CN110041644A - 一种多尺度复合填充热可逆交联pvc材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高分子复合材料改性技术领域，具体的讲是一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，包括聚氯乙烯树脂、天然竹纤维、纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯、小粒径滑石粉、大粒径滑石粉、钙锌复合稳定剂、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂，首先将天然竹纤维进行表面处理；再将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和部分PVC进行密炼处理；将剩余聚氯乙烯、表面处理好的天然竹纤维、小及剩余材料放入高速混合机中混合，然后进入双螺杆挤出发泡，经过模具冷却定型后，得到多尺度复合填充热可逆交联PVC发泡材料，本发明通过热可逆交联反应，改善PVC发泡材料的力学强度、热稳定性，保持PVC发泡材料可回收的特性，更加绿色环保。

Description

一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料及制备方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料改性技术领域，具体的讲是一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料及制备方法。
背景技术
聚氯乙烯（PVC）树脂是一种极性非结晶性高聚物，其产品具有良好的物理性能和化学性能，可广泛应用于工业、建筑、农业和日常生活用品等领域。PVC 发泡板是国外70年代开发出的一种新型塑料板材，具有防水、阻燃、耐酸碱、防蛀、轻质、保温、隔音、可回收充分利用等系列特性，是木材、铝材、复合板材的理想替代品，广泛应用于建筑、车船制造、家具、地板、室外花箱栏杆、围栏、凉亭等场所，是以塑代木环境可持续发展和循环经济的大趋势。
尽管PVC发泡板具有如此多的优点和广泛的应用空间，然而在市场推广的过程中还是存在很多问题，例如产品在强度、韧性、热稳定等方面不尽如人意，产品比重大、成本偏高等。为了进一步改善PVC发泡材料的性能，中国发明专利CN106167590A 采用天然乳胶、丁腈橡胶、聚己内酯等高分子材料共混提高PVC材料韧性，并进一步通过偶联剂和纳米碳纤维改善PVC发泡材料的强度和热稳定性，但是天然乳胶、丁腈橡胶、聚己内酯等高分子材料以及纳米碳纤维等成本均比PVC高，因此成本较高。中国发明专利CN109181148A采用短玻纤和纳米改性蒙脱土、二氧化钛等纳米复合改性剂来改性PVC，提高PVC发泡材料的强度和韧性，但是玻纤在加工以及使用过程中容易造成人员皮肤瘙痒，也不符合绿色可持续经济的要求。中国发明专利CN201510741657.8介绍了一种制备硬质夹芯交联PVC发泡材料的方法，该方法通过过氧化物交联使PVC产生交联，从而改善PVC发泡材料的热稳定性和强度。但是交联后PVC材料失去可回收性能，降低了PVC发泡材料可回收利用的绿色环保材料特性。
因此，亟需一种强度高、刚性好、成本低、可持续的PVC复合发泡材料，以进一步满足人们对PVC材料的性能要求，进而提高PVC材料的综合性能，拓宽材料的应用领域。
发明内容
本发明突破了现有技术的难题，设计了一种强度高、刚性好、成本低、可持续的PVC复合发泡材料。
为了达到上述目的，本发明设计了一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，包括PVC、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂，其特征在于：按如下重量份组分进行制备：70~90份聚氯乙烯树脂、5~20份天然竹纤维、0.5~3份纤维素纳米晶、0.5~3份氧化物纳米晶、0.5~3份改性氧化石墨烯、3~10份小粒径滑石粉、5~15份大粒径滑石粉、1~5份钙锌复合稳定剂、0.3~5份发泡剂、0.1~0.3份促进剂、1~5份热可逆交联剂。
所述聚氯乙烯树脂的聚合度为500~2000。
