CN111849116A - 一种高强度塑料及其加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高分子领域，具体公开了一种高强度塑料及其加工工艺，高强度塑料由包含以下重量份的原料制成：ABS 70‑90份，玻璃纤维8‑12份，偶联剂改性的硼酸镁晶须6‑8份，两亲性纳米二氧化硅13‑16份，分散剂1‑2份，增韧剂15‑20份，抗氧化剂1‑3份；其中，硼酸镁晶须的改性方法包括：将偶联剂加入到无水乙醇中于50‑70℃下混合，得到改性剂，偶联剂与无水乙醇的重量比为1:(3.5‑4.5)；将硼酸镁晶须加入改性剂中，超声振动后抽滤，干燥后得到改性硼酸镁晶须，硼酸镁晶须与偶联剂的重量比为50‑80；其制备方法为：a.将上述原料混合均匀得混合料；b.将混合料于200‑230℃下熔融共混并挤出制粒，得到高强度塑料。本发明制备的高强度塑料具有强度高，不易损坏的优点。

Description

一种高强度塑料及其加工工艺

技术领域

本发明涉及高分子领域，更具体地说，它涉及一种高强度塑料及其加工工艺。

背景技术

由塑料制成的各种制品以其重量轻、化学稳定性优良和电绝缘性优异等特点，已经广泛应用在人们的生活、工作的各个方面。

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）树脂是重要的通用合成树脂，主体是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共混物或三元共聚物，是一种坚韧而有刚性的热塑性塑料。其用途非常广泛，汽车工业常用于制造汽车零部件如仪表板、车身外板、内装饰板、方向盘、隔音板、门锁、保险杠、通风管等，家电行业常用于制造如电冰箱、电视机、洗衣机、真空吸尘器、食品搅拌器、电话机的壳体等，在建筑装饰行业常用于制造如卫生器具、游泳池衬里、管材和管件等，另外在生活中，还用于制造安全帽、摩托车档板、鞋后跟、雪地运动用品、玩具、时钟、音箱外壳、手提箱、纽扣、化妆品盒、塑料桶、托盘等日用品和铭牌、装饰品等广告品。

尽管ABS应用广泛，但由于ABS本身分子结构性能的特性，使得ABS塑料在强度方面不足，容易出现损坏的情况，造成很大的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的ABS塑料在强度方面不足的问题，本发明的第一个目的在于提供一种高强度塑料，所述高强度塑料具有强度高，不易损坏的优点。

本发明的第二个目的在于提供一种高强度塑料的加工工艺，所述制备方法具有操作简单的优点。

为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高强度塑料，由包含以下重量份的原料制成：ABS 70-90份，玻璃纤维8-12份，偶联剂改性的硼酸镁晶须6-8份，两亲性纳米二氧化硅13-16份，分散剂1-2份，增韧剂15-20份，抗氧化剂1-3份。

通过采用上述技术方案，硼酸镁晶须具有很好的耐高温性能、力学性能和阻燃性能，硼酸镁晶须的加入能够有效增加塑料的强度，降低塑料损坏的情况。

通过偶联剂改性后的硼酸镁晶须，偶联剂以化学和物理方式吸附和包覆在硼酸镁晶须表面，使得硼酸镁晶须由改性前的亲水疏油性变成改性后的亲油疏水性，极性和表面能大幅度下降，提高了硼酸镁晶须与ABS基体的相容性。同时，偶联剂包裹在硼酸镁晶须表面，增加了硼酸镁晶须之间的排斥力，使得硼酸镁晶须更易分散，提高了硼酸镁晶须的分散性，从而有效改善塑料的强度。另外，偶联剂的存在，增加硼酸镁晶须与ABS基体的结合力和相容性，连接强度，从而改善了硼酸镁晶须与ABS基体的界面粘接问题，进一步提高改善塑料强度的效果。

两亲性纳米二氧化硅具有表面活性剂的功能，既能与玻璃纤维具有很好的相容性，又能与ABS基体具有很好的相容性，从而能够降低玻璃纤维发生团聚的现象，增加玻璃纤维的分散性，提高塑料的强度，另外，纳米二氧化硅具有增强效果，两亲性纳米二氧化硅的加入一方面能够增加塑料的强度和耐磨性能，另一方面起到分散剂的作用，降低分散剂的用量。

