CN106633394A - 一种改性聚丙烯复合增强增韧板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性聚丙烯复合增强增韧板材及其制备方法，其成分按质量计包括以下组分：聚丙烯50～80份、石墨烯粉5~20份、碳纤维8~20份，还包括以下组分：有机铬络合物1～2.2份，不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂0.4～7.4份、马来酸酐相溶剂0.6～1.6份、锡酸酯1～1.8份、硫代二丙酸双酯1～4份；其制备方法是先对石墨烯粉和碳纤维表面处理，再将聚丙烯、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂、硫代二丙酸双酯、经表面处理的石墨烯粉高速混合成石墨/PP混料，然后将石墨烯/PP混料和烘干的玻纤挤得石墨烯改性增强PP颗粒并干燥，将石墨烯改性增强PP颗粒挤出熔料、压制、加工成型。本发明板材耐热耐压性能优良。

Description

一种改性聚丙烯复合增强增韧板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚丙烯复合板材制造领域，具体涉及一种能广泛应用于化工、环保、冶金等行业耐高温、耐压、耐腐蚀性聚丙烯复合材料板材及其制备方法。
背景技术
现在常用的压滤机板材材料由聚丙烯及其碳酸钙、滑石粉或碳纤维等组成，在化工等行业特别对高温、耐化学腐蚀强的固液分离中明显表现适应性不强，具有维护成本高、使用寿命短等缺点。针对这种情况，国内开始研究新型聚丙烯复合材料用作压滤机板材材料，由于石墨材料与其他矿物基材料相比具有优异的耐热、耐腐蚀和增强性能，因而已成为新型聚丙烯复合材料的重要原料。目前已有一些对于石墨改性聚丙烯材料的研究、开发和专利文献报道，作为一种新材料研究探索和新产品开发，已成功利用石墨改性聚丙烯列管式反应釜替代搪玻璃反应釜，以及研发石墨改性聚丙烯作为化工反应塔板、热交换器、散热器等，但这些材料中仅采用石墨作改性剂，使聚丙烯的传热、导电等性能得到改善，但作为压滤机板材材料其强度等性能明显偏低，而针对压滤机板材所需的石墨改性增强聚丙烯新材料研究应用方面尚属空白，导致了现行的聚丙烯板材在耐热性、耐腐蚀性和耐高压都有较高要求下进行废液或原料固液压滤分离中其性能明显不足，影响了其应用范围，同时其使用寿命较短，成本也大大增加。
发明内容
为了实现克服现有聚丙烯材料制作压滤机板材的不足，本发明提供了一种强度高、性能优良的新型聚丙烯复合材料板材及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一种改性聚丙烯复合增强增韧板材，其成分按质量计包括以下组分：聚丙烯50～80份、石墨烯粉5~20份、碳纤维8~20份、有机铬络合物1～2.2份、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂0.4～7.4份、马来酸酐相溶剂0.6～1.6份、锡酸脂1～1.8份、硫代二丙酸双酯1～4份。
本发明所述的一种改性聚丙烯复合增强增韧板材的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量份数称取各原料；
（2）将石墨烯粉进行高速热搅拌，将有机铬络合物投入石墨烯粉中进行表面处理后出料；
（3）将干燥的碳纤维通过马来酸酐相溶剂和锡酸脂进行表面浸湿并在90～140℃热风循环下烘干；
（4）将聚丙烯、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂、硫代二丙酸双酯以及步骤（2）经表面处理后的石墨烯粉依次向高速混合机中投加并进行高速搅拌形成石墨烯/聚丙烯混合料；
（5）将步骤（4）中石墨烯/聚丙烯混合料和步骤（3）中烘干后的碳纤维在挤出机中进行熔融、剪切、混炼、均化，并拉条及冷却、切粒后得到石墨烯改性增强聚丙烯颗粒；
（6)）将步骤（5）中所得的石墨烯改性增强聚丙烯颗粒进行预热干燥，将干燥后的石墨烯改性增强聚丙烯颗粒进行熔料挤出，挤出的熔料放置于保温箱内保温；
（7）将板材模压机、成型模具进行预热，将步骤（6）中经过保温的挤出熔料投入板材模压机压制成板材毛坯后脱模，然后将板材毛坯放入定型机中冷却，再将板材毛坯取出放置到温水中进行整平应力时效处理后，并在常温下平放；
（8）将板材毛坯加工成板材成品。
