CN103601975A - 聚丙烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。该聚丙烯复合材料，按重量百分比包括以下配方组分：聚丙烯58.48～91.4%，偶联剂0.1～0.3%，苯乙烯类热塑性弹性体3～15%，有机过氧化物0.1～0.3%，增强剂5～25%，润滑剂0.2～0.6%，抗氧剂0.2～0.32%。上述聚丙烯复合材料，通过同时添加苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物改善了材料的韧性和流动性。此外，添加适量的增强剂还可以提高强度等机械力学性能。本发明提供的聚丙烯复合材料兼具高强度、高韧性和高流动性。其制备方法简单，条件易控，生产成本低，对设备要求低，适于工业化生产。

Description

聚丙烯复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚丙烯（PP）是通用塑料中使用最广泛的一种，对其进行改性的方法多样，包括矿物增强改性、玻纤增强改性、阻燃改性、高光聚丙烯等等，得到的产品较全面。目前，市政排水用的检查井就是以聚丙烯为主体材料。检查井是用在建筑小区（居住区、公共建筑区、厂区等）范围内埋地塑料排水管道外径不大于800mm、埋设深度不大于6m，一般设在排水管道交汇处、转弯处、管径或坡度改变处、跌水处等，为了便于定期检查、清洁和疏通或下井操作的检查用的塑料一体注塑而成或者砖砌成的井状构筑物。其中，塑料一体注塑检查井是指构成检查井的主要井座部分采用一次性注塑成型，根据接管数和角度不同有起始井座、直通井座、45度弯头井座、三通井座、四通井座等，为了适应各种排水状况，塑料检查井同时配套有变径接头、汇流接头、井筒多接头等与之配套的塑料一体注塑成型配件，以保障整个排水系统的流畅和密封性。
因此，上述应用要求聚丙烯材料具有高强度、高韧性和高流动性。同时，市政排水用塑料检查井的行业标准如CJ/T326-2010，其中要求井体材料以树脂为主，允许掺入为提高井体材料使用性能和加工性能的增强材料和添加剂，但树脂含量（质量分数）应在80%以上，增强材料和添加剂应均匀分散。目前，在提高聚丙烯材料的韧性方面，主要从POE、EPDM、PE等与PP相容性较好的常规选材着手考虑，但是增韧效果有限，反而降低了PP复合材料的力学强度，即刚性；在提高流动性方面，主要从筛选高流动PP为主要方向，但是可选材料有限，并且成本较高。现有的聚丙烯复合材料很难同时满足高强度、高韧性和高流动性这三方面的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，通过同时添加苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物，提供一种兼具高强度、高韧性和高流动性的聚丙烯复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种工艺简单，条件易控，生产成本低的聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明的又一目的在于提供上述聚丙烯复合材料的应用。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种聚丙烯复合材料，按重量百分比包括以下配方组分：
Figure BDA0000418303130000021
以及，一种聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
按照上述的聚丙烯复合材料的配方组分分别称取各组分，将所述各组分混合得到混合物；
将所述混合物熔融挤出、造粒。
以及，上述聚丙烯复合材料在排水用塑料检查井、排水管道、排水管道接头中的应用。
上述聚丙烯复合材料通过同时添加苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物改善了材料的韧性和流动性。其中，苯乙烯类热塑性弹性体作为增韧剂可以提高材料的韧性，有机过氧化物作为流动性改善助剂可以提高聚丙烯复合物的流动性，并且两者起到协效作用共同作用于聚丙烯复合物，具体地，单独使用苯乙烯热塑性弹性体增韧时，将导致pp材料的流动性降低，而添加有机过氧化物可以改善这一点。有机过氧化物通过降低PP材料的分子量从而明显提高流动性，而对苯乙烯类热塑性弹性体无明显不良影响，因此苯乙烯类热塑性弹性体仍然可以发挥增韧作用，通过局部包覆PP材料，提高材料的韧性。因此，通过同时添加苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物，最终使聚丙烯复合材料的韧性与流动性达到平衡。此外，添加适量的增强剂还可以提高强度等机械力学性能。因此，本发明提供的聚丙烯复合材料兼具高强度、高韧性和高流动性。
