CN103059528B - 一种聚己内酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚己内酯复合材料及其制备方法。该聚己内酯复合材料包括如下重量份数的配方组分：聚己内酯60～90份、多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维10～30份、抗氧剂0.2～0.6份、润滑剂0.5～1%。本发明聚己内酯复合材料通过多氨基硅烷偶联剂起到“桥梁”作用，有效改善了聚己内酯和纤维之间的界面相容性，从而赋予该聚己内酯复合材料优异力学性能。另外，其制备工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低，适于工业化生产，而且环保。

Description

一种聚己内酯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种聚己内酯复合材料及其制备方法。

背景技术

随着汽车产销量的不断增加，为了获得环保且力学性能好的复合材料，目前出现了采用植物纤维改性的复合材料来代替传统塑料，并以该植物纤维改性的复合材料制备汽车内饰零部件。

现有植物纤维改性的复合材料如剑麻纤维增强聚丙烯复合材料和苎麻纤维增强聚己内酯复合材料等。其中，剑麻纤维增强聚丙烯复合材料中的聚丙烯部分无法降解，且纤维和聚丙烯的界面相容性有待改善。苎麻纤维增强聚己内酯复合材料虽为生物降解的复合材料，但该苎麻纤维增强聚己内酯复合材料采用原位聚合的化学改性手段，溶剂回收难、易造成环境污染，大规模生产难度大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种聚己内酯与纤维之间的界面相容性好、力学性能优异的聚己内酯复合材料。

本发明的另一目的是提供一种环保，工艺简单，条件易控的聚己内酯复合材料制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种聚己内酯复合材料，包括如下重量份数的配方组分：

以及，一种聚己内酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

按照上述的聚己内酯复合材料配方分别称取各组分；

将称取的所述各组分进行混料处理，得到混合物料；

将所述混合物料进行熔融挤出，造粒，得到所述聚己内酯复合材料；其中，熔融挤出的工艺条件为：

一区温度170～180℃，二区温度170～180℃，三区温度180～190℃，四区温度190～200℃，机头180～190℃，停留时间1～2min，压力为10～20MPa。

上述聚己内酯复合材料以聚己内酯为基体材料，采用多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维以及其他组分在熔融挤出过程中发生协同作用，多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维中氨基与聚己内酯分子发生反应形成共价键，从而提高了聚己内酯和纤维之间的界面相容性，从而赋予该聚己内酯复合材料优异力学性能。

上述聚己内酯复合材料制备方法只需按配方将各组分混合并在适当的温度下熔融挤出即可得到产品，其制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例聚己内酯复合材料制备方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种聚己内酯与纤维之间的界面相容性好、力学性能优异的聚己内酯复合材料。该聚己内酯复合材料包括如下重量百分比的配方组分：

具体地，上述聚己内酯为基体成分，在熔融挤出过程中，其分子与其他组分特别是多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维协同作用，改善其与多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维之间的界面问题和赋予聚己内酯复合材料的力学性能。为了进一步提高聚己内酯与植物纤维之间界面相容性，在优选实施例中，该聚己内酯为含双羧基封端的聚己内酯。该含有双羧基封端的聚己内酯在熔融挤出过程中，分子中的羧端基与多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维分子中的氨基进行反应形成共价键，从而进一步提高两者界面的相容性，改善聚己内酯复合材料的力学性能。

上述多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维由于采用多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维，这样，在改性处理过程中，多氨基硅烷偶联剂分子的一端与植物纤维上的羟基形成硅氧烷共价键或形成氢键交联。当该多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维与聚己内酯作用（如熔融挤出）后，其多氨基硅烷偶联剂分子的另一端与聚己内酯分子形成化学键，如当聚己内酯含双羧基封端的聚己内酯时，多氨基硅烷偶联剂分子的另一端如氨基与含双羧基封端的聚己内酯中羧端基进行反应形成共价键，从而多氨基偶联剂作为“桥梁”，高效的提高聚己内酯和纤维之间的界面结合力。另外，由于多氨基硅烷偶联剂有别于通用的单氨基硅烷偶联剂，因此，在熔融挤出过程中能游离氨基，从而提高了其反应活性，加速了其与聚己内酯分子之间化学键的形成。

