CN102532695B - 一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料及其制备方法，属于聚合物改性和加工领域。包含以下按质量百分数计的原料：聚丙烯30～60％；PP-MAH 0～7％；硅灰石30～70％；芳纶浆粕0.3～2％；增韧剂POE-MAH 0～18％；抗氧剂0.1～3％；其他助剂0～4％。本发明通过添加少量的芳纶浆粕就可以有效提高硅灰石填充增强聚丙烯复合材料的各种力学和热力学性能。本发明采用密炼机单螺杆造粒，避免了传统的双螺杆挤出造粒时，螺杆的强力剪切导致硅灰石针状结构的破坏，而造成材料性能的损失；芳纶浆粕容易和热塑性树脂凝结成块，很容易造成双螺杆的抱死，采用单螺杆挤出就避免了上述问题的出现。本发明提出的通过加入芳纶浆粕制备高强度硅灰石填充增强聚丙烯复合材料的方法，制备工艺简单，生产成本低。

Description

一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料及其制备方法，更具体的是通过添加硅灰石来降低聚丙烯复合材料的强度，光泽度及成本，通过添加少量的芳纶浆粕使材料的力学性能得到大幅度提升，满足人们对高强度性能低成本洁具的要求，属于聚合物改性和加工领域。
背景技术
生活中我们使用的洁具包括台盆、座便器、小便斗、浴缸等，大部分采用陶土制成洁具产品进行烧制，成型后表面上釉在进行烧结，在整个烧制过程中会耗费大量的能源。陶瓷洁具的在制造过程中，陶胚比较容易开裂，因此废品率很高；陶瓷洁具有陶瓷制品良好的自洁性，陶瓷洁具生产需要消耗大量的陶土，并且很难回收再利用。
近年来有人采用亚克力和玻璃钢复合结构的座便器，见专利号为ZL200620034821.8的中国新型专利《亚克力和玻璃钢复合结构的座便器》(授权公告号：CN2926350Y)，但其外观似塑料制品，观感、耐用性和实用性较差。
聚丙烯是目前用量最大的通用塑料之一，因为具有密度小(0.89～0.91g/cm3)、价格低、无毒性、耐腐蚀、电绝缘性能优良、透明性和加工性好等优点，被广泛应用于化工、机械、建筑、电力、运输等行业。近来，有采用硅灰石改性聚丙烯来制备卫生洁具的，见专利公开号为CN101864108A的专利申请《一种硅灰石改性的热塑性的树脂复合材料及制备产品的方法》。采用此方法制成的产品自洁性佳，有高韧性和高强度的优点，而且制备过程中无需高耗能长时间烧制，与传统工艺相比，生产工艺先进。产品中采用的针状硅灰石结构与短玻璃纤维相似，对塑料有较强的增强效果，价格与CaCO3、滑石粉等填料相当，比玻璃纤维和绝大多数树脂低廉，针状硅灰石对塑料的增强效果与玻璃纤维相比尚有差距。芳纶浆粕是一种高性能短纤材料，具有强度高，和树脂融合性好的优点，常用做补强材料。
发明内容
本发明是为了提供一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料，通过在硅灰石增强填充聚丙烯的基础上，加入芳纶浆粕制成复合材料，采用该材料制备的洁具、户外产品、公共景观实用装饰等产品具有加工简单、能耗低、可回收，且具有高韧性、高强度、光洁、质量低的优点。其中少量芳纶浆粕的添加，能大幅提高制品的强度和模量。
本发明的另一个目的是为了提供这种聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料，包含以下按质量百分数计的原料：
聚丙烯          30～60％；
PP-MAH          0～7％；
硅灰石          30～70％；
芳纶浆粕        0.3～2％；
增韧剂POE-MAH   0～18％；
抗氧剂          0.1～3％；
其他助剂        0～4％。
所属的聚丙烯在230℃×2.16kg的测试条件下，熔体的流动速率为5～70g/10min的均聚丙烯或嵌段共聚丙烯。
所述的嵌段共聚丙烯的共聚单体常见为乙烯，其含量在3～12mol％的范围内；均聚的结晶度在75％以上，等规度大于98％。所述的聚丙烯作为复合材料的基体。聚丙烯的特点是结晶度很高，相对密度小(0.89～0.91g/cm2)，熔点在170～175℃范围内，分子量一般在15～70万之间。聚丙烯为非极性高聚物，有优良的电绝缘性能，更兼有优良的耐热性。此外，它还有优良的化学稳定性，聚丙烯几乎不吸水，除对强氧化性的酸外，几乎都很稳定，耐碱性也很突出。聚丙烯的缺点是蠕变比聚酰胺和聚氯乙烯要大得多。