所述步骤（2）中石墨烯粉在高速混合机中进行热搅拌，石墨烯粉热搅拌的温度为60～90℃，石墨烯粉热搅拌的时间为10～20min；所述石墨烯粉中投放有机铬络合物时石墨烯粉温度为85～120℃；所述表面处理温度为85～135℃，时间为10～20min；
所述步骤（4）中高速搅拌时间为8～15分钟。
所述步骤（5）中挤出机的挤出温度为170～250℃，挤出速度为250～350rpm。
所述步骤 (6)中预热干燥温度为60～100℃，时间为24～48小时；熔料挤出温度为170～260℃，挤出速度为800～1200rpm；保温箱温度为80～150℃。
所述步骤（7）中板材模压机的成型模具预热采用蒸汽加热，温度为30～80℃，板材模压机的成型压力为10～20MPa，压制保压时间为0.5~2小时；所述定型机中冷却时间为72~96小时；所述整平应力时效处理是在40～80℃的温水中进行，处理时间为72～96小时；所述平放时间至少为120小时以上。
本发明的有益效果是：
（1）本发明采用石墨烯粉末对碳纤维/聚丙烯的复合增强改性，利用石墨烯优异的力学性能，添加到聚合物基体中，很好地改善材料的力学性能，进一步强化了板材的耐热、机械性能和耐腐蚀性的功能作用，不同程度赋予了板材在适应高温、高压、强腐蚀条件下优异的综合特性；
（2）本发明采用双螺杆挤出机挤出造粒、单螺杆挤出机多段混炼熔融挤出、高压成型工艺及板材成型后的应力释放等多阶段时效处理工艺，有效地消除由于聚丙烯复合材料板材成型加工中产生内应力，确保板材的结构稳固、性能优异，在温度、压力、化学腐蚀多重用条件下具有更强的适应能力。
（3）本发明产品耐高温、高压性能增强，耐温性能比常规板材由较大提高，使用范围更广，具有比现行的压滤机板材耐化学腐蚀性更强，在较高温度、较高压力条件下，板材使用寿命长，降低了维护成本。
（4）本发明的板材的性价比高，可以完全循环再生利用，在各个环节做到无污染。
综上所述，本发明的石墨改性增强聚丙烯复合材料与现行普通板材相比，具有耐高温、耐化学腐蚀性能及优异物理机械性能。在经过优化的配方组成及制备工艺条件下，板材耐热性可达到120～180℃，拉伸强度达35～45MPa，弯曲强度40～52MPa，冲击强度为10～14.8KJ/m2，过滤压力1～2.5MPa，其寿命能比现行板材延长1～3年，并使压滤机扩大了应用范围，因此研究开发石墨改性聚丙烯复合材料及制备其压滤机板材，具有较大应用价值和意义，是值得推广应用的发明。
具体实施方式
下面通过具体实施例，进一步说明本发明的特点
实施例1：
（1）配料：按以下质量称取各组分原料：13g石墨烯粉、68g聚丙烯、15g碳纤维、2.8g PP-g-MAH相溶剂、1.2g马来酸酐相溶剂、2.4g有机铬络合物、0.6g锡酸脂、3g硫代二丙酸双酯；
（2）先对石墨烯粉和碳纤维分别进行表面处理，将石墨烯粉在高速混合机达到80℃时投入其中进行热搅拌，热搅拌时间为15min，到达时间并且石墨烯粉温度达到95℃时投入有机铬络合物一起热搅拌，同时将投入有机铬络合物的石墨烯粉温度升至110℃，使石墨烯粉在至110℃下热搅拌12min进行表面处理后出料；再将干燥后的碳纤维使用马来酸酐相溶剂和锡酸脂进行表面浸湿处理，并在120℃热风循环下烘干；然后将PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、硫代二丙酸双酯、经表面处理的石墨烯粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合10分钟，形成石墨烯/PP混合料；
将上述的石墨烯/PP混合料和经表面偶联接枝并烘干后的碳纤维经双螺杆挤出机挤出造粒形成石墨烯改性增强PP颗粒料，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端180℃，其余各段为230℃，挤出速度为320rpm；
将双螺杆挤出机挤出的石墨烯改性增强PP颗粒料在80℃的温度下放置36小时进行预热干燥；然后用单螺杆挤出机将石墨烯改性增强PP颗粒料熔融挤出，单螺杆挤出机挤出工艺条件为：挤出温度为进料端230℃，其余端260℃，挤出速度900rpm，挤出的熔料放置于保温箱内，保温箱温度控制在125℃；通过板材模压机将单螺杆挤出机挤出的熔料压制成型，先将模具采用蒸汽加热至55℃，然后将挤出的熔料投入板材模压机模具中压制成型，压制工艺参数为：板材成型压力18MPa，保压时间为1.2小时，将压制后的板材坯取出放入定型机中96小时，再取出放置到45℃的温水中进行整平应力时效处理96小时，再平放在正常环境温度下120小时作为板材半成品；
