CN106188916A - 一种高性能聚苯乙烯基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能聚苯乙烯基复合材料，包括聚苯乙烯、丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯共聚物、润滑剂、陶瓷晶须、陶瓷微球和硅烷偶联剂等。本发明还提供了高性能聚苯乙烯基复合材料的制备方法和应用，本发明以聚苯乙烯(PS)为基础材料，通过添加丙烯腈‑丁二烯‑苯乙烯共聚物(ABS)对其进行共混改性，然后以多相共混的加工方式添加活性陶瓷晶须、陶瓷微球等材料，制备出具有高强度、高耐磨、隔热保温阻燃等功能的工业板材专用材料，可用于工业例如家电行业增强、阻燃和隔热保温防腐板材，比纯PS材料性能更加优异，而且降低了成本。另外，其高强、高耐冲击、高耐海水腐蚀性可用于制造游艇船体等。

Description

一种高性能聚苯乙烯基复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种聚苯乙烯基复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种高性能聚苯乙烯基复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前，聚苯乙烯在工业上可以用于制造仪表外壳、灯罩、化学仪器零件和透明模型等；在电气方面可用于制造绝缘材料、接线盒和电池盒等；在日用品方面，广泛用于制造包装材料及各种容器、玩具等；发泡型的聚苯乙烯塑料用于反震、隔音材料及电冰箱衬里等。
聚苯乙烯作为工业板材应用时强度较低，通常采用增加板材厚度的办法，致使材料成本提高，另由于聚苯乙烯不阻燃，也影响产品使用性能，容易造成事故。本发明旨在解决以上缺陷，开发以聚苯乙烯基树脂合金为基础材料，共混具有高强度、高耐温、高耐磨及绝热保温特性的微米级活性陶瓷晶须和陶瓷微球，制备出功能性防腐新材料。该新材料的主要技术特点是秉承了传统高聚物树脂高防腐性能，同时较大幅度提高其耐高温性能、耐磨性能，阻燃性能和绝热保温性能等。该材料可广泛应用于工业板材，具有增强、阻燃和防腐的特性，同时降低板材厚度使成本减少。应用范围主要侧重于电冰箱、电冰柜、空调和电视机等壳体所用板材专用料，其主要目的是赋予普通PS树脂高性能化，提高其强度、模量、阻燃性和隔热保温性，降低收缩率和冷热变形，在加工过程中不降低树脂熔融指数和增加熔体粘度，同时达到减PS制品厚度，减轻家电重量的目的。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种聚苯乙烯基复合材料及其制备方法和应用，制备出的聚苯乙烯基复合材料拉伸强度、断裂伸长率、微卡软化点均有一定提升，同时导热系数较低，磨损质量降低，阻燃性能提高，其采用的技术方案如下：
一种高性能聚苯乙烯基复合材料，其特征在于，包含以下重量份数的组分：
PS 90份～110份
B料 30份～40份
所述B料为PS/ABS高填充母料，所述B料包含以下重量份数的组分：
所述A料为陶瓷晶须/陶瓷微球复合材料，所述A料包含以下重量份数的组分：
所述硅烷偶联剂溶液为无水乙醇稀释硅烷偶联剂形成的溶液，所述无水乙醇和硅烷偶联剂的体积分数比为8∶1～10∶1。
优选地，所述陶瓷晶须为镁盐类晶须，单晶纤维直径≤1μm，长度为10μm～80μm；所述陶瓷微球为中空密闭型微球，所述陶瓷微球粒径为1000目～2500目。
优选地，所述A料中陶瓷晶须为100份，陶瓷微球为80份。
高性能聚苯乙烯基复合材料中陶瓷晶须和陶瓷微球组分可较大幅度地提高材料的耐热性、耐磨性和力学性能，使之更适合于石油开采管道的防腐，同时降低体系的熔融流动性和熔融指数。陶瓷晶须和陶瓷微球被活化处理后亲合性较好，其球形粒径、大小分布及“滚珠效应”均对熔体流动性做出了贡献；陶瓷晶须和陶瓷微球还赋予了高性能聚苯乙烯基复合材料突出的绝热保温和阻燃性能，因为体系中所添加的陶瓷晶须和陶瓷微球材料本身的热传导率很低低，红外线透过率很小，是很好的隔热材料；另外专门为达到复合材料体系绝热保温性能而添加的陶瓷微球为中空密闭型微球，微球内部为及稀薄的气体，两种不同材料存在密度及导热系数差，所以具有独特的绝热保温特性。
优选地，所述B料中PS为50份，ABS为100份，用于保证高性能聚苯乙烯基复合材料的高防腐性能。
一种上述高性能聚苯乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备A料，将陶瓷晶须、陶瓷微球和硅烷偶联剂进行高速剪切捏合，捏合温度≤50℃，捏合时间为10min～12min，接着再加入分散剂或润滑剂继续高速捏合3min～5min，制成A料；
(2)制备B料，将PS、ABS和A料放入塑料开炼机进行混炼，所述开炼机前辊温度为160℃～170℃，后辊温度为150℃～160℃，混炼时间为10min～12min，混炼后切片卸料停放12h～24h，然后破碎成小片粒状，制成B料；
(3)制备高性能聚苯乙烯基复合材料，将PS和B料放入双螺杆挤出机进行共混造粒，所述双螺杆挤出机各段温度分别设定为130℃、150℃、170℃、180℃、190℃和180℃，螺杆转速为60r/min～100r/min，采用水冷切粒方式进行拉条切粒，冷却水温20℃～40℃，切粒后制得高性能聚苯乙烯基复合材料。
通过对陶瓷晶须、陶瓷微球和硅烷偶联剂进行高速剪切捏合，以及制备B料时的混炼，使陶瓷晶须和陶瓷微球在高性能聚苯乙烯基复合材料中充分分散，大幅减少“聚团”颗粒，使复合材料的综合性能大幅提高。
将上述高性能聚苯乙烯基复合材料用于工业板材，具有增强、阻燃和防腐的特性，同时降低板材厚度。应用范围主要侧重于电冰箱、电冰柜、空调、电视机等壳体所用板材专用料，其主要目的是赋予普通PS树脂高性能化，提高其强度、模量、阻燃性和隔热保温性，降低收缩率和冷热变形，在加工过程中不降低树脂融融指数和增加熔体粘度，同时达到减少PS制品厚度，减轻家电重量的目的。另外，其高强、高耐冲击、高耐海水腐蚀性可用于制造游艇船体。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“PS”为聚苯乙烯，术语“ABS”为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
一种高性能聚苯乙烯基复合材料，其特征在于，包含以下重量份数的组分：
PS 90份～110份
B料 30份～40份
B料为PS/ABS高填充母料，B料包含以下重量份数的组分：
A料为陶瓷晶须/陶瓷微球复合材料，A料包含以下重量份数的组分：
硅烷偶联剂溶液为无水乙醇稀释硅烷偶联剂形成的溶液，无水乙醇和硅烷偶联剂的体积分数比为8∶1～10∶1；
润滑剂优选为聚乙烯蜡；
以上各组分来源：
PS(聚苯乙烯)，上海苯领高分子材料公司产，牌号；1173HIPS
或者用道达尔公司产，牌号：8265HIPS
ABS，吉化集团公司合成树脂厂，牌号：0215A
陶瓷晶须，镁盐类晶须，化学式MgSO4·5MgO·8H2O，上海格润亚纳米材料有限公司产；
陶瓷微球，主要成分SiO2和Al2O3，真实密度2.3g/cm3，上海格润亚纳米材料有限公司；
硅烷偶联剂，南京轩浩新材料科技有限公司，牌号：KH550；
润滑剂，上海凯茵化工有限公司，牌号：聚乙烯蜡A-C6A；
分散剂，上海凯茵化工有限公司，牌号：LUBDE360B。
在试验中发现，所述A料中陶瓷晶须为100份，陶瓷微球为80份时，高性能聚乙烯基复合材料强度、阻燃，耐磨性和隔热保温性均有不错表现。
为了进一步提升高性能聚苯乙烯基复合材料的强度、耐磨性和隔热保温性，陶瓷晶须为镁盐类晶须，单晶纤维直径≤1μm，长度为10μm～80μm；陶瓷微球为中空密闭型微球，陶瓷微球粒径为1000目～2500目。
为了保证高性能聚苯乙烯基复合材料的抗冲击性和耐热性，B料中PS为50份，ABS为100份。
上述高性能聚苯乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备A料，将陶瓷晶须和陶瓷微球放入电烘箱中，在100℃左右温度下干燥3～5小时，使其水分≤1％，干燥后将陶瓷晶须、陶瓷微球和硅烷偶联剂放入CNF-A1型50立升超声波高速剪切捏合机(青岛科技大学高分子工程材料研究所研制)中，同时加入硅烷偶联剂溶液，进行高速剪切捏合，例如捏合机搅拌叶片转速为800～1200转/分，捏合温度≤50℃，捏合时间为10min～12min，接着再加入分散剂或润滑剂继续高速捏合3min～5min，制成A料；
(2)制备B料，将PS、ABS和A料放入XK-300开放式塑料开炼机进行混炼，该XK-300开放式塑料开炼机前辊温度为160℃～170℃，后辊温度为150℃～160℃，混炼时间为10min～12min，混炼过程充分翻炼，使各组分分散均匀，混炼后切片卸料停放12h～24h，然后将切片后的材料放入SPW700HB塑料粉碎机(台州磐石机械有限公司产)破碎成小片粒状，制成B料；
(3)制备高性能聚苯乙烯基复合材料，将PS和B料放入TSE-65D双螺杆挤出造粒机进行共混造粒，所述TSE-65D双螺杆挤出造粒机各段温度分别设定为130℃、150℃、170℃、180℃、190℃和180℃，螺杆转速为60r/min～100r/min，采用水冷切粒方式进行拉条切粒，冷却水温20℃～40℃，切粒后制得高性能聚苯乙烯基复合材料。
实施例1：
制备A料，称取陶瓷晶须(单晶纤维直径≤1μm，长度10μm～80μm)10kg，陶瓷微球(1250目)8kg，硅烷偶联剂溶液300g，聚乙烯蜡200g，将陶瓷晶须和陶瓷微球放入电烘箱中，在100℃左右温度下干燥4小时，使其水分≤1％，然后将陶瓷晶须、陶瓷微球、硅烷偶联剂溶液和聚乙烯蜡投入到CNF-A1型50立升超声波高速剪切捏合机，在捏合机搅拌叶片转速1000转/分，捏合温度≤50℃的条件下捏合11min，接着再加入分散剂继续高速捏合4min然后放料冷却至室温，制成A料；
制备B料，称取PS(上海苯领高分子材料公司产，牌号；1173HIPS)5kg，ABS 10kg，A料12kg，放入XK-300开放式塑料开炼机进行混炼，开炼机前辊温度160℃～170℃，后辊温度150℃～160℃，混炼过程充分翻炼，混炼时间11min，然后切片卸料停放12h，将停放消除内应力的共混料切片料放入塑料SWP700HB塑料粉碎机进行破碎成小片粒状，制成B料。
制备高性能聚苯乙烯基复合材料，称取PS 20kg，B料2kg，放入CNF-A1型50立升超声波高速剪切捏合机中，在捏合机搅拌叶片转速1000转/分，在捏合温度≥80℃条件下共混捏合3min后卸料，然后通过自动上料辅机将共混料放入TSE-65D双螺杆挤出造粒机中进行共混造粒，双螺杆挤出机各段温度分别设定为130℃、150℃、170℃、180℃、190℃和180℃，采用水冷切粒方式进行拉条切粒，冷却水温20℃～40℃，切粒后制得高性能聚苯乙烯基复合材料。
实施例2
A料和B料的制备方法同上述实施例1。
制备高性能聚苯乙烯基复合材料，称取PS 20kg，B料4kg，放入CNF-A1型50立升超声波高速剪切捏合机中，在捏合机搅拌叶片转速1000转/分，在捏合温度≥80℃条件下共混捏合3min后卸料，然后通过自动上料辅机将共混料投放到TSE-65D双螺杆挤出造粒机中进行共混造粒，双螺杆挤出机各段温度分部设定为：130℃、150℃、170℃、180℃、190℃、180℃，采用水冷切粒方式进行拉条切粒，冷却水温20℃～40℃，切粒后制得高性能聚苯乙烯基复合材料。
实施例3
A料和B料的制备方法同上述实施例1。
制备高性能聚苯乙烯基复合材料，称取PS 20kg，B料6kg，放入CNF-A1型50立升超声波高速剪切捏合机中，在捏合机搅拌叶片转速1000转/分，在捏合温度≥80℃条件下共混捏合3min后卸料，然后通过自动上料辅机将共混料投放到TSE-65D双螺杆挤出造粒机中进行共混造粒，挤出机各段温度分部设定为：130℃、150℃、170℃、180℃、190℃、180℃，采用水冷切粒方式进行拉条切粒，冷却水温20℃～40℃，切粒后制得高性能聚苯乙烯基复合材料。
实施例4
分别对纯PS和实施例1～3制备的高性能聚苯乙烯基复合材料进行性能测试。
