CN109337198B - 一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备设备和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备设备和制备方法。一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料是由以下的原料组成：均聚聚丙烯、相容剂、抗氧剂、润滑剂、成核剂和玻璃纤维。同时公开了这制备该聚丙烯材料的设备，还公开了一种利用该设备制备高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的方法。另外还公开了这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的应用。本发明的聚丙烯材料具有高弯曲强度和模量，抗冲击性能优异，热稳定性好，耐水解，可以广泛应用于汽车面板、洗衣机滚筒、热水壶手柄等。

Description

一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备设备和制备 方法

技术领域

本发明涉及一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备设备和制备方法，属于高分子材料技术领域。

背景技术

聚丙烯是五大通用树脂之一，具有质量轻、易加工、耐化学药品性能好等优点，在化工、电器、包装等工业领域得到了广泛的应用。然而，随着聚丙烯在建筑、汽车、船舶等行业的需求逐渐扩大，人们对其性能提出了更高的要求，一般通过增强、增韧、共混等改性方式使聚丙烯满足更多应用。

玻纤增强的聚丙烯作为一种通用工程塑料，具有高强度、高刚度、刚冲击强度、低密度、低翘曲蠕变性、抗动态疲劳等优异性能，因其性价比高，广泛应用于汽车、家电等结构零部件，取代金属、短玻纤增强尼龙等材料。目前，玻纤增强聚丙烯一般由聚丙烯、玻璃纤维、相容剂以及润滑剂制备而成。但是，玻纤增强聚丙烯在生产过程中，玻纤难以剪断，以致玻纤长度过长，分散不均匀，束状的玻纤内部不能与树脂有效湿润，这样以束状的玻纤存在应力集中，经常把模孔堵住，从而引起模孔出口处会随料条带出一团团的玻纤绒毛与断条，使产品看起来粗糙，不够光滑。另外，玻纤的含量也难于控制稳定。为了解决这一问题，通常是通过加强螺杆剪切，但是这种方式是以破坏玻纤长度为代价，会导致产品性能降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料及其制备设备和制备方法，该方法制备的玻纤增强聚丙烯玻纤含量易于控制，生产操作简单，损耗低，弯曲强度高。

本发明所采取的技术方案是：

一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，由以下质量份的原料组成：

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，均聚聚丙烯的弯曲强度为35MPa～40MPa，弯曲模量为1200MPa～1500MPa，在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为5g/10min～30g/10min。

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝POE、马来酸酐接枝EPDM、SMA、丙烯酸接枝聚丙烯中的至少一种。

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，抗氧剂为抗氧剂1330和抗氧剂627按质量比1：(0.5～2)复配而成。

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、EBS、PETS中的至少一种。

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，成核剂为山梨醇类成核剂、木质素类成核剂、有机磷酸盐类成核剂、有机羧酸盐类成核剂、支化酰胺类成核剂中的至少一种。

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，玻璃纤维为纤维直径是10μm～14μm，长度是3mm～4.5mm的短切玻璃纤维。

一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备设备，包括依次相连接的第一自动吸料机、第一失重秤喂料机、双螺杆挤出机、冷却水槽、吹干机、切粒机、振动筛和混料桶；还包括依次相连接的搅拌机和第二失重秤喂料机，第二失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接；还包括依次相连接的第二自动吸料机和第三失重秤喂料机，第三失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接。

一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法，利用上述的设备进行制备，包括以下步骤：

1)将均聚聚丙烯通过第一自动吸料机输送到第一失重秤喂料机中；将相容剂、抗氧剂、润滑剂和成核剂投入到搅拌机中，混合搅拌，输送到第二失重秤喂料机中；将玻璃纤维通过第二自动吸料机输送到第三失重秤喂料机中；

2)第一失重秤喂料机和第二失重秤喂料机的物料分别投入到双螺杆挤出机的主喂料口，第三失重秤喂料机的物料投入双螺杆挤出机的侧喂料口，通过双螺杆挤出机挤出；

3)挤出的物料依次通过冷却水槽冷却，通过吹干机吹干，通过切粒机切粒，通过振动筛筛选，通过混料桶混料，得到前述的高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料。

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料在制备汽车零部件和/或家用电器零部件的应用。

本发明的有益效果是：

本发明的聚丙烯材料具有高弯曲强度和模量，抗冲击性能优异，热稳定性好，耐水解，可以广泛应用于汽车面板、洗衣机滚筒、热水壶手柄等。

具体而言：

1)本发明的玻纤增强聚丙烯材料中添加有中低流动性的均聚聚丙烯，均聚聚丙烯本色刚性较好，中等流动性的均聚聚丙烯在双螺杆挤出过程中，可以更好的包裹和分散玻纤，提高玻纤的增强作用；

2)本发明的玻纤增强聚丙烯材料中添加相容剂，可改善玻璃纤维与聚丙烯的相容性，提高产品的拉伸、冲击、弯曲强度，提高表面光洁度，减少浮纤；

3)本发明的玻纤增强聚丙烯材料中添加抗氧剂1330和抗氧剂627，除了保护聚丙烯材料的热稳定性能，还可以提供优秀的耐水解性和耐抽提性，扩展产品的应用领域；

4)本发明的玻纤增强聚丙烯材料中添加短切玻纤，是为了增强聚丙烯的刚性和韧性，短切玻纤容易分散和计量，产品稳定性好；

5)本发明的玻纤增强聚丙烯材料的工艺设备使用3组失重秤喂料系统，失重秤喂料机内物料的重量通过称重传感器转化成电信号送至称量仪表，称量仪表将计算出的物料重量与预先设定的重量上、下限值进行比较和判别，通过PLC控制进料闸门，向失重秤喂料机内间断喂料，同时，仪表将计算出的实际给料率(排料流量)与预先设定的给料速率进行比较，通过PLC和调节器(PID)调节出料装置，使实际给料速率准确地跟踪设定值，这种喂料系统计量精准，操作简便，玻纤含量容易调控，产品质量稳定；

6)本发明的玻纤增强聚丙烯材料的工艺设备使用高扭矩双螺杆挤出机，生产效率高，能耗低；

7)本发明的玻纤增强聚丙烯材料的工艺设置二～五区温度在200～205℃，可以保证聚丙烯的充分塑化均匀，在与玻纤汇合时没有生料，温度不宜过高，不然容易降解，六～十区温度设置为180～185℃，可以让熔融的聚丙烯充分的包裹和分散玻璃纤维，提高产品的增强性能。

附图说明

图1是本发明制备设备的示意图。

具体实施方式

一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，由以下质量份的原料组成：

优选的，一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，由以下质量份的原料组成：

优选的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，均聚聚丙烯的弯曲强度为35MPa～40MPa，弯曲模量为1200MPa～1500MPa，在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为5g/10min～30g/10min。

优选的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝POE(聚烯烃弹性体)、马来酸酐接枝EPDM(三元乙丙橡胶)、SMA(苯乙烯-马来酸酐共聚物)、丙烯酸接枝聚丙烯中的至少一种；进一步优选的，相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。

进一步的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，相容剂为接枝率为0.6％～1％的反应型相容剂；再进一步优选的，相容剂的接枝率为0.8％。

优选的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，抗氧剂为抗氧剂1330和抗氧剂627按质量比1：(0.5～2)复配而成；进一步优选的，抗氧剂为抗氧剂1330和抗氧剂627按质量比1：1复配而成。

优选的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、EBS(乙撑双硬脂酸酰胺)、PETS(季戊四醇双硬脂酸酯)中的至少一种；进一步优选的，润滑剂为聚乙烯蜡。

优选的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，成核剂为山梨醇类成核剂、木质素类成核剂、有机磷酸盐类成核剂、有机羧酸盐类成核剂、支化酰胺类成核剂中的至少一种；进一步优选的，成核剂为脂肪羧酸金属化合物、山梨醇苄叉衍生物、芳香族羧酸金属化合物、有机磷酸盐、木质酸及其衍生物类、苯甲酸钠、双(对叔丁基苯甲酸)羧基铝的至少一种；再进一步优选的，成核剂为芳香族酰胺类化合物。

