CN110577699B - 一种聚丙烯复合材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种聚丙烯复合材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种聚丙烯复合材料及其制备方法和用途，所述聚丙烯复合材料以100份复合材料计，其包括以下份数的原料组分：

Description

一种聚丙烯复合材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料，具体涉及一种绝缘性好，韧性、强度高的改性聚丙烯复合材料，所述材料尤其适用于电气设备的地埋绝缘材料，例如作为通讯系统的地埋电池箱使用。
背景技术
聚丙烯(PP)材料作为五大通用塑料材料之一，具有优良的综合性能、良好的化学稳定性、较好的成型加工性能，同时由于原料丰富、价格便宜，目前已经发展成产量最大，牌号最多，用途最广的合成树脂之一。近年来开发新的高性能PP材料已成为一大热点。
已知PP材料在塑料管材方面有着很大的市场份额，尤其是作为电气设备的地埋绝缘材料。已知现有技术采用二氧化硅作为填充材料应用于PP材料中，大大提升了其绝缘性能。然而因聚丙烯材料本身是非极性聚合物，其低温性能、年老化性能、成型收缩性能、抗静电性能等方面较差，同时由于二氧化硅与PP材料的相容性较差，二氧化硅的填充使得PP材料的一些力学性能和加工性能变劣，限制了聚丙烯材料的进一步应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种综合性能优良的聚丙烯复合材料，所述复合材料在提高绝缘性的同时，还提高了其力学性能，尤其是在韧性和抗断裂性能方面。
本发明采用的技术方案如下：
一种聚丙烯(PP)复合材料，以100份复合材料计，其包括以下份数的原料组分：
Figure BDA0001688649420000021
根据本发明，所述聚丙烯可以是均聚聚丙烯、共聚聚丙烯中的一种或者均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的组合。优选地，所述聚丙烯是均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的组合，其中，均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的重量份比为2-8:1，优选为3-5.5:1。
根据本发明，所述均聚聚丙烯优选分子量为5-15万，优选5-10万，熔融指数(MFI)为2-5g/10min(ASTM D1328标准，210℃，12kg)的那些聚丙烯。
根据本发明，所述共聚聚丙烯优选是乙烯嵌段共聚聚丙烯，其中乙烯含量(质量)为5-10％，分子量为10-20万，优选10-15万，MFI为20-30g/10min(ASTM D1328标准，210℃，12kg)。
根据本发明，所述高密度聚乙烯可以是重均分子量为10万以上的高密度聚乙烯，优选为高分子量的高密度聚乙烯，其重均分子量优选100万以上，优选300-600万，MFI为0.2-2.5g/10min(ASTM D1328标准，190℃，20kg)。
根据本发明，所述三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯和第三单体的共聚物，所述三元乙丙橡胶优选是乙烯丙烯摩尔比为50-65：35-50的三元乙丙橡胶，优选乙烯丙烯摩尔比为60-65:35-40。当三元乙丙橡胶中丙烯比例更高时，可获得更好的加工性能、更好的低温特性以及更好的压缩形变等。常见的第三单体可以是亚乙基降冰片烯、双环戊二烯、1，4-己二烯等等。
根据本发明，所述硅微粉为平均粒径小于30微米的粉末，优选平均粒径为16-18微米的熔融态硅微粉。优选地，本发明的硅微粉经过偶联剂预处理，所述偶联剂例如是硅烷偶联剂或者钛酸酯偶联剂。经过偶联剂改性的硅微粉，增加了与聚合物的相容性，降低了体系粘度，提高了抗冲击性能。
根据本发明，所述复合材料还可以进一步含有本领域已知的那些微量功能性添加剂:例如抗氧剂、稳定剂、防霉剂。这些添加剂可抑制聚丙烯大分子链断裂，调整复合材料的熔体流动指数，改善加工工艺，减少复合材料因微生物作用而老化。所述抗氧剂例如是酚类、亚磷酸酯类；所述防霉剂可以是酚类化合物(例如五氯苯酚及其钠盐)、有机硫化合物(例如二硫化四甲基秋兰姆)、有机锡化合物(例如双三丁基锡醚)等。所述功能性添加剂的用量通常为复合材料的1wt％以下，优选0.5wt％以下。
在本发明的一个优选方案中，所述聚丙烯是均聚聚丙烯和乙烯嵌段共聚聚丙烯按照3-5.5:1重量比的组合；所述高密度聚乙烯是分子量为300-600万的高密度聚乙烯；所述三元乙丙橡胶是乙烯丙烯摩尔比为60-65:35-40的三元乙丙橡胶；所述硅微粉是经过硅烷偶联剂预处理的，粒径为16-18微米的硅微粉。
在本发明的上述优选方案中，以100份的复合材料计，所述聚丙烯：高密度聚乙烯：三元乙丙橡胶：硅微粉的重量份比为42-48:20-25:2-4:26-30。
