CN109438900A - 一种聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯复合材料，包含以下重量份的成分：高流动性聚丙烯52～88份、高流动性弹性体4～18份、低流动性弹性体4～18份、无机填料3～10份；其中，所述高流动性聚丙烯在230℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率大于40g/10min；所述高流动性弹性体在190℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率大于10g/10min；所述低流动性弹性体在190℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率为0.5～8g/10min。本申请聚丙烯具有超低密度、超高流动性、高性能、低线性膨胀系数的特性，可应用于超轻量化制件领域。同时，本发明还公开一种所述聚丙烯复合材料的制备方法。

Description

一种聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子改性的技术领域，尤其是一种聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
随着节能环保越来越受到人们的重视，降低汽车的油耗、提高整车的燃油经济性变得越发重要。有研究表明，若汽车整车重量降低10份，燃油效率可提高6份～8份，因此整车轻量化成为了各汽车主机厂的重要研究课题。聚丙烯材料由于其优异的综合性能，被广泛应用于多种汽车零件中，是目前用量最大的车用塑料，因此如何对其注塑制件实现轻量化有着重要的意义。
目前聚丙烯材料制件轻量化方案主要有：薄壁化、低密度化、发泡、以塑代钢等，随着轻量化呼声的日益强烈，主机厂的要求也在不断提高，朝着超轻量化的方向发展。以门板制件为例：传统壁厚一般是2.5-3.0mm，薄壁化实施初期壁厚要求降低为2.0-2.2mm，但是随着要求的提高，壁厚要求已经进一步降低到了1.7-2.0mm左右；密度要求范围也从1.06-1.10g/cm3(20份-25份填充)，变更为低密度化初期的0.98-1.02g/cm3(10份-15份填充)，但是随着要求的提高，密度要求范围已进一步降低到了0.92-0.98g/cm3(3份-10份填充)。薄壁化和低密度化对于轻量化降低制件重量而言起到的是叠加的作用，但是对于材料本身的性能而言，存在一定的矛盾：随着壁厚的降低，对于聚丙烯材料的刚性需求变得更高，刚性不足的话会导致制件在使用过程中的受力变形等；同时由于密度的降低，意味着填充量的减少，间接又会影响到材料的刚性；减少弹性体含量虽然可以在一定程度上弥补掉刚性的损失，但冲击性能却因此会有明显的下降，从而破坏材料整体的刚韧平衡。目前市面上和专利中(CN107043489A/CN102838806/CN106751353A)涉及的低密度高流动聚丙烯改性材料，都只能适应薄壁化和低密度化初期的需求，但随着主机厂对于轻量化要求的进一步提高，对于更小壁厚(1.7-2.0mm左右)成型且更低密度(0.92-0.98g/cm3)的超轻量化制件要求则无法满足，或者即使可以满足但是力学性能上有了很大的损失，同时线性膨胀系数也较大，无法满足实际制件应用的刚性韧性和尺寸稳定性需求。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种聚丙烯复合材料。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种聚丙烯复合材料，包含以下重量份的成分：高流动性聚丙烯52～88份、高流动性弹性体4～18份、低流动性弹性体4～18份、无机填料3～10份；其中，所述高流动性聚丙烯在230℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率大于40g/10min；所述高流动性弹性体在190℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率大于10g/10min；所述低流动性弹性体在190℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率为0.5～8g/10min。
本发明通过研究高流动聚丙烯、高流动弹性体、低流动弹性体之间协同作用，摸索出最优的组分配比，获得了一种聚丙烯复合材料，具有超低密度、超高流动、高性能、低线性膨胀系数的特性，其可以在性能基本不损失和保持较低的线性膨胀系数的基础上，适用于更小壁厚(1.7-2.0mm左右)成型且更低密度(0.92-0.98g/cm3)的制件要求，相比传统改性聚丙烯材料制件可以实现减重30份-50份不等，实现超轻量化的目的。
优选地，所述高流动性聚丙烯为高流动性均聚聚丙烯、高流动性共聚聚丙烯中的至少一种。
