CN107090126A - 一种纳米增强改性热塑性树脂材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米增强改性热塑性树脂材料的制备方法,包括矿物凝胶制备、预混物制备、纳米增强材料制备和干燥,制得纳米增强改性热塑性树脂材料。本发明利用纳米矿物粉体的水化膨胀特性,先制备纳米矿物凝胶,然后再将其与其余原材料共混挤出造粒。此预凝胶的过程有利于挤出过程中纳米矿粉在材料中的分散;在挤出造粒过程中引入超临界流体,解决纳米材料的团聚问题;在制备过程中进行双真空抽提工艺,有利于其中的水以及其他易挥发物质的脱除,提高材料的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉高分子改性材料加工领域,具体涉及一种纳米增强改性热塑性树脂材料的制备方法。
背景技术
矿物增强一直是高分子改性材料增强的主要途径之一,但是在当前汽车、电器等工业快速发展的形式下,对高分子改性材料的需求也迅速增大、要求越来越高,简单的矿物增强材料已无法满足市场对材料性能的要求,亟待开发出更为优异的增强材料制造方案与工艺。
纳米增强技术的出现为解决上述问题提供了切实有效的方案,业内也进行了广泛的研究和相关纳米材料的开发。目前主要的高分子纳米改性材料的制备方法有溶胶-凝胶法、共混法、原位聚合法、层状嵌入法、以及层间插入法等。其中,共混法在高分子改性行业应用最普遍。相比于简单的矿物增强,纳米增强使得改性材料在强度、刚性、韧性以及耐热性等方面都有了明显的提高。但是共混法制备纳米增强复合材料易出现纳米矿粉团聚造成材料性能不增反减的问题,所以如何加强纳米矿粉在共混改性材料中的分散性是将纳米增强技术推向大规模应用的最主要、最关键的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有改性材料的性能缺陷以及纳米分散问题,从纳米矿粉的选择与加工工艺出发,提供一种纳米增强改性材料的制备方法。
具体技术方案如下:
一种纳米增强改性热塑性树脂材料的制备方法,其包括以下步骤:
(1)矿物凝胶制备:先在纯水中加入占其重量0.5-1%的水溶性硅油混合得混合液,然后将纳米矿物粉体和混合液按重量比10:1-20:1进行混合,并高速分散5-10分钟后静置,制成矿物凝胶;
(2)预混物制备:将纳米增强改性热塑性树脂材料中的热塑性树脂、弹性体、耐候剂和润滑剂于混料机中以300-500转/分钟混合2-4分钟;然后加入经步骤(1)制备的矿物凝胶再次混合4-6分钟得预混物;
(3)纳米增强材料制备:将预混物投入十二节筒体平行双螺杆挤出机中,在双螺杆挤出机的第七节筒体、第八节筒体或第九节筒体的任一节筒体处以液体喷枪注入超临界流体,再在第十节筒体和十一节筒体处进行真空抽提,除去二氧化碳和矿物中的水分,经熔融、挤出造粒;
(4)干燥:将经过双螺杆挤出造粒的粒料放入烘料罐中,于70-120℃干燥3h,冷却室温,得纳米增强改性热塑性树脂材料。
进一步方案,所述步骤(3)中双螺杆挤出机的螺杆转速350-500rpm、挤出温度190-230℃、真空度0.08-0.1MPa。
所述的热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺的至少一种。
所述纳米矿物粉体为粒径为10-400纳米的蒙脱土、锂皂石、水云母或海泡石。
所述的弹性体为乙烯-辛烯共聚物、三元乙丙橡胶/丙烯-α烯烃共聚物、聚丁二烯、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物、氯化聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯中的至少一种。
所述的耐候剂是受阻胺类、受阻酚类、硫代酯类、亚磷酸酯类、环氧类中的两种或三种复配使用。
所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡、硬脂酸盐、接枝乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。
所述超临界流体为超临界二氧化碳、超临界氮气或超临界一氧化氮。
本发明的另一个发明目的是提供上述制备的纳米增强改性热塑性树脂材料材料的应用,所述纳米增强改性热塑性树脂材料用做汽车内外饰件。
本发明中纳米增强改性热塑性材料是以热塑性树脂为基料,加入弹性体、耐候剂、润滑剂和矿物凝胶,在低速混料机中混合均匀后,通过双螺杆挤出机(十二节筒体)混合造粒,在其第七节或第八节或第九节的筒体处以液体喷枪注入超临界流体,在十节和十一节筒体进行真空抽提,除去二氧化碳和矿物中的水分,再经过干燥,就得到纳米增强改性材料。
