CN107501751A - 一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其由聚丙烯树脂、改性空心玻璃微珠、POE‑g‑MAH、偶联剂、抗氧剂、润滑剂、其他助剂组成。本发明的空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料是采用熔融共混的方法制备的，通过改性空心玻璃微珠在熔融共混的过程中与POE‑g‑MAH 发生酰胺化反应，增强了界面粘合力，产生了核‑壳型的微观相结构，耐热性能得到提高，弹性体界面层包覆，使其在结晶过程中的成核活性被弹性体界面层所抑制，结晶度明显下降，加上空心玻璃微珠不可压缩性使其填充的聚合物基复合材料具备低线性膨胀系数的特点。

Description

一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材 料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及高分子复合材料技术领域，具体涉及一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术：
聚丙烯(PP)材料属于热塑性树脂，是五大通用塑料之一，其密度仅有0.90 g/cm3，是最轻的通用塑料。其具备良好的化学稳定性、力学性能、成型加工性能较好和价格低廉等优点，成为汽车内外饰件和家电领域上用量最大的热塑性塑料。但聚丙烯具有成型收缩率、热膨胀系数大、耐热性差等缺点，限制了其更为广阔的应用。因此，有必要降低聚丙烯复合材料的热膨胀系数，提高其尺寸稳定性，减少与其它装配件的错配及装配间隙，美化装配效果；同时减小热膨胀所带来的装配件之间的机械应力，从而减少因机械应力所产生的微裂纹，提高制品的安全性及使用寿命；提高聚丙烯复合材料的耐热性也可以拓宽其使用环境和应用领域。因此，关于降低热塑性塑料热膨胀系数和提高热稳定性的研究有着极其重要的意义。
在上个世纪五十年代，新型微米级填料空心玻璃微珠逐渐发展起来，它的粒径约为1-900μm，空心玻璃微珠的壁通常很薄，具有良好的化学稳定性和较轻质量等优点。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明公开了一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料及其制备方法，目的是用改性空心玻璃微珠填充使聚丙烯树脂获得低线性膨胀系数、高耐热性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，由以下重量份的组分组成：
进一步，所述的聚丙烯树脂为无规共聚聚丙烯；所述的POE-g-MAH中POE 密度为0.85-0.87g/cm3、辛烯含量为25-40％。
进一步，所述的改性空心玻璃微珠是由空心玻璃微珠经蚀刻、氨基化改性处理制得；所述空心玻璃微珠密度低于0.70g/cm3。
进一步，所述的偶联剂为钛酸酯偶联剂与硅烷偶联剂中的至少一种。
进一步，所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、硫代酯类抗氧剂中的至少一种。
进一步，所述的受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂3114；硫代酯类抗氧剂为抗氧剂412S。
进一步，所述的光稳定剂为苯并三唑类光稳定剂与二苯甲酮类光稳定剂中的至少一种。
进一步，述的苯并三唑类光稳定剂为UV-327；所述的二苯甲酮类光稳定剂为UV-531。
进一步，所述润滑剂选自季戊四醇硬脂酸酯、硬脂酸钙与硬脂酸锌中的至少一种。
进一步，所述的其他助剂为环氧树脂、抗静电剂中的至少一种。
一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将空心玻璃微珠置于碱性溶液中蚀刻；然后将其浸于硅烷偶联剂溶液中进行氨基化处理，最后经过滤、干燥制得表面连接有活性胺基的改性空心玻璃微珠；(2)将75-85份聚丙烯树脂、5-10份POE-g-MAH、0.2-0.5份抗氧剂、0.1-0.4份光稳定剂和0.3-0.6份的润滑剂、0-3份的其他助剂一起加入到高速搅拌机中混合3-5分钟制得组合物A；
(3)将10-15份改性空心玻璃微珠、1-2份的偶联剂加入到高速搅拌机中混合2-3分钟制得组合物B；
