CN103113665B - 一种聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法，其成分按质量计包括：聚丙烯50～80份、石墨粉5～20份、玻璃纤维8～20份、表面处理剂1～3.6份、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂0.4～7.4份、马来酸酐相溶剂0.6～1.6份、偶联剂0.4～3份、抗氧剂1～4份。其制备方法是先对石墨粉和玻璃纤维表面处理，再将聚丙烯、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂、抗氧剂、经表面处理的石墨粉高速混合成石墨/PP混料，然后将石墨/PP混料和烘干的玻纤通过双螺杆挤出机熔融、剪切、混炼、均化、挤出、冷却、切粒得石墨改性增强聚丙烯复合材料，该聚丙烯复合材料具有较好的耐热、耐化学腐蚀性能，同时拉伸、耐冲击强度也明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及聚丙烯材料制造领域，具体涉及一种能广泛应用于化工、环保、冶金等行业的耐高温、耐压、耐腐蚀、并具有一定冲击强度的聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯树脂由于具有一定的刚度、强度和耐温性能而被广泛应用于化工、环保、冶金等行业的机械零部件的制造。但由于在化工等行业特别对高温、耐化学腐蚀强的固液分离中明显表现适应性不强，且聚丙烯本身耐冲击性能差，具有维护成本高、使用寿命短等缺点，因而具有较好的耐高温性能、较高的强度且同时具有良好耐冲击能力和耐腐蚀性能的聚丙烯材料成为多数行业的需求。
目前广泛采用的方法是将树脂与填料干混，即将无机材料添加到处于熔融状态的树脂中进行混炼。为使填料较为均匀地分散在树脂中，需消耗很大动力，同时还要求填充材料有较细的粒径，否则难以混合均匀。另外，采用混炼还会引起树脂变性，使其强度大幅下降。而且目前常用的填料一般采用的是单一填料，其得到的聚丙烯材料的性能并不均匀。如中国专利00121409.8公开了一种聚丙烯复合材料，由1～20重%的纤维棒石族粘土和80～99重%的聚丙烯组成，具有良好的低温抗冲性能，但其耐温性能、抗拉、抗压强度及耐腐蚀性能较差；中国专利200910069250.x公开了一种聚丙烯复合材料及其制备方法，由聚丙烯树脂、超细碳酸钙填料和弹性体材料组成，其室温冲击强度和低温冲击强度也改善明显，但耐温性能、刚性、抗拉强度无任何提高，且耐腐蚀性能也无明显改善。
发明内容
为了克服现有聚丙烯材料的不足，本发明提供了一种耐温性能优良、室温冲击强度和低温冲击强度高、具有一定的抗拉强度及耐腐蚀性能的石墨改性增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种聚丙烯复合材料，其成分按质量计包括以下组分：聚丙烯50～80份、石墨粉5~20份、玻璃纤维8~20份、表面处理剂1～3.6份、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂0.4～7.4份、马来酸酐相溶剂0.6～1.6份、偶联剂0.4～3份、抗氧剂1～4份。
所述表面处理剂包括稀土铝酸脂复合处理剂、钛酸酯处理剂中的一种或两种。
所述偶联剂包括稀土铝酸脂复合偶联剂、钛酸酯偶联剂、硅烷基偶联剂中的一种或多种混合。
所述抗氧剂包括酚类抗氧剂、二价硫化物中的一种或两种混合。
本发明一种聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量份数称取各原料；
（2）将石墨粉进行高速热搅拌，然后将表面处理剂投入处于热搅拌状态下的石墨粉中进行表面处理后出料；
（3）将干燥的玻璃纤维通过马来酸酐相溶剂和偶联剂进行表面浸湿并在90～140℃热风循环下烘干；
（4）将聚丙烯、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂、抗氧剂以及步骤（2）经表面处理后的石墨粉依次向高速混合机中投加并进行高速搅拌形成石墨/聚丙烯混合料；
（5）将步骤（4）中石墨/聚丙烯混合料和步骤（3）中烘干后的玻璃纤维在双螺杆挤出机中进行熔融、剪切、混炼、均化、挤出；
（6）将步骤（5）得到的物料拉条、冷却、切粒，即得到石墨改性增强聚丙烯复合材料。
