CN102234393B - 生态友好的聚丙烯-聚乳酸复合组合物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其包括聚丙烯树脂和聚乳酸树脂的混合物，其中由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物、由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂、聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂和滑石颗粒加入至其中。该组合物减少CO2排放并且改善机械强度和耐热性，从而适合作为用于车辆的内部和外部部件以及建筑物的材料。

Description

生态友好的聚丙烯-聚乳酸复合组合物
技术领域
本公开涉及一种聚丙烯-聚乳酸复合组合物。更具体地，其涉及一种具有优异的耐热性和机械强度的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，因此其可用于车辆部件材料以及建筑材料的制造。
背景技术
自20世纪后期以来的全球快速工业化似乎很大程度上归因于化石燃料资源，特别是石油资源。朝向完善的工业化的努力已随着全球人口的增加正推进石油的利用。然而，石油是不可再生的资源并且其全球储量似乎非常有限。此外，由于石油产生二氧化碳，而二氧化碳被认为是全球变暖的主要原因，因此已经有许多研究线(lines of research)在研究如何减少二氧化碳排放和避免石油的利用。
植物来源的生物燃料聚合物可借助于化学或生物手段获自可再生的植物资源，诸如谷物、豆类、甘蔗、木材等。在应付环境问题包括减少二氧化碳方面，它们似乎比生物可降解材料更为有效。在生物燃料聚合物中，聚乳酸是直链脂族聚酯，其可通过谷物或马铃薯的淀粉的发酵而制备，或通过由糖化植物纤维素的发酵获得的糖单体的聚合而制备。其是一种碳中性(carbon neutral)的生态友好的热塑性聚合物。
然而，与常规的聚合物材料相比，聚乳酸树脂具有很差的物理性能并且由此其工业应用极大地受限。更具体地，为了使聚乳酸用作汽车材料，弥补其耐热性和抗冲击性是重要的。为此，已经有许多尝试通过将其与作为常规的基于石油的树脂的聚丙烯树脂共混来开发复合材料。
然而，聚丙烯树脂由于与聚乳酸树脂两者之间的极性差异而与聚乳酸树脂不相容，已经尝试加入配伍剂的方法。例如，日本专利申请公开第2009-096892号和第2009-256487号公开了加入由无水马来酸接枝的非晶态聚丙烯作为配伍剂以改善聚乳酸树脂与聚丙烯树脂之间的相容性的方法。这些对比文件所教导的组合物显示具有优异的冲击强度，但它们的拉伸性能很差。
日本专利申请公开第2008-111043号教导了一种使用由无水马来酸接枝的乙烯-丙烯共聚物作为配伍剂的方法。该对比文件所教导的复合材料揭示其具有良好的耐热性，但其冲击强度不足以使其用于汽车材料的制造。该对比文件还公开了使用氨基改性的弹性体作为配伍剂以获得在耐热性和冲击强度两方面均具有优异性质的组合物的方法。然而，生成物不具有充足的性质以用作车辆的内部和外部部件的材料。
在此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，并且因此其可能含有不形成在本国已经为本领域普通技术人员所公知的现有技术的信息。
发明内容
在解决与现有技术相关的上述问题的努力中，本发明的发明人发现了一种复合组合物，其中加入作为配伍剂的由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂和由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂以改善聚丙烯树脂与聚乳酸树脂之间的相容性，其中加入聚乙烯甲基丙烯酸缩水甘油酯(EGMA)以改善机械性能，包括聚乳酸材料的耐热性和冲击强度，并且加入滑石颗粒以改善上述机械性能。
在一个方面，本发明提供了一种通过将能够减少二氧化碳排放的生物材料——聚乳酸树脂、与广泛用于制造车辆的内部和外部的材料——聚丙烯树脂共混而制备的组合物，从而赋予该组合物优异的耐热性和机械强度，同时有助于减少基于石油的材料的使用。
本发明涉及一种用于制造车辆的内部和外部部件的材料的生态友好的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，该组合物包括聚丙烯树脂、聚乳酸树脂、由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂、由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂、滑石颗粒、和聚乙烯甲基丙烯酸缩水甘油酯(EGMA)。
因为本发明的聚丙烯-聚乳酸复合组合物包括高达30wt.％的作为生物材料的聚乳酸，因此其在使用后能够被回收，并且可以适当地符合“低碳绿色生长”。此外，由于其优异的耐热性和诸如冲击强度的机械强度，其可用作制造车辆的内部和外部部件的材料以及建筑物的材料。
本发明的上述和其它特征和优点通过合并于本说明书并构成本说明书一部分的附图和下面的具体实施方式将变得显而易见或更为详细地阐述，附图和具体实施方式共同用于通过实施例解释本发明的原理。
要理解的是本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种艇和船的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢燃料车和其他代用燃料车(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。
