CN102746583A - 一种改性聚丙烯材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种改性聚丙烯材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种改性聚丙烯材料及其制备方法与应用，涉及一种聚丙烯材料。提供一种可以经受氯胺腐蚀测试，同时又与涂层结合力高的改性聚丙烯材料及其制备方法与应用。改性聚丙烯材料的组成为聚丙烯50%~75%；相容剂3%~5%；聚苯乙烯5%~20%；无机矿粉10%~35%；润滑剂0.3%~1%；偶联剂0.5%~1%。将无机矿粉混合，搅拌，干燥；将偶联剂喷洒到搅拌中的无机矿粉上，搅拌，再加入润滑剂，继续搅拌，加入聚丙烯、聚苯乙烯、相容剂，再继续搅拌，得到混合原料；将混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线，冷却，切粒，得到改性聚丙烯材料粒料。

Description

一种改性聚丙烯材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯材料，尤其是涉及一种与有机涂层结合力好的改性聚丙烯（PP）材料及其制备方法与应用。
背景技术
在卫浴行业中，很多产品都是利用ABS材料注塑成型后进行传统水电镀进行装饰，例如：花洒、塑胶水龙头、莲蓬头等等。普通ABS材料产品经过水电镀后，具有金属外观装饰性和提高了产品的抗腐蚀，耐老化性。使产品具有更好的使用功能。但是传统的ABS水电镀是一种污染严重的作业方式，会产生大量含有重金属的废水排放，因此会逐渐被市场所淘汰。目前，市场上可以取代水电镀的工艺是喷漆结合真空电镀的工艺。这种工艺流程是:成型塑胶毛胚→前处理→喷涂底涂→真空电镀→喷涂面漆。采用此工艺可以得到和传统水电镀同样功能的处理效果。并能对很多材料进行处理。但是所选材料必须要与底涂具有非常好的结合力。否则会造成整个表面处理功能失效。
由于聚丙烯（PP）材料属于非极性材料，因此普通的PP材料与涂料的相容性非产差。难以达到理想的结合力，因此现在市场上的PP喷涂都需要先对PP产品先进行火焰处理或等离子表面活化。从而增加了产品制造难度和生产成本。因此，在PP材料上进行特殊改性处理，在PP材料中添加与涂料相容性好的材料。达到提高产品结合力的目的。例如中国专利CN101717548A中所述，通过在PP材料中添加高极性添加剂，以达到避免使用火焰处理或等离子表面活化等强处理，还能增加与涂层结合力的目的。中国专利CN101423637A所述，通过在聚丙烯接枝料中接枝含有极性单体或含有共轭结构的芳香稀单体。达到提高PP与涂层结合力的目的。此两种方法都会才用到大量极性材料和单体，在提到了PP与涂层结合力的同时，还会提高PP材料中小分子单体，造成材料在加工时产生银丝，气泡的外观不良。同时，像中国专利CN101423637A所述，添加过氧化物还会造成PP材料的降解，从而造成材料性能下降尤其是耐高温性。在卫浴行业中，产品都是在高温，高湿度的环境中使用，同时还会经常接触到酸、碱、清洗液等腐蚀性强的溶剂。容易与PP材料中的高极性材料或小分子单体反应，造成材料性能下降，最终影响到产品的功能。
发明内容
本发明的目的是针对卫浴产品的使用环境和表面处理的要求，提供一种可以经受氯胺腐蚀测试，同时又与涂层结合力高的改性聚丙烯材料及其制备方法与应用。
所述改性聚丙烯材料的组成按质量百分比为：
所述聚丙烯可选自共聚聚丙烯、均聚聚丙烯等中的至少一种；
所述相容剂可选自聚丙烯接枝马来酸酐、苯乙烯接枝马来酸酐等中的至少一种；
所述无机矿粉矿物粉可选自滑石粉、碳酸钙粉、硅灰石粉、氧化铝粉、硫酸钡粉、玻璃微珠粉、氢氧化铝粉、云母粉等中的至少一种。
所述润滑剂可选自乙撑双硬酯酰胺、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、乙撑双硬酯酰胺接枝改性物、含氟弹性体、聚四氟乙烯粉末等中的至少一种。