优选的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料中，玻璃纤维为纤维直径是10μm～14μm，长度是3mm～4.5mm的短切玻璃纤维。

一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备设备，包括第一自动吸料机、第二自动吸料机、第一失重秤喂料机、第二失重秤喂料机、第三失重秤喂料机、搅拌机、双螺杆挤出机、冷却水槽、吹干机、切粒机、振动筛和混料桶。

进一步的，第一自动吸料机、第一失重秤喂料机、双螺杆挤出机、冷却水槽、吹干机、切粒机、振动筛和混料桶依次相连接；搅拌机和第二失重秤喂料机相连接，第二失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接；第二自动吸料机和第三失重秤喂料机相连接，第三失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接。

优选的，制备设备中，第一失重秤喂料机、第二失重秤喂料机和第三失重秤喂料机分别通过PLC系统与双螺杆挤出机相连接；进一步优选的，第一失重秤喂料机和第二失重秤喂料机分别与双螺杆挤出机的主喂料口相连接；第三失重秤喂料机与双螺杆挤出机的侧喂料口相连接。

进一步的，失重秤喂料机内物料的重量通过称重传感器转化成电信号送至称量仪表，称量仪表将计算出的物料重量与预先设定的重量上、下限值进行比较和判别，通过PLC控制进料闸门，向失重秤喂料机内间断喂料。

优选的，制备设备中，双螺杆挤出机为高扭矩双螺杆挤出机；进一步的，双螺杆挤出机的螺杆直径为75mm，长径比为(40～44)：1，主机的最高转速为900r/min。

本发明制备设备的示意图可见附图1。

一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法，利用上述的设备进行制备，包括以下步骤：

1)将均聚聚丙烯通过第一自动吸料机输送到第一失重秤喂料机中；将相容剂、抗氧剂、润滑剂和成核剂投入到搅拌机中，混合搅拌，输送到第二失重秤喂料机中；将玻璃纤维通过第二自动吸料机输送到第三失重秤喂料机中；

2)第一失重秤喂料机和第二失重秤喂料机的物料分别投入到双螺杆挤出机的主喂料口，第三失重秤喂料机的物料投入双螺杆挤出机的侧喂料口，通过双螺杆挤出机挤出；

3)挤出的物料依次通过冷却水槽冷却，通过吹干机吹干，通过切粒机切粒，通过振动筛筛选，通过混料桶混料，得到前述的高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料。

优选的，制备方法的步骤1)中，搅拌机混合搅拌的转速为80r/min～120r/min，搅拌时间为1min～5min。

优选的，制备方法的步骤2)中，双螺杆挤出机的加工温度如下：一区120℃；二区～五区200℃～205℃；六区～十区180℃～185℃；机头180℃。

这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料在制备汽车零部件和/或家用电器零部件的应用。

进一步的，这种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料在制备汽车面板和/或洗衣机滚筒和/或热水壶手柄的应用。

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。

实施例1～2和对比例1～4的聚丙烯材料的原料组成如下表1所示。

表1实施例1～2和对比例1～4的玻纤增强聚丙烯的原料组成

原料	实施例1	实施例2	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4
							均聚聚丙烯	77.0	67.0	79.0	77.2	77.0	67.0
相容剂	2.0	2.0	0	2.0	2.0	2.0
							抗氧剂	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4
润滑剂	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4
							成核剂	0.2	0.2	0.2	0	0.2	0.2
短切玻纤	20.0	30.0	20.0	20.0	0	0
							巨石无碱玻纤EDR14-2000-988A	0	0	0	0	20.0	30.0