因此，在优选实施例中，该多氨基硅烷偶联剂为双氨基硅烷偶联剂或/和三氨基硅烷偶联剂。双氨基硅烷偶联剂可采用美国迈图公司的A1120，三氨基偶联剂采用牌号为B-201或A-5162。

另外，在优选实施例中，上述植物纤维优选为竹纤维、麻纤维中的一种或两种。当然还可以是其他植物纤维。为了使得聚己内酯复合材料具有更加优异的力学性能，在优选实施例中，该植物纤维的尺寸为100~200目。

其次，上述各实施例中多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维可以按照下文所述的多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维改性方法制备获得。

上述润滑剂组分能在熔融挤出过程中黏附在其他组分表面，使得各组分充分分散，从而使得各组分充分发生反应或作用，提高上述各实施例中的聚己内酯复合材料性能的稳定，同时便于各组分熔融挤出过程中的输送。在优选实施例中，该润滑剂为内润滑和外润滑的复合体系，其中，内润滑与外润滑的重量（或其他单位）比为1：1～3。其中，内润滑优选为PE蜡或/和OP蜡，外润滑剂主要是硬脂酸盐，优选为硬脂酸钙或硬脂酸锌。

上述抗氧剂组分能有效提高上述各实施例中聚己内酯复合材料的抗氧化性能，延长其使用寿命。在优选实施例中，所述抗氧剂由主抗氧剂和辅助抗氧剂构成的复合抗氧剂，其中，主抗氧剂和辅助抗氧剂的重量（或其他单位）比为1：1～2，主抗氧剂优选为四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸正十八碳醇酯等，辅助抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯酯)、双（2,4-二叔丁基苯酚）季戊四醇二亚磷酸酯等。

由上所述，上述聚己内酯复合材料以聚己内酯为基体材料，采用多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维以及其他组分在熔融挤出过程中发生协同作用，多氨基硅烷偶联剂分子的一端与植物纤维上的羟基形成硅氧烷共价键或形成氢键交联，另一端的氨基与聚己内酯分子形成化学键，从而形成“桥梁”作用，从而显著提高了聚己内酯和纤维之间的界面相容性，从而赋予该聚己内酯复合材料优异力学性能。正是由于该聚己内酯复合材料具有优异的力学性能，可广泛应用于汽车内外饰等零部件，如门内板、立柱、储物箱、衣帽架等，顺应汽车零部件节能环保的潮流和开发趋势。

相应地，本发明实施例还提供了上述聚己内酯复合材料的制备方法，其工艺流程如图1所示。该方法包括如下步骤：

S01.称取配方组分：按照上述聚己内酯复合材料的配方称取各组分；

S02.制备混合物料：将步骤S01中称取各组分进行混料处理，得到混合物料；

S03.混合物料的熔融挤出：将步骤S02中的混合物料进行熔融挤出，得到所述聚己内酯复合材料。

具体地，上述步骤S01中的聚己内酯复合材料的配方以及配方中的各组分优选含量和种类如上文所述，为了节约篇幅，在此不再赘述。

其中，多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维的改性方法优选如下：

将植物纤维置于质量百分数为2～4%多氨基硅烷偶联剂的溶液中浸泡4～5个小时后，干燥处理，得到所述多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维。

具体地，在该多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维的改性方法中，多氨基硅烷偶联剂溶液的溶剂可以是但不仅仅为甲醇，还可以是其他能有够达到稀释该多氨基硅烷偶联剂目的的溶剂，多氨基硅烷偶联剂如上文所述，优选为双氨基硅烷偶联剂或/和三氨基硅烷偶联剂。在植物纤维改性之前，优选将其进行干燥，如将其70～80℃下干燥4～6个小时。在一优选实施例中，多氨基硅烷偶联剂的溶液的浓度为3%。

