CN112574502A - 可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料及其制备方法，属于复合高分子材料及其加工技术领域。该复合材料通过在热塑性塑料聚丙烯中添加改性植物纤维，并通过与其他组分配比、混合、挤出造粒得到，其拉伸强度可达40～55MPa，弯曲强度可达50～65MPa，冲击强度可达15～25KJ/㎡，熔融指数可达5～15g/10min；改性植物纤维与纤维增强材料同用，可使复合材料力学性能更优的同时保证其有更好降解性；沸石粉自身的微孔结构可使复合材料可持续吸收VOC，从而降低其含量；光敏剂的添加可将部分难以降解的聚丙烯成功降解，且对环境无任何破坏；二叔丁基过氧化物能够提高复合材料在加工过程中的流动性。

Description

可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法，尤其涉及一种可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料及其制备方法，属于复合高分子材料及其加工技术领域。
背景技术
随着塑料行业在各领域的运用越来越广泛，各种塑料在广泛应用的同时也在严重污染着人类的生态环境，继而产生了对降解材料开发和应用的需求。其中植物纤维来源于丰富的农产品且价格低廉，使其成为可降解材料开发的主要材料。近年来，使用植物纤维作为增强材料的复合材料越来越引起人们关注，但现有的植物纤维复合材料大多存在着力学性能差、流动性差、不能全降解仍对环境有一定污染等问题，如CN103436041A专利中技术方案所述内容即存在上述问题。此外，木塑复合材料在长期使用过程中发生光热降解会产生VOC副产物，对人体有一定的危害。介于以上原因，设计一种可降解高性能植物纤维填充聚丙烯材料是木塑复合材料领域中亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料及其制备方法，由该制备方法制备所得的聚丙烯复合材料解决了聚丙烯木塑复合材料力学性能差、流动性差、不能全降解和光热老化易产生VOC的问题。
本发明的技术方案是：
本发明公开了一种可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料的制备方法，该制备方法主要包括下述步骤：
S1，按可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料总质量百分比计称取下述各组分：聚丙烯40-60wt.％、植物纤维20-45wt.％、纤维增强材料2-5wt.％、沸石粉2-8wt.％、填充物2-5wt.％、改性淀粉2-8wt.％、光敏剂0.1-1.0wt.％、润滑剂0.5-1.5wt.％、抗氧剂0.5-1.0wt.％、相容剂3-10wt.％、分散剂0.5-1.0wt.％、增韧剂2-6wt.％、二叔丁基过氧化物(DTBP)0.1-0.3wt.％；其中所述光敏剂为乙烯-一氧化碳共聚物(即聚酮)；
S2，将植物纤维采用浓度15-20wt.％氢氧化钠溶液浸泡1-2h后将其用清水洗净，再置于真空干燥箱中于100-120℃下烘4-6h，得到改性植物纤维；其中氢氧化钠溶液浓度优选为18wt.％；
S3，将聚丙烯和二叔丁基过氧化物加入高速搅拌机中，于60-80℃下预混合10-15min后，再分别依次向其中加入纤维增强材料、沸石粉、填充剂、改性淀粉、光敏剂、润滑剂、抗氧剂、相容剂、分散剂和增韧剂后，于90-110℃下混合10-20min，得到改性聚丙烯；其中高速搅拌机的运转速度为350-450rmp；
S4，将步骤S3中所得改性聚丙烯经主喂料口喂料且将步骤S2中所得改性植物纤维经侧喂料口喂料至真空双螺杆挤出机内，经熔融、挤出、造粒得所述可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料。
优选的，所述植物纤维为木纤维、竹纤维和亚麻纤椰壳纤维中的至少一种。
优选的，所述纤维增强材料为玻璃纤维、碳纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维和玄武岩纤维中的至少一种。
优选的，所述填充物为滑石粉、碳酸钙、晶须、硫酸钡、硅灰石和云母粉中的至少一种。
优选的，所述润滑剂为固体石蜡和聚乙烯蜡中的至少一种。
优选的，所述抗氧剂为168和1010中的至少一种；所述分散剂为硬脂酸、油酸酰胺和芥酸酰胺中的至少一种。
优选的，所述相容剂为MAH-g-POE和MAH-g-PE中的至少一种。
