CN108084498B - 一种用于塑料的热塑性多孔粉石英及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于填料改性领域，提供了一种用于塑料的热塑性多孔粉石英及制备方法。该方法将乙醇水溶液中加入多孔粉石英及偶氮二异丁腈后进行超声波分散，进行过滤和真空干燥，然后与聚甲基丙烯酸甲酯混合，在螺杆挤出机中混炼包覆，即得热塑性多孔粉石英，在与树脂基体、助剂共混注塑后，制得多孔粉石英填充改性的塑料制品。与传统方法相比，本发明的制备方法通过对多孔粉石英的紧密包覆，有效改善了多孔粉石英在塑料中的分散性和热塑加工性能，提高了多孔粉石英填充材料在塑料中添加量，从而能极大提升塑料制品的各项力学性能和加工性能，应用前景广阔，同时整个制备过程简单，易操控，成本较低，可推广应用。
Description
技术领域
本发明属于填料改性的技术领域，提供了一种用于塑料的热塑性多孔粉石英及制备方法。
背景技术
随着复合材料研究的深入和发展，作为复合材料组分之一的填料，日益受到人们的广泛重视。在塑料制品中，塑料填充改性就是填料与塑料、树脂的复合，填料是塑料改性的一种重要手段，不仅可以降低塑料成本，而且可以显著改善塑料的各种性能，赋予塑料新的特征，扩大其应用范围，因此填料是塑料产业重要的、不可缺少的辅助材料。
在应用塑料的各类无机填料中，多孔粉石英便是非常重要的一种。多孔粉石英属于一种火山灰沉积岩，此材料自然粒径细，颗粒分布均匀，比表面积大，外形结构近似球型无棱角状，以电子显微镜图象看，其表面全是纳米级的介孔，是一种非晶态不定形的二氧化硅粉体，既有硅粉的共同性质又有其特殊的多孔结构、自然粒径细、比重轻和表面近似球状无棱角的这些优势，使其在高分子复合材料中有较好的流动性、分散性且不易沉淀，这一切都有利于加工，都决定了在橡塑等行业中有其极广泛的用途。
多孔粉石英在填充改性塑料后，可限制降低改性塑料的成本，改善其耐热性、刚性、成型加工性，提高塑料制品及部件的尺寸稳定性、表面硬度、强度、耐磨性等，同时可以显著提升塑料的一些附加值。但因其本身与塑料相容性较差，在塑料材料中添加量较小，影响了改性塑料的性能，因此需要对其进行表面改性，常用的方法为表面化学包覆改性，改性剂主要是硅烷偶联剂，可根据产品应用领域不同可选择不同的硅烷偶联剂，改性方法主要有湿法、半干法、干法改性三种；另外还有接枝改性法等，对此项问题的研究也越来越受到人们重视。
目前国内外在多孔粉石英在塑料填充改性中的技术和应用均已取得了一定成效。其中常珍国等人发明了一种粉石英/重质碳酸钙复合填料表面改性的加工工艺（中国发明专利申请号201510963527.9），包括以下步骤：选取粉石英和重质碳酸钙加入到高速搅拌机搅拌；将硅烷偶联剂与乙醇配比后，加入到搅拌机中，反应并不断搅拌；将硬脂酸加入到搅拌机，搅拌反应；冷却、筛分、包装得到成品，此发明将粉石英、重质碳酸钙混合搅拌，利用硅烷偶联剂、硬脂酸对混合填料进行改性处理，不仅可以实现多种填料的表面改性，而且可以提高无机非金属矿物填料填充性能。另外，廖立兵等人发明了一种TiO2/粉石英复合粉体材料的制备方法（中国发明专利申请号201010181223.4），此发明使用粉石英粉体为包核基体，结晶TiO2为包膜物，在湿法超细研磨体系中，通过机械力化学改性方式，实现TiO2在包核基体表面的反应包覆和改性修饰，由此制备TiO2/粉石英复合粉体材料。
可见，现有技术中多孔粉石英在塑料填充改性应用中，因其与塑料基体树脂相容性较差，致使其流变加工性能较差，在塑料中的添加量较小，进而影响所制得塑料的性能，而传统的对多孔粉石英表面改性等处理方式操作复杂，成本较高，且效果不佳。针对这种情况，我们提出一种用于塑料的热塑性多孔粉石英，通过多孔粉石英内部的聚乙烯醇与多孔粉石英表面包覆物通过化学键紧密的连接起来，包覆层能够紧密的包覆在多孔粉石英表面形成致密的包覆层，在加工过程中赋予了多孔粉石英良好的流变加工性能，具有一定的热塑性，解决多孔粉石英填充材料在塑胶中高填充应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于塑料的热塑性多孔粉石英及制备方法，可以解决多孔粉石英在用于塑料填充改性时添加量小，流变加工性能差等问题，同时避免了传统表面改性等处理方式过程复杂，成本较高等缺陷。
本发明涉及的具体技术方案如下：
一种用于塑料的热塑性多孔粉石英及制备方法，将乙醇水溶液中加入多孔粉石英及偶氮二异丁腈后进行超声波分散，进行过滤和真空干燥，然后与聚甲基丙烯酸甲酯混合，在螺杆挤出机中混炼包覆，即得热塑性多孔粉石英，在与树脂基体、助剂共混注塑后，制得多孔粉石英填充改性的塑料制品，制备的具体步骤如下：
