CN104945741A - 一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法，其特征为具体由以下重量百分比的原料组成：聚丙烯50~80%，接枝物相容剂2~15%，玻纤短切毡10%~30%，弹性体增韧剂3~10%，复配型结晶成核剂0.5~10%。本发明针对传统弹性体的低温增韧效果欠佳的问题，通过不同晶型的成核剂及辅助成核剂的复配，调整聚丙烯复合材料中基体相、界面相的晶体结构及含量，在避免复合材料刚性过度降低的前提下，改善增强聚丙烯复合材料的常温、低温冲击性能，尤其是-30℃以下的低温缺口冲击性能。性能测试表明改性后复合材料的常温拉伸、弯曲强度的保持率在90%以上，而低温（-40℃）缺口强度的提升幅度可达80%~120%，其综合性能明显优于常规的弹性体增韧改性材料。

Description

一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料的技术领域，具体地说是一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯是当前用量最大的通用塑料品种之一，其具有较为均衡的综合性能、优异的耐化学性、良好的加工流动性及相对低廉的价格，因而得以在汽车、电器、建材等工业领域得以大量使用。然而，聚丙烯的结构及性能方面的缺陷也是十分明显，由于分子链中侧链甲基的存在及规整分布，其聚合物分子链易定向堆砌，材料结晶倾向性强，但结晶过程缓慢，晶型结构多样且缺陷程度较高，从而对聚丙烯及其复合材料的力学性能尤其是低温抗冲性能产生不利的影响。
在当前“以塑代钢”的轻量化趋势影响下，小型家用乘用车中一些次级承力性结构件如前端框架、仪表板骨架、车门内饰板、中央通道骨架、天窗框架等重要的结构性部件已逐步采用高性能的玻璃纤维增强聚丙烯复合材料为基材。随着近年来极端天气的不断增加，对汽车部件的耐高低温性能要求也逐步提高，在一些极端低温的地区，气温甚至能下探至-40℃乃至更低，而传统的烯烃类弹性体增韧剂的玻璃化温度Tg也仅在-30～-40℃之间，这就表明在更低的温度下，弹性体的增韧效果将逐步减弱甚至消失，无形中提升了部件失效的风险，这就需要在传统的增韧方式上探寻一种全新的改善聚丙烯抗冲击性能的方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法，它可克服现有技术中力学性能尤其是低温抗冲性能差的一些不足。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的复合材料，各成分的重量百分比的如下：
上述各成分的重量百分比之和为100％，其中复配型结晶成核剂为β型成核剂与晶须复配而成。
更进一步，所述的聚丙烯为共聚丙烯的一种或2种以上的混合物，熔点在220-275℃之间，成型收缩率在1.0-1.5之间，在230℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为3-20g/min。
更进一步，所述的接枝物相容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝聚丙烯相容剂，其接枝率经化学滴定法测试为0.5-2％，通过双螺杆挤出机，由过氧化物引发剂引发GMA/苯乙烯St混合物接枝熔融态聚丙烯而得。
更进一步，所述的短玻纤短切毡为连续玻璃纤维合股纱短切后所得，其单丝直径为13um，短切长度为3-4.5mm。
更进一步，所述的弹性体增韧剂为烯烃类弹性体POE，其密度为0.860-0.880g/cm3，熔点为55-70℃之间，邵氏硬度(A)在68-83，挠曲模量为12-28Mpa，在190℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为0.5～10g/min。
更进一步，复配型结晶成核剂为β型成核剂与晶须按1:6～1:10的比例复配而成，其中所述的β型成核剂为羧酸金属盐类成核剂、取代苯酰胺类成核剂、稀土配合物成核剂的一种或2种以上混合而成；所述的晶须为钛酸钾晶须、镁盐晶须、硼酸铝晶须的一种或2种以上混合而成。
同时制备高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料的方法，包括以下步骤：
a、按所述的重量百分比称取聚丙烯、接枝物相容剂、弹性体增韧剂、复配型结晶成核剂及加工助剂，混合均匀，得到混合原料；
b、将干燥后的混合原料放置于紧密啮合同向双螺杆挤出机的主喂料仓中，经喂料螺杆加入到挤出机的机筒内，将玻纤短切毡从侧喂料口加入到挤出机中，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速为250转/分钟，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
使用时，本发明通过本发明的技术方案制备得到的增强聚丙烯复合材料，通过针对性选择聚丙烯的异相成核剂，提升聚丙烯的冷却结晶速率，改善晶体的结构缺陷，着重提高聚丙烯复合材料内β晶型的结构含量，并改善因玻纤增强体的一维取向特性而导致的界面横晶状况，保证复合材料在受到外加载荷作用并传递时，所产生的微裂纹能被基体及界面层的晶体结构有效终止，从而提升聚丙烯复合材料的抗冲击性能，而且与传统的烯烃类弹性体增韧方式所不同的是，这种通过晶型结构调整而实现增韧的改性方式并不会随着环境温度的降低而减弱，相反随着温度的降低，其冲击性能尤其是缺口冲击强度的提升幅度愈加明显，表明通过本技术方案得到的增强聚丙烯复合材料具有优异的耐低温冲击性能，这对其在汽车结构性部件的应用推广提供良好基础。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
