CN110540702B - 耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法,其包括聚丙烯、玻璃纤维、相容剂、环氧化合物、酚醛树脂、聚醚胺、抗氧剂和润滑剂,其同时采用具有多官能团、低分子量且高反应活性的环氧化合物,具有活性羟基的酚醛树脂,以及具有活性氨基的聚醚胺,调整三者活性官能团的摩尔比例,使三者在特定加工条件下可以发生微交联反应,形成三元立体网络结构,使制备所得复合材料具有优异的力学性能,尤其是耐疲劳性能较传统玻纤增强聚丙烯有显著提高,适用于对材料耐疲劳性和材料强度具有较高要求的汽车工业、家电电器领域;且制备方法采用双螺杆挤出造粒设备配合特定加工工艺条件,实现快速微交联。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法,尤其涉及一种耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法,所得聚丙烯复合材料适用于对材料耐疲劳性能、强度具有较高要求的汽车工业、家电领域,属于改性塑料加工制备技术领域。
背景技术
由于聚丙烯(PP)树脂具有密度小、化学稳定性优异、易加工成型等优点,因此在汽车工业、家用电器、电子电器等领域具有广泛的应用,而汽车零配件、家电支架、结构件等通常对于材料强度、耐热、耐疲劳等性能具有较高的要求,普通聚丙烯材料无法满足其应用需求,当前用于改善聚丙烯强度、耐热、抗疲劳性能的主要方法为使用玻纤增强聚丙烯。
传统的玻纤增强聚丙烯材料,虽然已在各领域得到了广泛的应用,但是在大多数功能件产品中仍不能满足要求,尤其是对于一些长期受力状态的制件,其对于材料的耐疲劳性能要求较高,目前现有的常规玻纤增强聚丙烯材料无法达到工程塑料的效果。
发明内容
针对现有玻纤增强聚丙烯复合材料的增强效果有限、耐疲劳性能差的技术瓶颈,本发明提供了一种耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法,其通过所添加的环氧化合物及酚醛树脂和聚醚胺在特定加工条件下能够形成三元微交联结构,使制备所得复合材料具有优异的力学性能,尤其是耐疲劳性能较传统玻纤增强聚丙烯有显著提高,适用于对材料耐疲劳性和材料强度具有较高要求的汽车工业、家电电器领域。
本发明的技术方案是:
本发明公开了一种耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,该复合材料包括下述按重量份计的各组分:
所述聚丙烯为均聚聚丙烯、嵌段共聚聚丙烯和无规共聚聚丙烯中的至少一种,且该聚丙烯的熔融指数为230℃/2.16kg测试条件下10-60g/10min。
所述玻璃纤维为短切玻璃纤维,本申请中所使用的短切玻璃纤维为市售产品,其在生产时已使用表面处理剂如偶联剂等进行表面涂覆处理,无需进行后续处理。该短切玻璃纤维的长度为3-10mm,优选3-5mm,且该短切玻璃纤维的直径为7-17μm,优选为10-13μm。
所述相容剂为马来酸酐接枝率为0.5-2.0%的马来酸酐接枝聚丙烯。
所述环氧化合物中含有至少三个环氧基团,该环氧化合物的环氧当量为85-110g/eq且重均分子量为200-600。
所述酚醛树脂为线性苯酚甲醛树脂、线性双酚A甲醛树脂和线性邻甲酚甲醛树脂中的至少一种,且该酚醛树脂的羟基当量为103-135g/eq。
所述聚醚胺为端氨基聚氧化丙烯醚或端氨基聚氧化乙烯醚中的一种或两种混合物,且该聚醚胺的活性氢当量为50-250g/eq,重均分子量为200-1000。
更进一步的,上述酚醛树脂的羟基基团和聚醚胺的活性氢摩尔数之和与环氧化合物的环氧基团的摩尔数比值为0.45-1.25,优选为0.6-0.85。
所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种,如3,5–二叔丁基–4–羟基苯丙酰–己二胺(抗氧剂1098)、亚磷酸三(2,4–二叔丁基苯酚酯)(抗氧剂168)、四[β–(3,5–二叔丁基–4–羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)中的一种或两种的混合物。
所述润滑剂为本技术领域常用的润滑剂,如硅酮类、酰胺类、聚乙烯类、硬脂酸类、酯类等,可根据需要进行选择。
本申请还公开了一种上述玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法,该制备方法主要包括下述步骤:
S1:称取聚丙烯25-85重量份、玻璃纤维5-40重量份、相容剂2-10重量份、环氧化合物1-10重量份、酚醛树脂0.5-5重量份、聚醚胺0.5-5重量份、抗氧剂0.1-0.5重量份和润滑剂0.1-0.5重量份;