（1）先制备聚乙烯醇的水溶液，然后加入多孔粉石英及偶氮二异丁腈，采用超声设备进行辅助分散，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用过滤设备对分散液中的固体进行分离，并进行真空干燥，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈形成结晶，牢固镶嵌于多孔粉石英的微孔中；聚乙烯醇5～10重量份、多孔粉石英25～35重量份、偶氮二异丁腈1～2重量份、水53～69重量份；
（2）将步骤（1）所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯按质量比3:1～4:1称料，加入高速混合机中预混均匀，然后在螺杆挤出机中进行混炼包覆，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
优选的，步骤（1）所述多孔粉石英的颗粒粒径为0.3～0.8μm，比表面积为5～10m2/g，孔隙率为85～90%。
优选的，步骤（1）所述超声设备由超声波振动源、换能器、变幅杆、工具头及连接螺栓组成，电机功率为1000～2000W，超声波频率为30～50Hz，超声分散时间为30～50min。
优选的，步骤（1）所述过滤设备为袋式过滤器、管式过滤器、连续盘式过滤器、转鼓加压过滤机或动态旋叶压滤机中的一种。
优选的，步骤（1）所述真空干燥采用的设备为真空盘式干燥机、双锥回转真空干燥机、真空耙式干燥机或板式真空干燥机中的一种，烘盘个数为5～8个，干燥温度为60～70℃，干燥时间为12～15h。
优选的，步骤（2）所述高速混合机为卧式高速混合机或立式高速混合机中的一种，混合过程中，主轴转速为100～200r/min，混合温度为50～60℃，混合时间为20～30min。
优选的，步骤（2）所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、三螺杆挤出机或四螺杆挤出机中的一种，机筒加热方式为电阻加热或电感应加热，出料冷却方式为循环水冷却，加热部分的温度设置为：第一段220～230℃、第二段240～260℃、第三段250～270℃、第四段230～240℃。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的一种用于塑料的热塑性多孔粉石英。
本发明还提供一种多孔粉石英填充改性的塑料制品，该塑料制品是由上述制备方法制备得到的热塑性多孔粉石英与树脂基体、助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品；其中，热塑性多孔粉石英15～20重量份、树脂基体70～80重量份、助剂5～10重量份。
优选的，所述基体树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚苯醚或聚碳酸酯中的一种。
优选的，所述助剂为热稳定剂、抗氧剂、抗静电剂、防霉剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂及填充剂中的一种或多种组成。
将本发明制备的多孔粉石英与偶联剂改性法及接枝改性法制备的多孔粉石英的熔融指数、最大添加质量分数、分散性、使用安全性和制备成本进行对比，可见，本发明的方法能有效改善多孔粉石英在塑料中的分散性并提高添加量，同时制备简单成本较低。
本发明提供了一种用于塑料的热塑性多孔粉石英及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明制备的多孔粉石英在用于塑料填充改性时，能极大改善塑料制品的各项力学性能和加工性能，应用前景广阔。
2.本发明的制备中，通过多孔粉石英空隙内的聚乙烯醇与多孔粉石英表面包覆物聚甲基丙烯酸甲脂发生聚合，实现包覆层对多孔粉石英的紧密包覆，从而有效改善了多孔粉石英在塑料中的分散性和热塑加工性能，提高了多孔粉石英填充材料在塑料中添加量。
3.本发明的制备方法，过程简单，易操控，成本较低，可推广应用。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
