CN101338051B - 长玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备方法，材料组分的质量比：聚丙烯35～55wt％，长玻璃纤维35～50wt％，偶联剂0.3～0.8wt％，相容剂5～10wt％，流动改性剂2～4wt％，抗氧剂0.3～0.6wt％，润滑剂1～2wt％。其工艺：先将聚丙烯、流动改性剂、相容剂、抗氧剂及润滑剂进行混合；再将混合物加入到双螺杆挤出机内，加工温度在180～230℃；继而通过挤出机口模挤出熔体形成熔池；将连续长玻璃纤维预热干燥，并对长玻纤表面进行处理；随后引入浸渍装置，使数股长玻璃纤维被引入到熔池中，使长玻璃纤维被熔体充分浸渍，再集束包覆，从喇叭口形的模头出口处出料，最后冷却、切粒，即得到长玻璃纤维增强聚丙烯粒料。工艺简便易行，产品性能较好。

Description

长玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及玻璃纤维增强塑料，尤其涉及一种长玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。

背景技术

玻璃纤维增强塑料是一种轻质高强度工程结构材料。其拉伸、弯曲弹性模量和抗蠕变、耐疲劳特性远好于非增强塑料，主要原因是，当有外力作用时，载荷通过纤维传递，而纤维又有很好的力学性能。在西欧，约有50％的纤维增强塑料应用于汽车工业，在美国约30％。长玻纤增强热塑性塑料(LFRT)具有优异的刚性、韧性、防翘曲性及紫外线稳定性，而且价格低于ABS和工程塑料。由于制品内纤维平均长度较长，且长纤维在注塑制品内可以形成一定的网络结构，故制品的力学性能和其他物理性能均优于短切纤维增强塑料。LFRT广泛应用在汽车、家电领域，年增长率在20～30％。其中产量最大的是长纤维增强聚丙烯(LGFPP)。

长玻璃纤维增强塑料性能主要取决于以下因素：①玻纤含量，一般来说，玻纤含量越高，玻纤增强塑料的力学性能也越高，但玻纤含量太高，对加工设备磨损严重，且易使材料脆性提高和密度增大；②玻纤在树脂基体中的长度；③玻纤与树脂基体良好的粘结力，分散均匀。

目前LGFPP生产，多数产品其玻纤在聚丙烯基体中的浸渍效果不够理想，玻纤在聚丙烯中的分散和取向也存在一定的缺陷，造成产品的性能不够理想，力学性能尚需改进，而且还会存在玻纤外露现象。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种长玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备方法，运用科学的配方及玻璃纤维表面处理技术，旨在加强玻纤在熔体里的浸渍效果，消除玻纤的外露现象，提高材料的光洁度，有效改善材料的力学性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

长玻璃纤维增强聚丙烯材料，特点是组分的质量百分含量为：聚丙烯35～55wt％，长玻璃纤维35～50wt％，偶联剂0.3～0.8wt％，相容剂5～10wt％，流动改性剂2～4wt％，抗氧剂0.3～0.6wt％，润滑剂1～2wt％。

进一步地，上述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其组分理想的质量百分比为：聚丙烯38wt％，长玻璃纤维50wt％，偶联剂0.5wt％，相容剂6wt％，流动改性剂4wt％，抗氧剂0.5wt％，润滑剂1wt％。

更进一步地，上述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的聚丙烯为中熔指聚丙烯，中熔指聚丙烯为中熔指的均聚丙烯、共聚丙烯的一种或它们的混合物；熔融指数在10～25g/10min。所述的长玻璃纤维为LFRT连续无捻粗纱，纤维类型为E玻璃，纤维直径为17um。所述的偶联剂为偶联剂KH-550、偶联剂KH-560、复合酯类偶联剂中的一种或几种的混合物。所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯相容剂。所述的流动改性剂为PP降温母粒。所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1790、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂DLTDP中的一种或几种的混合物。所述的润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、高分子量(分子量7000～9000)聚丙烯蜡中的一种或它们的混合物。

更进一步地，长玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤

(a)将聚丙烯、流动改性剂、相容剂、抗氧剂及润滑剂加入到混合机中使之充分混合均匀；

(b)将上述得到的混合物通过加料口加入到双螺杆挤出机内，加工温度在180～230℃，双螺杆挤出机共六段，第一段和第二段挤出温度在180～200℃，其它几段挤出温度在200～230℃；物料在双螺杆挤出机中的停留时间为3～8min，主机转速控制在250～350r.min^-1；继而，通过双螺杆挤出机口模挤出熔体，并输送到浸渍装置中形成熔池；

(c)将连续长玻璃纤维预热干燥，使其表面温度达到60～80℃；接着通过长玻纤表面处理装置使长玻璃纤维表面浸润液态偶联剂，并促使每一股长玻璃纤维有规律的分散和集束；随后引入浸渍装置，使数股长玻璃纤维被引入到浸渍装置的熔池中，在熔体压力和张力作用下通过压辊使长玻璃纤维被熔体充分浸渍，再进入集束包覆装置进行集束包覆，然后从喇叭口形的模头出口处出料，最后冷却、切粒，即得到长玻璃纤维增强聚丙烯粒料。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明采用了偶联剂、相容剂、流动改性剂和润滑剂的优化设计和综合叠加效应，以特定的组分、特定的接枝率和熔体指数的接枝改性聚丙烯为相容剂，大大提高聚丙烯和长玻纤的界面结合力；以可控流变聚丙烯降温母粒为流动改性剂，降低熔体粘度；偶联剂、润滑剂的加入可改善玻纤在基体中的分散性。通过对玻璃纤维的表面处理和熔体浸渍技术，改善长玻纤增强聚丙烯的力学性能，有效解决了玻纤的外露问题，提高复合材料的光洁度。所生产的长玻璃纤维增强聚丙烯可满足高强度汽车配件的使用要求，可替代增强工程塑料，用于生产汽车、家电部件等。且制备过程简单，生产工艺容易控制，产率较高，降低了原料成本，经济效益非常显著，值得推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：用于生产长玻璃纤维增强聚丙烯材料的设备的结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	长玻璃纤维	2	长玻纤预热装置	3	长玻纤表面处理装置

4	液态偶联剂输送泵	5	变径压辊	6	液态偶联剂雾化装置
						7	液体回收管	8	前导向辊	9	挤出机连接器
10	熔料分配器	11	中导向辊	12	压辊
						13	压辊	14	后导向辊	15	集束包覆装置
16	喇叭形出口	17	冷却装置	18	牵引辊
						19	牵引辊	20	切粒装置	21	双螺杆挤出机

具体实施方式

本发明开发一种长玻璃纤维增强聚丙烯材料，通过对长玻璃纤维、相容剂等相关助剂的选择、配比、玻璃纤维的表面处理和熔体浸渍技术，改善长玻纤增强聚丙烯(LGFPP)的力学性能，同时有效解决玻纤的外露问题，提高复合材料的光洁度。

长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其组分的质量比为：聚丙烯35～55wt％，长玻璃纤维35～50wt％，偶联剂0.3～0.8wt％，相容剂5～10wt％，流动改性剂2～4wt％，抗氧剂0.3～0.6wt％，润滑剂1～2wt％。理想的配比是：聚丙烯38wt％，长玻璃纤维50wt％，偶联剂0.5wt％，相容剂6wt％，流动改性剂4wt％，抗氧剂0.5wt％，润滑剂1wt％。

其中，聚丙烯为中熔指聚丙烯，中熔指聚丙烯为中熔指的均聚丙烯、共聚丙烯的一种或它们的混合物；熔融指数在10～25g/10min。长玻璃纤维为LFRT连续无捻粗纱，纤维类型为E玻璃，纤维直径为17um。偶联剂为偶联剂KH-550、偶联剂KH-560、复合酯类偶联剂中的一种或几种的混合物。相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯相容剂。所述的流动改性剂为PP降温母粒；抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1790、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂DLTDP中的一种或几种的混合物。润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、高分子量聚丙烯蜡(分子量7000～9000)中的一种或它们的混合物。

