CN107057194A - 一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法，包括碳纳米管增强聚丙烯复合材料和发泡剂母粒；其中，碳纳米管增强聚丙烯复合材料由以下重量份的组分组成：聚丙烯80‑95份；相容剂1‑10份；碳纳米管0.5‑10份；其他添加剂0.5‑2份；所述的发泡剂母粒与碳纳米管增强聚丙烯复合材料的重量比为0.5‑5：95‑99.5。本发明的有益效果是：利用碳纳米管对自由基的捕捉能力，形成微交联结构，提高聚丙烯熔体强度，易于获得均匀致密的微孔。相比未填充聚丙烯微发泡材料，碳纳米管增强与微孔发泡技术相结合进一步减轻材料重量的同时，大幅度提高拉伸强度、模量等力学性能。

Description

一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。
背景技术
当前汽车行业轻量化的趋势日益高涨的前提下，聚丙烯微发泡复合材料成为轻量化复合材料的理想选择之一。聚丙烯属于线性结晶聚合物，在熔点以下几乎不流动，熔点以上粘度急剧下降，因此很难支撑气泡的生长，容易导致泡孔塌陷、破裂现象的发生，此外，聚丙烯比热容较大，这使它从熔融态转变成结晶态时会放出大量的热量，会进一步降低熔体的粘度，这些都不利于优良泡孔结构的形成，更会影响发泡制品的力学性能，限制其广泛应用。在聚丙烯中引入纳米粒子(如蒙脱土、碳纳米管、富勒烯等)已成为聚丙烯改性和高性能化的重要途径。以纳米尺度分散于聚烯烃基体中的无机刚性粒子在填充量很少(通常低于10％)的情况下就可显著改善或提高聚丙烯的力学性能。Dubois等研究发现碳纳米管阻燃聚丙烯时发现碳纳米管能够捕捉自由基，形成交联结构，有利于提高聚丙烯的熔体强度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种聚丙烯微发泡复合材料及其制备方法，该材料在其制备发泡材料的过程中熔体强度足够支撑泡孔生长，解决现有技术发泡过程中，熔体强度低导致气体大量逃逸而造成的气泡塌陷破裂，聚丙烯因发泡而引起力学性能降低等问题。在聚丙烯中引入纳米粒子已成为聚丙烯改性和高性能化的重要途径。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，包括碳纳米管增强聚丙烯复合材料和发泡剂母粒；其中，碳纳米管增强聚丙烯复合材料由以下重量份的组分组成：
聚丙烯80-95份；
相容剂1-10份；
碳纳米管0.5-10份；
其他添加剂0.5-2份；
所述的发泡剂母粒与碳纳米管增强聚丙烯复合材料的重量比为0.5-5：95-99.5。
其中，聚丙烯基料熔融指数为5-100g/10min，优选熔融指数为30-100g/10min的聚丙烯。
所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯型、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种，优选马来酸酐接枝聚丙烯型。
所述的碳纳米管为多壁碳纳米管及表面羟基化或羧基化的多壁碳纳米管，优选多壁碳纳米管，纯度≥95％，直径8-60nm，长度﹤30μm。
所述其他添加剂为抗氧剂、润滑剂、抗紫外线和颜料等其他助剂，其中所述的抗氧剂选自受阻酚类和硫酯类抗氧剂中的一种或几种，优选168，1010。
所述的发泡剂母粒为改性碳酸氢钠。
上述碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料的制备方法，其步骤为：
(1)将聚丙烯、相容剂、碳纳米管和其他添加剂按所述重量比例放入高速混合机中混合4-6min，获得以上组分均匀混合物。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，进行挤出造粒，得到碳纳米管增强聚丙烯复合材料；其中一区190～200℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区210～220℃，五区215～225℃，六区215～225℃，七区215～225℃，机头温度210～220℃，压力12～18MPa，物料在挤出机中停留1～2min；
(3)将步骤(2)所得碳纳米管增强聚丙烯复合材料和发泡剂母粒按比例放入混合机中混合，获得二者混合物；
(4)将所述混合物加入到注塑机中，注塑成型得到高性能碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，注塑机各段温度如下：一区165～175℃，二区190～200℃，三区200～210℃，四区190～200℃，五区175～185℃。
本发明的有益效果是：利用碳纳米管对自由基的捕捉能力，形成微交联结构，提高聚丙烯熔体强度，易于获得均匀致密的微孔。相比未填充聚丙烯微发泡材料，碳纳米管增强与微孔发泡技术相结合进一步减轻材料重量的同时，大幅度提高拉伸强度、模量等力学性能。本发明中，随着碳纳米管的加入，泡孔直径逐渐减小，泡孔密度增加，拉伸强度明显提高。本发明不仅节约了原材料成本，还获得了泡孔细小，均匀致密，力学性能较好的聚丙烯微发泡复合材料。