本发明实施例所用原料：
PP-1:间规共聚丙烯，结晶度Xc≥92.0％，中石化上海公司，熔融指数9g/min(230℃、2.16Kg)。
PP-2:间规共聚丙烯，结晶度Xc≥98.5％，韩国SK化学，熔融指数30g/min(230℃、2.16Kg)。
接枝物相容剂：甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝聚丙烯相容剂，化学滴定法测试接枝率为0.8.0％，自制，通过双螺杆挤出机，由过氧化物引发剂引发GMA/苯乙烯St混合物接枝熔融态聚丙烯而得。
短玻纤短切毡：连续玻璃纤维合股纱短切毡，直径13um，短切长度4.5mm，泰山玻纤。
烯烃类弹性体：乙烯-甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物，美国杜邦公司，熔融指数0.5(190℃、2.16Kg)。
β型成核剂-1：取代苯胺类成核剂TMB-5，山西化工研究所，市售。
β型成核剂-2：羧酸金属盐类成核剂HPN-68L，比利时美利肯公司，市售。
晶须-1：六钛酸钾晶须，K2Ti6O13，直径0.5～1.5um，长径比5～20，上海甲辰新材料公司，市售。
晶须-2：镁盐晶须，NP-03，直径＜1.0um，长径比30～40，上海川竺实业公司，市售。
产品性能测试：
拉伸性能：按ISO527-2标准进行，测试速率为5mm/min。
弯曲性能：按ISO178标准进行，跨距为64mm，测试速率为2mm/min。
常温及低温冲击性能：按ISO179-1标准在简支梁冲击试验机上进行，样条为标准V型缺口，测试环境温度分别为23℃、-40℃。
低温仪器冲击性能：按ISO6603-2标准进行，测试温度为-40℃，测试速率2mm/s穿透能量55J，按标准样条冲击后产生的缺口类型及能量吸收情况判定材料的断裂类型为脆性断裂还是韧性断裂。
晶型结构及含量分析：采用广角X射线衍射分析法，在日本岛津公司的XD-3A型射线衍射分析仪上进行，按各特征峰的位置及峰面积计算β晶型的含量。
实施例1
按照表1中实施例1的数据称取β型成核剂-1、β型成核剂-2、晶须-1、晶须-2，搅拌混合均匀，即可制得复配型成核剂-1。
实施例2
按照表1中实施例2的数据称取β型成核剂-1、β型成核剂-2、晶须-1、晶须-2，搅拌混合均匀，即可制得复配型成核剂-2。
实施例3
按照表1中实施例3的数据称取β型成核剂-1、β型成核剂-2、晶须-1、晶须-2，搅拌混合均匀，即可制得复配型成核剂-3。
实施例4
按照表1中实施例4的数据称取β型成核剂-1、β型成核剂-2、晶须-1、晶须-2，搅拌混合均匀，即可制得复配型成核剂-4。
表1 复配型成核剂的配方表(单位：g)
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
β型成核剂-1 0.3 0.5 1
β型成核剂-2 0.3 0.5 1
晶须-1 2 2 5 8 8
晶须-2 5
实施例5
按照表1中实施例5的数据称取β型成核剂-1、β型成核剂-2、晶须-1、晶须-2，搅拌混合均匀，即可制得复配型成核剂-5。
实施例6
按照表1中实施例6的数据称取β型成核剂-1、β型成核剂-2、晶须-1、晶须-2，搅拌混合均匀，即可制得复配型成核剂-6。
实施例7
按表2中所示的实施例7数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
表2 高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料的配方表(单位：克)
实施例8
按表2中所示的实施例8数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
实施例9
按表2中所示的实施例9数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
实施例10
按表2中所示的实施例10数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
实施例11
按表2中所示的实施例11数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
实施例12
按表2中所示的实施例12数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
对比例1
按表2中所示的对比例1数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
对比例2
按表2中所示的对比例2数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
表3 高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料的性能及结构测试结果