附图说明
现在将参考由附图所图示的本发明的某些示例性实施方式来详细说明本发明的上述和其他特征，下面这些实施方式仅用于举例说明，并因此不是对本发明的限制，并且其中：
图1是显示聚丙烯树脂与聚乳酸树脂之间相容化的原理的图。
具体实施方式
以下将详细参考本发明的各实施方式，其实施例在附图中说明并且在下面描述。尽管将要结合示例性的实施方式来描述本发明，但是要理解的是，本描述并非要将本发明限制到那些示例性的实施方式中。相反，本发明不但要涵盖示例性的实施方式，而且要涵盖可包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替代方式、更改形式、等效形式以及其他实施方式。
本发明涉及一种聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其包括聚丙烯树脂、聚乳酸树脂、由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物、由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂、聚乙烯甲基丙烯酸缩水甘油酯(EGMA)、和滑石颗粒。
聚丙烯树脂是一种广泛使用的塑料树脂，其由廉价和丰富的原料使用简单的工艺制成。由于低比重其是轻质的，坚固的，具有低的热导率，不吸水，并且具有优异的弹性、抗药性、加工性等。此外，由于其是可回收的热塑性树脂，其应用已在增加。
在本发明中使用的聚丙烯树脂可选自丙烯均聚物、丙烯无规共聚物和丙烯嵌段共聚物。聚丙烯树脂优选具有0.5-30g/10min(ASTM D1238，230℃)的熔融指数(MI)，更优选地1.5-20g/10min。如果熔融指数太低，则其可由于高熔体粘度而使复合材料的加工性劣化。另一方面，如果熔融指数太高，则其可导致差的机械强度。
聚丙烯树脂优选相对于100wt.％总复合组合物以55-60wt.％的量使用。如果其用量小于55wt.％，则要用作基质的主要材料的聚丙烯树脂的含量不足，并因此可降低其机械强度。同时，如果其用量大于60wt.％，则其可降低要使用的聚乳酸的含量，这与本发明使生物燃料最大化的目标相背离。因此，优选保持上述的范围。
上面提到的聚乳酸树脂可通过单体乳酸的聚合来制造。乳酸以L-型或D-型的形式存在，取决于光学活性。通常，乳酸可通过化学方法使用化石资源诸如煤、石油、天然气来合成，或通过植物碳水化合物诸如玉米淀粉、马铃薯淀粉、磨拉石的发酵来合成。在乳酸的化学合成中，乳酸以包括各50wt.％的L-型和D-型乳酸的外消旋混合物的形式产生。相反，在乳酸的发酵合成中，产生的99.5wt.％以上的乳酸是L-型。因此，优选通过植物资源的发酵合成乳酸。
优选使用100％的从生物燃料合成的天然资源，其具有100,000-150,000g/mol的分子量。如果分子量低于100,000g/mol，则其可导致产生的乳酸的机械强度劣化。同时，如果分子量高于150,000g/mol，则其可导致熔体粘度的过度增加，由此使得难以获得聚乳酸在聚丙烯基质中的均一分散。
要加入的乳酸的量优选为25-30wt.％。如果用量小于25wt.％，则其相比于常规的基于石油的材料，所谓的生态友好的生物燃料材料的含义就不存在了，并且其还可能由于与作为配伍剂的由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物的结合量减少而使乳酸的机械强度劣化。同时，如果其用量超过30wt.％，则其可导致聚丙烯树脂的含量相对减少，由此使聚乳酸的机械强度劣化。
上面提到的由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂和由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂在其极性方面有极大的差异，并因此它们可用作互相不相容的聚丙烯树脂与聚乳酸树脂之间的配伍剂，从而起到分散剂以及交联剂的双重作用，所述分散剂使聚乳酸树脂颗粒均一地分散在聚丙烯树脂中，所述交联剂诱发聚丙烯树脂与聚乳酸树脂之间的界面相互作用，以改善机械强度。
由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物，优选具有0.5-1.0wt.％的无水马来酸的接枝率。如果接枝率低于0.5wt.％，其可导致低极性，由此使得难以获得聚乳酸树脂的均一分散。另一方面，如果其超过1.0wt.％，则其可导致熔体粘度的过度增加，由此降低聚乳酸树脂的分散。因此，优选保持上述范围。
由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物优选相对于100wt.％总组合物以1-5wt.％的范围使用。如果其用量小于1wt.％，则可能不能获得聚乳酸树脂的均一分散，由此使该组合物的冲击强度劣化，并且使其难以被工业化应用。同时，如果其用量超过5wt.％，则可能不能改善最终的总复合组合物的机械强度。因此，优选保持上述范围。
由无水马来酸共聚物接枝的聚乳酸树脂优选具有0.3-0.7wt.％的无水马来酸的接枝率。如果接枝率低于0.3wt.％，其可导致低极性，由此使得难以获得聚乳酸树脂的均一分散。另一方面，如果其超过0.7wt.％，则其可导致熔体粘度的过度增加，由此降低聚乳酸树脂的分散。因此，优选保持上述范围。
