CN109251395A

CN109251395A - 一种矿渣微粉改性聚乙烯复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN109251395A
Application number: CN201811053774.5A
Authority: CN
Inventors: 刘纪昌; 王林; 沈本贤; 严志平; 孙辉
Original assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Baotian New Building Materials Co Ltd
Current assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Baotian New Building Materials Co Ltd
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2019-01-22

Abstract

本发明公开了一种矿渣微粉改性聚乙烯复合材料及其制备方法，原料按照质量百分数计包括：硅烷偶联剂1‑10％，矿渣微粉1‑30％，聚乙烯60‑98％，各个组分的百分比之和为100％；结合加工后产品的拉伸性能、抗冲击性能、热性能和光学性能可知，矿渣微粉用作聚乙烯填料的综合性能明显优于活性碳酸钙(1000目)填料，制备的复合材料可用于家电行业聚合物、汽车非结构件聚合物和家装行业塑料管道等领域。

Description

一种矿渣微粉改性聚乙烯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种矿渣微粉改性聚乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，通用塑料聚乙烯和聚丙烯加工过程中的填料大部分采用活性碳酸钙，但在某些要求比较高的领域，活性碳酸钙与聚乙烯和聚丙烯的相容性和分散性达不到要求，且其加入后对聚合物加工产品的力学性能、光学性能、热性能和阻燃性能均有不同程度的影响。矿渣微粉具有自身来源充足、成本低廉的特点，如果将其应用于家电行业聚合物填料、汽车行业非结构件聚合物增强填料、家装行业塑料管道聚合物增强填料等领域，将于有广阔的市场前景。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种矿渣微粉改性聚乙烯复合材料及其制备方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

本发明的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，原料按照质量百分数计，包括：

硅烷偶联剂1-10％，

矿渣微粉1-30％，

聚乙烯60-98％；

各个组分的百分比之和为100％。

本发明的一优选实施方案中，所述原料按照质量百分数计，包括：

硅烷偶联剂1-5％，

矿渣微粉5-20％，

聚乙烯75-96％，

各个组分的百分比之和为100％。

本发明的另一优选实施方案中，所述原料按照质量百分数计，包括：

硅烷偶联剂2-4％，

矿渣微粉10-15％，

聚乙烯81-88％，

各个组分的百分比之和为100％。

上述任意优选实施方案中，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷(A151)、氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)和氨乙基-氨丙基三甲氧基硅烷(KH792)中的一种或两种以上组合，更优选为氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)。

上述任意优选实施方案中，所述矿渣微粉的堆积密度为950-970kg/m³，优选为960kg/m³；所述矿渣微粉的平均粒径为1-10μm，依次优选为2-10μm、5-10μm。

本发明的第二方面，上述矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的制备方法，包括：将所述原料按配混匀后，在190-210℃高温下以5-15r/min的速度熔融密炼共混5-15min。

上述制备矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的优选实施方案中，将所述原料按配混匀后，在200℃高温下以10r/min的速度熔融密炼共混10min。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)与活性碳酸钙填料相比，矿渣微粉与活性碳酸钙填充聚乙烯时，可提高聚合物刚性。结合加工后产品的拉伸性能、抗冲击性能、热性能和光学性能可知，矿渣微粉用作聚乙烯填料的综合性能明显优于活性碳酸钙(1000目)填料，当矿渣添加量为30％，聚乙烯的拉伸屈服应力从8.11MPa提升至10.29MPa，提升幅度约为27％。

(2)本发明制备的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料可用于家电行业聚合物、汽车非结构件聚合物和家装行业塑料管道等领域。

附图说明

图1为矿渣微粉的粒径分布；

图2为矿渣微粉的扫描电镜照片；

图3为PE/活性碳酸钙复合材料的透光率；其中，1-纯PE，2-PE/改性矿渣-10％，2-PE/活性碳酸钙-10％；

图4为质量百分比为2％矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的表面形貌；

图5为质量百分比为20％矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的表面形貌。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见附图1和2，以下实施例中采用的矿渣微粉的堆积密度为950-970kg/m³，，平均粒径为1-10μm。

实施例1

矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的制备方法为：按如下配比称取原料，硅烷偶联剂1％，矿渣微粉10％，聚乙烯89％；其中，矿渣微粉的堆积密度为950kg/m³，平均粒径为1μm，在190℃高温下以5r/min的速度熔融密炼共混5min，即得。

实施例2

矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的制备方法为：按如下配比称取原料，硅烷偶联剂10％，矿渣微粉30％，聚乙烯60％；其中，矿渣微粉的堆积密度为970kg/m³，平均粒径为10μm，在210℃高温下以10r/min的速度熔融密炼共混15min，即得。

对比例1

活性碳酸钙填充聚乙烯的制备方法与实施例1的不同之处在于将10％矿渣微粉替代为10％活性碳酸钙。

对比例2

活性碳酸钙填充聚乙烯的制备方法与实施例1的不同之处在于将30％矿渣微粉替代为30％活性碳酸钙。

将实施例1、2制备的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，对比例1、2制备的活性碳酸钙填充聚乙烯和纯聚乙烯进行性能测试，包括拉伸性能、抗冲击性能、热性能和光学性能，结果如表1-3和图3所示。

表1：拉伸测试数据

从表1可知，矿渣微粉与活性碳酸钙填充聚乙烯时，韧性都会显著降低，矿渣微粉降低的程度小于活性碳酸钙。矿渣微粉与活性碳酸钙均可以提高聚乙烯刚性，填充量为30％时，杨氏模量由11.7MPa分别提高到48.0MPa和45.6MPa，矿渣微粉填充聚乙烯的刚性优于活性碳酸钙填充聚乙烯。矿渣微粉对聚乙烯拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂应力等指标的提高均明显优于活性碳酸钙填料。

表2：抗冲击性能测试数据

从表2可知，10％填充量时矿渣微粉和活性碳酸钙的加入均提高了聚乙烯的抗冲击强度，30％填充量时聚乙烯的抗冲击强度显著降低。10％填充量时矿渣微粉对聚乙烯抗冲击强度的提高幅度比活性碳酸钙大。30％填充量时矿渣微粉填充聚乙烯的抗冲击强度下降较小。

表3：热性能数据

从表3可知，矿渣微粉和活性碳酸钙对聚乙烯玻璃化转变温度、熔融指数、膨胀系数等热性能指标的影响较小。

从附图3所示的透光率可知，活性碳酸钙和改性矿渣使聚乙烯的透光率下降的幅度基本一致。

实施例3-7

制备矿渣微粉改性塑料复合材料，其中，实施例3-7中矿渣微粉的含量依次为2％、5％、10％、20％和30％，与硅烷偶联剂、聚乙烯的质量百分比为100％，然后将实施例3-7制备的复合材料和纯聚乙烯进行拉伸性能测试，结果如表4所示。

表4：拉伸测试数据

从表4可以看出，矿渣微粉的加入降低了聚乙烯的拉伸强度、断裂伸长率和拉伸最大力，这主要是由于矿渣微粉的加入破坏了聚合物基体的连续性，对聚乙烯拉伸强度、断裂伸长率和拉伸最大力的保持效果好，加入后聚乙烯的拉伸最大力下降幅度很小，断裂伸长率有少量的提升，当矿渣添加量为30％，PE的拉伸屈服应力从8.11MPa提升至10.29MPa，提升幅度约为27％。且当添加含量较高时，矿渣增强的聚乙烯的拉伸断裂应力高于纯的聚乙烯，当矿渣添加量为30％时，PE的拉伸断裂应力从9.56MPa提升到10.11MPa，提升幅度为5.7％。

