CN103540074A - 用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒及其制备方法，将聚烯烃40-88％，功能性单体1-10％，加工助剂0.1-10％，抗氧剂0.1-5％按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，喂入双螺杆挤出机，引发剂0.1-5％采用侧喂料方式从第一侧喂料口喂入，润滑剂10-30％从第二喂料口喂入，挤出后再造粒。与现有技术相比，本发明制备的相容剂母粒，兼具高接枝率、高润滑性、降低加工温度的特点，高接枝率可改善木粉等植物纤维浸润效果，能显著改善其在树脂中的分散，从而提高木塑复合材料的综合力学性能；同时高润滑性可大幅度提高生产速度，提高生产的稳定性，改善产品表观性能；配合加工温度低的特点可降低木塑材料加工过程中的扭矩及塑化温度。

Description

用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子领域，涉及一种新型相容剂母粒，可用于高填充聚烯烃材料，特别是木塑复合材料。
背景技术
木塑复合材料(Wood-Plastics Composites)是指采用植物纤维和热塑性树脂，经混炼加工制成的新型绿色环保材料。木塑复合材料有利于保护森林资源和生态环境，充分利用废旧塑料，变废为宝，消除“白色污染”，经济效益和社会效益显著。
但木塑复合材料中的植物纤维具有强极性，而聚烯烃几乎没有极性。如果不经过处理，两相间粘结效果差，为了提高共混物中分散相和连续相的界面张力，许多人提出了利用物理或者化学的方法，对植物纤维的表面进行处理，改变纤维表面的状态，以达到改善表面相容性的目的。由于植物纤维材料的界面特性十分复杂，同时组成植物纤维材料的纤维素、半纤维素、木素等成分中含有大量的极性羟基和酚羟基等官能团，其表面的化学极性很强，因而通过加入含有反应性官能团的相容剂，可有效降低其表面能，提高流动性，改善材料的界面粘合性。
目前，木塑复合材料中所使用的相容剂主要是各类聚烯烃接枝马来酸酐的产品，比如PP-g-MAH，HDPE-g-MAH，LLDPE-g-MAH等。但是由于植物纤维中的半纤维素和木素有氧存在时200℃左右即发烟变色，所以木塑复合材料的加工温度相对较低，一般在140～180℃，其中所使用的聚合物材料因此必须有较低的熔点。
虽然PE类接枝马来酸酐的相容剂产品熔点较低，但是由于此类材料进行熔融接枝的过程中容易产生交联副反应，因而流动性一般都较差，接枝率也不高，对木粉等植物纤维浸润效果有限。虽然PP接枝马来酸酐的相容剂产品的流动性较高，一般可达到100g/10min，但是由于PP的熔点较高(一般在170℃左右)，因而在木塑复合材料中的加工性能不好。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼具高接枝率、高流动性、加工温度低的用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，包括以下重量百分比含量的组分：聚烯烃40-88％，功能性单体1-10％，引发剂0.1-10％，加工助剂0.1-5％，抗氧剂0.1-5％，润滑剂10-30％。
所述的相容剂优选以下重量百分比含量的组分：聚烯烃60-65％，功能性单体5-8％，引发剂5-8％，加工助剂2-3％，抗氧剂2-3％，润滑剂18-22％。
所述的聚烯烃为由40～90wt％的低结晶性的聚烯烃与10～60wt％的高结晶性的聚烯烃混合而成的复配体系，包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的两种或两种以上的混合物。
所述的低结晶性的聚烯烃是指结晶度为60～80％的聚烯烃，所述的高结晶性的聚烯烃是指结晶度为20～40％的聚烯烃。
所述的功能性单体可以是马来酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸中的一种或几种的混合物。
所述的引发剂一种复配体系，由两种在不同温度下具有近似引发效率的引发剂按质量比1∶4～4∶1组成，包括过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己炔或双叔丁过氧异丙基苯中两种的复配物。
所述的加工助剂为镧系稀土氧化物，可以是CeO2、Nd2O3中的一种；所述的润滑剂是脂肪酸皂盐类润滑剂、硅酮类润滑剂、低分子蜡中的一种或几种；所述的抗氧剂为一种受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的复配体系。
所述的脂肪酸皂盐类润滑剂包括硬脂酸钙、硬脂酸锌、乙撑双脂肪酸酰胺或改性乙撑双脂肪酸酰胺；所述的抗氧剂为质量比为1∶1的抗氧剂1010与抗氧剂168的混合物。
一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒的制备方法，其特征在于，将聚烯烃40-88％，功能性单体1-10％，加工助剂0.1-5％，抗氧剂0.1-5％按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，喂入双螺杆挤出机，引发剂0.1-10％采用侧喂料方式从第一侧喂料口喂入，润滑剂10-30％从第二喂料口喂入，挤出后再造粒。
