CN108276663A - 一种高熔体强度的化学微孔发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高熔体强度的化学微孔发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高熔体强度的化学微孔发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法，其组成主要包括：重量百分比计的20～30％长玻璃纤维，60～70％的改性聚丙烯树脂，1～6％的马来酸酐接枝物PP‑g‑MAH，0.5～5％的抗氧化助剂，1～3％的化学发泡剂等；本发明具有如下有益效果：通过筛选合适的原料进行加工改性，使得材料具备较好的高温熔体强度，并在化学发泡剂作用下能够进行微孔发泡，使得零件在密度减小的同时保证一定强度的力学性能，保证正常功能的发挥和实现；同时注塑成型后得到的零部件后收缩小，尺寸稳定性高；注塑机的锁模力也相应减小，提高了模具寿命。本发明的制品符合大部分主机厂对于内饰零部件的散发性能要求。

Description

一种高熔体强度的化学微孔发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合 材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料，具体地说涉及一种高熔体强度的化学微孔发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制造方法。
背景技术
长玻纤增强热塑性树脂(PP-LGF)是一种增强纤维单向排布且其长度与树脂粒料长度相同的增强热塑性树脂。与常规短纤维增强热塑性树脂(PP-GF)相比，它具有更加优异的力学性能、耐疲劳性能、抗蠕变性能、耐气候交变性等；特别是材料的低温抗冲击性能极为优异。与短纤增强尼龙(PA6,6-GF)材料相比，长玻纤增强聚丙烯材料不吸湿，尺寸稳定性相对较好；同时密度低，且力学性能可与平衡态下的PA6,6-GF材料相媲美，性价比较高，能满足较多车内零部件的力学性能要求，因此具有很大的市场开发和应用前景。
随着汽车工业的蓬勃发展和能源供应的相对紧张，各大主机厂对整车的轻量化和节能减排工程提出了越来越迫切的需求。而采用长玻纤增强聚丙烯材料注塑的汽车结构件适用于大型骨架零件，在采用微发泡技术后零件的单个克重可降低至原来的20％～40％，轻量化效果显著。因此，具备轻质高强特点的长玻纤增强聚丙烯材料在汽车行业受到了越来越多的青睐。如汽车仪表板骨架，门内模板，座椅骨架，前端模块等，都大幅采用长玻纤增强聚丙烯材料进行产品设计和验证工作，其单件重量一般在2～3kg,包括BMW,Ford,VW在内的知名车企都采用长玻纤增强聚丙烯材料作为化学微发泡材料的首选对象。
由于化学微发泡过程中，孔径的大小，孔与孔之间的均匀性和壁厚等都对发泡效果具有决定性作用。发泡不均直接影响成型后零件的整体力学强度高低，这决定了发泡的成功与否；此外，发泡环境下材料的熔体强度不同和分子量分布也会影响塑料制件中玻璃纤维的取向和排布，从而决定了发泡时的孔的生长方向与孔径。本发明重点针对化学微发泡长玻纤增强聚丙烯材料的具体配方设计和工艺进行了研究，并对相应的原材料进行了系统性的筛选。
发明内容
本发明的目的是提供一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯的复合材料，以提升长玻璃纤维增强聚丙烯制件在进行发泡时的成功率，同时不影响材料原有力学性能，低VOC和综合性能优异的PP-LGF复合材料，满足作为汽车内饰件材料的基础技术性能要求。
本发明的另一个目的是提供上述化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法。
本发明目的是这样实现的：
一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其组成按重量百分比计，重量百分比计的20～30％长玻璃纤维，60～70％的改性聚丙烯树脂，1～6％的马来酸酐接枝物PP-g-MAH，0.5～5％的抗氧化助剂，1～3％的化学发泡剂等。
所述改性聚丙烯树脂是将聚丙烯树脂原料与接枝物，抗氧化助剂，色母粒等原料混合后，通过双螺杆挤出机等在熔融状态下均匀浸渍到长玻璃纤维表面，进而挤出切粒，所述改性聚丙烯树脂包含以下重量百分比计的原料：
所述的聚丙烯树脂的熔融指数为30～70g/10min。
所述的马来酸酐接枝物的有效接枝活性在5％以上。
所述的黑色母为粒径在0.5mm-3mm之间的色母粒，且色粉浓度在50％含量及以上。
所述的化学发泡剂为偶氮类发泡剂，在220～240℃之间能够进行热分解进而发泡。
上述化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备带改性聚丙烯树脂：使用双组份计量称，在主进料口加入聚丙烯树脂，在侧向进料口马来酸酐接枝物，黑色母，物料混合均匀后进入双螺杆挤出机；挤出加工温度为100～260℃，主机转速是200～500rpm。
