CN102070805A - 一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒及其制法和应用 - Google Patents

一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒及其制法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含有埃洛石纳米管的聚烯烃复合母粒的制备方法，包括将(1)埃洛石纳米管加入到高速混合机或捏合机中，然后再按顺序加入分散剂、润滑剂、抗氧剂、热稳定剂、偶联剂和聚烯烃树脂，高速混合或在160～210℃下捏合1～5分钟；(2)将上述混合料喂入双螺杆挤出机中，进行挤出、切粒、干燥，即得到聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，双螺杆挤出机的加热温度为180～240℃。本发明的方法采用高速混合和捏合的方法，并且混合物中加入了偶联剂，与其他各组分形成配伍作用，使埃洛石纳米管在聚烯烃中有很好的分散，并且改善了聚烯烃的力学性能。用此方法制备的聚烯烃复合母粒可以作为一种低成本的复合母粒，用于塑料改性或者纤维改性。

Description

一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒及其制法和应用
技术领域
本发明涉及纳米复合材料领域，涉及一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒及其制法和应用。
技术背景
纳米复合材料的概念最早是由RustinRoy于1984年提出的，是指由两种或两种以上的组分构成的以纳米尺度均匀分散的复合体，在这些复合体中，至少有一相在一维方向上的尺寸是在1-100nm范围。纳米材料比表面积大，且相间距离小，存在特殊的相互作用，所以纳米复合材料在性能上与相应的宏观或微米级复合材料相比有着显著的差异。自1987年由日本学者第一次制造出PA6/粘土纳米复合材料后，聚合物基纳米复合材料以其独特的结构与性能受到了广泛的重视和研究，为人们对材料日益苛刻的要求提高了有效的解决途径。
埃洛石纳米管是一种天然的粘土矿物，由高岭石片层在天然条件下卷曲而成的微管状结构，其化学组成与高岭石相同，具有相同的SiO2/Al2O3比，HNTs理想的化学式是Al2Si2O5(OH)4·nH2O，n＝0或2，其中0和2分别代表7
Figure BSA00000364533400011
和10
Figure BSA00000364533400012
HNTs。一般埃洛石纳米管由多个片层卷曲而成，管外径约为10-50nm，内径约为5-20nm，长度约为2-40μm，所以是一天然的多壁微管。大部分HNTs具有与碳纳米管相似的几何形状，但是化学结构和表面性质不同，其管径处于纳米级尺寸，同时管的化学成分是单纯的硅酸盐结构，具有很高的强度，因此是制备高性能聚合物结构复合材料的理想增强体。
传统的无机纳米材料和聚烯烃复合制备过程中，无机纳米材料与聚烯烃的极性相差很大，与聚烯烃分子链的相互作用较弱，因此无机纳米材料团聚严重，均匀分散困难，对聚烯烃的材料性能提高有限。当前国内外聚合物/粘土复合物的研究开发主要集中在纳米碳酸钙、纳米凹凸棒、蒙脱土等无机纳米填料方面，关于埃洛石纳米管的报道则比较少。
中国专利CN100348655C介绍了一种埃洛石纳米管用于制备聚合物复合材料的方法，将埃洛石纳米管与聚合物按40～99∶0.5～60重量比混合，加入其它助剂，形成具有提高力学性能的聚合物纳米复合材料。
公开号CN101343386A介绍了一种橡胶/埃洛石纳米管纳米复合材料的制备方法，将橡胶、埃洛石纳米管、改性剂按100∶5～100∶0.5～20的质量比混合，制备橡胶/埃洛石纳米管纳米复合材料。
本发明是在上述背景下，为了解决埃洛石纳米管与聚烯烃基体相容性差、难以形成纳米级分散、界面结合不好、复合材料性能难以获得显著提高等问题，提出的一种聚烯烃/埃洛石纳米管纳米复合材料的制备方法。该方法工艺简单，可以有效改善埃洛石纳米管与聚烯烃的相容性，减少埃洛石纳米管的团聚，促进埃洛石纳米管在聚烯烃基体中的纳米级分散和取向，增强界面结合，最终获得结构稳定和性能优良的聚烯烃/埃洛石纳米管纳米复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒及其制法和应用，使添加到聚合物中的埃洛石纳米管具有良好的分散性和相容性，形成具有明显提高力学性能的聚合物纳米复合材料；克服现有纳米填料分散困难的缺点，而且填料廉价易得，没有粉尘污染。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，主要组分为：埃洛石纳米管、聚烯烃树脂、分散剂、润滑剂、抗氧剂、热稳定剂和偶联剂。
各组分的重量份数如下：
埃洛石纳米管      10～85
分散剂            0～5
润滑剂            0～3
抗氧剂            0～1
热稳定剂          0～3
偶联剂            0～15
聚烯烃树脂        10～90。
所述的埃洛石纳米管还包括改性埃洛石纳米管。
所述改性埃洛石纳米管的制备方法可以是采用本领域通用的表面改性剂，通过表面化学改性或者表面接枝聚合改性的方法改性得到的埃洛石纳米管。