所述天然竹纤维的长度为5~30mm。
所述氧化物纳米晶的粒径为20~80纳米，所述氧化物纳米晶为氧化铝纳米晶、氧化钛纳米晶、氧化锆纳米晶中的任一一种或几种。
所述改性氧化石墨烯为带有氨基官能团的倍半硅氧烷修饰的氧化石墨烯。
所述小粒径滑石粉的中值粒径为3~5微米；所述大粒径滑石粉的中值粒径为35~50微米。
所述钙锌稳定剂为固体复合钙-锌皂稳定剂，包括硬脂酸锌、硬脂酸钙、月桂酸锌、月硅酸钙中的任意几种。
所述发泡剂为有机AC发泡剂和无机碳酸氢钠发泡剂的混合物，其中有机AC发泡剂和无机碳酸氢钠的重量比为6：1~8：1。
所述促进剂为氧化锌、硬脂酸锌和二元醇中的任一一种或几种。
所述热可逆交联剂为长链二元叔胺，脂肪链长为5~15个碳原子链长度。
本发明还设计一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料的制备方法，其特征在于：按如下步骤进行制备：
步骤1：将天然竹纤维进行表面处理；
步骤2：将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和部分PVC进行密炼处理；
步骤3：将剩余聚氯乙烯、表面处理好的天然竹纤维、小粒径滑石粉、大粒径滑石粉、钙锌复合稳定剂、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂放入高速混合机中混合30分钟，然后进入双螺杆挤出130-180℃进行混合挤出发泡，经过模具冷却定型后，得到多尺度复合填充热可逆交联PVC发泡材料。
所述步骤1中的天然竹纤维的表面处理过程如下：将天然竹纤维通过氢氧化钠碱溶液进行表面处理，所述氢氧化钠碱溶液浓度5%，处理时间30分钟，处理温度80℃，然后过滤，在120℃下干燥2小时，得到表面处理好的天然竹纤维。
所述步骤2中的密炼处理利用如下方法进行制备：将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和质量份数为1/50~1/10的PVC在140℃下密炼20分钟，使纤维素纳米晶表面羟基、改性石墨烯表面氨基和PVC中的活性氯反应，反应完成后造粒，得到增强PVC功能母粒。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明利用PVC原料里固有的不稳定活性氯和纤维素纳米晶表面固有的羟基以及氨基倍半硅氧烷表面的氨基进行反应，可以大大提高纤维素纳米晶、氧化石墨烯和PVC之间的作用力，另外，利用母粒方式加入纤维素纳米晶、氧化物纳米晶和改性氧化石墨烯，可以有效改善这些纳米材料在PVC基体中的分散问题，充分发挥这些纳米材料的力学增强作用。
2、通过纤维素纳米晶和天然竹纤维都是天然植物纤维的共同属性，可以大大改善天然竹纤维和PVC基体之间的相容性，从而可以提高天然竹纤维的加入量，并提高PVC发泡材料的强度和韧性。
3、本发明通过不同填料粒径之间的合理级配，可以降低填充后PVC融体的熔融指数，从而为天然竹纤维的大量加入提供了操作窗口，使PVC挤出发泡过程更加容易控制，材料表面更加光滑、缺陷少。
4、本发明通过热可逆交联反应取代传统交联，不但可以改善PVC发泡材料的力学强度、热稳定性，还可以保持PVC发泡材料可回收的特性，更加绿色环保。
具体实施方式
实施例1：
称取聚合度为2000的聚氯乙烯70份、长度为5~15毫米的天然竹纤维5份、纤维素纳米晶0.5份、氧化物纳米晶1份、改性氧化石墨烯3份、中值粒径3微米的小粒径滑石粉3份、中值粒径35微米的大粒径滑石粉8份、钙锌复合稳定剂1份、发泡剂0.3份、促进剂氧化锌0.1份、热可逆交联剂己二叔胺5份。
其中氧化物纳米晶由氧化铝纳米晶和氧化钛纳米晶组成，两者之间的重量比为1:1。
其中钙锌复合稳定剂由硬脂酸锌和硬脂酸钙组成，两者之间的重量比为1:1。
其中发泡剂由有机AC发泡剂和无机碳酸氢钠组成，两者之间的重量比为6:1。
首先将天然竹纤维通过氢氧化钠碱溶液进行表面处理，溶液浓度5%，处理时间30分钟，处理温度80℃，然后过滤，在120℃下干燥2小时，得到表面处理好的天然竹纤维。
然后将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和五十分之一PVC在140℃下密炼20分钟，使纤维素纳米晶表面羟基、改性石墨烯表面氨基和PVC中的活性氯反应，反应完成后造粒，得到增强PVC功能母粒。