先将6kg的聚乙烯醇加入65kg的水中制得溶液，然后加入28kg的多孔粉石英及1kg的偶氮二异丁腈，使用电机功率为1000W的超声设备，以40Hz的超声波辅助分散35min，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用袋式过滤器对分散液中的固体进行分离，并用进行真空盘式干燥机在60℃温度下真空干燥14h，将所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯以3:1的质量比例称料，加入卧式高速混合机中在主轴转速为120r/min、温度为55℃的条件下预混25min，然后在单螺杆挤出机中进行混炼包覆，混炼时机筒加热方式为电阻加热，温度为：第一段220℃、第二段240℃、第三段250℃、第四段230℃，出料冷却方式采用循环水冷却，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
将17kg热塑性多孔粉石英与75kg的聚乙烯、8kg的助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品。
实施例1制得的热塑性多孔粉石英，测试熔融指数、强度、分散性、使用安全性和制备成本，得到的结果如表1所示。
实施例2
先将8kg的聚乙烯醇加入66kg的水中制得溶液，然后加入25kg的多孔粉石英及1kg的偶氮二异丁腈，使用电机功率为1200W的超声设备，以33Hz的超声波进行辅助分散45min，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用管式过滤器对分散液中的固体进行分离，并用进行双锥回转真空干燥机在62℃温度下真空干燥14h，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈形成结晶，牢固镶嵌于多孔粉石英的微孔中；将所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯以4:1的质量比例称料，加入立式高速混合机中在主轴转速为130r/min、温度为52℃的条件下预混30min，然后在双螺杆挤出机中进行混炼包覆，混炼时机筒加热方式为电感应加热，温度为：第一段225℃、第二段245℃、第三段255℃、第四段235℃，出料冷却方式采用循环水冷却，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
将16kg热塑性多孔粉石英与75kg的聚丙烯、9kg的助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品。
实施例2制得的热塑性多孔粉石英，测试熔融指数、强度、分散性、使用安全性和制备成本，得到的结果如表1所示。
实施例3
先将8kg的聚乙烯醇加入58kg的水中制得溶液，然后加入32kg的多孔粉石英及2kg的偶氮二异丁腈，使用电机功率为1800W的超声设备，以45Hz的超声波进行辅助分散36min，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用连续盘式过滤器对分散液中的固体进行分离，并用进行真空耙式干燥机在70℃温度下真空干燥13h，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈形成结晶，牢固镶嵌于多孔粉石英的微孔中；将所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯以3:1的质量比例称料，加入卧式高速混合机中在主轴转速为180r/min、温度为57℃的条件下预混22min，然后在三螺杆挤出机中进行混炼包覆，混炼时机筒加热方式为电阻加热，温度为：第一段230℃、第二段260℃、第三段270℃、第四段240℃，出料冷却方式采用循环水冷却，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
将18kg热塑性多孔粉石英与74kg的聚苯乙烯、8kg的助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品。
实施例3制得的热塑性多孔粉石英，测试熔融指数、强度、分散性、使用安全性和制备成本，得到的结果如表1所示。
实施例4
先将6kg的聚乙烯醇加入61kg的水中制得溶液，然后加入32kg的多孔粉石英及1kg的偶氮二异丁腈，使用电机功率为1600W的超声设备，以42Hz的超声波进行辅助分散42min，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用转鼓加压过滤机对分散液中的固体进行分离，并用进行板式真空干燥机在66℃温度下真空干燥14h，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈形成结晶，牢固镶嵌于多孔粉石英的微孔中；将所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯以3:1的质量比例称料，加入卧式高速混合机中在主轴转速为170r/min、温度为55℃的条件下预混28min，然后在四螺杆挤出机中进行混炼包覆，混炼时机筒加热方式为电感应加热，温度为：第一段220℃、第二段240℃、第三段250℃、第四段230℃，出料冷却方式采用循环水冷却，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