其中纳米增强改性热塑性材料中各组分的用量是本领域常用或公知的,矿物凝胶量是根据制备时矿物含量进行换算。本发明的发明点不在于各组分的含量选择上,主要是用矿物凝胶来对树脂进行改性,并加入了超临界流体等制备工艺的创新。
所以本发明的有益效果为:
1、本发明采用的纳米蒙脱土、锂皂石、水云母、海泡石等矿物,其来源广泛、价格便宜,适合聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺等高分子材料的无机增强材料。
2、本发明将纳米矿物粉体和硅油混合液进行混合制成矿物凝胶做为增强剂,其中矿物凝胶中矿物为纳米级,其比简单的低目数矿物增强性能更为优越,改性的材料适用性更广。
3、本发明利用纳米矿物粉体的水化膨胀特性,在制备纳米改性材料之前,先按一定比例将纳米矿粉加入含有润滑剂的水中制备纳米矿物凝胶,然后再将其与其余原材料共混挤出造粒。此预凝胶的过程有利于挤出过程中纳米矿粉在材料中的分散。
4、本发明利用超临界流体为液体与气体的双重特性,在挤出造粒过程中引入超临界流体,具有低表面张力、超强渗透性的超临界流体进入熔体以及纳米矿粉的微观结构中,挤出过程中温度、压力变化导致流体瞬间膨胀,可解决纳米材料的团聚问题。
5、本发明在制备过程中,在双螺杆挤出机的第十节筒体和十一节筒体处进行双真空抽提工艺,其真空度0.08-0.1MPa,有利于其中的水以及其他易挥发物质的脱除,提高材料的综合性能。
具体实施方式
为更好理解本发明,下面结合实施例对本发明作进一步描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1:
粒径为10nm的纳米锂皂石增强聚丙烯材料(PP),具体制备方法和生产工艺如下:
(1)矿物凝胶制备:在纯水中加入0.5%的水溶性硅油,然后以重量比10:1称取纳米锂皂石和水,高速分散5分钟后静置,制成矿物凝胶;
(2)预混物制备:按表1配比称取聚丙烯树脂、增韧剂、耐候剂和润滑剂于混料机中,混合2分钟,转速为300转/分钟;然后添加制备的矿物凝胶再次混合4分钟,其中所需矿物凝胶量可根据制备时矿物含量进行换算称取;
(3)纳米增强材料制备:预混物在十二节筒体平行双螺杆挤出机中,熔融、挤出造粒,在第七节通入超临界二氧化碳流体,在十节和十一节筒体进行真空抽提,除去二氧化碳和矿物中的水分,干燥制得纳米增强改性材料,其中螺杆转速350rpm,挤出温度190-230℃,真空度0.08MPa,料粒干燥温度95±5℃,就制备出纳米增强聚丙烯材料。
实施例2:
粒径为400nm的纳米水云母增强聚乙烯材料,具体制备方法和生产工艺如下:
(1)矿物凝胶制备:在纯水中加入0.7%的水溶性硅油,然后以重量比15:1称取纳米水云母和水,高速分散7分钟后静置,制成矿物凝胶;
(2)预混物制备:按表1设计比例称取聚乙烯树脂、增韧剂、耐候剂和润滑剂于混料机中,混合3分钟,转速为400转/分钟;然后添加制备的矿物凝胶再次混合5分钟,其中所需矿物凝胶量可根据制备时矿物含量进行换算称取;
(3)纳米增强材料制备:预混物在十二节筒体平行双螺杆挤出机中,熔融、挤出造粒,在第八节通入超临界二氧化碳流体,制得纳米增强改性材料,螺杆转速400rpm,挤出温度170-210℃,真空度0.85MPa,料粒干燥温度75±5℃,就制备出纳米增强聚乙烯材料。
实施例3:
粒径为100nm的纳米海泡石增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料,具体制备方法和生产工艺如下:
(1)矿物凝胶制备:在纯水中加入1.0%的水溶性硅油,然后以重量比20:1称取纳米海泡石和水,高速分散7分钟后静置,制成矿物凝胶;
(2)预混物制备:按表1设计比例称取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物树脂、增韧剂、耐候剂和润滑剂于混料机中,混合4分钟,转速为500转/分钟;然后添加制备的矿物凝胶再次混合6分钟,其中所需矿物凝胶量可根据制备时矿物含量进行换算称取;
(3)纳米增强材料制备:预混物在十二节筒体平行双螺杆挤出机中,熔融、挤出造粒,在第八节通入超临界二氧化碳流体,制得纳米增强改性材料,螺杆转速500rpm,挤出温度200-230℃,真空度0.09MPa,料粒干燥温度95±5℃,就制备出纳米增强丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料。
实施例4:
粒径为250nm的纳米蒙脱土增强聚酰胺材料(PA),具体制备方法和生产工艺如下:
(1)矿物凝胶制备:在纯水中加入1.0%的水溶性硅油,然后以重量比20:1称取纳米蒙脱土和水,高速分散10分钟后静置,制成矿物凝胶;
(2)预混物制备:按表1设计比例称取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物树脂、增韧剂、耐候剂和润滑剂于混料机中,混合4分钟,转速为500转/分钟;然后添加制备的矿物凝胶再次混合6分钟,其中所需矿物凝胶量可根据制备时矿物含量进行换算称取;
(3)纳米增强材料制备:预混物在十二节筒体平行双螺杆挤出机中,熔融、挤出造粒,在第九节通入超临界二氧化碳流体,制得纳米增强改性材料,螺杆转速450rpm,挤出温度230-260℃,真空度0.95MPa,料粒干燥温度115±5℃,就制备出纳米增强聚酰胺材料。
对上述实施例1-4制备的纳米增强热塑性树脂材料按统一标准做成试样后,再分别进行熔融指数、拉伸强度、弯曲模量、悬臂梁缺口冲击和粒径进行检测,具体数据如下表1所示:
表1:实施例配方和物性数据
从上表1可看出:通过纳米矿粉预凝胶处理工艺和超临界辅助分散工艺,矿物粉体得到充分的分散,无团聚问题的发生,可以制备出纳米增强热塑性材料。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种纳米增强改性热塑性树脂材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)矿物凝胶制备:先在纯水中加入占其重量0.5-1%的水溶性硅油混合得混合液,然后将纳米矿物粉体和混合液按重量比10:1-20:1进行混合,并高速分散5-10分钟后静置,制成矿物凝胶;
(2)预混物制备:将纳米增强改性热塑性树脂材料中的热塑性树脂、弹性体、耐候剂和润滑剂于混料机中以300-500转/分钟混合2-4分钟;然后加入经步骤(1)制备的矿物凝胶再次混合4-6分钟得预混物;
(3)纳米增强材料制备:将预混物投入十二节筒体平行双螺杆挤出机中,在双螺杆挤出机的第七节筒体、第八节筒体或第九节筒体的任一节筒体处以液体喷枪注入超临界流体,再在第十节筒体和十一节筒体处进行真空抽提,除去二氧化碳和矿物中的水分,经熔融、挤出造粒;
(4)干燥:将经过双螺杆挤出造粒的粒料放入烘料罐中,于70-120℃干燥3h,冷却室温,得纳米增强改性热塑性树脂材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中双螺杆挤出机的螺杆转速350-500rpm、挤出温度190-230℃、真空度0.08-0.1MPa。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述纳米矿物粉体为粒径为10-400纳米的蒙脱土、锂皂石、水云母或海泡石。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的弹性体为乙烯-辛烯共聚物、三元乙丙橡胶/丙烯-α烯烃共聚物、聚丁二烯、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物、氯化聚乙烯、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述的耐候剂是受阻胺类、受阻酚类、硫代酯类、亚磷酸酯类、环氧类中的两种或三种复配使用。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述润滑剂为乙撑双硬脂酰胺、聚乙烯蜡、硬脂酸盐、接枝乙撑双硬脂酰胺中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述超临界流体为超临界二氧化碳、超临界氮气或超临界一氧化氮。
9.一种如权利要求1制备的纳米增强改性热塑性树脂材料材料的应用,其特征在于:所述纳米增强改性热塑性树脂材料用做汽车内外饰件。
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YANG ZHAO ET AL: "Dynamic Rheology and microstructure of polypropylene/clay nanocomposites prepared under Sc-CO2 by melt compounding", 《POLYMER TESTING》 * |
中国煤田地质总局编著: "《煤田钻探工程 第五分册 钻井液》", 31 October 1994, 煤炭工业出版社 * |
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