CN111923359A

CN111923359A - 一种玻纤增强聚丙烯材料及其制备方法与制备装置

Info

Publication number: CN111923359A
Application number: CN202010701667.XA
Authority: CN
Inventors: 沈旭渠; 陈锐彬; 张翼翔; 蔡志勇; 何子豪; 刘鹏辉; 樊凯; 汪洋; 田凯丽
Original assignee: Polyrocks Chemical Co ltd
Current assignee: Polyrocks Chemical Co ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2020-11-13

Abstract

本发明公开了一种玻纤增强聚丙烯材料及其制备方法与制备装置。本发明将聚丙烯、相容剂、短切玻璃纤维以及其他助剂在双螺杆挤出机中熔融塑化，形成玻纤增强聚丙烯材料熔体后，依次通过双螺杆挤出机的连接板、机头和出料口模挤出，再依次经冷却、吹干、切粒、筛选、混料，即得玻纤增强聚丙烯材料，其中连接板的中间区域设有一个占该连接板面积的50～80％出料通孔，出料口模的模孔直径为7～15mm，切粒得到的粒子长度为8～10mm，最大程度地保护了短切玻璃纤维的长度，确保了短切玻璃纤维对聚丙烯的增强性能，使所得玻纤增强聚丙烯材料具有高弯曲强度和冲击强度，且制备方法简单，设备投入低，可以广泛应用于汽车面板、蓄电池外壳、家电底座等。

Description

一种玻纤增强聚丙烯材料及其制备方法与制备装置

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种玻纤增强聚丙烯材料及其制备方法与制备装置。

背景技术

聚丙烯是五大通用树脂之一，具有质量轻、易加工、耐化学药品性能好等优点，在化工、电器、包装等工业领域得到了广泛的应用。然而，随着聚丙烯在建筑、汽车、船舶等行业的需求逐渐扩大，人们对其性能提出了更高的要求，一般通过增强、增韧、共混等改性方式使聚丙烯满足更多应用。

玻纤增强的聚丙烯作为一种通用工程塑料，具有高强度、高刚度、刚冲击强度、低密度、低翘曲蠕变性、抗动态疲劳等优异性能，因其性价比高，广泛应用于汽车、家电等结构零部件，取代金属、ABS等工程塑料。目前，短玻纤增强聚丙烯一般使用玻纤长度为3.0～4.5mm的短切玻纤，使用侧喂料加入玻纤的形式，产品性能优于连续玻纤增强聚丙烯，工艺设备相对简单，但是弯曲强度和冲击强度明显低于长玻纤增强聚丙烯，而长玻纤增强聚丙烯的缺点是工艺设备比较复杂，投入大，操作不方便，玻纤浸润不佳时注塑出来的制件容易出现白斑(尤其是黑色制件更为明显)。因此，需要开发一种性能接近于长玻纤增强聚丙烯，但是所需工艺设备简单的玻纤增强聚丙烯的制备方法。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种玻纤增强聚丙烯材料及其制备方法与制备装置，以增长短切玻璃纤维在聚丙烯材料中的保留长度，提高玻纤增强聚丙烯材料的弯曲强度，使其性能接近长玻纤增强聚丙烯，且生产操作简单，设备投入低，损耗低。

第一方法，本发明提供了一种玻纤增强聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚丙烯、相容剂和其他助剂混合均匀后从双螺杆挤出机的主喂料口喂入，将短切玻璃纤维从所述双螺杆挤出机的侧喂料口喂入，熔融塑化，形成玻纤增强聚丙烯材料熔体；

(2)所述玻纤增强聚丙烯材料熔体依次通过所述双螺杆挤出机的连接板、机头和出料口模挤出，再依次经冷却、吹干、切粒、筛选、混料，得到所述玻纤增强聚丙烯材料；

其中，所述双螺杆挤出机的机筒与机头通过所述连接板连接，所述连接板的中间区域设有一个出料通孔，所述出料通孔占据所述连接板面积的50～80％，所述出料口模的模孔直径为7～15mm，所述切粒得到的粒子长度为8～10mm。

双螺杆挤出机的机筒与机头之间一般通过多孔连接板连接，如专利CN201720401062.2所公开的双螺杆挤出机，多孔连接板中间区域设有很多通孔，会使短切玻璃纤维的长度再次受到破坏，从而影响短切玻璃纤维的增强性能。上述制备方法采用的连接板的整体形状可与任意多孔连接板相同，但其仅有一个通孔，该通孔面积占所述连接板面积的50～80％，能够最大程度地保护短切玻璃纤维的长度，确保短切玻璃纤维对聚丙烯的增强性能。