S2:将聚丙烯、相容剂、环氧化合物、酚醛树脂、聚醚胺、抗氧剂和润滑剂置于高速混合机中以300-500rpm的转速混合10-30min,得到预混物;
S3:将S2中所得预混物置于双螺杆挤出机的主喂料口,将玻璃纤维置于双螺杆挤出机的侧喂料口,经熔融混合并挤出造粒得到耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料;其中所述双螺杆挤出机的螺杆转速为450-650rpm,优选500-600rpm,且该双螺杆挤出机的熔融温度为250-280℃,优选260-275℃。
本发明的有益技术效果是:(1)本申请组分中同时采用具有多官能团、低分子量且高反应活性的环氧化合物,具有活性羟基的酚醛树脂,以及含有活性氨基的聚醚胺,调整三者活性官能团的摩尔比例,使三者在特定加工条件下可以发生微交联反应,形成三元立体网络结构,从而显著提高玻纤增强聚丙烯复合材料的强度和耐疲劳性能;(2)本申请实现效果的关键在于环氧基团开环,开环后的环氧基与酚羟基可以发生缩合反应,而聚醚胺的存在可以大大提高环氧集团的开环效率,从而提高交联速度,另外环氧、羟基、氨基三元活性体系,较传统二元体系具有更高的交联点密度,交联网络缠结程度更高,在疲劳测试过程中分子链更不容易发生滑移,疲劳强度大幅度提高(3)本申请的制备方法可用双螺杆挤出造粒设备配合特定加工工艺条件,实现快速微交联,且无需增加其他工序,操作简便,便于推广应用。
具体实施方式
为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,下面结合具体实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述,以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
下述具体实施例和对比例所采用的各组分原材料如下所述,但不限于下述原材料,符合本申请限定范围的原材料均可用于本申请技术方案。
聚丙烯:牌号Z30S,厂家为中石化镇海炼化分公司。
玻璃纤维:牌号ECS13-04-508A,厂家为巨石集团。
相容剂:牌号BONDYRAM 1001CN,厂家为普立朗公司。
环氧化合物:牌号TGIC,环氧当量约为100g/eq,厂家为上海方瑞达公司。
酚醛树脂:牌号PF-8011,羟基当量约为105g/eq,厂家为圣泉集团。
聚醚胺:牌号D-400,活性氢当量约为105g/eq,厂家为亨斯曼公司。
抗氧剂:牌号抗氧剂1010,厂家为利安隆新材料股份有限公司。
润滑剂:牌号BS-3818,厂家为华明泰化工有限公司。
采用上述原材料制备本申请所述复合材料和对比用复合材料,其制备方法如下:
S1:按表1中配比称取各组分;
S2:将聚丙烯、相容剂、环氧化合物、酚醛树脂、聚醚胺、抗氧剂和润滑剂置于高速混合机中以300-500rpm的转速混合10-30min,得到预混物;
S3:将S2中所得预混物置于双螺杆挤出机的主喂料口,将玻璃纤维置于双螺杆挤出机的侧喂料口,经熔融混合并挤出造粒得到耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料;其中所述双螺杆挤出机的螺杆转速和熔融温度参见表1中所述。
表1具体实施例和对比例各组分用量及双螺杆挤出机工艺参数
对上述具体实施例和对比例制备所得的复合材料进行各项力学性能和疲劳寿命测试,测试标准和测试方法如下:
拉伸强度:按照ISO527进行测试。
弯曲强度:按照ISO178进行测试。
弯曲模量:按照ISO178进行测试。
悬臂梁缺口冲击强度:按照ISO180进行测试。
疲劳寿命:通过动态疲劳试验机评价复合材料的拉伸疲劳性能,最终得到复合材料的疲劳寿命,具体测试条件为:温度75±2℃;频率30Hz;拉伸载荷30MPa。
上述具体实施例和对比例的性能测试结果参见表2中所述。
表2具体实施例和对比例性能测试结果
从上述表2中可以看出,本申请所述玻纤增强聚丙烯复合材料与传统玻纤增强聚丙烯复合材料相比,力学性能得到显著提高,同时复合材料的耐疲劳性能有大幅度的提升;通过实施例2、3及对比例7对比可以发现,体系中酚醛树脂的羟基基团和聚醚胺的活性氢摩尔数之和与环氧化合物的环氧基团的摩尔数比值对于发明效果影响较大;通过实施例7及对比例5对比可以发现,本发明三元微交联体系较二元体系效果更为显著,尤其是耐疲劳性能大幅度提升;通过实施例6及对比例8的对比发现,体系中环氧化合物、酚醛树脂、聚醚胺只有在特定的加工工艺条件下才能发挥系统作用,形成微交联结构,实现玻纤增强聚丙烯材料的高性能化,制备所得的聚丙烯复合材料适用于对材料耐疲劳性能和对材料强度有较高要求的汽车工业及家电领域中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,并不用于限制本发明,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,包括下述按重量份计的各组分:
聚丙烯 25-85份;玻璃纤维 5-40份;相容剂 2-10份;环氧化合物1-10份;酚醛树脂0.5-5份;聚醚胺0.5-5份;抗氧剂0.1-0.5份;润滑剂0.1-0.5份;
其中所述环氧化合物中含有至少三个环氧基团,该环氧化合物的环氧当量为85-110g/eq且重均分子量为200-600;
其中所述酚醛树脂的羟基当量为103-135g/eq;
其中所述聚醚胺中活性氢当量为50-250g/eq,重均分子量为200-1000;
所述酚醛树脂的羟基基团和聚醚胺的活性氢摩尔数之和与环氧化合物的环氧基团的摩尔数比值为0.45-1.25;
该耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法,包括如下步骤:
S1:称取聚丙烯25-85重量份、玻璃纤维5-40重量份、相容剂2-10重量份、环氧化合物1-10重量份、酚醛树脂0.5-5重量份、聚醚胺0.5-5重量份、抗氧剂0.1-0.5重量份和润滑剂0.1-0.5重量份;
S2:将聚丙烯、相容剂、环氧化合物、酚醛树脂、聚醚胺、抗氧剂和润滑剂置于高速混合机中以300-500rpm的转速混合10-30min,得到预混物;
S3:将S2中所得预混物置于双螺杆挤出机的主喂料口,将玻璃纤维置于双螺杆挤出机的侧喂料口,经熔融混合并挤出造粒得到耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料;其中所述双螺杆挤出机的螺杆转速为450-650rpm,且该双螺杆挤出机的熔融温度为250-280℃。
2.根据权利要求1所述的耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,所述聚丙烯为均聚聚丙烯、嵌段共聚聚丙烯和无规共聚聚丙烯中的至少一种,且该聚丙烯的熔融指数为230℃/2.16kg条件下10-60g/10min。
3.根据权利要求1所述的耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,所述玻璃纤维为短切玻璃纤维,该短切玻璃纤维的长度为3-10mm且直径为7-17μm。
4.根据权利要求1所述的耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,所述相容剂为马来酸酐接枝率为0.5-2.0%的马来酸酐接枝聚丙烯。
5.根据权利要求1所述的耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,所述酚醛树脂为线性苯酚甲醛树脂、线性双酚A甲醛树脂和线性邻甲酚甲醛树脂中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,所述聚醚胺为端氨基聚氧化丙烯醚或端氨基聚氧化乙烯醚中的一种或两种混合物。
7.根据权利要求1所述的耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,所述酚醛树脂的羟基基团和聚醚胺的活性氢摩尔数之和与环氧化合物的环氧基团的摩尔数比值为0.6-0.85。
8.根据权利要求1所述的耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料,其特征在于,所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂和亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种。
9.一种权利要求1至8中任一权利要求所述聚丙烯复合材料的制备方法,其特征在于,主要包括下述步骤:
S1:称取聚丙烯25-85重量份、玻璃纤维5-40重量份、相容剂2-10重量份、环氧化合物1-10重量份、酚醛树脂0.5-5重量份、聚醚胺0.5-5重量份、抗氧剂0.1-0.5重量份和润滑剂0.1-0.5重量份;
S2:将聚丙烯、相容剂、环氧化合物、酚醛树脂、聚醚胺、抗氧剂和润滑剂置于高速混合机中以300-500rpm的转速混合10-30min,得到预混物;
S3:将S2中所得预混物置于双螺杆挤出机的主喂料口,将玻璃纤维置于双螺杆挤出机的侧喂料口,经熔融混合并挤出造粒得到耐疲劳玻纤增强聚丙烯复合材料;其中所述双螺杆挤出机的螺杆转速为450-650rpm,且该双螺杆挤出机的熔融温度为250-280℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中双螺杆挤出机的螺杆转速为500-600rpm,且该双螺杆挤出机的熔融温度为260-275℃。
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