CN112321948A - 一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二氧化硅气凝胶‑聚丙烯轻质隔热材料及其制备方法，包括聚丙烯、二氧化硅气凝胶、滑石粉、乙烯/辛烯共聚物、改性剂、抗氧剂和润滑剂。本发明组分简单，价格低廉，制备设备简单易操作，无污染，适合大规模工业化生产；制备的二氧化硅气凝胶‑聚丙烯复合材料具有较高的力学性能、较低的密度和热导率，是一种良好的保温隔热材料，可用于汽车内饰件降低汽车内外传热。

Description

一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料领域，特别涉及一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料及其制备方法。

背景技术

聚丙烯(PP)与其他通用热塑性材料相比，具有加工性能优良、耐应力开裂、耐化学腐蚀、环保无毒以及便于回收等特点，被广泛应用于汽车内饰零部件。据统计，聚丙烯制件在汽车上单车用量占整车塑料制件的近50％。随着汽车工业的高速发展和消费者环保意识的增强，节能减排的需求日益迫切，汽车轻量化的需求日益明显。减小制件的厚度是聚丙烯制件轻量化有效方式之一。但减小制件壁厚会降低聚丙烯制件的隔热性能，造成车辆内外部传热增强，舒适感降低和能耗增加。

二氧化硅气凝胶是一种具有多孔性的固态材料，具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低热导率等优点，可作为高效保温隔热材料。但二氧化硅气凝胶强度低、易碎，且表面和孔洞内表面含有较多的羟基，与聚丙烯材料复合后相容性较差，吸收空气中的水分后会导致气凝胶开裂，进一步导致聚丙烯复合材料力学性能降低。目前，常用的增强二氧化硅与聚丙烯类材料相容性的方法是通过改进二氧化硅气凝胶的制备或者后处理方式获得疏水性二氧化硅气凝胶。但上述方法通常存在对设备要求极高，高压环境相对危险，生产成分高昂，所制备的气凝胶隔热性能降低等缺点，不适合大规模工业化生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料及其制备方法，该材料克服复合材料中二氧化硅气凝胶与聚丙烯相容性差，隔热性能差，无法大规模工业化生产以及所制备的复合材料力学性能下降明显的问题。

本发明提供了一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料，按重量百分比，包括如下组分：

所述聚丙烯在230℃、2.16Kg载荷条件下熔体质量流动速率为5-120g/10min。

所述滑石粉粒径为1.5-13μm。

所述乙烯/辛烯共聚物在230℃、2.16Kg载荷条件下熔体质量流动速率为0.5-20g/10min，其中乙烯含量为30-90％。

所述改性剂为偶联剂、表面活性剂中的至少一种。

所述偶联剂为钛酸酯类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、硅烷类偶联剂、硬脂酸类偶联剂中的至少一种；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基三甲基氯化铵、烯基磺酸钠中的至少一种。

所述抗氧剂包括20％-50％主抗氧剂和50-80％辅抗氧剂。

所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；所述辅抗氧剂为硫代酯类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种。

所述润滑剂为脂肪酰胺类润滑剂、有机硅酮类润滑剂、脂肪酸或酯类润滑剂、烃类润滑剂中的至少一种。

所述材料制备过程中预先将二氧化硅气凝胶与滑石粉混合，再将得到的预混物与改性剂混合。

本发明还提供了一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料的制备方法，包括：

(1)将二氧化硅气凝胶与滑石粉预先按质量比1:3-1:5混合，得到预混物；然后加入改性剂进行二次混合，得到改性混合物；

(2)将改性预混物与其他原料按配比混合，得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料；

(3)将步骤(2)中的二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料加入到挤出机中，经熔融挤出、冷却、干燥和造粒后得的二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料；其中，熔融挤出温度为190-250℃。

所述步骤(1)和(2)中的混合均在高速混合机中进行，混合时间为3-12分钟。

本发明还提供了一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料的应用，可用于汽车内饰件降低汽车内外传热。