上述步骤S02中，各组分进行混料处理的时间可以根据实际生产条件进行灵活的调整，只要各组分预混充分即可，如混合的设备可以是混料筒等。

上述步骤S03中，混合物料的熔融挤出的温度可以设为5各温度段或温度区，其中具体的熔融挤出工艺如下：

一区温度170～180℃，二区温度170～180℃，三区温度180～190℃，四区温度190～200℃，机头180～190℃，各区停留时间1～2min，压力为10～20MPa。

上述聚己内酯复合材料制备方法只需按配方将各组分混合并在适当的温度下熔融挤出即可得到产品。在熔融挤出过程中只需控制熔融挤出的温度、时间和压强等工艺参数的控制即可，其制备方法工艺简单，条件易控，成本低廉，对设备要求低的特点，适于工业化生产。另外，该制备方法环保，有效避免了如原位聚合等化学改性手段，避免了对溶剂的使用。

现以具体聚己内酯复合材料的配方和制备方法为例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

一种聚己内酯复合材料及其制备方法。该聚己内酯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1，其中，植物纤维为竹纤维，目数为150目，多氨基硅烷偶联剂为双氨基硅烷偶联剂；抗氧剂为重量比为1：2的主抗氧剂和辅助抗氧剂构成的复合抗氧剂,主抗氧剂为四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，辅助抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯酯)，选用Ciba公司生产，商品牌号分别为Irganox1010和Irganox168；润滑剂为重量比为1：2的内润滑和外润滑的复合体系，内润滑剂为PE蜡，外润滑剂为硬脂酸钙。

其制备方法如下：

S11：按照下文表1中实施例1配方称取竹纤维10份，聚己内酯89.2份，双氨基硅烷偶联剂0.1份，润滑剂0.5份，抗氧剂0.2份；

S12：将竹纤维在80℃下干燥4小时，干燥好的竹纤维在甲醇稀释的双氨基硅烷偶联剂中（偶联剂的质量百分数为3%）中浸泡5个小时，然后在烘箱中干燥至恒重，得到双氨基硅烷偶联剂改性植物纤维；

S13：将步骤S11中称取的其余各组分和步骤S12中制备的双氨基硅烷偶联剂改性植物纤维进行混料处理，得到混合物料；

S14：将步骤S13中得到的混合物料加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒成复合材料；其中，螺杆各区温度设置分别为：双螺杆挤出机一区温度170℃，二区温度175℃，三区温度180℃，四区温度190℃，机头180℃，停留时间1min，压力为10MPa。

实施例2

一种聚己内酯复合材料及其制备方法。该聚己内酯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1，其中，植物纤维为竹纤维，目数为150目，多氨基硅烷偶联剂为双氨基硅烷偶联剂；抗氧剂为重量比为1：2的主抗氧剂和辅助抗氧剂构成的复合抗氧剂,主抗氧剂为四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，辅助抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯酯)，选用Ciba公司生产，商品牌号分别为Irganox1010和Irganox168；润滑剂为重量比为1：2的内润滑和外润滑的复合体系，内润滑剂为PE蜡，外润滑剂为硬脂酸钙。

其制备方法如下：

S21：按照下文表1中实施例2配方称取竹纤维15份，聚己内酯83.9份，双氨基硅烷偶联剂0.2份，润滑剂0.6份，抗氧剂0.3份；

S22：将竹纤维在70℃下干燥6小时，干燥好的竹纤维在甲醇稀释的双氨基硅烷偶联剂中（偶联剂的质量百分数为3%）中浸泡4个小时，然后在烘箱中干燥至恒重，得到双氨基硅烷偶联剂改性植物纤维；

S23：将步骤S21中称取的其余各组分和步骤S22中制备的双氨基硅烷偶联剂改性植物纤维进行混料处理，得到混合物料；

S24：将步骤S23中得到的混合物料加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒成复合材料；其中，螺杆各区温度设置分别为：双螺杆挤出机一区温度170℃，二区温度175℃，三区温度180℃，四区温度190℃，机头180℃，停留时间1min，压力为10MPa。

