CN111004442A - 以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料及其制备方法，所述聚丙烯材料包括A组分和B组分，按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：聚丙烯50‑100份，改性石墨烯0.1‑10份，第一增塑剂1‑10份，纳米粒子0.1‑8份，抗氧剂1‑10份，光稳剂1‑10份；按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：苯乙烯‑丁二烯‑苯乙烯三嵌段共聚物20‑50份，第二增塑剂5‑20份，偶联剂1‑10份，相容剂0.5‑8份，气相二氧化硅0.1‑8份；其中所述A组分与B组分的重量比为1：0.1‑1。本发明的聚丙烯材料兼顾高强度、低比重、物理机械性能好、耐高温、不易老化、抗冲击等综合性能，可以实现以塑代钢的目的。

Description

以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯(Polypropylene，简称PP)是一种性能优良的热塑性合成树脂，为无色半透明的热塑性轻质通用塑料。聚丙烯材料以其低比重、良好的机械性能、低成本、易加工、耐化学性、耐热性、电绝缘性和良好的高耐磨加工性能等受到广泛的应用，而且因为其具有可塑性、良好的接枝和复合功能，聚丙烯材料正逐步替代很多其他材料(例如木材、钢材、铝材等)，尤其是其改性之后具备的高强度、高韧性和高耐磨性能已展现出逐步取代金属的前景。不仅仅是特种设备、材料领域需要以塑代钢，现在的新兴产业如汽车工业都需要以塑代钢，以实现轻量化、高强度、更耐久的需求。
但通常的聚丙烯材料也存在一些不希望的缺陷，例如收缩率大，易变形，韧性差，不耐光，不耐热，易老化等，因此通常都会根据实际需求对聚丙烯材料进行改性。目前，使用的改性方法中一般会加入增韧剂改善材料的冲击韧性，但是增韧剂的加入会导致材料强度、模量的下降。或者使用如玻璃纤维、碳酸钙、硅酸钙、硫酸钡、滑石粉、云母、炭黑等无机矿物质作为填充增强组分，通过共混改性改善聚丙烯材料的强度、韧性及耐温性，以满足最终塑料部件或产品的使用要求。但是由于这些无机矿物质填料的密度往往比聚丙烯的密度大，在聚丙烯中加入后会相对增加最终产品的比重，难以兼顾高强度、低比重等综合性能。很多现有技术往往只能实现某一方面性能较为突出的改进，难以实现综合性能的改进。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的之一是提供一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料。本发明的又一目的是提供一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，所述聚丙烯材料包括A组分和B组分，按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000011
Figure BDA0002330542710000021
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000022
其中所述A组分与B组分的重量比为1：0.1-1。
作为可以替代的实施方案，以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料包含A组分和B组分，按重量份计，所述A组分包含以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000023
按重量份计，所述B组分包含以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000024
进一步地，作为可以替代的实施方案，所述聚丙烯材料包括A组分和B组分，按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000025
Figure BDA0002330542710000031
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000032
其中所述A组分与B组分的重量比为1：0.2-0.6，例如1：0.2、1：0.3、1：0.4、1：0.5或1：0.6。
作为示例，A组分中的聚丙烯可以占60-90份，例如，60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89或90份。
作为示例，A组分中的改性石墨烯可以占0.5-8份，例如，0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7或8份。
作为示例，A组分中的第一增塑剂可以占1-10份，例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9或10份。
作为示例，A组分中的纳米粒子可以占0.3-6份，例如，0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5或6份。
作为示例，A组分中的抗氧剂可以占1-10份，例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9或10份。
作为示例，A组分中的光稳剂可以占1-10份，例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9或10份。
作为示例，B组分中的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物可以占25-45份，例如，25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44或45份。
作为示例，B组分中的第二增塑剂可以占8-20份，例如，8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20份。
作为示例，B组分中的偶联剂可以占1-10份，例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9或10份。
作为示例，B组分中的相容剂可以占1-5份，例如，1、2、3、4或5份。
作为示例，B组分中的气相二氧化硅可以占0.5-5份，例如，0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4或5份。