所述步骤（2）中石墨粉在高速混合机中进行高速热搅拌加热，石墨粉高速热搅拌加热的温度为60～90℃，石墨粉高速热搅拌的时间为10～20min；石墨粉温度达到85～120℃时向石墨粉中投放表面处理剂，并保持高速热搅拌状态，石墨粉温度达到85～135℃时进行表面处理，表面处理时间为10～20min。
所述步骤（4）中高速搅拌在常温下进行，时间为8～15分钟。
所述步骤（5）中双螺杆挤出机的挤出温度为170～250℃，挤出速度为250～350rpm。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用超微石墨粉材料对玻璃纤维/聚丙烯的复合进行增强改性，进一步强化了聚丙烯材料的耐热、机械性能和耐腐蚀性能，不同程度赋予了聚丙烯材料在适应高温、高压、强腐蚀条件下优异的综合特性；
（2）本发明采用了对石墨材料和玻璃纤维特定的表面处理方式，结合主体合金材料中聚丙烯、石墨、玻纤的特性及表面效应，分别对石墨粉和玻璃纤维进行表面处理，石墨粉表面处理采用稀土复合铝酸酯、钛酸酯表面处理剂，玻璃纤维的表面采用马来酸酐相溶剂和硅烷偶联剂或硅烷偶联剂与稀土复合铝酸酯复合剂、钛酸酯复配的偶联剂，由于稀土复合偶联剂中的稀土具有独特的外电子层结构及较强的配位能力，不仅具有双亲偶联作用，还具有与无机石墨、玻璃纤维或有机聚丙烯配位体形成离子键，提高了主体有机材料的稳定性，并在铝酸酯、钛酸酯或硅烷偶联剂及相容剂的协同增效作用下，进一步改善了合金体系中无机材料石墨、玻璃纤维GF与有机非极性聚丙烯间亲和性，提高了相互间的键合力，促进了石墨/聚丙烯/玻璃纤维间界面化学键合和范德华力的物理结合，优化了聚丙烯复合材料的物理化学性能和机械性能；
（3）本发明产品耐高温、高压性能增强，耐温性能比普通聚丙烯材料有较大提高，耐化学腐蚀性更强，在较高温度、较高压力条件下，使用寿命长，降低了维护成本。使用范围更广；
（4）本发明的聚丙烯得合材料性价比高，可以完全循环再生利用，在各个环节均无污染。
综上所述，本发明的石墨改性增强聚丙烯复合材料与现行普通聚丙烯材料相比，具有耐高温、耐化学腐蚀性能及优异物理机械性能，在经过优化的配方组成及制备工艺条件下，其耐温性能可达到120～180℃，冲击强度为10～14.8KJ/m2，其寿命能比现行材料延长1～3年。
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步说明本发明的特点。
实施例1：
（1）配料：按以下质量称取各组分原料：13g石墨粉、68g聚丙烯、15g玻璃纤维、2.8gPP-g-MAH相溶剂、1.2g马来酸酐相溶剂、2.4g表面处理剂（1.2g稀土铝酸酯复合剂与1.2g钛酸酯）、0.6g硅烷偶联剂KH550、3g抗氧剂（酚类抗氧剂1010与二价硫化物DSTP或DLTP，酚类抗氧剂与二价硫化物的比例为1/1.5）；
（2）先对石墨粉和玻璃纤维分别进行表面处理，将石墨粉放入高速混合机中进行热搅拌加热，热搅拌加热温度为80℃，热搅拌时间为15min，石墨粉热搅拌到达时间并且石墨粉温度达到95℃时按顺序向石墨粉中投入表面处理剂稀土铝酸脂复合剂和钛酸酯，并与石墨粉一起热搅拌，同时将投入表面处理剂后的石墨粉温度升至110℃，使石墨粉在110℃的温度下热搅拌12min进行表面处理后出料；再将干燥后的玻璃纤维使用马来酸酐相溶剂和硅烷基液体偶联剂进行表面浸湿处理，并在120℃热风循环下烘干；然后将PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、抗氧剂、经表面处理的石墨粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合10分钟，形成石墨/PP混合料；
将上述的石墨/PP混合料和烘干后的玻璃纤维经双螺杆挤出机（南京橡塑机械厂有限公司，型号为SJSH-65的多功能积木式的剪切混炼排气型双螺杆挤出机）进行熔融、剪切、混炼、均化、挤出，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端180℃，其余各段为230℃，挤出速度为320rpm，然后将挤出的物料拉条、冷却、切粒，得到石墨改性增强聚丙烯复合材料。
经测试，石墨改性增强聚丙烯复合材料主要性能为：耐热温度178℃，冲击强度为13.5.8KJ/m2。
实施例2：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料：5g石墨粉、84g聚丙烯、20g玻璃纤维、7.4gPP-g-MAH相溶剂、0.6g马来酸酐相溶剂、1.0g表面处理剂（0.5g稀土铝酸酯复合剂和0.5g钛酸酯）、1.0g硅烷偶联剂KH550、3g抗氧剂（酚类抗氧剂1010与二价硫化物DSTP或DLTP，酚类抗氧剂与二价硫化物的比例为为1/1.2）；
（2）先对石墨粉和玻璃纤维分别进行表面处理，将石墨粉放入高速混合机中进行热搅拌加热，热搅拌加热温度为85℃，热搅拌时间为20min，石墨粉热搅拌到达时间并且石墨粉温度达到90℃时按顺序向石墨粉中投入表面处理剂稀土铝酸脂复合剂和钛酸酯，并与石墨粉一起热搅拌，同时将投入表面处理剂后的石墨粉温度升至120℃，使石墨粉在120℃的温度下热搅拌10min进行表面处理后出料；再将干燥后的玻璃纤维使用马来酸酐相溶剂和硅烷基液体偶联剂进行表面浸湿处理，并在120℃热风循环下烘干；然后将PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、抗氧剂、经过表面处理的石墨粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合15分钟，形成石墨/PP混合料；
将上述的石墨/PP混合料和经烘干后的玻璃纤维经双螺杆挤出机（进行熔融、剪切、混炼、均化、挤出，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端170℃，其余各段为220℃，挤出速度为350rpm，然后将挤出的物料拉条、冷却、切粒，得到石墨改性增强聚丙烯复合材料。
经测试，石墨改性增强聚丙烯复合材料主要性能为：耐热温度168℃，冲击强度为12.5KJ/m2。
实施例3：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料：20g石墨粉、52g聚丙烯、10g玻璃纤维、1.4gPP-g-MAH相溶剂、0.6g马来酸酐相溶剂、3.6g表面处理剂（2.3g稀土铝酸酯复合剂与1.3g钛酸酯）、0.4g硅烷偶联剂KH550、1g抗氧剂（0.4g酚类抗氧剂1010与0.6g二价硫化物DSTP）；
（2）先对石墨粉和玻璃纤维分别进行表面处理，将石墨粉放入高速混合机中进行热搅拌加热，热搅拌加热温度为90℃，热搅拌时间为20min，石墨粉热搅拌到达时间并且石墨粉温度达到100℃时按顺序向石墨粉中投入表面处理剂稀土铝酸脂复合剂和钛酸酯，并与石墨粉一起热搅拌，同时将投入表面处理剂后的石墨粉温度升至120℃，使石墨粉在120℃的温度下热搅拌15min进行表面处理后出料；再将干燥后的玻璃纤维使用马来酸酐相溶剂和硅烷基液体偶联剂进行表面浸湿处理，并在120℃热风循环下烘干；然后将PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、抗氧剂、经过表面处理的石墨粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合8分钟，形成石墨/PP混合料；
将上述的石墨/PP混合料和经烘干后的玻璃纤维经双螺杆挤出机进行熔融、剪切、混炼、均化、挤出，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端230℃，其余各段为250℃，挤出速度为280rpm，然后将挤出的物料拉条、冷却、切粒，得到石墨改性增强聚丙烯复合材料。
经测试，石墨改性增强聚丙烯复合材料主要性能为：耐热温度148℃，冲击强度为10.5KJ/m2。
实施例4：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料：20g石墨粉、84g聚丙烯、20g玻璃纤维、4.4gPP-g-MAH相溶剂，1.6g马来酸酐相溶剂、3g表面处理剂（1.5g稀土铝酸酯复合剂与1.5g钛酸酯）、1g硅烷偶联剂KH550、4g抗氧剂（1.6g酚类抗氧剂1010与2.4g二价硫化物DSTP）；
（2）先对石墨粉和玻璃纤维分别进行表面处理，将石墨粉放入高速混合机中进行热搅拌加热，热搅拌加热温度为80℃，热搅拌时间为18min，石墨粉热搅拌到达时间并且石墨粉温度达到90℃时按顺序向石墨粉中投入表面处理剂稀土铝酸脂复合剂和钛酸酯，并与石墨粉一起热搅拌，同时将投入表面处理剂后的石墨粉温度升至90℃，使石墨粉在90℃的温度下热搅拌15min进行表面处理后出料；再将干燥后的玻璃纤维使用马来酸酐相溶剂和硅烷基液体偶联剂进行表面浸湿处理，并在130℃热风循环下烘干；然后将PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、抗氧剂、经过表面处理的石墨粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合8分钟，形成石墨/PP混合料；
将上述的石墨/PP混合料和经烘干后的玻璃纤维经双螺杆挤出机进行熔融、剪切、混炼、均化、挤出，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度各段均为230℃，挤出速度为350rpm，然后将挤出的物料拉条、冷却、切粒，得到石墨改性增强聚丙烯复合材料。
经测试，石墨改性增强聚丙烯复合材料主要性能为：耐热温度168℃，冲击强度为10.5KJ/m2。
实施例5：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料：13g石墨粉、68g聚丙烯、15g玻璃纤维、2.8gPP-g-MAH相溶剂，1.2g马来酸酐相溶剂、2.4g表面处理剂（1.2g稀土铝酸酯复合剂与1.2g钛酸酯）、0.6g硅烷偶联剂KH550、4g抗氧剂（1.5g酚类抗氧剂1010与2.5g二价硫化物DSTP）；
（2）先对石墨粉和玻璃纤维分别进行表面处理，将石墨粉放入高速混合机中进行热搅拌加热，热搅拌加热温度为80℃，热搅拌时间为15min，石墨粉热搅拌到达时间并且石墨粉温度达到90℃时按顺序向石墨粉中投入表面处理剂稀土铝酸脂复合剂和钛酸酯，并与石墨粉一起热搅拌，同时将投加表面处理剂后的石墨粉温度升至90℃，使石墨粉在90℃的温度下热搅拌10min进行表面处理后出料；再将干燥后的玻璃纤维使用马来酸酐相溶剂和硅烷基液体偶联剂进行表面浸湿处理，并在90℃热风循环下烘干；然后将PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、抗氧剂、经过表面处理的石墨粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合9分钟，形成石墨/PP混合料；
将上述的石墨/PP混合料和经烘干后的玻璃纤维经双螺杆挤出机进行熔融、剪切、混炼、均化、挤出，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端200℃，其余各段为250℃，挤出速度为350rpm，然后将挤出的物料拉条、冷却、切粒，得到石墨改性增强聚丙烯复合材料。
经测试，石墨改性增强聚丙烯复合材料主要性能为：耐热温度155℃，冲击强度为10.1KJ/m2。
以上实施例均是本发明的具体应用范例，对于本领域的技术人员来说，在上述实施例的基础上作出简单的替换均属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种聚丙烯复合材料的制备方法，（1）按以下质量称取各组分原料：13g石墨粉、68g聚丙烯、15g玻璃纤维、2.8gPP-g-MAH相容剂、1.2g马来酸酐相容剂、1.2g稀土铝酸酯复合剂与1.2g钛酸酯组成的表面处理剂、0.6g硅烷偶联剂KH550、3g由酚类抗氧剂1010与二价硫化物DSTP或DLTP以比例为1/1.5组成的抗氧剂；
（2）先对石墨粉和玻璃纤维分别进行表面处理，将石墨粉放入高速混合机中进行热搅拌加热，热搅拌加热温度为80℃，热搅拌时间为15min，石墨粉热搅拌到达时间并且石墨粉温度达到95℃时按顺序向石墨粉中投入表面处理剂稀土铝酸酯复合剂和钛酸酯，并与石墨粉一起热搅拌，同时将投入表面处理剂后的石墨粉温度升至110℃，使石墨粉在110℃的温度下热搅拌12min进行表面处理后出料；再将干燥后的玻璃纤维使用马来酸酐相容剂和硅烷偶联剂KH550进行表面浸湿处理，并在120℃热风循环下烘干；然后将PP、PP-g-MAH相容剂、抗氧剂、经表面处理的石墨粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合10分钟，形成石墨/PP混合料；
将上述的石墨/PP混合料和烘干后的玻璃纤维经双螺杆挤出机进行熔融、剪切、混炼、均化、挤出，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端180℃，其余各段为230℃，挤出速度为320rpm，然后将挤出的物料拉条、冷却、切粒，得到石墨改性增强聚丙烯复合材料。
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