所述偶联剂可选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂等中的至少一种；所述硅烷偶联剂可选自N-2（氨乙基）3-氨丙基三甲氧基硅烷、N-2（氨乙基）3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-脲基丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷等中的一种；所述钛酸酯偶联剂可选自三（磷酸二辛酯）钛酸异丙酯、二（焦磷酸二辛酯）羟乙酸钛季胺盐、二（磷酸乙氧基苯基四聚酯）乙二撑钛酸酯、四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯或二（乙酰丙酮）钛酸二异丙酯等中的一种；所述铝酸酯偶联剂可选自二（乙酰乙酸乙酯）铝酸二异丙酯、二（乙酰丙酮）铝酸二异丙酯、异丙基二硬脂酰氧基铝酸酯等中的一种；所述锆酸酯偶联剂可选自四（三乙醇胺）锆酸酯、四正丙基锆酸酯、四正丁基锆酸酯、双（柠檬酸二乙酯）二丙氧基锆螯合物等中的一种。
所述改性聚丙烯材料的制备方法包括以下步骤：
1）将无机矿粉混合，搅拌，干燥；
2）将偶联剂喷洒到搅拌中的无机矿粉上，搅拌，再加入润滑剂，继续搅拌，加入聚丙烯、聚苯乙烯、相容剂，再继续搅拌，得到混合原料；
3）将步骤2）所得到的混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线，冷却，切粒，得到改性聚丙烯材料粒料。
在步骤1）中，所述搅拌，是将无机矿粉加入混合机内搅拌20～60min，转速为1000r/min；所述干燥的温度可为120℃；
在步骤2）中，所述搅拌的时间为20～30min，转速为2000r/min；所述继续搅拌的时间为5～30min，转速为2000r/min；所述再继续搅拌的时间为10～30min，转速为2000r/min；
在步骤3）中，所述将步骤2）所得到的混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线，冷却，切粒的工艺参数为：利用辅助喂料系统加入混合原料，喂料速度为60～120r/min，主机螺杆转速为250～350r/min，加工温度为190～220℃，模头压力为1.0～6.0MPa，切粒机切粒速度为200～400r/min。
以下给出改性聚丙烯材料的应用方法：
将制得的改性聚丙烯材料粒料投入到注塑机中，注塑成型花洒外壳，水龙头外壳等卫浴产品零件。注塑工艺条件如下：加工温度为190～220℃；注塑压力为45～70MPa；射出速度为15～45g/s；模具温度为40～80℃，得到花洒外壳，龙头外壳等产品零件毛胚。
将所得到的产品零件毛胚进行表面处理，达到仿金属的花洒外壳，龙头外壳等卫浴零件，替代原有使用ABS材料产品。表面处理工序如下：毛胚→前处理→喷涂底涂→真空电镀→喷涂面漆。
本发明具有以下突出的优点：
1）采用聚苯乙烯（PS）材料作为提高与涂层结合力的添加材料，避免了火焰处理和等离子活化处理等前处理工艺。提高了生产效率和降低了生产成本。本发明的PP复合材料，在采用未进行火焰处理和等离子表面活化等强处理，直接喷涂底漆。漆层的结合力按照ASTMD3359的标准进行测试，结合力达到最高的5A级。
2）采用高分子量的聚苯乙烯（PS）材料，不影响材料的耐温性，同时在复合材料加工工艺更加简单、稳定。同时聚苯乙烯（PS）材料成本低，来源广，不需要再次进行加工就可混合添加使用。
3）聚苯乙烯（PS）材料是一种焊接性能良好的塑胶材料，尤其是超音波焊接，可以改善PP的焊接性能。
附图说明
图1为改性聚丙烯材料的电子显微镜图。在图1中，标尺为2μm。
具体实施方式
以下实施例将对本发明作进一步的说明。
实施例1
按照以下配方：均聚聚丙烯35%；共聚聚丙烯15%；聚丙烯接枝马来酸酐5%；聚苯乙烯10%；滑石粉33%；3-氨丙基三乙氧基硅烷1%；乙撑双硬酯酰胺1%共混挤出造粒成PP改性材料并成型产品及后处理。
具体实施步骤为：
步骤1：将滑石粉按质量比称取，加入高速混合机内搅拌20～30min（转速为1000r/min），使滑石粉干燥并且温度达到120℃。
步骤2：按质量比称取3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，将3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂均匀地喷洒到搅拌中的滑石粉上。