根据表3所示的各实施例、对比例的性能测试结果，以及结合表1、2中的不同物性配方来看，使用高结晶共聚PP即(PP-2)的各实施例如实施例2、4、5均取得了良好的改性效果，表明PP基体结晶能力的增强有助于发挥复配型结晶成核剂的晶型调节作用。而进一步对比不同种类及用量的复配型结晶成核剂可知，镁盐晶须搭配羧酸金属盐取代物具有最好的效果，使用后PP基体中的β晶型含量从改性前的不到3％提升至60％以上，而β晶型正是提升复合材料冲击韧性的关键所在，尤其是在极端低温(-40℃甚至更低)的环境中，常规的弹性体增韧模式已逐步失去效力，而高含量的β型结晶良好的韧性、断裂伸长率、抗缺口冲击强度等优势却能得以充分发挥。进一步的力学性能测试表明，与未使用结晶成核剂的对比例1、2相比，使用了针对性成核剂的实施例4具有明显更优的常温、低温抗缺口冲击性能，其-40℃的低温缺口冲击强度更是提升了一倍左右，达到10.4kJ/m2，而仪器冲击试验的测试结果也表明，其低温的缺口断裂方式从脆性断裂方式转变为韧性断裂方式，对外界冲击能力的吸收、耗散能力更强。另外，值得注意的是，这种韧性的改善并不是以牺牲复合材料的刚性为前提条件，相反的，实施例4所示的材料拉伸、弯曲强度未见明显降低，其性能保持率都在90％以上，表明通过本技术方案得到的玻纤增强聚丙烯复合材料具有高刚性、高抗冲、耐低温的特性，尤其适用于汽车嵌段框架、发动机冷却风扇、天窗框架、备胎箱框架等结构件及功能件，保证所制的零部件在不同的温度范围内均具有良好的性能表现。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于： 所述的复合材料，各成分的重量百分比的如下：
聚丙烯                50-80%
接枝物相容剂          2-15%
玻纤短切毡            10-30%
弹性体增韧剂           3-10%
复配型结晶成核剂       0.5-10%
上述各成分的重量百分比之和为100%，其中复配型结晶成核剂为β型成核剂与晶须复配而成。
2.根据权利要求1所述的一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯为间规共聚丙烯的一种或2种以上的混合物，熔点在220-275℃之间，成型收缩率在1.0-1.5之间，在230℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为3-20 g/min。
3.根据权利要求1所述的一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的接枝物相容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝聚丙烯相容剂，其接枝率经化学滴定法测试为0.5-2%，通过双螺杆挤出机，由过氧化物引发剂引发GMA/苯乙烯St混合物接枝熔融态聚丙烯而得。
4.根据权利要求1所述的一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的短玻纤短切毡为连续玻璃纤维合股纱短切后所得，其单丝直径为13um，短切长度为3-4.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的弹性体增韧剂为烯烃类弹性体POE，其密度为0.860-0.880g/cm3，熔点为55-70℃之间，邵氏硬度（A）在68-83，挠曲模量为12-28Mpa，在190℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为0.5~10 g/min。
6.根据权利要求1所述的一种高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：复配型结晶成核剂为β型成核剂与晶须按1:6~1:10的比例复配而成，其中所述的β型成核剂为羧酸金属盐类成核剂、取代苯酰胺类成核剂、稀土配合物成核剂的一种或2种以上混合而成；
所述的晶须为钛酸钾晶须、镁盐晶须、硼酸铝晶须的一种或2种以上混合而成。
7.权利要求1所述的高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
a、按所述的重量百分比称取聚丙烯、接枝物相容剂、弹性体增韧剂、复配型结晶成核剂及加工助剂，混合均匀，得到混合原料；
b、将干燥后的混合原料放置于紧密啮合同向双螺杆挤出机的主喂料仓中，经喂料螺杆加入到挤出机的机筒内，将玻纤短切毡从侧喂料口加入到挤出机中，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速为250转/分钟，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。
8.根据权利要求7所述的一种制备高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料的方法，其特征在于：原料中各成分的重量百分比为20-80%的聚丙烯、2-15% 的接枝物相容剂、10-30% 的玻纤短切毡、3-10%的弹性体增韧剂、0.5-10%的复配型结晶成核剂和0.2-1.0%的加工助剂；
主机筒中，从加料口到机头出口的各分区温度设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃。
9.根据权利要求7所述的一种制备高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料的方法，其特征在于：所述的聚丙烯为共聚丙烯的一种或2种以上的混合物，熔点在220-275℃之间，成型收缩率在1.0-1.5之间，在230℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为3-20 g/min；所述的弹性体增韧剂为烯烃类弹性体POE，其密度为0.860-0.880g/cm3，熔点为55-70℃之间，邵氏硬度（A）在68-83，挠曲模量为12-28Mpa，在190℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为0.5~10 g/min。
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