CN111087694A - 一种基于功能poss杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于功能poss杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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张锴
赵丽萍
周楠婷
吴俊�
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周文
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Abstract

本发明公开了一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料及其制备方法，该改性聚丙烯材料主要由功能化POSS纳米粉末1～10份、常规聚丙烯45～90份、滑石粉5～20份、弹性体0～15份、抗氧剂0.1～1.5份、其他助剂0～3份组成。对比于传统的滑石粉改性聚丙烯材料，功能化的POSS的纳米粒子的引入使该改性聚丙烯材料表现出更佳的机械性能，特别是对于其耐热表现以及低温冲击性能都优于普通滑石粉填充聚丙烯材料，主要原因归因于功能化的POSS结构在体系中起到相容剂以及成核剂的作用。同时，VOC以及气味测试显示该材料具有低VOC以及低气味特性，主要原因可能归因于热稳定性的提高以及POSS的中空结构有利于捕捉“小分子”难闻气味。

Description

一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及一种功能性聚丙烯材料及其制备方法，尤其涉及一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料及其制备方法，属于聚丙烯技术领域。
背景技术
随着新型汽车工业的飞速发展，对汽车轻量化、安全化以及车内舒适化、环保化等提出了更高的要求。因此，对汽车内外饰材料的性能要求也提出了更高的挑战。改性聚丙烯作为汽车内外饰零件的常用材料，具备来源广泛、密度小、力学均衡性好、耐化学腐蚀、易加工及价格低廉等突出优点，成为汽车轻量化的首选塑料。目前对于主流市场上的填充改性聚丙烯材料，主要基于传统的滑石粉/碳酸钙等矿物改性，虽然滑石粉填充改性聚丙烯已基本满足汽车内外饰的主要零件的性能要求，但是对于一些功能件以及加强件等，需要较高的性能要求，这就需要应用到许多工程塑料甚至特种塑料，大大提高了汽车制造中的成本。因此发展新型填料增加改性聚丙烯的综合性能迫在眉睫。
多面低聚倍半硅氧烷(POSS)作为一类新型的有机无机纳米杂化材料，具有有机和无机材料的两者的共同优势。POSS用于改性聚合物复合材料以POSS为无机成分，无机相与有机聚合物相之间通过强的化学键结合，不存在无机粒子的团聚和两相界面结合力差的问题，因而材料的力学性能等可以得到很大的提高和改善。杜永刚等(杜永刚,王一鸣,于月茹,et al.功能POSS掺杂新型生物基环氧树脂的制备[J].合成树脂及塑料,2018,35(05):49-53.)将带有特定修饰基团的POSS材料掺杂到环氧树脂中，得到的复合材料的冲击性能以及耐热温度得到了很大的提升，特别是耐热分解温度也随着POSS含量的增加而逐步上升。曾厉等(曾历.新型POSS的合成及其对热固性树脂的改性研究[D].苏州大学,2012.)将POSS掺杂到聚合物材料后，提升了聚合物之前的交联密度，从而提高的符合材料的耐热性能。因此，POSS材料作为一种纳米尺度的有机无机协同的材料在改性聚丙烯上会发挥重要作用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，发明一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料及其制备方法，主要通过将带有特定基团的POSS纳米材料与常规聚丙烯通过双螺杆或注塑机共混挤出条状共混物经过循环水冷却后进入切粒机切粒得改性聚丙烯粒子。其中POSS纳米材料作为一种新型矿物添加剂，具备有机无机协同作用以及纳米尺度特性从而赋予改性聚丙烯良好的综合力学性能，特别的是，其有机无机特性增加了其与聚丙烯界面间的相容性，增加了其复合材料的力学性能以及耐热性能，其中POSS作为一种有机的框架结构，对于分子捕捉或起到帮助作用，可以进一步降低复合材料的气味、VOC等散发性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，由下列按照重量份计的原料制备而成：
常规聚丙烯：45～90份；
滑石粉：5～20份；
弹性体：0～20份；
功能化POSS纳米粉末：1～10份；
抗氧剂：0.1～1.5份；
其他助剂：0～3份。
其中，所述的常规聚丙烯材料是指在230℃，2.16Kg条件下材料的流动速度在10g/10min到100g/10min的聚丙烯。
所述的滑石粉为1250目到10000目的滑石粉粉体材料。
所述的弹性体为乙烯-丙烯共聚物、乙烯-己烯共聚物、乙烯-丁烯共聚物和乙烯-辛烯共聚物中的一种或者几种的混合物，密度为0.80～1.0g/cm3。
所述的抗氧剂为抗氧剂1010(四(β—3,5—二叔丁基—4—羟基苯基)季戊四醇脂)、抗氧剂168(三(2,4—二叔丁基苯基)亚磷酸酯和抗氧剂DSTP(硫代二丙酸双十八醇酯)中的一种或者几种混合物。
所述的其他助剂为光稳定剂V703、5589、531，润滑剂白油，乙烯基双硬酯酰胺(EBS)等。
所述的功能化POSS纳米粉末材料为乙烯基-POSS，环氧基-POSS以及甲基丙烯基-POSS其中的一种或几种
上述高功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，包括以下制备步骤：
按重量份数，将功能性POSS纳米粉体、聚丙烯、滑石粉、弹性体，抗氧剂和其他助剂一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备出改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃，210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
本发明与现有技术相比，具有以下技术优势：
本发明首先制备了功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料，与传统的单一滑石粉填充相比，得到的聚丙烯复合材料具备高耐热以及高模量高冲击的“三高”特点，可以进一步丰富聚丙烯车用零件的应用，从而可替代一些工程塑料，达到降本增效的作用。同时POSS的分子结构为有机框架结构，可以进一步“捕捉”聚丙烯加工过程中产生的有机小分子，降低改性聚丙烯的散发性。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明内容。应该强调的是，这些实施例仅用于对本发明的进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制。此外应理解，在阅读了本发明所述的内容之后，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申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将乙烯基POSS4份与流动速度为60g/10min的聚丙烯80份，3000目滑石粉5份，弹性体9份，1010抗氧剂0.1份，其他助剂：润滑剂白油，光稳定剂V703 1.9份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
对比例1