步骤3：喷洒完偶联剂后继续高速搅拌20～30min（转速为2000r/min），加入按质量比称取的乙撑双硬酯酰胺，继续搅拌5～10min（转速为2000r/min），然后加入按质量比称取的均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酐和聚苯乙烯继续高速搅拌10～20min（转速为2000r/min）得到混合原料。
步骤4：将步骤3所得到的混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线、冷却、切粒得到与涂层结合力好的改性聚丙烯（PP）材料粒料，工艺参数为：利用辅助喂料系统加入混合原料，喂料速度为80r/min；主机螺杆转速为260r/min；一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度190℃，四区温度200℃，五区温度200℃，六区温度200℃，七区温度210℃，八区温度215℃，九区温度215℃，十区温度220℃，模头温度220℃；切粒机切粒速度为200r/min。得到的材料物性如表1所示。
表1
  测试项目   单位   数值   标准
  拉伸强度23℃   MPa   32   ASTMD638
  弯曲强度23℃   MPa   49   ASTMD790
  弯曲模量23℃   MPa   2279   ASTMD790
  悬臂梁缺口冲击强度23℃   J/m   49   ASTM D256
  熔融温度   ℃   190   ASTM D3418
  热变形温度   ℃   120   ASTM D648
  密度   g/cm3   1.19   ASTM D792
  模具收缩率   %   1.1～1.3
步骤5：将改性聚丙烯（PP）材料粒料投入到注塑机中，按以下工艺注塑成塑胶龙头外壳制品：一段温度190℃，二段温度200℃，三段温度210℃，四段温度220℃，射嘴温度220℃，模具温度40℃。
步骤6：将成型的产品毛胚进行表面处理，工艺流程如下：喷涂底涂→真空电镀→喷涂面漆。得到产品，按照ASTM D3359的标准进行涂层结合力测试，产品结合力达到5A级。
实施例2
按照以下配方：均聚聚丙烯15%；共聚聚丙烯35%；聚丙烯接枝马来酸酐5%；聚苯乙烯10%；碳酸钙粉33%；四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯1%；乙撑双硬酯酰胺1%共混挤出造粒成PP改性材料并成型产品及后处理。
具体实施步骤为：
步骤1：将碳酸钙粉按质量比称取，加入高速混合机内搅拌20～30min（转速为1000r/min），使碳酸钙粉干燥并且温度达到120℃。
步骤2：按质量比称取四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯偶联剂，将四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯偶联剂均匀的喷洒到搅拌中的碳酸钙粉上。
步骤3：喷洒完偶联剂后继续高速搅拌20～30min（转速为2000r/min），加入按质量比称取的乙撑双硬酯酰胺，继续搅拌5～10min（转速为2000r/min），然后加入按质量比称取的均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酐和聚苯乙烯继续高速搅拌10～20min（转速为2000r/min）得到混合原料。
步骤4：将步骤3所得到的混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线、冷却、切粒得到与涂层结合力好的改性聚丙烯（PP）材料粒料，工艺参数为：利用辅助喂料系统加入混合原料，喂料速度为80r/min；主机螺杆转速为260r/min；一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度190℃，四区温度200℃，五区温度210℃，六区温度210℃，七区温度215℃，八区温度220℃，九区温度220℃，十区温度220℃，模头温度220℃；切粒机切粒速度为200r/min。得到的材料物性如表2所示。