最后将上述经过时效处理、平放后的板材半成品，通过加工成板材成品。
经测试，板材主要性能为：板材变形温度178℃，拉伸强度达45MPa,，弯曲强度52MPa，冲击强度为13.5.8KJ/m2，在压力2MPa、保压10分钟耐压试验下无破裂现象。
实施例2：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料： 5g石墨烯粉、84g聚丙烯（型号为045）、20g碳纤维、7.4 g PP-g-MAH相溶剂、0.6g马来酸酐相溶剂、1.0g有机铬络合物、1.0g锡酸脂、3g硫代二丙酸双酯。
（2）先对石墨烯粉和碳纤维分别进行表面处理，将石墨烯粉在高速混合机达到85℃时投入其中进行热搅拌，热搅拌时间为20min，到达时间并且石墨烯粉温度达到90℃时投入有机铬络合物一起热搅拌，同时将投入有机铬络合物的石墨烯粉温度升至120℃，使石墨烯粉在至120℃下热搅拌10min进行表面处理后出料；再将干燥后的碳纤维使用马来酸酐相溶剂和锡酸脂进行表面浸湿处理，并在120℃热风循环下烘干；然后将 PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、硫代二丙酸双酯、经过表面处理的石墨烯粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合15分钟，形成石墨烯/PP混合料；
将上述的石墨烯/PP混合料和经表面偶联接枝并烘干后的碳纤维经双螺杆挤出机挤出造粒形成石墨烯改性增强PP颗粒料，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端170℃，其余各段为220℃，挤出速度为350rpm；
将双螺杆挤出机挤出的石墨烯改性增强PP颗粒料在120℃的温度下放置24小时进行预热干燥；然后用单螺杆挤出机将石墨烯改性增强PP颗粒料熔融挤出，单螺杆挤出机挤出工艺条件为：挤出温度为进料端180℃，其余端210℃，挤出速度800rpm，挤出的熔料放置于保温箱内，保温箱温度控制在150℃；通过板材模压机将单螺杆挤出机挤出的熔料压制成型，先将模具采用蒸汽加热至30℃，然后将挤出的熔料投入板材模压机模具中压制成型，压制工艺参数为：板材成型压力15MPa，保压时间为2小时，将压制后的板材坯取出放入定型机中72小时，再取出放置到50℃的温水中进行整平应力时效处理72小时，再平放在正常环境温度下150小时作为板材半成品；
最后将上述经过时效处理、平放后的板材半成品，采用加工中心加工成板材成品。
经测试，板材主要性能为：板材变形温度168℃，拉伸强度达42MPa，弯曲强度45MPa，冲击强度为12. 5KJ/m2，在压力1.6MPa、保压15分钟的耐压试验下无裂纹。
实施例3：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料：20g石墨烯粉、52g聚丙烯、10g碳纤维、1.4g相溶剂、0.6g马来酸酐相溶剂、3.6g有机铬络合物、0.4g锡酸脂、1g硫代二丙酸双酯。
（2）先对石墨烯粉和碳纤维分别进行表面处理，将石墨烯粉在高速混合机达到90℃时投入其中进行热搅拌，热搅拌时间为20min，到达时间并且石墨烯粉温度达到100℃时投入有机铬络合物一起热搅拌，同时将投入有机铬络合物的石墨烯粉温度升至120℃，使石墨烯粉在至120℃下热搅拌15min进行表面处理后出料；再将干燥后的碳纤维使用马来酸酐相溶剂和锡酸脂进行表面浸湿处理，并在120℃热风循环下烘干；然后将PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、硫代二丙酸双酯、经过表面处理的石墨烯粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合8分钟，形成石墨烯/PP混合料；
将上述的石墨烯/PP混合料和经表面偶联接枝并干燥处理后的碳纤维经双螺杆挤出机挤出造粒形成石墨烯改性增强PP颗粒料，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端230℃，其余各段为250℃，挤出速度为280rpm；