有益效果

(1)本发明组分简单，价格低廉，制备设备简单易操作，无污染，适合大规模工业化生产；制备的二氧化硅气凝胶-聚丙烯复合材料具有较高的力学性能、较低的密度和热导率，二氧化硅气凝胶、滑石粉和改性剂之间具有协同作用，是一种良好的保温隔热材料，可用于汽车内饰件降低汽车内外传热。

(2)本发明在制备过程中将二氧化硅气凝胶与滑石粉预先混合可均化气凝胶的粒径，使两者达到宏观均匀性；

(3)本发明改性剂与宏观均一的二氧化硅气凝胶-滑石粉预混物混合可使二氧化硅气凝胶和滑石粉之间形成络合，一方面提高二氧化硅气凝胶在复合材料中的相容性，另一方面可以利用滑石粉较高的平面尺寸阻挡空气中的水汽被二氧化硅吸附而降低气凝胶的隔热效果，再一方面可以利用滑石粉的高强度提高二氧化硅气凝胶的强度，避免因二氧化硅气凝胶的加入而导致复合材料力学性能大幅降低。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，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。

实施例和对比例所用的物料如下：

聚丙烯：PP BX3900，厂家：韩国SK；

PP EP548R，厂家：中海壳牌；

二氧化硅气凝胶：纳兰，厂家：河间纳兰节能科技；

滑石粉：TYT-777A，厂家：辽宁北海；

乙烯/辛烯共聚物：POE 7447，厂家：陶氏化学；

改性剂：钛酸酯类偶联剂TMC 931，厂家：广州伟伯科技；

十二烷基磺酸钠，厂家：河南凯邦化工；

抗氧剂：受阻酚类抗氧剂1010，厂家：巴斯夫；

亚磷酸酯类抗氧剂627A，厂家：巴斯夫；

润滑剂：有机硅酮类类润滑剂AS-025，厂家：上海涵点科技。

性能测试方法：

(1)测试用样条或样板需在23℃，50％湿度的环境中放置10天后进行测试。拉伸强度按照ISO 527-2标准进行测试，弯曲强度按照ISO 178标准进行测试，简支梁缺口冲击强度按照ISO 179/1A标准进行测试，密度按照ISO1133标准中方法A进行测试；

(2)隔热性能测试由导热仪通过测试复合材料热导率获得。

实施例1

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料配方按质量百分比，包括如下组分：73.6％聚丙烯树脂PP BX3900，3％二氧化硅气凝胶，10％滑石粉TYT-777A，10％乙烯/辛稀共聚物POE 7447，1％钛酸酯类偶联剂TMC 931，0.2％受阻酚类抗氧剂1010，0.2％亚磷酸酯类辅助抗氧助剂627A，2％有机硅酮类润滑剂AS-025。

制备方法具体为：

(1)150g二氧化硅气凝胶粉末与500g滑石粉称重后在高混机中混合5分钟，得到预混料；

(2)将50g钛酸酯类偶联剂TMC 931与步骤(1)中的预混料在高速混合机中混合5分钟，得到改性预混料；

(3)将步骤(2)中的改性预混料与3.68kg PP BX3900、500g POE7447、10g受阻酚抗氧剂1010、10g亚磷酸酯类抗氧剂627A、100g有机硅酮类润滑剂AS-025在高速机中混合5分钟，得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料；

(4)将步骤(3)中的二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料加入到挤出机中，在210℃熔融挤出，冷却、干燥、造粒后得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料。

实施例2

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料配方按质量百分比，包括如下组分：64.6％聚丙烯树脂PP EP548R，5％二氧化硅气凝胶，16％滑石粉TYT-777A，10％乙烯/辛稀共聚物POE 7447，2％钛酸酯类偶联剂TMC 931，0.2％受阻酚类抗氧剂1010，0.2％亚磷酸酯类辅助抗氧助剂627A，2％有机硅酮类润滑剂AS-025。