表2
  测试项目   单位   数值   标准
  拉伸强度23℃   MPa   34   ASTMD638
  弯曲强度23℃   MPa   52   ASTM D790
  弯曲模量23℃   MPa   2079   ASTM D790
  悬臂梁缺口冲击强度23℃   J/m   45   ASTM D256
  熔融温度   ℃   190   ASTM D3418
  热变形温度   ℃   120   ASTM D648
  密度   g/cm3   1.17   ASTM D792
  模具收缩率   %   0.8～1.1
步骤5：将改性聚丙烯（PP）材料粒料投入到注塑机中，按以下工艺注塑成水龙头塑胶外壳制品：一段温度190℃，二段温度200℃，三段温度210℃，四段温度220℃，射嘴温度220℃，模具温度60℃。
步骤6：将成型的产品毛胚进行表面处理，工艺流程如下：喷涂底涂→真空电镀→喷涂面漆。得到产品，按照ASTM D3359的标准进行涂层结合力测试，产品结合力达到5A级。
实施例3
按照以下配方：均聚聚丙烯15%；共聚聚丙烯35%；聚丙烯接枝马来酸酐5%；聚苯乙烯20%；氧化铝粉10%；碳酸钙粉13%；四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯1%；乙撑双硬酯酰胺1%共混挤出造粒成PP改性材料并成型产品及后处理。
具体实施步骤为：
步骤1：将氧化铝粉和碳酸钙粉按质量比称取，加入高速混合机内搅拌20～30min（转速为1000r/min），使氧化铝粉和碳酸钙粉干燥并且温度达到120℃。
步骤2：按质量比称取四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯偶联剂，将四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯偶联剂均匀的喷洒到搅拌中的碳酸钙粉上。
步骤3：喷洒完偶联剂后继续高速搅拌20～30min（转速为2000r/min），加入按质量比称取的乙撑双硬酯酰胺，继续搅拌5～10min（转速为2000r/min），然后加入按质量比称取的均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、聚丙烯接枝马来酸酐和聚苯乙烯继续高速搅拌10～20min（转速为2000r/min）得到混合原料。
步骤4：将步骤3所得到的混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线、冷却、切粒得到与涂层结合力好的改性聚丙烯（PP）材料粒料，工艺参数为：利用辅助喂料系统加入混合原料，喂料速度为80r/min；主机螺杆转速为260r/min；一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度190℃，四区温度200℃，五区温度210℃，六区温度210℃，七区温度215℃，八区温度220℃，九区温度220℃，十区温度220℃，模头温度220℃；切粒机切粒速度为200r/min。得到的材料物性如表3所示。
表3
  测试项目   单位   数值   标准
  拉伸强度23℃   MPa   29   ASTMD638
  弯曲强度23℃   MPa   45   ASTM D790
  弯曲模量23℃   MPa   2079   ASTM D790
  悬臂梁缺口冲击强度23℃   J/m   55   ASTM D256
  熔融温度   ℃   190   ASTM D3418
  热变形温度   ℃   120   ASTM D648
  密度   g/cm3   1.19   ASTM D792
  模具收缩率   %   0.9-1.1
步骤5：将改性聚丙烯（PP）材料粒料投入到注塑机中，按以下工艺注塑成花洒塑胶外壳制品：一段温度190℃，二段温度200℃，三段温度210℃，四段温度220℃，射嘴温度220℃，模具温度65℃。
