CN106232693A - 纤维增强塑料组合物、由此形成的提高冲击性能的纤维增强复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包含热塑性树脂、反应型橡胶及玻璃纤维的纤维增强塑料组合物及由所述纤维增强塑料组合物形成的纤维增强复合材料。并且，提供一种如下的纤维增强复合材料的制备方法，即，所述纤维增强复合材料制备方法包括：在第一挤压机投入热塑性树脂及反应型橡胶后，通过熔融混炼来制备热塑性树脂组合物的步骤；将所制备的所述热塑性树脂组合物和纤维投入到第二挤压机后，通过混炼来制备纤维增强塑料组合物的步骤；以及通过使所制备的所述纤维增强塑料组合物成型来制备纤维增强复合材料的步骤。

Description

纤维增强塑料组合物、由此形成的提高冲击性能的纤维增强 复合材料
技术领域
本发明提供一种纤维增强塑料组合物、由此形成的提高冲击性能的纤维增强复合材料。
背景技术
通常，在热塑性树脂中，利用聚丙烯的纤维增强复合材料通过将含有丙烯-乙烯共聚物的热塑性树脂和接枝极性功能的改性丙烯及含有羟基的聚烯烃多元醇浸渍于玻璃/碳等的连续纤维来形成，使得纤维增强复合材料具有优秀的耐冲击性，而且具有良好的强度及刚性。
此时，热塑性树脂与连续纤维之间的浸渍性是对提高上述长纤维复合材料的机械物性及冲击物性产生很大影响的因素，当两个材料的浸渍性低时，由于连续纤维不在热塑性树脂内粘结，使得有可能在复合材料内部形成裂缝及气孔等，导致可能产生对物性不利的影响。
对此，为了提高上述热塑性树脂与连续纤维之间的浸渍性，尽管使用了相容剂，但上述相容剂的配方在超过规定含量时其效果并不能表现出来，而在过量配方的情况下，可对物性产生不利的影响，在调节强度、刚性及冲击性能方面存在局限性。对此，除使用相容剂之外，需要研究一种可提高冲击性能的因子。
发明内容
本发明要解决的技术问题
本发明的一实施例提供一种如下的纤维增强塑料组合物，即通过在热塑性树脂及玻璃纤维上包含反应型橡胶(RTPO：Reactor-made Thermoplastic Poly Olefin)，使得纤维增强塑料组合物的高速冲击性能因橡胶的特性而比以往更加优秀。
本发明的另一实施例提供一种由上述纤维增强塑料组合物形成的纤维增强复合材料及其制备方法。
技术方案
本发明的一实施例中提供一种包含热塑性树脂、反应型橡胶及纤维的纤维增强塑料组合物。
相对于100重量份的上述热塑性树脂，可包含大约1重量份至大约20重量份的上述反应型橡胶、大约5重量份至45重量份的上述纤维。
上述热塑性树脂可以为选自由芳香族乙烯类树脂、橡胶改性芳香族乙烯类树脂、聚苯醚类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚酯类树脂、甲基丙烯酸酯类树脂、聚芳硫醚类树脂、聚酰胺类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚烯烃类树脂及它们的组合组成的组中的1种以上。
上述聚烯烃类树脂为聚丙烯类树脂，上述聚丙烯类树脂为丙烯均聚物或乙烯-丙烯聚合物的上述反应型橡胶可通过在聚丙烯链节聚合橡胶成分而成。
上述橡胶成分可以为选自由乙烯-丙烯类橡胶、α-烯烃类橡胶、苯乙烯类热塑性弹性体及它们的组合组成的组中的1种以上。
上述纤维可以为选自由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的1种以上。
上述玻璃纤维的平均直径可以为大约15μm至约20μm。
本发明还可包含添加剂。
上述添加剂可以为选自由抗氧化剂、热稳定剂、分散剂、相容剂、颜料及它们的组合组成的组中的1种以上。
本发明的再一实施例提供一种由上述纤维增强塑料组合物形成的纤维增强复合材料。
上述纤维增强复合材料的弯曲弹性率(flexural modulus)可以为大约5GPa至大约6GPa。
上述纤维增强复合材料的冲击吸收能量可以为大约1.5J至大约3J。
