CN107540932A - 一种碳纤维增强聚丙烯组合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维增强聚丙烯组合物及其制备方法，其由聚丙烯30‑60份，聚乙烯1‑10份，碳纤维25‑45份，增韧剂0‑5份，成核剂5‑10份，表面改善剂5‑10份经混合、挤出造粒制备而成。本发明通过表面改善剂中TAF与硅油混合后增强了聚丙烯与碳纤维之间的相容性；并在碳纤维、聚丙烯之间形成了类似锚固结点，即交联点，改善了碳纤维与聚丙烯的粘结状态，减少碳纤维与树脂的分离，从而大大地减少碳纤维的外露。另外，本发明采用了横截面为矩形的短切碳纤维，不仅本身可以减少浮纤现象，还可与表面改善剂相互配合，共同改善了碳纤维增强聚丙烯组合物注塑后表面浮纤，并提高其抗压性能。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种碳纤维增强聚丙烯组合物及其制备方法。
背景技术
聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物，分子量约8万-15万，密度只有0.90-0.91g/cm3，是目前所有塑料中最轻的品种之一。另外，聚丙烯对水特别稳定，在水中的吸水率仅为0.01％。虽然聚丙烯的成型性好，但因其收缩率大，约为1％～2.5％，所以制成厚壁制品易出现凹陷，故对一些尺寸精度较高零件，很难于达到要求。
目前主要通过添加碳纤维增强聚丙烯，提高聚丙烯材料的强度、热变形温度和尺寸稳定性，扩大了聚丙烯材料的应用领域，广泛应用于电子电器、汽车、建筑等领域。但加入玻纤后则容易出现浮纤的现象，浮纤现象一般是由玻纤外露造成，白色玻纤在塑料熔体充模流动过程中浮露于外表，待冷凝成型后便在塑件表面形成放射状白色痕迹，当塑件为黑色时会因色泽差异加大而更加明显。所以浮纤现象不仅影响PP制件的外观美观性，还影响其作为耐压制件的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维增强聚丙烯组合物及其制备方法，改善聚丙烯组合物的浮纤现象。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种碳纤维增强聚丙烯组合物，其由以下组分按重量份制备而成：
所述的碳纤维为短切碳纤维，其长度为2-5mm；碳纤维的横截面为矩形。
所述的增韧剂选自马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物或乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或几种。
所述成核剂为苯甲酸钠。
所述表面改善剂为乙撑双脂肪酸酰胺(TAF)和硅油按质量比为1：1进行混合而成的混合物。
本发明还提供了一种碳纤增强聚丙烯组合物的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将聚丙烯和聚乙烯分别进行干燥；
(2)按配比，将干燥后的聚丙烯、聚乙烯和碳纤维、增韧剂、成核剂和表面改善剂，加入高速混合机中搅拌3-5min；
(3)将混合均匀的物料从双螺杆挤出机的加料口加入，经双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，制备得碳纤增强聚丙烯组合物。
所述的干燥的聚丙烯是在温度为50-80℃，干燥4-5h；聚乙烯在温度50-80℃，干燥4-5h。
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度160-170℃，二区温度165-175℃，三区温度180-190℃，四区温度195-205℃，五区温度195-205℃，六区温度200-210℃，机头温度200-210℃，主机转速是15-35HZ。
本发明同现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明中加入表面改善剂，由于表面改善剂中TAF是在乙撑双脂肪酸酰胺的基础上引进极性基团，其与硅油混合后增强了聚丙烯与碳纤维之间的相容性；并在碳纤维、基本树脂之间形成了类似锚固结点，即交联点，改善了玻纤与树脂的粘结状态，减少玻纤与树脂的分离。
2、表面改善剂中乙撑双脂肪酸酰胺(TAF)和硅油之间相互配合，提高了碳纤维的分散性，增加聚丙烯与碳纤维界面粘接强度，减少碳纤维与树脂的分离，从而大大地减少碳纤维的外露。
3、本发明采用了横截面为矩形的短切碳纤维，其本身可以减少浮纤现象；另外，该短切碳纤维与表面改善剂相互配合，共同改善了碳纤维增强聚丙烯材料注塑后表面浮纤。
4、本发明制备的碳纤增强聚丙烯组合物具有优异的力学性能；另外，由于聚乙烯具有优良的耐低温性能，其最低使用温度可达-100～-70℃，其加入可以提高聚丙烯组合物的耐低温性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
机械性能测试方法：