表1中所用的原料说明如下：

均聚聚丙烯：壳牌HP500N；

相容剂：接枝率为0.8％的马来酸酐接枝聚丙烯，沈阳科通KT-1；

抗氧剂：抗氧剂1330和抗氧剂627按质量比1:1复配而成；

润滑剂：PE蜡；

成核剂：市售芳香族酰胺类化合物成核剂，中达化工NP-508。

结合附图1进行说明，实施例1～2和对比例1～2的玻纤增强聚丙烯材料都是按照下列的制备方法和工艺进行造粒，其中的差别仅限各原料的添加量按照表1调整。

1)设备包括3台失重秤喂料机，高扭矩双螺杆挤出机，100L搅拌机，自动吸料机，冷却水槽，吹干机、切粒机、振动筛和3T混料桶；

2)失重秤喂料机内物料的重量通过称重传感器转化成电信号送至称量仪表，称量仪表将计算出的物料重量与预先设定的重量上、下限值进行比较和判别，通过PLC控制进料闸门，向失重秤喂料机内间断喂料；

3)高扭矩双螺杆挤出机的螺杆直径是75mm，长径比为44:1，主机转速800r/min；

4)将均聚聚丙烯通过自动吸料机输送到第一失重秤喂料机中；将相容剂、抗氧剂、润滑剂和成核剂在100L搅拌机中，以100r/min的速度混合2min后，从搅拌机下料口处加入到第二失重秤喂料机中；玻璃纤维通过自动吸料机输送到第三失重秤喂料机中；

5)第一失重秤喂料机中的①号和第二失重秤喂料机中的②号物料通过PLC系统设定单位时间的喂料量，通过喂料螺杆加入到双螺杆挤出机的主喂料口中，第三失重秤喂料机的短切玻纤通过PLC系统设定单位时间的喂料量，通过侧喂料系统进入双螺杆挤出机；

6)高扭矩双螺杆挤出机的加工温度设定为一区120℃，二～五区为200～205℃，六区～十区为180～185℃，机头温度为180℃；

7)物料经双螺杆挤出机挤出，冷却水槽冷却，吹干机吹干，切粒机切粒，振动筛筛选，混料桶混料，得到玻纤增强聚丙烯材料。

对比例3～4的玻纤增强聚丙烯材料是按照下列的制备方法和工艺进行造粒，其中的差别仅限各原料的添加量按照表1调整。

1)设备包括2台失重秤喂料机，高扭矩双螺杆挤出机，100L搅拌机，自动吸料机，冷却水槽，吹干机、切粒机、振动筛和3T混料桶；

2)失重秤喂料机内物料的重量通过称重传感器转化成电信号送至称量仪表，称量仪表将计算出的物料重量与预先设定的重量上、下限值进行比较和判别，通过PLC控制进料闸门，向失重秤喂料机内间断喂料；

3)高扭矩双螺杆挤出机的螺杆直径是75mm，长径比为42:1，主机转速800r/min；

4)将均聚聚丙烯通过自动吸料机输送到①号失重秤喂料机中，将相容剂、抗氧剂、润滑剂和成核剂在100L搅拌机中，以100r/min的速度混合2min后，从搅拌机下料口处加入到②号失重秤喂料机中，玻璃纤维988A从双螺杆挤出机的加纤口进入；

5)①号失重秤喂料机和②号失重秤喂料机的物料通过PLC系统设定单位时间的喂料量，通过喂料螺杆加入到双螺杆挤出机的主喂料口中，玻纤的实际添加量通过主喂料与单位时间产量的比例计算得到[玻纤含量＝(1-单位时间主喂料量/单位时间产量)×100％]；

6)高扭矩双螺杆挤出机的加工温度设定为一区120℃，二～五区为200～205℃，六区～十区为180～185℃，机头温度为180℃；

7)物料经双螺杆挤出机挤出，冷却水槽冷却，吹干机吹干，切粒机切粒，振动筛筛选，混料桶混料，得到聚丙烯材料。

将实施例1～2和对比例1～4制备的聚丙烯材料分别加入CG110E卧式注射机，注射成型标准试样，成型工艺条件如下：注射温度：195℃(加料口)、210℃、215℃、220℃(喷嘴)；注射压力：50MPa；保压时间：5s；冷却时间：8s。对各标准试样进行性能测试，同时取壳牌HP500N聚丙烯材料进行对比，测试结果如下表2所示。