优选地，所述高流动性弹性体为乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、聚丁二烯橡胶、二元乙丙橡胶(EPM)、三元乙丙橡胶(EPDM)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SEBS)中的至少一种；所述低流动性弹性体为乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、聚丁二烯橡胶、二元乙丙橡胶(EPM)、三元乙丙橡胶(EPDM)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(SEBS)中的至少一种。
更优选地，所述高流动性弹性体为乙烯-辛烯共聚物；所述低流动性弹性体为乙烯-辛烯共聚物。
上述高流动性弹性体、低流动性弹性体的选择，能更好的发挥协同作用，能更好的赋予所述聚丙烯复合材料超低密度、超高流动、高性能、低线性膨胀系数的特性。
优选地，所述高流动性弹性体与低流动性弹性体重量比为：高流动性弹性体：低流动性弹性体＝1/3～3/1。
上述高流动性弹性体、低流动性弹性体含量的选择，能更好的发挥协同作用，能更好的赋予所述聚丙烯复合材料超低密度、超高流动、高性能、低线性膨胀系数的特性。
优选地，所述无机填料为滑石粉、碳酸钙、云母、硅灰石、碳酸钙晶须、钛酸钾晶须、硫酸钙晶须、镁盐晶须中的至少一种。这些填料能起到的效果是同时提高材料的刚性和韧性，因此被称为高性能填料(低性能填料通常只能提高刚性)。在本申请中，这样选择的目的是在低填料含量的情况下，充分利用高性能填料既能提高材料刚性又能提高材料韧性的性能，使得最终复合材料达到更高的刚韧平衡。
更优选地，所述无机填料为5000目的滑石粉。
优选地，所述的聚丙烯复合材料，还包含以下重量份的成分：主抗氧剂0～0.5份、辅抗氧剂0～0.5份；所述主抗氧剂为受阻酚类化合物；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类化合物。
更优选地，所述主抗氧剂为抗氧剂1010，所述辅抗氧剂为抗氧剂168。
同时，本发明还提供一种所述的聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将各组分原料按配比在高速混合机中充分混合，得到混合物；
(2)将步骤(1)所得混合物输送到双螺杆挤出机的主喂料口进行熔融挤出、造粒、干燥，即得所述聚丙烯复合材料；
或者
将高流动性聚丙烯、高流动性弹性体、低流动性弹性体、主抗氧剂、辅抗氧剂在高速混合器中干混，制得混合物A；将混合物A从螺杆主喂料口加入双螺杆挤出机，将无机填料从螺杆中部侧向喂料口加入双螺杆挤出机，经熔融挤出、造粒、干燥，即得所述聚丙烯复合材料。
优选地，所述步骤(1)中，混合的时间为1-3分钟。
优选地，所述步骤(2)中，双螺杆挤出机中熔融挤出的条件为：一区温度为80-120℃、二区温度为190-210℃、三区温度为210-230℃、四区温度为210-230℃、五区温度为210-230℃、六区温度为210-230℃、七区温度为210-230℃、八区温度为210-230℃、九区温度为210-230℃；所述主机转速为200-800转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为36:1～56:1。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明通过高流动性聚丙烯、高性能无机填料、弹性体的协同作用，特别通过高流动性弹性体和低流动性弹性体复配，形成了具有不同弹性体分散相尺寸的相结构，获得了一种聚丙烯复合材料，可应用于超轻量化制件领域，具有超低密度、超高流动性、高性能、低线性膨胀系数的特性。
本发明所述的聚丙烯复合材料，适用于更小壁厚(1.7-2.0mm左右)成型且更低密度(0.92-0.98g/cm3)的制件要求，相比传统改性聚丙烯材料，可使其潜在制件实现减重30份-50份不等，实现制件超轻量化的目的，且力学性能基本不损失保证了制件应用时的刚性韧性要求，较低的线性膨胀系数保证了制件的高低温应用下的尺寸稳定性。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本申请实施例中使用的高流动性聚丙烯为熔体流动速率(230℃×2.16kg)40-100g/10min的嵌段共聚聚丙烯，其中嵌段共聚聚丙烯的共聚单体为乙烯。所用的高流动性弹性体为熔体流动速率(190℃×2.16kg)10-15g/10min的乙烯-辛烯共聚物；所用的低流动性弹性体为熔体流动速率(190℃×2.16kg)0.5-5g/10min的乙烯-辛烯共聚物。
实施例1
本发明所述聚丙烯复合材料的一种实施例，本实施例所述聚丙烯复合材料通过以下方法制备所得：
称取71.5份高流动性聚丙烯、8份5000目滑石粉、15份低流动性弹性体、5份高流动性弹性体、0.25份抗氧剂1010、0.25份抗氧剂168；将上述原料投入高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料置于双螺杆挤出机的主喂料口进行熔融挤出，造粒干燥，即得所述聚丙烯复合材料。
