CN109535548A - 一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，按照重量份计，原料包括聚丙烯树脂：100重量份，增强剂：5‑15重量份，增韧剂：10重量份，偶联剂：5重量份，抗氧剂：1‑2重量份，紫外线吸收剂：1‑2重量份，流动分散改性剂：5重量份，填充剂：5‑15重量份，抗静电剂：3重量份。提供一种强度好、刚性高、韧性强、抗静电、重量轻、成本低、环保性好、耐腐蚀性强、生产制造简便的用于汽车保险杠的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，充分利用玄武岩纤维的优势来满足汽车轻量化发展的需求。

Description

一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料改性技术领域，尤其是一种玄武岩纤维增强聚丙 烯复合材料及其制备方法。
背景技术
我国汽车工业的发展，面临能源环保问题的巨大压力。为了在降低能耗 排放的同时满足人们日益增长的汽车消费需求，发展我国汽车工业产业，汽 车轻量化迫在眉睫。
当前世界石油储量日益减少，随着汽车保有量的逐年提升，汽车已成为 石油的消耗主体。我国作为世界第二大能源消费国，石油对外依赖程度不断 提高，石油供应压力不断增大，车用燃油已占到我国全年石油消费量的1/3。 汽车作为耗油大户，其节能程度已影响到我国整体能源消费水平。面对石油 供应和全球变暖、雾霾肆虐的环保压力，我国已制定严格的乘用车燃料消耗 量标准法规，对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出了严格的要求。
汽车轻量化是在保证强度和安全性的前提下，尽可能降低汽车整备质 量，以提高汽车的动力性，实现节能减排。汽车轻量化的实现需要材料技术、 轻量化结构优化设计技术、轻量化绿色制造技术3个方面的进步，是材料、 设计、加工成形技术等多方面的集成，其中材料的创新是基础和核心。汽车 实现节能减排，汽车材料的轻量化首当其冲。纤维增强聚合物复合材料配件 作为减轻车身质量的最有效手段，将在节能减排政策的助推下被更多的车型 采用来替代金属件，从而推进纤维增强聚合物复合材料汽配零部件及其相关 技术的发展。
玄武岩纤维(Basalt Fibre简称BF)是以天然的玄武岩矿石为原料， 将其破碎后加入熔窑中，在1450～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板 制成的纤维，是继碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维之后的第四大 高技术纤维。BF与其它高技术纤维相比，具有隔热、防潮、防水、防火、耐 酸碱、保温、吸声、良好的抗拉强度、耐腐蚀、长期使用不退变不劣化等很 多独特的优异性能，是碳纤维等高技术纤维的低价替代品。并且，其具有原 料价格低廉、无须其他材料(玻璃纤维需要较高的配料比例)、低廉的生产 费用、应用制品的加工费低等优势。尤为主要的是，由于它取自天然矿石， 而无任何添加剂，是目前为止唯一的无环境污染的不致癌的绿色玻璃质纤维 产品。正由于BF及其复合材料具有其它材料不可替代的作用，我国中长期 发展规划将先进复合材料列为重要发展方向，并已明确将连续BF一并列为 要重点发展的四大高新技术纤维之一。而BF是四大高新技术纤维中综合性 能最好和综合性价比最优的品种。
玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料(PP/BF)与碳纤维增强聚丙烯复合材 料(PP/CF)相比，它的成本远低于PP/CF而性能却降低不多；PP/BF与玻璃 纤维增强聚丙烯复合材料(PP/GF)相比，它的成本与PP/GF相当而综合性 价比却明显优于PP/GF。故汽车上只要可以使用PP/CF和PP/GF的地方都可 以用PP/BF替代使用，并且可以获得更优的综合性价比。根据纤维不同的长 度所得到的PP/BF材料主要用于汽车的内外饰件、车身件、结构件及至连续 BF成型的整车骨架等方面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种强度好、刚性高、韧性强、抗静 电、重量轻、成本低、环保性好、耐腐蚀性强、生产制造简便的用于汽车保 险杠的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，充分利用玄武岩纤维的优势来满足 汽车轻量化发展的需求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种玄武岩纤维增强聚丙烯 复合材料，按照重量份计，原料包括聚丙烯树脂：100重量份，增强剂：5-15 重量份，增韧剂：10重量份，偶联剂：5重量份，抗氧剂：1-2重量份，紫 外线吸收剂：1-2重量份，流动分散改性剂：5重量份，填充剂：5-15重量 份，抗静电剂：3重量份。