优选的，所述增韧剂为三元乙丙橡胶和丙烯-α烯烃共聚物中的至少一种。
优选的，步骤S4中双螺杆挤出机的各段温度如下，一段为170-175℃，二段为180-185℃，三段为190-195℃，四段为190-195℃，五段为195-200℃，六段为195-200℃，七段为185-190℃，八段为185-190℃，九段为180-185℃，十段为180-185℃，十一段为185-190℃，机头为195-200℃。
此外，本发明还公开了一种使用上述制备方法制备所得的可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明通过在热塑性塑料聚丙烯中添加改性后的植物纤维，并通过与其他组分配比、混合、挤出造粒得到可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料，所得复合材料的拉伸强度能够达到40～55MPa，弯曲强度达到50～65MPa，冲击强度达到15～25KJ/㎡，熔融指数为5～15g/10min；
2、本发明中使用改性后的植物纤维与纤维增强材料共同使用，改性后的植物纤维与未改性植物纤维相比，对复合材料的增强性能更优，同时还能保证复合材料具有更好的降解性；
3、本发明中在复合材料中添加有沸石粉，其自身具有的微孔结构能够使复合材料可持续吸收VOC，从而降低因光热老化所产生VOC的量，达到保护环境的效果；
4、本发明中在复合材料中所添加的光敏剂能够将部分难以降解的聚丙烯成功降解，且对环境无任何破坏；
5、本发明中通过使用二叔丁基过氧化物能够提高复合材料在加工过程中的流动性。
具体实施方式
为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
按照表1中所述各组分的用量以下述制备方法进行具体实施例所述聚丙烯复合材料的制备。所述可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料的制备方法，主要包括下述步骤：
S1，按表1中所示用量称取各组分；
S2，将植物纤维采用浓度为18wt.％的氢氧化钠溶液浸泡1-2h后，将浸泡过的植物纤维用清水洗净，再置于真空干燥箱中于100-120℃下烘4-6h，得到改性植物纤维；
S3，将聚丙烯和二叔丁基过氧化物加入高速搅拌机中，于60-80℃下预混合10-15min后，再分别依次向其中加入纤维增强材料、沸石粉、填充剂、改性淀粉、光敏剂、润滑剂、抗氧剂、相容剂、分散剂和增韧剂后，于90-110℃下混合10-20min，其中高速搅拌机的运转速度为350-450rmp，得到改性聚丙烯；
S4，将步骤S3中所得改性聚丙烯经主喂料口喂料且将步骤S2中所得改性植物纤维经侧喂料口喂料至真空双螺杆挤出机内，经熔融、挤出、造粒得所述可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料；其中，双螺杆挤出机的各段温度如下，一段为170-175℃，二段为180-185℃，三段为190-195℃，四段为190-195℃，五段为195-200℃，六段为195-200℃，七段为185-190℃，八段为185-190℃，九段为180-185℃，十段为180-185℃，十一段为185-190℃，机头为195-200℃。
表1具体实施例各组分用量(单位：wt.％)
Figure BDA0002778421290000041
按照表2中所述各组分的用量以下述制备方法进行对比例所述聚丙烯复合材料的制备。各对比例的参照实施例为具体实施例1。
表2对比例各组分用量(单位：wt.％)
Figure BDA0002778421290000051
上述复合材料在制备过程中，对比例1、3、4和5的制备方法同具体实施例1，仅相应的去除添加量为0的组分即可；对比例2的制备方法与具体实施例1相比为取消步骤S2的操作即可。
对上述具体实施例和对比例制备所得的复合材料进行力学性能、流动性、降解性和VOC含量的测试，其测试方法如下，测试结果参见表3中所述。
一、力学性能：
拉伸强度：按ISO 527标准要求进行测试；
弯曲强度：按ISO178标准要求进行测试；
缺口冲击强度：按ISO 179标准要求进行测试。
二、流动性能：
熔融指数：按ISO 1133标准要求进行测试，测试条件为230℃，2.16kg。
三、降解性：将具体实施例和对比例制备所得的复合材料掩埋于具有相同湿度、温度、深度条件下进行堆肥处理，模拟塑料的自然讲解环境，并于掩埋6个月(6M)和12个月(12M)时分别检测其降解率。
