CN104497435A - 一种适合高原环境抗紫外的pvc复合材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新材料领域技术，具体地说是针对增强聚氯乙烯（PVC）材料功能性进行改进的制备工艺。本发明的制备工艺是：(1)纳米增强体的制备；(2) 化学溶液法制备混杂型PVC功能复合材料；即制得混杂型PVC功能复合材料。本发明方法将氧化锌与二氧化钛复合使用，可极大提高复合材料的抗紫外性能；本发明将纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子三者有机地结合起来制备的PVC复合材料，优化了PVC的抗紫外能力、降低了老化速率，延长了使用寿命，增加了阻燃性能,降低了火灾的发生，最终提高了PVC材料在青藏高原的外部环境适应能力。

Description

一种适合高原环境抗紫外的PVC复合材料制备方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体地说是针对增强聚氯乙烯（PVC）材料功能性进行改进的制备工艺。
背景技术
塑料作为四大基础材料之一，聚氯乙烯（PVC）是世界上最早实现工业化生产的塑料品种之一。它的应用涉及生产生活几乎所有的行业，在国民经济发展过程中具有重要的战略意义。PVC具有难燃、抗化学腐蚀、耐磨、电绝缘性优良和机械强度较高等优点，广泛应用于工业、农业、建筑、日用品、包装以及电力行业。PVC的经济效益在整个国家经济效益中占有举足轻重的地位。
青海省地处青藏高原，全省平均海拔4000米左右，高原大气层相对稀薄，日光透过率高，加之气候干燥、降雨量少，云层遮蔽率低，日射强烈，日照十分充足，紫外线强。如PVC不做抗紫外处理与阻燃性能处理，会加速PVC老化过程，减少PVC使用寿命，并引发火灾。因此，如何优化PVC的抗紫外能力、增加PVC的阻燃性能，提高PVC使用寿命，是目前在青海省发展PVC产业的突破点。
目前对单一纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子增强PVC复合材料研究较多，但是对纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子混杂增强的复合材料研究尚未见报导。李梅等研究了以氢氧化镁、三氧化二锑、十溴联苯醚、氧化锌为主的复合阻燃体系对PVC软、硬质品的阻燃作用，结果表明，复合阻燃剂用于PVC制品中，阻燃性能、机械性能、抗紫外性能、电性能和加工性能均得到一定提高，且具有一定的抑烟效果。杨明娇通过原位乳液聚合法，在纳米TiO2表面接枝上丙烯酸酯类聚合物，制得聚丙烯酸酯/纳米TiO2复合粒子的紫外光稳定剂，并将其用于改性PVC，结果表明，复合粒子显著提高PVC的抗紫外光性能。张莹等采用不同共混方法将载银纳米二氧化钛分散到PVC清漆中，研究其分散及改性效果，最终制得光催化降解甲基橙率及抗菌率均较高的抗菌PVC塑料。
在前人众多研究的基础之上，本发明结合青海地区丰富的盐湖资源与极端的气候条件，采用化学溶液法制备纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子混杂三相增强PVC复合材料。首先，通过原位嫁接聚合法在纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子表面接枝硅烷偶联剂（KH-570）；其次，在机械搅拌过程中引入超声处理，增加了改性的三种纳米粒子在PVC基体中的分散特性，从而延缓了其沉降速度，实现纳米粒子在PVC基体中分散均匀的目的。通过相关性能测试分析发现：氢氧化镁由于热分解温度高、高效促基材成炭作用、强除酸能力、无毒、抑烟、不挥发、不产生腐蚀性气体等优点，可以提高复合材料的阻燃性能，减少火灾的发生；二氧化钛作为最早开发的紫外屏蔽剂之一，具有原料资源丰富、价格便宜、对环境无毒无害且具有宽频带、强吸收的紫外吸收特性等优点，在化妆品、汽车清漆、织物防晒等方面得到广泛应用。但是，由于二氧化钛禁带宽度较宽，不能吸收可见光的能量，使其在户外使用过程中受到限制；氧化锌与二氧化钛具有相近的禁带宽度，也具备优良的紫外吸收性能，其阻隔长波紫外线（355nm~380 nm）的效果甚至优于二氧化钛，但是氧化锌在短波范围（330nm~355nm）内的紫外吸收不强，且光稳定性差。
发明内容
本发明属于新材料领域技术，是针对增强PVC材料功能性进行改进的制备工艺，由于纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子属于无机化合物，与高分子化合物PVC润湿性不好，在熔融的PVC液体中不易分散，团聚现象严重，造成局部富集，从而使PVC复合材料的功能性不够理想。本发明通过合理的工艺设计，采用原位嫁接聚合的方法将硅烷偶联剂（KH-570）包覆在纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子表面，有效地改善了纳米粒子在PVC材料中的分散性，消除了纳米粒子的富集现象，有效地提高了复合材料的抗紫外与阻燃性能。本发明的制备工艺是：纳米增强体的制备；化学溶液法制备混杂型PVC功能复合材料。
本发明体积分数配比：纳米TiO2颗粒（20nm，分析纯，Aladdin试剂）的质量分数为0.6%；纳米ZnO颗粒（30nm，分析纯，Aladdin试剂）的质量分数为1.8%；纳米Mg(OH)2颗粒（80nm，分析纯，Aladdin试剂）的质量分数为0.6%；余量为聚氯乙烯（PVC，型号：SG5，标准：GB/T5761-2006）。
本发明的制备工艺是：
1)纳米增强体的制备
1.1) 基体和增强体的计算与称量;
首先将PVC称量好，然后根据PVC的质量计算并称量纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子，使得三种纳米增强体的质量分数分别为：纳米TiO2为0.6%；纳米ZnO为1.8%；纳米Mg(OH)2为0.6%。
1.2) 三种纳米粒子改性;
将称量好的纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子与硅烷偶联剂（KH-570）混合到一起，磁力搅拌2h，使得三种纳米粒子与硅烷偶联剂（KH-570）初步混合，并使宏观团聚到一起的纳米粒子进行初步的分散。
1.3) 超声分散;
将混合后三种改性的纳米粒子转移到一大容量烧杯中，并加入适量的无水乙醇，至无水乙醇将纳米粉末充分淹没。在高剪切乳化机下充分混合20min，调节溶液PH=6，将得到的反应液在60℃下水浴反应2h，超声分散60min。
1.4) 烘干
对超声处理后的溶液进行离心分离并用乙醇反复清洗5次后，将纳米粒子放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，进行干燥1h。
 2) 化学溶液法制备混杂型PVC功能复合材料。
2.1) 熔化PVC；
将预先称量好的称取的PVC粉末，放入15ml环己酮中，在高剪切乳化机下充分混合20min，将得到的反应液超声分散60min，使PVC保持液态。
 2.2) 机械搅拌；
将搅拌器插入到PVC浆液中，开启搅拌器，使其转速控制在350r/min，此时在PVC液体表面产生一漩涡，将改性后的三种纳米增强体缓慢的加入到漩涡中，使其随漩涡卷入到PVC液体中，增强体完全加入后，再持续搅拌30min；
2.3) 超声处理；
将一功率超声发生器插入到PVC混合浆液中，开启超声波，持续超声40min 后，在60℃下水浴反应2h。
2.4) 成膜
超声完毕后，将PVC混合浆液稍作冷却，然后制得的浆液于平整干净的玻璃板上成膜后取下。即制得混杂型PVC功能复合材料。
本发明一种适合高原环境抗紫外的PVC复合材料制备方法与现有技术相比较有如下有益效果：本发明通过合理的设计工艺制备了纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子混杂三相增强的功能复合材料。改善了纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子在制备过程中团聚现象严重的问题，提高了其在复合材料中的分散性，三种纳米粒子在复合材料中起到了协同增强效应，有效地提高了PVC复合材料的抗紫外与阻燃性能。本发明方法将氧化锌与二氧化钛复合使用，可极大提高复合材料的抗紫外性能；本发明将纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子三者有机地结合起来制备的PVC复合材料，优化了PVC的抗紫外能力、降低了老化速率，延长了使用寿命，增加了阻燃性能,降低了火灾的发生，最终提高了PVC材料在青藏高原的外部环境适应能力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明一种适合高原环境抗紫外的PVC复合材料制备方法技术方案作进一步描述。
本发明体积分数配比：纳米TiO2颗粒（20nm，分析纯，Aladdin试剂）的质量分数为0.6%；纳米ZnO颗粒（30nm，分析纯，Aladdin试剂）的质量分数为1.8%；纳米Mg(OH)2颗粒（80nm，分析纯，Aladdin试剂）的质量分数为0.6%；余量为聚氯乙烯（PVC，型号：SG5，标准：GB/T5761-2006）。
本发明的制备工艺是：
1)纳米增强体的制备
1.1) 基体和增强体的计算与称量;
首先将PVC称量好，然后根据PVC的质量计算并称量纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子，使得三种纳米增强体的质量分数分别为：纳米TiO2为0.6%；纳米ZnO为1.8%；纳米Mg(OH)2为0.6%。
1.2) 三种纳米粒子改性;
将称量好的纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子与硅烷偶联剂（KH-570）混合到一起，磁力搅拌2h，使得三种纳米粒子与硅烷偶联剂（KH-570）初步混合，并使宏观团聚到一起的纳米粒子进行初步的分散。
1.3) 超声分散;
将混合后三种改性的纳米粒子转移到一大容量烧杯中，并加入适量的无水乙醇，至无水乙醇将纳米粉末充分淹没。在高剪切乳化机下充分混合20min，调节溶液PH=6，将得到的反应液在60℃下水浴反应2h，超声分散60min。
1.4) 烘干
对超声处理后的溶液进行离心分离并用乙醇反复清洗5次后，将纳米粒子放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，进行干燥1h。
 2) 化学溶液法制备混杂型PVC功能复合材料。
2.1) 熔化PVC；
将预先称量好的称取的PVC粉末，放入15ml环己酮中，在高剪切乳化机下充分混合20min，将得到的反应液超声分散60min，使PVC保持液态。
 2.2) 机械搅拌；
将搅拌器插入到PVC浆液中，开启搅拌器，使其转速控制在350r/min，此时在PVC液体表面产生一漩涡，将改性后的三种纳米增强体缓慢的加入到漩涡中，使其随漩涡卷入到PVC液体中，增强体完全加入后，再持续搅拌30min；
2.3) 超声处理；
将一功率超声发生器插入到PVC混合浆液中，开启超声波，持续超声40min 后，在60℃下水浴反应2h。
2.4) 成膜
超声完毕后，将PVC混合浆液稍作冷却，然后制得的浆液于平整干净的玻璃板上成膜后取下。即制得混杂型PVC功能复合材料。
本发明中制备的PVC功能材料的性能：
PVC的质量分数：        100%
最大拉应力：            18.72N/cm2
紫外透过率：            68.4%
极限氧指数：            25.6%
本发明中制备的纳米TiO2增强PVC功能复合材料的性能：
纳米TiO2质量分数：      3%
PVC的质量分数：        97%
最大拉应力：            22.26 N/cm2
紫外透过率：            9.84%
极限氧指数：            26.2%
本发明中制备的纳米TiO2/ZnO增强PVC功能复合材料的性能：
纳米TiO2质量分数：      0.75%
纳米ZnO质量分数：      2.25%
PVC的质量分数：         97%
最大拉应力：             26.70 N/cm2
紫外透过率：             8.68%
极限氧指数：             27.4%
本发明中制备的纳米TiO2/ Mg(OH)2增强PVC功能复合材料的性能：
纳米TiO2质量分数：       0.9%
纳米Mg(OH)2质量分数：   2.1%
PVC的质量分数：         97%
最大拉应力：             25.43 N/cm2
紫外透过率：             9.06%
极限氧指数：             30.2%
本发明中制备的多元纳米PVC功能复合材料的性能：
最大拉应力：             26. 39 N/cm2
紫外透过率：             8.94%
极限氧指数：             31.4%。

Claims (4)

1.一种适合高原环境抗紫外的PVC复合材料制备方法，其特征在于所述的PVC复合材料包括如下质量分数的原料配比：纳米TiO2颗粒的质量分数为0.6%；纳米ZnO颗粒的质量分数为1.8%；纳米Mg(OH)2颗粒的质量分数为0.6%；余量为PVC，型号：SG5，标准：GB/T5761-2006的聚氯乙烯；
所述的PVC复合材料的制备方法包括如下步骤：
1)纳米增强体的制备
1.1) 基体和增强体的计算与称量；
首先将PVC称量好，然后根据PVC的质量计算并称量纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子，使得三种纳米增强体的质量分数分别为：纳米TiO2为0.6%；纳米ZnO为1.8%；纳米Mg(OH)2为0.6%；
1.2) 三种纳米粒子改性；
将称量好的纳米氢氧化镁、氧化锌与二氧化钛粒子与硅烷偶联剂（KH-570）混合到一起，磁力搅拌2h，使得三种纳米粒子与硅烷偶联剂（KH-570）初步混合，并使宏观团聚到一起的纳米粒子进行初步的分散；
1.3) 超声分散；
将混合后三种改性的纳米粒子转移到一大容量烧杯中，并加入适量的无水乙醇，至无水乙醇将纳米粉末充分淹没；在高剪切乳化机下充分混合20min，调节溶液PH=6，将得到的反应液在60℃下水浴反应2h，超声分散60min；
1.4) 烘干
对超声处理后的溶液进行离心分离并用乙醇反复清洗5次后，将纳米粒子放入一立式烘箱中，温度恒定80℃，进行干燥1h；
 2) 化学溶液法制备混杂型PVC功能复合材料：
2.1) 熔化PVC
将预先称量好的称取的PVC粉末，放入15ml环己酮中，在高剪切乳化机下充分混合20min，将得到的反应液超声分散60min，使PVC保持液态；
2.2) 机械搅拌
将搅拌器插入到PVC浆液中，开启搅拌器，使其转速控制在350r/min，此时在PVC液体表面产生一漩涡，将改性后的三种纳米增强体缓慢的加入到漩涡中，使其随漩涡卷入到PVC液体中，增强体完全加入后，再持续搅拌30min；
2.3) 超声处理
将一功率超声发生器插入到PVC混合浆液中，开启超声波，持续超声40min 后，在60℃下水浴反应2h；
2.4) 成膜
超声完毕后，将PVC混合浆液稍作冷却，然后制得的浆液于平整干净的玻璃板上成膜后取下；即制得混杂型PVC功能复合材料。
2.根据权利要求1所述的适合高原环境抗紫外的PVC复合材料制备方法，其特征在于：所述的纳米TiO2为20nm，分析纯，Aladdin试剂。
3.根据权利要求1所述的适合高原环境抗紫外的PVC复合材料制备方法，其特征在于：所述的纳米ZnO颗粒为30nm，分析纯，Aladdin试剂。
4.根据权利要求1所述的适合高原环境抗紫外的PVC复合材料制备方法，其特征在于：所述的纳米Mg(OH)2颗粒为80nm，分析纯，Aladdin试剂。
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