CN106084541B - 一种自增强异型材及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自增强异型材及其制备方法和应用，包括PVC型材以及设置在PVC型材型腔内的增强内衬材料，其重量份数如下，PVC型材100份；增强内衬材料5份‑120份；其中，所述增强内衬材料按重量份数计，包括组分：苯乙烯基共聚物25‑65份；增强剂A20‑40份，增强剂B10‑25份。其制备方法是先制备增强内衬材料，然后采用主机与该主机垂直设计的辅机进行共挤，主机用于挤出PVC型材，辅机用于挤出增强内衬材料，主机、辅机同时挤出，成型后冷却定型得到自增强异型材。本发明的自增强异型材可避免在运输，安装和使用过程中增强内衬与型材的剥离问题，且可避免高温共挤造成PVC型材的碳化问题，具有优异的导电性能，可大大降低雷雨天气高层建筑被雷击的风险。

Description

一种自增强异型材及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及塑料型材技术领域，具体涉及一种自增强异型材及其制备方法和应用。
背景技术
PVC异型材广泛应用在建筑门窗，木塑地板，家具板材等方面，然而PVC材料本身刚度较低，抗变形能力差，在用作门窗材料时需加装钢衬。传统的金属钢衬虽能有效提高PVC异型材的抗变形能力，但是钢衬存在生产能耗高，耐腐蚀效果差，保温隔热，隔音效果差，材料密度大，焊角强度低的缺点，而且在型材安装时，工艺复杂，需要安装人员在施工现场将钢衬和塑钢型材固定，增加了门窗安装的装配工序。基于此种情况，相关企业推出以塑代钢的材料，取代传统钢材。塑料本身有着良好的隔热，耐腐蚀，轻量化的优点，然而未改性的塑料刚度与钢材差距太大，不能满足异型材抗变形的要求。
采用玻纤增强的手段，能大幅提高塑料的刚度，为此提供了一种解决方案，如CN102817529 B，CN 203066745 U，CN 202227876 U，CN 103075071 B等专利公开了一种以玻纤增强PBT，碳纤增强PBT，改性PBT中的任意一种为增强条，以PVC材料为基材的自增强型材，以替代常规的钢衬增强型材。但是在这些方案中，存在以下不足之处：（1）基材PVC与增强条PBT高温共挤容易造成PVC基材的分解发泡，碳化，从而产生型材变色，气味大；（2）增强条PBT与基材PVC的界面结合力差，在型材运输，安装和使用的过程中，由于碰撞和弯曲容易导致基材PVC和增强条PBT的剥离，这样就会大大降低增强条的增强作用，大大限制了其应用。
另外，随着现在城市化进程的加速，高楼大厦的建筑越来越多，对建筑材料的防雷击要求越来越高，而常用的自增强共挤型材都属于绝缘材料，不利于雷电天气电荷的传输，在雷雨天气很容易遭受雷击，造成不可避免的破坏。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自增强异型材，该自增强异型材可避免在运输，安装和使用过程中增强内衬材料与PVC型材的剥离问题，且可避免高温共挤造成PVC型材的碳化分解问题，具有优异的导电性能，可大大降低雷雨天气高层建筑被雷击的风险。
本发明的另一个目的是在于提供上述自增强异型材的制备方法。
本发明通过下述技术方案来实现：
一种自增强异型材，包括 PVC型材以及设置在PVC型材型腔内的增强内衬材料，其重量份数如下：
PVC型材 100份
增强内衬材料 5份-120份
其中，所述增强内衬材料按重量份数计，包括如下组分：
苯乙烯基共聚物 25-65份；
增强剂A 20-40份；
增强剂B 10-25份。
所述PVC型材与增强内衬材料的粘结力为400-600 N，所述粘结力测试采用如下方法：将PVC型材注塑成2mm×10mm×100mm的样条，然后再把PVC样条放置在4mm×10mm×100mm的模具中二次注塑增强内衬材料，得到PVC型材与增强内衬材料的粘附体，最后通过Zwick公司的拉伸试验机来测试粘结力的大小。
所述增强内衬材料的挤出温度区间为160-215℃。
所述苯乙烯基共聚物树脂在220℃，10kg载荷条件下的熔体流动速率为1 g/10min-80g/10min，为更易挤出成型，优选5 g/10min-20g/10min，更优选为10 g/10min -15g/10min。