将14kg热塑性多孔粉石英与78kg的聚氯乙烯、8kg的助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品。
实施例4制得的热塑性多孔粉石英，测试熔融指数、强度、分散性、使用安全性和制备成本，得到的结果如表1所示。
实施例5
先将9kg的聚乙烯醇加入61kg的水中制得溶液，然后加入29kg的多孔粉石英及1kg的偶氮二异丁腈，使用电机功率为2000W的超声设备，以50Hz的超声波进行辅助分散32min，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用动态旋叶压滤机对分散液中的固体进行分离，并用进行真空盘式干燥机在65℃温度下真空干燥15h，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈形成结晶，牢固镶嵌于多孔粉石英的微孔中；将所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯以3:1的质量比例称料，加入卧式高速混合机中在主轴转速为200r/min、温度为60℃的条件下预混20min，然后在单螺杆挤出机中进行混炼包覆，混炼时机筒加热方式为电阻加热或电感应加热，温度为：第一段225℃、第二段245℃、第三段255℃、第四段235℃，出料冷却方式采用循环水冷却，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
将18kg热塑性多孔粉石英与75kg的ABS树脂、7kg的助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品。
实施例5制得的热塑性多孔粉石英，测试熔融指数、强度、分散性、使用安全性和制备成本，得到的结果如表1所示。
实施例6
先将8kg的聚乙烯醇加入62kg的水中制得溶液，然后加入29kg的多孔粉石英及1kg的偶氮二异丁腈，使用电机功率为1500W的超声设备，以40Hz的超声波进行辅助分散40min，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用管式过滤器对分散液中的固体进行分离，并用进行双锥回转真空干燥机在65℃温度下真空干燥14h，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈形成结晶，牢固镶嵌于多孔粉石英的微孔中；将所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯以4:1的质量比例称料，加入立式高速混合机中在主轴转速为150r/min、温度为55℃的条件下预混26min，然后在双螺杆挤出机中进行混炼包覆，混炼时机筒加热方式为电感应加热，温度为：第一段230℃、第二段260℃、第三段270℃、第四段240℃，出料冷却方式采用循环水冷却，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
将17kg热塑性多孔粉石英与73kg的聚氯乙烯、10kg的助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品。
实施例6制得的热塑性多孔粉石英，测试熔融指数、强度、分散性、使用安全性和制备成本，得到的结果如表1所示；
对比例1
未添加聚乙烯醇和偶氮二异丁腈，直接用聚甲基丙烯酸甲酯对粉石英进行物理共混包覆，其他制备条件与实施例6一致。
对比例1制得的热塑性多孔粉石英，测试熔融指数、强度、分散性、使用安全性和制备成本，得到的结果如表1所示。
表1：
| 性能指标 | 熔融指数（g/min） | 改性塑料制品的落锤冲击强度（g） | 分散性 |
| 实施例1 | 2.6 | 417 | 很好 |
| 实施例2 | 2.7 | 416 | 很好 |
| 实施例3 | 2.8 | 418 | 很好 |
| 实施例4 | 2.6 | 419 | 很好 |
| 实施例5 | 2.9 | 416 | 很好 |
| 实施例6 | 2.8 | 417 | 很好 |
