CN108084566A - 一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉及制备方法。将十二烷基硫酸钠加热熔融后加入云母粉搅拌均匀，通入直流电流使得十二烷基硫酸钠牢固镶嵌在云母粉上，加入聚苯乙烯捏合混炼，即得具有热塑性的云母粉，添加到聚丙烯树脂中制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料。该方法通过具有聚苯乙烯对云母粉体进行表面包覆，界面粘结力好，在加工过程中不会脱落，同时云母粉在聚丙烯中的分散性佳，提高了云母粉的使用量，使得云母粉热塑性能好，同时整个制备过程简单，生产成本低，便于工业化生产。

Description

一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉及制备方法
技术领域
本发明涉及填料改性领域，具体涉及聚丙烯填料的改性，特别是涉及一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉及制备方法。
背景技术
近年来随着塑料行业的蓬勃发展，对塑料性能的要求也越来越高。聚丙烯作为三大通用塑料之—，成本低，来源广，其大部分性能优于聚氯乙烯、聚乙烯等其他通用型塑料，应用前景及其广阔，但因其侧甲基的存在，使得其冲击强度、耐候性差，应用受到限制。研究表明，对聚丙烯的改性，尤其是填充改性，可进一步降低成本的同时，提高了聚丙烯的性能，是塑料领域发展的重点趋势。
对塑料进行填充改性的填料又称为填充剂，其主要目的是降低塑料制品的成本，其他正面作用有改善制品的耐热性、刚性、硬度、尺寸稳定性、耐蠕变性、耐磨性、阻燃性、消烟性及可降解性，降低成型收缩率以提高制品精度；副作用有导致制品某些性能的下降甚至是大幅度下降，最明显的下降性能有冲击强、拉伸强度、加工流动性、透明性及制品表面光泽度等。因此，针对性地选择正确的填料对塑料填充改性非常重要。
针对聚丙烯抗冲击性能、耐候性差等缺陷，可选择云母粉作为填充改性材料。云母是一种自然生成的层状硅酸盐类矿物，具有优良的物理性能和电气性能，同时在高温状态下仍保持以上性能的特性，具有完全的化学惰性和不易燃性，同时硬度高、模量高，具有独特的平面增强效应，耐酸碱、耐候性好，是绝佳的无机填料。目前云母粉填充改性的聚丙烯塑料正在向金属材料及较昂贵的工程塑料挑战，云母粉作为理想的增容、增强、多功能聚丙烯填料，已得到人们的广泛关注。但同时，针对云母增强聚丙烯时存在冲击强度依然不足、流动分散性能差等问题，成为云母改性聚丙烯方面研究的主要方向。
中国发明专利申请号201610538862.9公开了一种改性云母粉，包括以下原料：云母粉、高岭土、钛白粉、氢氧化铝、溴化环氧树脂、磷酸三甲苯酯、氧化铁、碳化硅、刚玉、水、抗氧化剂、粘合剂，此发明的改性云母粉，在保留了云母粉原有特性的同时，增加了其阻燃性，抗氧化剂的加入增加了其抗氧化性，可广泛用于塑料、橡胶等行业。
中国发明专利申请号201710607617.3公开了一种改性云母粉的无污染制备工艺，包括以下步骤：将云母矿石原料加入到水力破碎机中，充分粉碎得悬浮液A；将悬浮液A加入到胶体研磨机中，加入研磨介质和表面改性剂，充分研磨得混合液B；将混合液B加入到超声波分散机中，加入乙醇溶液和纳米二氧化钛，超声分散后静置，分离得到沉淀物C；将沉淀物C干燥至恒重后打散即得。
中国发明专利申请号201610538858.2公开了一种高强度云母粉改性聚丙烯塑料，包括以下原料：聚丙烯树脂、云母粉、钛白粉、溴化环氧树脂、硅油、聚乙烯醇、叔丁基对苯二酚、邻苯二甲酸二仲辛酯、热稳定剂、防冻剂、光稳定剂、氧化铁，此发明提出的高强度云母粉改性聚丙烯塑料保留了聚丙烯塑料原有的耐高温、无毒无臭的特性，加入的云母粉具有绝缘性、耐高温、耐酸碱、耐腐蚀，防冻剂增强了塑料耐低温的性能。
根据上述，现有方案中云母可以提高聚合物的刚性，但是由于聚合物与云母的分散性差，聚合物与填料之间的界面粘结力低，进而影响了聚合物材料的热塑性和一些力学性能，所以极大程度的限制了云母在聚合物中的运用，鉴于此，本发明提出了一种创新性的用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉，可有效解决上述技术问题。
发明内容
针对目前应用较广的云母粉填充改性聚丙烯塑料时材料相容性差，导致云母粉在聚合物中分散性差，界面粘结力低，添加量小，使得改性塑料热塑性差，抗冲击等力学性能不足，而传统的解决技术过程繁杂，成本较高等情况，本发明提出一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉，从而有效提高了云母粉与聚丙烯材料的相容性，改性材料热塑性好，加工性能优越，同时制备过程简捷方便，有效降低了成本。
