CN110885495B - 低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，该材料包括如下重量份的原料配方：聚丙烯树脂60‑90份，短切玻璃纤维5‑30份，矿物填料5‑20份，相容剂1‑5份，吸附剂0.5‑3份，稳定剂0.2‑2份。该低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，既可改善传统玻纤增强聚丙烯的翘曲现象，同时兼具低散发性，并具有良好的力学性能。

Description

低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及改性塑料领域，尤其是涉及一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯(PP)因其质轻、价廉、易于加工等特点，被广泛用于汽车、家电等领域。经过玻璃纤维增强改性的聚丙烯材料其刚性和耐热性得以大幅度提高，规避了聚丙烯原本刚性较差、热变型温度低的缺点，进一步拓展了聚丙烯材料的应用范围，部分玻纤增强材料甚至可在某些应用上代替工程塑料。与滑石粉、云母粉等常用矿物填料相比，玻璃纤维由于其针状形态特点，具有极高的长径比，这使得玻纤增强后的聚丙烯产生了强烈的分子链取向，从而造成其在注塑过程中沿流动方向和垂直流动方向的收缩率具有较大差异，这种显著的各项异性会导致材料发生严重的翘曲变型现象。玻纤增强材料的高翘曲限制了其在一些对尺寸精密度和稳定性要求较高的制件上的应用。
车用聚丙烯材料为了满足多部件多样化的需求，会通过添加各种填料和功能助剂来达到改性目的，这些原料在挤出加工和注塑过程中，会产生多种散发性物质，由于汽车内空气相对封闭，因此这些散发性物质会严重影响司乘人员的身体健康。随着社会对车内空气质量的关注度逐年递增，对低气味低挥发性汽车内饰聚丙烯材料的需求也逐年提高。各大主机厂也制定了相应的散发物标准，以一汽大众为例，其PV3900和PV3341标准分别要求材料气味≤4.0级，总碳≤40μC/g。
专利CN102250420A公开了一种抗翘曲增强聚丙烯复合材料及其制备方法，该发明选用了一种横截面为椭圆的低取向玻纤，这种玻纤抗翘曲效果比普通的短切玻纤效果好，且不影响材料的其他性能，但其相容剂的添加比例高达5％-15％，这种表面接枝PP类相容剂是玻纤增强材料的主要散发物来源。专利CN102532682A公开了一种低翘曲高光泽填充增强聚丙烯材料及其制备方法，通过添加5-15份硅灰石起到防止翘曲的效果，专利CN109251410A公开了翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法，使用热膨胀微球改善翘曲。上述现有技术研究主要集中在降低翘曲，对于材料的散发性没有涉及，而汽车内饰的各类支架、固定底座等零件，多为玻纤增强材料，对其机械性能和散发性均有一定的要求，因此提供一种可同时实现低散发、低翘曲的玻纤增强聚丙烯材料，具有较为迫切的市场需求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，该材料既可有效改善传统玻纤增强聚丙烯的翘曲现象，同时兼具低气味和低散发性，并能保持良好的机械性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，包括如下重量份的原料配方：聚丙烯树脂60-90份，短切玻璃纤维5-30份，矿物填料5-20份，相容剂1-5份，吸附剂0.5-3份，稳定剂0.2-2份；
所述短切玻璃纤维的长度为0.2-5mm，直径为5-20μm，可燃物含量0.35％-0.5％；
所述矿物填料为碳酸钙、云母粉与滑石粉中的一种或几种的混合物。
优选的，所述聚丙烯树脂为丙烯共聚物和丙烯均聚物中的一种或两种，其熔体流动速率在230℃测试温度、2.16kg砝码重量下为5-50g/10min。
优选的，所述矿物填料为5000目滑石粉。
优选的，所述相容剂为马来酸酐接枝物或偶联剂。
优选的，所述吸附剂为硅藻土、硅酸镁、分子筛中的一种或两种以上的混合物。
优选的，所述稳定剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂的混合物，且二者的质量比为0.5-1：0.5-1。
一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)称取配方量的聚丙烯树脂、矿物填料、相容剂、吸附剂和稳定剂，将其在高混机内高速混合1-3min，混合均匀后得到预混料；
2)将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到所述低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料。
优选的，所述双螺杆挤出机的熔融挤出条件为：一区温度120-180℃，二区温度190-210℃，三区温度210-230℃，四区温度210-230℃，五区温度210-230℃，六区温度210-230℃，七区温度210-230℃，八区温度210-220℃，九区温度210-220℃，主机转速250-600转/分钟；
所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
相对于现有技术，本发明所述的低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法具有以下优势：
(1)本发明所述的一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，还通过添加一定比例的短切玻纤和矿物填料进行复合增强，矿物填料的加入，降低了由高长径比玻纤造成的高分子链取向程度，从而能够有效消除由材料的各项异性导致的翘曲变型，复合增强的方式也使相容剂使用量得以减少，从而进一步降低散发性物质的产生。
(2)本发明所述的一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，将短切玻纤的可燃物范围限定在0.35％-0.5％，使用这种表面接枝物含量较低的玻纤，有利于降低材料的散发性，同时吸附剂的添加，使大部分残留在原材料内以及挤出加工过程中产生的挥发性小分子被吸附，从而起到降低散发性的作用。