双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区温度90℃，二区温度200℃，三区温度200℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度220℃，九区温度220℃，主机转速500r/min；双螺杆挤出机的长径比为40:1。
实施例2
本发明所述聚丙烯复合材料的一种实施例，本实施例所述聚丙烯复合材料通过以下方法制备所得：
称取71.5份高流动性聚丙烯、8份5000目滑石粉、10份低流动性弹性体，10份高流动性弹性体、0.25份抗氧剂1010、0.25份抗氧剂168；将上述原料投入高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料置于双螺杆挤出机的主喂料口进行熔融挤出，造粒干燥，即得所述聚丙烯复合材料。
双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区温度90℃，二区温度200℃，三区温度200℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度220℃，九区温度220℃，主机转速500r/min；双螺杆挤出机的长径比为40:1。
实施例3
本发明所述聚丙烯复合材料的一种实施例，本实施例所述聚丙烯复合材料通过以下方法制备所得：
称取71.5份高流动性聚丙烯、8份5000目滑石粉、5份低流动性弹性体、15份高流动性弹性体、0.25份抗氧剂1010、0.25份抗氧剂168；将上述原料投入高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料置于双螺杆挤出机的主喂料口进行熔融挤出，造粒干燥，即得所述聚丙烯复合材料。
双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区温度90℃，二区温度200℃，三区温度200℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度220℃，九区温度220℃，主机转速500r/min；双螺杆挤出机的长径比为40:1。
实施例4
本发明所述聚丙烯复合材料的一种实施例，本实施例所述聚丙烯复合材料通过以下方法制备所得：
将88份高流动性聚丙烯、4份高流动性弹性体、18份低流动性弹性体、0.5份主抗氧剂、0份辅抗氧剂在高速混合器中干混，制得混合物A；将混合物A从螺杆主喂料口加入双螺杆挤出机，将10份5000目滑石粉从螺杆中部侧向喂料口加入双螺杆挤出机，经熔融挤出、造粒、干燥，即得所述聚丙烯复合材料。
双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区温度80℃、二区温度190℃、三区温度210℃、四区温度210℃、五区温度210℃、六区温度210℃、七区温度210℃、八区温度210℃、九区温度210℃，主机转速200r/min；双螺杆挤出机的长径比为36:1。
实施例5
本发明所述聚丙烯复合材料的一种实施例，本实施例所述聚丙烯复合材料通过以下方法制备所得：
将52份高流动性聚丙烯、18份高流动性弹性体、4份低流动性弹性体、0份主抗氧剂、0.5份辅抗氧剂在高速混合器中干混，制得混合物A；将混合物A从螺杆主喂料口加入双螺杆挤出机，将3份5000目滑石粉从螺杆中部侧向喂料口加入双螺杆挤出机，经熔融挤出、造粒、干燥，即得所述聚丙烯复合材料。
双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区温度120℃、二区温度210℃、三区温度230℃、四区温度230℃、五区温度230℃、六区温度230℃、七区温度230℃、八区温度230℃、九区温度230℃，主机转速800r/min；双螺杆挤出机的长径比为56:1。
将实施例1-5得到的成品进行性能测试，并设置对比例1～3，其中对比例1为现有常规轻量化聚丙烯复合材料(产品名称为：金发科技股份有限公司API-1530LV)；对比例2中除不含有高流动性弹性体外，其他成分及含量均与实施例1中相同；对比例3中除不含有低流动性弹性体外，其他成分及含量均与实施例1中相同；性能测试方法为：拉伸性能按ISO527执行；弯曲性能按ISO178执行；缺口冲击强度按ISO180执行；密度按ISO1183执行；熔融指数按ISO1133执行；线性膨胀系数按ISO11359执行。具体的测试结果见下表1所示：
表1对比例1～3和实施例1-5所得聚丙烯复合材料的各性能测试结果
从表1中的性能数据可以看出，与对比例1相比，本申请实施例1～3中聚丙烯复合材料能在保持力学性能基本不损失的情况下，能很好的保证制件应用时的刚性韧性要求，同时因为密度更低、熔融指数更高，所以在保证力学性能不损失的情况下，更加符合轻量化要求。
此外，与对比例2、对比例3相比，本申请实施例1～3具有更优的综合性能，这也是本申请中选择将高流动性弹性体与低流动性弹性体进行复配的原因。同时，与实施例4和实施例5中的数据对比发现，实施例1～3中的综合性能优于实施例4和实施例5，这也是本申请中具体进一步限定“高流动性弹性体与低流动性弹性体重量比为：高流动性弹性体：低流动性弹性体＝1/3～3/1”的原因。