本发明的有益效果是本发明原料中通过外加增强剂的引入并良好融合， 提升了单纯聚丙烯材料的强度性能，通过增韧剂的引入提升了材料的韧性， 偶联剂促进了增强剂与基体树脂间的界面结合强度，抗氧剂与紫外线吸收剂 的加入增强了材料的耐候性，而流动分散改性剂保证了本配方中各组份的分 散与相互融合，并改善了材料的加工流动性，填充剂的加入不仅降低了成本， 而且增加了制品的刚性，抗静电剂的加入降低了制件的带电能力，使制件不 易吸尘沾灰而保持美观和卫生的表面，该复合材料的刚强度与抗静电效果好，成型最终制件方便易行且成本低，可回收利用且吸音降噪，环保性高， 耐腐蚀性更好，寿命更长，所得最终零件轻，装拆方便，从而满足了高强度 高刚性、低成本、轻量化、清洁环保耐久且易安装的汽车保险杠的生产需要， 本发明所得的玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的密度低，通过注塑成型即可 一次性高效率地得到最终的汽车保险杠制件，该制件的成本低而强度又能满 足汽车保险杠的要求，且该制件的生产制造与装拆操作均简便易行，另一方 面，该制件与其它材料接触或碰撞时噪音小，不易沾灰吸尘，也可回收利用， 环保性比金属材料更好，刚强度与韧性等比其它非金属材料的更好，寿命更 长。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，所述增强剂为短切玄武岩纤维，所述增韧剂为Durastrength 210，所述偶联剂为XHY-501铝酸酯偶联剂。
采用上述进一步方案的有益效果是增强剂玄武岩纤维的引入并良好融 合，提升了单纯聚丙烯材料的强度性能；通过增韧剂Durastrength 210的 引入提升了材料的韧性；偶联剂XHY-501铝酸酯促进了增强剂与基体树脂间 的界面结合强度。
进一步，所述抗氧剂为抗氧剂1790，所述紫外线吸收剂为UV326，所述 流动分散改性剂为高分子蜡WE-3。
采用上述进一步方案的有益效果是抗氧剂1790与紫外线吸收剂的加入 增强了材料的耐候性；流动分散改性剂保证了本配方中各组份的分散与相互 融合，并改善了材料的加工流动性。
进一步，所述填充剂为滑石粉，所述抗静电剂为(3-月桂酰胺丙基)三 甲基铵硫酸甲酯盐。
采用上述进一步方案的有益效果是填充剂滑石粉的加入不仅降低了成 本，而且增加了制品的刚性；抗静电剂(3-月桂酰胺丙基)三甲基铵硫酸甲 酯盐的加入降低了制件的带电能力，使制件不易吸尘沾灰而保持美观和卫生 的表面。
进一步，一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步 骤，
步骤1：称料，按聚丙烯树脂：100重量份，增强剂：5-15重量份，增 韧剂：10重量份，偶联剂：5重量份，抗氧剂：1-2重量份，紫外线吸收剂： 1-2重量份，流动分散改性剂：5重量份，填充剂：5-15重量份，抗静电剂： 3重量份的比例称取原料；
步骤2：搅拌，将所述步骤1所述原料放入搅拌机中搅拌至初混合均匀， 得到初混原料；
步骤3：混炼造粒，将所述步骤2中得到的所述初混原料放入造粒机中， 通过输送、熔融、混炼、排气和均化后挤出造粒，得到条料；
步骤4：冷却、吹干、切粒和包装，将所述步骤3所述条料通过水冷槽 而冷却，用吹干机吹干，切粒和包装，得到所述玄武岩纤维增强聚丙烯复合 材料。
采用上述进一步方案的有益效果是合适的复合材料制备方法有利于复 合材料各组分充分发挥其作用，保证复合材料生产的质量。
进一步，所述步骤2所述搅拌时间为10-30min，搅拌速度为200-350 转/分钟。
采用上述进一步方案的有益效果是在此搅拌时间和搅拌速度的条件下， 使原料混合均匀，且不浪费能源。
进一步，所述步骤2所述搅拌过程加热至60-100℃。
采用上述进一步方案的有益效果是加热能加速分子运动，使原料混合更 均匀。
进一步，所述步骤3所述造料机为双螺杆造粒机，所述步骤3所述双螺 杆造粒机机头温度为190℃，所述步骤3所述双螺杆造粒机的螺杆转速设置 为300-500转/分钟。
采用上述进一步方案的有益效果是双螺杆造粒机具有很好的造粒功能， 合适的机头温度有利于各种成分的融合，合适的螺杆转速加速搅拌的同时不 浪费资源。
进一步，所述步骤3所述双螺杆造粒机型号为SHJ-50，所述SHJ-50造 粒机的挤出机包括一区、二区、三区、四区、五区、六区、七区、八区，所 述一区、所述二区、所述三区、所述四区、所述五区、所述六区、所述七区、 所述八区的温度分别设置为160℃、190℃、210℃、220℃、240℃、220℃、 210℃、200℃。
采用上述进一步方案的有益效果是合适的双螺旋造粒机一区、二区、三 区、四区、五区、六区、七区、八区温度使造粒机具有很好的造粒效果。
进一步，所述步骤4所述冷水槽温度为20-40℃。
采用上述进一步方案的有益效果是能够冷却条料，冷硬定型，同时节省 能源。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发 明，并非用于限定本发明的范围。
短切玄武岩纤维(Copped Basalt Fiber)是由相应的连续玄武岩纤维 短切长度小于50mm而成的能均匀分散在水泥混凝土或砂浆中的无机矿物纤 维。
实施例1
步骤1：称料，称取聚丙烯树脂：100公斤，增强剂短切玄武岩纤维：5 公斤，增韧剂Durastrength 210：10公斤，偶联剂XHY-501铝酸酯偶联剂： 5公斤，抗氧剂1790：1公斤，紫外线吸收剂UV326：1公斤，流动分散改性 剂高分子蜡WE-3：5公斤，填充剂滑石粉：5公斤，抗静电剂(3-月桂酰胺 丙基)三甲基铵硫酸甲酯盐：3公斤作为原料；
步骤2：搅拌，将所述步骤1所述原料放入高速搅拌机中搅拌10分钟， 搅拌速度为350转/分钟，至初混合均匀，得到初混原料,在此过程中加热至 60℃搅拌；
步骤3：混炼造粒，将所述步骤2所述初混原料加入SHJ-50型双螺杆造 粒机中，通过输送、熔融、混炼、排气和均化后挤出造粒，得到条料；双螺 杆造粒机的螺杆转速为300转/分钟，双螺杆挤出造粒机组的挤出机一区、 二区、三区、四区、五区、六区、七区、八区的温度分别设置为160、190、 210、220、240、220、210、200℃，所述双螺杆造粒机机头温度为190摄氏 度，所述喂料电机的螺杆转速为100转/分钟；
步骤4：冷却、吹干、切粒和包装，将所述步骤3所述条料牵引通过水 冷槽而冷硬定型，随后条料牵引通过吹干机将水分吹干，进入切粒机切成粒 料后包装成袋备用，得到玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，所述水冷槽温度 为20℃。
该复合材料的拉伸强度达到48MPa，弯曲强度达到60MPa，悬臂梁无缺 口冲击强度达到20KJ/m2，而密度仅在1g/cm3以内。
实施例2
步骤1：称料，称取聚丙烯树脂：100公斤，增强剂短切玄武岩纤维： 10公斤，增韧剂Durastrength 210：10公斤，偶联剂XHY-501铝酸酯偶联 剂：5公斤，抗氧剂1790：1.5公斤，紫外线吸收剂UV326：1.5公斤，流动 分散改性剂高分子蜡WE-3：5公斤，填充剂滑石粉：10公斤，抗静电剂(3- 月桂酰胺丙基)三甲基铵硫酸甲酯盐：3公斤作为原料；
步骤2：搅拌，将所述步骤1所述原料放入高速搅拌机中搅拌20分钟， 搅拌速度为300转/分钟，至初混合均匀，得到初混原料；
步骤3：混炼造粒，将所述步骤2所述初混原料加入SHJ-50型双螺杆造 粒机中，通过输送、熔融、混炼、排气和均化后挤出造粒，得到条料；双螺 杆造粒机的螺杆转速为400转/分钟，双螺杆挤出造粒机组的挤出机一区、 二区、三区、四区、五区、六区、七区、八区的温度分别设置为160、190、 210、220、240、220、210、200℃，所述双螺杆造粒机机头温度为190摄氏 度，所述喂料电机的螺杆转速为100转/分钟；
步骤4：冷却、吹干、切粒和包装，将所述步骤3所述条料牵引通过水 冷槽而冷硬定型，随后条料牵引通过吹干机将水分吹干，进入切粒机切成粒 料后包装成袋备用，得到玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，所述水冷槽温度 为30℃。
该复合材料的拉伸强度达到52MPa，弯曲强度达到65MPa，悬臂梁无缺 口冲击强度达到22KJ/m2，而密度仅在1g/cm3以内。
实施例3
步骤1：称料，称取聚丙烯树脂：100公斤，增强剂短切玄武岩纤维： 15公斤，增韧剂Durastrength 210：10公斤，偶联剂XHY-501铝酸酯偶联 剂：5公斤，抗氧剂1790：2公斤，紫外线吸收剂UV326：2公斤，流动分散 改性剂高分子蜡WE-3：5公斤，填充剂滑石粉：15公斤，抗静电剂(3-月桂 酰胺丙基)三甲基铵硫酸甲酯盐：3公斤作为原料；
步骤2：搅拌，将所述步骤1所述原料放入高速搅拌机中搅拌30分钟， 搅拌速度为200转/分钟，至初混合均匀，得到初混原料，在此过程中加热 至100℃搅拌；
步骤3：混炼造粒，将所述步骤2所述初混原料加入SHJ-50型双螺杆造 粒机中，通过输送、熔融、混炼、排气和均化后挤出造粒，得到条料；双螺 杆造粒机的螺杆转速为500转/分钟，双螺杆挤出造粒机组的挤出机一区、 二区、三区、四区、五区、六区、七区、八区的温度分别设置为160、190、 210、220、240、220、210、200℃，所述双螺杆造粒机机头温度为190摄氏 度，所述喂料电机的螺杆转速为100转/分钟；