(3)本发明所述的一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，在改善翘曲，降低散发的同时，依然具有玻纤增强材料高刚性、高耐热的特点，可应用于固定底座、支架等对材料强度和散发性均要求较高的汽车内饰件。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
一、实施例1-3及对比例1-3的原料来源
1、实施例1-3的原料
聚丙烯树脂：采用丙烯均聚物，神华宁煤生产的PP 1100N；
短切玻璃纤维：采用泰山玻纤生产的低气味玻纤ECS13-4.5-T538D，可燃物含量范围为0.35％-0.5％；
矿物填料：实施例1采用5000目滑石粉，实施例2采用3000目滑石粉，实施例3采用云母粉；
相容剂：采用上海壮景生产的BONDYRAM 1001CN；
吸附剂：采用硅藻土INFILM 300；
稳定剂：采用主稳定剂1010、辅稳定剂168以质量比1:1的混合物。
2、对比例的原料
对比例1-3中所用短切玻璃纤维采用泰山玻纤生产的普通玻纤ECS13-4.5-T438H，可燃物含量范围为0.5％-0.65％；对比例中的矿物填料采用5000目滑石粉，其余成分与实施例1-3中相同。
二、实施和对比例
实施例1
一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，包括以下重量份的各组分：聚丙烯树脂76.6份，短切玻璃纤维10份，矿物填料10份，相容剂2份，吸附剂1份，稳定剂0.4份。
上述低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法为：将除短切玻璃纤维以外的各组分置于高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料。
其中，双螺杆挤出机的熔融挤出温度为：一区温度160℃，二区温度200℃，三区温度220℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度215℃，九区温度215℃，主机转速400转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
实施例2
一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，包括以下重量份的各组分：聚丙烯树脂76.6份，短切玻璃纤维10份，矿物填料10份，相容剂2份，吸附剂1份，稳定剂0.4份。
上述低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法为：将除短切玻璃纤维以外的各组分置于高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料。
其中，双螺杆挤出机的熔融挤出温度为：一区温度160℃，二区温度200℃，三区温度220℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度215℃，九区温度215℃，主机转速400转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
实施例3
一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，包括以下重量份的各组分：聚丙烯树脂54.6份，短切玻璃纤维25份，矿物填料15份，相容剂4份，吸附剂1份，稳定剂0.4份。
上述低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法为：将除短切玻璃纤维以外的各组分置于高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料。
其中，双螺杆挤出机的熔融挤出温度为：一区温度160℃，二区温度200℃，三区温度220℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度215℃，九区温度215℃，主机转速400转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
对比例1
一种聚丙烯材料，包括以下重量份的各组分：聚丙烯树脂75.6份，短切玻璃纤维20份，相容剂4份，稳定剂0.4份。
上述聚丙烯材料的制备方法为：将除短切玻璃纤维以外的各组分置于高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到聚丙烯材料。
其中，双螺杆挤出机的熔融挤出温度为：一区温度160℃，二区温度200℃，三区温度220℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度215℃，九区温度215℃，主机转速400转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
对比例2
一种聚丙烯材料，包括以下重量份的各组分：聚丙烯树脂74.6份，短切玻璃纤维20份，相容剂4份，吸附剂1份，稳定剂0.4份。
上述聚丙烯材料的制备方法为：将除短切玻璃纤维以外的各组分置于高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到聚丙烯材料。
其中，双螺杆挤出机的熔融挤出温度为：一区温度160℃，二区温度200℃，三区温度220℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度215℃，九区温度215℃，主机转速400转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
对比例3
一种聚丙烯材料，包括以下重量份的各组分：聚丙烯树脂77.6份，短切玻璃纤维10份，矿物填料10份，相容剂2份，稳定剂0.4份。