上述聚丙烯复合材料制备方法只需按配方将各组分混合，经熔融挤出、造粒后即可得到产品，其制备方法简单，条件易控，生产成本低，对设备要求低，适于工业化生产。
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，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兼具高强度、高韧性和高流动性的聚丙烯复合材料。该聚丙烯复合材料，按重量百分比包括以下配方组分：
Figure BDA0000418303130000031
具体地，上述聚丙烯的悬臂梁缺口冲击强度优选为550-600J/M（依照ASTMD256标准，样条厚度3.2mm），熔融指数优选为3-5g/10min（依照ASTM D-1238标准，采取230℃/2.16KG条件）。在具体实施例中，上述聚丙烯可以是中石化的EPS30R、台化的K8802中的至少一种。当然并不限于上述厂家和牌号的产品。
上述偶联剂优选为硅烷类偶联剂。在进一步优选实施例中，上述硅烷类偶联剂可以是Y-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、Y-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷（KH-560）中的至少一种。上述硅烷偶联剂可以明显提高各组分界面结合力，进而提高力学性能。
苯乙烯类热塑性弹性体，在室温下是以在单一高聚物的链内或由组成材料而形成的相互贯穿的基体内存在软硬链段(或相)为特征的。例如，在苯乙烯/丁二烯/苯乙烯热塑性弹性体链中，软相就是橡胶态的丁二烯中心链段，硬相是结晶态的苯乙烯两端链段。在具体实施例中，上述苯乙烯类热塑性弹性体可以是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）中的至少一种。该苯乙烯类热塑性弹性体作为增韧剂可以提高聚丙烯复合材料的抗冲击性能。
上述有机过氧化物是指过氧化氢中的氢原子被烷基、酰基、芳香基等有机基团置换而形成的过氧化物。在具体实施例中，上述有机过氧化物可以是过氧化二异丙苯。过氧化二异丙苯的相对分子量优选为260-280，进一步优选为270。过氧化二异丙苯的相对密度优选为1.08-1.085，进一步优选为1.082。过氧化二异丙苯的活性氧含量优选为5.92%(纯度100%)。添加一定量的有机过氧化物可以适当地降低聚丙烯的分子量，从而提高聚丙烯复合物的流动性。
并且，上述苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物两者可起到协效作用共同作用于聚丙烯复合物，具体地，单独使用苯乙烯热塑性弹性体增韧时，将导致pp材料的流动性降低，而添加有机过氧化物可以改善这一点。有机过氧化物通过降低PP材料的分子量从而明显提高流动性，而对苯乙烯类热塑性弹性体无明显不良影响，因此苯乙烯类热塑性弹性体仍然可以发挥增韧作用，通过局部包覆PP材料，提高材料的韧性。因此，通过同时添加苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物，最终使聚丙烯复合材料的韧性与流动性达到平衡。
上述增强剂优选滑石粉。在优选实施例中，上述滑石粉的目数为2000-3000。在另一优选实施例中，上述滑石粉为经硅烷偶联剂活性处理的滑石粉。在进一步优选实施例中，上述滑石粉为目数为2000-3000经硅烷偶联剂活性处理的滑石粉。上述增强剂可以改善PP的加工流动性和强度等机械力学性能。
发明人经实验研究发现，当只添加苯乙烯类热塑性弹性体作为增韧剂时可以明显提高PP的韧性和耐寒性，然而流动性明显降低；当只添加上述增强剂时，PP的加工流动性与机械力学性能如强度明显提高，但脆性明显（即材料在外力作用下如拉伸、冲击等仅产生很小的变形即断裂破坏的性质），韧性降低；当只使用有机过氧化物时，PP的流动性明显提高，但脆性亦明显，韧性降低。只有将以上三种组分同时使用时，才可以实现聚丙烯复合材料性能的优化，使之兼具高强度、高韧性和高流动性，满足市政排水用塑料检查井的使用要求。进一步地，当增强剂采用硅烷活化处理的2000-3000目的滑石粉时，三种组分共同作用的效果更加明显，可以进一步提高复合材料的综合性能。
上述润滑剂优选聚乙烯蜡、酰胺蜡类改性物、硬脂酸钙中的至少一种。上述酰胺蜡类改性物可以为改性乙撑双脂肪酸酰胺（TAF）、乙撑双硬脂酸酰胺（EBS）。上述酰胺蜡类改性物的熔点优选为141.5℃-144.5℃。
上述抗氧剂优选受阻酚类抗氧剂。在具体实施例中，上述受阻酚类抗氧剂可以为汽巴IRGANOX1098，汽巴IRGANOX1010。上述抗氧剂的熔点优选为115℃-150℃。
