CN105462064A - 一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料及其制备方法，组成为：30～70％的聚丙烯，10～50％的聚乙烯，10～25％的木纤维，0.1～2％的润滑剂，0.1～1％的抗氧化剂以及3～10％的增容剂；将所述聚丙烯、聚乙烯以及木纤维、润滑剂、抗氧化剂以及增容剂分次加入混料机中，搅拌混合得混合物料；利用双螺杆挤出机将所述混合物料进一步混合均匀并造粒，造粒完成后烘干；本发明所制备的聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料一方面克服了聚丙烯的韧性差、缺口敏感的缺陷，另一方面由于使用了价格低廉、资源丰富及可再生的木纤维，复合材料的成本也有大幅度的降低，环保性能得到提高。

Description

一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备的领域，具体涉及一种低成本增韧的聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯是一种半结晶的热塑性塑料，其产量在塑料中仅次于聚乙烯。聚丙烯具有来源丰富、价格低廉、力学性能优良、电绝缘性良好和耐应力开裂的优点，且具有良好的化学稳定性。因此，聚丙烯广泛应用于注塑成型、薄膜、单丝、纤维、中空成型、挤出成型等制品。
聚丙烯的结晶能力较强，聚丙烯的某些力学性能可与工程塑料相媲美。但由于聚丙烯所形成的球晶尺寸较大且分布不均，导致聚丙烯成型收缩率大，冲击韧性较差，尤其对缺口十分敏感。在低温或高应变速率下，吸收的冲击能量来不及及时传递，脆性尤其突出。这些限制了聚丙烯进一步的应用与发展。
为了提高聚丙烯的韧性，改性的方法主要有化学改性和物理改性。化学改性主要是共聚、接枝、交联，即通过改变聚丙烯分子结构以达到增韧的目的。物理改性主要是共混、增强、填充以及改变晶型，即通过加入添加剂以及改变聚丙烯分子的结晶形态达到增韧的目的。
但是，现有改性方法成本较高，工艺复杂，不利于聚丙烯的推广使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料及其制备方法，所述复合材料韧性好、制备成本低。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料，按质量分数计由以下组分组成：30～70％的聚丙烯，10～50％的聚乙烯，10～25％的木纤维，0.1～2％的润滑剂，0.1～1％的抗氧化剂以及3～10％的增容剂，所述木纤维经过硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂处理。
所述聚乙烯为低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)或线型低密度聚乙烯(LLDPE)中的一种或多种的混合物，优选为单独使用LDPE、HDPE或LLDPE。
所述木纤维的粒径为100～150目。
所述润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸盐或乙撑双硬脂酰胺中的一种或两种以上的混合物，兼顾工艺的复杂程度以及效果，优选两种的混合。润滑剂用于改善材料的可加工性，使材料在双螺杆挤出机中流动性良好。
所述抗氧化剂采用复合抗氧化剂，复合抗氧化剂中的主抗氧化剂为受阻酚类或仲芳胺类，复合抗氧化剂中的辅助抗氧化剂为亚磷酸酯类，主抗氧化剂与辅助抗氧化剂的质量比为1:1。抗氧化剂用于保证产品(聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料)的外观颜色均一以及力学性能持久。
所述增容剂为聚丙烯接枝马来酸酐、聚乙烯接枝马来酸酐或乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐中的一种或多种的混合物。增容剂用于提高木纤维与树脂(聚乙烯、聚丙烯)的相容性，充分发挥增韧效果。
上述聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将所述聚丙烯、聚乙烯以及硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂处理后的木纤维在100～120℃烘烤3～4小时后加入混料机中，然后在100～500转/分钟的转速下搅拌混合5～10分钟；然后将所述润滑剂、抗氧化剂以及增容剂加入所述混料机中，然后在至少100℃的温度下以及200～800转/分钟的转速下搅拌混合10～15分钟得混合物料；