将双螺杆挤出机挤出的石墨烯改性增强PP颗粒料在60℃的温度下放置24小时进行预热干燥；然后用单螺杆挤出机将石墨烯改性增强PP颗粒料熔融挤出，单螺杆挤出机挤出工艺条件为：挤出温度为进料端250℃，其余端260℃，挤出速度1000rpm，挤出的熔料放置于保温箱内，保温箱温度控制在80℃；通过板材模压机将单螺杆挤出机挤出的熔料压制成型，先将模具采用蒸汽加热至80℃，然后将挤出的熔料投入板材模压机模具中压制成型，压制工艺参数为：板材成型压力20MPa，保压时间为0.5小时，将压制后的板材坯取出放入定型机中84小时，再取出放置到45℃的温水中进行整平应力时效处理72小时，再平放在正常环境温度下180小时作为板材半成品；
最后将上述经过时效处理、平放后的板材半成品，通过加工中心加工成板材成品。
经测试，板材主要性能为：板材变形温度148℃，拉伸强度达38MPa，弯曲强度43MPa，冲击强度为10. 5KJ/m2，在压力1.3MPa、保压10分钟的耐压试验下无裂纹。
实施例4：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料：20g石墨烯粉、84g聚丙烯、20g碳纤维、4.4g相溶剂，1.6g马来酸酐相溶剂、3g有机铬络合物、1g锡酸脂、4g硫代二丙酸双酯。
（2）先对石墨烯粉和碳纤维分别进行表面处理，将石墨烯粉在高速混合机达到80℃时投入其中进行热搅拌，热搅拌时间为18min，到达时间并且石墨烯粉温度达到90℃时投入有机铬络合物一起热搅拌，同时将投入有机铬络合物的石墨烯粉温度升至90℃，使石墨烯粉在至90℃下热搅拌15min进行表面处理后出料；再将干燥后的碳纤维使用马来酸酐相溶剂和锡酸脂进行表面浸湿处理，并在130℃热风循环下烘干；然后将 PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、硫代二丙酸双酯、经过表面处理的石墨烯粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合8分钟，形成石墨烯/PP混合料；
将上述的石墨烯/PP混合料和经表面偶联接枝并干燥处理后的碳纤维经双螺杆挤出机挤出造粒形成石墨烯改性增强PP颗粒料，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度各段均为230℃，挤出速度为350rpm；
将双螺杆挤出机挤出的石墨烯改性增强PP颗粒料在110℃的温度下放置45小时进行预热干燥；然后用单螺杆挤出机将石墨烯改性增强PP颗粒料熔融挤出，单螺杆挤出机挤出工艺条件为：挤出温度各端均220℃，挤出速度950rpm，挤出的熔料放置于保温箱内，保温箱温度控制在110℃；通过板材模压机将单螺杆挤出机挤出的熔料压制成型，先将模具采用蒸汽加热至58℃，然后将挤出的熔料投入板材模压机模具中压制成型，压制工艺参数为：板材成型压力10MPa，保压时间为1.4小时，将压制后的板材坯取出放入定型机中95小时，再取出放置到50℃的温水中进行整平应力时效处理95小时，再平放在正常环境温度下170小时作为板材半成品；
最后将上述经过时效处理、平放后的板材半成品，通过加工中心加工成板材成品。
经测试，板材主要性能板材变形温度168℃，拉伸强度达39MPa,，弯曲强度44MPa,冲击强度为10. 5KJ/m2，在压力1.5MPa、保压10分钟的耐压试验下无裂纹。
实施例5：
（1）配料：按以下质量称取各组份原料：13g石墨烯粉、68g聚丙烯、15g碳纤维、2.8g相溶剂，1.2g马来酸酐相溶剂、2.4g有机铬络合物、0.6g锡酸脂、4g硫代二丙酸双酯。
（2）先对石墨烯粉和碳纤维分别进行表面处理，将石墨烯粉在高速混合机达到80℃时投入其中进行热搅拌，热搅拌时间为15min，到达时间并且石墨烯粉温度达到90℃时投入有机铬络合物一起热搅拌，同时将投加有机铬络合物的石墨烯粉温度升至90℃，使石墨烯粉在至90℃下热搅拌10min进行表面处理后出料；再将干燥后的碳纤维使用马来酸酐相溶剂和锡酸脂进行表面浸湿处理，并在90℃热风循环下烘干；然后将 PP、不饱和羧酸与PP接枝物相容剂、硫代二丙酸双酯、经过表面处理的石墨烯粉依次向高速混合机中投加并在常温下混合9分钟，形成石墨烯/PP混合料；
将上述的石墨烯/PP混合料和经表面偶联接枝并干燥处理后的碳纤维经双螺杆挤出机挤出造粒形成石墨烯改性增强PP颗粒料，双螺杆挤出机的挤出工艺条件为：挤出温度为进料端200℃，其余各段为250℃，挤出速度为350rpm；