进一步地，所述改性石墨烯通过以下步骤制得：将氧化石墨、溶剂、改性剂按重量比1：10-100：0.1-1(例如1：20-90：0.2-0.9、1：30-80：0.3-0.8、1：40-70：0.4-0.7，或1：50-60：0.5-0.6)混合，在超声功率为500W～3000W(例如1000W～2000W)，温度60℃～100℃(例如70℃～90℃)的条件下，超声并搅拌10分钟至3小时(例如30分钟至2小时)，获得改性石墨烯；
其中，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、苯、苯酚、甲苯、己烷、环己烷、丙酮、四氢呋喃、醋酸甲酯和醋酸乙酯中的至少一种；
进一步地，所述改性剂为N,N’-双(3-氨丙基)甲胺、二亚乙基三胺、三乙烯四胺、4,4'-二硫代二苯胺中的至少一种。
进一步地，所述第一增塑剂为石油酯T-50和/或邻苯二甲酸二辛酯。
进一步地，第二增塑剂为石油酯T-50和/或氯代棕榈油甲酯。
进一步地，所述纳米粒子含有纳米二氧化钛和纳米氧化镧。
进一步地，所述纳米粒子为重量比为1：0.1-0.5的纳米二氧化钛和纳米氧化镧。
进一步地，所述纳米二氧化钛的粒径为10-100nm(例如20-90nm、30-80nm、40-70nm或50-60nm)；所述纳米氧化镧的粒径为50-100nm(例如20-90nm、30-80nm、40-70nm或50-60nm)。
进一步地，所述气相二氧化硅的比表面积为100-200m2/g，例如120-180m2/g、140-160m2/g等。
进一步地，所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐。
进一步地，所述偶联剂为硅烷偶联剂。
进一步地，所述抗氧剂包括硫代二丙酸双酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、亚磷酸三壬基苯酯中的至少一种。
可选地，所述光稳剂(或称为光稳定剂)为UV-9。
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)A组分的制备：将聚丙烯和改性石墨烯混合后，在超声功率为500W～3000W，温度60℃～100℃的条件下，搅拌30分钟至2小时，然后加入第一增塑剂、纳米粒子、抗氧剂、光稳剂，混合后制得A组分；
(2)B组分的制备：将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、第二增塑剂、偶联剂、相容剂、气相二氧化硅进行混合制得B组分；
(3)将A组分与B组分同时投料于高速分散机中，保持转速1000～2000r/min，高速分散10～30min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为220℃～500℃，挤出即可。
如本文所使用的，本发明的聚丙烯材料可以实现“以塑代钢”，例如将所述聚丙烯材料用于家电、汽车、机械制造、交通、航天等领域。
如本文所使用的，“和/或”包括任何和一个或多个关联列出项的所有组合的术语。这里使用的术语仅用于描述具体实施例的，而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”，“一个”，“一种”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。进一步理解，“包括”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征，整数，步骤，操作，元素和/或组成，但不排除存在或附加一个或多个其它特征，整数，步骤，操作，元件，组成和/或它们的组合。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属的技术领域中普通技术人员普遍理解的相同的含义。进一步理解，术语，诸如在常用词典中定义，解释与它们在相关领域的环境下的含义一致，并且不是理想化或过于正式的意义，除非这里明确地如此定义。
在此描述的示例性发明可以适当地缺少任何一种或多种要素限制，这里没有特别公开。因此，“包含”，“包括”，“含有”等的术语应被宽泛和非限制性地理解。另外，本文所使用的术语表达被用作描述，没有限制，并且在使用这些不包括任何等价特性的术语表达是无意的，只是描述它们的一部分特性，但是根据权利，在本发明的范围内各种修改是可能。因此，虽然本发明已通过优选实施例和任选特征被具体公开，在此公开的修改以体现的本发明的变化可能会被本领域的技术人员记录，并且这样的修改和变化会被认为在本发明的范围之内。
相对于现有技术，本发明的有益效果：
(1)本发明的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料制备工艺简单，原料来源广泛；
(2)本发明的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料兼顾高强度、低比重、物理机械性能好、耐高温、不易老化、抗冲击等综合性能，可以实现较为理想的以塑代钢的目的。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，现结合以下具体实施例做进一步说明，但是本发明不限于具体实施例。
实施例1
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其包括A组分和B组分，
按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000061
改性石墨烯通过以下步骤制得：将氧化石墨、溶剂(乙醇)、改性剂(N,N’-双(3-氨丙基)甲胺)按重量比1：10：0.1混合，在超声功率为500WW，温度60℃的条件下，超声并搅拌10分钟，获得改性石墨烯；
A组分的制备：将聚丙烯和改性石墨烯混合后，在超声功率为2000W，温度80℃的条件下，搅拌30分钟，然后加入第一增塑剂(石油酯T-50)、纳米粒子(纳米粒子为重量比为1：0.1的纳米二氧化钛和纳米氧化镧，纳米二氧化钛的粒径为30-80nm；所述纳米氧化镧的粒径为50-100nm)、抗氧剂(硫代二丙酸双酯)、光稳剂，混合后制得A组分。
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000062
B组分的制备：将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、第二增塑剂(氯代棕榈油甲酯)、偶联剂(硅烷偶联剂)、相容剂(聚丙烯接枝马来酸酐)、气相二氧化硅(比表面积为150-200m2/g)进行混合制得B组分。
取A组分100份、B组分80份，同时投料于高速分散机中，保持转速1000r/min，高速分散20min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为350℃，挤出即可。
实施例2
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其包括A组分和B组分，
按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000071
改性石墨烯通过以下步骤制得：将氧化石墨、溶剂(醋酸甲酯)、改性剂(4,4'-二硫代二苯胺)按重量比1：15：0.3混合，在超声功率为1000W，温度80℃的条件下，超声并搅拌2小时，获得改性石墨烯；
A组分的制备：将聚丙烯和改性石墨烯混合后，在超声功率为800W，温度70℃的条件下，搅拌1小时，然后加入第一增塑剂(石油酯T-50)、纳米粒子(纳米粒子为重量比为1：0.2的纳米二氧化钛和纳米氧化镧，纳米二氧化钛的粒径为50-80nm；所述纳米氧化镧的粒径为60-100nm)、抗氧剂(0.5份2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚和0.5份四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)、光稳剂，混合后制得A组分。
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000072
B组分的制备：将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、第二增塑剂(石油酯T-50)、偶联剂、相容剂、气相二氧化硅(比表面积为150-200m2/g)进行混合制得B组分。
取A组分100份、B组分20份，同时投料于高速分散机中，保持转速2000r/min，高速分散30min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为300℃，挤出即可。
实施例3
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其包括A组分和B组分，
按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000073
Figure BDA0002330542710000081
改性石墨烯通过以下步骤制得：将氧化石墨、溶剂(重量比为1：9的水和乙醇)、改性剂(重量比为1：2的N,N’-双(3-氨丙基)甲胺和二亚乙基三胺)按重量比1：30：0.3混合，在超声功率为3000W，温度100℃的条件下，超声并搅拌2小时，获得改性石墨烯；
A组分的制备：将聚丙烯和改性石墨烯混合后，在超声功率为3000W，温度100℃的条件下，搅拌2小时，然后加入第一增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯)、纳米粒子(纳米粒子为重量比为1：0.5的纳米二氧化钛和纳米氧化镧，纳米二氧化钛的粒径为10-50nm；所述纳米氧化镧的粒径为50-80nm)、抗氧剂(β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯)、光稳剂，混合后制得A组分。
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000082
B组分的制备：将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、第二增塑剂(石油酯T-50)、偶联剂、相容剂、气相二氧化硅(比表面积为150-200m2/g)进行混合制得B组分。
取A组分100份、B组分50份，同时投料于高速分散机中，保持转速2000r/min，高速分散30min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为350℃，挤出即可。
实施例4
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其包括A组分和B组分，
按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000083
Figure BDA0002330542710000091
改性石墨烯和A组分的制备过程同实施例1。
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000092
B组分的制备过程同实施例1。
取重量比为1：0.8的A组分和B组分，同时投料于高速分散机中，保持转速2000r/min，高速分散30min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为300℃，挤出即可。
实施例5
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其包括A组分和B组分，
按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000093
改性石墨烯和A组分的制备过程同实施例2。
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000094
B组分的制备过程同实施例2。
取重量比为1：0.5的A组分和B组分，同时投料于高速分散机中，保持转速2000r/min，高速分散30min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为350℃，挤出即可。
实施例6
一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其包括A组分和B组分，
按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000101
改性石墨烯和A组分的制备过程同实施例3。
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure BDA0002330542710000102