2)利用双螺杆挤出机将所述混合物料进一步混合均匀并造粒，其中双螺杆挤出机各段的温度设定如下：进料段为140～200℃(包括一段以及二段，优选温度设定：一段140～150℃，二段175～180℃)，熔融段为190～210℃(包括三段、四段以及五段，优选温度设定：三段190～195℃，四段200～205℃，五段195～200℃)，混炼段为180～200℃(包括六段以及七段，优选温度设定：六段190～195℃，七段190～195℃)，排气和挤出段为180～190℃(分别对应八段和九段)，模头为200～210℃；造粒完成后烘干即得聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料。
所述硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂处理包括以下步骤：将未经处理的木纤维于100～120℃烘烤3～4小时后置于混料机中，然后在保持该混料机中的温度至少为100℃的条件下将硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂的溶液喷洒在该混料机中并与该混料机中的木纤维搅拌混匀，其中硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂的用量为未经处理的木纤维质量的2～5％。
所述溶液按质量分数计由以下组分组成：20％的硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂、60％的乙醇以及20％的去离子水。
所述双螺杆挤出机的螺杆转速为300～400转/分钟。
本发明的有益效果体现在：
本发明涉及一种聚乙烯和木纤维协同增韧的聚丙烯复合材料及其制备方法，聚乙烯作为聚丙烯的增韧改性剂，主要是聚乙烯可以将聚丙烯的球晶分割成晶片，使原有的晶体尺寸发生变化，进而达到增韧的目的；适量木纤维的加入进一步增加了材料的韧性，并降低了复合材料的成本。因此，本发明所述聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料一方面克服了原有的聚丙烯的韧性差、缺口敏感的缺陷，另一方面由于使用了价格低廉、资源丰富及可再生的木纤维，复合材料的成本也有大幅度的降低，其制备成本根据木纤维加入量降低10～30％，同时，环保性能得到提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明。
实施例1
多组份复合改性的聚丙烯复合材料的制备方法：
(1)制备复合材料的原料组成如下，按质量分数计：聚丙烯40％，聚乙烯28％，木纤维20％，润滑剂1.5％，抗氧化剂0.5％，增容剂10％，其中，木纤维经过硅烷偶联剂处理。
其中所用的聚丙烯为共聚型的聚丙烯(乙烯丙烯共聚)。
其中所用的聚乙烯为低密度聚乙烯(LDPE)。
使用硅烷偶联剂处理木纤维的工艺如下：将粒径为120目的未经处理的木纤维于100℃烘烤3小时，然后置于高速混料机中，保持高速混料机中的温度为100～120℃，将硅烷偶联剂KH-550配制成溶液(按质量分数计：硅烷偶联剂20％、乙醇60％、去离子水20％)，并用喷雾器将所述溶液喷洒在木纤维中并高速搅拌混匀，其中硅烷偶联剂KH-550的用量为未经处理的木纤维质量的3％。
其中所用的润滑剂为石蜡与硬脂酸钙的混合物，质量比优选为1:1。
其中所用的抗氧化剂采用复合抗氧化剂，其中主抗氧化剂为受阻酚类(AO-80)，辅助抗氧化剂为亚磷酸酯类(Finox618)，主抗氧化剂和辅助抗氧化剂的质量比为1:1。
其中所用的增容剂选用聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)。
(2)复合材料的制备工艺如下：
首先将称量好的聚丙烯、聚乙烯以及硅烷偶联剂处理后的木纤维在110℃烘烤3小时，然后加入高速混料机中，在400转/分钟的转速下搅拌混合5分钟；再将称量好的润滑剂、抗氧化剂(主抗氧化剂与辅助抗氧化剂)以及增容剂加入高速混料机中，在100～120℃的温度下、600转/分钟的转速下搅拌混合12分钟得混合物料，出料，备用；
利用双螺杆挤出机将上述混合物料进一步混合均匀并造粒，其中双螺杆挤出机各段的温度设定如下：一段140℃，二段180℃，三段195℃，四段200℃，五段195℃，六段195℃，七段190℃，八段185℃，九段185℃，模头205℃；螺杆转速为350转/分钟；将造粒完成的混合物料烘干(100℃、3小时)得到多组份复合改性的聚丙烯复合材料(即聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料)。