所述的分散剂为聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、低分子量乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA蜡)、NN’-乙撑双硬脂酸酰胺或聚丙烯蜡中的一种或两种以上；所述的润滑剂为聚硅氧烷或硅树脂、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺或石蜡中的一种或两种以上。
所述的抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂7910、抗氧剂264、抗氧剂BHT或抗氧剂DLTP中的一种或两种以上。
所述的热稳定剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁或硬脂酸钡中的一种或两种以上。
所述的偶联剂为硬脂酸、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、磷酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或马来酸酐接枝聚烯烃树脂中的一种或两种以上。
所述的聚烯烃树脂为商品的高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、乙烯-辛烯共聚物、乙烯-极性单体共聚物(例如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物等)、均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物中的一种或两种以上。
制备所述的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒的方法，包括以下步骤：
(1)在埃洛石纳米管中，依次加入分散剂、润滑剂、抗氧剂、热稳定剂、偶联剂和聚烯烃树脂，高速混合或在160～210℃下捏合1～5分钟；
(2)把上述混合料喂入双螺杆挤出机中，进行挤出、切粒、干燥，即得到聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，双螺杆挤出机的加热温度为180～240℃。
各原料的重量份数如下：
埃洛石纳米管      10～85
分散剂            0～5
润滑剂            0～3
抗氧剂            0～1
热稳定剂          0～3
偶联剂            0～15
聚烯烃树脂        10～90。
所述的埃洛石纳米管还包括改性埃洛石纳米管。
所述的分散剂为聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、低分子量乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA蜡)、NN’-乙撑双硬脂酸酰胺或聚丙烯蜡中的一种或两种以上；所述的润滑剂为聚硅氧烷或硅树脂、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺或石蜡中的一种或两种以上。
所述双螺杆挤出机的转速为50～600rpm，喂料速度为25～300rpm，长径比为30∶1～50∶1。
所述的抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂7910、抗氧剂264、抗氧剂BHT或抗氧剂DLTP中的一种或两种以上。
所述的热稳定剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁或硬脂酸钡中的一种或两种以上。
所述的偶联剂为硬脂酸、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、磷酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或马来酸酐接枝聚烯烃树脂中的一种或两种以上。
所述的聚烯烃树脂为商品的高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、乙烯-辛烯共聚物、乙烯-极性单体共聚物(例如乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物、乙烯-丙烯酸丁酯共聚物等)、均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物中的一种或两种以上。
本发明还提供了一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒在制备聚烯烃塑料和纺制聚烯烃纤维中的应用。
所述高速混合是在高速混合机中以500～30000rpm的转速搅拌混合。
所述捏合是在捏合机中进行。
本发明的方法采用高速混合和捏合的方法，并且混合物中加入了偶联剂，与其他各组分形成配伍作用，使埃洛石纳米管在聚烯烃中有很好的分散，并且改善了聚烯烃的力学性能。用此方法制备的聚烯烃复合母粒可以按0～50％的比例添加于聚合物中，可用来制备聚烯烃塑料(例如聚乙烯、聚丙烯等)、纺制聚烯烃纤维(例如聚丙烯纤维等)等。在0～50％的添加比例时，聚合物复合材料的力学性能比较纯聚合物会有所提高，同时降低聚合物材料的生产成本。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明采用的埃洛石纳米管成本低廉，资源丰富，可降低聚合物材料的生产成本。
2.本发明通过高速混合机和捏合机对混合物进行预分散，将埃洛石纳米管均匀分散到聚烯烃基体中，所采用的工艺路线和设备都是聚合物成型过程中的常规方法，方法简单易行，无需添置其它的成型设备即可对本发明进行工业化。
3.本发明通过在埃洛石纳米管中加入偶联剂、分散剂以及其它助剂，使埃洛石纳米管与聚合物基体有良好的相容性，显著提高聚烯烃的力学性能。
4.本发明制备的聚烯烃复合母粒可应用于塑料改性，可应用于各种塑料铸件、塑料制品等。
5.本发明制备的聚烯烃复合母粒可应用于纤维改性，可应用于汽车网安全带、拖车带、建筑用安全网、船用缆绳、家用装饰布、窗帘布等行业，具有广阔的应用前景和显著的社会效益及经济效益。
具体实施方式
实施例1
在高速混合机中，加入400g埃洛石纳米管，依顺序加入20g聚乙烯蜡、10g石蜡、20g抗氧剂1010、30g硬脂酸锌、80g马来酸酐接枝线性低密度聚乙烯、40g硬脂酸和1.4kg线性低密度聚乙烯，得到混合物。高速混合机混合速度为24000rpm。
再将上述混合料喂入双螺杆挤出机中，进行挤出、切粒、干燥，即得到聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，双螺杆挤出机的主机转速为100rpm，喂料速度为25rpm，加热温度依次为160℃、190℃、190℃、190℃、190℃、180℃。
将1kg干燥的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒和1kg聚乙烯混合均匀后，在双螺杆挤出机共混挤出、切粒、干燥，然后在注塑机中注射成型成标准试样。所得加入母粒后形成的纳米复合材料的力学性能如表1所示。
表1聚乙烯/埃洛石纳米管纳米复合材料性能表
  项目   纯聚乙烯   实施例1
  拉伸强度/MPa   10.0   13.1
  弯曲强度/MPa   8.5   16.5
实施例2
在捏合机中，加入1kg埃洛石纳米管，依顺序加入60g EVA蜡、60g聚硅氧烷、20g抗氧剂264、60g硬脂酸钙、200g乙烯丙烯酸酯马来酸酐三元共聚物和600g聚丙烯，180℃下捏合5分钟，得到混合物。
再将上述混合料喂入双螺杆挤出机中，进行挤出、切粒、干燥，即得到聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，双螺杆挤出机的主机转速为100rpm，喂料速度为25rpm，加热温度依次为180℃、195℃、200℃、200℃、200℃、190℃。
将1kg干燥的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒和4kg聚乙烯混合均匀后，在双螺杆挤出机共混挤出、切粒、干燥，然后在注塑机中注射成型成标准试样。所得加入母粒后形成的纳米复合材料的力学性能如表2所示。
表2聚丙烯/埃洛石纳米管纳米复合材料性能表
  项目   纯聚丙烯   实施例2
  拉伸强度/MPa   33.5   35.5
  弯曲强度/MPa   44.5   53.4
实施例3
将120gγ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷溶于少量95％乙醇中，搅拌水解15min后均匀喷洒于埃洛石纳米管中，待乙醇自然挥发后，烘干，研磨过150μm孔径筛得到改性埃洛石纳米管。
在高速混合机中，加入600g埃洛石纳米管，在低速搅拌下依顺序加入40g氧化聚乙烯蜡、20g芥酸酰胺、20g抗氧剂BHT、40g硬脂酸锌和1.2kg乙烯-甲基丙烯酸共聚物，高速搅拌5分钟，得到混合物。高速混合机混合速度为24000rpm。再将上述混合料喂入双螺杆挤出机中，进行挤出、切粒、干燥，即得到聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，双螺杆挤出机的主机转速为100rpm，喂料速度为25rpm，加热温度依次为180℃、195℃、200℃、200℃、200℃、190℃。
将100g干燥的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒和3kg聚乙烯混合均匀后，进行熔融纺丝，纺丝温度为230℃，在120℃热牵伸，牵伸倍数为7倍。所得加入母粒后形成的聚丙烯纤维的力学性能如表3所示。
表3聚丙烯/埃洛石纳米管纳米复合纤维材料性能表
  项目   纯聚丙烯纤维   实施例3
  断裂强度/(g/d)   5.5   6.2
  断裂伸长率/％   20.4   20.0
实施例4
在1000ml三口烧瓶中加入500ml 95％乙醇溶液，慢慢滴入10gγ-氨基丙基三乙氧基硅烷，缓慢搅拌，水解15min，然后加入100g埃洛石纳米管，升温至80℃，回流3h，抽滤并用乙醇冲洗三次，待乙醇自然挥发后，烘干，研磨过150μm孔径筛得到改性埃洛石纳米管。