上述的聚丙烯选择M1200HS；在实际生产中，可根据要生产的产品要求选择合适型号的聚丙烯或者不同型号的聚丙烯的混合物作为基体，以满足产品实际需要的硬度和流变性。
所述的POE-MAH为POE和马来酸酐的接枝共聚物。
热塑性树脂的优点是加工成型简便，具有较高的力学性能；缺点是耐热性和刚性较差。本发明采用芳纶浆粕和硅灰石填充增强热塑性树脂而制得的复合材料，不仅可以使力学性能、热变形温度、尺寸稳定性、低温冲击性能和老化性能得到不同程度的改善，还可以使某些性能达到或超过热固性玻璃纤维增强复合材料的水平，而且可以用一般注射方法成型。
所述的硅灰石是一种白色针状或针状晶形的矿物，其长径比范围是20∶1到3∶1。所述的硅灰石是一种链状偏硅酸盐矿物，化学式为CaSiO3，有高温和低温两种变体，通常所说的硅灰石是指高温变体。天然硅灰石通常呈白色或灰白色，有玻璃或珍珠光泽，密度为2.78～2.91g/cm3，硬度为4.5～5.0，通常为针状或纤维状集合体，甚至微小颗粒仍能保持纤维状结构。本发明所用硅灰石为高长径比硅灰石，可增加制品的硬度、弯曲强度、冲击强度，提高热稳定性和尺寸稳定性。本发明中的硅灰石含量通常在30～70％；用硅灰石改性的热塑性树脂复合材料，可以达到下述效果：1提高拉伸、弯曲、模量等力学性能，改变蠕变性能；2提高热变形温度；3降低吸水率，降低线性膨胀系数；4抑制应力开裂；5改善热导率；6阻迟燃烧性。
芳纶浆粕是对芳纶纤维进行表面原纤化处理后得到的，所用芳纶为长径比为50∶1到3∶1的短纤。这种芳纶浆粕浅黄色絮花状，强度高、尺寸稳定性好、无脆性、耐高温、耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、表面积大，能很好的与其他物质结合，是一种补强材料。本发明中添加芳纶浆粕的量为0.3～2％。总的来说，用少量的芳纶浆粕改性的热塑性复合材料，就可以明显提升复合材料的力学、热性能等特性，如复合材料需达到一定性能要求，就可以明显减少硅灰石的用量，从而使产品轻质化。
所述的马来酸酐改性聚丙烯是由聚丙烯反应挤出接枝马来酸酐制得，非极性的分子主链上引入强极性的侧基，马来酸酐接枝聚丙烯可以成为增进极性材料与非极性材料的粘接性和相容性的桥梁。在生产填充聚丙烯时添加马来酸酐改性聚丙烯，可以极大地改善填料与聚丙烯的亲和性及填料的分散性。从而可以有效的提高填充聚丙烯的拉伸和冲击强度。
上述的POE为辛烯和聚烯烃树脂组成的，连续相和分散相呈现两相分离的聚合物掺混物。基本特性：1POE具有热塑性弹性体的一般物性；2价格低廉；3耐热性、耐寒性优异，适用范围广；4耐候性、耐老化性良好。POE加入到聚丙烯中能起到很好的增韧效果。POE-MAH是POE的马来酸酐接枝物，与马来酸酐接枝聚丙烯相似，POE-MAH能更好的和填充物及聚丙烯形成化学键连接。
所述的抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，主抗氧剂选用受阻酚和硫脂类抗氧剂中的一种或几种组合。如3114、1010和DSTP(硫代二丙酸双(十八)脂)中的一种或几种；辅抗氧剂选自亚磷酸盐和脂类抗氧剂中的一种，如618、168等。
所述的其他助剂为各种颜色添加剂、光稳定剂和各种脂类，脂肪酸类润滑剂中的一种或几种。
一种制备上述芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料的方法，其具体步骤如下：
1)按质量配比称取原料；将聚丙烯、硅灰石、芳纶浆粕、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝POE、抗氧剂和其他助剂添加到密炼机中，混合加热3～5分钟；
2)将混合熔融的原料通过单螺杆挤出，造粒，其加工温度为210～220℃：整个挤出过程时间为1～2分钟，压力为12～18MPa。
本发明在硅灰石填充增强的基础配方中添加一种能够有效提高制品拉伸、弯曲强度、模量及热变形温度的有机增强材料芳纶浆粕，从而制备出高强度的硅灰石填充增强聚丙烯复合材料。
本发明的优点是：
本发明通过添加少量的芳纶浆粕就可以有效提高硅灰石填充增强聚丙烯复合材料的各种力学和热力学性能。本发明采用密炼机单螺杆造粒，避免了传统的双螺杆挤出造粒时，螺杆的强力剪切导致硅灰石针状结构的破坏，而造成材料性能的损失；芳纶浆粕容易和热塑性树脂凝结成块，很容易造成双螺杆的抱死，采用单螺杆挤出就避免了上述问题的出现。本发明提出的通过加入芳纶浆粕制备高强度硅灰石填充增强聚丙烯复合材料的方法，制备工艺简单，生产成本低。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明：
在实施例和对比例复合材料配方中，聚丙烯为熔体流动速率为12g/10min(测试条件：230℃×2.16kg)的均聚聚丙烯，其牌号为M1200HS。POE-MAH为自制，将马来酸酐和POE在双螺杆挤出造粒过程中混合接枝。POE为杜邦公司生产的线性乙烯-辛烯共聚物，商品牌号为Engage 8180。马来酸酐接枝PP也为自制，将马来酸酐和聚丙烯M1200HS通过双螺杆挤出造粒。硅灰石选用长径比范围为10∶1的白色针状硅灰石。主抗氧剂选用英国ICE公司生产的DSTP，商品牌号为Negonox DSTP，化学名称为硫代二丙酸十八脂，以及Ciba公司生产的3114，商品牌号为Irganox3114，化学名称为3，5-二叔丁基-4-羟基苄基磷酸二乙酯。辅抗氧剂为Ciba公司生产的168，商品牌号为Irgafos，化学名称为三(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸脂。此外还包括各种颜色添加剂、各种脂类和脂肪酸类润滑剂等。
将聚丙烯、硅灰石、芳纶浆粕、接枝物、抗氧剂等其他添加剂在密炼机中混合4～6分钟，通过单螺杆挤出造粒，其中的加热温度为210～220℃左右。
性能评价方式及实行标准：
将按上述方法完成造粒的粒子在90℃的鼓风烘箱中干燥2～3小时，然后将干燥好的粒子在注塑成型机上进行注射成型制样。
拉伸性能测试按ISO 527-2进行，试样尺寸为170*10*4mm，拉伸速率为50mm/min；弯曲性能测试按ISO 178进行，试样尺寸为80*10*4mm，弯曲速率为2mm/min，跨距为64mm；简支梁冲击强度按ISO 179进行，样条尺寸为80*10*4mm，缺口深度为试样尺寸的三分之一。热变形温度的测试样条为120*10*4，1.8MPa，120℃/h。
材料的综合性能通过测试所得的缺口冲击强度、弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、球压痕、热变形温度等数值进行评判。实施例配方及各项性能测试结果见下列各表：
表1实施例1-3及对比例1-3材料配方表
 实施例1  实施例2  实施例3  对比例1  对比例2  对比例3
 聚丙烯，质量％  29.6  28.9  43.9  33.9  28.6  48.9
 硅灰石，400目，质量％  65  65  50  65  65  50
  POE-MAH，质量％   5   5   5   -   5   -
  芳纶浆粕，质量％   -   0.7   0.7   -   1   0.7
  碳纤维短纤，质量％   -   -   -   0.7   -   -
  抗氧剂3114，质量％   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1
  抗氧剂DSTP，质量％   0.2   0.2   0.2   0.2   0.2   0.2
  抗氧剂168，质量％   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1
表2实施例1-3及对比例1-3的测试结果
  熔融指数(g/10min)   2.5   2.6   4.8   10.7   2.7   8.9
  拉伸强度(MPa)   25.7   33.4   30.4   25.3   37.4   33.9
  断裂伸长率(％)   7.7   5.3   6.1   4.0   5.8   7.1
  弯曲强度(MPa)   39.9   54.7   53.0   42.6   57.9   51.6
  弯曲模量(MPa)   2463   6348   6215   4447   7278   6069
  缺口冲击强度(kJ/m^2)   3.5   6.3   6.0   5.6   7.2   5.3
  热变形温度(℃)   108.6   127.9   125.6   117.8   135.8   129.7
  球压痕(R)   98.8   118.5   114.1   109.8   126.0   120.5
表3实施例4-6及对比列4-6材料配方表
 实施例4  实施例5  实施例6  对比例4  对比例5  对比例6
 聚丙烯，质量％  24.6   23.9   43.9   23.9   23.6   63.9
 硅灰石，400目，质量％  65   65   50   65   65   30
 POE-MAH，质量％  5   5   -   5   5   -
 PP-MAH，质量％  5   5   5   5   5   5
 芳纶浆粕，质量％  -   0.7   0.7   -   1   0.7
 碳纤维短纤，质量％  -   -   -   0.7   -   -
 抗氧剂3114，质量％  0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1
 抗氧剂DSTP，质量％  0.2   0.2   0.2   0.2   0.2   0.2
 抗氧剂168，质量％  0.1   0.1   0.1   0.1   0.1   0.1
表4实施例4-6及对比列4-6的测试结果
  熔融指数(g/10min)   2.6   2.5   8.3   2.5   2.4   10.7
  拉伸强度(MPa)   28.6   33.9   28.6   30.2   38.5   30.1
  断裂伸长率(％)   6.8   5.4   5.0   53   5.2   5.5
  弯曲强度(MPa)   41.2   57.8   55.9   54.0   60.9   49.5
  弯曲模量(MPa)   2751   6575   6346   4896   6294   6042
  缺口冲击强度(kJ/m^2)   43   83   7.0   6.1   9.6   5.2
  热变形温度(℃)   114.4   119.7   118.6   110.8   125.6   111.4
  球压痕(R)   111.9   130.8   120.5   125.8   138.3   117.4
从实例1、2、3和对比例1、2、3可以看出，添加高性能纤维对复合材料的力学性能和热学性能有提升作用，芳纶浆粕的增强效果比较明显；POE-MAH可以提高复合材料的冲击强度，但是会降低材料的弯曲强度及模量。从实施例5和对比例5可以看出，添加PP-MAH后，复合材料的各种性能提高，说明PP-MAH起到了融合分散作用，使得硅灰石和聚丙烯之间形成更好的界面粘接；复合材料的强度和模量完全满足高性能洁具对其力学性能的要求。

Claims (4)

1.一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料，其特征在于：按以下质量百分比的原料配制而成：
Figure FDA0000404523950000011
2.根据权利要求1所述的一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料，其特征在于：在230℃×2.16kg的测试条件下，所述的聚丙烯为熔体流动速率为5～70g/10min的均聚丙烯或嵌段共聚丙烯。
3.根据权利要求2所述的一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的嵌段共聚丙烯的共聚单体为乙烯，其含量在3～12mol%的范围内；均聚的结晶度在75%以上，等规度大于98%。
4.根据权利要求1所述的一种芳纶浆粕增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的芳纶浆粕是对芳纶纤维进行表面原纤化处理后得到的，所用芳纶纤维为长径比为50:1到3:1的短纤。
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