CN110483935B - 一种聚丙烯大分子增刚成核剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种聚丙烯大分子增刚成核剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高分子材料领域,公开了一种聚丙烯大分子增刚成核剂,包括磷酸盐和聚丙烯接枝乙烯基联苯衍生物,其制备方法为按质量份将100份聚丙烯,0.5‑30份联苯衍生物,0.01‑0.2份磷酸盐,0.05‑0.5份引发剂;将各原料混合后于共混设备中160‑220℃熔融混合后制得聚丙烯大分子增刚成核剂。本发明的聚丙烯大分子增刚成核剂,与聚丙烯相容性和分散性上具有更突出的优势;共混的磷酸盐和结构中乙烯基联苯衍生物的侧支链作为聚丙烯结晶的成核位点,增加结晶成核密度,加快结晶速率,减小球晶尺寸,提高聚丙烯结晶温度,相比于单苯环、丙烯酸酯类大分子成核剂而言,本发明的增刚成核剂能更加显著的提高聚丙烯的力学性能。

Description

一种聚丙烯大分子增刚成核剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域,具体涉及一种聚丙烯大分子增刚成核剂及其制备方法与应用。
背景技术
聚丙烯(PP)由于具有熔点高、韧性好、防腐蚀、静态载荷能力强等优点被广泛应用,但存在链段柔性高、熔体强度差等缺点,限制了其在吹塑成型、挤出涂布和发泡等方面的应用。聚丙烯是结晶型聚合物,其结晶行为、结晶形态和球晶尺寸都直接影响制品的最终性能。
聚丙烯有α、β、γ、δ和拟六方态5种晶型,以α晶型最为常见,在通常的加工条件下,熔体自然冷却的均相结构主要为α晶型。α晶型的聚丙烯具有增刚、提高热变形温度、抗蠕变、降低浊度、提高制品表面光泽度等优异性能。
增刚成核剂能够诱导聚丙烯树脂以α晶型成核,提高制品的结晶温度、结晶度和结晶速度,并使晶粒尺寸细化。目前聚丙烯的增刚成核剂主要有三类:无机成核剂、小分子有机物成核剂和大分子成核剂。无机成核剂包括滑石粉、碳酸钙、炭黑、云母和二氧化硅等,这类成核剂能够提高制品弯曲弹性模量和热变形温度,具有价格低廉、原料易得的特点,但用量较大,分散困难,与PP的相容性差,影响制品透明性使PP应用受到限制。
小分子有机物成核剂主要指芳香族酸金属皂类成核剂,包括羧酸及其金属盐、磷酸金属盐、二苄山梨醇及其衍生物和二芳基膦金属盐等。这类成核剂的添加量少,效果显著,属于目前应用较多的成核剂,但价格高,加工工艺不环保,存在难分散等缺点。
大分子成核剂一般在聚丙烯聚合前加入成核单元,与聚丙烯结构相近且熔点较高,与聚丙烯的相容性好,能够均匀分散在聚丙烯树脂中。熔融冷却时,这类成核剂最先结晶,利用相似相容的原理,能够克服前两类成核剂分散性和相容性差的不足,但这类成核剂对聚合工艺条件要求高,制备过程相对复杂,目前研究比较有限,尚未实现产业化。
CN101798418A公开了一种聚丙烯的成核剂及其制备方法,采用丙烯酸酯、乙烯基硅氧烷、马来酸酐等多官能团单体对聚丙烯改性,制备成长链支化聚丙烯作为成核剂,该成核剂在聚丙烯中分散性好,成核效率高,结晶改性效果好,但对聚丙烯的增刚性能则未予以讨论。
CN107056988A中公开了一种含苯环链段的聚丙烯大分子成核剂及其制备方法与用途,该方法中成核剂由聚丙烯为主链和含苯环链段为侧链所构成,在引发剂的存在下,通过聚丙烯与含单苯环官能团单体和/或共单体熔融反应制得。该大分子成核剂能够有效减小聚丙烯结晶晶粒的尺寸,提高结晶温度,与聚丙烯相容性好,且能诱导聚丙烯产生β晶型。但该方法对聚丙烯的力学性能提升效果甚微。
发明内容
本发明的目的在于克服现有成核剂与聚丙烯相容性、分散性差的不足,提供一种聚丙烯大分子增刚成核剂及其制备方法与应用,该成核剂与聚丙烯的相容性极佳,能够明显加快α晶型形成,提高聚丙烯制品的力学性能。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是一种聚丙烯大分子增刚成核剂,包括磷酸盐和聚丙烯接枝乙烯基联苯衍生物。
所述的聚丙烯接枝乙烯联苯衍生物中乙烯基联苯衍生物的接枝率为1-10%。
上述乙烯基联苯衍生物具有式I~III任一种或几种结构:
Figure BDA0002207785920000031
其中,R1~R4独自为氢、C1~C6的烷基、醛基、吡啶基或取代芳香基;R5~R8独自为吡啶基或取代芳香基;
所述取代芳香基包括苯基、醛基苯基、羟甲基苯基、羧基苯基、甲氧基苯基和磺酸钠苯基中任一种。