本发明还提供一种上述复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将聚丙烯、高密度聚乙烯、硅微粉、三元乙丙橡胶按比例配料，在混炼机或搅拌机中搅拌共混；
(2)将上述混合料加入到挤出机得到片状熔体。
根据本发明，优选所述步骤(1)在高速混炼机中进行，搅拌共混时间为10分钟以下，例如3-5分钟；高速混炼机的转速控制在300-500r/min；
根据本发明，优选步骤(2)的挤出机的加工温度自加料到机头分别为130-140℃、170-180℃、190-200℃、200-205℃、210-220℃、220-230℃。
根据本发明，所述挤出机是双螺杆挤出机，所述步骤(2)的双螺杆挤出机的转速是200-300r/min。
根据本发明，所述复合材料的制备方法，还包括：步骤(3)挤出片状熔体后，再经过整形、冷却及剪切，制成板材。优选该步骤在注塑机或压光机中进行，材料厚度为4-10mm，优选6±0.2mm。
本发明还提供一种上述复合材料的用途。本发明的聚丙烯复合材料可以应用于任何本领域技术人员已知的应用领域，例如建筑、汽车、包装、机械等领域，作为塑料管材、板材等。鉴于本发明复合材料在电绝缘性、韧性和抗断裂、耐酸碱盐腐蚀性等方面优异的性能，其特别适用于电气设备的地埋绝缘材料，例如作为通讯系统地埋电池箱使用。
本发明还提供一种地埋箱，所述地埋箱由本发明的复合材料制成。优选所述地埋箱用于盛装电气设备。
本发明的有益效果：
通常情况下，当聚丙烯材料应用于电气工程作为绝缘管材、板材使用时，采用添加无机填料，例如硅微粉的方式来提高其绝缘性能和抗老化性能，且在其含量较低的情况下(例如小于10％)，还有一定增韧效果。然而为了达到“逾渗效应”，即在硅微粉含量达到某一范围时，所述聚丙烯复合材料表面电阻率发生突变的效果，硅微粉的添加量会达到约20％或25％以上，此时聚丙烯材料的表面电阻率可达到1010Ω级别。然而当硅微粉含量达到这一范围时，由于应力缺陷使得界面强度下降，因此冲击强度不但没有仅添加少量硅微粉时的高，反而下降较多。然而我们发现，当添加25-32％硅微粉时，再额外添加20-30％的高密度聚乙烯和2-5％的三元乙丙橡胶后，三者达到协同增效作用，使得聚丙烯复合材料的冲击强度不再因为大量的硅微粉而降低，且仍然有所提高，而且我们意外的发现，因为三者的配合使得聚丙烯复合材料的拉伸强度也并未明显下降还略有提高，这与我们的预期完全相反。通常情况下，当聚丙烯材料中添加有较大量的高密度聚乙烯或者硅微粉时，可能会产生相容性问题，而三元乙丙橡胶又是柔性材料，这些因素都会影响到材料的拉伸强度。因此我们猜测，高分子量的大分子和无机填料之间相互填充其“空洞”，而且由于多组分的配合，相互增进其他组分间的相容性，使其网络结构可承受更多能量。
本发明的复合材料，当所述聚丙烯是均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的组合时；当所述高密度聚乙烯为重均分子量优选300-600万的高密度聚乙烯时；当硅微粉经过偶联剂预处理时；当三元乙丙橡胶优选是丙烯基含量较高时，乙烯丙烯比为60-65：35-40时，所得复合材料的各项性能指标达到最佳平衡状态，其综合性能优良，尤其是在电绝缘性，冲击强度，拉伸强度、耐酸碱腐蚀、耐高低温和湿度性能方面。
本发明的复合材料作为一种地埋通讯绝缘材料，尤其是将其制作成通讯系统地上或地埋电气设备箱使用时，其优异的绝缘性能，使得操作安全可靠；因其抗冲击性能、韧性好，强度高，在地埋使用时，能承受更大地上压力且不易变形老化；因各组分的功能协同作用，在地埋使用时，能够适应地下的酸碱腐蚀、高湿低温。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。
除非另有说明，本文中的材料和试剂、仪器和设备均为市售商品。
以下为实施例所用原料：
均聚聚丙烯(PP1)：分子量7.3万，MFI＝2.2g/10min，兰州兰港石化公司；
乙烯嵌段共聚聚丙烯(PP2)：分子量为11万，MFI＝25g/10min，乙烯含量7％，独山子石化公司；
高密度聚乙烯(HDPE1)：分子量500万，MFI＝1.8g/10min，德国TIcona公司；
高密度聚乙烯(HDPE2)：分子量4万，MFI＝2g/10min，吉林化学工业公司；
三元乙丙橡胶(EPDM1)：乙烯分子数为56.5％，第三单体为亚乙基降冰片烯，第三单体分子数为9.2％，V6505，美国埃克森美孚公司；
三元乙丙橡胶(EPDM2)：乙烯分子数为70.0％，第三单体为亚乙基降冰片烯，第三单体分子数为5.0％，V5601，美国埃克森美孚公司；
硅烷偶联剂改性的硅微粉：熔融型，粒径17-18微米；
硅烷偶联剂：KH-550，南京曙光化工厂；
防霉剂：JM-3。
实施例1
将均聚聚丙烯(PP1)22.5kg、乙烯嵌段共聚聚丙烯(PP2)7.5kg、高密度密度聚乙烯(HDPE1)15kg、三元乙丙橡胶(EPDM1)2.5kg、硅微粉20kg、防霉剂150g放入高速混炼机混合均匀，共混时间3分钟，转速400r/min，随后将共混料倒入双螺杆挤出机，螺杆转速250r/min，加工温度自加料口到机头温度分别为135±1℃、175±1℃、195±1℃、200±1℃、215±1℃、225±1℃。经螺杆挤出机和T型机头挤出熔体，经过压光机整形、冷却及剪切，制成厚度6±0.2mm的板材。
测试性能指标如下：
性能 测试标准 测试条件 测试值 备注
悬臂梁缺口冲击强度 ISO 180 23℃ 13.88KJ/m<sup>2</sup> 缺口深度3.30mm；5.50KG摆锤
洛氏硬度 ISO2039-2 HRF 72.5
热变形温度 ISO 75-2 1.80MPa 103℃
弯曲强度 ISO 178 2mm/min 38.39MPa 23℃/168h
弯曲模量 ISO 178 2mm/min 1685MPa 23℃/168h
拉伸强度 ISO 527 50mm/min 36.50MPa 23℃/168h
断裂伸长率 ISO 527 50mm/min 35.35％ 23℃/168h
拉伸强度 ISO 527 50mm/min 36.33MPa 10％NaOH，23℃/168h
断裂伸长率 ISO 527 50mm/min 35.91％ 10％NaOH，23℃/168h
拉伸强度 ISO 527 50mm/min 36.38MPa 10％NaCl，23℃/168h
断裂伸长率 ISO 527 50mm/min 35.65％ 10％NaCl，23℃/168h
拉伸强度 ISO 527 50mm/min 36.95MPa 10％HCl，23℃/168h
断裂伸长率 ISO 527 50mm/min 36.85％ 10％HCl，23℃/168h
吸水率 GB/T1034-2008 0.002％
由以上测试数据可看到，本发明的聚丙烯复合材料具有较强的冲击强度、拉伸强度，和耐湿性能。在酸碱盐腐蚀环境下，拉伸强度变化非常小，可见本发明的聚丙烯复合材料耐腐蚀性能好。因此本发明的复合材料非常适宜作为地埋外包装材料使用。
实施例2
采用如下表的各组分及其用量，实施例1的制备方法，制得下述复合材料。其中第一行为本发明的实施例配方，其他为参照现有技术的对比配方。按照实施例1的方法测试各复合材料的性能参数如下：
Figure BDA0001688649420000071
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种聚丙烯复合材料,以100份复合材料计，其包括以下份数的原料组分：
聚丙烯 42~48份
高密度聚乙烯 20~25份
三元乙丙橡胶 2~4份
硅微粉 26~30份
其中，所述聚丙烯是均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的组合，均聚聚丙烯：共聚聚丙烯的重量份比为3-5.5:1；
所述均聚聚丙烯是分子量为5-15万，MFI为2-5g/10min的聚丙烯；
所述共聚聚丙烯是嵌段共聚聚丙烯，其中乙烯含量为5-10%，分子量为10-20万，MFI为20-30g/10min；
所述高密度聚乙烯的重均分子量为300-600万，MFI为0.2-2.5g/10min；
所述三元乙丙橡胶是乙烯丙烯摩尔比为60-65:35-40的三元乙丙橡胶；
所述硅微粉是平均粒径为16-18微米的熔融态硅微粉，所述硅微粉经过偶联剂预处理，所述偶联剂是硅烷偶联剂或者钛酸酯偶联剂。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其还包括微量功能性添加剂，所述添加剂的用量为复合材料的1wt%及以下。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
（1）将聚丙烯、高密度聚乙烯、硅微粉、三元乙丙橡胶按比例配料，在混炼机或搅拌机中搅拌共混；
（2）将上述混合料加入到挤出机得到片状熔体。
4.根据权利要求3所述的复合材料的制备方法，所述步骤（1）在高速混炼机中进行，搅拌共混时间为10分钟以下，高速混炼机的转速控制在300-500r/min；
步骤（2）的加工温度自加料到机头分别为130-140℃、170-180℃、190-200℃、200-205℃、210-220℃、220-230℃；
所述挤出机是双螺杆挤出机，所述步骤（2）的双螺杆挤出机的转速是200-300r/min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，还包括步骤（3），挤出片状熔体后，再经过整形、冷却及剪切，制成板材。
6.权利要求1-2任一项所述的复合材料的应用，其用于电气设备的地埋绝缘材料。
7.根据权利要求6所述的复合材料的应用，其作为通讯系统地埋电气设备箱使用。
8.一种地埋箱，所述地埋箱由权利要求1-2任一项的复合材料制成。
9.根据权利要求8所述的地埋箱，所述地埋箱用于盛装地埋电气设备。
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