CN107189398A - 纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料及制备方法、应用 - Google Patents

纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料及制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料及其制备方法、应用，主要由如下原料：纳米包裹金属粉，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯，扁平型玻璃纤维，普通型玻璃纤维，阻燃剂，热氧稳定剂。制备方法包括：将原料混合均匀后，并在温度为245‑320℃的条件下挤出后定型，即可。本发明的纳米材料应用非常广泛，在照明灯具及底座、照明球泡底座、平板灯底座、异形灯具底座、电子电器外壳以及异型材等方面均有很好的应用，通过添加纳米包裹涂覆金属粉体与其他原料混合搭配后，制备出的纳米免喷涂高模量耐刮花材料抗氧化能力强，分散性好，材料色泽饱和度高，解决了氧化变色问题并避免了使用任何有机挥发物导致的环境污染。

Description

纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料及制备方法、应用
技术领域
本发明涉及纳米材料加工领域，具体而言，涉及一种纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料及其制备方法、应用。
背景技术
灯具的用途范围比较广泛，可包括家居照明、商业照明、工业照明、道路照明、景观照明、特种家居照明等等，各行各业基本都能涉及到灯具的使用，波及范围比较广泛。
其实在市面上进行选择灯具时是有一定的考究的，需要考虑方方面面，如防水、防爆、防尘等性能，特别是在选择光源和灯具上是很有讲究的，如灯具面料所制作的颜色、面料质地在不同的光源下所产生的效果是不一样的，除此之外灯具的选择还主要考虑材料的环保性、使用寿命、照度、维护系数等等，随着现在人们对灯具本身的环保性、使用寿命，机械性能等方面提出越来越高的要求，灯具以及灯具底座的材料也是需要有相应的改进才能更加满足要求。
现有技术中，灯具材料一般选用的还是传统PC材料，这种材料具备高强度及弹性系数、高冲击强度、适用温度范围广等优点，但是现阶段若要进一步提高材料的其他性能，一般会通过添加一定量的相应功能助剂来达到实际的目的，但是这些助剂本身不环保，毒性比较大，而且持久稳定性不高，尤其是对于有喷涂需求的材料，还需要将喷涂粉料加入到PC材料中，但是这种方法一般使用一段时间后因为氧化的原因变黑，从而会影响到使用效果以及使用寿命。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，该纳米免喷涂材料通过添加纳米包裹涂覆金属粉体与其他原料混合搭配后，制备出的纳米材料抗氧化能力强，分散性好，有效的解决了氧化问题，抗温性能优异，减少降低熔接痕、流纹和挤出时的拉痕，没有任何有毒性的原料，绿色环保，免喷涂，低光泽度类金属阳极氧化效果，机械性能较优，具有高强度高模量，铅笔硬度可达到1H，外观上更加接近金属的质感，档次品味比较高，能耗低，耐刮花。
本发明的第二目的在于提供上述材料的制备方法，制备方法相对简单、操作方便，操作条件也比较温和，前后步骤衔接紧密，无三废产生，安全环保，属于较优的一种制备方法。
本发明的第三目的在于提供上述材料的进一步应用，可应用在照明灯具及底座、照明球泡底座、平板灯底座、异形灯具底座、电子电器外壳方面，应用非常广泛。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，主要由如下原料制得：以质量份数计，纳米包裹金属粉0.1-10份，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯50-90份，扁平型玻璃纤维1-15份，普通型玻璃纤维0.5-10份，阻燃剂0.5-2份，热氧稳定剂0.2-0.6份。
现有技术中，灯具材料一般选用的还是传统PC材料，这种材料具备高强度及弹性系数、高冲击强度、适用温度范围广等优点，但是现阶段若要进一步提高材料的其他性能，一般会通过添加一定量的相应功能助剂来达到实际的目的，但是这些助剂本身不环保，毒性比较大，而且持久稳定性不高，尤其是对于有喷涂需求的材料，还需要将喷涂粉料加入到PC材料中，但是这种方法一般使用一段时间后因为氧化的原因变黑，从而会影响到使用效果以及使用寿命。