上述纤维增强复合材料的落球冲击强度可以是大约5J/mm至大约7J/mm。
本发明的另一实施例提供如下的纤维增强复合材料制备方法，即，上述纤维增强复合材料制备方法包括：在第一挤压机投入热塑性树脂及反应型橡胶后，通过熔融混炼来制备热塑性树脂组合物的步骤；将所制备的上述热塑性树脂组合物和纤维投入到第二挤压机后，通过混炼来制备纤维增强塑料组合物的步骤；以及通过使所制备的上述纤维增强塑料组合物成型来制备纤维增强复合材料的步骤。
通过使上述纤维增强塑料组合物成型来制备纤维增强复合材料的步骤可包括：通过利用挤出模具连续挤压所制备的上述纤维增强塑料组合物来制备具有规定大小及形状的挤出物的步骤；以及通过使所制备的上述挤出物冲压成型来制备纤维增强复合材料的步骤。
有益效果
上述纤维增强塑料组合物可提高热塑性树脂与纤维之间的相溶性。
上述纤维增强复合材料可在保持强度、刚性的同时体现优秀的高速冲击性能。
通过使用上述纤维增强复合材料的制备方法来使高刚性、高强度及高速冲击强度优秀，从而可制备能够适用于经轴、座套、盖环等汽车零部件和材料的纤维增强复合材料。
附图说明
图1示出本发明的实施例的反应型橡胶在热塑性树脂内分散及分配的形状。
图2示出利用现有技术使橡胶粒子分散及分配在热塑性树脂内的形状。
具体实施方式
以下，详细说明本发明的实施例。然而，这仅属于例示，本发明并不受此限制，本发明应根据后述的发明要求保护范围的范畴来定义。
本发明的一实施例提供一种包含热塑性树脂、反应型橡胶(RTPO：Reactor-madeThermoplastic Poly Olefin)及纤维的纤维增强塑料组合物。
上述纤维增强塑料组合物可包含反应型橡胶。例如，在丙烯聚合反应时，在用增加乙烯丙烯橡胶含量的橡胶使单独的橡胶树脂或橡胶粒子的配方最小化的状态下，上述反应型橡胶可提高上述纤维增强塑料组合物的冲击特性。
具体地，上述反应型橡胶(RTPO)可以是聚烯烃为聚丙烯的反应型聚丙烯。反应型聚丙烯指包含丙烯单体而聚合的具有橡胶特性的高分子，例如，可以是将丙烯单体的百分比设定为大约20摩尔百分比至大约80摩尔百分比的共聚物，或可以是在聚丙烯接枝反应型官能团的树脂。
现有的橡胶具有如下问题，即不能同时体现流动性和冲击特性，且工序中橡胶与其他树脂之间发生反应物凝结的现象，而上述组合物则可通过包含上述反应型橡胶来同时体现优秀的树脂内流动性及树脂本身的耐冲击性。
图2示出了利用现有技术使橡胶粒子分散及分配在热塑性树脂内的形状。如图2所示，在使用除作为基质(matrix)使用的热塑性树脂以外的橡胶树脂的情况下，因橡胶树脂可体现耐冲击性，但在添加普通橡胶树脂或橡胶粒子的情况下，出现相溶性及流动性下降的问题，而且可对加工性造成不利的影响。并且，若使作为极性的橡胶分散及分配在如聚丙烯等非极性热塑性树脂基质内，则因两者之间相反的极性，可导致发生相分离的现象。
相反，图1示出本发明的实施例的反应型橡胶在热塑性树脂内分散及分配的形状，如图1所示，通过除作为基质来使用的热塑性树脂之外使用反应型橡胶来抑制相分离的现象，从而可使反应型橡胶均匀地分散在热塑性树脂内。并且，随着包含热塑性树脂、反应型橡胶及纤维的纤维增强塑料组合物在加工中相溶性增大，可最大限度提高耐冲击性。
反应型橡胶为提高乙烯丙烯橡胶含量的橡胶，通过使用上述反应型橡胶，可在使单独的橡胶配方最小化的状态下对冲击特性进行改性。相对于100重量份的上述热塑性树脂，可包含大约1重量份至10重量份的上述反应型橡胶、大约10重量份至大约50重量份的上述纤维。例如，相对于100重量份的上述热塑性树脂，可包含大约5重量份至10重量份的上述反应型橡胶、大约25重量份至45重量份的上述纤维。
在相对于100重量份的上述热塑性树脂包含大约小于1重量份的上述反应型橡胶的情况下，担心无法体现橡胶的冲击特性，在包含大约大于20重量份的上述反应型橡胶的情况下，虽然可提高冲击性能，但存在由组合物形成的产品其强度及刚性下降的问题，保持上述范围对提高冲击特性、弥补强度及刚性的方面有利。并且，通过包含上述范围内的上述纤维，从而可实现现有热塑性树脂无法体现的高机械强度及刚性，而且可保持加工性。