综上，本发明配方中选取特定的原料并限定原料的配比，使得各原料之间相互配合作用，能够有效增加塑料的强度，降低塑料损坏的情况，提高使用寿命。

进一步地，所述硼酸镁晶须的改性方法包括以下步骤：

S1：将偶联剂加入到无水乙醇中，于50-70℃下混合均匀，得到改性剂，偶联剂与无水乙醇的重量比为1:(3.5-4.5)；

S2：将硼酸镁晶须加入到S1中的改性剂中，超声振动1.2-1.5h后抽滤，干燥后得到改性硼酸镁晶须，硼酸镁晶须与偶联剂的重量比为50-80。

通过采用上述技术方案，使用超声振动，最大限度的保护了硼酸镁晶须结构，能明显防止硼酸镁晶须长径比的下降。

进一步地，偶联剂包括硼酸酯偶联剂和硅烷偶联剂，硼酸酯偶联剂与硅烷偶联剂的重量比为1.0-1.5。

通过采用上述技术方案，硼酸酯偶联剂和硼酸镁晶须均以硼原子为中心，二者之间具有较强的吸附作用，使得硼酸酯偶联剂在硼酸镁晶须表面形成有机包覆层，且硼酸酯偶联剂和硼酸镁晶须均以硼原子为中心，能够进一步提高塑料的阻燃性能。

硅烷偶联剂含有较多的烷氧基基团，并含有反应性基团，烷氧基基团通过水解变为硅羟基，与硼酸镁晶须表面的羟基发生化学反应，而反应性基团通过反应与硼酸酯偶联剂进行键合，使得硅烷偶联剂与硼酸酯偶联剂配合，在硼酸镁晶须表面形成包覆层，大大降低硼酸镁晶须的表面能，提高硼酸镁晶须的分散性，从而提高塑料的强度。另外，硅烷偶联剂与硼酸酯偶联剂配合，能够进一步增加与ABS基体的连接强度，从而进一步提高硼酸酯晶须与ABS基体的粘接强度，提高塑料的强度。

进一步地，硅烷偶联剂采用γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、己二胺基甲基三乙氧基硅烷中的一种。

通过采用上述技术方案，γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、己二胺基甲基三乙氧基硅烷中均含有N原子，能够与硼酸酯偶联剂通过N-B配位相互键合，在硼酸镁晶须外周形成一层致密均匀的包覆薄层，有效降低硼酸镁晶须团聚现象，提高硼酸镁晶须的分散性，进而有效改善塑料的强度。

进一步地，硼酸镁晶须的长径比为40-90。

通过采用上述技术方案，经试验发现，硼酸镁晶须的长径比为40-90时，塑料的拉伸强度和抗冲击性能较佳。分析其原因可能是，硼酸镁晶须的长径比越大，在塑料中起到应力的作用越好，从而有助于提高塑料的拉伸强度和抗冲击性能。但长径比过大时，硼酸镁晶须的分散性降低，从而对塑料的拉伸强度和抗冲击性能的改善产生影响。

进一步地，两亲性纳米二氧化硅的制备方法包括以下步骤:

（1）将10-15份亲水纳米二氧化硅加入到200-250ml苯中，混合均匀后加入1-2份硅烷化合物和0.1-0.12份催化剂并搅拌均匀得混合液；

（2）将混合液过滤，并用乙醇洗涤后干燥，得两亲性纳米二氧化硅。

通过采用上述技术方案，通过硅烷化合物改性亲水性纳米二氧化硅，使得亲水性纳米二氧化硅兼具固体粒子和化学表面活性剂的双重有效，能够增加纳米二氧化硅的分散性，与ABS基体的粘接性。另外，该制备方法简单，实施性较强。

进一步地，催化剂采用氨水、三乙胺、三乙醇胺的一种或多种。

进一步地，硅烷化合物采用十八烷基三甲氧基硅烷。

进一步地，分散剂采用液体石蜡、三硬脂酸甘油酯、硬脂酸中的一种或多种。

目的二：提供一种高强度塑料的加工工艺，包括以下步骤：

a.将ABS、玻璃纤维、偶联剂改性的硼酸镁晶须、两亲性纳米二氧化硅、分散剂、增韧剂、抗氧化剂混合均匀得混合料；

b.将混合料于200-230℃下熔融共混并挤出制粒，得到高强度塑料。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明配方中加入玻璃纤维、偶联剂改性的硼酸镁晶须和两亲性纳米二氧化硅，而三者具有较强的增强效果，与配方中其它原料配合有效提高塑料的拉伸强度和抗冲击性能。另外，硼酸镁晶须具有阻燃性，能够提高塑料的阻燃性能。