采用如图1所示的流水生产线制备长玻璃纤维增强聚丙烯材料，该成套设备主要包括长玻纤预热装置2、长玻纤表面处理装置3、浸渍装置、集束包覆装置15和双螺杆挤出机21以及冷却装置17、牵引装置、切粒装置20，长玻纤预热装置2与长玻纤表面处理装置3过渡衔接，长玻纤表面处理装置3与浸渍装置过渡衔接，浸渍装置与集束包覆装置15过渡衔接。其中，长玻纤预热装置2呈封闭式箱体结构，箱内安装有发热元件，箱体的内壁设有保温层，箱内温度均匀可控。长玻纤表面处理装置3包括一组形似纺锤的变径压辊5、液态偶联剂雾化装置6、液态偶联剂输送泵4及液体回收管7，变径压辊5通过合理的组合使沿变径压辊表面输送的长玻纤分散和集束，液态偶联剂雾化装置6位于变径压辊5的下方并正对于变径压辊5，液态偶联剂输送泵4向液态偶联剂雾化装置6供料，液体回收管7对雾化后的料进行回收。浸渍装置呈箱式结构，其内设置有挤出机连接器9、熔料分配器10、前导向辊8、中导向辊11、后导向辊14以及一对压辊(12、13)，挤出机连接器9与双螺杆挤出机21相连接，双螺杆挤出机21通过挤出机连接器9与熔料分配器10构成熔料输送通道，变径压辊5与前导向辊8相过渡，前导向辊8、中导向辊11、压辊12、压辊13、后导向辊14依次过渡衔接，压辊12与压辊13呈上下错列排布，集束包覆装置15有喇叭形出口16，集束包覆装置15的出口端依次分布有冷却装置17、牵引装置(牵引辊18、19)以及切粒装置20，构成流水作业线。

多个装置按前后程序、水平布置形成连续作业线，长玻纤预热装置2、长玻纤表面处理装置3、浸渍装置和集束包覆装置15均为结构相对封闭、外形呈长方体的箱体。长玻璃纤维1首先通过由一组发热元件组成的长玻纤预热装置2，长玻纤预热装置2使长玻璃纤维1预热达到一定的温度，以使成股的长玻璃纤维干燥、松散。预热后的长玻璃纤维1随后进入长玻纤表面处理装置3，长玻纤表面处理装置3由液态偶联剂雾化装置6和一组形似纺锤的变径压辊5构成，配制的液态偶联剂通过雾化装置6使长玻璃纤维表面充分浸润，液态偶联剂和长玻纤表面充分接触从而获得良好的处理效果；变径压辊5的作用是，促使被牵引的每一股长玻纤在贴向截面呈纺锤形的一组变径压辊表面正向输送时有规律的分散和集束，加强长玻纤表面处理的效果。处理的长玻纤被牵引进入熔体浸渍装置，熔体浸渍装置通过挤出机连接器9与双螺杆挤出机21连接，双螺杆挤出机21内已塑化的聚合物熔体经由挤出机连接器9和熔料分配器10进入浸渍装置形成一定高度的熔池，供长玻纤浸渍；被牵引的长玻纤经由前导向辊8和中导向辊11引导进入熔池，并沿压辊12、压辊13表面向前方输送；压辊12与压辊13的间距以及压辊12与压辊13的上下位置可依具体情况而调节；纤维浸渍效果与压辊和纤维间接触压力有关，浸渍的长玻纤经由集束包覆装置15和喇叭形出口16完成集束和包覆，控制集束包覆装置15和喇叭形出口16的流道方向尺寸可控制产品所要求的质量，使长玻璃纤维达到良好的熔体浸渍和熔体包覆的效果。