最后将将剩余PVC、表面处理好的天然竹纤维、小粒径滑石粉、大粒径滑石粉、钙锌复合稳定剂、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂放入高速混合机中混合30分钟，然后进入双螺杆挤出130℃进行混合挤出发泡，经过模具冷却定型后，得到多尺度复合填充热可逆交联PVC发泡材料。
实施例2：
称取聚合度500左右的PVC 90份、长度15-30毫米的天然竹纤维20份、纤维素纳米晶3份、氧化物纳米晶0.5份、改性氧化石墨烯1.5份、中值粒径5微米的小粒径滑石粉5份、中值粒径50微米的大粒径滑石粉15份、钙锌复合稳定剂5份、发泡剂5份、促进剂0.3份、热可逆交联剂庚二叔胺1份。
其中氧化物纳米晶由氧化铝纳米晶和氧化锆纳米晶组成，两者之间的重量比为1:1。
其中钙锌复合稳定剂由月桂酸锌和硬脂酸钙组成，两者之间的重量比为2:1。
其中发泡剂由有机AC发泡剂和无机碳酸氢钠组成，两者之间的重量比为8:1。
其中促进剂由氧化锌和乙二醇组成，两者之间的重量比为1:2。
首先将天然竹纤维通过氢氧化钠碱溶液进行表面处理，溶液浓度20%，处理时间30分钟，处理温度50℃，然后过滤，在120℃下干燥2小时，得到表面处理好的天然竹纤维。
然后将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和十分之一PVC在180℃下密炼20分钟，使纤维素纳米晶表面羟基、改性石墨烯表面氨基和PVC中的活性氯反应，反应完成后造粒，得到增强PVC功能母粒。
最后将剩余PVC、表面处理好的天然竹纤维、小粒径滑石粉、大粒径滑石粉、钙锌复合稳定剂、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂放入高速混合机中混合30分钟，然后进入双螺杆挤出180℃进行混合挤出发泡，经过模具冷却定型后，得到多尺度复合填充热可逆交联PVC发泡材料。
实施例3：
称取聚合度1500左右的PVC 80份、长度10-20毫米的天然竹纤维15份、纤维素纳米晶2份、氧化物纳米晶0.5、改性氧化石墨烯2份、中值粒径5微米的小粒径滑石粉8份、中值粒径50微米的大粒径滑石粉10份、钙锌复合稳定剂3份、发泡剂4份、促进剂0.2份、热可逆交联剂癸二叔胺3份。
其中氧化物纳米晶由氧化钛纳米晶和氧化锆纳米晶组成，两者之间的重量比为1:1。
其中钙锌复合稳定剂由硬脂酸锌、月桂酸锌和月桂酸钙组成，三者之间的重量比为1:1:1。
其中发泡剂由有机AC发泡剂和无机碳酸氢钠组成，两者之间的重量比为7:1。
其中促进剂由氧化锌、硬脂酸锌和乙二醇组成，三者之间的重量比为2:1:3。
首先将天然竹纤维通过氢氧化钠碱溶液进行表面处理，溶液浓度15%，处理时间10分钟，处理温度70℃，然后过滤，在120℃下干燥2小时，得到表面处理好的天然竹纤维。
然后将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和三十分之一PVC在160℃下密炼25分钟，使纤维素纳米晶表面羟基、改性氧化石墨烯氨基和PVC中的活性氯反应，反应完成后造粒，得到增强PVC功能母粒。
最后将剩余PVC、表面处理好的天然竹纤维、小粒径滑石粉、大粒径滑石粉、钙锌复合稳定剂、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂放入高速混合机中混合30分钟，然后进入双螺杆挤出180℃进行混合挤出发泡，经过模具冷却定型后，得到多尺度复合填充热可逆交联PVC发泡材料。
将现有市面上的PVC发泡材料与本发明中实施例制备出的3种多尺度复合填充热 可逆交联PVC发泡材料相比，结果如下表：
密度（g/cm<sup>3</sup>） 弯曲强度（MPa） 冲击强度（kJ/m<sup>2</sup>） 表面硬度（邵氏D） 维卡耐热（℃） 回收情况
现有 0.6~0.9 15~20 5-10 >50 55-65 可回收
实施例1 0.85 22 6.4 55 90 可回收
实施例2 0.68 18 9.5 62 87 可回收
实施例3 0.74 16 8.7 67 85 可回收