2、硼酸镁晶须采用偶联剂改性，提高了硼酸镁晶须与ABS基体的相容性，并使得硼酸镁晶须更易分散，从而有效改善塑料的强度。同时，偶联剂的存在，增加硼酸镁晶须与ABS基体的结合力和连接强度，进一步提高改善塑料强度的效果。

3、两亲性纳米二氧化硅具有表面活性剂的功能，起到分散剂的作用，能够降低体系内团聚现象，使得各组分能够均匀分散，增加塑料的强度。另外，纳米二氧化硅具有增强效果，能够增加塑料的强度和耐磨性能。

4、偶联剂采用硼酸酯偶联剂和硅烷偶联剂配合对硼酸镁晶须改性，硅烷偶联剂与硼酸酯偶联剂通过N-B配位相互键合在硼酸镁晶须外周形成一层致密均匀的包覆薄层，有效降低硼酸镁晶须团聚现象，提高硼酸镁晶须的分散性，进而有效改善塑料的拉伸强度和抗冲击性能。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本发明作进一步详细说明。

以下实施例和对比例中，

亲水纳米二氧化硅购自成都龙腾化工有限责任公司。

实施例1

一种采用以下方法制备的高强度塑料，包括：

a.将70g ABS、12g玻璃纤维、6g偶联剂改性的硼酸镁晶须、16g两亲性纳米二氧化硅、1g分散剂、20g增韧剂、1g抗氧化剂加入高速混合机以转速1000r/min混合8min，得混合料；

b.将混合料加入双螺杆挤出机中于200℃下进行熔融共混并挤出制粒，得高强度塑料，机头挤出温度为210℃。

其中，

硼酸镁晶须的改性方法包括以下步骤：

S1：将偶联剂加入到无水乙醇中，于50℃下混合均匀，得到改性剂，偶联剂与无水乙醇的重量比为1:3.5，偶联剂包括硼酸酯偶联剂和γ-氨丙基三甲氧基硅烷，硼酸酯偶联剂与γ-氨丙基三甲氧基硅烷的重量比为1.0；

S2：将硼酸镁晶须加入到S1中的改性剂中，超声振动1.2h后抽滤，并用无水乙醇洗涤后，于90℃下干燥4h后，得到改性硼酸镁晶须，硼酸镁晶须与偶联剂的重量比为50，硼酸镁晶须的长径比为40。

两亲性纳米二氧化硅的制备方法包括以下步骤：

（1）将10g亲水纳米二氧化硅加入到250ml苯中，混合均匀后加入1g硅烷化合物和0.12g催化剂并搅拌均匀得混合液；

（2）将混合液过滤，并用乙醇洗涤后真空干燥，得两亲性纳米二氧化硅。

硅烷化合物采用十八烷基三甲氧基硅烷，催化剂采用氨水。

分散剂采用液体石蜡；增韧剂采用甲基丙烯甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物，抗氧化剂采用1010型受阻酚抗氧化剂。

实施例2

一种采用以下方法制备的高强度塑料，包括：

a.将80g ABS、10g玻璃纤维、7g偶联剂改性的硼酸镁晶须、15g两亲性纳米二氧化硅、1.5g分散剂、17g增韧剂、2g抗氧化剂加入高速混合机以转速1100r/min混合7min，得混合料；

b.将混合料加入双螺杆挤出机中于215℃下进行熔融共混并挤出制粒，得高强度塑料，机头挤出温度为220℃。

其中，

硼酸镁晶须的改性方法包括以下步骤：

S1：将偶联剂加入到无水乙醇中，于60℃下混合均匀，得到改性剂，偶联剂与无水乙醇的重量比为1:4.0，偶联剂包括硼酸酯偶联剂和γ-氨丙基三乙氧基硅烷，硼酸酯偶联剂与γ-氨丙基三乙氧基硅烷的重量比为1.3；

S2：将硼酸镁晶须加入到S1中的改性剂中，超声振动1.3h后抽滤，并用无水乙醇洗涤后，于90℃下干燥4h后，得到改性硼酸镁晶须，硼酸镁晶须与偶联剂的重量比为65，硼酸镁晶须的长径比为65。