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将流动速度为60g/10min的聚丙烯80份，3000目滑石粉9份，弹性体9份，1010抗氧剂0.1份，其他助剂：润滑剂白油，光稳定剂V703 1.9份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
实施例2
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将乙烯基POSS6份与流动速度为60g/10min的聚丙烯70份，3000目滑石粉10份，弹性体12份，DSTP抗氧剂0.3份，其他助剂：润滑剂白油，光稳定剂5589 1.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
对比例2
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将流动速度为60g/min的聚丙烯70份，3000目滑石粉16份，弹性体12份，DSTP抗氧剂0.3份，其他助剂：润滑剂白油，光稳定剂5589 1.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
实施例3
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将环氧基POSS纳米粉体10份与流动速度为30g/10min的聚丙烯70份，3000目滑石粉10份，弹性体8份，DSTP抗氧剂0.5份，其他助剂：润滑剂白油，光稳定剂5589 1.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
对比例3
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将流动速度为30g/10min的聚丙烯70份，3000目滑石粉20份，弹性体8份，DSTP抗氧剂0.5份，其他助剂：润滑剂白油，光稳定剂5589 1.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
实施例4
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将甲基丙烯基-POSS纳米粉体3份与流动速度为100g/10min的聚丙烯40份，流动速度为12g/10min的聚丙烯30份，10000目滑石粉10份，弹性体14份，DSTP抗氧剂1份，其他助剂：润滑剂白油，5589光稳定剂2份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
对比例4
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将流动速度为100g/10min的聚丙烯40份，流动速度为12g/10min的聚丙烯30份，10000目滑石粉13份，弹性体14份，DSTP抗氧剂1份，其他助剂：润滑剂白油，5589光稳定剂2份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
实施例5
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，甲基丙烯基-POSS纳米粉体1份与流动速度为50g/10min的聚丙烯66份，5000目滑石粉20份，弹性体10份，168抗氧剂0.8份，其他助剂：润滑剂白油，531光稳定剂1.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
对比例5
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将流动速度为50g/10min的聚丙烯66份，5000目滑石粉21份，弹性体10份，168抗氧剂0.8份，其他助剂：润滑剂白油，531光稳定剂1.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
实施例6
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将乙烯基POSS纳米粉体5份与流动速度为50g/10min的聚丙烯58份，10000目滑石粉15份，弹性体18份，168抗氧剂0.5份，其他助剂：润滑剂白油，5589光稳定剂1.8份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
对比例6
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将流动速度为50g/10min的聚丙烯58份，10000目滑石粉20份，弹性体18份，168抗氧剂0.5份，其他助剂：润滑剂白油，5589光稳定剂1.8份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
实施例7
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将环氧树脂基-POSS纳米粉体3份与流动速度为100g/10min的聚丙烯30份，流动速度为50g/10min的聚丙烯42份，3000目滑石粉12份，弹性体12份，168抗氧剂0.8份，其他助剂：润滑剂白油，5589光稳定剂2.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
对比例7
功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料：按重量份数，将流动速度为100g/10min的聚丙烯30份，流动速度为50g/10min的聚丙烯42份，3000目滑石粉15份，弹性体12份，168抗氧剂0.8份，其他助剂：润滑剂白油，5589光稳定剂2.5份一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备成改性聚丙烯复合材料。
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为155℃，180℃，200℃，205℃，215℃，220℃,225℃，225℃,230℃,235℃。主螺杆转速为550r/min，水槽温度38℃。
将上述实施例以及对比例1～7改性聚丙烯复合材料均按照统一工艺注塑成相应的测试样条，按照下表1中的测试标准及条件进行性能测试，测试数据如表2，3所示。
表1 POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料性能测试标准及条件
Figure BDA0002337672760000071
Figure BDA0002337672760000081
表2实施例和对比例1～7POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料基本力学性能测试数据及结果
Figure BDA0002337672760000082
表3实施例和对比例1～7POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料散发性能评估
Figure BDA0002337672760000091
对于表2和表3实施例以及对比例1～7根据本发明专利一种功能性POSS纳米粉体改性的高性能聚丙烯复合材料中的部分代表性实施方案制备的改性聚丙烯复合材料的测试结果，POSS功能性纳米粉体替代部分滑石粉后，改性聚丙烯的耐热性能得到大幅提升，且低温冲击以及弯曲模量等也得到相应的提升，同时散发性能的测试也印证了我们的猜想，其POSS基团的有机无机框架结构有利于改善改性聚丙烯复合材料的散发特性。