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料总质量为5000g，制备方法同实施例1。

实施例3

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料配方按质量百分比，包括如下组分：58.6％聚丙烯树脂PP EP548R，6％二氧化硅气凝胶，20％滑石粉TYT-777A，10％乙烯/辛稀共聚物POE 7447，3％钛酸酯类偶联剂TMC 931，0.2％受阻酚类抗氧剂1010，0.2％亚磷酸酯类辅助抗氧助剂627A，2％有机硅酮类润滑剂AS-025。

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料总质量为5000g，制备方法同实施例1。

实施例4

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料配方按质量百分比，包括如下组分：51.6％聚丙烯树脂PP BX3900，8％二氧化硅气凝胶，25％滑石粉TYT-777A，10％乙烯/辛稀共聚物POE 7447，3％钛酸酯类偶联剂TMC 931，0.2％受阻酚类抗氧剂1010，0.2％亚磷酸酯类辅助抗氧助剂627A，2％有机硅酮类润滑剂AS-025。

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料总质量为5000g，制备方法同实施例1。

实施例5

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料配方按质量百分比，包括如下组分：43.6％聚丙烯树脂PP BX3900，5％二氧化硅气凝胶，25％滑石粉TYT-777A，20％乙烯/辛稀共聚物POE 7447，4％十二烷基磺酸钠，0.2％受阻酚类抗氧剂1010，0.2％亚磷酸酯类辅助抗氧助剂627A，2％有机硅酮类润滑剂AS-025。

二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料总质量为5000g，制备方法同实施例1。

对比例1

根据实施例2，去掉钛酸酯类偶联剂TMC 931，PP EP548R比例相应提高至66.6％，其余组分与实施例2组分相同。

总质量为5000g，制备方法不包括步骤(2)，其他同实施例2。

对比例2

根据实施例2，去掉滑石粉TYT-777A，PP EP548R比例相应提高至80.6％，其余组分与实施例2组分相同。

总质量为5000g，制备方法同实施例2。

对比例3

根据实施例2，将二氧化硅气凝胶的比例提高至10％，滑石粉TYT-777A比例相应降低至11％，其余组分与实施例2组分相同。

总质量为5000g，制备方法同实施例2。

对比例4

根据实施例2，将二氧化硅气凝胶的比例降低至3％，滑石粉TYT-777A比例相应提高至18％，其余组分与实施例2组分相同。

总质量为5000g，制备方法同实施例2。

对比例5

本对比例与实施例2组分相同。

制备方法具体为：

(1)100g钛酸酯类偶联剂TMC 931加入到250g二氧化硅气凝胶粉末中并在高速搅拌机中搅拌10分钟，得到预混料；

(2)将步骤(1)中的预混料与3.235kg PP EP548R、800g滑石粉TYT-777A、500gPOE7447、10g受阻酚抗氧剂1010、10g亚磷酸酯类抗氧剂627A、100g有机硅酮类润滑剂AS-025在高速机中混合5分钟，得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料；

(3)将步骤(2)中的二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料加入到挤出机中，在210℃熔融挤出，冷却、干燥、造粒后得到复合材料。

对比例6

本对比例与实施例2组分相同。

制备方法具体为：

(1)100g钛酸酯类偶联剂TMC 931加入到800g滑石粉TYT-777A中并在高速搅拌机中搅拌10分钟，得到预混料；

(2)将步骤(1)中的预混料与3.235kg PP EP548R、250g二氧化硅气凝胶粉末、500gPOE7447、10g受阻酚抗氧剂1010、10g亚磷酸酯类抗氧剂627A、100g有机硅酮类润滑剂AS-025在高速机中混合5分钟，得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料；

(3)将步骤(2)中的二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料加入到挤出机中，在210℃熔融挤出，冷却、干燥、造粒后得到复合材料。

对比例7

本对比例与实施例2组分相同。

制备方法具体为：

(1)250g二氧化硅气凝胶粉末与500g滑石粉称重后在高混机中混合10分钟，得到预混料；

(2)将步骤(1)中的预混料与3.235kg PP EP548R、500g POE7447、100g钛酸酯类偶联剂TMC 931、10g受阻酚抗氧剂1010、10g亚磷酸酯类抗氧剂627A、100g有机硅酮类润滑剂AS-025在高速机中混合5分钟，得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料；