上述热塑性树脂可以为选自由芳香族乙烯类树脂、橡胶改性芳香族乙烯类树脂、聚苯醚类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚酯类树脂、甲基丙烯酸酯类树脂、聚芳硫醚类树脂、聚酰胺类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚烯烃类树脂及它们的组合组成的组中的1种以上。具体地，上述聚烯烃类树脂为聚丙烯类树脂，上述聚丙烯类树脂可以为丙烯均聚物或乙烯-丙烯聚合物。
上述反应型橡胶可通过在聚丙烯链节聚合橡胶成分而成。例如，上述橡胶成分可以为选自由乙烯-丙烯类橡胶、α-烯烃类橡胶、苯乙烯类热塑性弹性体及它们的组合组成的组中的1种以上。
上述纤维可以为选自由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的1种以上。例如，可使用已经过表面处理的聚烯烃用玻璃纤维。上述玻璃纤维的平均直径及长度不受任何限制。
上述玻璃纤维的平均直径可以为大约15μm至大约20μm，例如，可以是大约16μm至19μm。通过将上述玻璃纤维的平均直径保持在上述范围，从而在形成上述纤维增强复合材料时对批量生产有利，而且制造时可最大限度地提高经济效益。
除上述热塑性树脂及上述反应型橡胶之外，上述纤维增强塑料组合物还可包含添加剂。上述添加剂可以为选自由抗氧化剂、热稳定剂、分散剂、相容剂、颜料及它们组合组成的组中的1种以上。例如，相对于100重量份的上述热塑性树脂，还可包含大约1重量份至大约10重量份的上述添加剂。
具体地，上述添加剂中可使用热稳定剂及相容剂，上述相容剂可提高热塑性树脂与纤维之间的相溶性。相对于100重量份的上述热塑性树脂，可使用大约1重量份至大约3重量份的上述热稳定剂、大约1重量份至大约7重量份的上述相容剂。若上述相容剂的含量超过上述范围，则有可能降低纤维增强塑料组合物的物性。
本发明的再一实施例提供一种由包含热塑性树脂、反应型橡胶及纤维的纤维增强塑料组合物形成的纤维增强复合材料。
上述纤维增强复合材料由含有反应型橡胶的上述纤维增强塑料组合物形成，从而可提高高速冲击性能。
尽管普通纤维增强复合材料具有通过调整作为基质而使用的高分子树脂和玻璃纤维的含量来具有高强度和高刚性的优点，但提高冲击性能的方法局限于调节相容剂的重量或改变作为基质的高分子树脂等方法。
对此，上述纤维增强复合材料通过使用包含热塑性树脂和在高分子链节内聚合有橡胶的反应型橡胶的组合物来增大反应型橡胶与热塑性树脂之间的相溶性，使得上述反应型橡胶的耐冲击性适用于纤维增强复合材料，从而可与高强度及高刚性一并提高耐冲击性。
上述纤维增强复合材料的弯曲弹性率可以为大约5GPa至大约6GPa。弯曲弹性率为以百分比表示当受到外力而弯曲的物体在所受到的外力消失时重新恢复到原来形状的程度，上述复合材料通过包含反应型橡胶来提高受到外部冲击时用于重新恢复到原来形状的弯曲弹性率。上述复合材料的弯曲弹性率可借助上述组合物所包含的反应型橡胶的含量及纤维的含量来调整，上述复合材料适用于汽车零部件材料，根据用途，可调整上述反应型橡胶的含量及纤维的含量。
上述纤维增强复合材料的冲击吸收能量可以为大约1.5J至大约3J。冲击吸收能量意味着对上述复合材料受到的某一物体的冲击量进行数值化的概念，上述复合材料通过包含反应型橡胶来增加可吸收的冲击量，从而可与强度及刚性一同提高耐冲击性。
并且，上述纤维增强塑料复合材料的落球冲击强度可以为大约5J/mm至大约7J/mm。落球冲击强度为物体承受瞬间集中外力的抵抗力的值，上述复合材料可通过包含反应型橡胶来提高对复合材料承受所施加的外力的抵抗力的值。
本发明的另一实施例提供一种纤维增强复合材料的制备方法，上述纤维增强复合材料的制备方法包括：在第一挤压机投入热塑性树脂及反应型橡胶后，通过熔融混炼来制备热塑性树脂组合物的步骤；将所制备的上述热塑性树脂组合物和纤维投入到第二挤压机后，通过混炼来制备纤维增强塑料组合物的步骤；以及通过使所制备的上述纤维增强塑料组合物成型来制备纤维增强复合材料的步骤。
