和加工成成品，中等强度，不仅是家具制造及建筑等领域的良好材料，还适合应用于更为广泛的领域。
这种新复合材料的拉伸强度达到32-36兆帕，拉伸模量达到5-6千兆帕。与商业上可买到的木桨板相比，这种新材料更轻，防水，更便宜，尤为重要的是，它的拉伸强度要比商业产品的拉伸强度高3倍多。
合成材料的弹性及耐冲击性可使用现有的各种技术进行检验评估。
弹性测试使用美国Universal testing mashine(UTM)公司产的SintecchlO/D弹性测试器，按照ATSM D639-90方法进行检验。用于检验弹性强度的竹子、聚丙烯及合成材料样本应按照ASTM D639-90样本类型1中规定的尺寸制成哑铃形。每种产品检验5个样本，检验前，每个样本颈部的宽度及厚度均应使用数字式电子测径尺进行测量。标准检验条件为弹性速度3.00mm/min，最大负荷50KN，伸长仪25.00mm，50％伸长。
合成材料的抗冲击强度是使用CEAST摆锤式抗冲击强度测量仪进行单摆式抗冲击实验的。测试方法谆循ISO 179-1982(E)。合成材料的切口样品应按照ISO 179-1982type 2A制成。样品的切口应使用CEAST切口机在样品的中央切出。使用0.5J的摆锤对每种材料的15个样本进行检验。
另外，根据实验还得出了，成品中竹纤维的性状及含量的多少对合成材料性能的影响，结果是合成材料的弹性强度随着竹纤维含量的变化而变动，当含量为50％左右时，弹性强度达到最高值；随着竹纤维含量的增加，合成材料的抗冲击强度也同样逐渐增长；随着竹纤维含量的增加，合成材料的弹性模数通常也跟着增长；随着竹纤维尺寸的减少，弹性强度有所增加，当竹纤维尺寸少于1000um时，这种增加就会特别明显，抗冲击强度有增加的趋垫，弹性模数有所增加，但是当聚丙烯的马来酸化的程度增加时，弹性强度会有明显的增加。
下面结合实施例进一步描述本发明。
实施例其中，所使用的聚丙烯为Himent Chemical Inc.提供的Profax 6201型聚丙烯，聚丙烯(PP)粉，即Profax 6201，是从海梦得(Himont)化学香港有限公司购得。样品中溶化流动指数为20，密度为0.920g/cm3。
样品将使用普通聚丙烯制作，另外，还需填加以顺丁烯二酸酐(MAH)为反应触媒制成的马来酸化聚丙烯，以促进聚丙烯与竹纤维之间的内部反应。反应是在甲苯溶剂中进行的。
制作样品所使用的竹子是属于Bammussa paravariabilis的一种在亚洲广泛生长的竹子，制备纤维时，先用碾压机将竹子切割成小条竹片，之后用雅马哈MX--301型高速实验室用搅拌机将竹片压碎制得所需竹纤维。竹纤维在80度的温度下干燥48小时后用500um-2mm的筛子分选。
将树脂和竹纤维直接在容器内混合，加热至180度制得合成材料，并在180度的温度下可直接压制出各种厚度的片材。
马来酐搀杂聚丙烯(MAPP)是用溶液表面制备的。反应是在三颈圆底瓶中进行，该瓶装配有冷凝器，温度计和干燥氮气入口。采用司马来克(Cimarec)热片进行加热和搅动。反应温度维持在80摄氏度，并用水浴中的接触温度计将温度控制在±0.5度的精度内。将80克聚丙烯粉体分散在装有600毫升甲苯的反应器中。在整个反应过程中，用氮气进行净化，以去除已溶解的氧。8克的马来酐，预先溶在50摄氏度的热甲苯中，加入到反应器中。在反应介质经过2分钟的均匀化后，将预先溶在50摄氏度的热甲苯中的0.8克苯酰过氧化氢加入到反应器中。在磁力搅拌器的有力搅动下，进行了8小时的反应。反应完成后，用过滤器将溶剂过滤，并用丙酮将反应产物清洗5次，以去除没有反应的马来酐。将搀杂的聚丙烯产物在180毫毫泵压强下，60摄氏度的真空炉中进行3小时的烘干。
所述成型过程用机械加工制得一个200×200毫米的不锈钢模具。将模具装配，清洗，并用革勒德烘焙(Glad bake)纸包裹起来。将竹纤维、聚丙烯(PP)和马来酐搀杂聚丙烯(MAPP)的混合物在模具中均匀地分布，然后在热压(PHI)下压缩成型。
在一系列实验之后，最优化的成型条件如下温度为210℃；加热和冷却期间的压缩压强为5兆帕；预热时间为5分钟；加热时间为20分钟。
权利要求
1.一种以竹纤维加强的聚丙烯合成材料，其特征是含有40-80％的聚丙烯和20-60％的竹纤维。
2.如权利要求1所述的以竹纤维加强的聚丙烯合成材料，其特征是所述聚丙烯中采用部分马来酸化的聚丙烯；此时，本合成材料中含有16-50％的马来酸化聚丙烯，40-60％的竹纤维，由普通聚丙烯补足100％。
3.一种如权利要求1-2所述的以竹纤维加强的聚丙烯合成材料的制备方法，其特征是包括将竹子加工成竹纤维，将竹纤维与聚丙烯混合均匀，加热至，即可得到以竹纤维加强的聚丙烯合成材料。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征是所述竹纤维的加工过程包括先用碾压机将竹子切割成小条竹片，之后用用搅拌机将竹片压碎制得所需长度的竹纤维，再将竹纤维在70-90℃的温度下干燥40-50小时后用500um-2mm的筛子分选。
5.如权利要求3所述的制备方法，其特征是所述竹纤维的长度＜2000um。
6.如权利要求3所述的制备方法，其特征是所述竹纤维的长度＜1000um。
7.如权利要求3所述的制备方法，其特征是所述聚丙烯与竹纤维的混合过程在配料搅拌机中进行或在溶剂中进行。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征是所述溶剂为甲苯。
9.如权利要求3所述的制备方法，其特征是所述聚丙烯中加入稳定剂。
10.如权利要求3所述的制备方法， 其特征是所述稳定剂为第三丁基氢氧根苯基丙醛。
全文摘要
本发明为一种以竹纤维加强的聚丙烯合成材料及其制备方法。本发明的合成材料中含有马来酸化的聚丙烯、普通聚丙烯和竹纤维。制备时,将竹子加工成竹纤维,将竹纤维与聚丙烯混合均匀,加热至,即可得到以竹纤维加强的聚丙烯合成材料。本发明的以竹纤维加强的聚丙烯复合材料新型材料具有重量轻、较好的抗老化性能,在性能上可与传统材料相媲美或好于传统材料,易于设计和加工成成品,中等强度,不仅是家具制造及建筑等领域的良好材料,还适合应用于更为广泛的领域。
文档编号C08L23/12GK1261078SQ0010337
公开日2000年7月26日 申请日期2000年3月2日 优先权日2000年3月2日
发明者弭永利, 弭鉴, 弭和利 申请人:弭和利