本发明涉及的具体技术方案如下：
包括以下步骤：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，在氮气保护下，加热至200～210℃，完全熔融后，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀，将耐高温电极插入熔融液面以下，并固定于反应容器的两端，通入直流电流使十二烷基硫酸钠电离为带有负电荷的亲油端和带有正电荷的金属阳离子端，在高能电场的加速作用下，带有负电荷的亲油端轰击云母粉的表面，形成缺陷，并与云母粉中的金属氧化物反应，从而牢固镶嵌在云母粉中；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；
其中，各成分重量份为：云母粉10～30份、聚苯乙烯2～5份、十二烷基硫酸钠1～3份。
在使用时，将步骤上述方法所得的热塑性云母粉添加到聚丙烯树脂中，由于聚苯乙烯既通过十二烷基硫酸钠与云母粉牢固结合，又与聚丙烯具有良好的相容性，可帮助改善云母粉在聚丙烯中的分散性能，经热塑成型后，制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料。
优选的，所述云母粉为绢云母粉、白云母粉、合成云母粉、导电云母粉、金云母粉、黑云母粉或钠云母粉中的至少一种，比重为2.4～2.8g/cm3，颗粒粒径为400～800目。
优选的，所述反应容器的材质为玻璃或陶瓷中的一种。
优选的，所述磁力搅拌采用磁力恒温搅拌器或磁力加热搅拌器中的一种，磁力搅拌过程中，转速为800～1200r/min，搅拌时间为10～20min。
优选的，所述超声辅助的超声波频率为30～50Hz，超声分散时间为15～25min。
优选的，所述耐高温电极是由石油焦、沥青焦、针状焦及煤沥青混合后制备而成，所使用的石油焦和沥青焦的含硫量均低于0.3wt%，电极的截面直径为5～10mm；
所述耐高温电极插入液面以下的深度为5～10cm，电极底部距反应容器底部的距离为3～6cm。
优选的，所述直流电流的电压为200～300V，电流为50～80A，通电时间为10～15min。
优选的，所述高温捏合机的材质为碳钢或不锈钢，加热方式为蒸汽加热、导热油加热或电加热，出料方式为液压倾倒式、球阀式或螺杆挤压式。
优选的，所述高温捏合机的桨叶为鱼尾型搅拌桨、切割型搅拌桨、Z型搅拌桨或Σ型搅拌桨中的一种，快浆叶的线速度为300～400m/min，慢桨叶的线速度为120～250m/min，捏合时间为20～30min。
本发明还提供一种上述制备方法制备得到的一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉。
本发明提供了一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出了采用热塑性树脂包覆云母粉体制备用于聚丙烯塑料填充改性的热塑性云母粉的方法。
2、通过具有聚苯乙烯对云母粉体进行表面包覆，所得到的表面包覆层通过十二烷基硫酸钠与云母粉紧固的连接，界面粘结力好，在加工过程中不会脱落，使得云母粉热塑性较好。
3、通过聚苯乙烯与聚丙烯的良好相容性，能够提高云母粉在聚丙烯中的分散性，加大了云母粉在中聚丙烯的使用量，提升了改性效果。
4、本发明的制备过程简单，生产成本低，便于工业化生产。
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
热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料各组分总的质量份数为100份计，具体如下：
聚丙烯75份、云母粉20份、聚苯乙烯3份、十二烷基硫酸钠2份；云母粉为绢云母粉；
