发明内容
本发明的目的是提供一种纳米蒙脱土/聚丙烯酸酯(ACR)复合材料的制备方法,以二次改性纳米蒙脱土作为ACR的改性剂,通过与ACR外壳的复合实现对ACR的改性,从而得到纳米蒙脱土/ ACR复合材料。
本发明所述纳米蒙脱土/ACR纳米复合材料的制备方法是将先用硫酸对钠基蒙脱土进行一次改性,进而用丙烯酸酯单体进行原位插层聚合二次改性,获得二次改性蒙脱土;然后在ACR的外壳制备过程中与二次改性蒙脱土进行复合,制备出纳米蒙脱土/ACR复合材料,其具体制备方法包括如下步骤:
(1)将浓硫酸配成质量浓度40~70%的酸性水溶液,按照钠基蒙脱土与酸性水溶液3:1的质量比,将蒙脱土加入到上述酸性水溶液中,在85℃下高速搅拌3小时,趁热过滤,用蒸馏水洗涤至中性,烘干,研磨,得到一次改性蒙脱土;
(2)将一次改性蒙脱土加入体积比1:1的乙醇-蒸馏水混合溶剂中,一次改性蒙脱土与乙醇-蒸馏水的质量比为1:1~3,加入γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种作为改性剂,用量为一次改性蒙脱土质量的1%,在50℃水浴中超声-机械双搅拌分散3小时,保持50℃下加入单体甲基丙烯酸甲酯、引发剂偶氮二异丁腈,其中甲基丙烯酸甲酯与一次改性蒙脱土质量比为1:1~5,偶氮二异丁腈用量为甲基丙烯酸甲酯质量的0.3~1.0%;搅拌均匀,通氮气0.5小时,缓慢升温至80℃,搅拌反应6小时,降至常温,抽滤,用蒸馏水洗涤,反复3次,80℃下真空干燥至恒重,研磨,即制得二次改性蒙脱土;
(3)以蒸馏水为溶剂,丙烯酸丁酯作为单体A,过硫酸钾为引发剂,其用量为单体A质量的0.1~0.8%;十二烷基硫酸钠作为乳化剂,其用量为单体A质量的0.5~5.0%;在70℃并持续搅拌下,反应0.5小时,制备种子乳胶;
(4)以丙烯酸丁酯和苯乙烯为单体B,其中,丙烯酸丁酯与苯乙烯的质量比为4:1,N,N,-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂,其用量为单体B质量的0.02~0.1%;过硫酸钾作为引发剂,其用量为单体B质量的0.05~0.3%;十二烷基硫酸钠作为乳化剂,其用量为单体B质量的0.1~1.0%,将上述组分加入蒸馏水中搅拌得到预乳化液I,将预乳化液I滴加到步骤(3)的种子胶乳中,在75℃并持续搅拌下反应1小时,得到核乳液;
(5)以甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯为单体C,甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯的质量比为2:1,N,N,-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂,其用量为单体C质量的0.1~0.5%;过硫酸钾作为引发剂,其用量为单体C质量的0.05~0.3%;采用十二烷基硫酸钠和反应性乳化剂烷基酚醚硫酸铵盐为复合乳化剂,十二烷基硫酸钠与反应性乳化剂烷基酚醚硫酸铵盐质量比为70:30,复合乳化剂用量为单体C质量的0.1~2.0%;将上述组分与二次改性蒙脱土加入到蒸馏水中搅拌得到预乳化液II,将预乳化液II滴加到步骤(4)的核乳液中,在85℃下并持续搅拌下反应2小时,制得纳米蒙脱土/聚丙烯酸酯复合乳液;
(6)步骤(5)得到的复合乳液经破乳、干燥,获得纳米蒙脱土/聚丙烯酸酯复合材料。
上述步骤(1)中所用钠基蒙脱土平均粒径为30~50nm。
上述步骤(3)(4)(5)中所用单体A:单体B:单体C的质量比为5~10:50~70:20~40;二次改性蒙脱土用量为单体A+单体B+单体C总质量的5.0~20.0%。
上述步骤(3)中单体A与蒸馏水质量比为20:80。
上述步骤(4)中单体B与蒸馏水质量比40:60。
上述步骤(5)中单体C与蒸馏水质量比为20:80。
上述步骤(6)中所得到的纳米蒙脱土/聚丙烯酸酯复合材料的平均粒径为120nm~160nm。
本发明还提供上述制备方法制备的纳米蒙脱土/聚丙烯酸酯复合材料在制备聚氯乙烯制品中的应用。
本发明的有益效果:
通过本发明提供的制备方法得到的纳米蒙脱土/ACR复合材料平均粒径为120nm~160nm。将所得复合材料应用于聚氯乙烯(PVC)制品的加工,可同时提高制品的抗冲击性能与热稳定性能,符合塑料加工助剂“一品多能”的发展趋势。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明内容进行具体的说明,但本发明内容不限于以下实施例。
实施例1
第一步:将浓H2SO4滴加到蒸馏水中,配成质量浓度70%的酸性水溶液,按钠基蒙脱土与酸性水溶液3:1的质量比,将平均粒径40nm的蒙脱土加入到上述酸性水溶液中,在85℃下高速搅拌3小时,趁热过滤,用蒸馏水洗涤滤饼至中性,烘干,研磨,得一次改性蒙脱土。
第二步:将一次改性蒙脱土加入体积比1:1的乙醇-蒸馏水混合溶剂中,一次改性蒙脱土:乙醇-蒸馏水质量比为1:3,加入改性剂γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(用量为一次改性蒙脱土质量的1%),在50℃水浴中超声-机械双搅拌分散3小时,保持50℃下加入单体甲基丙烯酸甲酯、引发剂偶氮二异丁腈,甲基丙烯酸甲酯:一次改性蒙脱土质量比为1:3,偶氮二异丁腈用量为甲基丙烯酸甲酯质量的0.5%。搅拌均匀,通氮气0.5小时,缓慢升温至80℃,搅拌反应6小时,降至常温,抽滤,用蒸馏水洗涤,反复3次,80℃下真空干燥至恒重,研磨,即制得二次改性蒙脱土。
第三步:以蒸馏水为溶剂,依次加入单体A(丙烯酸丁酯),引发剂过硫酸钾为(用量为单体A质量的0.7%),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体A质量的5.0%),在70℃并持续搅拌下,反应0.5小时,制备种子乳胶;
第四步:将单体B(由丙烯酸丁酯、苯乙烯按质量比4:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体B质量的0.05%),引发剂过硫酸钾(用量为单体B质量的0.12%),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体B质量的1.0%)依次加入蒸馏水中搅拌得到预乳化液I,将预乳化液I滴加到第三步的种子胶乳中,在75℃并持续搅拌下反应1小时,得到核乳液;
第五步:将单体C(由甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯按质量比2:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体C质量的0.3%),引发剂过硫酸钾(用量为单体C质量的0.10%),复合乳化剂(由十二烷基硫酸钠、反应性乳化剂烷基酚醚硫酸铵盐按质量比70:30组成,复合乳化剂用量为单体C质量的1.0%)与第二步得到的二次改性蒙脱土依次加入到蒸馏水中搅拌得到预乳化液II,将预乳化液II滴加到第四步的核乳液中,在85℃下并持续搅拌下反应2小时,制得纳米蒙脱土/ACR复合乳液;
第六步:上述复合乳液经破乳、干燥,获得纳米蒙脱土/ACR复合粒子。
上述单体A:单体B:单体C质量比为6:65:29,二次改性蒙脱土用量为(单体A+单体B+单体C)总质量的10.0%,第三步中单体A:蒸馏水质量比为20:80,第四步中单体B:蒸馏水质量比40:60,第五步中单体C:蒸馏水质量比为20:80。
实施例2
第一步:将浓H2SO4滴加到蒸馏水中,配成质量浓度50%的酸性水溶液,按钠基蒙脱土与酸性水溶液3:1的质量比,将平均粒径30nm的蒙脱土加入到上述酸性水溶液中,在85℃下高速搅拌3小时,趁热过滤,用蒸馏水洗涤滤饼至中性,烘干,研磨,得一次改性蒙脱土。
第二步:将一次改性蒙脱土加入体积比1:1的乙醇-蒸馏水混合溶剂中,一次改性蒙脱土:乙醇-蒸馏水质量比为1:2,加入改性剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷,用量为一次改性蒙脱土质量的1%,在50℃水浴中超声-机械双搅拌分散3小时,保持50℃下加入单体甲基丙烯酸甲酯、引发剂偶氮二异丁腈,甲基丙烯酸甲酯:一次改性蒙脱土质量比为1:5,偶氮二异丁腈用量为甲基丙烯酸甲酯质量的0.8%。搅拌均匀,通氮气0.5小时,缓慢升温至80℃,搅拌反应6小时,降至常温,抽滤,用蒸馏水洗涤,反复3次,80℃下真空干燥至恒重,研磨,即制得二次改性蒙脱土。
第三步:以蒸馏水为溶剂,依次加入单体A(丙烯酸丁酯),引发剂过硫酸钾为(用量为单体A质量的0.3 %),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体A质量的3.2%),在70℃并持续搅拌下,反应0.5小时,制备种子乳胶;
第四步:将单体B(由丙烯酸丁酯、苯乙烯按质量比4:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体B质量的0.1%),引发剂过硫酸钾(用量为单体B质量的0.18 %),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体B质量的0.8 %)依次加入蒸馏水中搅拌得到预乳化液I,将预乳化液I滴加到第三步的种子胶乳中,在75℃并持续搅拌下反应1小时,得到核乳液;
第五步:将单体C(由甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯按质量比2:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体C质量的0.3%),引发剂过硫酸钾(用量为单体C质量的0.15%),复合乳化剂(由十二烷基硫酸钠、反应性乳化剂烷基酚醚硫酸铵盐按质量比70:30组成,复合乳化剂用量为单体C质量的1.5%)与第二步得到的二次改性蒙脱土依次加入到蒸馏水中搅拌得到预乳化液II,将预乳化液II滴加到第四步的核乳液中,在85℃下并持续搅拌下反应2小时,制得纳米蒙脱土/ACR复合乳液;
第六步:上述复合乳液经破乳、干燥,获得纳米蒙脱土/ACR复合粒子。
其中,单体A:单体B:单体C质量比为5:60:35,二次改性蒙脱土用量为(单体A+单体B+单体C)总质量的15%;第三步中单体A:蒸馏水质量比为20:80,步骤(3)中单体B:蒸馏水质量比40:60,第五步中单体C:蒸馏水质量比为20:80。
实施例3
第一步:将浓H2SO4滴加到蒸馏水中,配成质量浓度60%的酸性水溶液,按钠基蒙脱土与酸性水溶液3:1的质量比,将平均粒径50nm的蒙脱土加入到上述酸性水溶液中,在85℃下高速搅拌3小时,趁热过滤,用蒸馏水洗涤滤饼至中性,烘干,研磨,得一次改性蒙脱土。
第二步:将一次改性蒙脱土加入体积比1:1的乙醇-蒸馏水混合溶剂中,一次改性蒙脱土:乙醇-蒸馏水质量比为1:1,加入改性剂3-(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷,用量为一次改性蒙脱土质量的1%,在50℃水浴中超声-机械双搅拌分散3小时,保持50℃下加入单体甲基丙烯酸甲酯、引发剂偶氮二异丁腈,甲基丙烯酸甲酯:一次改性蒙脱土质量比为1:2,偶氮二异丁腈用量为甲基丙烯酸甲酯质量的1.0%。搅拌均匀,通氮气0.5小时,缓慢升温至80℃,搅拌反应6小时,降至常温,抽滤,用蒸馏水洗涤,反复3次,80℃下真空干燥至恒重,研磨,即制得二次改性蒙脱土。
第三步:以蒸馏水为溶剂,依次加入单体A(丙烯酸丁酯),引发剂过硫酸钾为(用量为单体A质量的0.5%),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体A质量的4.0%),在70℃并持续搅拌下,反应0.5小时,制备种子乳胶;
第四步:将单体B(由丙烯酸丁酯、苯乙烯按质量比4:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体B质量的0.08%),引发剂过硫酸钾(用量为单体B质量的0.22 %),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体B质量的0.6%)依次加入蒸馏水中搅拌得到预乳化液I,将预乳化液I滴加到第三步的种子胶乳中,在75℃并持续搅拌下反应1小时,得到核乳液;