具体实施方式
本发明可通过下面优选方案获得进一步的阐述，但这些实施例仅在于举例说明,不对本发明的范围做出界定。
在实施例和对比例的复合材料配方中，所用聚丙烯为大韩油化工业株式会社提供的共聚聚丙烯，商品牌号为CB5290；所用的碳纳米管为多壁碳纳米管，直径10-20nm，长度﹤30μm；相容剂为佳易容相容剂江苏有限公司提供的聚丙烯接枝马来酸酐；抗氧剂为BASF提供的168，商品牌号为Irgafos 168；改性碳酸氢钠类发泡剂由上海杰上杰化学有限公司提供，商品牌号为PP2158S。
实施例1
本实施例提供一种聚丙烯微发泡复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将聚丙烯94份，相容剂5份，碳纳米管0.5份，抗氧剂0.5份投入高速混合机中混合4-6min，获得均匀的混合物。待混合均匀后，将混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融共混、挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区190～200℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区210～220℃，五区215～225℃，六区215～225℃，七区215～225℃，机头温度210～220℃，压力12～18MPa，物料在挤出机中停留1～2min。
将制得的聚丙烯粒子材料放入100℃的通风烘箱中干燥2～3小时，然后取98份干燥好的碳纳米管增强聚丙烯复合材料与2份发泡剂混合均匀，加入注塑机中，采用二次开模技术进行微孔注塑发泡，注塑机各段温度如下：一区165～175℃，二区190～200℃，三区200～210℃，四区190～200℃，五区175～185℃。
卸压开模后的发泡聚丙烯材料物理性能见表1。
实施例2
将聚丙烯92.5份，相容剂5份，碳纳米管2份，抗氧剂0.5份投入高速混合机中混合4-6min，获得均匀的混合物。待混合均匀后，将混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融共混、挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区190～200℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区210～220℃，五区215～225℃，六区215～225℃，七区215～225℃，机头温度210～220℃，压力12～18MPa，物料在挤出机中停留1～2min。
将制得的聚丙烯粒子材料放入100℃的通风烘箱中干燥2～3小时，然后取98份干燥好的聚丙烯复合材料与2份发泡剂混合均匀，加入注塑机中，采用二次开模技术进行微孔注塑发泡，注塑机各段温度如下：一区165～175℃，二区190～200℃，三区200～210℃，四区190～200℃，五区175～185℃。
卸压开模后的发泡聚丙烯材料物理性能见表1。
实施例3
将聚丙烯89.5份，相容剂5份，碳纳米管5份，抗氧剂0.5份投入高速混合机中混合4-6min，获得均匀的混合物。待混合均匀后，将混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融共混、挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区190～200℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区210～220℃，五区215～225℃，六区215～225℃，七区215～225℃，机头温度210～220℃，压力12～18MPa，物料在挤出机中停留1～2min。
将制得的聚丙烯粒子材料放入100℃的通风烘箱中干燥2～3小时，然后取98份干燥好的聚丙烯复合材料与2份发泡剂混合均匀，加入注塑机中，采用二次开模技术进行微孔注塑发泡，注塑机各段温度如下：一区165～175℃，二区190～200℃，三区200～210℃，四区190～200℃，五区175～185℃。
卸压开模后的发泡聚丙烯材料物理性能见表1。
实施例4
将聚丙烯84.5份，相容剂5份，碳纳米管10份，抗氧剂0.5份投入高速混合机中混合4-6min，获得均匀的混合物。待混合均匀后，将混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融共混、挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区190～200℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区210～220℃，五区215～225℃，六区215～225℃，七区215～225℃，机头温度210～220℃，压力12～18MPa，物料在挤出机中停留1～2min。
将制得的聚丙烯粒子材料放入100℃的通风烘箱中干燥2～3小时，然后取98份干燥好的聚丙烯复合材料与2份发泡剂混合均匀，加入注塑机中，采用二次开模技术进行微孔注塑发泡，注塑机各段温度如下：一区165～175℃，二区190～200℃，三区200～210℃，四区190～200℃，五区175～185℃。