实施例3

一种聚己内酯复合材料及其制备方法。该聚己内酯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1，其中，植物纤维为竹纤维，目数为150目，多氨基硅烷偶联剂为双氨基硅烷偶联剂；抗氧剂为重量比为1：2的主抗氧剂和辅助抗氧剂构成的复合抗氧剂,主抗氧剂为四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，辅助抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯酯)，选用Ciba公司生产，商品牌号分别为Irganox1010和Irganox168；润滑剂为重量比为1：2的内润滑和外润滑的复合体系，内润滑剂为PE蜡，外润滑剂为硬脂酸钙。

其制备方法如下：

S31：按照下文表1中实施例3配方称取竹纤维20份，聚己内酯78.5份，双氨基硅烷偶联剂0.3份，润滑剂0.8份，抗氧剂0.4份；

S32：将竹纤维在75℃下干燥5小时，干燥好的竹纤维在甲醇稀释的双氨基硅烷偶联剂中（偶联剂的质量百分数为3%）中浸泡5个小时，然后在烘箱中干燥至恒重，得到双氨基硅烷偶联剂改性植物纤维；

S33：将步骤S31中称取的其余各组分和步骤S32中制备的双氨基硅烷偶联剂改性植物纤维进行混料处理，得到混合物料；

S34：将步骤S33中得到的混合物料加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒成复合材料；其中，螺杆各区温度设置分别为：双螺杆挤出机一区温度175℃，二区温度175℃，三区温度185℃，四区温度195℃，机头185℃，停留时间1min，压力为10MPa。

实施例4

一种聚己内酯复合材料及其制备方法。该聚己内酯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1，其中，植物纤维为麻纤维，目数为100目，多氨基硅烷偶联剂为三氨基硅烷偶联剂；抗氧剂为重量比为1：2的主抗氧剂和辅助抗氧剂构成的复合抗氧剂,主抗氧剂为四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，辅助抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯酯)，选用Ciba公司生产，商品牌号分别为Irganox1010和Irganox168；润滑剂为重量比为1：2的内润滑和外润滑的复合体系，内润滑剂为PE蜡，外润滑剂为硬脂酸钙。

其制备方法如下：

S41：按照下文表1中实施例4配方称取麻纤维25份，聚己内酯73.3份，三氨基硅烷偶联剂0.4份，润滑剂0.8份，抗氧剂0.5份；

S42：将竹纤维在80℃下干燥4小时，干燥好的竹纤维在甲醇稀释的三氨基硅烷偶联剂中（偶联剂的质量百分数为3.5%）中浸泡5个小时，然后在烘箱中干燥至恒重，得到三氨基硅烷偶联剂改性植物纤维；

S43：将步骤S41中称取的其余各组分和步骤S42中制备的三氨基硅烷偶联剂改性植物纤维进行混料处理，得到混合物料；

S44：将步骤S43中得到的混合物料加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒成复合材料；其中，螺杆各区温度设置分别为：双螺杆挤出机一区温度175℃，二区温度175℃，三区温度185℃，四区温度195℃，机头185℃，停留时间1min，压力为10MPa。

实施例5

一种聚己内酯复合材料及其制备方法。该聚己内酯复合材料的重量百分比配方组分参见下述表1，其中，植物纤维为麻纤维，目数为200目，多氨基硅烷偶联剂为三氨基硅烷偶联剂；抗氧剂为重量比为1：2的主抗氧剂和辅助抗氧剂构成的复合抗氧剂,主抗氧剂为四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，辅助抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯酯)，选用Ciba公司生产，商品牌号分别为Irganox1010和Irganox168；润滑剂为重量比为1：2的内润滑和外润滑的复合体系，内润滑剂为PE蜡，外润滑剂为硬脂酸钙。

其制备方法如下：

S51：按照下文表1中实施例5配方称取麻纤维30份，聚己内酯67.9份，三氨基硅烷偶联剂0.5份，润滑剂1份，抗氧剂0.6份

S52：将竹纤维在80℃下干燥4小时，干燥好的竹纤维在甲醇稀释的三氨基硅烷偶联剂中（偶联剂的质量百分数为3.5%）中浸泡5个小时，然后在烘箱中干燥至恒重，得到三氨基硅烷偶联剂改性植物纤维；

