CN110105701A - 一种挤出发泡用聚丙烯复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种挤出发泡用聚丙烯复合材料，按重量份计，包括如下组分：聚丙烯30～70份；阻尼材料15～40份；增强材料10～30份；增容剂1～10份；抗氧剂0.05～0.5份；所述聚丙烯的熔融指数为0.5～10g/10min(230℃，2.16kg)，熔体强度>30cN(毛细管牵引法，2mm口模)；所述阻尼材料为在0～50℃范围内最大阻尼因子tanδ>0.3的阻尼聚合物或其复合材料。本发明提供的聚丙烯复合材料中高熔体强度的聚丙烯与阻尼材料复配在一起后可以满足发泡需求，对阻尼减震具有协同作用，在复合材料的阻尼性能方面起到了一种增强效果，使得复合材料的阻尼性能得到了大幅度的提高。

Description

一种挤出发泡用聚丙烯复合材料
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料，尤其涉及一种挤出发泡用聚丙烯复合材料，属于高分子材料技术领域。
背景技术
阻尼材料是指在使用温度下具有较高的阻尼因子(tanδ0.1以上)，对震动和噪音具有显著降低作用的材料，比如IIR，NBR，PIB、沥青以及一些其它的聚合物。这些材料在使用温度下的损耗因子高于0.1，甚至大于1.0，可以将材料震动的动能转换为热能，减少震动，降低噪音。损耗因子是指聚合物在一定温度下和一定频率下的损耗模量与弹性模量的比值，表征聚合物在一定的震动下有动能转变为损耗热能的部分。由于聚合物阻尼因子在玻璃化转变温度附近最高，而阻尼材料一般玻璃化转变温度在室温附近(丁基橡胶除外)，导致阻尼材料一般为弹性体为主，如丁基橡胶(IIR)、软质聚氨酯(PU)、丁腈橡胶(NBR)、聚异丁烯(PIB)、苯乙烯弹性体(SIS等)室温下为弹性体，具有较低的模量和强度，难以作为结构材料单独使用，通常需要通过和金属、塑料等材料通过结构复合增加强度和阻尼作用，如或贴敷在金属表面，或通过结构复合做成三明治夹心结构。
关于阻尼材料的应用现有技术中有如下报道，中国专利申请CN201811518529公开了一种隔热隔声轻质高强复合材料板，由纤维增强复合材料、聚合物阻尼材料、轻质多孔材料组合而成，排列顺序依次是纤维增强复合材料、聚合物阻尼材料、轻质多孔材料、聚合物阻尼材料、纤维增强复合材料和轻质多孔材料，相邻的轻质多孔材料和纤维增强复合材料之间采用耐温材料进行Z向穿线连接，纤维增强复合材料厚度为2～6mm，所述聚合物阻尼材料厚度1～2mm，轻质多孔材料厚度20～30mm或35～45mm。该材料需要多层复合，加工工艺繁琐，效率低。申请号201510855227.9涉及一种汽车隔音材料的制备方法，主要涉及石墨烯为填料，EPDM为改性料的高性能EVA发泡阻尼材料及其制备方法。该材料强度较低，不能作为结构材料使用。
发泡材料本身也可以作为降噪材料使用，其原理为声波在泡孔中的多次反射被消耗，虽然发泡材料具有一定的降噪隔音效果，但是其效果并不理想，这是因为既使发泡以后，聚丙烯的阻尼因子仍然小于0.1。
另外发泡聚丙烯的强度低，这是因为发泡材料的强度与发泡倍率成反比，发泡倍率越大，强度就越低，通常发泡倍率3～8倍的聚合物，拉伸强度只有0.7～3MPa，通过改性以后可将拉伸强度提高到2～8MPa，但该强度仍远远不能满足发泡聚丙烯的使用要求。
基于上述背景，迫切需要一种能够将阻尼材料和发泡材料的优点结合在一起，同时又能克服二者缺陷的复合材料，同时具有高阻尼性能、高强度以及好的发泡性能，可通过挤出或注射过程实现轻量化材料的制备，拓展发泡材料和阻尼材料的应用领域。
发明内容
本发明针对现有阻尼材料和发泡聚丙烯存在的不足，提供一种具有高阻尼性能、高强度的挤出发泡用聚丙烯复合材料。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种挤出发泡用聚丙烯复合材料，按重量份计，包括如下组分：
所述聚丙烯的熔融指数为0.5～10g/10min(230℃，2.16kg)，熔体强度>30cN(毛细管牵引法，2mm口模)；
所述阻尼材料为在0～50℃范围内最大阻尼因子tanδ>0.3的阻尼聚合物或其复合材料。
进一步，所述阻尼聚合物为熔融指数小于15g/10min(190℃，2.16kg)的弹性体或门尼黏度大于15MU的橡胶，所述弹性体为POE、TPE、SBS、SIS、SEBS、SEPS弹性体中的一种或多种的混合物，优选可乐丽公司的SBS、SIS弹性体或其氢化产品、5127、5125、7137等牌号的产品，旭化成的L609和S1605等材料；所述橡胶优选NBR、IIR、EVA弹性体中的一种或几种的混合物。