四、VOC含量：有机物排放量(TVOC)：按照PV 3341标准要求进行测试。
表3具体实施例和对比例性能测试结果
Figure BDA0002778421290000061
Figure BDA0002778421290000071
从上述三个表格中记载的数据可以看出：对比例1中为不使用植物纤维的情况，与具体实施例1相比，对比例1所得复合材料的力学性能较差，同时其降解性也非常差。对比例2中为采用未经改性植物纤维的情况，与具体实施例1相比，对比例2中使用未经改性的植物纤维进行填充时，复合材料的力学性能尤其是刚性较差。对比例3中为不使用光敏剂的情况，与具体实施例1相比，对比例3的降解性差。对比例4中为不使用二叔丁基过氧化物的情况，与具体实施例1相比，对比例4的复合材料在加工过程中的流动性较差；对比例5为不使用沸石粉的情况，与具体实施例1相比，对比例5所得复合材料的VOC含量较高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，主要包括下述步骤：
S1，按可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料总质量百分比计称取下述各组分：聚丙烯40-60wt.％、植物纤维20-45wt.％、纤维增强材料2-5wt.％、沸石粉2-8wt.％、填充物2-5wt.％、改性淀粉2-8wt.％、光敏剂0.1-1.0wt.％、润滑剂0.5-1.5wt.％、抗氧剂0.5-1.0wt.％、相容剂3-10wt.％、分散剂0.5-1.0wt.％、增韧剂2-6wt.％、二叔丁基过氧化物0.1-0.3wt.％；其中所述光敏剂为乙烯-一氧化碳共聚物；
S2，将植物纤维采用浓度15-20wt.％氢氧化钠溶液浸泡1-2h后将其用清水洗净，再置于真空干燥箱中于100-120℃下烘4-6h，得到改性植物纤维；
S3，将聚丙烯和二叔丁基过氧化物加入高速搅拌机中，于60-80℃下预混合10-15min后，再分别依次向其中加入纤维增强材料、沸石粉、填充剂、改性淀粉、光敏剂、润滑剂、抗氧剂、相容剂、分散剂和增韧剂后，于90-110℃下混合10-20min，得到改性聚丙烯；其中高速搅拌机的运转速度为350-450rmp；
S4，将步骤S3中所得改性聚丙烯经主喂料口喂料且将步骤S2中所得改性植物纤维经侧喂料口喂料至真空双螺杆挤出机内，经熔融、挤出、造粒得所述可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述植物纤维为木纤维、竹纤维和亚麻纤椰壳纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纤维增强材料为玻璃纤维、碳纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维和玄武岩纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述填充物为滑石粉、碳酸钙、晶须、硫酸钡、硅灰石和云母粉中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述润滑剂为固体石蜡和聚乙烯蜡中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述抗氧剂为168和1010中的至少一种；所述分散剂为硬脂酸、油酸酰胺和芥酸酰胺中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述相容剂为MAH-g-POE和MAH-g-PE中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述增韧剂为三元乙丙橡胶和丙烯-α烯烃共聚物中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S4中双螺杆挤出机的各段温度如下，一段为170-175℃，二段为180-185℃，三段为190-195℃，四段为190-195℃，五段为195-200℃，六段为195-200℃，七段为185-190℃，八段为185-190℃，九段为180-185℃，十段为180-185℃，十一段为185-190℃，机头为195-200℃。
10.一种使用权利要求1至9中任一项制备方法制备所得的可降解高性能植物纤维填充聚丙烯复合材料。
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