CN111117075A - 一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备方法，其包括以下重量份计的原料：聚丙烯：59‑79；滑石粉：8‑16；弹性体：6‑10；功能母粒：4‑12；抗氧剂：0‑1；其它助剂：0‑3；本发明功能母粒中的超高分子量聚乙烯，由于其自身独特的自润滑、耐磨性能，抗冲击性能，它的加入显著改善薄壁化聚丙烯复合材料的耐磨、冲击等机械性能；功能母粒以高流动性聚丙烯为载体，在随着聚合物体系从双螺杆挤出或注塑机中挤出时，能很好的将纳米硅酸盐均匀分散到复合材料体系，其独特的链层状结构，对声音的传递起到消散作用，同时它与功能母粒中的超高分子量聚乙烯发生协同作用来保证制备的复合材料具有优异的吸音、降噪功能。

Description

一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物改性与加工技术领域，涉及一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
作为汽车轻量化技术手段之一的薄壁化聚丙烯复合材料已被广泛用于汽车立柱、门板、仪表板、保险杠等内外饰件。聚丙烯材料因其刚性比较差、吸音效果不好，在使用过程中，易出现磨损、异响、噪音现象，一般出现在汽车内饰外露件的表面、两匹配件的振动摩擦部位，这容易引起消费者的不适感。
目前针对材料的耐磨、降噪性能的提升方面分别有一些报道，如专利CN107488301A中提到采用三氧化二铝作为耐磨剂来提升聚丙烯的耐磨性能，但是三氧化二铝密度较大，对汽车轻量化不利；专利CN103756132A中采用高分子量硅氧烷来提高聚丙烯的耐磨性能，存在成本较高，无降噪的功效，且耐磨功效一般，不利于产品的应用开发；专利CN1990534A中采用二硫化钼和聚四氟乙烯来提升聚丙烯的耐磨性能，但是二硫化钼是黑色，这在浅色产品中应用将受到限制；专利CN109867864A中提到采用一种纳米填料来提升聚丙烯复合材料的吸音、降噪性能；专利CN109749388A中提到采用一种新型的聚乙烯接枝物的降噪剂来改善PC/ABS材料的吸音、降噪性能。然而，随着薄壁化聚丙烯复合材料的广泛应用，如何提升其耐磨性能、并兼具降噪功能已成为开发这类材料的一个急需解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备方法。该方法主要是通过在薄壁化聚丙烯材料体系中引入一种具有耐磨、降噪功效的功能母粒来实现；该功能母粒是由高流动聚丙烯、超高分子量聚乙烯、纳米硅酸盐、硅酮、偶联剂等组成。超高分子量聚乙烯是分子量150万以上无支链的线性聚乙烯，具有优异自润滑、耐磨、抗冲击、吸音降噪功能；纳米硅酸盐为一种链层状结构的物质，其晶体结构的异向性比较突出，对声音的传递起到降低作用，所以它可以与超高分子量聚乙烯发挥协同作用，在薄壁化聚丙烯复合材料中起到降噪的功效。
为实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：
一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其包括以下重量份计的原料：
聚丙烯：59-79；
滑石粉：8-16；
弹性体：6-10；
功能母粒：4-12；
抗氧剂：0-1；
其它助剂：0-3。
其中，所述的聚丙烯基体树脂采用均聚或共聚聚丙烯，熔融指数(230℃，2.16KG)在50g-100g/10min左右。
所述的滑石粉为5000目滑石粉体材料。
所述的弹性体为一种乙烯和丁烯共聚物、乙烯和辛烯共聚物中的一种或两种混合物，其密度在0.86-0.90g/cm3，熔融指数在0.5-6g/10min。
所述的功能母粒由下列组分按重量份数制备而成：
高流动聚丙烯15份、超高分子量聚乙烯40份、纳米硅酸盐40份、硅酮2份、偶联剂3份。其中所述的高流动性聚丙烯为熔融指数(230℃，2.16KG)在50-100g/10min左右，所述的超高分子量聚乙烯为分子量150万以上无支链的线性聚乙烯，所述的纳米硅酸盐为纳米蒙脱石、纳米角闪石中的一种，所述的硅酮为一种不含有有机载体的高效润滑剂，主要成分为聚二甲基硅氧烷，所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
所述的抗氧剂为本领域技术人员认为所需的抗氧剂，主要为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)、三[2，4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)、硫代二丙酸十八酯(抗氧剂DSTP)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)、中的一种或者两种以上混合组成。
所述的其它助剂为主要为本领域技术人员认为所需的各种颜色成分、光稳定剂、加工助剂、气味吸附剂等的一种或几种的组合物。
上述耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料的制备方法，其步骤如下：
A、功能母粒的制备：
按重量组分将高流动聚丙烯、超高分子量聚乙烯、纳米硅酸盐、硅酮、偶联剂一同加入高速混料机进行混合均匀后，接着转入到密炼机的混炼室内进行高速密炼混合，接着将密炼混合好的块状物料转移到双腕式喂料口进行喂料，由单螺杆挤出机对其进行挤出、风冷、造粒制备出消光功能母粒。其中密炼机中的密炼室的温度设置在190-210℃，单螺杆直径为70mm,长径比为12，单螺杆挤出机分为三段控制温度，从喂料口到机头各段的温度依次为200℃、210℃、220℃。
B.耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备：
(1)按照质量比例称配好上述各组分；
(2)将聚丙烯、滑石粉、弹性体、抗氧剂、其它助剂等组分放于高速混合机中高速混合5-10min；
(3)将上述混合均匀后的原料从主喂料口加入到双螺杆挤出机中，功能母粒从双螺杆挤出机中部的侧向喂料口加入双螺杆挤出机，进行熔融挤出、拉条、冷却、造粒后，再经过烘料处理制备出耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机各区的加工工艺温度分别为：一区：185-200℃，二区200-210℃，三区210-215℃，四区205-210℃。整个挤出过程的时间约为2分钟，压力12-18Mpa，主螺杆转速500-600r/min，水槽温度为30～60℃，在双螺杆挤出机两侧添加抽双真空设置，双真空的真空度为-0.07MPa～-0.08MPa，烘料处理采用新的烘料工艺：A罐储料，B罐烘料，C罐冷却，其中B罐烘料工艺：130℃*4H。
本发明的优点在于：
本发明在传统薄壁化聚丙烯复合材料的基础配方上加入一种具有耐磨、降噪功效的功能母粒，功能母粒中的超高分子量聚乙烯，由于其自身独特的自润滑、耐磨性能，抗冲击性能，它的加入显著改善薄壁化聚丙烯复合材料的耐磨、冲击等机械性能；功能母粒以高流动性聚丙烯为载体，在随着聚合物体系从双螺杆挤出或注塑机中挤出时，能很好的将纳米硅酸盐均匀分散到复合材料体系，其独特的链层状结构，对声音的传递起到消散作用，同时它与功能母粒中的超高分子量聚乙烯发生协同作用来保证制备的复合材料具有优异的吸音、降噪功能；通过将功能母粒侧喂料加入的工艺方法，可以使薄壁化聚丙烯材料在具备耐磨、降噪的同时还保留其高熔指、高刚性、高韧性这一高性能的特性；同时本发明提出的耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料的制备工艺比较简单，生产成本较低。
具体实施方式：
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。除特殊说明外，实施例中各组分都为重量份。
本发明实施例和对比例所含各组分含量见表1。
表1
实施例和对比例中的各主要组分含量(质量百分含量)
Figure BDA0002330347520000041
上述表1中的实施例和对比例中的述的聚丙烯为共聚聚丙烯，采用M2600R、BX3920按1:1复配而成，牌号M2600R为上海石化生产，熔体流动速率分别为26g/10min，牌号BX3920为韩国SK公司生产，熔体流动速率为100g/10min。所述的滑石粉为目数在5000目左右的滑石粉，来自上海聚千化工有限公司，所述的弹性体为LG公司生产的热塑性POE弹性体，牌号为LC670。所述的功能母粒中的高流动聚丙烯为埃克森美孚生产，牌号7555KNE2，熔体流动速率在50g/10min。所述的功能母粒中超高分子量聚乙烯为东莞市精宏高分子材料有限公司生产，牌号为M4，相对分子质量为3.0*106，密度为0.93-0.94g/cm3。所述的功能母粒中的纳米硅酸盐为纳米蒙脱石，来自上海万照精细化工有限公司，牌号WSG-PN02。所述的硅酮为一种不含有有机载体的高效润滑剂，主要成分为聚二甲基硅氧烷，牌号：KJ-A01，来自凯杰高分子公司，所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH550。所述的抗氧剂为1010(四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)/三[2，4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)/DSTP(硫代二丙酸十八酯)按质量比1:2:1复配型抗氧剂。所述的其它助剂主要是指颜色成分、光稳定剂、及各种脂类润滑剂硬脂酸锌等。
具体实施方式展开如下：
A.功能母粒的制备：
按重量组分将高流动聚丙烯、超高分子量聚乙烯、纳米硅酸盐、硅酮、偶联剂一同加入高速混料机进行混合均匀后，接着转入到密炼机的混炼室内进行高速密炼混合，接着将密炼混合好的块状物料转移到双腕式喂料口进行喂料，由单螺杆挤出机对其进行挤出、风冷、造粒制备出消光功能母粒。其中密炼机中的密炼室的温度设置在190-210℃，单螺杆直径为70mm,长径比为12，单螺杆挤出机分为三段控制温度，从喂料口到机头各段的温度依次为200℃、210℃、220℃。
B.耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备：
(1)按照质量比例称配好上述各组分；
(2)将聚丙烯、滑石粉、弹性体、抗氧剂、其它助剂等组分放于高速混合机中高速混合5-10min；
(3)将上述混合均匀后的原料从主喂料口加入到双螺杆挤出机中，功能母粒从双螺杆挤出机中部的侧向喂料口加入双螺杆挤出机，进行熔融挤出、拉条、冷却、造粒后，再经过烘料处理制备出耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机各区的加工工艺温度分别为：一区：185-200℃，二区200-210℃，三区210-215℃，四区205-210℃。整个挤出过程的时间约为2分钟，压力12-18Mpa，主螺杆转速500-600r/min，水槽温度为30～60℃，在双螺杆挤出机两侧添加抽双真空设置，双真空的真空度为-0.07MPa～-0.08MPa，烘料处理采用新的烘料工艺：A罐储料，B罐烘料，C罐冷却，其中B罐烘料工艺：130℃*4H。
C.将按上述制备的复合材料粒子在80-100℃的鼓风烘箱中干燥2小时，然后将干燥好的粒子在注射成型机上进行注塑成型，然后进行性能测试。
D.基本力学性能测试：密度按照ISO1183-1标准进行测试，熔融指数按照ISO1133-1标准进行测试，测试温度为230℃，负荷2.16kg，拉伸强度按照ISO527-2标准进行检验，样条尺寸为170*10*4mm，拉伸速度50mm/min，弯曲模量按照ISO178标准进行检验，样条尺寸为80*10*4mm，跨距64mm，弯曲速度为2mm/min，简支梁缺口冲击强度按照ISO179-1标准进行检验，样条尺寸为80*10*4mm，缺口深度为试样宽度的五分之一。吸音降噪效果测试：采用阿尔法舱测量，计算材料在500-4000Hz频率范围的算术平均值。耐磨性能测试按照SAEJ948，测试样板尺寸：150*100*3.2mm的样板，测试条件：磨轮：CS-10，负载：500g/轮，总共250转，主要评价测试后材料磨损和表面发白情况。
实施例和对比例中材料性能测试数据
Figure BDA0002330347520000061
从上述表中的实施例和对比例的数据结果可以发现，实施例和对比例2-4制备出的材料性能都可以满足薄壁化材料的性能要求。由实施例1-7与对比例1可以发现，添加具有耐磨、降噪功效的功能母粒之后的薄壁化的聚丙烯复合材料体系的吸音降噪指数可以由17.5提升至33.4左右；耐磨性能可以由原来的有严重磨损和发白现象提升至无磨痕和发白现象；同样滑石粉组分填充的聚丙烯复合材料体系中(实施例3、6、7)，具有耐磨、降噪功效的功能母粒多的表现出一定的吸音降噪、耐磨性能，同时功能母粒多的也表现出较优的力学性能；由实施例3、6、7与对比例2、3、4进行对比发现，耐磨、降噪功效的母粒采用侧喂料添加制备的薄壁化聚丙烯材料要比主喂料方式制备的材料表现出更好的综合性能，当耐磨、降噪功效的功能母粒加入到12份时，制备出的薄壁化聚丙烯复合材料的吸音降噪指数可以达到33.4，且经过耐磨实验发现无磨损和发白现象。综上，在传统薄壁化聚丙烯复合材料基础配方中通过侧喂料方式加入高效的耐磨、降噪功能母粒，能制备出一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料。

Claims (10)

1.一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：其包括以下重量份计的原料：
聚丙烯：59-79；
滑石粉：8-16
弹性体：6-10；
功能母粒：4-12；
抗氧剂：0-1；
其它助剂：0-3。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚丙烯基体树脂采用均聚或共聚聚丙烯，熔融指数(230℃，2.16KG)在50g-100g/10min。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的滑石粉为5000目滑石粉体材料。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的弹性体为一种乙烯和丁烯共聚物、乙烯和辛烯共聚物中的一种或两种混合物，其密度在0.86-0.90g/cm3，熔融指数在0.5-6g/10min。
5.根据权利要求1所述的一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的功能母粒由下列组分按重量份数制备而成：
高流动聚丙烯15份、超高分子量聚乙烯40份、纳米硅酸盐40份、硅酮2份、偶联剂3份。
6.根据权利要求5所述的一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的高流动性聚丙烯为熔融指数(230℃，2.16KG)在50-100g/10min；所述的超高分子量聚乙烯为分子量150万以上无支链的线性聚乙烯；所述的纳米硅酸盐为纳米蒙脱石、纳米角闪石中的一种；所述的硅酮为一种不含有有机载体的高效润滑剂，主要成分为聚二甲基硅氧烷，所述的偶联剂为硅烷偶联剂KH550。
7.根据权利要求1所述的一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)、三[2，4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯(抗氧剂168)、硫代二丙酸十八酯(抗氧剂DSTP)、β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯(抗氧剂1076)、中的一种或者两种以上混合组成。
8.根据权利要求1所述的一种耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的其它助剂为主要为本领域技术人员认为所需的各种颜色成分、光稳定剂、加工助剂、气味吸附剂等的一种或几种的组合物。
9.权利要求1-8任意之一所述耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：其步骤如下：
A.功能母粒的制备：
按重量组分将高流动聚丙烯、超高分子量聚乙烯、纳米硅酸盐、硅酮、偶联剂一同加入高速混料机进行混合均匀后，接着转入到密炼机的混炼室内进行高速密炼混合，接着将密炼混合好的块状物料转移到双腕式喂料口进行喂料，由单螺杆挤出机对其进行挤出、风冷、造粒制备出消光功能母粒。其中密炼机中的密炼室的温度设置在190-210℃，单螺杆直径为70mm,长径比为12，单螺杆挤出机分为三段控制温度，从喂料口到机头各段的温度依次为200℃、210℃、220℃；
B.耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料及其制备：
(1)按照质量比例称配好上述各组分；
(2)将聚丙烯、滑石粉、弹性体、抗氧剂、其它助剂等组分放于高速混合机中高速混合5-10min；
(3)将上述混合均匀后的原料从主喂料口加入到双螺杆挤出机中，功能母粒从双螺杆挤出机中部的侧向喂料口加入双螺杆挤出机，进行熔融挤出、拉条、冷却、造粒后，再经过烘料处理制备出耐磨、降噪、薄壁化聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机各区的加工工艺温度分别为：一区：185-200℃，二区200-210℃，三区210-215℃，四区205-210℃。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，整个挤出过程的时间约为2分钟，压力12-18Mpa，主螺杆转速500-600r/min，水槽温度为30～60℃，在双螺杆挤出机两侧添加抽双真空设置，双真空的真空度为-0.07MPa～-0.08MPa，烘料处理采用新的烘料工艺：A罐储料，B罐烘料，C罐冷却，其中B罐烘料工艺：130℃*4H。
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