步骤4：冷却、吹干、切粒和包装，将所述步骤3所述条料牵引通过水 冷槽而冷硬定型，随后条料牵引通过吹干机将水分吹干，进入切粒机切成粒 料后包装成袋备用，得到玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，所述水冷槽温度 为40℃。
该复合材料的拉伸强度达到55MPa，弯曲强度达到70MPa，悬臂梁无缺 口冲击强度达到25KJ/m2，而密度仅在1g/cm3左右。
本发明相对碳纤维复合材料，具有成本低、性能好及环保等优势。因为 碳纤维价格很高，故碳纤维复合材料的成本远高于本发明的复合材料成本， 难于应用于如汽车内外饰件等常规领域。
本发明相对金属复合材料，密度低，环保，性能好及寿命长等优势。金 属的密度为7.8g/cm3，远高于本发明的复合材料的密度，且本发明的复合材 料耐一般的酸碱腐蚀，寿命比单纯的金属材料更长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，按照重量份计，原料包括聚丙烯树脂：100重量份，增强剂：5-15重量份，增韧剂：10重量份，偶联剂：5重量份，抗氧剂：1-2重量份，紫外线吸收剂：1-2重量份，流动分散改性剂：5重量份，填充剂：5-15重量份，抗静电剂：3重量份。
2.如权利要求1所述一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述增强剂为短切玄武岩纤维，所述增韧剂为Durastrength 210，所述偶联剂为XHY-501铝酸酯偶联剂。
3.如权利要求2所述一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1790，所述紫外线吸收剂为UV326，所述流动分散改性剂为高分子蜡WE-3。
4.如权利要求3所述一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料，其特征在于，所述填充剂为滑石粉，所述抗静电剂为(3-月桂酰胺丙基)三甲基铵硫酸甲酯盐。
5.一种如权利要求1-4任一所述玄武岩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，
步骤1：称料，按聚丙烯树脂：100重量份，增强剂：5-15重量份，增韧剂：10重量份，偶联剂：5重量份，抗氧剂：1-2重量份，紫外线吸收剂：1-2重量份，流动分散改性剂：5重量份，填充剂：5-15重量份，抗静电剂：3重量份的比例称取原料；
步骤2：搅拌，将所述步骤1所述原料放入搅拌机中搅拌至初混合均匀，得到初混原料；
步骤3：混炼造粒，将所述步骤2中得到的所述初混原料放入造粒机中，通过输送、熔融、混炼、排气和均化后挤出造粒，得到条料；
步骤4：冷却、吹干、切粒和包装，将所述步骤3所述条料通过水冷槽而冷却，用吹干机吹干，切粒和包装，得到所述玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料。
6.根据权利要求5所述玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2所述搅拌时间为10-30min，搅拌速度为200-350转/分钟。
7.根据权利要求5所述玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2所述搅拌过程加热至60-100℃。
8.根据权利要求5所述玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3所述造料机为双螺杆造粒机，所述步骤3所述双螺杆造粒机机头温度为190℃，所述步骤3所述双螺杆造粒机的螺杆转速设置为300-500转/分钟。
9.根据权利要求5所述玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3所述双螺杆造粒机型号为SHJ-50，所述SHJ-50造粒机的挤出机包括一区、二区、三区、四区、五区、六区、七区、八区，所述一区、所述二区、所述三区、所述四区、所述五区、所述六区、所述七区、所述八区的温度分别设置为160℃、190℃、210℃、220℃、240℃、220℃、210℃、200℃。
10.根据权利要求5所述玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4所述冷水槽温度为20-40℃。
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