表2实施例1～2和对比例1～4的玻纤增强聚丙烯的性能测试结果

表2中各项性能指标的测试标准或方法如下：

拉伸强度：按照ASTM D-638标准进行测试；

弯曲强度和弯曲模量：按照ASTM D-790标准进行测试；

IZOD冲击强度：按照ASTM D-256标准进行测试；

热变形温度：按照ASTM D-648标准进行测试。

由表2可知：实施例1～2相比于对比例1～4，强度方面，特别是缺口冲击强度更优异，加入相容剂和成核剂的作用也很明显。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：由以下质量份的原料组成：

均聚聚丙烯 60~80份；

相容剂 1~8份；

抗氧剂 0.2~0.8份；

润滑剂 0.2~0.5份；

成核剂 0.1~0.3份；

玻璃纤维 15~35份；

所述抗氧剂为抗氧剂1330和抗氧剂627按质量比1：（0.5~2）复配而成；

所述玻璃纤维为纤维直径是10μm~14μm，长度是3mm~4.5mm的短切玻璃纤维；

所述高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备设备包括依次相连接的第一自动吸料机、第一失重秤喂料机、双螺杆挤出机、冷却水槽、吹干机、切粒机、振动筛和混料桶；还包括依次相连接的搅拌机和第二失重秤喂料机，第二失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接；还包括依次相连接的第二自动吸料机和第三失重秤喂料机，第三失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接；

所述高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法如下：利用所述高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备设备进行制备，包括以下步骤：

1）将均聚聚丙烯通过第一自动吸料机输送到第一失重秤喂料机中；将相容剂、抗氧剂、润滑剂和成核剂投入到搅拌机中，混合搅拌，输送到第二失重秤喂料机中；将玻璃纤维通过第二自动吸料机输送到第三失重秤喂料机中；

2）第一失重秤喂料机和第二失重秤喂料机的物料分别投入到双螺杆挤出机的主喂料口，第三失重秤喂料机的物料投入双螺杆挤出机的侧喂料口，通过双螺杆挤出机挤出；

3）挤出的物料依次通过冷却水槽冷却，通过吹干机吹干，通过切粒机切粒，通过振动筛筛选，通过混料桶混料，得到所述的高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料。

2.根据权利要求1所述的一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：均聚聚丙烯的弯曲强度为35MPa~40MPa，弯曲模量为1200MPa~1500MPa，在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数为5g/10min~30g/10min。

3.根据权利要求1或2所述的一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝POE、马来酸酐接枝EPDM、SMA、丙烯酸接枝聚丙烯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：润滑剂为聚乙烯蜡、石蜡、EBS、PETS中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料，其特征在于：成核剂为山梨醇类成核剂、木质素类成核剂、有机磷酸盐类成核剂、有机羧酸盐类成核剂、支化酰胺类成核剂中的至少一种。

6.一种高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备方法，其特征在于：利用高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料的制备设备进行制备，包括以下步骤：

1）将均聚聚丙烯通过第一自动吸料机输送到第一失重秤喂料机中；将相容剂、抗氧剂、润滑剂和成核剂投入到搅拌机中，混合搅拌，输送到第二失重秤喂料机中；将玻璃纤维通过第二自动吸料机输送到第三失重秤喂料机中；

2）第一失重秤喂料机和第二失重秤喂料机的物料分别投入到双螺杆挤出机的主喂料口，第三失重秤喂料机的物料投入双螺杆挤出机的侧喂料口，通过双螺杆挤出机挤出；

3）挤出的物料依次通过冷却水槽冷却，通过吹干机吹干，通过切粒机切粒，通过振动筛筛选，通过混料桶混料，得到权利要求1~5任一项所述的高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料；

所述制备设备包括依次相连接的第一自动吸料机、第一失重秤喂料机、双螺杆挤出机、冷却水槽、吹干机、切粒机、振动筛和混料桶；还包括依次相连接的搅拌机和第二失重秤喂料机，第二失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接；还包括依次相连接的第二自动吸料机和第三失重秤喂料机，第三失重秤喂料机与双螺杆挤出机相连接。

7.权利要求1~5任一项所述的高刚性的玻璃纤维增强聚丙烯材料在制备汽车零部件和/或家用电器零部件的应用。

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