上述聚丙烯材料的制备方法为：将除短切玻璃纤维以外的各组分置于高速混合机中充分搅拌得到预混料，将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到聚丙烯材料。
其中，双螺杆挤出机的熔融挤出温度为：一区温度160℃，二区温度200℃，三区温度220℃，四区温度220℃，五区温度220℃，六区温度220℃，七区温度220℃，八区温度215℃，九区温度215℃，主机转速400转/分钟；所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
性能测试
将实施例和对比例得到的粒料注塑成相应试样进行测试，各性能的测试标准或方法为：
(1)拉伸性能按ISO 527执行；
(2)弯曲性能按ISO 178执行；
(3)冲击性能按ISO 179执行；
(4)热变形温度按ISO 75执行；
(5)翘曲：注塑100mm×100mm×2mm的方板，常温放置一天后目测翘曲程度；
(6)气味按大众PV3900执行；
(7)总碳按大众PV3341执行。
原料配比及测试结果见表1。
表1实施例1-3和对比例1-3的具体配比(重量份)及其测试性能结果
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2 对比例3
聚丙烯树脂 76.6 76.6 54.6 75.6 74.6 77.6
低气味玻纤 10 10 25
普通玻纤 20 20 10
矿物填料 10 10 15 \ \ 10
相容剂 2 2 4 4 4 2
吸附剂 1 1 1 \ 1 \
稳定剂 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
拉伸强度(MPa) 58.9 53.1 81.5 72.3 73.9 56.7
弯曲强度(MPa) 89.2 81.8 121.6 106.6 104.9 90.7
弯曲模量(MPa) 3746 3512 6782 4121 4075 3698
缺口冲击强度(KJ/m2) 7.8 6.3 11.2 10.4 10.6 8.2
热变形温度(℃) 150.1 147.5 159.1 154.7 153.9 151.2
翘曲 低 低 较低 较高 较高 低
气味(级) 3.5 3.5 4.0 4.5 4.0 4.0
总碳(μC/g) 28.3 30.8 35.4 54.9 40.9 47.7
由表1中各个实施例和对比例的性能对比可以得出以下结论：
(1)由实施例可知，本发明提供的低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，在维持高刚性和高耐热性的同时，即可有效改善传统玻纤增强聚丙烯的翘曲现象，还具有较低的气味等级和散发量。
(2)比较实施例1-3与对比例1-3可知，使用表面接枝物含量较低的低气味玻纤，同时添加表面多孔的吸附剂，可以显著降低材料的散发性，材料的气味和总碳均可满足大众标准(气味≤4.0级，总碳≤40μC/g)。
(3)比较实施例1-3与对比例1、2可知，滑石粉、云母粉等矿物填料的加入，与短切玻纤起到了复合增强的作用，并可有效消除材料的翘曲变型。
(4)比较实施例1-2可知，矿物填料选用5000目滑石粉时，在保证低翘曲度和较低气味等级的同时，材料的刚性和耐热性优于添加3000目滑石粉的材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (7)

1.一种低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：包括如下重量份的原料配方：聚丙烯树脂60-90份，短切玻璃纤维5-30份，矿物填料5-20份，相容剂1-5份，吸附剂0.5-3份，稳定剂0.2-2份；
所述短切玻璃纤维的长度为0.2-5mm，直径为5-20μm，可燃物含量0.35％-0.5％；
所述矿物填料为碳酸钙、云母粉与滑石粉中的一种或几种的混合物；
所述吸附剂为硅藻土、硅酸镁、分子筛中的一种或两种以上的混合物。
2.根据权利要求1所述的低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚丙烯树脂为丙烯共聚物和丙烯均聚物中的一种或两种，其熔体流动速率在230℃测试温度、2.16kg砝码重量下为5-50g/10min。
3.根据权利要求1所述的低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述矿物填料为5000目滑石粉。
4.根据权利要求1所述的低散发低翘曲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物或偶联剂。
5.根据权利要求1所述的低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：所述稳定剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂的混合物，且二者的质量比为0.5-1：0.5-1。
6.一种权利要求1～5任一项所述的低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)称取配方量的聚丙烯树脂、矿物填料、相容剂、吸附剂和稳定剂，将其在高混机内高速混合1-3min，混合均匀后得到预混料；
2)将预混料加入双螺杆挤出机的主喂料口，同时将短切玻璃纤维从挤出机的侧喂料口加入，原料熔融挤出，造粒干燥，得到所述低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料。
7.根据权利要求6所述的低散发低翘曲玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的熔融挤出条件为：一区温度120-180℃，二区温度190-210℃，三区温度210-230℃，四区温度210-230℃，五区温度210-230℃，六区温度210-230℃，七区温度210-230℃，八区温度210-220℃，九区温度210-220℃，主机转速250-600转/分钟；
所述双螺杆挤出机的长径比为40：1。
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