(2)制备长玻璃纤维增强聚丙烯材料：熔融改性聚丙烯树脂熔体浸渍连续长玻璃纤维束，浸渍加工温度为240～300℃，采用拉挤工艺制备得到8～13mm长度的长玻璃纤维增强聚丙烯颗粒。
(3)制备得到的长玻纤增强聚丙烯材料粒子与1～3％的化学发泡剂混匀后进行发泡。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过筛选合适的原料进行加工改性，使得注塑得到的化学微发泡制品能够在减重的同时保持一定力学强度并满足性能要求，保证零部件使用寿命；同时注塑成型后得到的零部件后收缩小，尺寸稳定性高，本发明的制品具有较好的机械力学性能，如优良的拉伸、弯曲强度及抗冲性能；气味，VOC性能优异，符合大部分主机厂对于内饰零部件的散发性能要求。
具体实施方式
下面通过实施例和对比例进一步说明本发明，在不违反本发明的宗旨下，本发明应不限于以下实验例具体明示的内容。
实施例所用原材料如下：
聚丙烯树脂1(PP-l)：熔融指数30，测试条件230℃*2.16kg；
聚丙烯树脂2(PP-2)：熔融指数50，测试条件230℃*2.16kg；
聚丙烯树脂3(PP-3)：熔融指数70，测试条件230℃*2.16kg；
连续玻璃纤维；PCV公司4805-1200；
玻纤相容剂：，马来酸酐接枝聚丙烯，市售。
黑色母：粒径3mm,市售。
抗氧化助剂：Polyone 1010等。
发泡剂：Clariant HYDROCEROL ITP,市售。
产品性能测试方法：
熔体质量流动指数(熔融指数)：按ISO 1133方法，在230℃，2.16千克载荷下测试。
密度：按1183方法，在23℃下测试。
拉伸性能：按ISO 527方法，拉伸速度5毫米/分钟。
弯曲性能：按ISO 178方法，试验速度2毫米/分钟。
缺口冲击强度：按ISO 179方法，4毫米厚试样。
材料收缩率：根据ISO 294方法进行测试。
制品重量：电子天平。
实施例1
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1470克聚丙烯树脂PP-1，在侧进料口加入70克马来酸酐接枝物，10克黑色母，20克抗氧剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：100℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是380rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，然后与30克发泡剂混匀，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例2
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1470克聚丙烯树脂PP-2，在侧进料口加入70克马来酸酐接枝物，10克黑色母，20克抗氧剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：100℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是380rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，然后与30克发泡剂混匀，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例3
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1470克聚丙烯树脂PP-3，在侧进料口加入70克马来酸酐接枝物，10克黑色母，20克抗氧剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：100℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是380rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，然后与30克发泡剂混匀，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例4
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1445克聚丙烯树脂PP-2，在侧进料口加入80克马来酸酐接枝物，15克黑色母，20克抗氧剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：100℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是380rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，然后与40克发泡剂混匀，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