具体制备时，如下所述。

实施例1：

将54.4份中熔指均聚丙烯，5份马来酸酐接枝聚丙烯相容剂，4份PP降温母粒，0.1份抗氧剂1790及0.2份抗氧剂DLTDP，1份乙撑双硬脂酰胺加入到混合机中使之充分混合均匀。将混合物通过加料口加入双螺杆挤出机内，加工温度在185～230℃，双螺杆挤出机温度控制设有六段，第一段和第二段挤出温度在185～200℃，其它几段挤出温度在210～230℃；物料在双螺杆挤出机中的停留时间为8min，主机转速为300～350r.min^-1；继而通过双螺杆挤出机口模挤出熔体形成熔池。将35份连续长玻璃纤维预热干燥，使其表面温度达到65～80℃，接着通过玻纤表面处理装置对长玻璃纤维表面进行处理，使长玻璃纤维表面浸润0.3份偶联剂KH-550；继而引入浸渍机头，使数股长玻璃纤维被引入到熔池中，在熔体压力和张力作用下通过压辊使长玻璃纤维充分浸渍，再进入集束装置进行包覆，然后从喇叭口形的机头出口处出料，最后冷却、切粒，即得到长玻璃纤维增强聚丙烯粒料。

实施例2：

将43.6份中熔指共聚丙烯，10份马来酸酐接枝聚丙烯相容剂，3份PP降温母粒，0.2份抗氧剂1098及0.4份抗氧剂168，2份高分子量聚丙烯蜡加入到混合机中使之充分混合均匀。将混合物通过加料口加入双螺杆挤出机内，加工温度在180～230℃，双螺杆挤出机温度控制共设六段，第一段和第二段挤出温度在180～200℃，其它几段挤出温度在200～230℃；物料在双螺杆挤出机中的停留时间为3min，主机转速为250～350r.min^-1；继而通过双螺杆挤出机口模挤出熔体形成熔池。将40份连续长玻璃纤维预热干燥，使其表面温度达到60～75℃；接着通过玻纤表面处理装置对长玻璃纤维表面进行处理，使长玻璃纤维表面浸润0.8份偶联剂KH-560；随后引入浸渍机头，使数股长玻璃纤维被引入到熔池中，在熔体压力和张力作用下通过压辊使长玻璃纤维充分浸渍，再进入集束装置进行包覆，然后从喇叭口形的机头出口处出料，最后冷却、切粒，即得到长玻璃纤维增强聚丙烯粒料。

实施例3：

将15份中熔指共聚丙烯、23份中熔指均聚丙烯，6份马来酸酐接枝聚丙烯相容剂，4份PP降温母粒，0.2份抗氧剂1010及0.3份抗氧剂168，0.5份高分子量聚丙烯蜡、0.5份乙撑双硬脂酰胺加入到混合机中使之充分混合均匀。将混合物通过加料口加入双螺杆挤出机内，加工温度在190～230℃，双螺杆挤出机温度控制设有六段，第一段和第二段挤出温度在190～200℃，其它几段挤出温度在200～230℃；物料在双螺杆挤出机中的停留时间为5min，主机转速为250～300r.min^-1；继而通过双螺杆挤出机口模挤出熔体形成熔池。将50份连续长玻璃纤维预热干燥，使其表面温度达到60～80℃，接着通过玻纤表面处理装置对长玻璃纤维表面进行处理，使长玻璃纤维表面浸润0.5份偶联剂(偶联剂KH550与复合酯类偶联剂混合)；随后引入浸渍机头，使数股长玻璃纤维被引入到熔池中，在熔体压力和张力作用下通过压辊使长玻璃纤维充分浸渍，再进入集束装置进行包覆，然后从喇叭口形的机头出口处出料，最后冷却、切粒，即得到长玻璃纤维增强聚丙烯粒料。