(3)将步骤(2)中的二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料加入到挤出机中，在210℃熔融挤出，冷却、干燥、造粒后得到复合材料。

对比例8

本对比例与实施例2组分相同。

(1)250g二氧化硅气凝胶粉末、500g滑石粉、3.235kg PP EP548R、500g POE7447、100g钛酸酯类偶联剂TMC 931、10g受阻酚抗氧剂1010、10g亚磷酸酯类抗氧剂627A、100g有机硅酮类润滑剂AS-025称重后在高混机中混合15分钟，得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料；

(2)将步骤(1)中的二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料加入到挤出机中，在210℃熔融挤出，冷却、干燥、造粒后得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料。

表1实施例及对比例基本性能对比

由实施例1-5可以看出，制备的二氧化硅气凝胶-聚丙烯复合材料具有较高的力学性能、较低的密度和热导率。

由对比例1可以看出，去除偶联剂制备得到的聚丙烯复合材料的力学性能和隔热性能都有较大幅度的降低。

由对比例2可以看出，去除滑石粉制备得到的聚丙烯复合材料力学性能显著降低，热导率明显提高。

由对比例3可以看出，当二氧化硅气凝胶与滑石粉比例接近1:1时，制备得到的聚丙烯复合材料隔热性能有大幅提升，密度降低，但力学性能显著降低，三者之间无法兼顾。

由对比例4可以看出，当二氧化硅气凝胶与滑石粉比例接近超过1:5时，制备得到的聚丙烯复合材料的力学性能稍有提高，但密度和隔热性能显著提高，隔热性能有大幅提升，但力学性能显著降低，三者之间无法兼顾。

由对比例5可以看出，采用二氧化硅气凝胶预先与偶联剂混合，再与其他成分混合的方式制备得到的聚丙烯复合材料的力学性能和隔热性能都有较大幅度降低。

由对比例6可以看出，采用滑石粉预先与偶联剂混合，再与其他成分混合的方式制备得到的聚丙烯复合材料的力学性能和隔热性能都有较大幅度降低。

由对比例7可以看出，采用二氧化硅气凝胶和滑石粉预先混合，再与其他成分混合的方式制备得到的聚丙烯复合材料的力学性能和隔热性能都有较大幅度降低。

由对比例8可以看出，采用所有成分一起混合的方式制备得到的聚丙烯复合材料的力学性能和隔热性能都有较大幅度降低。

Claims (10)

1.一种二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料，其特征在于：按重量百分比，包括如下组分：

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述聚丙烯在230℃、2.16Kg载荷条件下熔体质量流动速率为5-120g/10min。

3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述滑石粉粒径为1.5-13μm。

4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述乙烯/辛烯共聚物在230℃、2.16Kg载荷条件下熔体质量流动速率为0.5-20g/10min，其中乙烯含量为30-90％。

5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述改性剂为偶联剂、表面活性剂中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的材料，其特征在于：所述偶联剂为钛酸酯类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、硅烷类偶联剂、硬脂酸类偶联剂中的至少一种；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基三甲基氯化铵、烯基磺酸钠中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述抗氧剂包括20％-50％主抗氧剂和50-80％辅抗氧剂。

8.根据权利要求7所述的材料，其特征在于：所述主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂；所述辅抗氧剂为硫代酯类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述润滑剂为脂肪酰胺类润滑剂、有机硅酮类润滑剂、脂肪酸或酯类润滑剂、烃类润滑剂中的至少一种。

10.一种如权利要求1所述的二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料的制备方法，包括：

(1)将二氧化硅气凝胶与滑石粉预先按质量比1:3-1:5混合，得到预混物；然后加入改性剂进行二次混合，得到改性混合物；

(2)将改性预混物与其他原料按配比混合，得到二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料；

(3)将步骤(2)中的二氧化硅气凝胶-聚丙烯混合料加入到挤出机中，经熔融挤出、冷却、干燥和造粒后得的二氧化硅气凝胶-聚丙烯轻质隔热材料；其中，熔融挤出温度为190-250℃。