CN106977811B - 一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒及制备工艺 - Google Patents

一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒及制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒，母粒中各组分的重量份数如下：载体树脂聚丙烯35～45份，光稳定剂a 35～45份，光稳定剂b 0～10重量份，紫外线吸收剂20～30重量份，纳米氧化锌1～2重量份，分散润滑剂0.5～2重量份，表面处理剂0.5～5重量份；本发明的母粒中通过引用了纳米氧化锌的宽波段，高效、长效紫外光屏蔽的能力和有机光稳定剂协同作用，大大提高目标产品的耐候能力；通式，其通过纳米氧化锌的高比表面积，带来的超强的吸附作用，有效的减少了母粒及后续塑料制品的挥发物含量，满足产品的低VOC需求，符合国家标准。

Description

一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒及制备 工艺
技术领域
本发明涉及高分子材料改性配方及加工技术领域，尤其涉及一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒及制备工艺。
背景技术
聚丙烯材料因其具有良好的刚性和优良的力学性能、耐热、耐化学腐蚀、易成型加工，良好的表面光泽度，可循环利用等优点，被广泛的应用在汽车、家电等结构零部件。但聚丙烯(聚丙烯)的耐候性特别差。因为聚丙烯主链上的叔碳结构，聚丙烯极易在加工、存储、使用的过程中因环境中的热、氧、光、水蒸气等综合作用下老化降解，失去光泽、理化性能和使用价值。
防老化母粒因其有效成分是受阻胺类光稳定剂，残存的有机溶剂不可避免的会影响整个聚丙烯材料的VOC指标，会存在一些存在污染环境和危害人体健康等问题。《乘用车内空气质量评价指南》(GB/T27630)于2012年3月1日正式实施，2014年4月24日被正式纳入政府环保车型的基本要求。目前，国家环保部开始启动GB/T 27630转为强制性标准的修订工作，为应对车内空气强标的实施，各汽车主机厂也推出相应的企业标准。因此解决防老化母粒挥发，迁移等问题是亟待解决。
目前主要通过降低母粒中有效成分的含量或添加大量分散剂解决迁移问题。此种方法的会导致母料使用量增加，增加客户配方成本。且高浓度防老化母粒需要添加大量的分散剂方能解决因分散不均导致的迁移问题，也未见抑制母粒中残存挥发性有机物的有效方法。
无机纳米ZnO因其具有极小的粒径，纳米粒子具有极高的比表面积和原子配位不足，使纳米粒子的具有极强的吸附作用，可以有效吸附母料和聚丙烯配方体系中低分子挥发物，其次纳米级的氧化锌颗粒对UVA，UVB波段的紫外线都有很强的屏蔽效果，目前国内只见有复合的无机纳米粒子在聚碳酸酯的阳光板中有所应用，但在聚丙烯领域还未见具体使用方法及效果。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明目的在于提供一种适用于汽车内饰用聚丙烯材料的低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒及制备工艺。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒，所述的母粒中各组分的重量份数如下：载体树脂聚丙烯35～45份，光稳定剂a 35～45份，光稳定剂b 0～10重量份，紫外线吸收剂20～30重量份，纳米氧化锌1～2重量份，分散润滑剂0.5～2重量份，表面处理剂0.5～5重量份，其中光稳定剂a为2,2,6,6-四甲基-4-哌啶硬脂酸酯，所述的光稳定剂b为N,N'-双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)-1,6-己二胺与2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪和N-丁基-1-丁胺和N-丁基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶胺的反应产物的聚合物。