并且，通过使上述纤维增强塑料组合物成型来制备纤维增强复合材料的步骤可包括：通过利用挤出模具连续挤压所制备的上述纤维增强塑料组合物来制备具有规定大小及形状的挤出物的步骤；以及通过使所制备的上述挤出物冲压成型来制备纤维增强复合材料的步骤。
在上述纤维增强复合材料制备方法中，第一挤压机及第二挤压机由长纤维增强热望性塑料直接在线成型(LFT-D，Long Fiber Reinforced Thermoplastic-DirectCompounding)挤压机及冲压成型机组成，而且各步骤可依次结合，以可使这些装置连续执行工序。
上述第一挤压机通过包括双螺杆来在对所投入的热塑性树脂及反应型橡胶进行熔融混炼后向第二挤压机移送。若进行上述熔融混炼时的加工温度及转速(rpm)为通常适用于所投入的热塑性树脂及反应型橡胶的加工温度及转速，则并不受特殊限制，进行上述熔融混炼时的加工温度及转速的范围达到使热塑性树脂组合物的热化达到最小化且可进行均匀混炼为好。
上述第二挤压机通过包括双螺杆来在对所投入的纤维和从第一挤压机流入的热塑性树脂组合物进行混炼后，利用挤压模具连续制备具有规定大小及形状的挤出物，并可通过进行冲压来制作纤维增强复合材料。
混炼时，上述纤维被切成适当大小的长纤维，并通过挤压模具向被挤压的挤出物提供充分的刚性，上述长纤维在挤压机内部受到高剪应力(shear stress)。
通过使用上述纤维增强复合材料的制备方法来达到优秀的高刚性、高强度及高速冲击强度，从而可制备可适用于经轴、座套、盖环等汽车零部件材料的纤维增强复合材料。
以下公开本发明的具体实施例。但以下所记载的实施例仅用于具体例示或说明本发明，本发明并不受此限制。
实施例及比较例
实施例1及实施例2
通过在第一挤压机投入聚丙烯类树脂及反应型橡胶并进行熔融混炼来制备聚丙烯类树脂组合物，将上述聚丙烯类树脂组合物和玻璃纤维投入到第二挤压机并进行混炼来制备纤维增强塑料组合物。通过利用挤出模具连续挤压所制备的上述纤维增强塑料组合物并进行冲压成型来制备纤维增强复合材料。
在下表1中示出了各成分的组成比，此时，反应型橡胶通过在聚丙烯链节聚合20重量百分比的乙烯-丙烯橡胶而成(EP200R，聚美莱产品)，上述玻璃纤维的平均直径为17μm。而且，添加剂使用相容剂(马来酸酐接枝聚丙烯)及抗氧化剂(抗氧化剂)。
比较例1
除不包含反应型橡胶之外，以与实施例1相同的方法制备纤维增强复合材料。
比较例2
除用丁二烯类橡胶粒子来代替反应型橡胶之外，以与实施例1相同的方法制备纤维增强复合材料。
表1
实施例1 实施例2 比较例1 比较例2
工序 LFT-D LFT-D LFT-D LFT-D
聚丙烯类树脂 60 55 65 55
玻璃纤维 30 30 30 30
相容剂 2 2 2 2
热稳定剂 3 3 3 3
反应型橡胶 5 10 0 0(橡胶粒子)
总和 100 100 100 100
<实验例>纤维增强塑料组合物的物理特性
1)落球冲击强度：根据ASTM D3763，在23℃的常温条件下进行测量。
2)冲击吸收能量：通过计算根据ASTM D790而得出的应力应变曲线(Stress-Strain Curve)的总面积来测量冲击吸收能量。
3)弯曲弹性率：根据ASTM D790，利用万能物性试验机(UTM)来进行测量。
表2
实施例1 实施例2 比较例2 比较例2
落球冲击强度(J/mm) 5.8 6.28 4.98 5.51
冲击吸收能量(J) 2.31 2.22 1.73 1.82
弯曲弹性率(GPa) 5.76 5.35 5.83 4.84
参考上述表2，实施例1及实施例2的冲击强度、冲击吸收能量及弯曲弹性率测定值比不包含反应型橡胶而成的比较例1及包含橡胶粒子而成比较例2中的测定值高，从而可以看出，比起比较例1及比较例2，在实施例1及实施例2中冲击性能得到提高。

Claims (16)