所述的双螺杆挤出机的加工温度在80-210℃，螺杆转数在180-600转/分。
将上述方法制得的相容剂母粒用于木塑复合材料中，可降低木塑材料加工过程中的扭矩及塑化温度。具体应用方法为：在100-200℃下的双辊炼塑机使树脂熔融包辊，接着加入木粉(在电热鼓风干燥箱110℃下干燥2h)、润滑剂、抗氧剂及相容剂，混炼10-20min至均匀，然后拉片下辊。接着在(175±5)℃的平板硫化机(工作压力约10MPa)上热压5min。最后移至另一台平板硫化机室温保压500s，之后开模取出样品，制得木塑复合材料。
本发明制备的相容剂母粒，兼具高接枝率、高润滑性、降低加工温度的特点，高接枝率可改善木粉等植物纤维浸润效果，能显著改善其在树脂中的分散，从而提高木塑复合材料的综合力学性能；同时高润滑性可大幅度提高生产速度，提高生产的稳定性，改善产品表观性能；配合加工温度低的特点可降低木塑材料加工过程中的扭矩及塑化温度。
与现有技术相比，本发明采用上述配方及加工工艺制得一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，与现有相容剂产品相比，具有以下突出特点及显著优势：
1、本发明通过改变聚烯烃链段的规整性，有效降低了相容剂产品的起始熔融温度，从而可降低木塑复合材料的加工温度，改善加工性能，降低塑化温度，有效避免热氧变色等副反应。
2、本发明通过复配的引发体系，有效提高了相容剂产品的接枝率，降低了单体残留率，是一种低气味、绿色环保产品。而高接枝率可更有效地对植物纤维表面进行浸润，降低其表面能，提高流动性，改善材料的界面粘合性。与其他相容剂相比，在同等性能要求下，可降低其用量，从而降低配方成本，复合低碳环保的发展趋势。
3、本发明制备的新型相容剂，具有高润滑性，能有效提高植物纤维在热塑性树脂中的分散，对木塑复合材料的力学性能改善效果明显可大幅度提高生产速度，提高生产的稳定性，改善产品表观性能，可降低木塑材料加工过程中的扭矩，特别适用于高填充量的木塑复合材料。
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：
实施例1：
1000g聚丙烯采用国产的共聚丙烯，17g引发剂采用2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷，1.5g抗氧剂为CIBA公司的168和1010(1∶1)，20g功能单体采用马来酸酐。将上述组分按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，然后用螺杆挤出机挤出造粒，各区加工温度设定在80-210℃，螺杆转数在450转/分。
实施例2：
1000g聚乙烯采用韩国进口的高密度聚乙烯，17g引发剂采用2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷，20g功能单体采用马来酸酐，1.5g抗氧剂为CIBA公司的168和1010(1∶1)，4g抗交联剂采用硬脂酸酰胺。将上述组分按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，然后用螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在80-200℃，螺杆转数在450转/分。
实施例3：
700g聚丙烯采用国产的无规共聚聚丙烯和常规共聚聚丙烯(70∶30)，15g功能单体采用马来酸酐，1.5g抗氧剂为CIBA公司的168和1010(1∶1)；13g引发剂采用2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷和双叔丁过氧异丙基苯得复配物(2∶3)；300g润滑剂(硬脂酸钙∶硅酮∶低分子PE蜡＝1∶2.5∶0.5)，1g加工助剂CeO2。将上述组分分别按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，然后分别从主喂料口和第一、第二侧喂料口加入挤出机，经螺杆挤出机挤出造粒，加工温度在80-200℃，螺杆转数在450转/分。
实施例4：
将250g聚丙烯采用国产的共聚聚丙烯和250g韩国进口高密度聚乙烯，500g木粉(60目的枫树木粉)，30g改性乙撑双脂肪酸酰胺，3g抗氧剂为CIBA公司的168和1010(1∶1)，80g相容剂采用实施例1-3制得的样品1-3。将上述组分按比例在170℃下的双辊炼塑机使树脂熔融包辊，接着加入木粉(在电热鼓风干燥箱110℃下干燥2h)、润滑剂、抗氧剂及相容剂，混炼15min左右至均匀，然后拉片下辊。接着在(175±5)℃的平板硫化机(工作压力约10MPa)上热压5min。最后移至另一台平板硫化机室温保压500s，之后开模取出样品，制备样品4-6#。
实施例5：
将250g聚丙烯采用国产的共聚聚丙烯和250g韩国进口高密度聚乙烯，500g木粉(60目的枫树木粉)，30g改性乙撑双脂肪酸酰胺，3g抗氧剂为CIBA公司的168和1010(1∶1)，60g相容剂采用实施例3制得的样品3。将上述组分按比例在160℃下的双辊炼塑机使树脂熔融包辊，接着加入木粉(在电热鼓风干燥箱110下干燥2h)、润滑剂、抗氧剂及相容剂，混炼15min左右至均匀，然后拉片下辊。接着在(175±5)℃的平板硫化机(工作压力约10MPa)上热压5min。最后移至另一台平板硫化机室温保压500s，之后开模取出样品，制备样品7#。