由无水马来酸共聚物接枝的聚乳酸树脂优选相对于100wt.％总组合物以1-5wt.％的范围使用。如果接枝率低于1wt.％，其可导致低极性，由此使得难以获得聚乳酸树脂的均一分散。如果其超过5wt.％，则其可导致熔体粘度的过度增加，由此降低聚乳酸树脂的分散。因此，优选保持上述范围。
由无水马来酸共聚物接枝的聚乳酸树脂优选相对于100wt.％总组合物以1-5wt.％的范围使用。如果其用量小于1wt.％，则可能不能获得聚乳酸树脂的均一分散，由此使该组合物的冲击强度劣化，并且使其难以被工业化应用。同时，如果其用量超过5wt.％，则可能不能改善最终的总复合组合物的机械强度。因此，优选保持上述范围。
聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂优选相对于100wt.％总组合物以1-5wt.％的范围使用。如果其用量小于1wt.％，则其可降低总复合组合物与聚乳酸的化学反应性，并因此可能不能获得聚乳酸树脂的均一分散，从而使该组合物的冲击强度劣化，并且使其难以被工业化应用。同时，如果其用量超过5wt.％，则其可导致与聚乳酸的过多化学键，因此可能不能改善总复合组合物的机械强度。因此，优选保持上述范围。
此外，聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂优选在聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯内含有5-8wt.％的甲基丙烯酸缩水甘油酯。如果其含量小于5wt.％，则其可导致总复合组合物与聚乳酸的化学反应性的降低，并因此可能不能获得聚乳酸树脂的均一分散。另一方面，如果其用量超过8wt.％，则其可导致与聚乳酸的过多化学键，因此可能不能改善总复合组合物的机械强度。因此，优选保持上述范围。
滑石颗粒是扁形的无机矿物，其在化学上属于水合硅酸镁。本发明中使用的滑石颗粒优选是用作热塑性材料的强度增强剂的那些。滑石颗粒的用量优选相对于100wt.％总组合物为5-10wt.％。如果其用量小于5wt.％，则其可能不足以改善最终组合物的强度，并因此其可能更难以被工业应用。同时，如果其用量高于10wt.％，则其可导致机械强度的过度增加，由此引起冲击强度的劣化。因此，优选保持上述范围。
本发明的聚丙烯-聚乳酸复合组合物可通过下列方法成形为用于车辆的内部/外部部件或用于建筑物的材料。
首先，通过使用诸如搅拌机或料斗的混合机将55-60wt.％的聚丙烯树脂、25-30wt.％的聚乳酸树脂、1-5wt.％的由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物、1-5wt.％的由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂、1-5wt.％的聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂、5-10wt.％的滑石颗粒充分地混合，百分含量均相对于总组合物。然后上述混合物通过使用挤出机熔体挤出，然后成形为球粒。熔体挤出的球粒在200-220℃下加热。此时，聚乳酸树脂分散至熔融的聚丙烯树脂和由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物中。然后生成物通过在保持于30-50℃的模具中注射成型而成形为所需的产品。
本发明的聚丙烯-聚乳酸复合组合物包含高达30wt.％的作为生物燃料的聚乳酸，并且其在使用后可回收。其还具有优异的耐热性、和包括冲击强度的机械强度，因此其可适当地用作制造车辆的内部和外部部件的材料以及用于建筑物的材料，车辆的内部和外部部件包括外围板(dash outer)、内围板(dash inner)、消音地板(food silence)、门垫(door pad)、门饰板、顶篷内衬(headliner)、杂物盘、行李箱垫(trunkmat)。
实施例
下面的实施例对本发明进行举例说明但非意在限制本发明。
实施例1-2
通过于态下的辊压涅合研磨，将聚丙烯无规共聚物树脂[R724J，GS-Caltex Corporation]、聚乳酸树脂[Nature WorksLLC]、由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂[Aldrich Chemical Company]、由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂、和聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂[Aldrich Chemical Company]、滑石颗粒[KC-3000，KOCH，Co.，Ltd.]根据下面表1中所示的组成进行混合，加入至双螺杆挤出机中，并且在高于本文公开的聚丙烯无规共聚物和其他树脂的熔点的温度210℃下熔融混合，最后获得复合组合物。由此制备的复合组合物的物理性能和耐热性根据测试例测量，并且结果显示在下面的表2中。
对比例1-4
以与实施例2中相同的方式进行实验，不同之处在于由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂分别用由无水马来酸接枝的非晶态聚丙烯树脂(对比例1)；由无水马来酸接枝的结晶聚丙烯树脂(对比例2)；由无水马来酸接枝的乙烯-丙烯共聚物树脂(对比例3)；和氨基改性的苯乙烯-乙烯·丁烯-苯乙烯嵌段共聚物树脂(对比例4)代替，其中wt.％显示在表1中。由此制备的复合组合物的物理性能和耐热性根据测试例测量，并且结果显示在下面的表2中。