本发明为了解决上述问题，提供了一种纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料的配方，从而有效的克服了氧化的问题，延长了材料本身的使用寿命，并且还具有诸多其他优点，比如免喷涂，无VOC环保性等。
在本发明中，发明人特意挑选了纳米包裹金属粉作为原料与其他原料进行配合，而这种纳米包裹的免喷涂金属粉是发明人购买来纳米金属粉之后并采用包裹改性剂(比如硅酸盐类改性剂)进行改性后形成包裹结构的纳米级金属粉，只要是能够进行包裹改性的改性剂均在本发明的保护范围之内，通过采用具有包裹结构的纳米金属粉，显著提高了材料本身的耐温性，抗氧化能力强，而且分散性能好，金属粉末在体系内更加有规矩的按顺序排列，不会杂乱无章的无序排列，正因为如此发明人通过对纳米金属粉进行改性后形成包裹结构作为原料，克服了现有技术中相关材料的缺陷。
为了进一步优化产品的性能，纳米包裹金属粉的D50控制在10-65μm之间，目粒度控制在300-2000目之间。
优选地，纳米包裹金属粉包括第一金属粉、第二金属粉和第三金属粉，其中所述第一金属粉的D50控制在10-20μm之间，目粒度控制在1500-2000目，第二金属粉的D50控制在30-40μm之间，目粒度控制在600-800目，第三金属粉的D50控制在50-65μm之间，目粒度控制在300-400目。
更优地，第一金属粉、第二金属粉、第三金属粉之间的质量比控制在3：(5-7)：(1-3)，更优地为3：6：2。
通过将三种粒度分布不同的包裹型纳米金属粉末进行有机的结合，可以营造更加稳定的金属粉体分散体系，减少降低熔接痕、流纹和挤出时的拉痕，提高材料的使用寿命。
另外，本发明采用的扁平型玻璃纤维作为原料，该种类型的玻璃纤维属于特种类型的玻璃纤维，具有高模量高硬度，发明人通过反复试验发现采用这种类型的玻璃纤维能够提升材料本身的刚性，使其性能更加接近于金属，具有非常优异的尺寸稳定性，表面耐刮花性提升，铅笔硬度达到1H。因此将扁平型的玻璃纤维与普通型的玻璃纤维通过合理的配比伍配使用后，既达到了理想的性能，也充分做到了减少能耗，使得产品具有更优异的可观性。
优选地，所述扁平型玻璃纤维的长径比控制在1：(2-3)之间，更优为1：2.2；
优选地，所述普通型玻璃纤维的长径比控制在1：(4-6)之间。
原料中除了创新性的添加了纳米包裹金属粉、扁平型玻璃纤维这两种物质以外，对其他物质的用量也进行了合理的优化，聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA/PC复合材料)本身属于制作相关材料的传统基材，其具体作用不做赘述，但是这两种产品通过合理的配比与其他原料进行配伍的关系是有一定的考究的。
优选地，聚碳酸酯包括脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯、脂肪族-芳香族聚碳酸酯中的一种或几种的结合。
除此之外，原料中还添加了阻燃剂、稳定剂等相关助剂以提升阻燃性能，并提高稳定性。
阻燃剂可选择为多羟基反应型阻燃剂、甲基磷酸二甲酯以及无卤阻燃剂中的一种或几种，通过添加阻燃剂可增强材料的阻燃性能，提高稳定性并一定程度上提高了操作安全系数。
稳定剂可选择为二苯胺、对苯二胺以及二氢喹啉中的一种或几种，以阻止产品的老化延长其使用寿命。
此外，各原料的用量配比上，更优为：纳米包裹金属粉0.3-2份，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯65-75份，扁平型玻璃纤维4-7份，普通型玻璃纤维2-4份，阻燃剂0.8-1.5份，稳定剂0.3-0.5份。
最优地，纳米包裹金属粉1.8份，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯70份，扁平型玻璃纤维6份，普通型玻璃纤维3份，阻燃剂1份，稳定剂0.4份。
除此之外，纳米包裹金属粉的质量份数还可以为0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1.0份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份、1.5份、1.6份、1.7份、2.1份、2.3份等，扁平型玻璃纤维的质量份数还可以为3.1份、3.2份、3.3份、4.2份、4.3份、4.4份、5份、5.5份等，这些用量均可以与其他原料的用量进行任意组合。