(4)将步骤(2)中得到的组合物A经过主喂料斗加入到啮合式平行同向双螺杆挤出机中，将步骤(3)中得到的组合物B经过侧喂料斗加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中，经熔融、挤出、造粒制得低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料；挤出机料筒温度为190-210℃，螺杆转速为350-400 r/min，主机转速为20-22Hz，侧喂转速为4-6Hz，真空压力为-0.08～-0.1MPa。
进一步方案，所述硅烷偶联剂溶液是由氨丙基三乙氧基和稀释剂组成，所述稀释剂是由乙醇和水按体积比为9：1组成。本发明具有如下有益效果：
1、本发明中空心玻璃微珠经碱蚀刻后在其表面增加大量的硅羟基，然后再置于硅烷偶联剂溶液中氨基化处理后，形成表面连接有活性胺基的改性空心玻璃微珠。这样改性空心玻璃微珠在熔融共混的过程中能够与POE-g-MAH发生酰胺化反应，增强了其界面粘合力，产生了核-壳型的微观相结构，通过这样的界面设计，最终达到改善复合材料韧性、刚性等综合性能的目的，进而提高了复合材料的耐热性，并拓宽聚丙烯材料的使用环境和应用领域。
2、本发明中改性空心玻璃微珠被弹性体POE-g-MAH界面层包覆之后，其在结晶过程中的成核活性被弹性体界面层所抑制，结晶度也有明显的下降，加上空心玻璃微珠不可压缩性，故其填充的聚合物基复合材料的线性膨胀系数低，同样，收缩率明显降低，减少制件外观上的缩印、尺寸更稳定。
3、本发明在制备方法中采用侧喂的方式将改性空心玻璃微珠加入挤出机中，然后与聚丙烯基料混合，最大程度上保留了结构上的完整性，中空的结构起到良好的隔音、隔热、绝缘等效果。
4、本发明中的改性空心玻璃微珠具有良好的流动性，其与POE-g-MAH发生酰胺化反应在聚丙烯基体树脂中呈现良好的分散性和连续性，使复合材料的介电常数随着致密度的提高而增大。
5、本发明制备的复合材料相较于普通的聚丙烯材料具有低线性膨胀系数、高耐热性，有着较好的前景。
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，以下实施例仅是对本发明进行说明，而非对其加以限定。
下面各实施例中改性空心玻璃微珠是通过下述方面制备而成：先将空心玻璃微珠置于50℃的0.2mol/L氢氧化钠水溶液中进行蚀刻1.5h，此时的玻璃微珠表面硅羟基数目会大大增加；将氨丙基三乙氧基用由乙醇和水按体积比为9：1制成的稀释剂制成1wt％的硅烷偶联剂溶液；然后将经刻蚀的空心玻璃微珠置于该硅烷偶联剂溶液中静置2小时后滤出，经烘箱110℃干燥4小时制得表面连接有活性胺基的改性空心玻璃微珠。
实施例1
(1)将78份无规共聚聚丙烯、8份POE-g-MAH、0.2份抗氧剂1010、0.2 份光稳定剂UV-327、0.3份的硬脂酸锌和0.5份环氧树脂(型号为GT-7072)一起加入到高速搅拌机中混合3-5分钟，制得组合物A；
(2)将12份改性空心玻璃微珠、2份的氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂加入到高速搅拌机中混合2-3分钟，制得组合物B；
(3)将步骤(1)得到的组合物A经主喂料斗，步骤(2)得到的组合物B 经侧喂料斗分别加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中；经熔融、挤出、造粒制得低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，挤出机料筒温度为 190-210℃、螺杆转速为350-400r/min、主机转速为20-22Hz，侧喂转速为4-6Hz，真空压力为-0.08～-0.1MPa；再经烘箱中80℃干燥48h；于注塑成型机中注塑成型，制得试样。
实施例2
(1)75份无规共聚聚丙烯、5份POE-g-MAH、0.3份抗氧剂412S、0.1份光稳定剂UV-531、0.5份的季戊四醇硬脂酸酯和1份环氧树脂(型号为GT-7072) 一起加入到高速搅拌机中混合3-5分钟，制得组合物A；
(2)将15份改性空心玻璃微珠、1份的钛酸酯偶联剂(AC 211)加入到高速搅拌机中混合2-3分钟，制得组合物B；
(3)将步骤(1)得到的组合物A、步骤(2)得到的组合物B分别经过主喂料斗、侧喂料斗加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中；经熔融、挤出、造粒制得低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，挤出机料筒温度为 190-210℃、螺杆转速为350-400r/min、主机转速为20-22Hz，侧喂转速为4-6Hz，真空压力为-0.08～-0.1MPa；再经烘箱中80℃干燥48h；于注塑成型机中注塑成型，制得试样。
实施例3
(1)将85份无规共聚聚丙烯、10份POE-g-MAH、0.5份抗氧剂3114、0.4 份光稳定剂UV-531、0.6份的硬脂酸钙和3份抗静电剂AEO-3一起加入到高速搅拌机中混合3-5分钟，制得组合物A；
(2)将10份改性空心玻璃微珠、2份的KH-550加入到高速搅拌机中混合 2-3分钟，制得组合物B；
(3)将步骤(1)得到的组合物A、步骤(2)得到的组合物B分别经过主喂料斗、侧喂料斗加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中；经熔融、挤出、造粒制得低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，挤出机料筒温度为 190-210℃、螺杆转速为350-400r/min、主机转速为20-22Hz，侧喂转速为4-6Hz，真空压力为-0.08～-0.1MPa；再经烘箱中80℃干燥48h；于注塑成型机中注塑成型，制得试样。
对比例1
将78份无规共聚聚丙烯、8份POE-g-MAH、12份改性空心玻璃微珠、2份的氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份光稳定剂UV-327、0.3 份的硬脂酸锌和0.5份环氧树脂(型号为GT-7072)共同加入到高速搅拌机中混合 3-5分钟；将其共混物经过主喂料斗加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中；经熔融、挤出、造粒制得聚丙烯复合材料，挤出机料筒温度为190-210℃、螺杆转速为350-400r/min、主机转速为20-22Hz，侧喂转速为4-6Hz，真空压力为-0.08～-0.1 MPa；再经烘箱中80℃干燥48h；于注塑成型机中注塑成型，制得试样。
对比例2
(1)将78份无规共聚聚丙烯、8份POE-g-MAH、0.2份抗氧剂1010、0.2 份光稳定剂UV-327、0.3份的硬脂酸锌和0.5份环氧树脂加入到高速搅拌机中混合3-5分钟，制得组合物A；
(2)将12份未改性的空心玻璃微珠、2份的氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂加入到高速搅拌机中混合2-3分钟，制得组合物B；
(3)将步骤(1)得到的组合物A、步骤(2)得到的组合物B分别经过主喂料斗、侧喂料斗加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中；经熔融、挤出、造粒制得聚丙烯复合材料，挤出机料筒温度为190-210℃、螺杆转速为350-400r/min、主机转速为20-22Hz，侧喂转速为4-6Hz，真空度为-0.08～-0.1MPa；再经烘箱中80℃干燥48h；于注塑成型机中注塑成型，制得试样。
对比例3
(1)将滑石粉于0.2mol/L氢氧化钠溶液中50℃下蚀刻1.5h后；将蚀刻后的滑石粉置于1wt％的氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂(稀释剂为乙醇/水体积比9/1)溶液中静置2小时后滤出，烘箱中110℃干燥4h，得到改性滑石粉；
(2)78份无规共聚聚丙烯、8份POE-g-MAH、0.2份抗氧剂1010、0.2份光稳定剂UV-327、0.3份的硬脂酸锌和0.5份环氧树脂(型号为GT-7072)加入到高速搅拌机中混合3-5分钟，制得组合物A；
(3)将12份改性滑石粉、2份的氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂加入到高速搅拌机中混合2-3分钟，制得组合物B；
(4)将步骤(2)得到的组合物A、步骤(3)得到的组合物B分别经过主喂料斗、侧喂料斗加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中；经熔融、挤出、造粒制得滑石粉填充聚丙烯复合材料，挤出机料筒温度为190-210℃、螺杆转速为 350-400r/min、主机转速为20-22Hz，侧喂转速为4-6Hz，真空压力为-0.08～-0.1 MPa；再经烘箱中80℃干燥48h；于注塑成型机中注塑成型，制得试样。
为验证本发明的效果，将上述实施例1-3以及对比例1-3制得的试样进行对比试验，检测结果如表1所示：
表1：物性指标：
试验结果表明，本发明实施例1-3制备出的空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料可同时具备较高的热形变温度、较低的线性膨胀系数以及较高的介电常数。具体如下：
