CN103707583B - 一种本体增强聚丙烯复合板材及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种本体增强聚丙烯复合板材及其生产方法。该方法包括：将若干层单向的本体增强聚丙烯带按照0/90度依次叠加热压而得；其中单向的本体增强聚丙烯带是由高强度的聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝、三层聚丙烯功能膜成组，聚丙烯纤维或扁丝经过分散、整理，平铺在三层聚丙烯功能膜表面，在适宜的温度下经热压复合而成。与现有技术相比，本发明克服了本体增强聚丙烯对温度控制的苛刻要求以及设备投资大的问题，生产出来的本体增强聚丙烯复合材料不仅具有极高的强度、模量和冲击性能，而且重量轻、可回收利用，适合于大规模的工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种本体增强聚丙烯复合板材及其生产方法，属于热塑性复合材料领域。
背景技术
本体增强聚丙烯复合材料是一种由高定向性的聚丙烯纤维或扁丝和各向同性的聚丙烯基材组成的100%聚丙烯片材。国内外有关专家在对本体增强聚丙烯复合材料的性能进行研究后指出，本体增强聚丙烯复合材料片材的刚性和强度与GMT材料很接近（弹性模量均在5GPa左右），但较GMT材料轻20%～30%。此外，与随意纤维方向排布的GMT片材和NMT（天然纤维增强聚丙烯）片材不同的是，本体增强聚丙烯复合材料片材生产中使用的编织纤维结构使整个零件具有均匀一致的机械性能，可将加工零件的厚度进一步减薄20%～30%，这样就可以使成品的总重量减轻50%左右。
本体增强聚丙烯复合板材的抗冲击性能呈现出最大优势，由于其全聚丙烯结构的原因，材料具有高水平的破坏应力，其悬臂梁冲击试验的数据比GMT材料高出6倍以上，特别是在低温下的抗冲击性能更突出，-40℃下的低温冲击性能不仅没有降低，甚至比常温下还高出近2倍，此外，常温下的拉伸强度比GMT材料也高出近2倍。
作为单一组份的聚合物材料，本体增强聚丙烯复合材料比GMT和NMT更具有环境友好性。本体增强聚丙烯复合材料制品不仅便于回收再利用，而且由于聚丙烯材料具有良好的耐老化性能，在回收利用时可使制品保持较好的机械性能。
当前公布的生产方法主要有以下两种方式：
用聚丙烯高强丝或扁丝编织成布，将聚丙烯布在高精度的温度和压力的控制下，使聚丙烯高强丝或扁丝部分熔化粘结，未熔化的部分充当增强材料，这种方法对设备的要求较高，而且生产时需要较大的压力，主要依靠高压的方式，强制性的将聚丙烯压合在一起，因为有部分纤维熔化，不能将聚丙烯高强丝或扁丝的增强效果发挥至最大，因此在应用上存在一些不可控因素。
利用“皮－芯”结构的高强聚丙烯纤维丝或扁丝编织成布，其中外层是熔点相对较低的聚丙烯，内层是熔点相对较高的聚丙烯，将上述织成的布，在一定的温度和压力下压合成为复合材料。这种方式虽然解决了方法（1）中的问题，但是这种“皮－芯”结构的高强聚丙烯纤维丝或扁丝生产难度比较大，因为在纤维在牵伸时需加热，很容易发生粘轨或断丝现象，另外，这种结构的产品属特殊结构，市场上没有成熟的产品，需要进行较大的投资，一般企业无法进行操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种本体增强聚丙烯复合板材及其生产方法。
本发明提供了一种单向的本体增强的聚丙烯带，由聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝与三层共挤的聚丙烯膜热压复合再成型而得。
上述聚丙烯带中，所述聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝的拉伸强度均为4N/tex-8N/tex，具体为5N/tex、7N/tex、8N/tex、5-8N/tex、7-8N/tex或5-7N/tex；
所述聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝是按照如下方法a或b制备而得：
所述方法a包括：
将聚丙烯成型为纤维状，得到所述聚丙烯纤维；或者，
将聚丙烯成型为扁丝状，得到所述聚丙烯扁丝；
所述方法b包括如下步骤：在所述a成型步骤之前，向体系中加入助剂和填料中的至少一种；
且所述聚丙烯、助剂和填料的质量比为100：0～10：0～40；所述助剂和填料的质量均不为0；
其中，所述助剂选自抗氧剂、抗紫外剂、抗老化、成核剂和阻燃剂中的至少一种；
所述填料选自硬酯酸酯、硬酯酸盐、马来酸酐接枝聚丙烯、丙烯酸接枝聚丙烯、碳酸钙、滑石粉、蒙脱土、氢氧化镁和氢氧化铝中的至少一种；
所述聚丙烯选自均聚聚丙烯、二元共聚聚丙烯、三元共聚聚丙烯、高熔体强度聚丙烯和改性聚丙烯中的至少一种。