矿渣的加入使得聚乙烯的杨氏模量显著提高，这主要是由于矿渣具备了典型无机材料硬度高的特点。当填料含量增加至30％时，改性聚乙烯的杨氏模量出现了下降，这是由于矿渣表面无有机分子修饰，其刚性大，因此在含量较少时对聚乙烯的杨氏模量增加明显，但由于其与聚乙烯相容性差，含量增加时对聚乙烯基体连续性的破坏严重，所以导致后期储能模量的增加不明显，甚至下降。随矿渣微粉逐渐增加，聚乙烯的杨氏模量稳步提升，到30％填料含量时，杨氏模量从11.7MPa增加到48.0MPa，增加幅度为310％，改性效果明显，韧性损失也相对较小。

实施例8、9

制备矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其中，实施例8、9中矿渣微粉的含量均为5％，但是矿渣微粉的平均粒径分别为10μm、5μm，与硅烷偶联剂、聚乙烯的质量百分比为100％。将实施例8、9制备的复合材料和纯聚乙烯进行拉伸测试，拉伸速度为20mm/min，样条按国标制作，每个样品测试5根样条，取平均值结果如表5所示。

表5：矿渣微粉填充聚乙烯的拉伸测试数据

从表5可以看出，矿渣微粉直接加入聚乙烯中即可对高分子材料有一定的改性效果，杨氏模量有显著提高，从11.73MPa增加到32.61MPa，即材料的刚性增加，不同粒径的矿渣微粉相比，粒径越小，对聚乙烯韧性的损失也相对较小。

实施例10-12

制备矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其中，实施例10-12中硅烷偶联剂分别为KH550、KH570和KH792，矿渣微粉均按照5％的添加比例填充聚乙烯，测试加工后的复合材料拉伸性能如表6所示。

表6：拉伸性能数据

从表6可以看出，KH550和KH792性能相近，优于KH570改性的矿渣微粉。原因在于，KH550和KH792的疏水性比KH570大，更有利于提高矿渣微粉与非极性聚合物基体的相容性。由于KH550和KH792改性效果类似，而KH550的市场价格比KH792低，从产业化的角度考虑，优选KH550(γ―氨丙基三乙氧基硅烷)作为偶联剂对矿渣微粉进行表面修饰用于填充聚乙烯制备改性复合材料。

参见附图4和5可以看出，改性矿渣微粉填充量为2％时复合材料表面形貌光滑，断面观察不到矿渣微粉，说明矿渣微粉嵌入了聚乙烯基体内部，与聚乙烯基体的相容性较好。随着矿渣微粉添加量增加到20％，和填充2％矿渣微粉的聚乙烯断面形貌类似，表面光滑，观察不到明显的矿渣微粉颗粒，聚合物基体连续性较好。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，原料按照质量百分数计包括：

硅烷偶联剂 1-10％，

矿渣微粉 1-30％，

聚乙烯 60-98％,

各个组分的百分比之和为100％；其中，

所述矿渣微粉的堆积密度为950-970kg/m³，平均粒径为1-10μm。

2.根据权利要求1所述的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，所述原料按照质量百分数计包括：

硅烷偶联剂 1-5％，

矿渣微粉 5-20％，

聚乙烯 75-96％，

各个组分的百分比之和为100％。

3.根据权利要求1或2所述的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，所述原料按照质量百分数计包括：

硅烷偶联剂 2-4％，

矿渣微粉 10-15％，

聚乙烯 81-88％，

各个组分的百分比之和为100％。

4.根据权利要求1或2或3所述的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、氨丙基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和氨乙基-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或两种以上组合。

5.根据权利要求1所述的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，所述矿渣微粉的堆积密度为960kg/m³。

6.根据权利要求1所述的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，所述矿渣微粉的平均粒径为2-10μm。

7.根据权利要求1或6所述的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，所述矿渣微粉的平均粒径为5-10μm。

8.如权利要求1-7任一项所述矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，将所述原料按配混匀后，在190-210℃高温下以5-15r/min的速度熔融密炼共混5-15min。

9.如权利要求8所述矿渣微粉改性聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于，将所述原料按配混匀后，在200℃高温下以10r/min的速度熔融密炼共混10min。

10.根据权利要求4所述的矿渣微粉改性聚乙烯复合材料，其特征在于，所述硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷。