CN102516662A - 一种高强度、高耐热聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度、高耐热聚丙烯复合材料及其制备方法，这种聚丙烯复合材料包括以下重量百分比的组分：聚丙烯为30～95，粉状聚乙烯为2～15，滑石粉为0～35，镁盐晶须为5～20，抗氧剂0.1～2，光稳定剂为0～1，其他助剂为0～3。通过在聚丙烯复合材料的基础配方中加入粉状聚乙烯，有效地改善了各组分在聚丙烯复合材料中的分散，使得材料组分更加均匀，同时随着在挤出过程中加入镁盐晶须，可以大幅度地提高材料的力学性能和耐热性能。

Description

一种高强度、高耐热聚丙烯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度、高耐热聚丙烯复合材料及其制备方法，是一种工艺简单、成本低、综合性能较好的聚丙烯复合材料，主要应用于汽车内外饰件。

背景技术

聚丙烯具有加工性能优良、耐汽油和化学药品性好的优点，同时质轻、价格低廉，这些特点使其得到广泛应用，是目前增长速度最快的通用型热塑性塑料。但是，聚丙烯也存在强度低、耐热性差，同时冲击性能差，特别是低温冲击性能差等缺点，这些不足限制了聚丙烯在汽车内外饰件中的应用。

通常通过加入玻璃纤维的方法来大幅度提高聚丙烯材料的刚性、强度和耐热性，但存在成型加工性能差、制品表面质量差的缺点。

晶须是一种单晶形式生长形成的纤维，直径极小，具有高度有序的原子排列，没有大的晶体缺陷，具有了极高的强度和模量，可赋予复合材料极高的强度；晶须具有不会引起高温滑移的完整性，温度升高时，晶须不分解、不软化，可以使复合材料具有优异的耐高温性；用晶须增强的复合材料有良好的重复使用性，材料经多次加工，力学性能变化也不大。与玻璃纤维相比，晶须更容易与树脂复合，材料各向同性，外观质量优良，非常适合制造形状复杂、尺寸精度高、表面光洁度高的产品。

欧洲专利EP-A496625公开了一种高结晶聚丙烯的复合材料，其单单只是通过添加滑石粉来达到高强度、高刚性的目的，但是这导致复合材料冲击强度的降低，从而限制了材料的应用。中国专利CN 101020775A介绍了一种高强高韧聚丙烯改性材料制备，其主要是通过矿物增强和β成核剂以及弹性体来达到增韧的效果，这种方法的成本偏高，而且强度和韧性提高较为有限；复合材料的成本比较高，力学性能还可以进一步提高；中国专利CN 1468897A介绍了一种钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的制备方法，所制备的产品强度和韧性均比较高，然而玻纤的使用会影响制件的外观，并容易产生翘曲等，这就限制了这种材料的使用范围；此外，中国专利CN1536102、以及CN 101498041公开了一些镁盐晶须的制备方法，对其在高聚物，特别是在聚丙烯中的应用均没有涉及。

发明内容

本发明的目的是开发一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，为了克服上述不足，提供一种在实际生产中能够简单有效地实现易加工，高强度，高耐热的聚丙烯复合材料。

本发明高强度、高耐热的聚丙烯复合材料通过以下技术方案实现其目的：

一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，按重量百分比计，其组分和含量为：

聚丙烯       30～95；

粉状聚乙烯   2～15；

滑石粉       0～35；

镁盐晶须     5～20；

抗氧剂       0.1～2；

光稳定剂     0～1；

色粉或色母粒 0～3。

其中：

所述聚丙烯在230℃、2.16kg负荷条件下熔融指数为5～60g/10min。

所述聚丙烯为均聚丙烯或嵌段共聚丙烯。

所述均聚丙烯的结晶度为70～100％，等规度为99～100％。

所述嵌段共聚丙烯的共聚单体为乙烯，乙烯单体重复单元摩尔含量为4～10％。

所述粉状聚乙烯的粒径为45微米～850微米，在190℃、2.16kg负荷条件下熔融指数为1～40g/10min。

所述滑石粉的平均粒径为0.5～10微米。

所述的镁盐晶须为相对密度2.2～2.4g/cm³，直径0.8～1.2微米，平均长度20～200微米的单晶纤维状粉末，其化学式为MgSO₄5Mg(OH)₂·3H₂O。

