CN109851909A - 一种高韧性聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高韧性聚丙烯复合材料及制备方法，属于高分子技术领域。本发明的聚丙烯复合材料制品包括如下质量百分比的原料组分：20～35％聚醚酯、0.3～2.5％纳米Al粉、0.5～1.0％抗氧剂、0.8～1.3％润滑剂，余量为聚丙烯；本发明的制备方法包括以下步骤：将聚丙烯复合材料制品的原料组分混合后进行熔融纺丝，形成聚丙烯纤维，然后将聚丙烯纤维加入到模具中加热加压成型，即制得聚丙烯材料制品。本发明制得的聚丙烯复合材料具有较高的力学性能，尤其是韧性。

Description

一种高韧性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，具体涉及一种高韧性聚丙烯复合材料及制备方法。

背景技术

聚丙烯，是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。按甲基排列位置分为等规聚丙烯(isotactic polypropylene)、无规聚丙烯(atactic polypropylene)和间规聚丙烯(syndiotactic polypropylene)三种。聚丙烯是一种廉价且应用十分广泛的塑料，可根据成品性能进行相应的加工。具有密度低、抗拉强度搞、耐化学性能好，以及可回收再利用的优点，在使用上具有较多优势。但是聚丙烯的韧性尤其是低温韧性较差限制了其进一步应用和发展。现有技术中常采用各种弹性体来增韧聚丙烯，如乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、苯乙烯系热塑性弹性体等。这些弹性体虽然能够明显改善聚丙烯的冲击性能，但在透明性、耐候性、热稳定性和加工性能等方面仍存在不少缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种力学性能优良的高韧性聚丙烯复合材料。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种高韧性聚丙烯复合材料制品，所述聚丙烯复合材料制品包括如下质量百分比的原料组分：20～35％聚醚酯、0.3～2.5％纳米Al粉、0.5～1.0％抗氧剂、0.8～1.3％润滑剂，余量为聚丙烯。

作为优选，所述纳米Al粉的粒径为10～60nm。

本发明在聚丙烯复合材料中添加了少量的纳米Al粉，其均匀分散在聚丙烯复合材料基体中时，能够改善聚丙烯复合材料的微观晶型，提高聚丙烯纤维的接触角，从而有利于聚丙烯纤维力学性能尤其是韧性的提高。聚醚酯的加入能够作为纳米Al粉与聚丙烯之间的桥梁，有效提高二者之间的相容性，减少复合材料成型后内部微裂纹发生的可能性，从而提高复合材料的强度和韧性。纳米Al粉的粒径不能过高，否则会导致聚丙烯纤维接触角的降低，且会导致与基体的相容性变差，从而降低复合材料的力学性能。

作为优选，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为抗氧剂1076、抗氧剂DNP中的一种或两种，所述辅抗氧剂为抗氧剂168。

作为优选，所述润滑剂为硬脂酸钙、季戊四醇硬脂酸脂中的一种或两种。

本发明的另一目的在于提供一种高韧性聚丙烯复合材料制品的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

将聚丙烯复合材料的原料组分混合后进行熔融纺丝，形成聚丙烯纤维，将聚丙烯纤维加入到模具中加热加压成型，即制得聚丙烯复合材料制品。

本发明先将聚丙烯复合材料的原料组分制成聚丙烯纤维，再进行加热加压成型，复合材料基体在纺丝过程中形成特定的微观结构和晶型，能够有效提高聚丙烯复合材料制品的韧性，特别是断裂韧性，有利于制品抵抗裂纹的扩展。尤其是纳米Al粉的添加，能够改善聚丙烯复合材料的微观晶型，提高聚丙烯纤维的接触角，从而有利于聚丙烯纤维力学性能尤其是韧性的提高。另外还可减少原料组分在浇注成型过程中的成分偏析，从而提高制品的力学性能。

作为优选，所述熔融纺丝的方法包括将聚丙烯复合材料的原料组分充分混合后，在160～180℃熔融后通过喷丝板挤出到75～82℃的凝固浴中，形成聚丙烯纤维初品。

作为优选，所述熔融纺丝的方法还包括将聚丙烯纤维初品从凝固浴中取出后先以3～6℃/min的速度升温至120～130℃，然后再以3～5℃/min的速度降至室温，即得聚丙烯纤维。