卸压开模后的发泡聚丙烯材料物理性能见表1。
比较例
将聚丙烯94.5份，相容剂5份，抗氧剂0.5份投入高速混合机中混合4-6min，获得均匀的混合物。待混合均匀后，将混合物加入双螺杆挤出机中，进行熔融共混、挤出造粒，挤出机各段温度如下：一区190～200℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区210～220℃，五区215～225℃，六区215～225℃，七区215～225℃，机头温度210～220℃，压力12～18MPa，物料在挤出机中停留1～2min。
将制得的聚丙烯粒子材料放入100℃的通风烘箱中干燥2～3小时，然后取98份干燥好的聚丙烯复合材料与2份发泡剂混合均匀，加入注塑机中，采用二次开模技术进行微孔注塑发泡，注塑机各段温度如下：一区165～175℃，二区190～200℃，三区200～210℃，四区190～200℃，五区175～185℃。
卸压开模后的发泡聚丙烯材料物理性能见表1。
表1碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料物理性能：
以上实施例中，随着碳纳米管的加入，复合发泡体系的熔体强度增大，微发泡聚丙烯体系泡孔更加细小和均匀致密，发泡材料的拉伸强度与未发泡纯聚丙烯相比可提高近一倍，弯曲强度和冲击强度有微小的提高。本发明获得了泡孔细小、均匀致密、拉伸性能好且环保的微孔发泡聚丙烯材料。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：包括碳纳米管增强聚丙烯复合材料和发泡剂母粒；其中，碳纳米管增强聚丙烯复合材料由以下重量份的组分组成：
聚丙烯 80-95份；
相容剂 1-10份；
碳纳米管 0.5-10份；
其他添加剂 0.5-2份；
所述的发泡剂母粒与碳纳米管增强聚丙烯复合材料的重量比为0.5-5：95-99.5。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：聚丙烯基料熔融指数为5-100g/10min。
3.根据权利要求2所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：聚丙烯基料熔融指数为30-100g/10min的聚丙烯。
4.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述的相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯型、马来酸酐接枝聚丙烯中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯型。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述的碳纳米管为多壁碳纳米管及表面羟基化或羧基化的多壁碳纳米管。
7.根据权利要求6所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，纯度≥95％，直径8-60nm，长度﹤30μm。
8.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述其他添加剂为抗氧剂、润滑剂、抗紫外线和颜料等其他助剂，其中所述的抗氧剂选自受阻酚类和硫酯类抗氧剂中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的一种碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述的发泡剂母粒为改性碳酸氢钠。
10.一种权利要求1-9任意之一所述碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料的制备方法，其特征在于：其步骤为：
(1)将聚丙烯、相容剂、碳纳米管和其他添加剂按所述重量比例放入高速混合机中混合4-6min，获得以上组分均匀混合物。
(2)将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，进行挤出造粒，得到碳纳米管增强聚丙烯复合材料；其中一区190～200℃，二区210～220℃，三区210～220℃，四区210～220℃，五区215～225℃，六区215～225℃，七区215～225℃，机头温度210～220℃，压力12～18MPa，物料在挤出机中停留1～2min；
(3)将步骤(2)所得碳纳米管增强聚丙烯复合材料和发泡剂母粒按比例放入混合机中混合，获得二者混合物；
(4)将所述混合物加入到注塑机中，注塑成型得到高性能碳纳米管增强聚丙烯微发泡材料，注塑机各段温度如下：一区165～175℃，二区190～200℃，三区200～210℃，四区190～200℃，五区175～185℃。
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