所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为受阻酚或硫酯类抗氧剂中的一种或几种混合；辅抗氧剂为亚磷酸盐或酯类抗氧剂中的一种或几种混合。

所述光稳定剂为受阻胺类光稳定剂。

上述高强度、高耐热的聚丙烯复合材料的制备方法，步骤如下：

(1)先用助剂对滑石粉和镁盐晶须进行表面处理；

(2)按重量配比称取各组分；

(3)将聚丙烯、粉状聚乙烯、滑石粉、抗氧剂、光稳定剂(或加入其他添加剂)在高速混合器中干混3～5分钟；

(4)将步骤(3)混合的原料置于双螺杆机中，另外通过侧向喂料的办法，将镁盐晶须加入到挤出机中，经熔融挤出，造粒，其工艺为：一区200～210℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区205～215℃；停留时间为1～2分钟，压力为12～18Mpa。

本发明在聚丙烯复合材料的基础配方中添加一种能够有效地改善制备聚丙烯复合材料体系中各组分分散不均的粉状聚乙烯，以及加入具有优良力学性能和化学稳定性的镁盐晶须，从而协同作用下制备出高强度、高耐热的聚丙烯复合材料。

本发明的优点在于：

1.本发明随着镁盐晶须的加入，使得聚丙烯复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量以及热变形温度等性能都有显著的提高。

2.由于镁盐晶须的极性较强，容易聚集成团，导致在基体中的分布不均，对材料产生了不利的影响。本发明使用适量粉状聚乙烯能够明显改善各组分在复合材料体系中的分散能力，从而使得所制得的聚丙烯复合材料各组分分散均匀。

3.本发明的聚丙烯复合材料的韧性也有一定的提高，克服了以往滑石粉填充聚丙烯材料韧性降低的缺点。

4.本发明的高强度、高耐热聚丙烯复合材料所生产的产品尺寸稳定性好、表面光洁度好且有较好的阻燃性能，非常适合应用于汽车的内外饰件中。

具体实施方式

本发明的高强度、高耐热聚丙烯复合材料中，包括质量百分含量30～95％的熔融指数(测试条件：230℃，2.16kg负荷)为5～60g/10min的均聚丙烯或嵌段共聚丙烯(嵌段共聚丙烯的共聚单体为乙烯其含量在4～10mol％的范围内；均聚丙烯的结晶度在70％以上，等规度大于99％)；质量百分含量2～15％的粒径在45微米～850微米之间，熔融指数(测试条件：190℃、2.16kg负荷)为1～40g/10min的粉状聚乙烯；质量百分含量0～35％、粒径为0.5～10微米的滑石粉作为无机填料；质量百分含量为5～20％、密度为2.2～2.4g/cm³、直径0.8～1.2微米，平均长度20～200微米的镁盐晶须。还包括包含以受阻酚或硫酯类抗氧剂中的一种或几种组成的主抗氧剂和以亚磷酸盐或酯类抗氧剂中的一种或几种组成的辅抗氧剂为组分的抗氧剂，该抗氧剂在本发明聚丙烯组合物中的质量百分比含量为0.1～2％；质量百分含量为0～1％，由受阻胺类光稳定剂为组分的光稳定剂。还可以包括质量百分含量为0～3％的本技术领域常用其他助剂，如颜色色粉或色母粒等。

使用前，先用助剂对滑石粉和镁盐晶须进行表面处理；然后按上述组分和重量配比称取各组分，并且将聚丙烯、粉状聚乙烯、滑石粉、抗氧剂、光稳定剂(或加入其他添加剂)在高速混合器中干混3～5分钟；将混合的原料置于双螺杆机中，另外通过侧向喂料的办法，将镁盐晶须加入到挤出机中，经熔融挤出，造粒，其工艺为：一区200～210℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区205～215℃；停留时间为1～2分钟，压力为12～18Mpa。

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括78.3％聚丙烯、5％粉状聚乙烯、10％滑石粉、5％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例2

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括73.3％聚丙烯、5％粉状聚乙烯、10％滑石粉、10％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例3