根据实施例1-3制得的样品1-3#，与市售科聚亚的polybond3000进行以下对比：
表1.样品
1-3#基本物性对比对比
  项目   接枝率(％)  熔融指数(g/10min)   熔点(℃)
  样品1   1.0   95   171.0
  样品2   0.8   6   136.7
  样品3   1.4   400   147.0
注：接枝率采用化学酸碱滴定法测定，熔指测定标准：190℃×2.16Kg，熔点采用DSC测定。
将根据实施例4、实施例5分别制得的样品4-7#按照ASTM标准进行力学性能测试，测试结果如下：
表2.样品4-7#的力学性能对比
  项目   样品4   样品5   样品6   样品7
 拉伸强度(MPa)   26.7   23.4   28.5   28.5
 弯曲强度(MPa)   39.0   30.7   48.2   47.8
 弯曲模量(MPa)   4743   4155   4974   4928
实施例6
一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，包括以下重量百分比含量的组分：聚烯烃400g(其中：40wt％结晶度为60～80％的均聚聚丙烯，60wt％晶度为20～40％的均聚聚丙烯)，功能性单体马来酸酐100g，引发剂(质量比为1∶4的氧化二异丙苯与过氧化二苯甲酰的混合物)100g，加工助剂Nd2O350g，抗氧剂50g(质量比为1∶1的抗氧剂1010与抗氧剂168)，硬脂酸锌润滑剂30g。
上述母粒的制备方法为：将聚烯烃，功能性单体，加工助剂，抗氧剂按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，喂入双螺杆挤出机，引发剂采用侧喂料方式从第一侧喂料口喂入，润滑剂从第二喂料口喂入，挤出后再造粒。所述的双螺杆挤出机的加工温度在80-210℃，螺杆转数在180-600转/分。
将上述方法制得的相容剂母粒用于木塑复合材料中，可降低木塑材料加工过程中的扭矩及塑化温度。具体应用方法为：在100-200℃下的双辊炼塑机使树脂熔融包辊，接着加入木粉(在电热鼓风干燥箱110℃下干燥2h)、润滑剂、抗氧剂及相容剂，混炼10-20min至均匀，然后拉片下辊。接着在(175±5)℃的平板硫化机(工作压力约10MPa)上热压5min。最后移至另一台平板硫化机室温保压500s，之后开模取出样品，制得木塑复合材料。
实施例7
一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，包括以下重量百分比含量的组分：聚烯烃880g(80wt％结晶度为60～80％的均聚聚丙烯，20wt％晶度为20～40％的均聚聚丙烯)，功能性单体甲基丙烯酸缩水甘油酯10g，引发剂(质量比为4∶1的过氧化二苯甲酰和2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷的混合物)10g，加工助剂CeO28g，抗氧剂1g(质量比为1∶1的抗氧剂1010与抗氧剂168)，乙撑双脂肪酸酰胺100g。
上述母粒的制备方法为：将聚烯烃，功能性单体，加工助剂，抗氧剂按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，喂入双螺杆挤出机，引发剂采用侧喂料方式从第一侧喂料口喂入，润滑剂从第二喂料口喂入，挤出后再造粒。所述的双螺杆挤出机的加工温度在80-210℃，螺杆转数在180-600转/分。
将上述方法制得的相容剂母粒用于木塑复合材料中，可降低木塑材料加工过程中的扭矩及塑化温度。具体应用方法为：在100-200℃下的双辊炼塑机使树脂熔融包辊，接着加入木粉(在电热鼓风干燥箱110℃下干燥2h)、润滑剂、抗氧剂及相容剂，混炼10-20min至均匀，然后拉片下辊。接着在(175±5)℃的平板硫化机(工作压力约10MPa)上热压5min。最后移至另一台平板硫化机室温保压500s，之后开模取出样品，制得木塑复合材料。
实施例8
一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，包括以下重量百分比含量的组分：聚烯烃600g(80wt％结晶度为60～80％的均聚聚丙烯，20wt％晶度为20～40％的均聚聚丙烯)，功能性单体甲基丙烯酸缩水甘油酯80g，引发剂(质量比为1∶1的2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己炔和双叔丁过氧异丙基苯的混合物))40g，加工助剂CeO230g，抗氧剂30g(质量比为1∶1的抗氧剂1010与抗氧剂168)，硅酮类润滑剂220g。
上述母粒的制备方法为：将聚烯烃，功能性单体，加工助剂，抗氧剂按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，喂入双螺杆挤出机，引发剂采用侧喂料方式从第一侧喂料口喂入，润滑剂从第二喂料口喂入，挤出后再造粒。所述的双螺杆挤出机的加工温度在80-210℃，螺杆转数在180-600转/分。
