CN111620981A - 一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料及其在家具中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其制备原料包括聚乙烯、蒙脱土、聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺、丙烯酰胺和引发剂；其中聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺由聚多元醇单醚与丙烯酰胺制备而成。本发明含有聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺支链的复合材料中，各个成分与蒙脱土的相容性大为改善，配合相容剂，可以使得复合材料的均匀性和相容性达到稳定和优异的程度，从而极大地提升了复合材料的力学性能和韧性。本发明还涉及改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料作为家具板材的制备方法和应用。

Description

一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料及其在家具中的应用
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料及其在家具中的应用。
背景技术
聚乙烯由于价格便宜，来源广泛，制备方法成熟等优点，是用量最多的通用塑料。聚乙烯制品广泛地应用于多个领域是人们所熟知的。然而，聚乙烯韧性较差，通常需要提升其韧性以使得聚乙烯具有更加优异的力学性能和耐候性。通过与无机填料复合物理共混的方式，来改进聚乙烯的力学性能和耐候性，是人们所常用的方法。而蒙脱土作为一种常用的无机填料，与聚乙烯共混后具有较为理想的效果，也是人们所已知的(袁道升，硕士学位论文，改性蒙脱土及其聚乙烯稳定性的影响研究，2008)。
蒙脱土(英文名称montmorillonite)又名胶岭石、微晶高岭石，一种硅酸盐的天然矿物，为膨润土矿的主要矿物组分。含Al2O3为16.54％；MgO为4.65％；SiO2为50.95％。结构式为(Al,Mg)2(SiO10)(OH)2·nH2O。单斜晶系，多位微晶，集合体呈土状、球粒等状。白色微带浅灰色，含杂质时呈浅黄、浅绿、浅蓝色，土状光泽或无光泽，有滑感。加水后其体积可膨胀数倍，并变成糊状物。受热脱水后体积收缩。具有很强的吸附能力和阳离子交换性能，主要产于火山凝灰岩的风化壳中。蒙脱土(包括钙基、钠基、钠-钙基、镁基蒙脱土)经剥片分散、提纯改型、超细分级、特殊有机复合，平均晶片厚度小于25nm，可做漂白剂、吸附剂填充剂，被称为“万能材料”。因为在蒙脱土之间可以嵌入聚合物，并且可以使得聚合物具有异乎寻常的构型和构象上规整的排列，因此可以使得高聚物的材料性能显著提高。蒙脱土之间嵌入聚合物的研究受到了研究广泛关注。比如，有人采用丙烯酰胺嵌入蒙脱土中，丙烯酰胺的韧性大大提升(张桂玲，戴柏青，韦永德。层间化合物hBN-Cu稳定性的理论研究。分子科学学报，2000,16(4):234-238)。
聚乙烯/蒙脱土复合材料通常可以应用于室内家具复合材料中。如聚乙烯共混高密度聚乙烯，并且辅助添加马来酸酐接枝聚乙烯、聚乙烯蜡、石蜡和碳纤维等，在高速混合机中进行二次共混，然后加入双螺杆挤出机中，熔融混炼挤出，即可得到家具复合板材。其制备而成的材料，局部具有较为理想的力学性能，如弯曲强度、冲击强度以及抗拉强度等。然而，高聚物是一种典型的有机物，其结构主要由碳氢化合物组成，而蒙脱土更多的是金属化合物及金属元素，两者之间的极性相差很大，从而结构差异所带来的相容性较差是不容忽视的问题，其通常导致最终制备而成的含聚乙烯和蒙脱土的复合材料相分离和成团，极大地影响了造粒成型后的家具复合材料的所含各个成分共混的均匀性，导致力学性能显著地下降。
因此，如何解决蒙脱土和聚乙烯的相容性，继而进一步地优化二者所制备而成的家具复合材料的力学性能的问题，是亟需解决的难题。
发明内容
本发明旨在提供一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，并且应用于家具中。其中蒙脱土中含有聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺，然后在挤出机高温下和引发剂的条件下，含有聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺可以再次接枝到聚乙烯上。令人意外的发现，含有聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺支链的家具复合材料中，各个成分与蒙脱土的相容性大为改善，配合相容剂的作用，可以使得家具复合材料的均匀性和相容性达到稳定和优异的程度，从而极大地提升了造粒成型后的复合材料的力学性能，特别是在较高温度下的力学性能，比如缺口冲击强度。
本发明的一个目的，在于提供一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，通过以下技术手段得以实现。
一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其中，所述改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料的制备原料包括聚乙烯、蒙脱土、聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺、丙烯酰胺和引发剂；所述聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺由聚多元醇单醚与丙烯酰胺制备而成。
进一步地，所述聚多元醇单醚选自聚乙二醇单甲醚，聚丙二醇单甲醚或聚丁二醇单甲醚。
进一步地，所述改性蒙脱土增强聚乙烯按以下质量份数的原料制备而成：
Figure BDA0002530231080000021
进一步地，所述聚多元醇单醚中的重复单元数为5-10的整数。
进一步地，所述蒙脱土的粒径为0.3-0.8μm。
进一步地，所述聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺的制备方法如下所述：
将聚多元醇单醚和丙烯酰胺混合，加入去离子水搅拌，然后升温至70-90℃；然后在过硫酸铵和亚硫酸氢钠的催化体系下反应3-5h。
进一步地，所述聚多元醇单醚和丙烯酰胺的物质的量之比为0.1-0.3:1。
进一步地，所述过硫酸铵的加入量为聚乙二醇单甲醚的0.1-0.3wt％；所述亚硫酸氢钠的加入量为聚乙二醇单甲醚的0.1-0.3wt％。