普通的出料口模的模孔直径一般为3～5mm，玻纤经过口模时经受挤压，易使短切玻璃纤维的长度再次受到破坏而影响其对聚丙烯的增强性能，上述制备方法通过采用模孔直径为普通出料口模模孔直径2～3倍的特殊出料口模，降低了出料口模对短切玻璃纤维长度的破坏，但是如果口模直径再大，会导致出料压力严重不足而难于拉条切粒。

将玻纤增强聚丙烯材料切粒至长度小于8mm，玻纤增强聚丙烯粒子经过注塑后，在制品中的玻纤保留长度就不能达到预想长度，如果粒子长度超过10mm，对切粒机要求较高，而且切粒速度慢，生产效率低，将其切粒至长度为8～10mm，能使短切玻璃纤维维持更长的长度，并获得最优的生产效率。

如果连接板、出料口模、切粒机中的任意一种为普通的(即连接板为多孔连接板，出料口模的模孔尺寸为3～5mm，或者切粒机的切粒尺寸小于8mm)，而非如上述制备方法那样采用特殊的/专用的，所得制品中的短切玻璃纤维的长度都会短于上述制备方法所得制品中的短切玻璃纤维的长度。

另外，添加相容剂，可以改善短切玻璃纤维与聚丙烯的相容性，提高产品的拉伸、冲击、弯曲强度，提高表面光洁度，减少浮纤。所得玻纤增强聚丙烯材料能应用于制备汽车部件和/或家用电器零部件。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述双螺杆挤出机从真空口到侧喂料口采用包括以下排列顺序的螺纹块组合：56/28L、56/56、56/56、56/56、56/56、70/70齿形盘组、56/56、56/56、72/72、72/72、96/96、96/96、96/96、96/96。采用上述特定的螺纹块组合，既能保证短切玻璃纤维的分散，又减少对其长度的破坏。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述聚丙烯、所述相容剂、所述短切玻璃纤维以及所述其他助剂的重量比为聚丙烯：相容剂：短切玻璃纤维：其他助剂＝60～80：1～8：20～30：0.3～0.8。

作为本发明制备方法更优选的实施方式，所述聚丙烯、所述相容剂、所述短切玻璃纤维以及所述其他助剂的重量比为聚丙烯：相容剂：短切玻璃纤维：其他助剂＝63～76：4～6：20～30：0.5～0.7。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯中的至少一种，且所述聚丙烯在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数＞20g/10min。在230℃/2.16kg测试条件下熔融指数＞20g/10min的聚丙烯具有很好的流动性，在双螺杆挤出机中可以更好的包裹和分散短切玻璃纤维，提高短切玻璃纤维的增强作用。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述短切玻璃纤维的直径为13μm，长度为9.0-12.0mm。这样的短切玻璃纤维具有比较长的长度，可以使制得的玻纤增强聚丙烯材料中保留比较长的短切玻璃纤维，以求达到更大力学性能，另外，根据研究发现，玻璃纤维的长度小于30mm时，可使聚丙烯材料的各项力学性能得到增长。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝POE、马来酸酐接枝EPDM、SMA、丙烯酸接枝聚丙烯中的至少一种。在这几种相容剂中，优选相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯。

作为本发明制备方法进一步优选的实施方式，所述相容剂的接枝率为0.6％～1％。

作为本发明制备方法再进一步优选的实施方式，述相容剂的接枝率为0.8％。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述其它助剂包括润滑剂和抗氧剂。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述润湿剂为聚乙烯蜡、石蜡、EBS(乙撑双硬脂酸酰胺)、PETS(季戊四醇双硬脂酸酯)中的至少一种。在这几种润湿剂中，优选润湿剂为聚乙烯蜡。

作为本发明制备方法的优选实施方式，所述抗氧剂为抗氧剂B215。

第二方面，本发明提供了上述制备方法制得的玻纤增强聚丙烯材料。

第三方面，本发明还提供了一种上述玻纤增强聚丙烯材料的制备装置，其包括依次连接的双螺杆挤出机、冷却系统、吹干系统、切粒机、振动筛和混料机，所述双螺杆挤出机的机头通过连接板与所述双螺杆挤出机的机筒连接，所述连接板的中间区域设有一个出料通孔，所述出料通孔占据所述连接板面积的，所述出料口模的模孔直径为7～15mm，所述切粒机切粒得到的粒子长度为8～10mm。