所述苯乙烯基共聚物选自苯乙烯-丙烯腈共聚物AS、苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物ABS、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物MABS、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物ASA、丙烯腈-三元乙丙橡胶-苯乙烯共聚物AES、丙烯腈-硅丙橡胶-苯乙烯共聚物SAS、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物MS中的一种或几种。
所述增强剂A选自玻璃纤维、玄武岩纤维、滑石粉、硅灰石、晶须、玻璃微珠中的一种或几种，优选玻璃纤维，所述玻璃纤维的直径为6-20μm。
所述增强剂B选自碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯或炭黑中的一种或几种，优选碳纤维；
本发明所述增强内衬材料，按重量份数计，还包括相容剂0.5-10份、偶联剂0.1-5.0份、加工助剂0.1-5.0份。
所述相容剂选自苯乙烯-丁二烯-丙烯腈-马来酸酐共聚物、苯乙烯-丁二烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐共聚物、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、丙烯酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物树脂、苯乙烯-马来酸酐共聚物中的一种或几种；
所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂中的一种或几种；
所述加工助剂包括润滑剂或抗氧剂中的一种或几种。
所述润滑剂选自脂肪酸盐、脂肪酸酰胺、季戊四醇硬脂酸酯、固体石蜡、液体石蜡、硬脂酸盐、硅酮、N,N'-乙撑双硬脂酸酰胺中的一种或几种。
所述抗氧剂为四[β-(3, 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季茂四醇脂和三[2, 4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的混合物。
本发明所述的自增强异型材的制备方法，包括以下步骤：
（1）增强内衬材料的制备：除增强剂A外，按配比将增强内衬材料的各原料加入高混机中混合均匀；将上述混合物料送入双螺杆挤出机中，其中增强剂A通过第一排气孔或侧喂系统加入，熔融挤出造粒，即得增强内衬材料；
（2）共挤成型：采用主机与该主机垂直设计的辅机进行共挤制备，主机用于挤出PVC型材，辅机用于挤出增强内衬材料，主机、辅机同时挤出，成型后冷却定型得到自增强异型材。
步骤（1）中，所述混合温度为20-50℃，转速为100-800转/分钟，混合时间为2-5分钟；所述双螺杆挤出机各段温度为200-240℃，双螺杆挤出机的长径比为36-48，螺杆转速为300-500转/分钟。
步骤（2）中，所述主机为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机各段温度为150-200℃；所述辅机为单螺杆挤出机，单螺杆挤出机各段温度为160-215℃。
优选的，所述主机为双螺杆挤出机，机头温度为175-195℃，机身一区温度为155-165℃，机身二区温度为165-175℃，机身三区温度为175-185℃，机身四区温度为175-185℃，螺杆转速为18-22rpm；所述辅机为单螺杆挤出机，机头温度为175-195℃，机身一区温度为160-165℃，机身二区温度为160-175℃，机身三区温度为175-185℃，机身四区温度为175-185℃，螺杆转速为18-22rpm。
本发明还提供了上述自增强异型材在建筑门窗、木塑地板或家具板材中的应用。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
（1）本发明采用的增强内衬材料为无定形材料，由于其与PVC基材具有更好的相容性，避免了自增强异型材在运输，安装和使用的过程中出现增强内衬与PVC基材的剥离问题，，可广泛应用于建筑门窗、木塑地板或家具板材中；