本发明制备的聚丙烯组合物采用GB标准使用塑料注塑机在230-270℃下注塑成测试试样，其测试样条尺寸(长度×宽度×厚度)分别为：拉伸样条(哑铃型)，170.0×10.0×4.0；弯曲样条，80.0×10.0×4.0；无缺口冲击样条，80.0×10.0×4.0；缺口冲击样条，80.0×10.0×4.0，V型缺口，缺口深度为1/5。
成型后测试试样在温度为(23±2)℃、湿度为(50±5)％的标准环境中放置16h后进行测试其相关性能，测试环境为(23±2)℃、湿度为(50±5)％。
拉伸强度和断裂伸长率：按GB 1040测试，拉伸速度为5mm/min。
弯曲强度和弯曲模量：按GB 9341测试，弯曲速度为1.25mm/min。
简支梁缺口冲击强度：按GB 1043测试。
下面实施例中所使用的碳纤维为横截面为矩形的短切碳纤维，其长度为2-5mm。
所述表面改善剂为乙撑双脂肪酸酰胺(TAF)和硅油按质量比为1：1进行混合而成的混合物。
实施例1
(1)将聚丙烯在温度50℃，干燥4h；聚乙烯在温度50℃，干燥4h；
(2)称取干燥的60份的聚丙烯、1份的聚乙烯、25份的碳纤维、5份的成核剂苯甲酸钠、10份的表面改善剂；
(3)将上述步骤(2)中称好的物料在高速混合机中搅拌3min；
(4)然后将上述混合均匀的物料加入双螺杆挤出机的加料口，经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒，制得聚丙烯组合物；
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度160℃，二区温度170℃，三区温度185℃，四区温度185℃，五区温度200℃，六区温度200℃，机头温度210℃，主机转速是15HZ。性能测试结果见表1。
实施例2
(1)将聚丙烯在温度80℃，干燥5h；聚乙烯在温度80℃，干燥5h；
(2)称取干燥的40份的聚丙烯、10份的聚乙烯、30份的碳纤维、5份的增韧剂(马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物)、10份的成核剂苯甲酸钠、5份的表面改善剂；
(3)将上述步骤(2)中称好的物料在高速混合机中搅拌5min；
(4)然后将上述混合均匀的物料加入双螺杆挤出机的加料口，经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒，制得聚丙烯组合物；
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度170℃，二区温度180℃，三区温度195℃，四区温度200℃，五区温度210℃，六区温度190℃，机头温度210℃，主机转速是15HZ。性能测试结果见表1。
实施例3
(1)将聚丙烯在温度60℃，干燥4h；聚乙烯在温度70℃，干燥5h；
(2)称取干燥的40份的聚丙烯、5份的聚乙烯、35份的碳纤维、3份的增韧剂(乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯)、8份的成核剂苯甲酸钠、8份的表面改善剂；
(3)将上述步骤(2)中称好的物料在高速混合机中搅拌4min；
(4)然后将上述混合均匀的物料加入双螺杆挤出机的加料口，经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒，制得聚丙烯组合物；
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度200℃，四区温度205℃，五区温度205℃，六区温度195℃，机头温度210℃，主机转速是15HZ。性能测试结果见表1。
实施例4
(1)将聚丙烯在温度70℃，干燥4h；聚乙烯在温度60℃，干燥5h；
(2)称取干燥的30份的聚丙烯、5份的聚乙烯、45份的碳纤维、5份的成核剂苯甲酸钠、5份的表面改善剂；
(3)将上述步骤(2)中称好的物料在高速混合机中搅拌4min；
(4)然后将上述混合均匀的物料加入双螺杆挤出机的加料口，经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒，制得聚丙烯组合物；
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度200℃，四区温度205℃，五区温度205℃，六区温度195℃，机头温度210℃，主机转速是15HZ。性能测试结果见表1。
以下对比例中所使用的碳纤维都为普通碳纤维，其横截面形状都为圆形。
对比例1
(1)将聚丙烯在温度60℃，干燥5h；聚乙烯在温度60℃，干燥5h；
(2)称取干燥的50份的聚丙烯、35份的碳纤维、5份的增韧剂、5份的成核剂苯甲酸钠；
(3)将上述步骤(2)中称好的物料在高速混合机中搅拌5min；
(4)然后将上述混合均匀的物料加入双螺杆挤出机的加料口，经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒；
