CN103540018A - 高强度聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度聚丙烯复合材料及其制备方法。该丙烯复合材料包括如下重量百分比的配方组分：聚丙烯71.7～77%、矿物补强剂5～15%、纤维补强剂10～15%、增韧剂2～3%、偶联剂0.2～0.3%、分散剂0.6～0.8%、抗氧剂0.2～0.3%。本发明高强度聚丙烯复合材料具有优异的光泽度（辅以高光无痕注塑工艺）的同时，具有优异的机械强度、收缩率和良好的尺寸稳定性能，该性能与ABS几乎相等，因此，该高强度聚丙烯复合材料可以替代ABS，从而显著降低材料成本。高强度聚丙烯复合材料制备方法只需按配方将各组分进行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，对生产设备要求低的特点，适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，特别涉及一种高强度聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，小家电及其它电子电器越来越普及。目前大多数小家电及某些电子电器部件采用ABS材料制备，这是因为ABS材料表面光泽度好，机械性能佳，尺寸稳定，但是ABS材料成本高，导致电器部件成本增加。
为了替代ABS材料降低成本，又由于聚丙烯具有生产成本低，综合力学性能好，无毒、质轻、耐腐蚀、易于加工和回收等特点，目前，已有很多研究通过在聚丙烯中添加矿物对其改性，使其能达到与高光ABS一样的高光泽。但在实际应用中发现，虽然聚丙烯替代物光泽度可与ABS相媲美，但其强度比高光ABS差很多，且尺寸不稳定，在一些有强度要求的应用领域大大受到了限制。而且，如果要达到与ABS接近的收缩率，需要添加大量的矿物，这又导致产品的重量大大增加反而对降低成本无益。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可替代ABS材料的高强度聚丙烯复合材料及其制备方法，以解决现有聚丙烯替代ABS材料的强度低，尺寸稳定性差的技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种高强度聚丙烯复合材料，包括如下重量百分比的配方组分：
以及，一种高强度聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按上述的高强度聚丙烯复合材料的配方分别称取各组分；
将各组分进行混料处理后熔融挤出，造粒。
上述高强度聚丙烯复合材料通过对聚丙烯同时添加矿物和纤维进行改性，辅以其它助剂，使改性获得的高强度聚丙烯复合材料在具有优异的光泽度的同时（辅以高光无痕注塑工艺），具有优异的机械强度、收缩率和良好的尺寸稳定性能，该性能与ABS几乎相等，因此，该高强度聚丙烯复合材料可以替代ABS，从而显著降低材料成本，其应用领域得到了很大的扩展。
上述高强度聚丙烯复合材料材料的制备方法只需按配方将各组分进行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，对生产设备要求低的特点，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为本发明实施例高强度聚丙烯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光泽度和机械强度高、尺寸稳定性能优异的可以替代ABS的高强度聚丙烯复合材料。该高强度聚丙烯复合材料包括如下重量百分比的配方组分：
具体地，上述聚丙烯为基体成分，在熔融挤出过程中，其分子与其他组分如矿物补强剂、纤维补强剂以及其他助剂发生接枝反应，对其改性，使得该聚丙烯具有高光泽的基础上，具有高的机械强度和优异的尺寸稳定性能。为了使得上述高强度聚丙烯复合材料具有更加优异的机械强度和尺寸稳定等相关性能，在优选实施例中，聚丙烯选用熔体流动速率大于15g/10min的均聚聚丙烯，其中，该聚丙烯的熔体流动速率是按照ASTMD-1238标准测试的。
在具体实施例中，上述聚丙烯的重量百分比可以是71.7%、71.9%、72%、73%、74%、75%、76%、76.5%、77%等。