进一步地，所述聚乙烯的数均分子量为70-100万。
本发明中所述相容剂，抗氧化剂，引发剂没有特别的限定，本领域常用的试剂即可。所述相容剂可以举出的例子包括但不限于GMG9801、GPM200或NG2002，所述抗氧化剂可以举出的例子包括但不限于叔丁基对苯二酚、茶多酚或对苯二酚，所述引发剂为自由基引发剂，可以举出的例子包括但不限于过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈或过氧化环己酮。
本发明的另外一个目的，在于提供一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料的制备方法，所述脱土增强聚乙烯的复合材料的制备方法如下所述：
S1.将发泡剂、相容剂和抗氧化剂加入到挤出机中，混合均匀；
S2.将聚乙烯、聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺、蒙脱土和引发剂从挤出机的第一段自然排气口的侧边加入；
S3.将上述材料进行熔融、挤出、造粒。
本发明的另外一个目的，在于提供上述改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料在家具中的应用。
本发明具有以下技术效果：
1.本发明中在丙烯酰胺中混入部分聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺，可以有效地提升改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料的力学性能。这是因为，丙烯酰胺和聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺具有良好的协同作用。具体地，首先，通过在部分聚乙烯主链中引入聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺支链，使得聚乙烯的线性结构变为向支链方向延伸的网状结构，而聚多元醇支链作为一种高聚物，可以从不同方向插入蒙脱土中，相比于聚乙烯仅从二维方向上插入蒙脱土，可以将蒙脱土进一步地均匀分散；另外，丙烯酰胺和聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺二者都含有丙烯酰胺结构，因此二者的相容性很好，它们分别与聚乙烯接枝后所形成的产物，物理混合后均匀性极佳，形成浑然一体的结构，因此宏观上整个复合材料的分散性和均匀性得到了充分的提升
2.聚乙二醇链段本身具有良好的分散性，有利于蒙脱土颗粒的分散；并且聚多元醇链段带有极性，因此与蒙脱土这种强极性的金属化合物具有一定的亲和力，从而有利于提升含有聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺支链的聚乙烯结构与蒙脱土的相容性；而主链为聚乙烯，与复合材料中未经聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺修饰的聚乙烯也具有优异的亲和性，因此可以对蒙脱土这种强极性的成分，和聚乙烯这种弱极性的成分，同时具有“双亲”效果，从而增加了配方中聚乙烯和蒙脱土的相容性。
3.丙烯酰胺具有的双键，在引发作用下与聚乙烯主链发生接枝反应，其本质为一种放热反应，而放出的热量可以将蒙脱土片层撑开，此时接枝的链段有一定的几率包裹在片层周围，使得蒙脱土之间被聚合物链段进一步地分散，有利于形成稳定均匀的插层复合材料。
4.由于上述三种原因，改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料相容性显著提升，使得材料作为家具复合材料后强度提高明显。这是因为，在拉伸受力时，蒙脱土片层与聚乙烯基体不容易滑脱，前者在更大程度上起到分担外载荷的作用，从而使复合材料具有较好的力学性能；另外，采用从挤出机的侧边加入蒙脱土的方式，在使蒙脱土剥离的同时可以更大程度上保留片层结构不受损害，进而提高材料热稳定性和耐磨性。上述性能使得改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料在家具中具有良好的应用前景。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。本发明实施例所述原料均为市售，除非特别说明，采用的原料和方法为本技术领域常规原料和方法。
本发明所公布的实施例中，
蒙脱土采购自广州喜嘉化工有限公司，粒径为0.3-1μm；
聚乙烯采购自济南益鸿化工有限公司，型号为2200J，数均分子量为90万；
聚乙二醇单甲醚、聚丙二醇单甲醚均采购自江苏省海安石油化工厂。
制备例1
聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺1的制备方法如下所述：反应釜中，将0.1mol的聚乙二醇单甲醚(其中，聚乙二醇单甲醚的重复单元数为5)，与1mol的丙烯酰胺混合，然后加入质量为聚乙二醇单甲醚的20wt％的去离子水搅拌均匀；然后升温至70℃，分别加入聚乙二醇单甲醚的0.1wt％的过硫酸铵和0.1wt％的亚硫酸氢钠作为催化剂，反应3h，得到聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺1。
制备例2
聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺2的制备方法如下所述：反应釜中，将0.3mol的聚乙二醇单甲醚(其中，聚乙二醇单甲醚的重复单元数为10)，与1mol的丙烯酰胺混合，然后加入质量为聚乙二醇单甲醚的40wt％的去离子水搅拌均匀；然后升温至90℃，分别加入聚乙二醇单甲醚的0.3wt％的过硫酸铵和0.3wt％的亚硫酸氢钠作为催化剂，反应5h，得到聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺2。
制备例3
聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺3的制备方法如下所述：反应釜中，将0.05mol的聚乙二醇单甲醚(其中，聚乙二醇单甲醚的重复单元数为7)，与1mol的丙烯酰胺混合，然后加入质量为聚乙二醇单甲醚的30wt％的去离子水搅拌均匀；然后升温至80℃，分别加入聚乙二醇单甲醚的0.2wt％的过硫酸铵和0.2wt％的亚硫酸氢钠作为催化剂，反应5h，得到聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺3。
制备例4