作为本发明制备装置的优选实施方式，所述制备装置还包括第一自动计量称、第二自动计量称和PLC系统，所述第一自动计量称与所述主喂料口、所述第二自动计量称与所述侧喂料口分别通过所述PLC系统连接。这样，自动计量称内物料的重量通过称重传感器转化为电信号送至称量仪表，称量仪表将计算出的物料重量与预先设定的重量上、下限值进行比较和判别，通过PLC系统控制进料闸门以向自动计量称内间断喂料，同时，仪表将计算出的实际给料率(排料流量)与预先设定的给料速率进行比较，通过PLC和调节器(PID)调节出料装置，使实际给料速率准确地跟踪设定值，这种喂料系统计量精准，操作简便，玻纤含量容易调控，产品质量稳定。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明玻纤增强聚丙烯材料具有高弯曲强度和高冲击强度，工艺设备类似于现在的短玻纤增强聚丙烯，相比于长玻纤增强聚丙烯，操作更加方便，玻纤含量容易控制，设备投入低，玻纤分散性好且不外露，可以广泛应用于汽车面板、蓄电池外壳、家电底座等中。

附图说明

图1为本发明制备装置的示意图；

图2为挤出机中间连接板的示意图，其中(a)为普通多孔连接板，(b)为实施例1-3所采用的特殊加工的连接板；

图3为玻纤增强聚丙烯材料经600℃*2h煅烧所得残留物中玻纤长度测定结果图，其中(a)为实施例1，(b)为对比例2，(c)为对比例3。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的，技术方案和优点，本发明通过下列实施例进一步说明。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。

下面各实施例和对比例所用原料的生产厂家和型号如下所示：

聚丙烯：中海壳牌石油化工有限公司的均聚聚丙烯HP500N，在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数＞20g/10min；中国石油化工集团公司的均聚聚丙烯N-Z30S，在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数＞20g/10min；中海壳牌石油化工有限公司的共聚聚丙烯EP548R，在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数＞20g/10min；

相容剂：接枝率为0.8％的马来酸酐接枝聚丙烯，沈阳科通塑胶有限公司的KT-1；

抗氧剂B215：巴斯夫股份公司；

润滑剂PE蜡：中国青岛邦尼化工有限公司；

玻纤ER13-2000-988A：直径13μm，巨石集团有限公司；

短切玻纤TCR438G-13-4.5：直径13μm，长度4.5mm，泰山玻璃纤维有限公司；

短切玻纤TCR438G-13-9.0：直径13μm，长度9.0mm，泰山玻璃纤维有限公司；

长玻纤增强聚丙烯：市售，采用N-Z30S载体，粒子长度8～10mm。

实施例1-3

实施例1-3均为本发明玻纤增强聚丙烯材料的制备方法的一种实施方式，这些制备方法所用原料组成如表1所示。

表1实施例1～3和对比例1～5的玻纤增强聚丙烯材料的原料组成/重量份

结合附图1对实施例1-3玻纤增强聚丙烯材料的制备方法进行说明，这些制备方法包括以下步骤：

(1)将聚丙烯、相容剂和其他助剂投入到搅拌机中，混合搅拌，然后从搅拌机下料口放料进入1#自动计量称中，通过PLC系统控制这些混合均匀的物料从主喂料口进入双螺杆挤出机中；将短切玻璃纤维通过自动吸料机输送到2#自动计量称中，从侧喂料口进入双螺杆挤出机中；

(2)使用专用螺杆组合，从真空口到侧喂料的螺杆组合排列为56/28L、56/56、56/56、56/56、56/56、70/70齿形盘组、56/56、56/56、72/72、72/72、96/96、96/96、96/96、96/96；

(3)挤出的物料依次通过特殊加工的连接板、挤出机机头、特殊加工口模，然后经冷却水槽冷却、吹干机吹干、长粒子专用切粒机切粒、振动筛筛选、混料桶混料、包装，得到玻纤增强聚丙烯材料。

实施例1-3所采用的装置为同一套装置，其示意图见图1，其中，双螺杆挤出机的长径比为44:1，螺杆直径为75mm，螺杆包括11个区，侧喂料口在6～7区之间，真空口在9-10区之间；所采用的特殊加工的连接板相同，结构如图2(b)所示，其整体外观形状尺寸与对比例2-4所采用的多孔连接板相同，但其中间区域仅设有一个通孔，该通孔的大小与对比例2-4所采用的多孔连接板的通孔区域相同，为连接板面积的50～80％；所采用的特殊加工口模的模孔直径为7～15mm；所采用的长粒子专用切粒机切粒后粒子长度保留在8～10mm。

对比例1

本对比例提供了一种玻纤增强聚丙烯材料的制备方法，该制备方法所用原料组成如表1所示，并包括以下步骤：

(1)将聚丙烯、相容剂和其他助剂投入到搅拌机中，混合搅拌，然后从搅拌机下料口放料进入1#自动计量称中，并通过PLC系统控制这些混合均匀的物料从主喂料口进入双螺杆挤出机中；将短切玻璃纤维通过自动吸料机输送到2#自动计量称中，从侧喂料口进入双螺杆挤出机中；

(2)使用正常螺杆组合，从真空口到侧喂料的螺杆组合排列为56/28L、60°/4/56、45°/5/56、56/56、90°/5/56、45°/5/56、56/56、72/72、72/72、96/96、96/96、96/96、96/96；