将双螺杆挤出机挤出的石墨烯改性增强PP颗粒料在75℃的温度下放置45小时进行预热干燥；然后用单螺杆挤出机将石墨烯改性增强PP颗粒料熔融挤出，单螺杆挤出机挤出工艺条件为：挤出温度为进料端230℃，其余端260℃，挤出速度950rpm，挤出的熔料放置于保温箱内，保温箱温度控制在130℃；通过板材模压机将单螺杆挤出机挤出的熔料压制成型，先将模具采用蒸汽加热至56℃，然后将挤出的熔料投入板材模压机模具中压制成型，压制工艺参数为：板材成型压力10MPa，保压时间为1.4小时，将压制后的板材坯取出放入定型机中95小时，再取出放置到50℃的温水中进行整平应力时效处理95小时，再平放在正常环境温度下170小时作为板材半成品；
最后将上述经过时效处理、平放后的板材半成品，通过加工中心加工成板材成品。
经测试，板材主要性能板材变形温度155℃，拉伸强度达42.5MPa，弯曲强度44MPa，冲击强度为10 .1KJ/m2，单面耐压压力达1.41MPa。

Claims (7)

1.一种改性聚丙烯复合增强增韧板材，其成分按质量计包括以下组分：聚丙烯50～80份、石墨烯粉5~20份、碳纤维8~20份、有机铬络合物1～2.2份、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂0.4～7.4份、马来酸酐相溶剂0.6～1.6份、锡酸脂1～1.8份、硫代二丙酸双酯1～4份。
2.根据权利要求1所述的一种改性聚丙烯复合增强增韧板材的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量份数称取各原料；
（2）将石墨烯粉进行高速热搅拌，将有机铬络合物投入石墨烯粉中进行表面处理后出料；
（3）将干燥的碳纤维通过马来酸酐相溶剂和锡酸脂进行表面浸湿并在90～140℃热风循环下烘干；
（4）将聚丙烯、不饱和羧酸与聚丙烯的接枝物相溶剂、硫代二丙酸双酯以及步骤（2）经表面处理后的石墨烯粉依次向高速混合机中投加并进行高速搅拌形成石墨烯/聚丙烯混合料；
（5）将步骤（4）中石墨烯/聚丙烯混合料和步骤（3）中烘干后的碳纤维在挤出机中进行熔融、剪切、混炼、均化，并拉条及冷却、切粒后得到石墨烯改性增强聚丙烯颗粒；
（6)）将步骤（5）中所得的石墨烯改性增强聚丙烯颗粒进行预热干燥，将干燥后的石墨烯改性增强聚丙烯颗粒进行熔料挤出，挤出的熔料放置于保温箱内保温；
（7）将板材模压机、成型模具进行预热，将步骤（6）中经过保温的挤出熔料投入板材模压机压制成板材毛坯后脱模，然后将板材毛坯放入定型机中冷却，再将板材毛坯取出放置到温水中进行整平应力时效处理后，并在常温下平放；
（8）将板材毛坯加工成板材成品。
3.根据权利要求2所述的改性聚丙烯复合增强增韧板材的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中石墨烯粉在高速混合机中进行热搅拌，石墨烯粉热搅拌的温度为60～90℃，石墨烯粉热搅拌的时间为10～20min；所述石墨烯粉中投放有机铬络合物时石墨烯粉温度为85～120℃；所述表面处理温度为85～135℃，时间为10～20min。
4.根据权利要求2所述的改性聚丙烯复合增强增韧板材的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中高速搅拌时间为8～15分钟。
5.根据权利要求2所述的改性聚丙烯复合增强增韧板材的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中挤出机的挤出温度为170～250℃，挤出速度为250～350rpm。
6.根据权利要求2所述的改性聚丙烯复合增强增韧板材的制备方法，其特征在于：所述步骤 (6)中预热干燥温度为60～100℃，时间为24～48小时；熔料挤出温度为170～260℃，挤出速度为800～1200rpm；保温箱温度为80～150℃。
7.根据权利要求2所述的改性聚丙烯复合增强增韧板材的制备方法，其特征在于：所述步骤（7）中板材模压机的成型模具预热采用蒸汽加热，温度为30～80℃，板材模压机的成型压力为10～20MPa，压制保压时间为0.5~2小时；所述定型机中冷却时间为72~96小时；所述整平应力时效处理是在40～80℃的温水中进行，处理时间为72～96小时；所述平放时间至少为120小时以上。
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