上述聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝可直接购自常州市科泰塑业有限公司；
所述三层共挤的聚丙烯膜由下至上依次由三层材料组成；
其中，构成第一层和第三层的材料均为熔点为60～140℃的聚丙烯粘合剂，具体可为熔点78℃的聚丙烯低温粘合剂TP-80，可购自威海万合塑胶有限公司；第一层和第三层的厚度具体可为5μm；
构成第二层的材料为熔点为136-170℃、熔融指数为0.5～30g/10min的聚丙烯材料；且构成所述第二层的材料的熔点与构成第一层和第三层的材料的熔点均相差20℃以上；所述熔点具体可为152-168℃；熔融指数具体可为2-20g/10min；
构成第二层的材料具体选自均聚聚丙烯、二元共聚聚丙烯、三元共聚聚丙烯、高熔体强度聚丙烯和改性聚丙烯中的至少一种；
具体可为熔点168℃、熔融指数是8g/10min(230℃，2.16Kg)的改性低收缩均聚丙烯T-170、熔点159℃、熔融指数是2g/10min(230℃，2.16Kg)的改性低收缩均聚丙烯T-160或熔点152℃、熔融指数是20g/10min(230℃，2.16Kg)的改性低收缩均聚丙烯T-150；上述材料均可购自威海万合塑胶有限公司；
第二层的厚度具体可为15μm；
上述三层共挤的聚丙烯膜的制备方法为常规方法，如可采用三层共挤流涎膜生产线，分别在三只挤出机中分别三层材料，然后在挤出机中挤出得到第一层后依次在第一层上挤出得到第二层和第三层，从而得到三层共挤的聚丙烯膜。
所述热压复合步骤中，温度为120～150℃，具体可为135～145℃、130～140℃或120～130℃；
时间为3-15s，具体为10s；
压强为2-10MPa，具体为2、4、8、2-8、4-8或2-4MPa。
本发明提供的制备上述单向的本体增强的聚丙烯带的方法，包括如下步骤：将所述聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝与所述三层共挤的聚丙烯膜热压复合再成型，得到所述单向的本体增强的聚丙烯带。
所述热压复合步骤中，温度为120～150℃；
时间为3-15s，具体为5s；
压强为2-10MPa，具体为5MPa。
本发明还提供了一种聚丙烯复合板材，由若干层所述单向的本体增强的聚丙烯带按照0/90度依次叠加热压而得。
上述板材中，所述0/90度依次叠加为将所述单向的本体增强的聚丙烯带依次按照平行于聚丙烯带中的纤维取向方向的方向和垂直与纤维取向方向的方向依次叠加，以使相邻层中的纤维取向方向相互垂直。
热压步骤中，温度为150-180℃，具体为150℃、160℃、170℃；
压强为10-50MPa，具体为15、30、40、15-40、30-40或15-30MPa；
时间为0.5-10分钟，具体为1、4、7、1-7、4-7或1-4分钟。
所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为2-80，具体为2-40，更具体为2-10。
所述聚丙烯复合板材的密度为0.75-0.8g/cm3，具体为0.78g/cm3、0.75-0.78g/cm3、0.78-0.8g/cm3；
拉伸模量为1-12GPa，具体为1、5、12或1-5或5-12GPa；
拉伸强度为120-310MPa，具体为120、181、310、120-181或181-310MPa；
断裂伸长率为6-16%，具体为6、11、16、6-11或11-16%。
本发明提供的制备所述聚丙烯复合板材的方法，包括如下步骤：将若干层所述单向本体增强的聚丙烯带按照0/90度依次叠加热压而得；
所述方法中，0/90度依次叠加为将所述单向的本体增强的聚丙烯带依次按照平行于聚丙烯带中的纤维取向方向的方向和垂直与纤维取向方向的方向依次叠加，以使相邻层中的纤维取向方向相互垂直。
所述热压步骤中，温度为150-180℃，具体为160℃；
压强为10-50MPa，具体为30MPa；
时间为0.5-10分钟，具体为3分钟；
所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为2-80，具体为2、10、40、2-40、10-40或2-10。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明独创了一种三层共挤的聚丙烯功能膜，用于生产本体自增强的单向带，通过0/90度叠加的方式，成功地解决了传统自增强聚丙烯复合材料需要编织的问题；
（2）三层共挤的聚丙烯功能膜中低熔点粘合剂的应用，即可增加自增强聚丙烯复合材料的加工温度范围，使设备的要求下降，同时又最大程度了保护了聚丙烯高强纤维或扁丝由于高温造成的力学性能下降，使自增强聚丙烯复合材料的性能得到最大程度的发挥；