进一步，所述复合材料包括如下组分：
阻尼聚合物 35～80份；
填料 20～60份；
偶联剂 0～5份；
所述填料为炭黑、二氧化硅、滑石粉、云母粉中的一种或多种的混合物，优选云母粉、滑石粉这样的片层材料；所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂，优选乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷等含有乙烯基的硅烷偶联剂。
进一步，所述增强材料为聚烯烃专用纤维材料，具体为采用硅烷偶联剂进行表面涂覆处理的玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、矿物纤维或云母中的一种或几种的混合物，所述硅烷偶联剂优选乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷等含有乙烯基的硅烷偶联剂。
进一步，所述增容剂为马来酸酐(MAH)或甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)接枝的聚合物，具体为马来酸酐(MAH)或甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)接枝的乙烯-辛烯共聚物(POE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或SEBS，这些聚合物分子中既有非极性的聚合物链段，也有极性官能团，可以有效增强极性填料与聚丙烯的界面强度。
进一步，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或两种的复合物；所述受阻酚类抗氧剂具体为亚磷酸三(2,4–二叔丁基苯酚酯)，所述亚磷酸酯类抗氧剂具体为四[β–(3,5–二叔丁基–4–羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
本发明的聚丙烯复合材料的制备方法如下：按重量份称取各个组分，将除增强材料外的所有组分使用高速混合机混合3～5min混合均匀后由主喂料口加入到双螺杆挤出机中，在侧喂料口中加入增强材料，设置双螺杆挤出机的转速为300～700rpm，温度为180～220℃，然后冷却、切粒得到复合材料的基料；所得复合材料的基料熔体强度达到20cN以上，可使用化学发泡剂或物理发泡剂对其进行发泡。
在实际生产过程中，当使用的阻尼材料为NBR、IIR或PIB等块状弹性体阻尼聚合物时，需要预先通过粉碎机切碎后再和聚丙烯等产品在双螺杆挤出机中混合均匀；若使用的是阻尼聚合物和填料的复合材料，则需要预先混合，制备成颗粒即可。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供的聚丙烯复合材料中高熔体强度的聚丙烯与阻尼材料复配在一起经发泡加工后发挥了协同作用，在复合材料的阻尼性能方面起到了一种增强效果，使得复合材料的阻尼性能得到了大幅度的提高，发泡后复合材料的阻尼因子达到了0.71～0.83，而原料聚丙烯的阻尼因子仅有0.09，具有非常好的隔音和减震效果；
2)本发明的复合材料满足聚合物挤出发泡的要求，并且具有高强度，基料拉伸强度为43～65MPa，发泡3～8倍以后拉伸强度达到2.5～17MPa，满足结构材料单独使用的要求，拓展了阻尼材料和聚丙烯的应用领域。
附图说明
图1为毛细管牵引法测试熔体强度的装置结构示意图；
图1中，A为毛细管流变仪；B为激光束发射器；C为激光束探测器；D为传感器；E为皮带轮；F为牵引辊；G为计算机。
具体实施方式
以下结合实例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。
实施例中使用的增强材料均经过了羟基型硅烷偶联剂的表面涂覆处理，具体处理过程如下：
将玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、矿物纤维或云母进行脱脂处理，除去润滑剂；然后浸入到含有1％乙烯基三乙氧基硅烷的水溶液中，取出晾干后使用烘箱在120～160℃之间处理7～15分钟，保证硅烷偶联剂与增强材料表面具有较好的偶联作用。
实施例1：
按照配方要求，称取聚丙烯(WB140 HMS)30份，阻尼热塑性弹性体5127 40份，增强材料玻璃纤维20份，马来酸酐接枝聚丙烯10份，以及抗氧剂1010 0.2份、润滑剂0.2份和光稳定剂等，除玻璃纤维以外的所有材料使用高速混合机混合3～5min后再由主喂料口加入到双螺杆挤出机中，在侧喂料口加入玻璃纤维，双螺杆挤出机的转速为300～700RPM，温度为180～220℃，然后通过冷却、切粒后即得所需产品的基材。
使用超临界二氧化碳/丁烷作为复合发泡剂，使用管状模头将所得基材通过双螺杆挤出机挤出发泡，制得密度为0.695的发泡片材。
实施例2：
按照配方要求，称取聚丙烯(WB140 HMS)36份，阻尼热塑性弹性体5127 30份，增强材料云母30份，马来酸酐接枝聚乙烯4份，以及抗氧剂1076 0.1份、润滑剂0.2份和光稳定剂等，除云母粉以外的所有材料使用高速混合机混合3～5min后再由主喂料口加入到双螺杆挤出机中，在侧喂料口加入云母粉，双螺杆挤出机的转速为300～700RPM，温度为180～220℃，然后通过冷却、切粒后即得所需产品的基材。
使用超临界二氧化碳作为发泡剂，使用管状模头将所得基材通过双螺杆挤出机挤出发泡，制得密度为0.189的发泡片材。
实施例3：
按照配方要求，称取聚丙烯(WB140 HMS)60份，阻尼热塑性弹性体5127 15份，增强材料碳纤维15份，马来酸酐接枝POE 1份，以及抗氧剂1330 0.4份、润滑剂0.2份和光稳定剂等，除碳纤维以外的所有材料使用高速混合机混合3～5min后再由主喂料口加入到双螺杆挤出机中，在侧喂料口加入碳纤维，双螺杆挤出机的转速为300～700RPM，温度为180～220℃，然后通过冷却、切粒后即得所需产品的基材。
使用超临界二氧化碳/丁烷作为复合发泡剂，使用管状模头将所得基材通过双螺杆挤出机挤出发泡，制得密度为0.24的发泡片材。
实施例4：
按照配方要求，称取高熔体强度聚丙烯(WB140 HMS)70份，增强阻尼热塑性弹性体(SBS5127：云母＝6:4)25份，增强材料植物纤维10份，甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝EPDM 4份，以及抗氧剂1010 0.5份、润滑剂0.2份和光稳定剂等，除植物纤维以外的所有材料使用高速混合机混合3～5min后再由主喂料口加入到双螺杆挤出机中，在侧喂料口加入植物纤维，双螺杆挤出机的转速为300～700RPM，温度为180～220℃，然后通过冷却、切粒后即得所需产品的基材。
使用丁烷作为复合发泡剂，使用管状模头将所得基材通过双螺杆挤出机挤出发泡，制备密度为0.127的发泡片材。
实施例5：
按照配方要求，称取聚丙烯(WB140 HMS)34份，阻尼材料丁基橡胶30份，增强材料矿物纤维30份，甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝SEBS 6份，以及抗氧剂1076 0.05份、润滑剂0.2份和光稳定剂等，除矿物纤维以外的所有材料使用高速混合机混合3～5min后再由主喂料口加入到双螺杆挤出机中，在侧喂料口加入矿物纤维，双螺杆挤出机的转速为300～700RPM，温度为180～220℃，然后通过冷却、切粒后即得所需产品的基材。
使用超临界二氧化碳/丁烷作为复合发泡剂，使用管状模头将所得基材通过双螺杆挤出机挤出发泡，制备密度为0.321的发泡片材。
对比例1：
称取聚丙烯(WB140 HMS)100份，以及抗氧剂1010 0.2份、润滑剂0.2份和光稳定剂等，所有材料使用高速混合机混合3～5min后再由主喂料口加入双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的转速为300～700RPM，温度为180～220℃，然后通过冷却、切粒后即得所需产品的基材。
使用超临界二氧化碳/丁烷作为复合发泡剂，使用管状模头将所得基材通过双螺杆挤出机挤出发泡，制得密度为0.114的发泡片材。
对比例2：
称取聚丙烯(WB140 HMS)70份，阻尼材料5127 30份以及抗氧剂1076 0.2份、润滑剂0.2份和光稳定剂等，所有材料使用高速混合机混合3～5min后再由主喂料口加入到双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机的转速为300～700RPM，温度为180～220℃，然后通过冷却、切粒后即得所需产品的基材。
使用超临界二氧化碳/丁烷作为复合发泡剂，使用管状模头将所得基材通过双螺杆挤出机挤出发泡，制得密度为0.225的发泡片材。
实施例1～5和对比例1、2的原料配方如表1所示。
表1各个实施例的原料配方