耐磨性用体积磨损表征，按照GB/T 3960-1983塑料滑动摩擦磨损试验方法进行测试；低温冲击强度，依据GB/T17748-2008标准进行测试；耐热性用维卡软化点表征，依照GB/T 8802-2001热塑性塑料管材、管件维卡软化温度的测定；抗拉强度按照GB/T 1040-1992塑料拉伸性能试验方法进行测试；拉伸断裂伸长率按照GB/T 1040.1-2006标准进行测试；附着性测试，根据GB/T 11211-2009进行测定；耐热性测试，根据CNS 10757(1995)标准进行测定；酸浸渍试验，根据CNS 10757(1995)标准测定；耐油性试验，根据CNS 10757(1995)标准测定。
绝热性能用红外线透过率表征，根据标准GB10294-1988进行测试，采用LS102/LS103A光学透过率测量仪，测试原理是采用紫外光源，红外光源和可见光源照射被测透明物质，感应器分别探测三种光源的入射光强和透过被测透明物质后的光强，透过光强与入射光强的比值即为透过率，用百分数表示。
阻燃性能测定标准编号：GB/T 2406-2008塑料燃烧性能试验方法——氧指数法。
采用以上测试方法分别对纯PS和实施例1～3制备的高性能聚苯乙烯基复合材料进行性能测试，结果如下：
高性能聚苯乙烯基复合材料性能测试结果
由试验数据可以看出，高性能聚苯乙烯基复合材料拉伸强度比纯PS提升10％～12％，弯曲强度提升15％～23％，断裂伸长率提升10％～16％，微卡软化点提高10％～12％，磨损质量降低50％，氧指数提升16％～38％，收缩率降低了23％～45％。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高性能聚苯乙烯基复合材料，其特征在于，包含以下重量份数的组分：
PS 90份～110份
B料 30份～40份
所述B料为PS/ABS高填充母料，所述B料包含以下重量份数的组分：
所述A料为陶瓷晶须/陶瓷微球复合材料，所述A料包含以下重量份数的组分：
所述硅烷偶联剂溶液为无水乙醇稀释硅烷偶联剂形成的溶液，所述无水乙醇和硅烷偶联剂的体积分数比为8∶1～10∶1。
2.根据权利要求1所述的高性能聚苯乙烯基复合材料，其特征在于，所述A料中陶瓷晶须为100份，陶瓷微球为80份。
3.根据权利要求1所述的高性能聚苯乙烯基复合材料，所述陶瓷晶须为镁盐类晶须，单晶纤维直径≤1μm，长度为10μm～80μm；所述陶瓷微球为中空密闭型微球，所述陶瓷微球粒径为1000目～2500目。
4.根据权利要求3所述的高性能聚苯乙烯基复合材料，其特征在于，所述B料中PS为50份，ABS为100份。
5.一种根据权利要求1所述的高性能聚苯乙烯基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备A料，将陶瓷晶须、陶瓷微球和硅烷偶联剂进行高速剪切捏合，捏合温度≤50℃，捏合时间为10min～12min，接着再加入分散剂或润滑剂继续高速捏合3min～5min，制成A料；
(2)制备B料，将PS、ABS和A料放入塑料开炼机进行混炼，所述开炼机前辊温度为160℃～170℃，后辊温度为150℃～160℃，混炼时间为10min～12min，混炼后切片卸料停放12h～24h，然后破碎成小片粒状，制成B料；
(3)制备高性能聚苯乙烯基复合材料，将PS和B料放入双螺杆挤出机进行共混造粒，所述双螺杆挤出机各段温度分别设定为130℃、150℃、170℃、180℃、190℃和180℃，螺杆转速为60r/min～100r/min，采用水冷切粒方式进行拉条切粒，切粒后制得高性能聚乙烯基复合材料。
6.一种根据权利要求5所述的高性能聚苯乙烯基复合材料的制备方法制备的高性能聚苯乙烯基复合材料。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的高性能聚苯乙烯基复合材料的应用，其特征在于，所述高性能聚苯乙烯基复合材料用于制备工业板材。
8.根据权利要求7所述的高性能聚苯乙烯基复合材料的应用，其特征在于，所述工业板材为家电行业板材。
9.根据权利要求8所述的高性能聚苯乙烯基复合材料的应用，其特征在于，所述家电行业板材为电冰箱、电冰柜、空调或电视机壳体板材。
10.根据权利要求1～6中的任一项所述的高性能聚苯乙烯基复合材料的应用，其特征在于，所述高性能聚苯乙烯基复合材料用于制备游艇船体材料。
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