优选地,所述的乙烯基联苯衍生物包括4-乙烯基联苯、4,4′-双(2-甲氧基苯乙烯基)联苯、4,4′-双(2-磺酸钠苯乙烯基)联苯、4,4'-二(2,2-二苯乙烯基)-1,1'-联苯、四(3-吡啶联苯基)乙烯、四-(4-醛基-(1,1-联苯))乙烯中任一种或多种。
所述的磷酸盐为磷酸钠、磷酸铝、有机磷酸盐、芳基杂环磷酸酯或其混合物。磷酸盐作为原料混合在成核剂中,由于磷酸盐的熔点远高于生成的聚丙烯接枝乙烯基联苯衍生物,因此能起到异相成核的作用,促进聚丙烯接枝乙烯基联苯衍生物与聚丙烯的结晶。
本发明提供的聚丙烯大分子增刚成核剂的制备方法为:原料组成按质量份包括:聚丙烯100份,乙烯基联苯衍生物0.5-30份,磷酸盐0.01-0.2份,引发剂0.05-0.5份;将乙烯基联苯衍生物、磷酸盐和引发剂先混合均匀,然后与聚丙烯一同在共混设备160-220℃下熔融接枝聚合,冷却后制得所述聚丙烯大分子增刚成核剂。
所述的引发剂为过氧化物类引发剂或偶氮类引发剂。
进一步优选地,所述的过氧化物类引发剂包括过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰或叔丁基过氧化己烷;所述的偶氮类引发剂为偶氮异丁氰基甲酰胺、偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈或偶氮二异庚腈。
所述的聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或其混合物,所述的聚丙烯熔融指数小于10g/10min。
进一步优选地,上述制备方法中乙烯基联苯衍生物、磷酸盐和引发剂先溶于溶剂中混合均匀后烘干;所述的溶剂为能够溶解乙烯基联苯衍生物、磷酸盐和引发剂的有机溶剂,包括丙酮、乙醇或苯乙烯。在溶剂中溶解混合比直接混合更均匀,接枝聚合效果更好。
本发明提供的聚丙烯大分子增刚成核剂可应用于增刚聚丙烯制品中,每100份聚丙烯中添加0.03-0.5份聚丙烯大分子增刚成核剂,用以改善聚丙烯的结晶性能或力学性能。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)相较于现有无机成核剂,由于主链结构与聚丙烯相同,因此与聚丙烯相容性和分散性上具有更突出的优势,且添加量少,改性后聚丙烯的韧性不会受到影响。
(2)本发明公开的成核剂中乙烯基联苯衍生物的侧支链作为聚丙烯结晶的成核位点,增加结晶成核密度,加快结晶速率,减小球晶尺寸,提高结晶温度,其作用与现有小分子有机化合物成核剂的水平相当,但又比小分子有机化合物成核剂与聚丙烯的相容性、分散性更好。
(3)相比于单芳环、马来酸酐、丙烯酸酯类大分子成核剂而言,含有联苯衍生物支链的大分子增刚成核剂能更加显著的提高聚丙烯的力学性能。
附图说明
图1为实施例1中得到的聚丙烯接枝4-乙烯基联苯和聚丙烯的红外谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换,而未脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围内。
本实施例中所使用的原料均为市场所购,其中聚丙烯为扬子石化的F401,TM-5、四(3-吡啶联苯基)乙烯、4,4′-双(2-磺酸钠苯乙烯基)联苯均由市场购得,过氧化二异丙苯、磷酸铝等其他原料由百灵威购得。
制备得到的聚丙烯采用如下测试方法进行性能测试:
拉伸测试:按照GB 1040-2006标准测试,拉伸速度50mm/min。
弯曲测试:按GB 9341-2008标准测试,速度为2mm/min。
差示扫描量热仪(DSC)测试:样品首先从室温以30℃/min的升温速率加热至190℃,然后在190℃下保温3min,消除热历史;再从190℃以10℃/min的降温速率冷却至30℃,测试其结晶行为;最后再从30℃以10℃/min的升温速率加热至190℃,测试其熔融行为。
实施例1
将0.2份过氧化二异丙苯、20份4-乙烯基联苯、0.1份磷酸钠混合均匀,与100份聚丙烯一同在密炼机上190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到聚丙烯大分子增刚成核剂,记为A1。
将0.1份A1与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得增刚聚丙烯,记为B1。
红外测试方法:将A1先经过丙酮的抽提,将未反应的4-乙烯基联苯和共混的磷酸钠抽提去除,烘干后进行红外测试,得到图1中所示的聚丙烯接枝4-乙烯基联苯的红外谱图。