将上述方法制得的相容剂母粒用于木塑复合材料中，可降低木塑材料加工过程中的扭矩及塑化温度。具体应用方法为：在100-200℃下的双辊炼塑机使树脂熔融包辊，接着加入木粉(在电热鼓风干燥箱110℃下干燥2h)、润滑剂、抗氧剂及相容剂，混炼10-20min至均匀，然后拉片下辊。接着在(175±5)℃的平板硫化机(工作压力约10MPa)上热压5min。最后移至另一台平板硫化机室温保压500s，之后开模取出样品，制得木塑复合材料。
实施例9
一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，包括以下重量百分比含量的组分：聚烯烃650g(80wt％结晶度为60～80％的高密度聚乙烯，20wt％晶度为20～40％的低密度聚乙烯)，功能性单体丙烯酸50g，引发剂(质量比为1∶1的2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己炔和双叔丁过氧异丙基苯的混合物))80g，加工助剂CeO220g，抗氧剂20g(质量比为1∶1的抗氧剂1010与抗氧剂168)，低分子蜡180g。
上述母粒的制备方法为：将聚烯烃，功能性单体，加工助剂，抗氧剂按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，喂入双螺杆挤出机，引发剂采用侧喂料方式从第一侧喂料口喂入，润滑剂从第二喂料口喂入，挤出后再造粒。所述的双螺杆挤出机的加工温度在80-210℃，螺杆转数在180-600转/分。
将上述方法制得的相容剂母粒用于木塑复合材料中，可降低木塑材料加工过程中的扭矩及塑化温度。具体应用方法为：在100-200℃下的双辊炼塑机使树脂熔融包辊，接着加入木粉(在电热鼓风干燥箱110℃下干燥2h)、润滑剂、抗氧剂及相容剂，混炼10-20min至均匀，然后拉片下辊。接着在(175±5)℃的平板硫化机(工作压力约10MPa)上热压5min。最后移至另一台平板硫化机室温保压500s，之后开模取出样品，制得木塑复合材料。

Claims (10)

1.一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，包括以下重量百分比含量的组分：聚烯烃40-88％，功能性单体1-10％，引发剂0.1-5％，加工助剂0.1-10％，抗氧剂0.1-5％，润滑剂10-30％。
2.根据权利要求1所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的相容剂优选以下重量百分比含量的组分：聚烯烃60-65％，功能性单体5-8％，引发剂5-8％，加工助剂2-3％，抗氧剂2-3％，润滑剂18-22％。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的聚烯烃为由40～90wt％的低结晶性的聚烯烃与10～60wt％的高结晶性的聚烯烃混合而成的复配体系，包括均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的两种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的低结晶性的聚烯烃是指结晶度为60～80％的聚烯烃，所述的高结晶性的聚烯烃是指结晶度为20～40％的聚烯烃。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的功能性单体可以是马来酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的引发剂一种复配体系，由两种在不同温度下具有近似引发效率的引发剂按质量比1∶4～4∶1组成，包括过氧化二异丙苯、过氧化二苯甲酰、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己烷、2，5-二甲基-2，5-双(叔丁过氧基)己炔或双叔丁过氧异丙基苯中两种的复配物。
7.根据权利要求1或2所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的加工助剂为镧系稀土氧化物，包括CeO2、Nd2O3中的一种。；所述的润滑剂是脂肪酸皂盐类润滑剂、硅酮类润滑剂、低分子蜡中的一种或几种；所述的抗氧剂为一种受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的复配体系。
8.根据权利要求7所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的脂肪酸皂盐类润滑剂包括硬脂酸钙、硬脂酸锌、乙撑双脂肪酸酰胺或改性乙撑双脂肪酸酰胺；所述的抗氧剂为质量比为1∶1的抗氧剂1010与抗氧剂168的混合物。
9.一种如权利要求1所述的用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒的制备方法，其特征在于，将聚烯烃40-88％，功能性单体1-10％，加工助剂0.1-10％，抗氧剂0.1-5％按比例放入高混机中混合3-5分钟，出料，喂入双螺杆挤出机，引发剂0.1-5％采用侧喂料方式从第一侧喂料口喂入，润滑剂10-30％从第二喂料口喂入，挤出后再造粒。
10.根据权利要求9所述的一种用于高填充聚烯烃材料的新型相容剂母粒，其特征在于，所述的双螺杆挤出机的加工温度在80-210℃，螺杆转数在180-600转/分。
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