实施例5
使用带有侧向喂料口的TE-65(长径比L/D＝48)双螺杆挤出机，在主进料口加入1415克聚丙烯树脂PP-2，在侧进料口加入100克马来酸酐接枝物，15克黑色母，20克抗氧剂。加工温度(从喂料口到模头)分别是：100℃，190℃，200℃，220℃，240℃，240℃，260℃，265℃，主机转速是380rpm。
经挤出机熔融反应的复合物与连续玻璃纤维采用拉挤工艺，浸渍加工温度为260℃，通过浸渍机头后冷却切粒，制成纤维重量百分含量为20％且其长度与树脂粒料长度相同的长玻纤增强PP颗粒料，然后与50克发泡剂混匀，采用注塑机制备标准力学测试试样，测试结果见表1。
表1：性能测试结果
由上表可见，随着PP基料的熔指变化，长玻纤增强聚丙烯材料进行发泡后力学性能，减重量等均有所变化；相比于熔指30和70的基料，熔指为50的材料发泡后的样板减重效果相对较优，综合力学性能良好，说明在该熔体强度下，发泡孔的尺寸和分布均匀，对整体的力学性能有较好的支撑；在相同熔指PP料制备的长玻纤增强聚丙烯材料中，发泡剂用量从1.5％增加到2.5％，制品的比强度并未出现明显提高，说明发泡倍率需设置在一个合理范围，发泡剂的用量需根据具体设计需求来确定。
本发明通过对已有的商品化的聚丙烯树脂采用双螺杆挤出机进行反应挤出，制备出流动性适中的改性聚丙烯，以此作为树脂基体，采用熔融浸渍方法，拉挤浸渍工艺制备了长玻璃纤维增强聚丙烯材料。通过添加不同比例的发泡剂进行化学微发泡，可以实现制品的减重并最终实现降本与轻量化的双重效果。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过筛选合适的原料进行加工改性，使得注塑得到的发泡制品的微孔尺寸均匀，分布合理；同时注塑成型后得到的零部件后收缩小，尺寸稳定性高，本发明的制品具有较好的机械力学性能，如优良的拉伸、弯曲强度及抗冲性能；气味，VOC性能优异，符合大部分主机厂对于内饰零部件的散发性能要求。
通过本发明得到的塑料产品可广泛应用于汽车工业中需要进行化学发泡减重的长玻纤增强聚丙烯仪表板骨架等零件，具有显著轻质高强，安全性能高，大大响应了国家的节能减排号召，市场应用前景广阔。

Claims (7)

1.一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：包括以下按重量百分比计的原料：20～30％长玻璃纤维，60～70％的改性聚丙烯树脂，1～6％的马来酸酐接枝物PP-g-MAH，0.5～5％的抗氧化助剂，1～3％的化学发泡剂。
2.根据权利要求1所述的一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述改性聚丙烯树脂是将聚丙烯树脂原料与接枝物，抗氧化助剂，色母粒原料混合后，通过双螺杆挤出机等在熔融状态下均匀浸渍到长玻璃纤维表面，进而挤出切粒，所述改性聚丙烯树脂包含以下重量百分比计的原料：
3.根据权利要求2所述的一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯树脂的熔融指数为30～70g/10min。
4.根据权利要求2所述的一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的马来酸酐接枝物的有效接枝活性在5％以上。
5.根据权利要求2所述的一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的黑色母为粒径在0.5mm-3mm之间的色母粒，且色粉浓度在50％含量及以上。
6.根据权利要求1所述的一种高熔体强度的化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的化学发泡剂为偶氮类发泡剂，在220～240℃之间能够进行热分解进而发泡。
7.权利要求1-6任意之一所述化学微发泡长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)制备带改性聚丙烯树脂：使用双组份计量称，在主进料口加入聚丙烯树脂，在侧向进料口马来酸酐接枝物，黑色母，物料混合均匀后进入双螺杆挤出机；挤出加工温度为100～260℃，主机转速是200～500rpm；
(2)制备长玻璃纤维增强聚丙烯材料：熔融改性聚丙烯树脂熔体浸渍连续长玻璃纤维束，浸渍加工温度为240～300℃，采用拉挤工艺制备得到8～13mm长度的长玻璃纤维增强聚丙烯颗粒；
(3)制备得到的长玻纤增强聚丙烯材料粒子与1～3％的化学发泡剂混匀后进行发泡。
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