Claims (8)

1.一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：由下列按照重量份计的原料制备而成：
常规聚丙烯：45～90份；
滑石粉：5～20份；
弹性体：0～20份；
功能化POSS纳米粉末：1～10份；
抗氧剂：0.1～1.5份；
其他助剂：0～3份。
2.根据权利要求1所述的一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的常规聚丙烯材料是指在230℃，2.16Kg条件下材料的流动速度在10g/10min到100g/10min的聚丙烯。
3.根据权利要求1一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的滑石粉为1250目到10000目的滑石粉粉体材料。
4.根据权利要求1一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的弹性体为乙烯-丙烯共聚物、乙烯-己烯共聚物、乙烯-丁烯共聚物和乙烯-辛烯共聚物中的一种或者几种的混合物，密度为0.80～1.0g/cm3。
5.根据权利要求1一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为抗氧剂1010(四(β—3,5—二叔丁基—4—羟基苯基)季戊四醇脂)、抗氧剂168(三(2,4—二叔丁基苯基)亚磷酸酯和抗氧剂DSTP(硫代二丙酸双十八醇酯)中的一种或者几种混合物。
6.根据权利要求1一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的其他助剂为光稳定剂V703、5589、531，润滑剂白油，乙烯基双硬酯酰胺(EBS)等。
7.根据权利要求1一种基于功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的功能化POSS纳米粉末材料为乙烯基-POSS，环氧基-POSS以及甲基丙烯基-POSS其中的一种或几种
8.根据权利要求1-7任意之一所述高功能POSS杂化的高性能车用改性聚丙烯复合材料，其特征在于：包括以下制备步骤：
按重量份数，将功能性POSS纳米粉体、聚丙烯、滑石粉、弹性体，抗氧剂和其他助剂一起加入到高速混料机中混合均匀后，再加入到双螺杆挤出机中，经双螺杆挤出机熔融、挤出、冷却、切粒制备出改性聚丙烯复合材料；
所述的双螺杆挤出机的I～X区加工温度依次为150℃，185℃，205℃，205℃，210℃，220℃,225℃，225℃,230℃,230℃。主螺杆转速为500～550r/min，水槽温度30℃～60℃。
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