上述高强度聚丙烯复合材料中的矿物补强剂和纤维补强剂在熔融挤出过程中，在增韧剂、偶联剂和分散剂等助剂的作用下对聚丙烯进行改性，使得高强度聚丙烯复合材料具有与ABS相近似的机械强度、收缩率和尺寸稳定性能以及具有优异的热稳定性能和高的光泽度。另外，可以通过调节矿物补强剂和纤维补强剂以及助剂的种类和含量，实现进一步提高矿物补强剂和纤维补强剂在本发明实施例中的作用，因此，
在优选实施例中，上述矿物补强剂选用硫酸钡母粒、碳酸钙母粒中的一种或两种复合物。
在另一优选实施例中，上述纤维补强剂选用玻璃纤维。
在进一步优选实施例中，上述矿物补强剂选用硫酸钡母粒、碳酸钙母粒中的一种或两种复合物；上述纤维补强剂选用玻璃纤维。
在具体实施例中，上述矿物补强剂的重量百分比可以是5%、6%、7%、8%、9%、10%、12%、13%、14%、15%等；和/或上述纤维补强剂的重量百分比可以是10%、11%、12%、13%、14%、15%等。
在优选实施例中，上述高强度聚丙烯复合材料中的增韧剂选用POE、EPDM、TPO中的任意一种。
在另一优选实施例中，上述高强度聚丙烯复合材料中的偶联剂可选用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的任意一种。其中，硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂均可以选用本领域常用的相应偶联剂。
在又一优选实施例中，分散剂为酰胺类润滑分散剂，其中，酰胺类润滑分散剂可以选用本领域常用的酰胺类润滑分散剂，具体的可以是酰胺类高性能润滑分散剂，如TAS-2A。当然，该分散剂还可以选用本领域其他类型的分散剂。
在进一步优选实施例中，增韧剂选用POE、EPDM、TPO中的任意一种；偶联剂可选用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种；分散剂为酰胺类润滑分散剂。
在具体实施例中，上述增韧剂的重量百分比可以是2%、2.1%、2.2%、2.3%、2.4%、2.5%、2.6%、2.7%、2.8%、2.9%、3%等；和/或偶联剂的重量百分比可以是0.2%、0.3%等；和/或分散剂的重量百分比可以是0.6%、0.7%、0.8%等。
上述抗氧剂的存在，赋予了高强度聚丙烯复合材料的抗氧化的性能，从而延长了高强度聚丙烯复合材料的使用寿命，为了使得上述实施例中的高强度聚丙烯复合材料的抗氧化性能更优异，在优选实施例中，该抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1：（1-2）的复合物。在具体实施例中，上述抗氧剂的重量百分比可以是0.2%、0.3%等。
由上所述，上述高强度聚丙烯复合材料在增韧剂、偶联剂和分散剂等助剂的作用下，通过矿物补强剂和纤维补强剂在熔融挤出过程中对聚丙烯进行改性，使得上述高强度聚丙烯复合材料具有与ABS相近似的机械强度、收缩率和尺寸稳定性能以及具有优异的热稳定性能和高的光泽度，具体相关性能如下文表1中相关机械性能，从而克服了现有聚丙烯替代ABS材料的强度低，尺寸稳定性差的技术问题，使得该高强度聚丙烯复合材料能够替代ABS材料。当将该高强度聚丙烯复合材料用于制备电器部件时能显著降低生产成本。
另外，在将上述高强度聚丙烯复合材料用于制备电器部件时，优选采用高光无痕注塑工艺(RHCM Rapid Heat Cycle Molding)进行处理：将模具型腔表面加热到塑料的热变形温度，然后注入塑料，注塑过程中，模具的温度保持不变，完毕后模具的温度逐渐下降至取出产品，下一注射处理启动，模具表面迅速加热。模具温度升高和降低都很快，应用这种高速高温成型技术，在塑料中加入玻纤，碳纤时，生产出来的外壳表面光滑平整，效果相当好，RHCM能解决普通成型难以解决的结合线、流痕等产品问题。
相应地，本发明实施例还提供了上述高强度聚丙烯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：按照上述高强度聚丙烯复合材料配方分别称取各组分；
S02.混料处理：将步骤S01中的各组分进行混料处理，得到混合物料；
S03.熔融挤出处理：将步骤S02的混合物料进行熔融挤出，造粒。
具体地，上述步骤S01中的高强度聚丙烯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。
上述步骤S02中，为了使得各组分混合均匀，在优选实施例中，把称取的各组分加入低速混合器中，充分混合3～5min。
上述步骤S03中的双螺杆熔融挤出工艺条件优选为：
熔融挤出是采用双螺杆熔融挤出，且熔融挤出工艺条件为：一区温度为200-205℃，二区温度为210-215℃，三区温度为215-220℃，四区温度为220-225℃，机头温度215-220℃，停留时间3-4min，压力为12-18MPa。该优选的熔融挤出工艺条件能使得制备的高强度聚丙烯复合材料的机械强度、尺寸稳定性等性能更加优异。当然，该高强度聚丙烯复合材料也可以采用其他设备或工艺条件进行熔融挤出，制备高强度聚丙烯复合材料。
上述高强度聚丙烯复合材料制备方法只需按配方将各组分进行混料处理后在进行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。
现以高强度聚丙烯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
高强度聚丙烯复合材料及其制备方法。其中，该高强度聚丙烯复合材料的配方见下文表1中实施例1。其中，聚丙烯的熔体流动速率为16g/10min，矿物补强剂为碳酸钙母粒，纤维补强剂为玻璃纤维，增韧剂为POE，偶联剂为钛酸酯偶联剂，分散剂为TAS-2A，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1：1的复合物。
该高强度聚丙烯复合材料的制备方法如下：
S11：按照表1中实施例1的比例称取各组分；
S12：将步骤S11称取的各组分在低速混合器中，充分混合4±1min，得到混合物料；
S13：将步骤S12中的混合物料进行加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒得到高强度聚丙烯复合材料。其中，螺杆各加温区温度设置分别为：一区温度：200℃；二区：215℃；三区:220℃；四区：225℃；机头：220℃；停留时间3～4min。压力为15MPa。
实施例2
高强度聚丙烯复合材料及其制备方法。其中，该高强度聚丙烯复合材料的配方见下文表1中实施例2。其中，聚丙烯的熔体流动速率为16g/10min，矿物补强剂为碳酸钙母粒，纤维补强剂为玻璃纤维，增韧剂为EPDM，偶联剂为钛酸酯偶联剂，分散剂为TAS-2A，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1：2的复合物。
该高强度聚丙烯复合材料的制备方法如下：
S21：按照表1中实施例2的比例称取各组分；
S22：参照上述实施例1中步骤S12，得到混合物料；
S23：将步骤S22中的混合物料进行加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒得到高强度聚丙烯复合材料。其中，螺杆各加温区温度设置分别为：一区温度：205℃；二区：215℃；三区:220℃；四区：225℃；机头：220℃；停留时间3～4min。压力为15MPa。
实施例3
高强度聚丙烯复合材料及其制备方法。其中，该高强度聚丙烯复合材料的配方见下文表1中实施例3。其中，聚丙烯的熔体流动速率为20g/10min，矿物补强剂为硫酸钡母粒，纤维补强剂为玻璃纤维，增韧剂为TPO，偶联剂为硅烷偶联剂，分散剂为TAS-2A，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1：2的复合物。
该高强度聚丙烯复合材料的制备方法如下：
S31：按照表1中实施例3的比例称取各组分；
S32：参照上述实施例1中步骤S12，得到混合物料；
S33：将步骤S32中的混合物料进行加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒得到高强度聚丙烯复合材料。其中，螺杆各加温区温度设置分别为：一区温度：205℃；二区：210℃；三区:215℃；四区：220℃；机头：215℃；停留时间3～4min。压力为15MPa。
实施例4
高强度聚丙烯复合材料及其制备方法。其中，该高强度聚丙烯复合材料的配方见下文表1中实施例4。其中，聚丙烯的熔体流动速率为20g/10min，矿物补强剂为硫酸钡母粒，纤维补强剂为玻璃纤维，增韧剂为TPO，偶联剂为的硅烷偶联剂，分散剂为TAS-2A，抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1：1的复合物。