本对比例所采用特殊加工的连接板、特殊加工口模以及长粒子专用切粒机与实施例1-3中的相同，长粒子专用切粒机切粒后粒子长度保留在8～10mm。

对比例2-3

对比例2-3分别提供了一种玻纤增强聚丙烯材料的制备方法，这些制备方法所用原料组成如表1所示，并包括以下步骤：

(3)挤出的物料依次通过多孔连接板(如图2(a)所示，孔径5～8mm)、挤出机机头、正常口模(模孔直径3～5mm)，然后经冷却水槽冷却、吹干机吹干、切粒机切粒(粒子长度为3～4mm)、振动筛筛选、混料桶混料、包装，得到玻纤增强聚丙烯材料。

对比例4

(1)将聚丙烯、相容剂和其他助剂投入到搅拌机中，混合搅拌，然后从搅拌机下料口放料进入1#自动计量称中，并通过PLC系统控制这些混合均匀的物料从主喂料口进入双螺杆挤出机中；将连续玻璃纤维ER13-2000-988A从加纤口喂入双螺杆挤出机中；

对比例5

本对比例提供了一种玻纤增强聚丙烯材料，本对比例玻纤增强聚丙烯材料由从外面购买的长玻纤增强聚丙烯直接注塑而得。

将实施例1～3和对比例1～5制备的聚丙烯材料分别加入CG110E卧式注射机，注射成型标准试样，成型工艺条件如下：

注射温度：195℃(加料口)、210℃、215℃、220℃(喷嘴)；

注射压力：50MPa；

保压时间：5s；

冷却时间：8s。

对各标准试样进行性能测试，测试结果如下表2所示，其中各项性能指标的测试标准或方法如下：

拉伸强度：按照ASTM D-638标准进行测试；

弯曲强度和弯曲模量：按照ASTM D-790标准进行测试；

IZOD冲击强度：按照ASTM D-256标准进行测试；

玻纤保留长度测试：玻纤增强聚丙烯粒子在马弗炉中600℃煅烧2h后残留物在150倍放大镜下进行观察测量。

表2实施例1～3和对比例1～5的玻纤增强聚丙烯的性能测试结果

由表2可知：实施例1～3使用特殊连接板、特殊口模以及长粒子专用切粒机切粒，所得玻纤增强聚丙烯材料的冲击强度明显高于对比例2～3，这是因为正常的多孔板和口模容易破坏玻纤保留长度，对比例1数据说明强剪切组合容易破坏力学性能；对比例4所得玻纤增强聚丙烯材料的性能明显低于实施例3，说明用连续玻纤增强的聚丙烯，强度方面也是低于实施例；对比例5是现在市场上常见的30％长玻纤增强聚丙烯，性能数据明显优于实施例，但是生产工艺设备相对复杂，设备投入大，生产工艺(如温度、挤出速度、牵引速度、玻纤浸渍等)方面需要很长时间摸索才能熟悉，这些方面不如实施例，实施例只要在现有机器上稍作改善即可，而且工艺参数相对简单。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种玻纤增强聚丙烯材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机从真空口到侧喂料口采用包括以下排列顺序的螺纹块组合：56/28L、56/56、56/56、56/56、56/56、70/70齿形盘组、56/56、56/56、72/72、72/72、96/96、96/96、96/96、96/96。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯、所述相容剂、所述短切玻璃纤维以及所述其他助剂的重量比为聚丙烯：相容剂：短切玻璃纤维：其他助剂＝60～80：1～8：20～30：0.3～0.8。

4.据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯、所述相容剂、所述短切玻璃纤维以及所述其他助剂的重量比为聚丙烯：相容剂：短切玻璃纤维：其他助剂＝63～76：4～6：20～30：0.5～0.7。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯中的至少一种，且所述聚丙烯在230℃/2.16kg测试条件下的熔融指数＞20g/10min。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述短切玻璃纤维的直径为13μm，长度为9.0-12.0mm。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝POE、马来酸酐接枝EPDM、SMA、丙烯酸接枝聚丙烯中的至少一种；所述其它助剂包括润滑剂和抗氧剂。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述相容剂的接枝率为0.6％～1％。

9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的玻纤增强聚丙烯材料。

10.一种如权利要求9所述的玻纤增强聚丙烯材料的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括依次连接的双螺杆挤出机、冷却系统、吹干系统、切粒机、振动筛和混料机，所述双螺杆挤出机的机头通过连接板与所述双螺杆挤出机的机筒连接，所述连接板的中间区域设有一个出料通孔，所述出料通孔占据所述连接板面积的50～80％，所述出料口模的模孔直径为7～15mm，所述切粒机切粒得到的粒子长度为8～10mm。