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度200℃，四区温度205℃，五区温度205℃，六区温度195℃，机头温度210℃，主机转速是15HZ。性能测试结果见表1。
对比例2
(1)将聚丙烯在温度50℃，干燥5h；聚乙烯在温度50℃，干燥4-5h；
(2)称取干燥的40份的聚丙烯、35份的碳纤维、5份的增韧剂、5份的成核剂苯甲酸钠；
(3)将上述步骤(2)中称好的物料在高速混合机中搅拌5min；
(4)然后将上述混合均匀的物料加入双螺杆挤出机的加料口，经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒；
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度200℃，四区温度205℃，五区温度205℃，六区温度195℃，机头温度210℃，主机转速是15HZ。性能测试结果见表1。
对比例3
(1)将聚丙烯在温度150℃，干燥5h；聚乙烯在温度60℃，干燥4-5h；
(2)称取干燥的40份的聚丙烯、35份的碳纤维、5份的增韧剂、5份的成核剂苯甲酸钠、
(3)将上述步骤(2)中称好的物料在高速混合机中搅拌5min；
(4)然后将上述混合均匀的物料加入双螺杆挤出机的加料口，经双螺杆挤出机熔融挤出，造粒；
所述的双螺杆挤出机的加工工艺为：双螺杆挤出机一区温度180℃，二区温度190℃，三区温度200℃，四区温度205℃，五区温度205℃，六区温度195℃，机头温度210℃，主机转速是15HZ。性能测试结果见表1。
表1
由于表面改善剂中TAF是在乙撑双脂肪酸酰胺的基础上引进极性基团，其与硅油混合后增强了聚丙烯与碳纤维之间的相容性；并在碳纤维、基本树脂之间形成了类似锚固结点，即交联点，改善了碳纤维与树脂的粘结状态，减少碳纤维与树脂的分离，从而大大地减少碳纤维的外露。另外，本发明采用了横截面为矩形的短切碳纤维，不仅本身可以减少浮纤现象，还可与表面改善剂相互配合，共同改善了碳纤维增强聚丙烯组合物材料注塑后表面浮纤。
从上表1中实施例与对比例的比较可以看出，制得的碳纤维增强聚丙烯组合物的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、断裂伸长率、简支梁缺口冲击强度均明显高于对比例制备的材料，并且制件的表面光亮，无浮纤。
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 (7)
1.一种碳纤维增强聚丙烯组合物，其特征在于：其由以下组分按重量份制备而成：
聚丙烯 30-60份，
聚乙烯 1-10份，
碳纤维 25-45份，
增韧剂 0-5份，
成核剂 5-10份，
表面改善剂 5-10份。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强聚丙烯组合物，其特征在于：所述的碳纤维为短切碳纤维，其长度为2-5mm；所述碳纤维的横截面为矩形。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强聚丙烯组合物，其特征在于：所述增韧剂选自马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯共聚物或乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强聚丙烯组合物，其特征在于：所述成核剂为
苯甲酸钠。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强聚丙烯组合物，其特征在于：所述表面改善剂为乙撑双脂肪酸酰胺和硅油按质量比为1：1进行混合而成的混合物。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的碳纤维增强聚丙烯组合物的制备方法，其特征在于：其步骤如下：
（1）将聚丙烯和聚乙烯分别进行干燥；
（2）按配比，将干燥后的聚丙烯、聚乙烯和碳纤维、增韧剂、成核剂和表面改善剂，加入高速混合机中搅拌3-5min；
（3）将混合均匀的物料从双螺杆挤出机的加料口加入，经双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，制备得碳纤增强聚丙烯组合物。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中聚丙烯是在温度为50-80℃条件下干燥4-5h；聚乙烯是在温度为50-80℃条件下干燥4-5h；
所述步骤（3）中双螺杆挤出机一区温度160-170℃、二区温度165-175℃、三区温度180-190℃、四区温度195-205℃、五区温度195-205℃、六区温度200-210℃，机头温度200-210℃，主机转速是15-35HZ。
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