该高强度聚丙烯复合材料的制备方法如下：
S41：按照表1中实施例4的比例称取各组分；
S42：参照上述实施例1中步骤S12，得到混合物料；
S43：将步骤S42中的混合物料进行加入到双螺杆挤出机的料斗中，经熔融共混，挤出造粒得到高强度聚丙烯复合材料。其中，螺杆各加温区温度设置分别为：一区温度：205℃；二区：210℃；三区:215℃；四区：220℃；机头：215℃；停留时间3～4min。压力为15MPa。
对比实例1
直接获取现有ABS材料。
性能测试：
将上述实施例1至实施例4制备的高强度聚丙烯复合材料以及对比实例1提供的ABS材料分别进行物理力学性能及耐热耐热性能测试。相关性能测试方法如下：
拉伸强度：按ASTM D-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；
悬臂梁缺口冲击强度：按ASTM D-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)；
其他测试：熔融指数按照ASTM D1238测试。
经测试，上述实施例1至实施例4和对比实例1材料物理力学、耐热耐热性能性能见表1：
表1
由表1可以看出，聚丙烯、补强剂A，补强剂B，增韧剂、偶联剂、分散剂和抗氧剂的含量在本发明实施例范围内变化时，得到的高强度聚丙烯复合材料可达到与ABS同样的强度，且耐热性比一般的ABS好。综合各项性能考虑当聚丙烯70.6%；补强剂A-矿物10%；补强剂B-纤维15%；增韧剂3%；偶联剂0.3%；分散剂0.8%；抗氧剂0.3%时，制得的高强度聚丙烯复合材料拉伸、弯曲、冲击及耐热性都达到甚至超过了一般ABS的性能。
另外，利用上述制备的高强度聚丙烯复合材料辅以高光无痕注塑工艺，可替代ABS广泛应用于小家电和其它电子电器部件。
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 (10)
1.一种高强度聚丙烯复合材料，包括如下重量百分比的配方组分：
2.根据权利要求1所述的高强度聚丙烯复合材料，其特征在于：所述矿物补强剂选用硫酸钡母粒、碳酸钙母粒中的一种或两种复合物。
3.根据权利要求1所述的高强度聚丙烯复合材料，其特征在于：所述纤维补强剂选用玻璃纤维。
4.根据权利要求1所述的高强度聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚丙烯为熔体流动速率大于或等于15g/10min的聚丙烯均聚物。
5.根据权利要求1～4任一项所述的高强度聚丙烯复合材料，其特征在于：所述增韧剂选用POE、EPDM、TPO中的一种。
6.根据权利要求1～4任一项所述的高强度聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的偶联剂可选用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种。
7.根据权利要求1～4任一项所述的高强度聚丙烯复合材料，其特征在于：所述分散剂为酰胺类润滑分散剂。
8.根据权利要求1～4任一项高强度聚丙烯复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯与亚磷酸三(2,4-二叔丁基苯基)酯按重量比1：（1-2）的复合物。
9.一种高强度聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
按照权利要求1～8任一项所述的高强度聚丙烯复合材料的配方分别称取各组分；
将各组分进行混料处理后熔融挤出，造粒。
10.根据权利要求9所述的一种高强度聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述熔融挤出是采用双螺杆熔融挤出，且熔融挤出工艺条件为：
一区温度为200-205℃，二区温度为210-215℃，三区温度为215-220℃，四区温度为220-225℃，机头温度215-220℃，停留时间3-4min，压力为12-18MPa。
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