热塑性云母粉的制备过程如下：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，在氮气保护下，加热至205℃，完全熔融后，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀，将耐高温电极插入液面以下，并固定于反应容器的两端，通入直流电流使十二烷基硫酸钠牢固镶嵌在云母粉中；反应容器的材质应为玻璃；磁力搅拌采用磁力恒温搅拌器，磁力搅拌过程中，转速为1000r/min，搅拌时间为15min；超声分散过程中，超声波频率为40Hz，超声分散时间为20min；耐高温电极为石油焦制备而成，电极的截面直径为8mm；耐高温电极插入液面的深度为7cm，电极底部距反应容器底部的距离为4cm；直流电流的电压为250V，电流为60A，通电时间为12min；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；高温捏合机的材质为碳钢，加热方式为蒸汽加热，出料方式为液压倾倒式，桨叶为鱼尾型搅拌桨，快浆叶的线速度为350m/min，慢桨叶的线速度为200m/min，捏合时间为25min；
（3）将步骤（2）所得的热塑性云母粉添加到聚丙烯树脂中，经热塑成型后，制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料；
实施例1制备的热塑性云母粉及聚丙烯塑料，其玻璃化转变温度、熔体指数、可有效分散的最大添加量、分散性及界面粘结力，如表1所示。
实施例2
热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料各组分总的质量份数为100份计，具体如下：
聚丙烯82份、云母粉15份、聚苯乙烯2份、十二烷基硫酸钠1份；云母粉为白云母粉；
热塑性云母粉的制备过程如下：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，在氮气保护下，加热至200℃，完全熔融后，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀，将耐高温电极插入液面以下，并固定于反应容器的两端，通入直流电流使十二烷基硫酸钠牢固镶嵌在云母粉中；反应容器的材质应为陶瓷；磁力搅拌采用磁力加热搅拌器，磁力搅拌过程中，转速为800r/min，搅拌时间为20min；超声分散过程中，超声波频率为30Hz，超声分散时间为25min；耐高温电极为沥青焦制备而成，电极的截面直径为5mm；耐高温电极插入液面的深度为10cm，电极底部距反应容器底部的距离为3cm；直流电流的电压为200V，电流为50A，通电时间为15min；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；高温捏合机的材质为不锈钢，加热方式为导热油加热，出料方式为球阀式，桨叶为切割型搅拌桨，快浆叶的线速度为300m/min，慢桨叶的线速度为120m/min，捏合时间为30min；
（3）将步骤（2）所得的热塑性云母粉添加到聚丙烯树脂中，经热塑成型后，制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料；
实施例2制备的热塑性云母粉及聚丙烯塑料，其玻璃化转变温度、熔体指数、可有效分散的最大添加量、分散性及界面粘结力，如表1所示。
实施例3
热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料各组分总的质量份数为100份计，具体如下：
聚丙烯64份、云母粉28份、聚苯乙烯5份、十二烷基硫酸钠3份；云母粉为金云母粉；
热塑性云母粉的制备过程如下：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，在氮气保护下，加热至208℃，完全熔融后，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀，将耐高温电极插入液面以下，并固定于反应容器的两端，通入直流电流使十二烷基硫酸钠牢固镶嵌在云母粉中；反应容器的材质应为玻璃；磁力搅拌采用磁力恒温搅拌器，磁力搅拌过程中，转速为1200r/min，搅拌时间为10min；超声分散过程中，超声波频率为50Hz，超声分散时间为15min；耐高温电极为针状焦制备而成，电极的截面直径为10mm；耐高温电极插入液面的深度为5cm，电极底部距反应容器底部的距离为5cm；直流电流的电压为300V，电流为80A，通电时间为10min；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；高温捏合机的材质为不锈钢，加热方式为电加热，出料方式为螺杆挤压式，桨叶为Z型搅拌桨，快浆叶的线速度为400m/min，慢桨叶的线速度为250m/min，捏合时间为20min；
（3）将步骤（2）所得的热塑性云母粉添加到聚丙烯树脂中，经热塑成型后，制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料；