由上表数据对比，可以看出，本发明制备得到的多尺度复合填充热可逆交联PVC发泡材料可以在高耐热的情况下保持较高刚性与强度，同时表面更加光滑、缺陷少。

Claims (10)

1.一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，包括PVC、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂，其特征在于：按如下重量份组分进行制备：70~90份聚氯乙烯树脂、5~20份天然竹纤维、0.5~3份纤维素纳米晶、0.5~3份氧化物纳米晶、0.5~3份改性氧化石墨烯、3~10份小粒径滑石粉、5~15份大粒径滑石粉、1~5份钙锌复合稳定剂、0.3~5份发泡剂、0.1~0.3份促进剂、1~5份热可逆交联剂。
2.根据权利要求1所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，其特征在于：所述聚氯乙烯树脂的聚合度为500~2000。
3.根据权利要求1所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，其特征在于：所述天然竹纤维的长度为5~30mm。
4.根据权利要求1所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，其特征在于：所述氧化物纳米晶的粒径为20~80纳米，所述氧化物纳米晶为氧化铝纳米晶、氧化钛纳米晶、氧化锆纳米晶中的任一一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，其特征在于：所述改性氧化石墨烯为带有氨基官能团的倍半硅氧烷修饰的氧化石墨烯。
6.根据权利要求1所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，其特征在于：所述小粒径滑石粉的中值粒径为3~5微米；所述大粒径滑石粉的中值粒径为35~50微米。
7.根据权利要求1所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料，其特征在于：所述钙锌稳定剂为固体复合钙-锌皂稳定剂，包括硬脂酸锌、硬脂酸钙、月桂酸锌、月硅酸钙中的任意几种；
所述发泡剂为有机AC发泡剂和无机碳酸氢钠发泡剂的混合物，其中有机AC发泡剂和无机碳酸氢钠的重量比为6：1~8：1；
所述促进剂为氧化锌、硬脂酸锌和二元醇中的任一一种或几种；
所述热可逆交联剂为长链二元叔胺，脂肪链长为5~15个碳原子链长度。
8.如权利要求1所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料的制备方法，其特征在于：按如下步骤进行制备：
步骤1：将天然竹纤维进行表面处理；
步骤2：将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和部分PVC进行密炼处理；
步骤3：将剩余聚氯乙烯、表面处理好的天然竹纤维、小粒径滑石粉、大粒径滑石粉、钙锌复合稳定剂、发泡剂、促进剂、热可逆交联剂放入高速混合机中混合30分钟，然后进入双螺杆挤出130-180℃进行混合挤出发泡，经过模具冷却定型后，得到多尺度复合填充热可逆交联PVC发泡材料。
9.根据权利要求8所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的天然竹纤维的表面处理过程如下：将天然竹纤维通过氢氧化钠碱溶液进行表面处理，所述氢氧化钠碱溶液浓度5%，处理时间30分钟，处理温度80℃，然后过滤，在120℃下干燥2小时，得到表面处理好的天然竹纤维。
10.根据权利要求8所述的一种多尺度复合填充热可逆交联PVC材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的密炼处理的过程为：将纤维素纳米晶、氧化物纳米晶、改性氧化石墨烯和质量份数为1/50~1/10的PVC在140℃下密炼20分钟，使纤维素纳米晶表面羟基、改性石墨烯表面氨基和PVC中的活性氯反应，反应完成后造粒，得到增强PVC功能母粒。
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