进一步的，由于壁厚与熔融指数相关；熔融指数越高，能成型制件的壁厚则越小，一般1.7-2.0mm的壁厚大小的制件，成型需要≥36g/10min的熔融指数。因此，本申请聚丙烯具有超低密度、超高流动性、高性能、低线性膨胀系数的特性，可应用于超轻量化制件领域，适用于更小壁厚(1.7-2.0mm左右)成型且更低密度(0.92-0.98g/cm3)的制件要求。
同时，由于制件最终重量＝密度*体积，体积减小的比例可以通过壁厚进行估计，密度等于材料密度，因此可以得出来减重的比例。通过计算可知，本申请聚丙烯复合材料，相比传统改性聚丙烯材料，可使其潜在制件实现减重30％-50％不等，实现制件超轻量化的目的，且力学性能基本不损失保证了制件应用时的刚性韧性要求，较低的线性膨胀系数保证了制件的高低温应用下的尺寸稳定性。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种聚丙烯复合材料，其特征在于，包含以下重量份的成分：高流动性聚丙烯52～88份、高流动性弹性体4～18份、低流动性弹性体4～18份、无机填料3～10份；其中，所述高流动性聚丙烯在230℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率大于40g/10min；所述高流动性弹性体在190℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率大于10g/10min；所述低流动性弹性体在190℃×2.16kg的测试条件下的熔体流动速率为0.5～8g/10min。
2.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述高流动性弹性体为乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、聚丁二烯橡胶、二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种；所述低流动性弹性体为乙烯-丁烯共聚物、乙烯-辛烯共聚物、聚丁二烯橡胶、二元乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种。
3.如权利要求2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述高流动性弹性体为乙烯-辛烯共聚物；所述低流动性弹性体为乙烯-辛烯共聚物。
4.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述高流动性弹性体与低流动性弹性体重量比为：高流动性弹性体：低流动性弹性体＝1/3～3/1。
5.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述无机填料为滑石粉、碳酸钙、云母、硅灰石、碳酸钙晶须、钛酸钾晶须、硫酸钙晶须、镁盐晶须中的至少一种。
6.如权利要求5所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述无机填料为5000目的滑石粉。
7.如权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，还包含以下重量份的成分：主抗氧剂0～0.5份、辅抗氧剂0～0.5份；所述主抗氧剂为受阻酚类化合物；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类化合物。
8.一种如权利要求7所述的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将各组分原料按配比在高速混合机中充分混合，得到混合物；
(2)将步骤(1)所得混合物输送到双螺杆挤出机的主喂料口进行熔融挤出、造粒、干燥，即得所述聚丙烯复合材料；
或者
将高流动性聚丙烯、高流动性弹性体、低流动性弹性体、主抗氧剂、辅抗氧剂在高速混合器中干混，制得混合物A；将混合物A从螺杆主喂料口加入双螺杆挤出机，将无机填料从螺杆中部侧向喂料口加入双螺杆挤出机，经熔融挤出、造粒、干燥，即得所述聚丙烯复合材料。
9.如权利要求8所述聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，双螺杆挤出机中熔融挤出的条件为：一区温度为80-120℃、二区温度为190-210℃、三区温度为210-230℃、四区温度为210-230℃、五区温度为210-230℃、六区温度为210-230℃、七区温度为210-230℃、八区温度为210-230℃、九区温度为210-230℃；所述主机转速为200-800转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为36:1～56:1。
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