实施例3制备的热塑性云母粉及聚丙烯塑料，其玻璃化转变温度、熔体指数、可有效分散的最大添加量、分散性及界面粘结力，如表1所示。
实施例4
热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料各组分总的质量份数为100份计，具体如下：
聚丙烯83份、云母粉13份、聚苯乙烯3份、十二烷基硫酸钠1份；云母粉为黑云母粉；
热塑性云母粉的制备过程如下：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，在氮气保护下，加热至204℃，完全熔融后，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀，将耐高温电极插入液面以下，并固定于反应容器的两端，通入直流电流使十二烷基硫酸钠牢固镶嵌在云母粉中；反应容器的材质应为陶瓷；磁力搅拌采用磁力加热搅拌器，磁力搅拌过程中，转速为900r/min，搅拌时间为10～20min；超声分散过程中，超声波频率为38Hz，超声分散时间为22min；耐高温电极为煤沥青制备而成，电极的截面直径为6mm；耐高温电极插入液面的深度为8cm，电极底部距反应容器底部的距离为4cm；直流电流的电压为220V，电流为55A，通电时间为14min；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；高温捏合机的材质为不锈钢，加热方式为蒸汽加热，出料方式为螺杆挤压式，桨叶为Σ型搅拌桨，快浆叶的线速度为330m/min，慢桨叶的线速度为150m/min，捏合时间为27min；
（3）将步骤（2）所得的热塑性云母粉添加到聚丙烯树脂中，经热塑成型后，制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料及聚丙烯塑料；
实施例4制备的热塑性云母粉，其玻璃化转变温度、熔体指数、可有效分散的最大添加量、分散性及界面粘结力，如表1所示。
实施例5
热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料各组分总的质量份数为100份计，具体如下：
聚丙烯67份、云母粉26份、聚苯乙烯4份、十二烷基硫酸钠3份；云母粉为钠云母粉；
热塑性云母粉的制备过程如下：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，在氮气保护下，加热至208℃，完全熔融后，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀，将耐高温电极插入液面以下，并固定于反应容器的两端，通入直流电流使十二烷基硫酸钠牢固镶嵌在云母粉中；反应容器的材质应为玻璃；磁力搅拌采用磁力恒温搅拌器，磁力搅拌过程中，转速为1100r/min，搅拌时间为13min；超声分散过程中，超声波频率为45Hz，超声分散时间为18min；耐高温电极为石油焦制备而成，电极的截面直径为8mm；耐高温电极插入液面的深度为7cm，电极底部距反应容器底部的距离为5cm；直流电流的电压为280V，电流为70A，通电时间为13min；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；高温捏合机的材质为碳钢，加热方式为电加热，出料方式为液压倾倒式，桨叶为鱼尾型搅拌桨，快浆叶的线速度为380m/min，慢桨叶的线速度为230m/min，捏合时间为24min；
（3）将步骤（2）所得的热塑性云母粉添加到聚丙烯树脂中，经热塑成型后，制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料；
实施例5制备的热塑性云母粉及聚丙烯塑料，其玻璃化转变温度、熔体指数、可有效分散的最大添加量、分散性及界面粘结力，如表1所示。
对比例1
热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料各组分总的质量份数为100份计，具体如下：
聚丙烯72份、云母粉22份、聚苯乙烯4份、十二烷基硫酸钠2份；云母粉为绢云母粉；
热塑性云母粉的制备过程如下：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀；反应容器的材质应为玻璃；磁力搅拌采用磁力加热搅拌器，磁力搅拌过程中，转速为1000r/min，搅拌时间为10～20min；超声分散过程中，超声波频率为42Hz，超声分散时间为20min；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；高温捏合机的材质为不锈钢，加热方式为导热油加热，出料方式为螺杆挤压式，桨叶为Σ型搅拌桨，快浆叶的线速度为360m/min，慢桨叶的线速度为200m/min，捏合时间为26min；