反应釜中，聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺4的制备方法如下所述：将0.5mol的聚乙二醇单甲醚(其中，聚乙二醇单甲醚的重复单元数为7)，与1mol的丙烯酰胺混合，然后加入质量为聚乙二醇单甲醚的30wt％的去离子水搅拌均匀；然后升温至80℃，分别加入聚乙二醇单甲醚的0.2wt％的过硫酸铵和0.2wt％的亚硫酸氢钠作为催化剂，反应5h，得到聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺4。
制备例5
反应釜中，聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺5的制备方法如下所述：将0.3mol的聚乙二醇单甲醚(其中，聚乙二醇单甲醚的重复单元数为3)，与1mol的丙烯酰胺混合，然后加入质量为聚乙二醇单甲醚的30wt％的去离子水搅拌均匀；然后升温至80℃，分别加入聚乙二醇单甲醚的0.2wt％的过硫酸铵和0.2wt％的亚硫酸氢钠作为催化剂，反应5h，得到聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺5。
制备例6
反应釜中，聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺6的制备方法如下所述：将0.3mol的聚乙二醇单甲醚(其中，聚乙二醇单甲醚的重复单元数为15)，与1mol的丙烯酰胺混合，然后加入质量为聚乙二醇单甲醚的30wt％的去离子水搅拌均匀；然后升温至80℃，分别加入聚乙二醇单甲醚的0.2wt％的过硫酸铵和0.2wt％的亚硫酸氢钠作为催化剂，反应5h，得到聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺6。
制备例7
反应釜中，聚丙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺的制备方法如下所述：将0.3mol的聚丙二醇单甲醚(其中，聚丙二醇单甲醚的重复单元数为7)，与1mol的丙烯酰胺混合，然后加入质量为聚丙二醇单甲醚的30wt％的去离子水搅拌均匀；然后升温至80℃，分别加入聚丙二醇单甲醚的0.2wt％的过硫酸铵和0.2wt％的亚硫酸氢钠作为催化剂，反应5h，得到聚丙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺。
实施例1
一种作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料1，按以下质量份数的原料制备而成：
Figure BDA0002530231080000061
其中，
GMG9801是相容剂，采购自上海日之升新技术发展有限公司；
蒙脱土的粒径为0.3μm。
上述改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料1的制备方法如下：
S1.将偶氮二甲酰胺、GMG9801和叔丁基对苯二酚按上述质量份数，加入到啮合式平行同向的双螺杆挤出机中，混合均匀；
S2.将聚乙烯、聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺1、蒙脱土和过氧化二苯甲酰，按上述质量份数，从双螺杆挤出机的第一段自然排气口的侧边加入；
S3.将上述材料在180℃下共混3h，进行熔融，然后经过双螺杆挤出机挤出、造粒机造粒，得到作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料1。
实施例2
一种作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料2，按以下质量份数的原料制备而成：
Figure BDA0002530231080000062
其中，
GPM200相容剂，采购自宁波能之光新材料科技有限公司；
蒙脱土的粒径为0.8μm。
上述改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料2的制备方法如下：
S1.将明矾、GPM200和茶多酚按上述质量份数，加入到啮合式平行同向的双螺杆挤出机中，混合均匀；
S2.将聚乙烯、聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺2、蒙脱土和偶氮二异丁腈，按上述质量份数，从双螺杆挤出机的第一段自然排气口的侧边加入；
S3.将上述材料在180℃下共混3h，进行熔融，然后经过双螺杆挤出机挤出、造粒机造粒，得到作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料2。
实施例3
一种作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料3，按以下质量份数的原料制备而成：
Figure BDA0002530231080000071
其中，
NG2002是相容剂，采购自上海泽民塑胶有限公司；
蒙脱土的粒径为0.5μm。
上述改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料3的制备方法如下：
S1.将N,N二亚硝基五次甲基四胺、NG2002和对苯二酚按上述质量份数，加入到啮合式平行同向的双螺杆挤出机中，混合均匀；
S2.将聚乙烯、聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺3、蒙脱土和过氧化环己酮，按上述质量份数，从双螺杆挤出机的第一段自然排气口的侧边加入；
S3.将上述材料在180℃下共混3h，进行熔融，然后经过双螺杆挤出机挤出、造粒机造粒，得到作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料3。
实施例4
实施例4中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料4的原料和制备方法与实施例3相同，唯一的区别在于，将聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺3替换为等质量份数的聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺4。
实施例5
实施例5中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料5的原料和制备方法与实施例3相同，唯一的区别在于，将聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺3替换为等质量份数的聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺5。
实施例6
实施例6中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料6的原料和制备方法与实施例3相同，唯一的区别在于，将聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺3替换为等质量份数的聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺6。
实施例7
实施例7中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料7的原料和制备方法与实施例3相同，唯一的区别在于，将聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺3替换为等质量份数的制备例7制得的聚丙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺。
实施例8
实施例8中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料8的原料和制备方法与实施例1相同，唯一的区别在于，所述蒙脱土的粒径为1.0μm。
对比例1
对比例1中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料9的原料和制备方法与实施例1相同，唯一的区别在于，将聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺1以等质量份数的丙烯酰胺代替。
对比例2
对比例3中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料11的原料和制备方法与实施例1相同，唯一的区别在于，不含聚乙二醇单甲醚接枝的丙烯酰胺1。
对比例3
对比例4中作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料12的原料和制备方法与实施例1相同，唯一的区别在于，不含丙烯酰胺。
测试手段
力学性能测试：
将上述实施例1-8、对比例1-3的作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，按照以下测试方法进行表征：
拉伸强度按照GB/T 1040-92进行测试，其中试样的尺寸同GB/T 1040-92中的I型试样尺寸；
弯曲强度、弯曲模量按照GB/T 9341-2008进行测试，其中试样的尺寸为：长度为80mm，宽度为10mm，厚度为3.8mm；
缺口冲击强度按照GB/T 1843-2008进行测试，其中试样的尺寸为：长度为80mm，宽度为10mm，厚度为3.8mm。
所得的的测试结果如表1所示。
表1作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料的力学性能测试结果
Figure BDA0002530231080000091
通过表1数据可以看出，本发明提供的作为家具板材的改性蒙脱土增强聚乙烯的各项力学性能均有不同程度的改善，特别是在较高温度(50℃)下的缺口冲击强度有明显提高，便于家具板材加工时在较高温度下的加工，充分显示了本发明的先进性。

Claims (10)

1.一种改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，所述改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料的制备原料包括聚乙烯、蒙脱土、聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺、丙烯酰胺和引发剂；其中聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺由聚多元醇单醚与丙烯酰胺制备而成。
2.根据权利要求1所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，聚多元醇单醚选自聚乙二醇单甲醚，聚丙二醇单甲醚和聚丁二醇单甲醚中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，所述改性蒙脱土增强聚乙烯按以下质量份数的原料制备而成：
Figure FDA0002530231070000011
4.根据权利要求1所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，所述聚多元醇单醚中的重复单元数为5-10的整数。
5.根据权利要求1所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，所述蒙脱土的粒径为0.3-0.8μm。
6.根据权利要求1所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，所述聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺通过包括如下步骤的制备方法得到：
将聚多元醇单醚和丙烯酰胺混合，加入去离子水搅拌，然后升温至70-90℃；然后在过硫酸铵和亚硫酸氢钠的催化体系下反应3-5h。
7.根据权利要求6所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，所述聚多元醇单醚和丙烯酰胺的物质的量之比为0.1-0.3:1。
8.根据权利要求1所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料，其特征在于，所述聚乙烯的数均分子量为70-100万。
9.权利要求1-8任一项所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料的制备方法，其特征在于，所述改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料的制备方法如下所述：
S1.将发泡剂、相容剂和抗氧化剂加入到挤出机中，混合均匀；
S2.将聚乙烯、聚多元醇单醚接枝的丙烯酰胺、蒙脱土和引发剂从挤出机的第一段自然排气口的侧边加入；
S3.将上述材料进行熔融、挤出、造粒。
10.权利要求1-8任一项所述的改性蒙脱土增强聚乙烯的复合材料在家具中的应用。
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