接枝率计算方法:通过不同比例的聚丙烯和4-乙烯基联苯共混后去除未反应的4-乙烯基联苯和磷酸钠,进行红外测试制作标准曲线。再将本实施例所得聚丙烯接枝4-乙烯基联苯的红外谱图比对,根据特征峰计算4-乙烯基联苯的接枝率。
实施例2
将0.2份过氧化二异丙苯、10份4-乙烯基联苯、0.1份磷酸钠混合均匀,与100份聚丙烯一同在密炼机上190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到聚丙烯大分子增刚成核剂,记为A2。
将0.03份A2与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得增刚聚丙烯,记为B2。
实施例3
将0.1份A2与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得改性聚丙烯,记为B3。
实施例4
将0.2份A2与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得增刚聚丙烯,记为B4。
实施例5
将0.5份A2与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得增刚聚丙烯,记为B5。
实施例6
将0.2份过氧化二异丙苯、1份四(3-吡啶联苯基)乙烯、0.05份磷酸钠混合均匀,与100份聚丙烯一同在密炼机上190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到聚丙烯大分子增刚成核剂,记为A3。
将0.2份A3与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得增刚聚丙烯,记为B6。
实施例7
将0.2份过氧化二异丙苯、10份4,4′-双(2-磺酸钠苯乙烯基)联苯、0.2份磷酸铝混合均匀,与100份聚丙烯一同在密炼机上190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到聚丙烯大分子增刚成核剂,记为A4。
将0.2份A4与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得增刚聚丙烯,记为B7。
对比例1
将2份过氧化二异丙苯、10份苯乙烯混合均匀,与100份聚丙烯一同在密炼机上190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到单苯环聚丙烯大分子增刚成核剂,记为A5。
将0.5份A5与100份聚丙烯混合均匀后,加入挤出机190℃熔融挤出造粒,制得改性聚丙烯,记为C1。
对比例2
将0.03份小分子有机化合物成核剂TM-5与100份聚丙烯一同在密炼机上190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到改性聚丙烯,记为C2。
对比例3
将0.5份小分子有机化合物成核剂TM-5与100份聚丙烯一同在密炼机上190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到改性聚丙烯,记为C3。
对比例4
将聚丙烯在密炼机中190℃熔融混合10min,密炼机转数为80r/min,冷却后得到纯样聚丙烯。
如图1所示,聚丙烯接枝4-乙烯基联苯在700cm-1左右出现联苯的特征峰,经计算得出4-乙烯基联苯的接枝量为5.1%。
实施例与对比例制备的聚丙烯性能测试结果如表1和表2所示。测试结果来看,本发明的聚丙烯大分子增刚成核剂能将聚丙烯的结晶峰值温度提高14-18℃,并显著提高聚丙烯材料的刚性和韧性。就成核剂添加量均为0.5%的实施例5和对比例1、对比例3相较,添加本发明的增刚成核剂的聚丙烯比添加单苯环接枝聚丙烯成核剂或市售小分子有机成核剂效果更好,结晶温度更低,力学性能更好。
表1实施例和对比例的聚丙烯结晶和熔融数据
Figure BDA0002207785920000081
Figure BDA0002207785920000091
表2实施例和对比例的聚丙烯力学性能表
性能 拉伸强度(MPa) 弯曲强度(MPa) 弯曲模量(MPa)
B1 35.3 43.0 1462
B2 35.2 42.0 1389
B3 35.6 42.4 1423
B4 36.3 43.0 1492
B5 38.0 46.0 1638
B6 36.5 43.8 1505
B7 37.5 44.5 1550
C1 36.6 43.4 1517
C2 34.2 39.5 1320
C3 37.0 44.0 1554
纯样 34.0 39.2 1314