| 对比例1 | 0.20 | 142 | 较好 |
Claims (10)
1.一种用于塑料的热塑性多孔粉石英的制备方法，其特征在于，将聚乙烯醇水溶液中加入多孔粉石英及偶氮二异丁腈后进行超声波分散，进行过滤和真空干燥，然后与聚甲基丙烯酸甲酯混合，在螺杆挤出机中混炼包覆，即得热塑性多孔粉石英，制备的具体步骤如下：
（1）先制备聚乙烯醇的水溶液，然后加入多孔粉石英及偶氮二异丁腈，采用超声设备进行辅助分散，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈进入多孔粉石英的微孔中，然后采用过滤设备对分散液中的固体进行分离，并进行真空干燥，使聚乙烯醇和偶氮二异丁腈形成结晶，牢固镶嵌于多孔粉石英的微孔中；聚乙烯醇5～10重量份、多孔粉石英25～35重量份、偶氮二异丁腈1～2重量份、水53～69重量份；
（2）将步骤（1）所得的固体与聚甲基丙烯酸甲酯按质量比3:1～4:1称料，加入高速混合机中预混均匀，然后在螺杆挤出机中进行混炼包覆，在偶氮二异丁腈的引发作用下，聚甲基丙烯酸甲酯与多孔粉石英微孔内部的聚乙烯醇发生化学反应，形成紧密结合，使聚甲基丙烯酸甲酯在多孔粉石英表面形成牢固且致密的包覆层，制得热塑性多孔粉石英。
2.根据权利要求1所述一种用于塑料的热塑性多孔粉石英的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述多孔粉石英的颗粒粒径为0.3～0.8μm，比表面积为5～10m2/g，孔隙率为85～90%。
3.根据权利要求1所述一种用于塑料的热塑性多孔粉石英的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述超声设备由超声波振动源、换能器、变幅杆、工具头及连接螺栓组成，电机功率为1000～2000W，超声波频率为30～50Hz，超声分散时间为30～50min。
4.根据权利要求1所述一种用于塑料的热塑性多孔粉石英的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述过滤设备为袋式过滤器、管式过滤器、连续盘式过滤器、转鼓加压过滤机或动态旋叶压滤机中的一种。
5.根据权利要求1所述一种用于塑料的热塑性多孔粉石英的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述真空干燥采用的设备为真空盘式干燥机、双锥回转真空干燥机、真空耙式干燥机或板式真空干燥机中的一种，烘盘个数为5～8个，干燥温度为60～70℃，干燥时间为12～15h。
6.根据权利要求1所述一种用于塑料的热塑性多孔粉石英的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述高速混合机为卧式高速混合机或立式高速混合机中的一种，混合过程中，主轴转速为100～200r/min，混合温度为50～60℃，混合时间为20～30min。
7.根据权利要求1所述一种用于塑料的热塑性多孔粉石英的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述螺杆挤出机为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、三螺杆挤出机或四螺杆挤出机中的一种，机筒加热方式为电阻加热或电感应加热，出料冷却方式为循环水冷却，加热部分的温度设置为：第一段220～230℃、第二段240～260℃、第三段250～270℃、第四段230～240℃。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到的一种用于塑料的热塑性多孔粉石英。
9.一种多孔粉石英填充改性的塑料制品，其特征在于，是由权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到的热塑性多孔粉石英与树脂基体、助剂进行共混、挤出、造粒、干燥、注塑，可制得多孔粉石英填充改性的塑料制品；其中，热塑性多孔粉石英15～20重量份、树脂基体70～80重量份、助剂5～10重量份。
10.根据权利要求9所述一种多孔粉石英填充改性的塑料制品，其特征在于，所述基体树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂、聚甲醛、聚苯醚或聚碳酸酯中的一种；所述助剂为热稳定剂、抗氧剂、抗静电剂、防霉剂、阻燃剂、着色剂、润滑剂及填充剂中的一种或多种组成。
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