【表1】
测试例
测试例  物理性能的测量
为了测量上述实施例1-2、和对比例1-4中制备的复合组合物的机械强度，样品根据下面显示的方法(ASTM D 638、ASTM D 256、ASTM D 790、ASTM D 648)通过注射成型来制备。结果显示在下面的表2中。用于测量拉伸性能的样品以哑铃的形式制备，用于测量Izod冲击强度的样品被制造成其上具有缺口。
1.拉伸强度的测量
样品根据ASTM D 638(塑料的拉伸性能的标准试验方法(StandardTest Method for Tensile Properties of Plastics))制备，并且通过使用万能试验机(UTM)来测量拉伸强度、伸长率和拉伸模量。
2.Izod冲击强度的测量
样品根据ASTM D 256(测定塑料Izod抗摆锤冲击性的标准试验方法(Standard Test Methods for Determining the Izod Pendulum ImpactResistance of Plastics))制备，并且通过使用Izod冲击试验机(ImpactTester)测量冲击强度。
3.弯曲模量的测量
样品根据ASTM D 790(未增强和增强塑料及电绝缘材料挠曲特性的标准试验方法(Standard Test Methods for Flexural Properties ofUnreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials))制备，并且通过使用万能试验机(UTM)来测量弯曲模量。
4.耐热性的测量
样品通过ASTM D 648(在挠曲负荷下塑料边缘位置挠曲温度的标准测试方法(Standard Test Method for Deflection Temperature of PlasticsUnder Flexural Load in the Edgewise Position))制备，并且通过使用万能试验机(UTM)来测量耐热性。
【表2】
如上表2中所示，在对比例1中，其中由无水马来酸接枝的非晶态聚丙烯树脂用作配伍剂，复合组合物具有良好的冲击强度，但拉伸性能差。在对比例3中，其中由无水马来酸接枝的乙烯-丙烯共聚物树脂用作配伍剂，复合组合物具有优异的耐热性和弯曲模量，但冲击强度和拉伸性能不足以用于制造车辆的内部和外部部件。此外，本发明的复合组合物，其中由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂用作配伍剂，显示在全部的机械性能和耐热性方面优于对比例4，后者中氨基改性的弹性体用作配伍剂。
总之，证实本发明的聚丙烯-聚乳酸复合组合物满足冲击强度大于18kJ/m2且耐热性高于110℃的要求。此外，还证实其具有优于通过使用常规配伍剂制备的聚乳酸复合组合物的优异的拉伸性能，因此能够用于制造车辆的内部和外部部件，包括外围板、内围板、门饰板、杂物盘，以及用于建筑物的材料。
已参考本发明的优选实施方式对本发明进行了详细说明。然而，本领域技术人员应当理解的是，可以在这些实施方式中做出改变而不背离本发明的原理和精神，本发明的范围由所附的权利要求及其等效形式限定。

Claims (7)

1.一种聚丙烯-聚乳酸复合组合物，包括55-60wt.％的聚丙烯树脂、25-30wt.％的聚乳酸树脂、1-5wt.％的由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂、1-5wt.％的由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂、1-5wt.％的聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂和5-10wt.％的滑石颗粒。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其中所述聚丙烯树脂选自丙烯均聚物、丙烯无规共聚物和丙烯嵌段共聚物，并且依据ASTM D 1238，在230℃具有0.5-30g/10min的熔融指数。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其中所述聚乳酸树脂是由生物燃料合成的天然材料，并且具有100,000-150,000g/mol的分子量。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其中所述由无水马来酸接枝的乙烯-辛烯共聚物树脂具有0.5-1.0wt.％的无水马来酸接枝率。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其中所述由无水马来酸接枝的聚乳酸树脂具有0.3-0.5wt.％的无水马来酸接枝率。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其中所述聚乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂具有5-8wt.％的甲基丙烯酸缩水甘油酯含量。
7.根据权利要求1所述的聚丙烯-聚乳酸复合组合物，其中所述滑石颗粒是水合硅酸镁的颗粒。
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