本发明的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料的各原料中，除了创造性的添加了纳米包裹金属粉与扁平型玻璃纤维，还将各原料之间的配比关系进行合理优化，纳米包裹金属粉是发明人将市售购买来的纳米金属粉进行改性包裹所得的产品，扁平型玻璃纤维之前还没有相关记载将其作为原料用于制备本发明的纳米材料，本发明的方案尚属首次，因此不仅从原料的选择上还是各原料的合理用量上，发明人均付出了大量的创造性劳动，而且最后得到的免喷涂纳米材料各方面性能俱佳，是现有技术中普通的PC材料体系所无法比拟的。
本发明除了提供了一种纳米高模量工程塑料材料的配方，还提供了一种纳米高模量工程塑料材料的制备方法，包括如下步骤：
将原料混合均匀后，并在温度为245-320℃的条件下挤出后定型，即可。
本发明实施例提供的纳米材料的制备方法，制备方法简单、操作方便，能够完整的保留每个原材料的有效成分。其中，原料混合可在搅拌设备中进行，鉴于原料本身均属于高分子物质比较粘稠也为了形成均一度比较高的混料，需要高速搅拌，控制在700-800rad/min。另外在将原料混合均匀与挤出的步骤之间还包括：将原料混合均匀后在105-120℃的条件下干燥2-4h，再在70-100℃的条件下保温一段时间；优选保温的时间为2-4h。对混合搅拌均匀的原料进行烘干，烘干的具体参数是有一定的要求的，先在温度比较高的条件下干燥2-4h，然后再将温度降低进行保温，因为当物料彻底干燥之后还在如此高温下进行保温，会破坏其中的有效成分，而且通过保温能有效改善混料的性能。
值得注意的地方在于，在比较关键的挤出定型步骤中，挤出温度最好设置为4-5个温度梯度，第一梯度为290-325℃，第二梯度为270-290℃，第三梯度为260-280℃，第四梯度为245-270℃，若有第五梯度，则温度控制在230-245℃。定型的温度控制在65-80℃，优选温度控制在70-75℃。挤出的作用是使得混料充分塑化，刚开始温度会比较高是为了提高其塑化效果，但是随着挤出过程的不断进行，温度会逐渐降低，否则出料时料会太软不利于后续成型，因此最好设置几个温度梯度，以更好的塑化成型。定型的温度一般控制在几十摄氏度左右，此时是为了让挤出料很好的定型，因此需要降低温度冷却，将定型温度控制在适宜的范围内。
一般挤出定型所用的设备为单螺杆挤出机，这种单螺杆挤出机不仅效率高而且能耗低，具体使用时，喷嘴温度需要控制在280-320℃，本发明的这种材料不同于传统材料，以上工艺参数均是发明人通过大量实践摸索得到的，与传统PC材料的具体工艺路线以及工艺参数均有很大区别，只有在本发明中才能得到相关启示。
最后，本发明实施例提供的纳米材料在照明灯具及底座、照明球泡底座、平板灯底座、异形灯具底座、电子电器外壳，挤出异型材等方面均有很好的应用，尤其是各种灯座的材料非常适合采用本发明的材料，外观比较高档次，安全环保免喷涂，低光泽度，制作成本低能耗低，表面耐刮花、抗氧化，使用寿命长。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的纳米材料，抗氧化能力强，分散性好，有效的解决了氧化问题，抗温性能优异，耐温到350℃，解决加工温度下(220-350℃)氧化问题，减少降低熔接痕、流纹和挤出时的拉痕，生产时可达到无尘的效果，没有任何有毒性的原料，绿色环保，免喷涂，克服了以往喷涂再处理的工艺步骤，省去了后续喷涂工序，节省了操作时间，降低了操作成本；
(2)本发明的纳米材料具有低光泽度类金属阳极氧化效果，机械性能较优，具有高强度高模量，铅笔硬度可达到1H，外观上更加接近金属的质感，档次品味比较高，能耗低，耐刮花，高可靠性，解决涂层脱落，变色等技术品质问题；
(3)本发明的纳米材料可应用在照明灯具及底座、照明球泡底座、平板灯底座、异形灯具底座、电子电器外壳方面，应用非常广泛。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
纳米高模量工程塑料材料的原料如下：
纳米包裹金属粉0.1kg，脂肪族-芳香族聚碳酸酯50kg，扁平型玻璃纤维(长径比1：2)1kg，普通型玻璃纤维(长径比1：4)0.5kg，甲基磷酸二甲酯0.5kg，二苯胺0.2kg，其中纳米包裹金属粉由纳米金属粉包裹改性所得；
具体制备工艺如下：
1)将原料放入高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀并控制搅拌速率在700-800rad/min，搅拌时间在20-30min，然后在鼓风干燥机中干燥2-4h得到混料，干燥的温度控制在105-120℃；
2)将混料通过螺杆挤出机熔融混炼挤出成型，温度为245-320℃的条件下挤出后，然后将成型模温度设定为65-80℃用于挤出料的冷却定型，定型后即得。
实施例2
纳米高模量工程塑料材料的原料如下：
纳米包裹金属粉0.3kg(D50＝10μm、1500-2000目的第一金属粉：D50＝30μm、600-800目的第二金属粉：D50＝50μm、300-400目的第三金属粉之间的质量比为3：5：1)，聚甲基丙烯酸甲酯65kg，扁平型玻璃纤维(长径比1：3)8kg，普通型玻璃纤维(长径比1：6)5kg，无卤阻燃剂2kg，对二苯胺0.6kg，其中纳米包裹金属粉由纳米金属粉包裹改性(改性剂采用硅酸盐)所得；
具体制备工艺如下：
1)将原料放入高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀并控制搅拌速率在700-800rad/min，搅拌时间在20-30min，然后在鼓风干燥机中干燥3h得到混料，干燥的温度控制在105-120℃，再在干燥箱中70-100℃的条件下保温2-4h；
2)将混料通过螺杆挤出机熔融混炼挤出成型，设定射嘴温度为280-320℃，挤出温度设置为5个温度梯度，第一梯度为290-325℃，第二梯度为270-290℃，第三梯度为260-280℃，第四梯度为245-270℃，第五梯度为230-245℃，然后将成型模温度设定为70-75℃用于挤出料的冷却定型，即得。
实施例3
纳米高模量工程塑料材料的原料如下：
纳米包裹金属粉2kg(D50＝20μm、1500-2000目的第一金属粉：D50＝40μm、600-800目的第二金属粉：D50＝65μm、300-400目的第三金属粉之间的质量比为3：7：3)，聚碳酸酯(脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯、脂肪族-芳香族聚碳酸酯质量比为1：2：1)75kg，扁平型玻璃纤维(长径比1：2)7kg，普通型玻璃纤维(长径比1：4)2kg，无卤阻燃剂0.8kg，对二苯胺0.3kg，其中纳米包裹金属粉由纳米金属粉包裹改性(改性剂采用硅酸盐)所得；
具体制备工艺如下：
1)将原料放入高速搅拌机中进行混合搅拌，搅拌均匀并控制搅拌速率在700-800rad/min，搅拌时间在20-30min，然后在鼓风干燥机中干燥2-3h得到混料，干燥的温度控制在105-120℃，再在干燥箱中80℃的条件下保温2-3h；
2)将混料通过螺杆挤出机熔融混炼挤出成型，设定射嘴温度为280-320℃，挤出温度设置为5个温度梯度，第一梯度为290-325℃，第二梯度为270-290℃，第三梯度为260-280℃，第四梯度为245-270℃，第五梯度为230-245℃，然后将成型模温度设定为70-75℃用于挤出料的冷却定型，即得。
实施例4
纳米高模量工程塑料材料的原料如下：
纳米包裹金属粉10kg(D50＝15μm、1500-2000目的第一金属粉：D50＝35μm、600-800目的第二金属粉：D50＝55μm、300-400目的第三金属粉之间的质量比为3：6：2)，聚碳酸酯(脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯、脂肪族-芳香族聚碳酸酯质量比为1：2：1)90kg，扁平型玻璃纤维(长径比1：2.5)15kg，普通型玻璃纤维(长径比1：5)10kg，无卤阻燃剂2kg，对二苯胺0.6kg，其中纳米包裹金属粉由纳米金属粉包裹改性(改性剂采用硅酸盐)所得；
具体制备工艺与实施例3一致。
实施例5
纳米高模量工程塑料材料的原料如下：
纳米包裹金属粉1.8kg(D50＝15μm、1500-2000目的第一金属粉：D50＝35μm、600-800目的第二金属粉：D50＝55μm、300-400目的第三金属粉之间的质量比为3：6：2)，聚甲基丙烯酸甲酯70kg，扁平型玻璃纤维(长径比1：2.2)6kg，普通型玻璃纤维(长径比1：5)3kg，无卤阻燃剂1kg，对二苯胺0.4kg，其中纳米包裹金属粉由纳米金属粉包裹改性(改性剂采用硅酸盐)所得；