1、本发明是由改性空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其线性膨胀系数可以降低到78×10-6/K，与对比例3改性滑石粉填充相比，空心玻璃微珠被弹性体界面层包覆之后，其在结晶过程中的成核活性被弹性体界面层所抑制，结晶度降低，加上空心玻璃微珠不可压缩性获得低线性膨胀系数，满足当前汽车内外饰材料以及家电材料对于尺寸要求较高的使用条件。
2、本发明中偶联剂起到了桥接的作用，同时在熔融共混的过程中能够与 POE-g-MAH发生酰胺化反应，热变形温度明显提高。
3、本发明制备的改性空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料的介电常数达到 2.4，根据Lichtenecker对数混合法则，复合材料的介电常数随着致密度的提高而增大；另一方面，偶联剂的加入使复合材料界面层变得复杂，同时极性基团也大大增加，在外电场作用下，极性基团增多，介电常数和介电损耗增大。
上述对实施例的描述为本发明的优选实施方式。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内。

Claims (10)

1.一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：由以下组分按重量份组成：
聚丙烯树脂 75-85份
改性空心玻璃微珠 10-15份
POE-g-MAH 5-10份
偶联剂 1-2份
抗氧剂 0.2-0.5份
光稳定剂 0.1-0.4份
润滑剂 0.3-0.6份
其他助剂 0-3份。
2.根据权利要求1所述的低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的改性空心玻璃微珠是由空心玻璃微珠经蚀刻、氨基化改性处理制得；其中空心玻璃微珠的密度低于0.70 g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯树脂为无规共聚聚丙烯；所述的POE-g-MAH中POE密度为0.85-0.87 g/cm3、辛烯含量为25-40%。
4.根据权利要求1所述的低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的偶联剂为钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、硫代酯类抗氧剂中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010或抗氧剂3114；硫代酯类抗氧剂为抗氧剂412S。
7.根据权利要求1所述的一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的光稳定剂为苯并三唑类光稳定剂与二苯甲酮类光稳定剂中的至少一种；
所述的润滑剂为季戊四醇硬脂酸酯、硬脂酸钙与硬脂酸锌中的至少一种；
所述的其他助剂为环氧树脂、抗静电剂中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的苯并三唑类光稳定剂为UV-327，二苯甲酮类光稳定剂为UV-531。
9.制备如权利要求1-8任一项所述的一种低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）先将空心玻璃微珠置于碱性溶液中蚀刻；然后将其浸于硅烷偶联剂溶液中进行氨基化处理，最后经过滤、干燥制得表面连接有活性胺基的改性空心玻璃微珠；（2）将75-85份聚丙烯树脂、5-10份POE-g-MAH、0.2-0.5份抗氧剂、0.1-0.4份光稳定剂、0.3-0.6份的润滑剂及0-3份的其他助剂加入到高速搅拌机中混合3-5分钟制得组合物A；
（3）将10-15份改性空心玻璃微珠、1-2份的偶联剂加入到高速搅拌机中混合2-3分钟制得组合物B；
（4）将所述组合物A、组合物B分别经主喂料斗、侧喂料斗加入啮合式平行同向双螺杆挤出机中，经熔融、挤出、造粒制得低线性膨胀系数高耐热空心玻璃微珠填充聚丙烯复合材料；其中，挤出机料筒温度为190-210 ℃、螺杆转速为350-400 r/min、主机转速为20-22Hz、侧喂转速为4-6 Hz、真空压力为-0.08~-0.1 MPa。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂溶液是由氨丙基三乙氧基和稀释剂组成，所述稀释剂是由乙醇和水按体积比为9：1组成。
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