S53：将步骤S51中称取的其余各组分和步骤S52中制备的三氨基硅烷偶联剂改性植物纤维进行混料处理，得到混合物料；

S54：将步骤S53中得到的混合物料加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒成复合材料；其中，螺杆各区温度设置分别为：双螺杆挤出机一区温度175℃，二区温度175℃，三区温度185℃，四区温度195℃，机头185℃，停留时间1min，压力为10MPa。

性能测试：

将上述实施例1至实施例5制备的聚己内酯复合材料进行相关性能测试。其中，各相关性能测试方法如下：

拉伸强度：按ASTMD-638标准进行检验。试样类型为I型，样条尺寸（mm）：（176±2）（长）×（12.6±0.2）（端部宽度）×(3.05±0.2)（厚度），拉伸速度为50mm/min；

弯曲强度和弯曲模量：按ASTMD-790标准进行检验。试样类型为试样尺寸（mm）：（128±2）×（12.67±0.2）×(3.11±0.2)，弯曲速度为20mm/min；

悬臂梁缺口冲击强度：按ASTMD-256标准进行检验。试样类型为I型，试样尺寸（mm）：（63±2）×（12.45±0.2）×(3.1±0.2)；缺口类型为A类，缺口剩余厚度为1.9mm；

熔融指数：按ASTMD-1238进行测试，测试温度为200℃，负荷为5公斤，预热时间为5min；

热变形温度：按ASTMD-648进行测试，试样尺寸（mm）：（128±2）×（12.45±0.2）×(3.1±0.2)，载荷为1.82MPa；

阻燃性能：按UL94进行测试，试验尺寸（mm）：（128±2）×（12.67±0.2）×(3.11±0.2)，火焰高度20mm。

经测试，上述实施例1至实施例5制备的聚己内酯复合材料相关性能测试结果分别如表1所示。

表1

由上述表1中可以看出，聚己内酯复合材料通过多氨基硅烷偶联剂起到“桥梁”作用，有效改善了聚己内酯和纤维之间的界面相容性，从而赋予该聚己内酯复合材料优异力学性能。另外，由上述表1还可以看出，聚己内酯复合材料的力学性能特别是强度随着植物纤维纤维的增加而相应的增加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种聚己内酯复合材料，由如下重量份数的配方组分：

所述多氨基硅烷偶联剂为三氨基硅烷偶联剂，且所述三氨基偶联剂选用牌号为B-201或A-5162，所述多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维的改性方法是：将植物纤维置于质量百分数为2～4％多氨基硅烷偶联剂的溶液中浸泡4～5个小时后，干燥处理，得到所述多氨基硅烷偶联剂改性植物纤维；所述聚己内酯为含双羧基封端的聚己内酯。

2.根据权利要求1所述的聚己内酯复合材料，其特征在于：所述植物纤维为竹纤维、麻纤维中的一种或两种。

3.根据权利要求1～2任一所述的聚己内酯复合材料，其特征在于：所述润滑剂为内润滑和外润滑的复合体系，其中，所述内润滑与外润滑的重量比为1：1～3。

4.根据权利要求3所述的聚己内酯复合材料，其特征在于：所述内润滑剂为PE蜡或/和OP蜡，外润滑剂为硬脂酸钙。

5.根据权利要求1～2任一所述的聚己内酯复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为主抗氧剂与辅助抗氧剂构成的复合抗氧剂，其中，主抗氧剂与辅助抗氧剂的重量比为1：1～2。

6.根据权利要求5所述的聚己内酯复合材料，其特征在于：所述主抗氧剂优选为四[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯，所述辅助抗氧剂为亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯酯)。

7.如权利要求1-6任一所述的聚己内酯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

按照权利要求1～6任一所述的聚己内酯复合材料配方分别称取各组分；

将称取的所述各组分进行混料处理，得到混合物料；

将所述混合物料进行熔融挤出，造粒，得到所述聚己内酯复合材料；其中，熔融挤出的工艺条件为：

一区温度170～180℃，二区温度170～180℃，三区温度180～190℃，四区温度190～200℃，机头180～190℃，停留时间1～2min，压力为10～20MPa。