B组分的制备过程同实施例3。
取重量比为1：0.4的A组分和B组分，同时投料于高速分散机中，保持转速2000r/min，高速分散30min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为300℃，挤出即可。
实施例4-6制备的聚丙烯材料与实施例1-3制备的聚丙烯材料具有类似的测试性能。
对比例1
一种聚丙烯材料，除了不含改性石墨烯，其它和实施例3相同。
对比例2
一种聚丙烯材料，除了不含纳米粒子，其它和实施例3相同。
对比例3
一种聚丙烯材料，除了制备过程为将聚丙烯、改性石墨烯、第一增塑剂、纳米粒子、抗氧剂、光稳剂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、第二增塑剂、偶联剂、相容剂、气相二氧化硅直接一起混合后，熔融挤出，其它和实施例3相同。
按照行业标准测试了实施例和对比例的材料的性能，列于表1中。
表1：实施例1-3和对比例1-3材料的性能检验结果。
Figure BDA0002330542710000111
由表1可知，本发明的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料具有高强度、低比重、物理机械性能好、耐热等优良的综合性能，可以达到以塑代钢的更高要求。
以上所述仅为本发明的具体实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明作的等效变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之中。

Claims (10)

1.一种以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，包括A组分和B组分，按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure FDA0002330542700000011
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure FDA0002330542700000012
其中所述A组分与B组分的重量比为1：0.1-1。
2.根据权利要求1所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述聚丙烯材料包括A组分和B组分，按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure FDA0002330542700000013
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure FDA0002330542700000014
Figure FDA0002330542700000021
其中所述A组分与B组分的重量比为1：0.2-0.8。
3.根据权利要求1所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述聚丙烯材料包括A组分和B组分，按重量份计，所述A组分包括以下原料组分：
Figure FDA0002330542700000022
按重量份计，所述B组分包括以下原料组分：
Figure FDA0002330542700000023
其中所述A组分与B组分的重量比为1：0.2-0.6。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述改性石墨烯通过以下步骤制得：将氧化石墨、溶剂、改性剂按重量比1：10-100：0.1-1混合，在超声功率为500W～3000W，温度60℃～100℃的条件下，超声并搅拌10分钟至3小时，获得改性石墨烯；
其中，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、苯、苯酚、甲苯、己烷、环己烷、丙酮、四氢呋喃、醋酸甲酯和醋酸乙酯中的至少一种；
所述改性剂为N,N'-双(3-氨丙基)甲胺、二亚乙基三胺、三乙烯四胺、4,4'-二硫代二苯胺中的至少一种。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述第一增塑剂为石油酯T-50和/或邻苯二甲酸二辛酯；第二增塑剂为石油酯T-50和/或氯代棕榈油甲酯。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述纳米粒子包括纳米二氧化钛和纳米氧化镧。
7.根据权利要求6所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述纳米二氧化钛的粒径为10-100nm；所述纳米氧化镧的粒径为50-100nm。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述气相二氧化硅的比表面积为100-200m2/g。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料，其特征在于，所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐；所述偶联剂为硅烷偶联剂；所述抗氧剂包括硫代二丙酸双酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、亚磷酸三壬基苯酯中的至少一种。
10.一种权利要求1-9中任一项所述的以塑代钢高强度低比重发泡聚丙烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)A组分的制备：将聚丙烯和改性石墨烯混合后，在超声功率为500W～3000W，温度60℃～100℃的条件下，搅拌30分钟至2小时，然后加入第一增塑剂、纳米粒子、抗氧剂、光稳剂，混合后制得A组分；
(2)B组分的制备：将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、第二增塑剂、偶联剂、相容剂、气相二氧化硅进行混合制得B组分；
(3)将A组分与B组分同时投料于高速分散机中，保持转速1000～2000r/min，高速分散10～30min，然后通过双螺杆挤出机进行高温熔融，熔融温度范围为220℃～500℃，挤出即可。
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