两亲性纳米二氧化硅的制备方法包括以下步骤：

（1）将12g亲水纳米二氧化硅加入到225ml苯中，混合均匀后加入1.5g硅烷化合物和0.11g催化剂并搅拌均匀得混合液；

（2）将混合液过滤，并用乙醇洗涤后真空干燥，得两亲性纳米二氧化硅。

硅烷化合物采用十八烷基三甲氧基硅烷，催化剂采用三乙胺。

分散剂采用三硬脂酸甘油酯；增韧剂采用甲基丙烯甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物，抗氧化剂采用1010型受阻酚抗氧化剂。

实施例3

一种采用以下方法制备的高强度塑料，包括：

a.将90g ABS、8g玻璃纤维、8g偶联剂改性的硼酸镁晶须、13g两亲性纳米二氧化硅、2g分散剂、15g增韧剂、0.5g抗氧化剂加入高速混合机以转速1200r/min混合5min，得混合料；

b.将混合料加入双螺杆挤出机中于230℃下进行熔融共混并挤出制粒，得高强度塑料，机头挤出温度为230℃。

其中，

硼酸镁晶须的改性方法包括以下步骤：

S1：将偶联剂加入到无水乙醇中，于70℃下混合均匀，得到改性剂，偶联剂与无水乙醇的重量比为1:4.5，偶联剂包括硼酸酯偶联剂和己二胺基甲基三乙氧基硅烷，硼酸酯偶联剂与己二胺基甲基三乙氧基硅烷的重量比为1.5；

S2：将硼酸镁晶须加入到S1中的改性剂中，超声振动1.5h后抽滤，并用无水乙醇洗涤后，于90℃下干燥4h后，得到改性硼酸镁晶须，硼酸镁晶须与偶联剂的重量比为80，硼酸镁晶须的长径比为90。

两亲性纳米二氧化硅的制备方法包括以下步骤：

（1）将15g亲水纳米二氧化硅加入到250ml苯中，混合均匀后加入2g硅烷化合物和0.1g催化剂并搅拌均匀得混合液；

（2）将混合液过滤，并用乙醇洗涤后真空干燥，得两亲性纳米二氧化硅。

硅烷化合物采用十八烷基三甲氧基硅烷，催化剂采用三乙醇胺。

分散剂采用硬脂酸；增韧剂采用甲基丙烯甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物，抗氧化剂采用1010型受阻酚抗氧化剂。

对比例1

一种采用以下方法制备的高强度塑料，与实施例2的区别在于，60g ABS、15g玻璃纤维、5g偶联剂改性的硼酸镁晶须、18g两亲性纳米二氧化硅、0.5g分散剂、25g增韧剂、0.5g抗氧化剂。

对比例2

一种采用以下方法制备的高强度塑料，与实施例2的区别在于，100g ABS、5g玻璃纤维、10g偶联剂改性的硼酸镁晶须、10g两亲性纳米二氧化硅、4g分散剂、13g增韧剂、5g抗氧化剂。

对比例3

一种采用以下方法制备的高强度塑料，与实施例2的区别在于，硼酸镁晶须改性方法中，采用等量的硅烷偶联剂替换硼酸酯偶联剂。

对比例4

一种采用以下方法制备的高强度塑料，与实施例2的区别在于，硼酸镁晶须改性方法中，采用等量的硼酸酯偶联剂替换γ-氨丙基三乙氧基硅烷。

对比例5

一种采用以下方法制备的高强度塑料，与实施例2的区别在于，硼酸镁晶须改性方法中，硼酸酯偶联剂与γ-氨丙基三乙氧基硅烷的重量比为0.5。

对比例6

一种采用以下方法制备的高强度塑料，与实施例2的区别在于，硼酸镁晶须改性方法中，硼酸酯偶联剂与γ-氨丙基三乙氧基硅烷的重量比为2.0。

对比例7

一种采用以下方法制备的高强度塑料，与实施例2的区别在于，采用等量的纳米二氧化硅替换两亲性纳米二氧化硅。

性能检测

采用实施例1-3及对比例1-7中制成塑料试样进行抗冲击性能、拉伸强度及阻燃性进行测试。

1.根据GB/T1843-2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》中的测试方法进行抗冲击性能测试；