实施例1～5以及对比例1、2所得的复合材料的基材的各项性能测试结果如表2所示，基材经挤出发泡后制得发泡片材的性能测试结果如表3所示。
表2各个实施例所得复合材料基材的各项性能测试结果
表3各个实施例所得发泡材料的各项性能测试结果
测试项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1 对比例2
拉伸强度/MPa 17.4 4.7 7.2 2.5 6.3 0.9 1.4
弯曲模量/MPa 1079 481 725 228 445 168 161
密度/g·cm<sup>-3</sup> 0.695 0.189 0.239 0.127 0.321 0.114 0.225
阻尼因子-DMA法 0.83 0.76 0.71 0.78 0.72 0.09 0.52
熔体强度的测试方法如下：
如图1所示，使用毛细管流变仪，将聚合物材料在毛细管流变仪熔融恒温后，通过A口模挤出，通过牵引辊F在不同速率下拉伸，传感器D测试力值变化，最大拉伸速率下或者熔体断裂的力即为熔体强度。
由表2、表3中的结果可以看出，本发明的复合材料基材具有43～65MPa的拉伸强度，阻尼因子为0.43～0.54，同时具有了高强度和高阻尼性能，经发泡后的发泡材料拉伸强度为2.5～17.4MPa，阻尼因子提高至0.71～0.83，而对比例1的原料聚丙烯的拉伸强度为0.9MPa，阻尼因子0.09，与原料聚丙烯相比，本发明所得的复合材料拉伸强度提高2.8倍以上，阻尼因子提高7倍以上，取得了良好的技术效果。
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)

1.一种挤出发泡用聚丙烯复合材料，其特征在于，按重量份计，包括如下组分：
所述聚丙烯的熔融指数为0.5～10g/10min(230℃，2.16kg)，熔体强度>30cN(毛细管牵引法，2mm口模)；
所述阻尼材料为在0～50℃范围内最大阻尼因子tanδ>0.3的阻尼聚合物或其复合材料。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述阻尼聚合物为熔融指数小于15g/10min(190℃，2.16kg)的弹性体或门尼黏度大于15MU的橡胶。
3.根据权利要求2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述弹性体为POE、TPE、SBS、SEBS、SIS、SEBS、SEPS弹性体中的一种或几种的混合物，所述橡胶为NBR、IIR、EVA弹性体中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述复合材料包括如下组分：
阻尼聚合物 35～80份；
填料 20～60份；
偶联剂 0～5份。
5.根据权利要求4所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述填料为炭黑、二氧化硅、滑石粉、云母粉中的一种或多种的混合物。
6.根据权利要求4所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂。
7.根据权利要求1～3、5、6中任一项所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述增强材料为采用硅烷偶联剂进行表面涂覆处理的玻璃纤维、碳纤维、植物纤维、矿物纤维或者云母粉中的一种或几种的混合物。
8.根据权利要求1～3、5、6中任一项所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述增容剂为马来酸酐MAH或甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝的聚合物。
9.根据权利要求8所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述增容剂为马来酸酐MAH或甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝的乙烯-辛烯共聚物POE、三元乙丙橡胶EPDM、聚乙烯PE、聚丙烯PP或SEBS。
10.根据权利要求1～3、5、6中任一项所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或两种的复合物。
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