CN108047547A - 高填充性mpp复合材料的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料的制备，公开了一种高填充性MPP复合材料的制备工艺，其具体包括如下步骤：按重量份分别称取65‑75份的聚丙烯、20‑30份的轻质碳酸钙、2‑3份的钛酸酯偶联剂、1‑2份的硬脂酸和1‑2份的石蜡，将称取好的钛酸酯偶联剂水解，得到质量百分比为1.5％的钛酸酯偶联剂水解液；将钛酸酯偶联剂水解液加入轻质碳酸钙中，依次混合搅拌、过滤、烘干，得到改性无机填料；本申请中制备的MPP复合材料拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度和耐热性均能够得到有效提高，降低生产成本的同时，又不降低其加工性能。

Description

高填充性MPP复合材料的制备工艺
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备，尤其涉及了一种高填充性MPP复合材料的制备工艺。
背景技术
非开挖施工技术(Trenchless Technology或No Dig)是在地表面不开沟的情况下，通过探测、勘查、铺设(或更换、或修复)各种地下公用设施管道的一种技术或方法。与传统的开挖施工相比，非开挖技术具有不影响周边环境、不影响交通、施工方便、综合施工费用低、施工周期短、地表面不受损坏，社会效益显著等优点。广泛应用于穿越各种建筑物、河道、高速公路、铁路、闹市区及各种交通要道等，对市政给排水、煤气、石油、天然气、电力、通讯等管线进行铺设、更换及修复。
该技术源于20世纪70年代，并于90年代引入我国。在发达国家(比如美国、日本等)非开挖技术应用非常广泛，而我国对非开挖技术正在逐步推广，主要是非开挖管道铺设，而管道更换及修复还刚刚起步。随着我国城市建设的发展，非开挖技术在我国的推广和应用也与时俱进，非开挖施工已渗入到天然气、上水、下水、污水、电力和信息等地下管线的敷设和修复中。
采用地下非开挖技术铺设改性聚丙烯(MPP)塑料电缆管传输电力，需求量剧增，未来几年有望将所有的空中“蜘蛛网”入地。城市采用地下埋设电缆传输电力，一种用于非开挖用的改性聚丙烯(MPP)塑料顶管作为保护电缆用的塑料护套管正大量的用于工程中。MPP管材比常用HDPE管相比性能更优越，热熔焊接接头柔性好、焊接头强度高、耐温性能好，可用作超长度高牵引力拖管，具有优良的抗地层沉降以及抗震性能。
既环保又节能地采用非开挖技术铺设及调整城市的管线，已大量应用MPP电缆电力护套管。为此，国家轻工部发布了Q/BR0lO-2007《非开挖高压电力电缆保护用改性聚丙烯MPP管材》行业标准，开始全面推广MPP电力管。面对21世纪塑料管需求的大好局面，相信MPP电力管的发展必有十分广阔的前景，而对于MPP电力管的性能要求也越来越高。
发明内容
本发明针对现有技术中如何进一步提高MPP电力管的性能的问题，提供了一种高填充性MPP复合材料的制备工艺。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
高填充性MPP复合材料的制备工艺，其具体包括如下步骤：
步骤一、按重量份分别称取65-75份的聚丙烯、20-30份的轻质碳酸钙、2-3份的钛酸酯偶联剂、1-2份的硬脂酸和1-2份的石蜡；
步骤二、将称取好的轻质碳酸钙放置烘箱中干燥4-5h，温度80℃，自然冷却后装入密封袋备用，防止吸入空气中的水分。
步骤三、将称取好的钛酸酯偶联剂水解，得到质量百分比为1.5％的钛酸酯偶联剂水解液，能够有效减化流程，提高偶联效果。
步骤四、高速混合机预热到机筒温度75℃，将步骤二中的轻质碳酸钙倒入高速混合机中搅拌15min，转速750r/min：
步骤五、将步骤三中的钛酸酯偶联剂水解液加入经步骤四处理后的轻质碳酸钙中，依次混合搅拌、过滤、烘干，得到改性无机填料；
步骤六、将步骤五中得到的改性无机填料与步骤一中称取好的硬脂酸、石蜡以及聚丙烯混合，放入双螺杆挤出机中；
步骤七、挤出后的材料在切粒机切粒。
作为优选，步骤五中钛酸酯偶联剂水解液加入轻质碳酸钙中搅拌10min.
作为优选，步骤六中双螺杆挤出机中温度设定为170℃，喂料速度150r/min,螺杆转速350r/min。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：
本发明中制备的MPP复合材料由轻质碳酸钙经钛酸酯偶联表面改性后得到，其表面能降低，表面亲油性提高，更容易分散到基体中，与PP基体结合力增大，解决了碳酸钙与PP的相容性差的技术问题，同时提高MPP复合材料拉伸强度、弯曲强度、缺口冲击强度和耐热性，降低生产成本的同时，又不降低其加工性能。
具体实施方式
实施例1
高填充性MPP复合材料的制备工艺，其具体包括如下步骤：
步骤一、按重量份分别称取65-75份的聚丙烯、20-30份的轻质碳酸钙、2-3份的钛酸酯偶联剂、1-2份的硬脂酸和1-2份的石蜡；
步骤二、将称取好的轻质碳酸钙放置烘箱中干燥4-5h，温度80℃，自然冷却后装入密封袋备用；
步骤三、将称取好的钛酸酯偶联剂水解，得到质量百分比为1.5％的钛酸酯偶联剂水解液；
步骤四、高速混合机预热到机筒温度75℃，将步骤二中的轻质碳酸钙倒入高速混合机中搅拌15min，转速750r/min：
步骤五、将步骤三中的钛酸酯偶联剂水解液加入经步骤四处理后的轻质碳酸钙中，依次混合搅拌、过滤、烘干，得到改性无机填料；
步骤六、将步骤五中得到的改性无机填料与步骤一中称取好的硬脂酸、石蜡以及聚丙烯混合，放入双螺杆挤出机中；
步骤七、挤出后的材料在切粒机切粒。
步骤五中钛酸酯偶联剂水解液加入轻质碳酸钙中搅拌10min.
步骤六中双螺杆挤出机中温度设定为170℃，喂料速度150r/min,螺杆转速350r/min。
本实施例中经钛酸酯偶联表面改性后表面能降低，表面亲油性提高，更容易分散到基体中，与PP基体结合力增大，解决了无机填料与PP的相容性差的技术问题。
试验证明PP复合材料中PP的结晶温度随着碳酸钙含量的增加而逐渐降低，结晶度则随着碳酸钙含量的增加先提高后下降，当重量比为20％-30％时趋于最大值。
碳酸钙作为一种无机成核剂，在PP中形成大量均匀分散的晶核，在PP熔体结晶过程中起到异相成核作用，使原有的均相成核变成异相成核，球晶数目增加，尺寸细小、均一。同时，使PP分子在较高温度下结晶速度提高，球晶结构更加规整，因此，可以提高MPP管材的力学性能及光泽度。但是，随着碳酸钙含量的继续增加，超过30％后，成核数目过多，影响异相成核，结晶度反而下降，力学性能变差。
熔融温度随着碳酸钙含量的增加而略有下降，在碳酸钙含量为20％-30％时，熔融温度较高，与结晶度及规整度高则熔融温度相对较高相一致。因为熔融是结晶破坏过程，需要吸收热量，所以结晶度对熔融温度有一定影响。PP复合材料的维卡软化温度(VST)随着无机填料含量提高而升高。但碳酸钙填料含量太高，则会降低力学性能，因此，本申请中将轻质碳酸钙选择按重量份为20-30份，使得轻质碳酸钙的含量在总混合物中含量为20％-30％。
另一方面随着碳酸钙含量的增加，PP复合材料的拉伸强度先增大后减小。由于碳酸钙母料的加入改善了碳酸钙在基体中的分散效果，分散均匀，力学性能较好。此外，经过钛酸酯偶联剂表面处理过的碳酸钙亲油性好，易与PP发生相互作用，从而产生补强效果。使得在填料含量较高情况下，仍能保持较高的拉伸强度。当含量超过30％时，随着碳酸钙含量的继续增加，PP复合材料的拉伸强度反而降低了，主要是碳酸钙粒子制约了PP高分子链的运动和基材变形，碳酸钙含量太高时不容易分散，易团聚，团聚体容易成为应力集中点，形成缺陷，导致裂纹从该处引发断裂，使拉伸强度降低，无法起到补强效果。通过实验分析，碳酸钙含量在30％时，拉伸强度仍然大于25MPa，能够达到产品标准要求。