（3）由于生产方法的改变，该工艺可使用普通的复合机、热压机等进行生产，设备要求精度低、生产投资小，适合于大规模工业化生产，最大程度的降低生产的投资成本和投资风险。
附图说明
图1为实施例1所得单向的本体增强聚丙烯单向带的俯视图
其中，1是高强度聚丙烯纤维丝或扁丝，2为三层共挤的聚丙烯功能膜；
图2是本体增强聚丙烯单向带的截面图
其中，1是高强度聚丙烯纤维或扁丝，3是低温聚丙烯，4是高熔点聚丙烯，3/4/3共同组成了2三层共挤的聚丙烯功能膜；
图3是2层本体增强聚丙烯单向带0/90度叠加示意图
其中，5是纵向0度本体增强聚丙烯单向带，6是横向90度本体增强聚丙烯单向带。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
本体增强聚丙烯复合板材的生产步骤如下：
1）制备三层共挤的聚丙烯膜：
采用三层共挤流涎膜生产线，分别在三只挤出机中分别加入如下三层材料，然后在挤出机中挤出得到第一层后依次在第一层上挤出得到第二层和第三层，从而得到三层共挤的聚丙烯膜：
其中，构成第一层的材料为熔点78℃的聚丙烯低温粘合剂TP-80，购自威海万合塑胶有限公司；该层厚度为5μm；
构成第二层的材料为熔点168℃、熔融指数是8g/10min(230℃，2.16Kg)的改性低收缩均聚丙烯T-170，购自威海万合塑胶有限公司；该层厚度为15μm；
构成第三层的材料为熔点为78℃的聚丙烯低温粘合剂TP-80；该层厚度为5μm；
2）制备单向的本体增强聚丙烯带：
将拉伸强度为5N/tex的聚丙烯扁丝（购自常州市科泰塑业有限公司），经过整经机整理、分散在整经辊上后，与步骤1）所得三层共挤的聚丙烯膜经复合机进行热压复合，温度为120～130℃，压强为4MPa，热压复合的时间为10s，得到单向的本体增强聚丙烯带。
该单向的本体增强聚丙烯带的俯视图如图1所示。其中，1是拉伸强度为5N/tex的聚丙烯扁丝，2为三层共挤的聚丙烯膜；
图2是截面图；其中，1是拉伸强度为5N/tex的聚丙烯扁丝，3是熔点78℃的聚丙烯，4是熔点168℃、熔融指数是8g/10min(230℃，2.16Kg)的改性低收缩均聚丙烯，3/4/3共同组成了三层共挤的聚丙烯膜2。
实施例2、制备聚丙烯复合板材
将2层实施例1所得单向的本体增强聚丙烯带按0/90度叠加热压，热压的温度150℃，压强为15MPa，热压时间为1分钟，然后冷压定型，得到本发明提供的聚丙烯复合板材。
图3是该实施例所得2层单向本体增强聚丙烯单向带0/90度叠加示意图；其中，5是纵向0度本体增强聚丙烯单向带，6是横向90度本体增强聚丙烯单向带。
该实施例所得聚丙烯复合板材的密度为0.75g/cm3，按照GB/T1402-2006用电子万能试验机测试材料的拉伸性能，试验速度为50mm/min，最终结果为5次测试结果的平均值，测试结果如下：拉伸模量1GPa，拉伸强度120MPa，断裂伸长率16%。
实施例3
按照实施例1的步骤，仅将步骤1）中构成第二层的材料替换为如下材料：熔点159℃、熔融指数是2g/10min(230℃，2.16Kg)的改性低收缩均聚丙烯T-160，购自威海万合塑胶有限公司生产；
将步骤2）中所用拉伸强度为5N/tex的聚丙烯扁丝（购自常州市科泰塑业有限公司）替换为拉伸强度为7N/tex的聚丙烯扁丝（购自常州市科泰塑业有限公司），热压复合的温度替换为130～140℃，压强替换为2MPa，得到单向的本体增强聚丙烯带。
实施例4
按照实施例2的步骤，仅将2层实施例1所得单向的本体增强聚丙烯带替换为10层实施例3所得单向的本体增强聚丙烯带，同时将热压的温度替换为160℃，压强替换为30MPa，时间为4分钟，得到本发明提供的聚丙烯复合板材。
该实施例所得聚丙烯复合板材的密度为0.8g/cm3，按照GB/T1402-2006用电子万能试验机测试材料的拉伸性能，试验速度为50mm/min，最终结果为5次测试结果的平均值，测试结果如下：拉伸模量5GPa，拉伸强度181MPa，断裂伸长率11%。
实施例5
按照实施例1的步骤，仅将步骤1）中构成第二层的材料替换为如下材料：熔点152℃、熔融指数是20g/10min(230℃，2.16Kg)的改性低收缩均聚丙烯T-150，购自威海万合塑胶有限公司；
将步骤2）中所用拉伸强度为5N/tex的聚丙烯扁丝（购自常州市科泰塑业有限公司）替换为拉伸强度为8N/tex的聚丙烯扁丝（购自常州市科泰塑业有限公司），热压复合的温度替换为135～145℃，压强替换为8MPa，得到单向的本体增强聚丙烯带。
实施例6
按照实施例2的步骤，仅将2层实施例1所得单向的本体增强聚丙烯带替换为40层实施例5所得单向的本体增强聚丙烯带，同时将热压的温度替换为170℃，压强替换为40MPa，时间为7分钟，得到本发明提供的聚丙烯复合板材。