本发明通过缓慢升温和降温的步骤及控制的降温速度，起到改善聚丙烯纤维微观结构，释放在因进入凝固浴时温度骤减在聚丙烯纤维初品内部所形成的过多应力，同时使得纳米Al粉能够充分与复合材料基体作用，从而进一步改善聚丙烯纤维的晶型及微观结构。

作为优选，所述聚丙烯纤维的直径分布为2～6μm，长径比分布为300～1000。

本发明将聚丙烯纤维的直径和长径比分布控制在上述范围内，能够最大限度保证最终制品的力学性能。聚丙烯纤维过细，一方面不易成型，成本高，另一方面对最终制品力学性能的提高也无裨益，而直径分布范围过大，则会导致制品力学性能的下降。长径比范围过高会使得聚丙烯纤维易于弯曲缠绕，不易形成规则的排列顺序。

作为优选，所述加热加压成型的温度为133～146℃，压力为10～20MPa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过对聚丙烯复合材料制品原料组分的合理配伍，并通过特定的制备方法，有效提高了制品的力学性能，尤其是韧性和强度。其中，纳米Al粉的添加与制备方法结合，改善了复合材料的微观结构，提高了聚丙烯纤维的接触角，从而提高了中间产物聚丙烯纤维和最终制品的力学性能；在方法上采用先制成聚丙烯纤维再加热压制的方法制成聚丙烯复合材料制品，利用微米级别聚丙烯纤维的性能和叠加效应，有效提高聚丙烯复合材料制品的韧性；并通过优化制备工艺参数，进一步提高了聚丙烯复合材料制品的性能。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1～3为本发明中聚丙烯复合材料制品的原料组分实施例

实施例1

本实施例中高韧性聚丙烯复合材料制品的原料组分按质量百分比计为：20％聚醚酯、0.3％纳米Al粉、0.2％抗氧剂1076、0.2％抗氧剂DNP、0.1％抗氧剂168、0.3％硬脂酸钙、0.5％季戊四醇硬脂酸脂，余量为聚丙烯，纳米Al粉的粒径为10～30nm。

实施例2

本实施例中高韧性聚丙烯复合材料制品的原料组分按质量百分比计为：35％聚醚酯、2.1％纳米Al粉、0.2％抗氧剂1076、0.3％抗氧剂DNP、0.2％抗氧剂168、0.4％润滑剂硬脂酸钙、0.6％季戊四醇硬脂酸脂，余量为聚丙烯，纳米Al粉的粒径为30～50nm。

实施例3

本实施例中高韧性聚丙烯复合材料制品的原料组分按质量百分比计为：28％聚醚酯、2.5％纳米Al粉、0.3％抗氧剂1076、0.5％抗氧剂DNP、0.2％抗氧剂168、0.6％润滑剂硬脂酸钙、0.7％季戊四醇硬脂酸脂，余量为聚丙烯，纳米Al粉的粒径为40～60nm。

实施例4～6为本发明中聚丙烯复合材料制品的制备方法实施例

实施例4

本实施例中的聚丙烯复合材料制品的制备方法包括以下步骤：

(1)按照实施例2中的技术方案准备聚丙烯复合材料制品的原料组分，将原料组分充分混合后，加热到160℃熔融后通过喷丝板挤出到75℃的凝固浴中，形成聚丙烯纤维初品；

(2)将聚丙烯纤维初品从凝固浴中取出，分散置于通风干燥装置中，控制温度先以3℃/min的速度升温至120℃，然后再以3℃/min的速度降至室温，制得直径分布为2～6μm、长径比分布为300～1000的聚丙烯纤维；

(3)将聚丙烯纤维加入到成型模具中，在133℃温度和20MPa压力下加热加压成型，即制得聚丙烯复合材料制品。

实施例5

本实施例中的聚丙烯复合材料制品的制备方法包括以下步骤：

(1)按照实施例2中的技术方案准备聚丙烯复合材料制品的原料组分，将原料组分充分混合后，加热到176℃熔融后通过喷丝板挤出到80℃的凝固浴中，形成聚丙烯纤维初品；

(2)将聚丙烯纤维初品从凝固浴中取出，分散置于通风干燥装置中，控制温度先以5℃/min的速度升温至128℃，然后再以4℃/min的速度降至室温，制得直径分布为2～6μm、长径比分布为300～1000的聚丙烯纤维；