本发明实施例提供的上述聚丙烯复合材料，通过同时添加苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物改善了材料的韧性和流动性。其中，苯乙烯类热塑性弹性体作为增韧剂可以提高材料的韧性，有机过氧化物作为流动性改善助剂可以提高聚丙烯复合物的流动性，并且两者起到协效作用共同作用于聚丙烯复合物，通过同时添加苯乙烯类热塑性弹性体和有机过氧化物，避免了单独使用苯乙烯热塑性弹性体时导致流动性降低的缺陷，同时使材料的韧性大幅度提高，最终使聚丙烯复合材料的韧性与流动性达到平衡。另外，添加适量的增强剂还可以提高强度等机械力学性能。苯乙烯类热塑性弹性体、有机过氧化物和增强剂三种组分同时使用实现了聚丙烯复合材料性能的优化，使之兼具高强度、高韧性和高流动性。此外，通过对偶联剂、润滑剂、抗氧剂等助剂种类和含量的合理选择，改善了聚丙烯复合材料体系中各组分的相容性和材料的加工性能。
相应地，本发明实施例还提供一种聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S01.称取各组分、混合：按照上述聚丙烯复合材料的配方组分分别称取各组分，将所述各组分混合得到混合物；
S02.挤出成型：将步骤S01中得到的混合物熔融挤出、造粒。
具体地，在步骤S01中，聚丙烯复合材料的配方各组分及含量和上文具体实施方式中相同，为了节约篇幅，在此不再赘述。
在步骤S02中，熔融挤出设备可采用双螺杆挤出机。在优选实施例中，双螺杆挤出机的各区温度设置为140～180℃。其他工艺参数可以参照常规的聚丙烯制备方法。
本发明实施例提供的上述聚丙烯复合材料的制备方法可以用来制备上述实施例提供的聚丙烯复合材料，该制备方法只需按配方将各组分混合，经熔融挤出、造粒后即可得到产品，其制备方法简单，条件易控，生产成本低，对设备要求低，适于工业化生产。
由于本发明提供的聚丙烯复合材料的流动性高，有利于一次性注塑成型，而且强度高、韧性好，因此本发明实施例还提供上述聚丙烯复合材料在排水用塑料检查井、排水管道、排水管道接头中的应用。
以下结合实施例对本发明进行进一步详细的说明。
其中，下述各实施例中，PP树脂为嵌段共聚PP，选择中石化EPS30R或台化K8802；硅烷偶联剂选择杭州联派化工有限公司KH-550或KH-560；增韧剂选择岳阳化工SBS YH-792或SEBS YH-503；润滑剂选择邵阳天堂公司酰胺蜡EBS120；增强剂选择富华宇矿业有限公司的TB-7100或TB-510；有机过氧化物为过氧化二异丙苯；润滑剂选择广州市欧颖化工TAF或EBS；抗氧剂选择汽巴IRGANOX1098或汽巴IRGANOX1010。应该理解，上述各组分的选择并不限于上述厂家和牌号，其他厂家和牌号提供的具有相同性质的产品也可以选用。以下各实施例中各组分的含量均按重量百分比（wt%）。
实施例1
将PP树脂（91.4wt%）、偶联剂（0.1wt%）、增韧剂（3wt%）、有机过氧化物（0.1wt%）、增强剂（5wt%）、润滑剂（0.2wt%）和抗氧剂（0.2wt%）预先混合，然后将混合后的原料置于双螺杆挤出机中经熔融挤出、造粒，其挤出工艺为：一区温度140℃、二区温度170℃、三区温度170℃、四区温度160℃，机头温度180℃。
实施例2
将PP树脂(83.16wt%）、偶联剂（0.15wt%）、增韧剂（6wt%）、有机过氧化物（0.15wt%）、增强剂（10wt%）、润滑剂（0.3wt%）和抗氧剂（0.24wt%）预先混合，然后将混合后的原料置于双螺杆挤出机中经熔融挤出、造粒，其挤出工艺为：一区温度145℃、二区温度175℃、三区温度165℃、四区温度150℃，机头温度175℃。
实施例3
将PP树脂（74.94wt%）、偶联剂（0.2wt%）、增韧剂（9wt%）、有机过氧化物（0.2wt%）、增强剂（15wt%）、润滑剂（0.4wt%）和抗氧剂（0.26wt%）预先混合，然后将混合后的原料置于双螺杆挤出机中经熔融挤出、造粒，其挤出工艺为：一区温度150℃、二区温度180℃、三区温度165℃、四区温度150℃，机头温度180℃。
实施例4
将PP树脂（66.7wt%）、偶联剂（0.25wt%）、增韧剂（12wt%）、有机过氧化物（0.25wt%）、增强剂（20wt%）、润滑剂（0.5wt%）和抗氧剂（0.3wt%）预先混合，然后将混合后的原料置于双螺杆挤出机中经熔融挤出、造粒，其挤出工艺为：一区温度145℃、二区温度180℃、三区温度165℃、四区温度160℃，机头温度180℃。
实施例5
将PP树脂（58.48wt%）、偶联剂（0.3wt%）、增韧剂（15wt%）、有机过氧化物（0.3wt%）、增强剂（25wt%）、润滑剂（0.6wt%）和抗氧剂（0.32wt%）预先混合，然后将混合后的原料置于双螺杆挤出机中经熔融挤出、造粒，其挤出工艺为：一区温度150℃、二区温度170℃、三区温度170℃、四区温度155℃，机头温度180℃。
性能测试：
将实施例1～5提供的聚丙烯复合材料按以下测试方法进行性能测试：