在高速混合机中，加入240g上述改性埃洛石纳米管，在低速搅拌下依顺序加入20g聚乙烯蜡、10g石蜡、20g抗氧剂1010、30g硬脂酸锌、80g马来酸酐接枝线性低密度聚乙烯、40g硬脂酸和1.6kg线性低密度聚乙烯，得到混合物。高速混合机混合速度为24000rpm。再将上述混合料喂入双螺杆挤出机中，进行挤出、切粒、干燥，即得到聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，双螺杆挤出机的主机转速为100rpm，喂料速度为25rpm，加热温度依次为160℃、190℃、190℃、190℃、190℃、180℃。
将150g干燥的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒和3kg聚乙烯混合均匀后，进行熔融纺丝，纺丝温度为230℃，在120℃热牵伸，牵伸倍数为7倍。所得加入母粒后形成的聚丙烯纤维的力学性能如表4所示。
表4聚丙烯/埃洛石纳米管纳米复合纤维材料性能表
  项目   纯聚丙烯纤维   实施例3
  断裂强度/(g/d)   5.5   6.3
  断裂伸长率/％   20.4   26.2

Claims (10)

1.一种聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，其特征在于，主要组分为：埃洛石纳米管、聚烯烃树脂、分散剂、润滑剂、抗氧剂、热稳定剂和偶联剂。
2.根据权利要求1所述的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，其特征在于，所述的埃洛石纳米管还包括改性埃洛石纳米管。
3.根据权利要求1所述的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，其特征在于，各组分的重量份数如下：
埃洛石纳米管      10～85
分散剂            0～5
润滑剂            0～3
抗氧剂            0～1
热稳定剂          0～3
偶联剂            0～15
聚烯烃树脂        10～90。
4.制备权利要求1～3之一所述的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在埃洛石纳米管中，依次加入分散剂、润滑剂、抗氧剂、热稳定剂、偶联剂和聚烯烃树脂，高速混合或在160～210℃下捏合1～5分钟；
(2)把上述混合料喂入双螺杆挤出机中，进行挤出、切粒、干燥，即得到聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒，双螺杆挤出机的加热温度为180～240℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，各原料的重量份数如下：
埃洛石纳米管      10～85
分散剂            0～5
润滑剂            0～3
抗氧剂            0～1
热稳定剂          0～3
偶联剂            0～15
聚烯烃树脂        10～90。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的埃洛石纳米管还包括改性埃洛石纳米管。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机的转速为50～600rpm，喂料速度为25～300rpm，长径比为30∶1～50∶1。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，分散剂为聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、低分子量乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、NN’-乙撑双硬脂酸酰胺或聚丙烯蜡中的一种或两种以上；所述的润滑剂为聚硅氧烷或硅树脂、硬脂酸酰胺、芥酸酰胺或石蜡中的一种或两种以上；所述的抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂7910、抗氧剂264、抗氧剂BHT或抗氧剂DLTP中的一种或两种以上；所述的热稳定剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁或硬脂酸钡中的一种或两种以上；所述的偶联剂为硬脂酸、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、磷酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或马来酸酐接枝聚烯烃树脂中的一种或两种以上。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的聚烯烃树脂为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、乙烯-辛烯共聚物、乙烯-极性单体共聚物、聚丙烯或乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物中的一种或两种以上。
10.权利要求1～3之一所述的聚烯烃/埃洛石纳米管复合母粒在制备聚烯烃塑料和纺制聚烯烃纤维中的应用。
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