Claims (9)

1.一种聚丙烯大分子增刚成核剂,其特征在于,包括磷酸盐和聚丙烯接枝乙烯基联苯衍生物。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯大分子增刚成核剂,其特征在于,所述的聚丙烯接枝乙烯联苯衍生物中乙烯基联苯衍生物的接枝率为1-10%。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯大分子增刚成核剂,其特征在于,所述的乙烯基联苯衍生物具有式I~III任一种或几种结构:
Figure FDA0003197080870000011
其中,R1~R4独自为氢、C1~C6的烷基、醛基、吡啶基、苯基或取代芳香基;R5~R8独自为吡啶基或取代芳香基;
所述取代芳香基包括醛基苯基、羟甲基苯基、羧基苯基、甲氧基苯基和磺酸钠苯基中任一种。
4.根据权利要求3所述的聚丙烯大分子增刚成核剂,其特征在于,所述的乙烯基联苯衍生物包括4-乙烯基联苯、4,4′-双(2-甲氧基苯乙烯基)联苯、4,4′-双(2-磺酸钠苯乙烯基)联苯、4,4'-二(2,2-二苯乙烯基)-1,1'-联苯、四(3-吡啶联苯基)乙烯、四-(4-醛基-(1,1-联苯))乙烯中任一种或多种。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯大分子增刚成核剂,其特征在于,所述的磷酸盐为磷酸钠、磷酸铝、有机磷酸盐或其混合物。
6.权利要求1-5任一项所述的聚丙烯大分子增刚成核剂的制备方法,其特征在于,原料组成按质量份包括:聚丙烯100份,乙烯基联苯衍生物0.5-30份,磷酸盐0.01-0.2份,引发剂0.05-0.5份;将乙烯基联苯衍生物、磷酸盐和引发剂混合均匀后,与聚丙烯一同在共混设备中160-220℃下熔融接枝聚合,制得所述的聚丙烯大分子增刚成核剂。
7.根据权利要求6所述的聚丙烯大分子增刚成核剂的制备方法,其特征在于,所述的引发剂为过氧化物类引发剂或偶氮类引发剂。
8.根据权利要求7所述的聚丙烯大分子增刚成核剂的制备方法,其特征在于,所述的过氧化物类引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰或叔丁基过氧化己烷;所述的偶氮类引发剂为偶氮异丁氰基甲酰胺、偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈或偶氮二异庚腈。
9.一种增刚聚丙烯制品,其特征在于,在增刚聚丙烯制品加工过程中,每100份聚丙烯中添加0.03-0.5份权利要求1~5任一项所述的聚丙烯大分子增刚成核剂。
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Denomination of invention: A Rigid Nucleating Agent for Polypropylene Macromolecule and Its Preparation and Application

Effective date of registration: 20221111

Granted publication date: 20211029

Pledgee: Hangzhou United Rural Commercial Bank Limited by Share Ltd. Wushan sub branch

Pledgor: Hangzhou Jufeng New Material Co.,Ltd.

Registration number: Y2022330003032