经检测，采用本发明技术方案制备的长玻纤增强聚丙烯材料与韩国进口同类材料相比，其主要物理性能指标见表1。

表1

检测项目	实施例1	实施例2	实施例3	比较例
					拉伸强度(MPa)	124	132	143	101.2
断裂伸长率(％)	12	11	11.5	10.5
					弯曲强度(MPa)	155	176	184	140
弯曲模量(MPa)	6420	7650	9230	4945
					简支梁缺口冲击强度(KJ/m<sup>2</sup>)	21	30.5	34	14.6
热变形温度(℃)	158	163	171	152.3
					洛氏硬度	110	111	113	110

本发明以特定的组分、特定的接枝率和熔体指数的接枝改性聚丙烯为相容剂，大大提高聚丙烯和长玻纤的界面结合力；以可控流变聚丙烯降温母粒为流动改性剂，降低熔体粘度；以润滑剂为分散剂，改善玻纤在基体中的分散性。通过对玻璃纤维的表面处理和熔体浸渍技术，改善长玻纤增强聚丙烯的力学性能，有效解决了玻纤的外露问题，提高复合材料的光洁度。所生产的长玻璃纤维增强聚丙烯具有良好的技术性能，可满足高强度汽车配件的使用要求，可替代增强工程塑料，用于生产汽车、家电部件等。且制备过程简单，生产工艺容易控制，产率较高，大大降低了原料成本，带来了极为明显的经济效益，应用前景极为看好。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于其组分的质量百分含量为：聚丙烯35～55wt％，长玻璃纤维35～50wt％，偶联剂0.3～0.8wt％，相容剂5～10wt％，流动改性剂2～4wt％，抗氧剂0.3～0.6wt％，润滑剂1～2wt％。

2.根据权利要求1所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于其组分具有如下的质量百分比：聚丙烯38wt％，长玻璃纤维50wt％，偶联剂0.5wt％，相容剂6wt％，流动改性剂4wt％，抗氧剂0.5wt％，润滑剂1wt％。

3.根据权利要求1或2所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的聚丙烯为中熔指聚丙烯，中熔指聚丙烯为中熔指的均聚丙烯、共聚丙烯的一种或它们的混合物；熔融指数在10～25g/10min。

4.根据权利要求1或2所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的长玻璃纤维为LFRT连续无捻粗纱，纤维类型为E玻璃，纤维直径为17μm。

5.根据权利要求1或2所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的偶联剂为偶联剂KH-550、偶联剂KH-560、复合酯类偶联剂中的一种或几种的混合物。

6.根据权利要求1或2所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯相容剂。

7.根据权利要求1或2所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的流动改性剂为PP降温母粒。

8.根据权利要求1或2所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1790、抗氧剂1098、抗氧剂168、抗氧剂DLTDP中的一种或几种的混合物。

9.根据权利要求1或2所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：所述的润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、高分子量聚丙烯蜡中的一种或它们的混合物，其中，高分子量聚丙烯蜡的分子量为7000～9000。

10.权利要求1所述的长玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤——

(a)将聚丙烯、流动改性剂、相容剂、抗氧剂及润滑剂加入到混合机中使之充分混合均匀；

(b)将上述得到的混合物通过加料口加入到双螺杆挤出机内，双螺杆挤出机温度控制共设六段，第一段和第二段挤出温度在180～200℃，其它几段挤出温度在200～230℃；物料在双螺杆挤出机中的停留时间为3～8min，主机转速控制在250～350r.min^-1；继而，通过双螺杆挤出机口模挤出熔体，并输送到浸渍装置中形成熔池；

(c)将连续长玻璃纤维预热干燥，使其表面温度达到60～80℃；接着通过长玻纤表面处理装置使长玻璃纤维表面浸润液态偶联剂，并促使每一股长玻璃纤维有规律的分散和集束；随后引入浸渍装置，使数股长玻璃纤维被引入到浸渍装置的熔池中，在熔体压力和张力作用下通过压辊使长玻璃纤维被熔体充分浸渍，再进入集束包覆装置进行集束包覆，然后从喇叭口形的模头出口处出料，最后冷却、切粒，即得到长玻璃纤维增强聚丙烯粒料。