（1）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）（长度）×（12.6±0.2）（端部宽度）×(3.05±0.2)（厚度），拉伸速度为50mm/min。
（2）弯曲强度和弯曲模量按ASTM D-790标准进行检验。试样尺寸（mm）：（128±2）×（12.67±0.2）×(3.11±0.2)，弯曲速度为20mm/min。
（3）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)；缺口类型为A类，缺口剩余厚度为1.9mm。
（4）熔融指数按照ASTM D-1238，对于PP材料采用230℃/2.16KG测试条件。
（5）冲击试验按照中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T326-2010，测试条件：20℃±2℃，1KG重量，d90型落锤，2.5m高。
上述测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0000418303130000091
由表1可以看出，实施例1-5提供的聚丙烯复合材料兼具较高的强度、韧性和流动性。尤其是实施例3中当PP树脂含量为74.94wt%，增韧剂含量为9wt%，增强剂含量为15wt%时，复合材料的冲击强度值最大为750J/M，且刚性平衡，并且由于添加了0.2wt%的有机过氧化物，其熔融指数为6.3g/10min，流动性适中，经上述各组份的合理优化，使实施例3提供的复合材料综合性能最佳。此外，由冲击试验的破损结果还可以看出当冲击强度大于690J/M时可以满足行业标准CJ/T326-2010。
发明人经实验研究还发现，要达到本发明实施例3中复合材料的最佳性能时，高流动性PP树脂（熔融指数>80g/10min，依照ASTM D-1238标准，采取230℃/2.16KG条件）的添加量需为20wt%以上，且增韧剂的添加量需为20wt%以上；而使用本发明实施例3提供的配方，当添加0.2wt%的过氧化物，复合材料的流动性已满足要求，无需考虑高流动PP树脂的使用，且增韧剂含量在9wt%即可实现性能最优，整个复合材料体系的成本较低，适合工业化应用。
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)

1.一种聚丙烯复合材料，按重量百分比包括以下配方组分：
Figure FDA0000418303120000011
2.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述有机过氧化物为过氧化二异丙苯。
3.如权利要求1或2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述苯乙烯类热塑性弹性体为苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物中的至少一种。
4.如权利要求1或2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述增强剂为经硅烷偶联剂活性处理的滑石粉。
5.如权利要求1或2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷类偶联剂。
6.如权利要求5所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述硅烷类偶联剂为Y-氨丙基三乙氧基硅烷、Y-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的至少一种。
7.如权利要求1或2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯的悬臂梁缺口冲击强度为550～600J/M，熔融指数为3～5g/10min；和/或所述润滑剂为聚乙烯蜡、酰胺蜡类改性物、硬脂酸钙中的至少一种；和/或所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂。
8.一种聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
按照权利要求1～7任一项所述的聚丙烯复合材料的配方组分分别称取各组分，将所述各组分混合得到混合物；
将所述混合物熔融挤出、造粒。
9.如权利要求8所述的一种聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，在所述熔融挤出的步骤中，采用双螺杆挤出机挤出成型，所述双螺杆挤出机的各区温度设置为140～180℃。
10.如权利要求1～7任一项所述的聚丙烯复合材料在排水用塑料检查井、排水管道、排水管道接头中的应用。
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