加入高岭土后的PP复合材料，随着高岭土含量的增加，拉伸强度也是先提高而后逐渐下降。对比发现，填料含量相同时，加入碳酸钙的复合材料的拉伸强度要高于添加高岭土的复合材料。碳酸钙含量超过30％时，复合材料的断裂伸长率下降较快：而高岭土含量为20％时，复合材料的断裂伸长率达到最高。因为随着无机填料含量的上升，无机颗粒之间的团聚增大了分子链之间的摩擦力，阻碍了分子链的滑移，在聚丙烯中形成了多相体系，无机粒子与聚丙烯的相容性变差，界面结合力变弱，在粘流态下呈固体粒子流动，使整个体系的伸长率降低。实验表明，添加量相同的情况下，高岭土体系断裂伸长率高于碳酸钙体系。
同时，随着碳酸钙含量的增加，弯曲模量逐渐增大，呈递增趋势，只要是碳酸钙刚性填料粒子起到了增强剂的作用，提高了PP的刚性和抗蠕变性；另外，微细的碳酸钙粒子作为结晶晶核，使PP球晶细化，提高了PP的结晶度和抗弯强度。
随着高岭土含量的增加，弯曲模量先上升，当高岭土含量为30％时达到最大值；随着高岭土含量的继续增大，弯曲模量逐渐下降，说明高岭土粒子在低含量时起了增强剂的作用，提高了材料的刚性和耐蠕变性能。但是，含量太高就会产生界面裂纹，裂纹增多，使得PP复合材料弯曲模量下降。对比相同含量的碳酸钙和高岭土改性后的PP复合材料可发现，加入碳酸钙的PP复合材料的弯曲模量要高于加入高岭土的，表明了碳酸钙与PP基体的相容性更好。
PP复合材料的冲击强度随着碳酸钙含量的增加先增大后减小，在含量为30％时达到最大值。随着碳酸钙含量的增加，碳酸钙可均匀分散在PP基体中，当受到冲击时，碳酸钙粒子表面会生成细微裂纹而导致冲击强度提高，当含量超过30％时，随着碳酸钙颗粒的加入，这种微细裂纹的生长不能起到增韧效果，反而使冲击强度下降。
随着高岭土含量的增加，PP复合材料的冲击强度先略有提高后降低，在含量为30％时达到最高值。通过实验分析，无论是添加碳酸钙和高岭土，PP复合材料缺口冲击强度都是随着填料含量增加先提高后逐渐下降。相同含量的碳酸钙和高岭土，添加碳酸钙的缺口冲击强度要高于高岭土，说明了碳酸钙与PP摹体的相容性更好，改性效果明显。
综上所述，通过钛酸酯偶联剂对碳酸钙和高岭土进行表面处理，可提高其与PP基体的相容性及在PP基体中的分散性。无机填料的适量添加，均可提高PP的结晶度，而对于PP复合材料的熔融温度影响不大。随着碳酸钙、高岭土填料含量的增加，PP复合材料拉伸强度、断裂伸长率、缺口冲击强度均有所提高，在碳酸钙填科含量为30％时达到最大值，弯曲模量提升明显，维卡软化温度也显著提高。综合比较添加碳酸钙和高岭土的PP复合材料性能，添加碳酸钙的PP复合材料性能更佳。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.高填充性MPP复合材料的制备工艺，其特征在于：其具体包括如下步骤：
步骤一、按重量份分别称取65-75份的聚丙烯、20-30份的轻质碳酸钙、2-3份的钛酸酯偶联剂、1-2份的硬脂酸和1-2份的石蜡；
步骤二、将称取好的轻质碳酸钙放置烘箱中干燥4-5h，温度80℃，自然冷却后装入密封袋备用；
步骤三、将称取好的钛酸酯偶联剂水解，得到质量百分比为1.5％的钛酸酯偶联剂水解液；
步骤四、高速混合机预热到机筒温度75℃，将步骤二中的轻质碳酸钙倒入高速混合机中搅拌15min，转速750r/min：
步骤五、将步骤三中的钛酸酯偶联剂水解液加入经步骤四处理后的轻质碳酸钙中，依次混合搅拌、过滤、烘干，得到改性无机填料；
步骤六、将步骤五中得到的改性无机填料与步骤一中称取好的硬脂酸、石蜡以及聚丙烯混合，放入双螺杆挤出机中；
步骤七、挤出后的材料在切粒机切粒。
2.根据权利要求1所述的高填充性MPP复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤五中钛酸酯偶联剂水解液加入轻质碳酸钙中搅拌10min。
3.根据权利要求1所述的高填充性MPP复合材料的制备工艺，其特征在于：步骤六中双螺杆挤出机中温度设定为170℃，喂料速度150r/min,螺杆转速350r/min。
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