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括68.3％聚丙烯、5％粉状聚乙烯、10％滑石粉、15％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例4

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括62.3％聚丙烯、8％粉状聚乙烯、20％滑石粉、8％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例5

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括54.3％聚丙烯、8％粉状聚乙烯、20％滑石粉、16％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例6

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括43.3％聚丙烯、10％粉状聚乙烯、35％滑石粉、10％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例7

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括33.3％聚丙烯、10％粉状聚乙烯、35％滑石粉、20％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例8

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括93.3％聚丙烯、5％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

实施例9

本发明聚丙烯复合材料主要组分包括78.3％聚丙烯、20％镁盐晶须、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

上述实施例主要成分质量百分含量见表1。

表1实施例1～9主要组分含量(质量百分含量)

实施例编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										聚丙烯	78.3	73.3	68.3	62.3	54.3	43.3	33.3	93.3	78.3
粉状聚乙烯	5	5	5	8	8	10	10	-	-
										滑石粉	10	10	10	20	20	35	35	-	-
镁盐晶须	5	10	15	8	16	10	20	5	20
										抗氧剂3114	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
抗氧剂168	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
										光稳定剂944	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
光稳定剂770	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
										黑色母粒	1	1	1	1	1	1	1	1	1

对比例1

本对比例聚丙烯复合材料主要组分包括83.3％聚丙烯、5％粉状聚乙烯、10％滑石粉、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

对比例2

本对比例聚丙烯复合材料主要组分包括70.3％聚丙烯、8％粉状聚乙烯、20％滑石粉、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

对比例3

本对比例聚丙烯复合材料主要组分包括53.3％聚丙烯、10％粉状聚乙烯、35％滑石粉、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

对比例4

本对比例聚丙烯复合材料主要组分包括98.3％聚丙烯、0.1％抗氧剂3114和0.2％抗氧剂168、0.2％光稳定剂944和0.2％光稳定剂770、以及1％黑色母粒。

对比例均不添加镁盐晶须，其他主要组分与实施例一致，各主要组分质量百分含量见表2。

表2对比例1～4主要组分含量(质量百分含量)

对比例	1	2	3	4
					聚丙烯	83.3	70.3	53.3	98.3
粉状聚乙烯	5	8	10	-
					滑石粉	10	20	35	-
抗氧剂3114	0.1	0.1	0.1	0.1
					抗氧剂168	0.2	0.2	0.2	0.2
光稳定剂944	0.2	0.2	0.2	0.2
					光稳定剂770	0.2	0.2	0.2	0.2
黑色母粒	1	1	1	1

在实施例及对比例复合材料配方中，聚丙烯为上海石化生产的共聚PP，商品牌号为M2600R，熔融指数为26g/10min。所述的粉状聚乙烯是由合成塔直接合成出来的未经加工处理的粉状聚乙烯，熔融指数为20g/10min，平均粒径为100微米。所述的滑石粉为1250目，其平均粒径为10微米。所述的镁盐晶须为为江苏山达化工有限公司生产的，相对密度2.3g/cm³，直径0.8～1.2微米，平均长度20～200微米。所述的主抗氧剂3114为BASF公司生产，商品牌号为Irganox 3114，化学名称为3，5-二叔丁基-4-羟基苄基磷酸二乙酯；辅抗氧剂168为BASF公司生产，商品牌号为Irgafos 168，化学名称为三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯。所述的光稳定剂944为BASF公司生产，化学名称为聚{[6-[(1，1，3，3-四甲基丁基)氨基]]-1，3，5-三嗪-2，4-双[(2，2，6，6，-四甲基-哌啶基)亚氨基]-1，6-己二撑[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]}，光稳定剂770为BASF公司生产，化学名称为双(2，2，6，6-四甲基哌啶基)癸二酸酯。

上述实施例和对比例中，使用前先用助剂对滑石粉和镁盐晶须进行表面处理；然后按上述组分和重量配比称取各组分，并且将聚丙烯、粉状聚乙烯、滑石粉、抗氧剂、光稳定剂(或加入其他添加剂)在高速混合器中干混3～5分钟；将混合的原料置于双螺杆机中，另外通过侧向喂料的办法，将镁盐晶须加入到挤出机中，经熔融挤出，造粒，其工艺为：一区200～210℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区205～215℃；停留时间为1～2分钟，压力为12～18Mpa。

将按上述方法完成造粒的粒子材料在90～100℃的鼓风烘箱中干燥2～3小时，然后再将干燥好的粒子材料在注射成型机上进行注射成型制样，进行性能测试。

熔融指数测试按ISO1133-2005进行，测试条件为230℃×2.16Kg；拉伸性能测试按ISO527-2(1996)进行，试样尺寸为170×10×4mm，拉伸速度为50mm/min；弯曲性能测试按ISO178-2003进行，试样尺寸为80×10×4mm，弯曲速度为2mm/min，跨距为64mm；简支梁缺口冲击强度按ISO179-2000进行，试样尺寸为80×6×4mm，缺口深度为试样厚度的三分之一；热变形温度按ISO75-2004进行，试样尺寸为120×10×4mm，载荷为0.45MPa。

材料的综合力学性能通过测试所得的缺口冲击强度、拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量的数值进行评判，耐热性能通过测试所得的热变形温度进行评判。本发明实施例1～9与对比例1～4性能检测结果分别见表3。

表3实施例1～9和对比例1～4聚丙烯复合材料性能测试结果

从实施例1～7与对比例1～3的测试结果对比可以看出，在有滑石粉填充的改性聚丙烯复合材料中，镁盐晶须的加入，对材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量及热变形温度都有显著的提高，拉伸强度最大可以达到47MPa左右，弯曲强度最大可以达到69MPa左右，热变形温度最大可以达到140℃左右，材料具有优异的力学性能和耐热性能；从实施例8、9与对比例4的测试结果对比可以看出，镁盐晶须加入到纯聚丙烯体系中，对材料的拉伸、弯曲性能和耐热性能也有非常大的提高，拉伸强度最大可以达到37MPa左右，弯曲强度最大可以达到52MPa左右，热变形温度最大可以达到125℃左右；从测试结果对比中还可以看出镁盐晶须的加入也能使材料的缺口冲击强度有一定的提高，从而可以提高复合材料的韧性。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：按重量百分比计，其组分和含量为：

聚丙烯      30～95；

粉状聚乙烯  2～15；

滑石粉      0～35；

镁盐晶须    5～20；

抗氧剂      0.1～2；

光稳定剂    0～1；

色粉或色母粒0～3。

2.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚丙烯在230℃、2.16kg负荷条件下，熔融指数为5～60g/10min。

3.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚丙烯为均聚丙烯或嵌段共聚丙烯；结晶度为70～100％，等规度为99～100％。

4.根据权利要求3所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述嵌段共聚丙烯的共聚单体为乙烯，乙烯单体重复单元摩尔含量为4～10％。

5.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述粉状聚乙烯的粒径为45微米～850微米，在190℃、2.16kg负荷条件下熔融指数为1～40g/10min。

6.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述滑石粉的平均粒径为0.5～10微米。

7.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的镁盐晶须为相对密度2.2～2.4g/cm³，直径0.8～1.2微米，平均长度20～200微米的单晶纤维状粉末。

8.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，其中，主抗氧剂为受阻酚或硫酯类抗氧剂中的一种或几种混合；辅抗氧剂为亚磷酸盐或酯类抗氧剂中的一种或几种混合。

9.根据权利要求1所述的一种高强度、高耐热的聚丙烯复合材料，其特征在于：所述光稳定剂为受阻胺类光稳定剂。

10.一种制备权利要求1所述高强度、高耐热的聚丙烯复合材料的方法，其特征在于：

具体步骤如下：

(1)先用助剂对滑石粉和镁盐晶须进行表面处理；

(2)按重量配比称取各组分；

(3)将聚丙烯、粉状聚乙烯、滑石粉、抗氧剂、光稳定剂(或加入其他添加剂)在高速混合器中干混3～5分钟；

(4)将步骤(3)混合的原料置于双螺杆机中，另外通过侧向喂料的办法，将镁盐晶须加入到挤出机中，经熔融挤出，造粒，其工艺为：一区200～210℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区205～215℃；停留时间为1～2分钟，压力为12～18Mpa。