（3）将步骤（2）所得的热塑性云母粉添加到聚丙烯树脂中，经热塑成型后，制得热塑性云母粉填充改性的聚丙烯材料；
对比例1制备的热塑性云母粉及聚丙烯塑料，其玻璃化转变温度、熔体指数、可有效分散的最大添加量、分散性及界面粘结力如表1所示。
表1：
性能指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1
玻璃化转变温度（℃） 175 176 173 178 174 190
熔体指数（g/min） 4 4 4 7 6 0.2
可有效分散的最大添加量（%） 30 30 30 30 30 10
分散性 好 好 好 好 好 较差

Claims (10)

1.一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将十二烷基硫酸钠置于反应容器中，在氮气保护下，加热至200～210℃，完全熔融后，加入云母粉，磁力搅拌且超声辅助至分散均匀，将耐高温电极插入熔融液面以下，并固定于反应容器的两端，通入直流电流使十二烷基硫酸钠电离为带有负电荷的亲油端和带有正电荷的金属阳离子端，在高能电场的加速作用下，带有负电荷的亲油端轰击云母粉的表面，形成缺陷，并与云母粉中的金属氧化物反应，从而牢固镶嵌在云母粉中；
（2）将步骤（1）所得的表面镶嵌十二烷基硫酸钠的云母粉与聚苯乙烯混合，加入高温捏合机中，在快桨叶和慢桨叶的剪切作用下混炼，使聚苯乙烯包覆于云母粉的表面，冷却后出料，得到具有热塑性的云母粉；
其中，各成分重量份为：云母粉10～30份、聚苯乙烯2～5份、十二烷基硫酸钠1～3份。
2.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于，所述云母粉为绢云母粉、白云母粉、合成云母粉、导电云母粉、金云母粉、黑云母粉或钠云母粉中的至少一种，比重为2.4～2.8g/cm3，颗粒粒径为400～800目。
3.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于：所述反应容器的材质为玻璃或陶瓷中的一种。
4.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于：所述磁力搅拌采用磁力恒温搅拌器或磁力加热搅拌器中的一种，磁力搅拌过程中，转速为800～1200r/min，搅拌时间为10～20min。
5.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于：所述超声辅助的超声波频率为30～50Hz，超声分散时间为15～25min。
6.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于：所述耐高温电极是由石油焦、沥青焦、针状焦及煤沥青混合后制备而成，所使用的石油焦和沥青焦的含硫量均低于0.3wt%，电极的截面直径为5～10mm；
所述耐高温电极插入液面以下的深度为5～10cm，电极底部距反应容器底部的距离为3～6cm。
7.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于：所述直流电流的电压为200～300V，电流为50～80A，通电时间为10～15min。
8.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于：所述高温捏合机的材质为碳钢或不锈钢，加热方式为蒸汽加热、导热油加热或电加热，出料方式为液压倾倒式、球阀式或螺杆挤压式。
9.根据权利要求1所述一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉的制备方法，其特征在于：所述高温捏合机的桨叶为鱼尾型搅拌桨、切割型搅拌桨、Z型搅拌桨或Σ型搅拌桨中的一种，快浆叶的线速度为300～400m/min，慢桨叶的线速度为120～250m/min，捏合时间为20～30min。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的一种用于聚丙烯塑料的热塑性云母粉。
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