具体制备工艺与实施例3一致。
实验例1
将本发明实施例1-5制备出的纳米材料与市面上的PC材料(比较例1)的品质进行对比，具体结果如下表1所示：
表1性能参数对照表
从上表1中可以看出，本发明实施例的纳米材料各方面性能比较优异，非常值得广泛推广应用。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，其特征在于，主要由如下原料制得：以质量份数计，纳米包裹金属粉0.1-10份，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯50-90份，扁平型玻璃纤维1-15份，普通型玻璃纤维0.5-10份，阻燃剂0.5-2份，稳定剂0.2-0.6份；
优选地，所述扁平型玻璃纤维的长径比控制在1：(2-3)之间，更优为1：2.2；
优选地，所述普通型玻璃纤维的长径比控制在1：(4-6)之间。
2.根据权利要求1所述的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，其特征在于，以质量份数计，纳米包裹金属粉0.3-2份，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯65-75份，扁平型玻璃纤维4-7份，普通型玻璃纤维2-4份，阻燃剂0.8-1.5份，稳定剂0.3-0.5份。
3.根据权利要求2所述的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，其特征在于，以质量份数计，纳米包裹金属粉1.8份，聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯70份，扁平型玻璃纤维6份，普通型玻璃纤维3份，阻燃剂1份，稳定剂0.4份。
4.根据权利要求1-3任一项所述的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，其特征在于，以质量份数计，纳米包裹金属粉的D50控制在10-65μm之间，目粒度控制在300-2000目之间；
优选地，所述纳米包裹金属粉包括第一金属粉、第二金属粉和第三金属粉，其中所述第一金属粉的D50控制在10-20μm之间，目粒度控制在1500-2000目，第二金属粉的D50控制在30-40μm之间，目粒度控制在600-800目，第三金属粉的D50控制在50-65μm之间，目粒度控制在300-400目；
更优地，第一金属粉、第二金属粉、第三金属粉之间的质量比控制在3：(5-7)：(1-3)，更优地为3：6：2。
5.根据权利要求1-3任一项所述的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，其特征在于，所述聚碳酸酯包括脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯、脂肪族-芳香族聚碳酸酯中的一种或几种的结合。
6.根据权利要求1-3任一项所述的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料，其特征在于，所述阻燃剂为多羟基反应型阻燃剂、甲基磷酸二甲酯以及无卤阻燃剂中的一种或几种；
优选地，所述稳定剂为二苯胺、对苯二胺以及二氢喹啉中的一种或几种。
7.权利要求1-6任一项所述的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
将原料混合均匀后，并在温度为245-320℃的条件下挤出后定型，即可。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，将原料混合均匀与挤出的步骤之间还包括：将原料混合均匀后在105-120℃的条件下干燥2-4h，再在70-100℃的条件下保温一段时间；优选保温的时间为2-4h。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，定型的温度控制在65-80℃，优选温度控制在70-75℃。
10.权利要求1-9任一项所述的纳米免喷涂高模量耐刮花工程塑料材料在照明灯具及底座、照明球泡底座、平板灯底座、异形灯具底座、电子电器外壳，异型材挤出方面的应用。
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