2.根据GB/T1040.1-2006《塑料拉伸性能的测定》中的测试方法进行拉伸强度测试；

3.根据UL94《燃烧测试标准》中的测试方法进行阻燃性能的测试，塑料阻燃等级由H、V-2、V-1、V-0逐级增加，其中，

H：要求对于3到13毫米厚的样品，燃烧速度小于40毫米每分钟；小于3毫米的样品，燃烧速度小于70毫米每分钟；或者在100毫米的标志前熄灭。

V-2：对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在60秒内熄灭，可以有燃烧物掉下。

V-1：对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在60秒内熄灭，不能有燃烧物掉下。

V-0：对对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在30秒内熄灭，不能有燃烧物掉下。

测试结果见表1。

表1高强度塑料试样测试结果

项目	冲击强度（J/m）	拉伸强度（MPa）	阻燃等级
				实施例1	178	170	V-0
实施例2	189	180	V-0
				实施例3	181	172	V-0
对比例1	156	150	V-1
				对比例2	149	144	V-1
对比例3	156	150	V-1
				对比例4	151	146	V-1
对比例5	167	160	V-1
				对比例6	165	158	V-1
对比例7	152	146	V-1

由表1可知，实施例1-3中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级均优于对比例1-2中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级，说明本发明配方中的原料和配比科学合理，并且各原料之间协同发挥作用，有效提升了塑料的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级。

结合对比例3-4与实施例2可知，实施例2中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级均优于对比例3-4中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级，说明硼酸酯偶联剂与硅烷偶联剂协同配合，在硼酸镁晶须表面形成致密的包覆层，大大降低硼酸镁晶须的表面能，提高硼酸镁晶须的分散性，并进一步增加与ABS基体的连接强度，从而提高塑料的冲击强度和拉伸强度。另外，结合对比例5-6与实施例2可知，实施例2中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级均优于对比例5-6中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级硼酸酯偶联剂与硅烷偶联剂的重量比在1.0-1.5范围时，对硼酸镁晶须的改性效果较好，从而使得对塑料的增强效果更好。

结合实施例2和对比例7可知，实施例2中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级均优于对比例7中的冲击强度、拉伸强度和阻燃等级，说明两亲性纳米二氧化硅的加入，增加了各物质的分散性，使得各原料能够较好的配合，发挥协同作用，从而有助于提高塑料的冲击强度和拉伸强度，从而有助于提高塑料的使用寿命。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高强度塑料，其特征在于，由包含以下重量份的原料制成：ABS 70-90份，玻璃纤维8-12份，偶联剂改性的硼酸镁晶须6-8份，两亲性纳米二氧化硅13-16份，分散剂1-2份，增韧剂15-20份，抗氧化剂1-3份。

2.根据权利要求1所述的一种高强度塑料，其特征在于，所述硼酸镁晶须的改性方法包括以下步骤：

S1：将偶联剂加入到无水乙醇中，于50-70℃下混合均匀，得到改性剂，偶联剂与无水乙醇的重量比为1:(3.5-4.5)；

S2：将硼酸镁晶须加入到S1中的改性剂中，超声振动1.2-1.5h后抽滤，干燥后得到改性硼酸镁晶须，硼酸镁晶须与偶联剂的重量比为50-80。

3.根据权利要求2所述的一种高强度塑料，其特征在于,偶联剂包括硼酸酯偶联剂和硅烷偶联剂，硼酸酯偶联剂与硅烷偶联剂的重量比为1.0-1.5。

4.根据权利要求3所述的一种高强度塑料，其特征在于，硅烷偶联剂采用γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、己二胺基甲基三乙氧基硅烷中的一种。

5.根据权利要求2所述的一种高强度塑料，其特征在于，硼酸镁晶须的长径比为40-90。

6.根据权利要求1所述的一种高强度塑料，其特征在于，两亲性纳米二氧化硅的制备方法包括以下步骤:

（1）将10-15份亲水纳米二氧化硅加入到200-250ml苯中，混合均匀后加入1-2份硅烷化合物和0.1-0.12份催化剂并搅拌均匀得混合液；

（2）将混合液过滤，并用乙醇洗涤后干燥，得两亲性纳米二氧化硅。

7.根据权利要求6所述的一种高强度塑料，其特征在于，催化剂采用氨水、三乙胺、三乙醇胺的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的一种高强度塑料，其特征在于，硅烷化合物采用十八烷基三甲氧基硅烷。

9.根据权利要求1所述的一种高强度塑料，其特征在于，分散剂采用液体石蜡、三硬脂酸甘油酯、硬脂酸中的一种或多种。

10.一种权利要求1-9中任一所述的高强度塑料的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：

a.将ABS、玻璃纤维、偶联剂改性的硼酸镁晶须、两亲性纳米二氧化硅、分散剂、增韧剂、抗氧化剂混合均匀得混合料；

b.将混合料于200-230℃下熔融共混并挤出制粒，得到高强度塑料。