第五步:将单体C(由甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯按质量比2:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体C质量的0.4 %),引发剂过硫酸钾(用量为单体C质量的0.1%),复合乳化剂(由十二烷基硫酸钠、反应性乳化剂烷基酚醚硫酸铵盐按质量比70:30组成,复合乳化剂用量为单体C质量的2.0%)与第二步得到的二次改性蒙脱土依次加入到蒸馏水中搅拌得到预乳化液II,将预乳化液II滴加到步骤(3)的核乳液中,在85℃下并持续搅拌下反应2小时,制得纳米蒙脱土/ACR复合乳液;
(5)上述复合乳液经破乳、干燥,获得纳米蒙脱土/ACR复合粒子。
上述单体A:单体B:单体C质量比为10:70:20,二次改性蒙脱土用量为(单体A+单体B+单体C)总质量的18.0%,第三步中单体A:蒸馏水质量比为20:80,步骤(3)中单体B:蒸馏水质量比40:60,第五步中单体C:蒸馏水质量比为20:80。
比较例(不加二次改性蒙脱土):
(1)以蒸馏水为溶剂,依次加入单体A(丙烯酸丁酯),引发剂过硫酸钾为(用量为单体A质量的0.8%),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体A质量的3.0%),在70℃并持续搅拌下,反应0.5小时,制备种子乳胶;
(2)将单体B(由丙烯酸丁酯、苯乙烯按质量比4:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体B质量的0.05%),引发剂过硫酸钾(用量为单体B质量的0.2%),乳化剂十二烷基硫酸钠(用量为单体B质量的0.8 %)依次加入蒸馏水中搅拌得到预乳化液I,将预乳化液I滴加到步骤(1)的种子胶乳中,在75℃并持续搅拌下反应1小时,得到核乳液;
(3)将单体C(由甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯按质量比2:1组成),交联剂N,N,-亚甲基双丙烯酰胺(用量为单体C质量的0.5%),引发剂过硫酸钾(用量为单体C质量的0.1 %),复合乳化剂(由十二烷基硫酸钠、反应性乳化剂烷基酚醚硫酸铵盐按质量比70:30组成,复合乳化剂用量为单体C质量的1.8%)依次加入到蒸馏水中搅拌得到预乳化液II,将预乳化液II滴加到步骤(2)的核乳液中,在85℃下并持续搅拌下反应2小时,制得ACR乳液;
(4)上述乳液经破乳、干燥,获得ACR粒子。
上述单体A:单体B:单体C质量比为5:55:40,第一步中单体A:蒸馏水质量比为20:80,第二步中单体B:蒸馏水质量比40:60,第三步中单体C:蒸馏水质量比为20:80。
本发明实施效果与应用性能效果:
将上述实施例及比较例产品分别按表1中的配方与聚氯乙烯(PVC)在辊温为190±5℃的双辊混炼机中进行熔融混炼,得到试验样品。
表1 本发明产品与PVC塑料混炼配方
组份 |
PVC |
本发明产品 |
CPE |
CaCO3 |
Ca/Zn热稳定剂 |
TiO2 |
质量份数 |
100 |
3 |
4.0 |
10.0 |
3.0 |
2.0 |
分别测定试验样品的抗冲击性能、拉伸性能和静态热稳定性,测定方法如下:
抗冲击性能试验:按GB/T1843-2008标准用万能制样机裁成缺口冲击试验样条,采用悬臂梁冲击试验机进行抗冲击试验(测试温度:23℃)。
拉伸性能试验:按GB/T1040-2006标准要求进行,拉伸速度为20mm/min(测试温度:23℃)。
静态热稳定性与刚果红试验:按标准GB/T 2917.1-2002要求进行。测定结果件表2。
表2 本发明产品性能对比表
项目 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
比较例 |
平均粒径(nm) |
138 |
146 |
152 |
132 |
抗冲强度(KJ/m2) |
63.3 |
65.2 |
64.0 |
66.8 |
拉伸强度(MPa)23℃ |
47.8 |
50.4 |
48.6 |
49.1 |
静态老化试验变黄时间(min) |
70 |
70 |
70 |
60 |
刚果红试验变色时间(min) |
69 |
66 |
68 |
62 |