实施例2
多组份复合改性的聚丙烯复合材料的制备方法：
(1)制备复合材料的原料组成如下，按质量分数计：聚丙烯45％，聚乙烯30％，木纤维15％，润滑剂1％，抗氧化剂0.5％，增容剂8.5％，其中，木纤维经过硅烷偶联剂处理。
其中所用的聚丙烯为等规聚丙烯。
其中所用的聚乙烯为线型低密度聚乙烯(LLDPE)。
使用硅烷偶联剂处理木纤维的工艺如下：将粒径为150目的未经处理的木纤维于100℃烘烤3小时，然后置于高速混料机中，保持高速混料机中的温度为100～120℃，将硅烷偶联剂KH-560配制成溶液(按质量分数计：硅烷偶联剂20％、乙醇60％、去离子水20％)，并用喷雾器将所述溶液喷洒在木纤维中并高速搅拌混匀，其中硅烷偶联剂KH-560的用量为未经处理的木纤维质量的3.5％。
其中所用的润滑剂为聚乙烯蜡与乙撑双硬脂酰胺的混合物，质量比优选为1:1。
其中所用的抗氧化剂采用复合抗氧化剂，其中主抗氧化剂为仲芳胺类(4010)，辅助抗氧化剂为亚磷酸酯类(IrgafosP-EPQ)，主抗氧化剂和辅助抗氧化剂的质量比为1:1。
其中所用的增容剂选用乙烯-辛烯共聚物(POE)接枝马来酸酐(POE-g-MAH)。
(2)复合材料的制备工艺如下：
首先将称量好的聚丙烯、聚乙烯以及硅烷偶联剂处理后的木纤维在110℃烘烤3小时，然后加入高速混料机中，在200转/分钟的转速下搅拌混合10分钟；再将称量好的润滑剂、抗氧化剂(主抗氧化剂与辅助抗氧化剂)以及增容剂加入高速混料机中，在100～120℃的温度下、800转/分钟的转速下搅拌混合10分钟得混合物料，出料，备用；
利用双螺杆挤出机将上述混合物料进一步混合均匀并造粒，其中双螺杆挤出机各段的温度设定如下：一段140℃，二段175℃，三段190℃，四段200℃，五段195℃，六段190℃，七段190℃，八段185℃，九段185℃，模头200℃；螺杆转速为400转/分钟；将造粒完成的混合物料烘干(100℃、3小时)得到多组份复合改性的聚丙烯复合材料(即为聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料)。
实施例3
多组份复合改性的聚丙烯复合材料的制备方法：
(1)制备复合材料的原料组成如下，按质量分数计：聚丙烯34％，聚乙烯34％，木纤维23％，润滑剂1％，抗氧化剂1％，增容剂7％，其中，木纤维经过钛酸酯类偶联剂处理。
其中所用的聚丙烯为无规聚丙烯。
其中所用的聚乙烯为高密度聚乙烯(HDPE)。
使用钛酸酯类偶联剂处理木纤维的工艺如下：将粒径为100目的未经处理的木纤维于100℃烘烤3小时，然后置于高速混料机中，保持高速混料机中的温度为100～120℃，将钛酸酯类偶联剂TC-POT配制成溶液(按质量分数计：钛酸酯类偶联剂20％、乙醇60％、去离子水20％)，并用喷雾器将所述溶液喷洒在木纤维中并高速搅拌混匀，其中钛酸酯类偶联剂TC-POT的用量为未经处理的木纤维质量的4％。
其中所用的润滑剂为聚乙烯蜡和硬脂酸锌的混合物，质量比优选为1:1。
其中所用的抗氧化剂采用复合抗氧化剂，其中主抗氧化剂为受阻酚类(Irganox245)，辅助抗氧化剂为亚磷酸酯类(Weston618)，主抗氧化剂和辅助抗氧化剂的质量比为1:1。
其中所用的增容剂选用聚乙烯接枝马来酸酐(PE-g-MAH)。
(2)复合材料的制备工艺如下：
首先将称量好的聚丙烯、聚乙烯以及钛酸酯类偶联剂处理后的木纤维在110℃烘烤3小时，然后加入高速混料机中，在300转/分钟的转速下搅拌混合8分钟；再将称量好的润滑剂、抗氧化剂(主抗氧化剂与辅助抗氧化剂)以及增容剂加入高速混料机中，在100～120℃的温度下、500转/分钟的转速下搅拌混合15分钟得混合物料，出料，备用；
利用双螺杆挤出机将上述混合物料进一步混合均匀并造粒，其中双螺杆挤出机各段的温度设定如下：一段150℃，二段180℃，三段195℃，四段205℃，五段200℃，六段195℃，七段195℃、八段190℃，九段185℃，模头205℃；螺杆转速为300转/分钟；将造粒完成的混合物料烘干(100℃、3小时)得到多组份复合改性的聚丙烯复合材料(即为聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料)。
上述实施例1～3所制备的复合材料的力学性能参见表1：
表1复合材料的力学性能
从表1可以看出，本发明实施例所制备的聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料的抗冲击强度达到了20KJ/m2以上，断裂伸长率达到了300％以上，拉伸屈服强度达到了21MPa以上，与现有的聚丙烯/聚乙烯复合材料相比，其成本降低10～40％，而且更加环保。本发明制备的复合材料可以用于汽车、电器、家装等众多领域的产品制造。

Claims (10)

1.一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料，其特征在于：按质量分数计由以下组分组成：30～70％的聚丙烯，10～50％的聚乙烯，10～25％的木纤维，0.1～2％的润滑剂，0.1～1％的抗氧化剂以及3～10％的增容剂，所述木纤维经过硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂处理。
2.根据权利要求1所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料，其特征在于：所述聚乙烯为低密度聚乙烯、高密度聚乙烯或线型低密度聚乙烯中的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料，其特征在于：所述木纤维的粒径为100～150目。
4.根据权利要求1所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料，其特征在于：所述润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、硬脂酸盐或乙撑双硬脂酰胺中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料，其特征在于：所述抗氧化剂采用复合抗氧化剂，复合抗氧化剂中的主抗氧化剂为受阻酚类或仲芳胺类，复合抗氧化剂中的辅助抗氧化剂为亚磷酸酯类，主抗氧化剂与辅助抗氧化剂的质量比为1:1。
6.根据权利要求1所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料，其特征在于：所述增容剂为聚丙烯接枝马来酸酐、聚乙烯接枝马来酸酐或乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐中的一种或多种的混合物。
7.一种如权利要求1所述聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将所述聚丙烯、聚乙烯以及硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂处理后的木纤维在100～120℃烘烤3～4小时后加入混料机中，然后在100～500转/分钟的转速下搅拌混合5～10分钟；然后将所述润滑剂、抗氧化剂以及增容剂加入所述混料机中，然后在至少100℃的温度下以及200～800转/分钟的转速下搅拌混合10～15分钟得混合物料；
2)利用双螺杆挤出机将所述混合物料进一步混合均匀并造粒，其中双螺杆挤出机各段的温度设定如下：进料段为140～200℃，熔融段为190～210℃，混炼段为180～200℃，排气和挤出段为180～190℃，模头为200～210℃；造粒完成后烘干即得聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料。
8.根据权利要求7所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂处理包括以下步骤：将未经处理的木纤维于100～120℃烘烤3～4小时后置于混料机中，然后在保持该混料机中的温度至少为100℃的条件下将硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂的溶液喷洒在该混料机中并与该混料机中的木纤维搅拌混匀，其中硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂的用量为未经处理的木纤维质量的2～5％。
9.根据权利要求8所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述溶液按质量分数计由以下组分组成：20％的硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂、60％的乙醇以及20％的去离子水。
10.根据权利要求7所述一种聚丙烯/聚乙烯/木纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的螺杆转速为300～400转/分钟。
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