1.一种纤维增强塑料组合物，其特征在于，包含热塑性树脂、反应型橡胶及纤维。
2.根据权利要求1所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，相对于100重量份的所述热塑性树脂，包含1重量份至20重量份的所述反应型橡胶、10重量份至50重量份的所述纤维。
3.根据权利要求1所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，所述热塑性树脂为选自由芳香族乙烯类树脂、橡胶改性芳香族乙烯类树脂、聚苯醚类树脂、聚碳酸酯类树脂、聚酯类树脂、甲基丙烯酸酯类树脂、聚芳硫醚类树脂、聚酰胺类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚烯烃类树脂及它们的组合组成的组中的1种以上。
4.根据权利要求3所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，所述聚烯烃类树脂为聚丙烯类树脂，所述聚丙烯类树脂为丙烯均聚物或乙烯-丙烯聚合物。
5.根据权利要求1所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，所述反应型橡胶通过在聚丙烯链节聚合橡胶成分而成。
6.根据权利要求5所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，所述橡胶成分为选自由乙烯-丙烯类橡胶、α-烯烃类橡胶、苯乙烯类热塑性弹性体及它们的组合组成的组中的1种以上。
7.根据权利要求1所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，所述纤维为选自由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、芳纶纤维及它们的组合组成的组中的1种以上。
8.根据权利要求7所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，所述玻璃纤维的平均直径为15μm至20μm。
9.根据权利要求1所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，还包含添加剂。
10.根据权利要求9所述的纤维增强塑料组合物，其特征在于，所述添加剂为选自由抗氧化剂、热稳定剂、分散剂、相容剂、颜料及它们的组合组成的组中的1种以上。
11.一种纤维增强复合材料，其特征在于，由权利要求1至10中的任一项所述的纤维增强塑料组合物形成。
12.根据权利要求11所述的纤维增强复合材料，其特征在于，所述纤维增强复合材料的弯曲弹性率为5GPa至6GPa。
13.根据权利要求11所述的纤维增强复合材料，其特征在于，所述纤维增强复合材料的冲击吸收能量为1.5J至3J。
14.根据权利要求11所述的纤维增强复合材料，其特征在于，所述纤维增强复合材料的落球冲击强度为5J/mm至7J/mm。
15.一种纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
在第一挤压机投入热塑性树脂及反应型橡胶后，通过熔融混炼来制备热塑性树脂组合物的步骤；
将所制备的所述热塑性树脂组合物和纤维投入到第二挤压机后，通过混炼来制备纤维增强塑料组合物的步骤；以及
通过使所制备的所述纤维增强塑料组合物成型来制备纤维增强复合材料的步骤。
16.根据权利要求15所述的纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，通过使所述纤维增强塑料组合物成型来制备纤维增强复合材料的步骤包括：
通过利用挤出模具连续挤压所制备的所述纤维增强塑料组合物来制备具有规定大小及形状的挤出物的步骤；以及
通过使所制备的所述挤出物冲压成型来制备纤维增强复合材料的步骤。
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