其中，光稳定剂a的结构为
Figure BDA0001270530770000021
纳米氧化锌在本发明的母粒中主要用于提高材料的紫外线屏蔽效果，防菌，介电性能。纳米氧化锌当尺寸小于50nm时其比表面积高达35m2/g，超高的比表面积给纳米氧化锌带来超强的吸附功能，本发明利用纳米氧化锌的超强吸附功能，有效控制配方体系低分子有机物的挥发。
本发明的载体树脂聚丙烯为均聚型聚丙烯或共聚型聚丙烯中的一种或几种的混合物，所述载体树脂聚丙烯的熔指为5～30g/10min。当熔指低于5时，挤出时熔体压力过大，增加喂料量容易导致排气孔位置冒料，影响生产效率；熔指高与30时，由于熔体粘度过低，对助剂的包裹性差，且熔指过高，挤出加工稳定性也很差。
本发明的紫外线吸收剂为3，5-二叔丁基-4-羟基-苯甲酸十六烷基酯，其结构式为
Figure BDA0001270530770000022
2908是一种受阻酚类紫外线吸收剂，其的分子链段上有个C16H33的聚烯烃碳链，分子结构式和3853极为相似，和3853共同使用具有良好的协同作用。使用2908可以有效增加3853和聚丙烯树脂的相容性，降低加工粘度，减少3853的析出。
本发明的纳米氧化锌的粒径为10～50nm。纳米粒子随着尺寸的缩小，会产生严重的团聚现象，而尺寸过大，因纳米尺寸带来的特殊效应又会减弱，因此综合考虑优选10～50nm
本发明的分散润滑剂为硬脂酸盐、聚乙烯蜡和N,N’－乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种的混合物。该三种类型润滑剂，分子碳链主要在C14～C18，分子链长度和3853及2908的长度相似，添加这三类润滑剂效果最佳。
本发明的表面处理剂为钛酸酯类偶联剂，铝酸酯类偶联剂，硅烷偶联剂中的一种或几种的混合物。该类型偶联剂可以有效修饰无机粒子表面，使其表面产生一种有机膜，可以有效的和树脂结合。
一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
1)将纳米氧化锌粉末在80～120℃的条件下干燥4h后，将纳米氧化锌粉末与表面处理剂按照1:1～3:1的比例投入高速混合机中进行表面修饰，混合速度800～1200rpm/min，温度为40～60℃，混合时间15～30min后再用超声波处理15～30min；
2)将一定重量比的稳定剂b、紫外线吸收剂和润滑剂投入高速混合机中混合，混合时间为2～5min，混合速度为800～1200rpm/min；
3)将聚丙烯树脂，步骤2所述混合助剂，加热至液体状态的3853分别加入至对应失重计量称的料斗内；
4)利用多段TME结构的同向啮合型双螺杆挤出机进行熔融挤出，加工温度为150～200℃，利用熔体泵增压技术，配合接入冷水机的水下循环式切粒系统造粒，通过离心甩干机进行水分脱离后，进入三层震动分离机进行合格粒径筛选，分离出合格母粒，冷却包装。
本发明所述的步骤4)同向啮合型双螺杆挤出机的螺杆长径比为40～45。本发明限定了挤出机的螺杆长径比；其中，当螺杆长径比偏小时，树脂及助剂机器内塑化相容时间段，塑化混合效果差，挤出的产品相容性不好容易析出；当长径比过长时，会导致树脂分子链因塑化过度，分子链断裂，树脂包裹性能差，最终产品容易析出。
本发明的同向啮合型双螺杆挤出机采用10～15段啮合剪切区，每区采用45/30，45/60，45/30组合，根据本发明的母粒配方中各组分的组合性能，采用该种组合的剪切方式，其剪切能力更强，塑化混合效果更好。
本发明的水下循环式切粒系统造粒的过程中，利用冷水机保证切粒的循环水温在15～25℃。本发明采用的熔体泵增压主要针对大组分助剂添加配方系统生产压力不稳定设置，切粒方式和传统的挤出冷却方式不同，使用水下循环切粒系统，通过限定水下切粒的温度，方便均匀切粒和出料，提高最终产品的成型效果。
本发明的优点在于：
1)引用了纳米氧化锌的宽波段，高效、长效紫外光屏蔽的能力，其与有机光稳定剂发生协同作用，大大提高了目标产品的耐候能力。
2)通过纳米氧化锌的高比表面积，带来的超强的吸附作用，有效的减少了母粒及后续塑料制品的挥发物含量，满足产品的低VOC需求，符合国家标准。
3)通过改性挤出技术的改进，提高助剂和基础树脂的相溶性，提高基础树脂对助剂包裹能力，通过合适的相容分散剂的选用，有效的改善产品的存储温度和耐析出性。
4)本发明母粒稳定助剂含量是传统防老化母粒的两倍左右。同等添加量情况下，防老化效果好；可以有效降低运输成本，存储成本和客户使用成本。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例：步骤一：将平均粒径为20-40nm的氧化锌粉末在90～100℃温度下干燥4h后，按1:1的比例和表面处理剂KH570在50～60℃的温度下，以800r/min的速度高速混合30min后用超声波处理30min待用。
步骤二：将配方表一、二所述的紫外线吸收剂2908和光稳定剂2020以及EBS润滑剂按比例在室温条件下以800r/min的速度高速混合5min后待用。
配方表一(无填充聚丙烯材料专用母粒)
Figure BDA0001270530770000041
配方表二(填充聚丙烯材料专用母粒)
Figure BDA0001270530770000042
步骤三：将步骤一、二所制及聚丙烯树脂分别加入失重称1、2、3，将加热融化后的3853加入液体失重称内，在长径比为44的双螺杆挤出机以160～190℃温度熔融挤出后，通过水下切粒(水温15～20℃)制备得母粒a(配方一)，母粒b(配方二)。
步骤四：制备对比母粒：将上述配方表一、二内除纳米氧化锌粉末和表面处理剂的剩余组分按重量称取后在15～20℃以800r/min的速度混合5min后，用长径比为40的普通双螺杆以160～190℃熔融挤出后，通过传统水拉条式切粒，制备得母粒c(配方一)，母粒d(配方二)。
步骤五：所需材料：注塑级未稳定聚丙烯树脂，滑石粉，上述步骤三、四制备的稳定母粒a、稳定母粒b、稳定母粒c、稳定母粒按下述配方制得注塑用光稳定聚丙烯颗粒1、光稳定聚丙烯颗粒2、光稳定聚丙烯颗粒3、光稳定聚丙烯颗粒4。
表三、注塑用光稳定聚丙烯颗粒配方
配方组分 聚丙烯树脂 滑石粉 色粉包 稳定母粒a 稳定母粒b 稳定母粒c 稳定母粒d
1(％) 70 1 1
2(％) 70 28 1 1
3(％) 70 1 1
4(％) 70 28 1 1
步骤六、在相同条件下，将上述注塑用光稳定聚丙烯颗粒注塑成标准色板1、标准色板2、标准色板3、标准色板4，尺寸为140mm*70mm*3.2mm。
评价：一、将上述步骤六制备的标准色板1、2、3、4按照某汽车公司标准(PV1303)进行五个周期的光老化实验后按照(DIN EN 20105-A05)测试色板误差色差△E，按照(DIN67530)测量不同色板的光泽度，并计算保留率结果如下(表四)：
样品 色差△E 光泽度保留率(％) 外观变化
1 0.2 99.1 无开裂，无粉化，无析出
2 0.2 98.7 无开裂，无粉化，无析出
3 0.4 94.6 无开裂，无粉化，无析出
4 0.4 95.2 无开裂，无粉化，无析出
二、将上述步骤五制备的光稳定聚丙烯颗粒1、光稳定聚丙烯颗粒2、光稳定聚丙烯颗粒3、光稳定聚丙烯颗粒4，按照某汽车公司检验标准(PV3341)对产品的有机化合物排放量进行测试，结果如下(表五)：
样品 总碳排放量EG(ugC/g)
1 16.4
2 20.3
3 31.6
4 35.3
三、取200g上述步骤三、四制备母粒a、b、c、d装入1000ml烧杯内，放入50℃鼓风烘箱内一周后取出观察，结果如下所示：
样品 颗粒情况
a 颗粒干燥，无结块
b 颗粒干燥，无结块
c 颗粒发黏，表面有明显析出，杯底少量积液
d 颗粒发黏，表面有明显析出，杯底少量积液
四、取200g上述步骤三、四制备母粒a、b、c、d装入1000ml烧杯内，放入105℃鼓风烘箱内2小时后取出，计算挥发分含量，结果如下(表六)：
样品 挥发物含量(％)
a 0.22
b 0.18
c 0.42
d 0.36
由上述实施例可以得出以下结论：
1)通过表四可得添加少量的纳米氧化锌可以有效的吸收对塑料老化影响最大的紫外光，提高母粒的防老化效果；
2)通过表五、表七可得添加少量的纳米氧化锌可以有效的吸附配方体系中的低分子挥发物，降低配方体系的VOC含量，满足国家车辆室内空气指标。
3)通过表一、表二可得本发明设计的防老化母粒有效助剂含量高达55～65％。通过延长加工设备螺杆的长径比、采取多段啮合块剪切、以及采用先进的水下切粒技术和工艺的优化改进，提高了助剂的分散效果，提高了树脂的包裹性，从而提高了产品的耐温存储性和耐析出性，确保母粒在50℃的环境下运输，存储及使用的便利性。
需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒的制备方法，其特征在于，所述的母粒中各组分的重量份数如下：载体树脂聚丙烯 35～45份，光稳定剂a 35～45份，光稳定剂b 0～10重量份，紫外线吸收剂 20～30重量份，纳米氧化锌1～2重量份，分散润滑剂0.5～2重量份，表面处理剂0.5～5重量份，其中光稳定剂a为2,2,6,6-四甲基-4-哌啶硬脂酸酯，所述的光稳定剂b为 N,N'-双(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)-1,6-己二胺与 2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪和 N-丁基-1-丁胺和 N-丁基-2,2,6,6-四甲基-4-哌啶胺的反应产物的聚合物；
所述的载体树脂聚丙烯为均聚型聚丙烯或共聚型聚丙烯中的一种或几种的混合物，所述载体树脂聚丙烯的熔指为5～30g/10min；所述的紫外线吸收剂为3，5-二叔丁基-4-羟基-苯甲酸十六烷基酯；所述的分散润滑剂为硬脂酸盐、聚乙烯蜡和N,N’－乙撑双硬脂酰胺中的一种或几种的混合物；所述的表面处理剂为钛酸酯类偶联剂，铝酸酯类偶联剂，硅烷偶联剂中的一种或几种的混合物；
所述的制备方法包括如下步骤：
1）将纳米氧化锌粉末在80~120℃的条件下干燥4h后，将纳米氧化锌粉末与表面处理剂按照1:1～3:1的比例投入高速混合机中进行表面修饰，混合速度800～1200rpm，温度为40～60℃，混合时间15～30min后再用超声波处理15～30min；
2）将一定重量比的稳定剂b、紫外线吸收剂和润滑剂投入高速混合机中混合，混合时间为2～5min，混合速度为800～1200rpm；
3）将聚丙烯树脂，步骤2得到的混合助剂，加热至液体状态的光稳定剂a分别加入至对应失重计量称的料斗内；
4） 利用多段TME结构的同向啮合型双螺杆挤出机进行熔融挤出，加工温度为150～200℃，利用熔体泵增压技术，配合接入冷水机的水下循环式切粒系统造粒，通过离心甩干机进行水分脱离后，进入三层震动分离机进行合格粒径筛选，分离出合格母粒，冷却包装。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒的制备方法，其特征在于，所述的纳米氧化锌的粒径为10～50nm。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒的制备方法，其特征在于，所述的步骤4）同向啮合型双螺杆挤出机的螺杆长径比为40～45。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒的制备方法，其特征在于，同向啮合型双螺杆挤出机采用10~15段啮合剪切区，每区采用45/30，45/60，45/30组合。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯专用低挥发、耐迁移纳米复合防老化母粒的制备方法，其特征在于，水下循环式切粒系统造粒的过程中，利用冷水机保证切粒的循环水温在15~25℃。
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