该实施例所得聚丙烯复合板材的密度为0.78g/cm3。按照GB/T1402-2006用电子万能试验机测试材料的拉伸性能，试验速度为50mm/min，最终结果为5次测试结果的平均值，测试结果如下：拉伸模量12GPa，拉伸强度310MPa，断裂伸长率6%。
Claims (17)
1.一种单向的本体增强的聚丙烯带，由聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝与三层共挤的聚丙烯膜热压复合再成型而得；
所述聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝的拉伸强度均为4N/tex-8N/tex；
所述三层共挤的聚丙烯膜由下至上依次由三层材料组成；
其中，构成第一层和第三层的材料均为熔点为60～140℃的聚丙烯粘合剂；
构成第二层的材料为熔点为136-170℃、熔融指数为0.5～30g/10min的聚丙烯材料；且构成所述第二层的材料的熔点与构成第一层和第三层的材料的熔点均相差20℃以上；
所述热压复合步骤中，温度为120～150℃；
时间为3-15s；
压强为2-10MPa。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯带，其特征在于：构成第二层的材料选自均聚聚丙烯、二元共聚聚丙烯、三元共聚聚丙烯、高熔体强度聚丙烯和改性聚丙烯中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的聚丙烯带，其特征在于：
所述热压复合步骤中，时间为10s；
压强为2-8MPa。
4.一种制备权利要求1-3任一所述单向的本体增强的聚丙烯带的方法，包括如下步骤：将所述聚丙烯纤维或聚丙烯扁丝与所述三层共挤的聚丙烯膜热压复合再成型，得到所述单向的本体增强的聚丙烯带。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述热压复合步骤中，温度为120～150℃；
时间为3-15s；
压强为2-10MPa。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述热压复合步骤中，时间为5s；
压强5MPa。
7.一种聚丙烯复合板材，由若干层权利要求1-3任一所述单向的本体增强的聚丙烯带按照0/90度依次叠加热压而得。
8.根据权利要求7所述的板材，其特征在于：所述热压步骤中，温度为150-180℃；
压强为10-50MPa；
时间为0.5-10分钟；
所述聚丙烯复合板材的密度为0.75-0.8g/cm3，拉伸模量为1-12GPa，拉伸强度为120-310MPa，断裂伸长率为6-16％。
9.根据权利要求8所述的板材，其特征在于：：所述热压步骤中，温度为160℃-170℃；
压强为30-40MPa；
时间为3-7分钟。
10.根据权利要求7-9中任一所述的板材，其特征在于：所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为2-80。
11.根据权利要求10所述的板材，其特征在于：所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为2-40。
12.根据权利要求11所述的板材，其特征在于：所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为10。
13.一种制备权利要求7-12中任一所述聚丙烯复合板材的方法，包括如下步骤：将若干层权利要求1-3任一所述单向本体增强的聚丙烯带按照0/90度依次叠加热压而得；
所述热压步骤中，温度为150-180℃；
压强为10-50MPa；
时间为0.5-10分钟。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述热压步骤中，温度为160℃；
压强为30MPa；
时间为3分钟。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于：所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为2-80。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为2-40。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于：所述单向的本体增强的聚丙烯带的层数为10。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |