本发明涉及高分子材料技术领域，具体为及一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术：
随着汽车工艺的快速发展，汽车数量迅速增长，消耗了大量的石化燃料，加重了环境的污染程度，环境恶化、资源缺乏等问题日益突出，节能、环保、安全、轻量化已成为汽车行业发展的主流趋势。统计显示，汽车自身重量每减少10％，就可以减少6～8％的燃油消耗。汽车轻量化已成为汽车工业发展的重要趋势之一，选用高性能轻质材料是一种有效的措施。高性能纤维增强聚丙烯复合材料，以其高比强度、高模量、低密度、耐腐蚀等特点，成为了汽车工业领域重点关注的轻量化材料。
然而，目前玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料由于玄武岩纤维表面未经改性，其强度提升范围有限，在部分汽车功能件中的应用受到限制。为此，本发明提供了一种改性玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，进一步提高了复合材料的机械性能，以拓展其应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决目前玄武岩纤维表面未经改性直接用来增强聚丙烯使其强度提升范围有限，在部分汽车功能件中的应用受到限制的问题，提供一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，由以下组分按照重量份数制备而成：
作为优选，所述聚丙烯为均聚聚丙烯、嵌段共聚聚丙烯、无规共聚聚丙烯中至少一种。
作为优选，所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐，其接枝率为1.5～2.0wt％。
作为优选，所述改性玄武岩纤维由重量份数为15～30份刻蚀玄武岩纤维、0.45～2份表面改性剂和0.1～0.3份稀土β成核剂回流反应制备而成。
作为优选，所述刻蚀玄武岩纤维经盐酸在玄武岩纤维上刻蚀而成；
所述表面改性剂为稀土偶联剂，其化学通式为(c3h7o)xre(ocor′)m(ocor2)n(oab)y；
所述稀土β成核剂是由位于周期表ⅲb族的稀土元素的c4-c28羧酸盐与c4-c28羧酸按质量比为100：(10～500)制成，或由位于周期表ⅲb族的稀土元素的c4-c28羧酸盐的衍生物与c4-c28羧酸按的衍生物按质量比为100：(10～500)制成。
作为优选，所述分散剂为聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。
作为优选，所述抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂、硫代硫酸酯类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种；
所述受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010；
所述硫代硫酸酯类抗氧剂为抗氧剂dltp；
所述亚磷酸酯类抗氧剂为抗氧剂168。
作为优选，所述其他助剂为紫外光吸收剂、光稳定剂、抗静电剂、着色剂中的至少一种。
本发明的另一个目的在于提供一种上述玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玄武岩纤维浸泡在盐酸溶液中，并升温至50～60℃，浸泡4～8h得刻蚀玄武岩纤维；
(2)将刻蚀玄武岩纤维放入反应器中的有机溶剂中，通往氮气使反应器内部充满氮气；然后加入表面改性剂，在氮气保护氛围中进行第一回流反应，再将稀土β成核剂加入反应器内，进行第二回流反应，得到改性玄武岩纤维；
(3)将聚丙烯、相容剂、光亮润滑分散剂、抗氧剂和其他助剂进行混合后投入到双螺杆挤出机的主喂料中，同时将改性玄武岩纤维加入到双螺杆挤出机的侧喂料中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料。
作为优选，步骤(1)中，所述盐酸溶液的浓度为1～2mol/l；所述刻蚀玄武岩纤维从盐酸溶液中取出后需用去离子水对其进行反复清洗3～5次，然后再置于温度为40～60℃的真空干燥箱中干燥24～48h；
步骤(2)中，所述有机溶剂包括苯、甲苯，所述第一回流反应具体为在50～60℃的反应器内搅拌回流4～8h，所述第二回流反应具体为在50～60℃的反应器内搅拌回流4～8h；所述反应器自带有搅拌器、冷凝管和温度计；所述改性玄武岩纤维是指将反应器降至室温后，将混合物离心后于40～60℃的真空干燥箱中干燥24～48h；
步骤(3)中，所述双螺杆挤出机的挤出温度为200～220℃，螺杆转速为350～400r/min，真空度为-0.06～0.08mpa。
本发明的有益效果：
1、玄武岩纤维经过酸刻蚀作用表面产生微孔或者凹槽得到刻蚀玄武岩纤维，增加纤维的比表面积和粗糙度，提高纤维的表面性能；采用表面改性剂对刻蚀玄武岩纤维表面修饰，改善玄武岩纤维的表面极性，从能够有效吸附稀土β晶成核剂进入纤维的微孔或凹槽表面，在纤维表面形成大量的成核质点，在与聚丙烯熔融过程中，大量的成核质点加快了聚丙烯的成核速率，诱导聚丙烯在刻蚀玄武岩纤维表面附生结晶，一方面能增强聚丙烯与刻蚀玄武岩纤维的界面粘结力，促进刻蚀玄武岩纤维的分散，提高聚丙烯的力学强度，另一方面诱导产生β-晶，形成有序的片晶结构，显著提高复合材料的抗冲击性。复合材料的简支梁缺口冲击强度能达到10.8kj/m2，弯曲强度能达到135mpa，相应的弯曲模量能达到8704mpa。
2、相容剂能降低两相界面张力，促进玄武岩纤维均匀分散，增强与聚丙烯的界面粘接力，起到明显的骨架作用。
3、分散剂增加制品表面光亮度，获得外观优良的聚丙烯复合材料。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。
以下实施例和对比例中所采用的试剂均为市售产品。其中，部分试剂的型号以及供应商如下：嵌段共聚聚丙烯选用扬子石化的k9015；无规共聚聚丙烯选用燕山石化的k4220；均聚聚丙烯为燕山石化的k1215；表面改性剂为广东炜林纳功能材料有限公司的稀土偶联剂wot；稀土β成核剂购买自中国石油化工股份有限公司，型号为wbg，上述试剂只是为了说明本发明实验时所采用的试剂来源和成分，以便充分公开，并不表示采用其他同类试剂或其他供应商提供的试剂就不能实现本发明。
实施例1
本实施例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
(1)将玄武岩纤维浸泡在盐酸溶液的浓度为1mol/l中，并升温至50℃，浸泡4h取出后用去离子水对其进行反复清洗3次，然后再置于温度为40℃的真空干燥箱中干燥24h得到刻蚀玄武岩纤维；
(2)将刻蚀玄武岩纤维放入反应器中的1000ml甲苯溶剂中，且反应器自带有搅拌器、冷凝管和温度计，通往氮气使反应器内部达到真空；然后加入表面改性剂，在60℃的反应器内搅拌回流8h，再将稀土β成核剂加入反应器内，在50℃的反应器内搅拌回流12h，将反应器降至室温后，将混合物离心后于50℃的真空干燥箱中干燥24h得到改性玄武岩纤维；
(3)将均聚聚丙烯、嵌段共聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸、聚乙烯蜡、抗氧剂1010和抗氧剂168等进行混合后投入到双螺杆挤出机的主喂料中，同时将改性玄武岩纤维加入到双螺杆挤出机的侧喂料中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料，且双螺杆挤出机的挤出温度为200℃，螺杆转速为350r/min，真空度为-0.06mpa。
实施例2
本实施例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
(1)将玄武岩纤维浸泡在盐酸溶液的浓度为2mol/l中，并升温至60℃，浸泡8h取出后用去离子水对其进行反复清洗5次，然后再置于温度为60℃的真空干燥箱中干燥48h得到刻蚀玄武岩纤维；
(2)将刻蚀玄武岩纤维放入反应器中的2000ml甲苯溶剂中，且反应器自带有搅拌器、冷凝管和温度计，通往氮气使反应器内部达到真空；然后加入表面改性剂，在60℃的反应器内搅拌回流8h，再将稀土β成核剂加入反应器内，在50℃的反应器内搅拌回流20h，将反应器降至室温后，将混合物离心后于60℃的真空干燥箱中干燥48h得到改性玄武岩纤维；
(3)将嵌段共聚聚丙烯、无规共聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸、乙撑双硬脂酰胺、抗氧剂1010和抗氧剂168等进行混合后投入到双螺杆挤出机的主喂料中，同时将改性玄武岩纤维加入到双螺杆挤出机的侧喂料中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料，且双螺杆挤出机的挤出温度为220℃，螺杆转速为400r/min，真空度为-0.08mpa。
实施例3
本实施例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
(1)将玄武岩纤维浸泡在盐酸溶液的浓度为1.5mol/l中，并升温至55℃，浸泡6h取出后用去离子水对其进行反复清洗4次，然后再置于温度为55℃的真空干燥箱中干燥36h得到刻蚀玄武岩纤维；
(2)将刻蚀玄武岩纤维放入反应器中的1500ml甲苯溶剂中，且反应器自带有搅拌器、冷凝管和温度计，通往氮气使反应器内部达到真空；然后加入表面改性剂，在55℃的反应器内搅拌回流6h，再将稀土β成核剂加入反应器内，在55℃的反应器内搅拌回流16h，将反应器降至室温后，将混合物离心后于55℃的真空干燥箱中干燥36h得到改性玄武岩纤维；
(3)将均聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸、乙撑双硬脂酰胺、抗氧剂1010和抗氧剂168、二苯甲酮、uv-p、黑色母进行混合后投入到双螺杆挤出机的主喂料中，同时将改性玄武岩纤维加入到双螺杆挤出机的侧喂料中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料，且双螺杆挤出机的挤出温度为210℃，螺杆转速为370r/min，真空度为-0.07mpa。
实施例4
本实施例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
(1)将玄武岩纤维浸泡在盐酸溶液的浓度为1mol/l中，并升温至60℃，浸泡6h取出后用去离子水对其进行反复清洗5次，然后再置于温度为55℃的真空干燥箱中干燥36h得到刻蚀玄武岩纤维；
(2)将刻蚀玄武岩纤维放入反应器中的2000ml甲苯溶剂中，且反应器自带有搅拌器、冷凝管和温度计，通往氮气使反应器内部达到真空；然后加入表面改性剂，在60℃的反应器内搅拌回流6h，再将稀土β成核剂加入反应器内，在55℃的反应器内搅拌回流16h，将反应器降至室温后，将混合物离心后于55℃的真空干燥箱中干燥24h得到改性玄武岩纤维；
(3)将均聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸、乙撑双硬脂酰胺、抗氧剂1010和抗氧剂168、聚乙烯蜡等进行混合后投入到双螺杆挤出机的主喂料中，同时将改性玄武岩纤维加入到双螺杆挤出机的侧喂料中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料，且双螺杆挤出机的挤出温度为200℃，螺杆转速为400r/min，真空度为-0.08mpa。
对比例1
本对比例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
将均聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酸酐、抗氧剂1010、抗氧剂168和硬脂酸钙在高速混合机混合10min，投入同向双螺杆挤出机的主喂料中，同时称取玄武岩纤维20份加入到侧喂料斗中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料；其中挤出机的挤出温度为210℃，螺杆转速为400r/min，真空度为-0.08mpa。
对比例2
本对比例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
(1)称玄武岩纤维浸泡在盐酸溶液的浓度为1mol/l中，然后升温至60℃浸泡6h，取出，用去离子水反复清洗5次，以清洗纤维表面残留的hcl分子，然后在55℃的真空干燥箱中干燥48h，得到刻蚀玄武岩纤维；
(2)将均聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酸酐、抗氧剂1010、抗氧剂168和硬脂酸钙在高速混合机混合10min，投入同向双螺杆挤出机的主喂料中，同时称取步骤(1)刻蚀玄武岩纤维20份加入到侧喂料斗中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料；其中挤出机的挤出温度为210℃，螺杆转速为350r/min，真空度为-0.06mpa。
对比例3
本对比例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
将均聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酸酐、表面改性剂、抗氧剂1010、抗氧剂168和硬脂酸钙在高速混合机混合10min，投入同向双螺杆挤出机的主喂料中，同时称取玄武岩纤维加入到侧喂料斗中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料；其中挤出机的挤出温度为210℃，螺杆转速为400r/min，真空度为-0.08mpa。
对比例4
本对比例中的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料是由下列原料按照重量份组成：
具体制备方法包括以下步骤：
将均聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酸酐、稀土β成核剂、抗氧剂1010、抗氧剂168和硬脂酸钙在高速混合机混合10min，投入同向双螺杆挤出机的主喂料中，同时称取玄武岩纤维加入到侧喂料斗中，经过熔融挤出，造粒，制得聚丙烯复合材料；其中挤出机的挤出温度为挤出温度为210℃，螺杆转速为400r/min，真空度为-0.08mpa。
将上述实施例1～4以及对比例1～4制得的聚丙烯复合材料主要物性指标根据相关检测标准测试，其熔体流动速率、拉伸强度、简支梁缺口冲击强度、弯曲强度、弯曲模量的检测标准与检测结果如下表1和表2所示。
表1实施例1～4的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料主要物性指标
表2对比例1～4的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料主要物性指标
注：上述测试的条件以及测试样条的尺寸如下：
拉伸强度测试所用的样条尺寸为长170mm，端部宽度为20mm，窄边宽度为10mm，拉伸速率为50mm/min；
弯曲强度测试所用的样条尺寸为长80mm，宽10mm，厚度为4mm，弯曲速率为2mm/min；
弯曲模量测试所用的样条尺寸为长80mm，宽10mm，厚度为4mm，弯曲速率为2mm/min；
悬臂梁缺口冲击强度所用的样条尺寸长80mm，宽10mm，厚度为4mm。
如在本发明的制备组份中添加紫外光吸收剂、光稳定剂、抗静电剂、着色剂等功能助剂，使复合材料具有相应特性亦受本发明保护。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
从对比例1和对比例2数据上看出，玄武岩纤维经过刻蚀后，提高了表面粗糙度，增加了与聚丙烯树脂的界面附着力，从而有效提高复合材料的力学性能，其中拉伸强度提高2.7mpa，弯曲模量提高134mpa；对比例1和对比例3看出偶联剂起到连接玄武岩纤维与树脂基体的“桥梁”，弯曲模量提高224mpa，对比例1和对比例4看出，稀土β成核剂有效促进β-晶成核，悬臂梁缺口冲击强度提高2kj/m2，显著提高复合材料的冲击强度；从实施例3对比例1看数据看出，拉伸强度提高53.5mpa,悬臂梁缺口冲击强度提高5.42kj/m2，弯曲模量提高3627mpa。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施案例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施案例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。