(3)将聚丙烯纤维加入到成型模具中，在140℃温度和20MPa压力下加热加压成型，即制得聚丙烯复合材料制品。

实施例6

本实施例中的聚丙烯复合材料制品的制备方法包括以下步骤：

(1)按照实施例2中的技术方案准备聚丙烯复合材料制品的原料组分，将原料组分充分混合后，加热到180℃熔融后通过喷丝板挤出到82℃的凝固浴中，形成聚丙烯纤维初品；

(2)将聚丙烯纤维初品从凝固浴中取出，分散置于通风干燥装置中，控制温度先以6℃/min的速度升温至130℃，然后再以5℃/min的速度降至室温，制得直径分布为2～6μm、长径比分布为300～1000的聚丙烯纤维；

(3)将聚丙烯纤维加入到成型模具中，在146℃温度和10MPa压力下加热加压成型，即制得聚丙烯复合材料制品。

实施例7～8

分别按照实施例1和3中的技术方案准备聚丙烯复合材料制品的原料组分，按照实施例5的制备方法制成聚丙烯复合材料制品。

对比例1

聚丙烯复合材料制品的原料组分中不包括纳米Al粉，其他与实施例5相同。

韧性差，其他也差点

对比例2

聚丙烯复合材料制品的原料组分中不包括聚醚酯，其他与实施例5相同。

对比例3

纳米Al粉的粒径为70-100nm(大于10～60nm)，其他与实施例5相同。

对比例4

聚丙烯复合材料制品的原料加热到173℃熔融后直接浇入到成型模具中，带温度降至78℃时，控制温度先以5℃/min的速度升温至128℃，然后再以4℃/min的速度降至室温，制成聚丙烯复合材料制品，其他与实施例5相同。

对比例5

聚丙烯纤维初品从凝固浴中取出后直接以4℃/min的速度降至室温制得聚丙烯纤维，其他与实施例5相同。

将实施例4～8，对比例1～5中的聚丙烯复合材料制品依据力学性能要求进行各项性能测试。其中，拉伸强度在V＝50mm/min的条件下按照ISO527的方法进行测试，缺口冲击强度在23℃的条件下按照ISO179-1(简支梁缺口冲击强度)的方法进行测试，弯曲强度和弯曲模量在V＝2mm/min、S＝64mm的条件下按照ISO178的方法进行测试。为方便起见，所有实施例和对比例中的聚丙烯复合材料制品均制成ISO测试样条形状，每个实施例和对比例取两个样品进行测试，结果取平均值。具体测试结果如下表1所示。

表1：实施例4～8，对比例1～5中的聚丙烯复合材料制品的力学性能测试结果

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种高韧性聚丙烯复合材料制品，其特征在于，所述聚丙烯复合材料制品包括如下质量百分比的原料组分：20～35％聚醚酯、0.3～2.5％纳米Al粉、0.5～1.0％抗氧剂、0.8～1.3％润滑剂，余量为聚丙烯。

2.根据权利要求1所述的一种高韧性聚丙烯复合材料制品，其特征在于，所述纳米Al粉的粒径为10～60nm。

3.根据权利要求1所述的一种高韧性聚丙烯复合材料制品，其特征在于，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅抗氧剂，所述主抗氧剂为抗氧剂1076、抗氧剂DNP中的一种或两种，所述辅抗氧剂为抗氧剂168。

4.根据权利要求1所述的一种高韧性聚丙烯复合材料制品，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸钙、季戊四醇硬脂酸脂中的一种或两种。

5.一种如权利要求1～4任一权利要求所述高韧性聚丙烯复合材料制品的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

将聚丙烯复合材料的原料组分混合后进行熔融纺丝，形成聚丙烯纤维，将聚丙烯纤维加入到模具中加热加压成型，即制得聚丙烯复合材料制品。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔融纺丝的方法包括将聚丙烯复合材料的原料组分充分混合后，在160～180℃熔融后通过喷丝板挤出到75～82℃的凝固浴中，形成聚丙烯纤维初品。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述熔融纺丝的方法还包括将聚丙烯纤维初品从凝固浴中取出后先以3～6℃/min的速度升温至120～130℃，然后再以3～5℃/min的速度降至室温，即得聚丙烯纤维。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯纤维的直径分布为2～6μm，长径比分布为300～1000。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述加热加压成型的温度为133～146℃，压力为10～20MPa。