（2）本发明采用的增强内衬材料能在160-215℃温度范围内稳定的挤出，具有更宽的加工窗口，且160℃的挤出成型温度与PVC材料相差无几，从根源解决了在共挤过程中PVC型材因高温挤出造成的分解发泡，碳化，变色，气味大问题，大大提高了共挤型材的生产稳定性，同时较低的成型温度也会大大降低能耗，更加环保；
（3）本发明采用的增强内衬材料具有更高的熔体强度，具有更优异的加工成型性能，从而大大提高成型的稳定性；
（4）在提供同样刚性的条件下，本发明的增强内衬材料密度更低，自增强共挤型材重量更轻，符合国家提倡的轻量化，低碳环保趋势；
（5）本发明的增强内衬材料具有优异的导电性能，可大大降低雷雨天气高层建筑被雷击的风险。
附图说明：
图1为粘结力测试时，PVC型材与增强内衬的粘附体照片。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面通过实施例对本发明作进一步的说明，需要说明的是实施例并不构成对本发明保护范围的限制。
所用原材料如下：
PVC型材，PVC-EX23，金发科技自制；
AS苯乙烯-丙烯腈树脂，SAN PN-137H，中国 台湾奇美，熔体流动速率12 g/10min；
AS苯乙烯-丙烯腈树脂，SAN NF-5台化定制；熔体流动速率5 g/10min；
AS苯乙烯-丙烯腈树脂，SAN NF2200，台化，熔体流动速率35g/10min；ABS 树脂，ABS AG10NP，台化；熔体流动速率6 g/10min；
PBT树脂，PBT 1200-211M，中国 台湾长春；
ASA苯乙烯-丙烯腈-丙烯酸酯共聚物，ASA PW-997，中国 台湾奇美；熔体流动速率5g/10min；
玻璃纤维，ECS13-4.5-534A，桐乡巨石，直径为6~20μm。
碳纳米管，Graphistrength，法国阿科玛；
碳纤维，PX35CA0250-65，日本东丽；
马来酸酐苯乙烯共聚物，SMA-700，上海华雯公司；
偶联剂，KH560，沸点化工；
润滑剂，N,N'-亚乙基双硬脂酰胺，上海宁成；
抗氧剂，168 和1010，瑞士汽巴精化公司。
增强内衬材料的制备：
除增强剂A外，按表1配比将增强内衬的各原料加入高混机中混合均匀；将上述混合物料送入双螺杆挤出机中，其中增强剂A通过第一排气孔或侧喂系统加入，熔融挤出造粒，即得增强内衬。其中，所述混合温度为20-50℃，转速为100-800转/分钟，混合时间为2-5分钟；所述双螺杆挤出机各段温度为200-240℃，双螺杆挤出机的长径比为36-48，螺杆转速为300-500转/分钟。
将得到的增强内衬材料在90℃的鼓风烘箱中干燥4小时后，用宁波海天注射成型机BS650-Ⅲ制样，注塑温度设定为230-240-240-250℃，所得增强内衬材料的物性测试结果性能见表1。
拉伸强度按ISO 527标准进行测试，试样为Ⅰ型试样，测试设备为德国Zwick公司的拉伸试验机Z020。
弯曲强度按ISO 178标准进行测试，试样尺寸为4mm×10mm×80mm，测试设备为德国Zwick Roell公司的弯曲试验机Z005。
IZOD缺口冲击强度按照ISO 180标准进行测试，试样尺寸为4mm×10mm×80mm，缺口深度为2mm。测试设备为德国Zwick Roell公司的冲击试验机HIT5.5P。
密度按ISO 1183标准进行测试，测试设备为日本ALFA MIRAGE的数显液体密度计MD-300S。
表面电阻率按IEC60093-1980标准测试，测试设备为是北京北广精仪公司的表面电阻率测试仪 BDAT-A。
粘结力测试：现将PVC树脂注塑成2mm×10mm×100mm的样条，然后再把PVC样条放置在4mm×10mm×100mm的模具中二次注塑增强内衬材料，得到PVC型材与增强内衬材料的粘附体，如图1所示。最后通过Zwick公司的拉伸试验机来测试粘结力的大小，从而表征增强内衬与PVC型材的粘结性能。
表1 增强内衬各组分配比（重量份）及物性
B1 B2 B3 A1 A2 A3
SAN PN-137H 65 55 45
SMA-700 5 5 5 5 5 5
PBT 1200-211M 65 55 45
ECS13-4.5-534A 30 20 25 30 20 25
PX35CA0250-65 20 25 15 20 25
KH560 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
168 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
1010 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
N,N'-亚乙基双硬脂酰胺 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
拉伸强度（Mpa） 130 153 154 160 158 168
弯曲模量（Mpa） 9000 13500 14500 14200 14000 16400
IZOD缺口冲击强度(kJ/m<sup>2</sup>) 8.1 8.5 7.8 13.8 13.2 14.7
密度 ( g/cm<sup>3</sup>) 1.51 1.54 1.62 1.38 1.33 1.43
表面电阻率（Ω） 10<sup>12</sup> 10<sup>3</sup> 10<sup>2</sup> 10<sup>5</sup> 10<sup>3</sup> 10<sup>2</sup>
续表1：
从表1可以看出同样纤维含量的情况下，本发明的增强内衬材料具有更加优异的力学性能，尤其是刚性更要优于增强PBT材料，在以塑代钢方面的优势更加明显。其次，在提供相同刚性的条件下，本发明的增强内衬材料密度更低，所制备的自增强共挤型材重量更轻，符合国家提倡的轻量化，低碳环保趋势。最后，本发明的增强内衬材料具有优异的导电性能，可大大降低雷雨天气高层建筑被雷击的风险。
自增强异型材的制备：
采用主机与该主机垂直设计的辅机进行共挤制备，按表2配比，主机用于挤出PVC型材，辅机用于挤出增强内衬材料，主机、辅机同时挤出，成型后冷却定型得到自增强异型材；
其中，所述主机为双螺杆挤出机，机头温度为175-195℃，机身一区温度为155-165℃，机身二区温度为165-175℃，机身三区温度为175-185℃，机身四区温度为175-185℃，螺杆转速为18-22rpm；所述辅机为单螺杆挤出机，机头温度为175-195℃，机身一区温度为160-165℃，机身二区温度为160-175℃，机身三区温度为175-185℃，机身四区温度为175-185℃，螺杆转速为18-22rpm。
表2 自增强异型材的各组分配比及性能结果（重量份）
续表2
从表2的数据可以看出，增强PBT材料与PVC型材的粘结力只有140N左右，而采用本发明的增强内衬材料，其与PVC型材的粘结力提高到400-600N，是增强PBT材料的3倍，这说明本发明的增强内衬材料与PVC型材具有更好的相容性，在型材的运输，安装和使用过程中不会出现剥离现象。其次，增强PBT材料在220-250℃的温度区间才可以塑化稳定挤出，加工窗口窄且加工温度高，而本发明的增强内衬材料在160-215℃较宽的范围之内塑化都很好，且可以稳定挤出，这说明本发明的增强内衬材料具有更宽的加工窗口，且160℃的挤出成型温度与PVC型材相差无几，从根源上避免了高温共挤造成PVC型材的分解发泡，碳化，变色，气味大等问题，同时较低的成型温度也会大大降低能耗，更加环保。

Claims (19)

1.一种自增强异型材，其特征在于，包括 PVC型材以及设置在PVC型材型腔内的增强内衬材料，其重量份数如下：
PVC型材 100份
增强内衬材料 5份-120份
其中，所述增强内衬材料按重量份数计，包括如下组分：
苯乙烯基共聚物 25-65份；
增强剂A 20-40份；
增强剂B 10-25份。
2.根据权利要求1所述的自增强异型材，其特征在于，所述PVC型材与增强内衬材料的
粘结力为400-600 N，所述粘结力测试采用如下方法：将PVC型材注塑成2mm×10mm×100mm的样条，然后再把PVC样条放置在4mm×10mm×100mm的模具中二次注塑增强内衬材料，得到PVC型材与增强内衬材料的粘附体，最后通过Zwick公司的拉伸试验机来测试粘结力的大小。
3.根据权利要求1所述的自增强异型材，其特征在于，所述增强内衬材料的挤出温度区
间为160-215℃。
4.根据权利要求1所述的自增强异型材，其特征在于，所述苯乙烯基共聚物在220℃，10kg载荷条件下的熔体流动速率为1 g/10min-80g/10min。
5.根据权利要求4所述的自增强异型材，其特征在于，所述苯乙烯基共聚物在220℃，10kg载荷条件下的熔体流动速率为5 g/10min-20g/10min。
6.根据权利要求5所述的自增强异型材，其特征在于，所述苯乙烯基共聚物在220℃，10kg载荷条件下的熔体流动速率为10 g/10min -15 g/10min。
7.根据权利要求4所述的自增强异型材，其特征在于，所述苯乙烯基共聚物选自苯乙烯-
丙烯腈共聚物AS、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物MABS、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物ASA、丙烯腈-三元乙丙橡胶-苯乙烯共聚物AES、丙烯腈-硅丙橡胶-苯乙烯共聚物SAS、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物MS中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的自增强异型材，其特征在于，所述增强剂A选自玻璃纤维、玄武
岩纤维、滑石粉、硅灰石、晶须、玻璃微珠中的一种或几种。
9.根据权利要求8所述的自增强异型材，其特征在于，所述增强剂A为玻璃纤维。
10.根据权利要求8所述的自增强异型材，其特征在于，所述玻璃纤维的直径为6-20μm。
11.根据权利要求1所述的自增强异型材，其特征在于，所述增强剂B选自碳纤维、碳纳米
管、石墨、石墨烯或炭黑中的一种或几种。
12.根据权利要求11所述的自增强异型材，其特征在于，所述增强剂B为碳纤维。
13.根据权利要求1所述的自增强异型材，其特征在于，按重量份数计，所述增强内衬材料还包括相容剂0.5-10份、偶联剂0.1-5.0份、加工助剂0.1-5.0份。
14.根据权利要求13所述的自增强异型材，其特征在于，所述相容剂选自苯乙烯-丁二烯-丙烯腈-马来酸酐共聚物、苯乙烯-丁二烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、苯乙烯-丙烯腈-马来酸酐共聚物、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、丙烯酸酯树脂、甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-马来酸酐共聚物中的一种或几种；所述偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂中的一种或几种；所述加工助剂包括润滑剂或抗氧剂中的一种或几种。
15.根据权利要求1-14任一项所述的自增强异型材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）增强内衬材料的制备：除增强剂A外，按配比将增强内衬材料的各原料加入高混机中混合均匀；将上述混合物料送入双螺杆挤出机中，其中增强剂A通过第一排气孔或侧喂系统加入，熔融挤出造粒，即得增强内衬材料；
（2）共挤成型：采用主机与该主机垂直设计的辅机进行共挤制备，主机用于挤出PVC型材，辅机用于挤出增强内衬材料，主机、辅机同时挤出，成型后冷却定型得到自增强异型材。
16.根据权利要求15所述的增强异型材的制备方法，其特征在于，步骤 （1）中，所述混合温度为20-50℃，转速为100-800转/分钟，混合时间为2-5分钟；所述双螺杆挤出机各段温度为200-240℃，双螺杆挤出机的长径比为36-48，螺杆转速为300-500转/分钟。
17.根据权利要求15所述的自增强异型材的制备方法，其特征在于，步骤 （2）中，所述主机为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机各段温度为150-200℃，所述辅机为单螺杆挤出机，单螺杆挤出机各段温度为160-215℃。
18.根据权利要求17所述的自增强异型材的制备方法，其特征在于，所述主机为双螺杆挤出机，机头温度为175-195℃，机身一区温度为155-165℃，机身二区温度为165-175℃，机身三区温度为175-185℃，机身四区温度为175-185℃，螺杆转速为18-22rpm；所述辅机为单螺杆挤出机，机头温度为175-195℃，机身一区温度为160-165℃，机身二区温度为160-175℃，机身三区温度为175-185℃，机身四区温度为175-185℃，螺杆转速为18-22rpm。
19.权利要求1-14任一项所述的自增强异型材在建筑门窗、木塑地板或家具板材中的应用。
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