步骤6：将成型的产品毛胚进行表面处理，工艺流程如下：喷涂底涂→真空电镀→喷涂面漆。得到产品，按照ASTM D3359的标准进行涂层结合力测试，产品结合力达到5A级。
步骤7：把表面处理好的花洒外壳与同样配方材料成型的花洒面板进行超音波焊接，焊接好的产品进行爆破压测试，焊接强度满足250PSI的强度要求。
图1给出所制备的改性聚丙烯材料的电子显微镜图。由图1可见，得到的改性聚丙烯材料无机矿粉分散均匀，与树脂结合力好，材料性能优良。

Claims (10)

1.一种改性聚丙烯材料，其特征在于其组成按质量百分比为：
2.如权利要求1所述的一种改性聚丙烯材料，其特征在于所述聚丙烯选自共聚聚丙烯、均聚聚丙烯中的至少一种；
3.如权利要求1所述的一种改性聚丙烯材料，其特征在于所述相容剂选自聚丙烯接枝马来酸酐、苯乙烯接枝马来酸酐中的至少一种；
4.如权利要求1所述的一种改性聚丙烯材料，其特征在于所述无机矿粉矿物粉选自滑石粉、碳酸钙粉、硅灰石粉、氧化铝粉、硫酸钡粉、玻璃微珠粉、氢氧化铝粉、云母粉中的至少一种。
5.如权利要求1所述的一种改性聚丙烯材料，其特征在于所述润滑剂选自乙撑双硬酯酰胺、硬脂酸锌、聚乙烯蜡、乙撑双硬酯酰胺接枝改性物、含氟弹性体、聚四氟乙烯粉末中的至少一种。
6.如权利要求1所述的一种改性聚丙烯材料，其特征在于所述偶联剂可选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂中的至少一种；所述硅烷偶联剂可选自N-2（氨乙基）3-氨丙基三甲氧基硅烷、N-2（氨乙基）3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-脲基丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油丙基三甲氧基硅烷中的一种；所述钛酸酯偶联剂可选自三（磷酸二辛酯）钛酸异丙酯、二（焦磷酸二辛酯）羟乙酸钛季胺盐、二（磷酸乙氧基苯基四聚酯）乙二撑钛酸酯、四异丙基二（二辛基亚磷酸酰氧基）钛酸酯或二（乙酰丙酮）钛酸二异丙酯等的一种；所述铝酸酯偶联剂可选自二（乙酰乙酸乙酯）铝酸二异丙酯、二（乙酰丙酮）铝酸二异丙酯、异丙基二硬脂酰氧基铝酸酯中的一种；所述锆酸酯偶联剂可选自四（三乙醇胺）锆酸酯、四正丙基锆酸酯、四正丁基锆酸酯、双（柠檬酸二乙酯）二丙氧基锆螯合物中的一种。
7.如权利要求1所述的一种改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将无机矿粉混合，搅拌，干燥；
2）将偶联剂喷洒到搅拌中的无机矿粉上，搅拌，再加入润滑剂，继续搅拌，加入聚丙烯、聚苯乙烯、相容剂，再继续搅拌，得到混合原料；
3）将步骤2）所得到的混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线，冷却，切粒，得到改性聚丙烯材料粒料。
8.如权利要求7所述的一种改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述搅拌，是将无机矿粉加入混合机内搅拌20～60min，转速为1000r/min；所述干燥的温度为120℃。
9.如权利要求7所述的一种改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于在步骤2）中，所述搅拌的时间为20～30min，转速为2000r/min；所述继续搅拌的时间为5～30min，转速为2000r/min；所述再继续搅拌的时间为10～30min，转速为2000r/min。
10.如权利要求7所述的一种改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于在步骤3）中，所述将步骤2）所得到的混合原料投入到双螺杆挤出造粒机中，经熔融挤出成线，冷却，切粒的工艺参数为：利用辅助喂料系统加入混合原料，喂料速度为60～120r/min，主机螺杆转速为250～350r/min，加工温度为190～220℃，模头压力为1.0～6.0MPa，切粒机切粒速度为200～400r/min。
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