[发明专利]聚碳酸酯/天然纤维复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物改性和高性能聚合物材料的制备领域，具体涉及一种聚碳酸酯/天然纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

聚碳酸酯（PC）是一种分子链中含有碳酸酯基的聚合物，可以看作是由二羟基化合物与碳酸的缩聚产物，常用商品化的聚碳酸酯是主链带有苯环结构的双酚A型聚碳酸酯，是最常用的工程塑料之一。由于PC大分子链结构中既有柔顺的碳酸酯链又有刚性的苯环结构，使其拥有优异的冲击强度、抗热畸变性能，而且耐候性好、硬度高，同时兼有优越的电气性能，而被广泛应用于电动工具及其它行业。随着工业的进步，聚碳酸酯的应用范围越来越广，不仅在建材行业以其明显的技术性能优势在一定程度上代替了传统的无机玻璃，而且在汽车制造业，其使用比例达到了40～50%，因其具有突出的各种性能，聚碳酸酯甚至在医疗和航空领域等高科技领域也有非常大的应用潜力。随着科学技术的不断发展，聚碳酸酯的应用开发也渐渐地向复合、高功能、专用化、系列化方向发展，已推出了光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多种产品专用牌号。

但是聚碳酸酯也有性能上的不足，如耐疲劳强度和耐摩擦性较差，较易出现应力开裂，而且其对缺口非常敏感，同时它也具有其他树脂一样的缺点，易受某些有机溶剂侵蚀。为了改善这些缺点，同时提高它的机械性能，使其能更好地应用于生产实践中，一些学者提出，可以适当提高聚碳酸酯的分子量或者优化其注射成型及后处理的工艺，更多的人认为对聚碳酸酯进行增强或者增韧能更好地达到所期望的效果。作为PC的增强材料，主要选用玻璃纤维，也可使用碳纤维、各种晶须、滑石、云母、玻璃微珠、磨碎纤维、玻璃鳞片等。因为玻璃纤维本身具有绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好、机械强度高等优良的性质，通过加入玻璃纤维来增强聚碳酸酯，增强后的性能有了更大的提高，包括：高低温性能、吸水性、耐开裂性、耐蠕变及疲劳强度、表面硬度和电性能、尺寸稳定性等，同时成型收缩率和吸水率降低，更能满足工业的需要。虽然聚碳酸酯/玻璃纤维复合材料有很多性能上的优势，但玻璃纤维的加入也使聚碳酸酯的加工性能降低，并且加工过程中对加工机械的磨损增大，增加了加工成本；同时，玻璃纤维与聚碳酸酯的界面结合较差，力学强度特别是抗冲击性能还不够理想；另外，聚碳酸酯/玻璃纤维复合材料注射制件的抗应力开裂能力还有待提高。

因此本发明考虑采用一种新型的聚碳酸酯增强剂，既能达到玻璃纤维补强的效果，又能改善原有技术的不足。天然植物纤维是一种重要的增强材料，在其它聚合物材料中有成功应用的例子。但在聚碳酸酯体系中，因为天然纤维含水量高、表面结构复杂、与聚碳酸酯相容性差等原因，尚未有应用的先例。本发明希望通过对天然纤维进行表面改性，并利用反应增容方法来改善这些不足，以期制备高性能的聚碳酸酯/天然纤维复合材料。

天然纤维主要由纤维素(Cellulose)、木质素(Lignin)、半纤维素(Hemi-cellulose)、果胶(Pectin)、蜡质(Wax)及矿物质等组成。纤维素是天然纤维中最重要的组分。纤维素是D-葡萄糖以β-1,4糖苷键组成的大分子多糖，聚合度在10000左右。每一个重复单元都有三个羟基，这也决定了天然纤维的强吸水性。

天然纤维是由细胞壁构成的厚壁中空结构。细胞壁可分为初生壁(PrimaryWall)和次生壁(Secondary Wall)，前者在外，后者在内。初生壁是细胞生长过程中由原生质体分泌形成，果胶是其主要成分。次生壁是由螺旋状排列的纤维素微纤丝增强木质素和半纤维素而构成的，通常分为内、中、外三层，其中每一层的相对厚度、微纤丝的螺旋角(Spiral angle)均不相同。中间层相对厚度最大，占70%，其螺旋角(相对于纤维轴向)一般在20°以内。因此，天然纤维本身就是一种以纤维素微纤丝为增强体，木质素和半纤维素为基体的复合材料。

树脂与纤维的粘结性能很大程度上决定了复合材料的力学性能。天然纤维具有强亲水性，和疏水性的树脂之间界面性能较差，通常需要通过纤维表面处理来改善天然纤维增强复合材料的界面性能。目前，改性的方法分为物理改性方法和化学改性方法两种，不同的改性方法产生不同的效果。

物理方法不改变纤维的化学组成，改变的是纤维的结构和表面性能。物理改性方法包括机械改性(拉伸、压延、混纺等)、热处理、低温等离子体处理和碱处理等。碱处理是一种古老的纤维改性方法，目前已经广泛应用于天然纤维的表面处理。碱处理能够溶解天然纤维中的果胶和部分木质素、半木质素等低分子杂质，使微纤丝排列更加松散并沿着受力方向取向。