CN112708195B - 一种聚烯烃中空复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚烯烃中空复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种聚烯烃中空复合材料，所述复合材料包括如下按重量份计算的组分：聚烯烃树脂50～80份；增韧剂3～15份；中空玻璃微球10～50份；偶联剂0.1～0.5份；填充剂0～20份；加工助剂0～2份；所述中空玻璃微球通过莫来石制备；所述中空玻璃微球的平均粒径大于等于30μm。所述横向收缩率为0.7％～0.3％，纵向收缩率为0.9％～0.4％，缩痕深度最大为1.3μm，最小为0.6μm。

Description

一种聚烯烃中空复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，更具体地，涉及一种聚烯烃中空复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚烯烃材料因具有相对密度小、良好的力学性能及加工性能、较高的耐热性和耐化学腐蚀，已广泛应用于汽车、电子电器、医用材料、建筑材料和食品包装等领域。其中，聚丙烯作为结晶性聚合物，结晶后的比重增加、体积缩小，因此均聚聚丙烯往往表现出较大的模塑收缩率，一般在1.7～2.2％之间。而较大的模塑收缩率意味着制品的尺寸稳定性相对较差，因此使得聚丙烯在加工应用中受到一定限制。比如将聚丙烯用于生产汽车内外饰制品时，如果不解决好聚丙烯成型收缩偏大问题，将会导致制品尺寸变小、变形，进而影响制品的外观、密封性，甚至还可能造成安全隐患。
另一方面，由于聚烯烃材料在注塑成型后冷却固化速度慢，在制件中存在厚度变化的位置，易出现缩痕现象，缩痕是指在制件表面形成的局部凹陷，缩痕经常产生在局部壁厚较大的区域、筋或突起物的背面，是由制件厚壁部分在冷却时没有得到足够的补偿而产生的。这种表面缺陷严重影响制品的外观美观程度，并且在喷涂后仍然可见，极大限制了材料在外观部件中的使用。
针对收缩率的问题，常见的解决办法是向均聚聚丙烯材料里添加一定量的玻璃纤维或无机填料，然后进行机械共混。此方法可显著降低聚丙烯的模塑收缩率，而且还可以大大增强聚丙烯的强度，但玻璃纤维改性过的聚丙烯的模塑收缩率各向异性往往比较大。
针对缩痕的问题，材料可以通过添加玻纤和填料降低收缩率来减小缩痕，注塑件可以通过减薄加强筋等措施来改善缩痕，但是这些方法仍然无法彻底的改善材料的缩痕，无法满足要求较高的制件，中国专利(CN105504512A)公开了一种浅缩痕增强聚丙烯材料，主要是通过膨胀微球和有机黏土共同作用降低缩痕。但是对收缩率的效果不明显。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述各向同性收缩率高，缩痕严重的缺陷，提供一种聚烯烃中空复合材料。
本发明的另一目的在于提供所述聚烯烃中空复合材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供所述聚烯烃中空复合材料的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种聚烯烃中空复合材料，包括如下按重量份计算的组分：
Figure BDA0002842633820000021
所述中空玻璃微球通过莫来石制备；
所述中空玻璃微球的平均粒径大于等于30μm。
一般地，常规降低收缩率的方法有很多，例如在树脂加入玻纤或者其他填料，但是通过上述方法不能降低各向同性收缩率，横向收缩率和纵向收缩率的效果不好，目前也有采用玻璃微球、滑石粉和碳酸钙改性聚丙烯来降低聚丙烯的收缩率。但是由于常规的玻璃微球在制备过程中破碎较高，大大影响了横向收缩率和纵向收缩率。
本发明选择莫来石制备的中空玻璃微球，在与聚烯烃树脂共混过程中大幅度降低各向同性收缩率，横向收缩率和纵向收缩率都比较低，且本发明人意外的发现在选择莫来石制备的中空玻璃微球的平均粒径大于等于30μm时对于降低缩痕有一个明显的提升。
本发明中空玻璃微球采用干法制造，干法制造时按玻璃组分制成配合料(莫来石和添加剂)，配合料中含有大量加热时能释放出气体的原料，如莫来石或有机物。配合料在一定的温度下烧结后破碎，在粉末火焰喷吹的过程中，原料中分解出气体形成空心玻璃微珠。
优选地，所述中空玻璃微球的平均粒径小于等于80μm。所述中空玻璃微球的平均粒径若大于等于80μm，与树脂的相容性会差，力学性能会下降。
所述中空玻璃微球的的耐压强度大于等于120Mpa。
优选地，所述中空玻璃微球的真实密度为0.3～0.6g/cc之间。当中空微球的真实密度在0.3～0.6g/cc对树脂还具有较好的减重效果，能够达到低密度。
所述真实密度是指材料在绝对密实的状态下单位体积的固体物质的实际质量，即去除内部孔隙或者颗粒间的空隙后的密度。
优选地，所述聚烯烃树脂为聚丙烯树脂和/或聚乙烯树脂。
优选地，所述增韧剂为三元乙丙橡胶EPDM、聚烯烃弹性体POE、聚丙烯弹性体POP、聚丙烯接枝马来酸酐、线形低密度聚乙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、线形低密度聚乙烯接枝马来酸酐、乙烯丁烯共聚物接枝马来酸酐中的一种或几种。
优选地，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或硅烷偶联剂中的至少一种。
所述硅烷偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-(2,3)环氧(丙氧基)丙基三甲氧基硅烷或γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。
所述钛酸酯偶联剂选自三异硬脂酰基钛酸异丙酯(TTS)或异丙基三(二辛基磷酰基)钛酸酯中的一种。
所述铝酸酯偶联剂选自二硬脂酰氧异丙基铝酸酯或异丙氧基二硬酯酸酰氧基铝酸酯中一种。
优选地，所述填充剂为滑石粉、碳酸钙或玻璃纤维中一种。
优选地，所述加工助剂为抗氧剂和/或润滑剂。
所述抗氧剂按重量份计为0～1份；所述润滑剂按重量份计为0～1份。
所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类或硫醚类抗氧剂中至少一种。
所述润滑剂为金属皂类、硬脂酸复合酯类或酰胺类中的至少一种。
本发明提供所述聚烯烃中空复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.按比例称取聚烯烃树脂、填充剂、增韧剂、偶联剂、加工助剂混合均匀，得到预混料；
S2.将中空玻璃微球加入到挤出机侧喂料口；并与步骤S1得到预混料共混、挤出、造粒得到聚烯烃中空玻璃微球复合材料。
所述聚烯烃中空复合材料在汽车塑料制品、保温材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种聚烯烃中空复合材料，所述复合材料采用莫来石制备的中空玻璃微球，有利于降低聚丙烯树脂的各向同性收缩率，另外，选择平均粒径大于等于30μm的中空玻璃微球时对于树脂的缩痕有一个明显的提升，所述横向收缩率为0.8％～0.4％，纵向收缩率为1.1％～0.6％，缩痕深度最大为1.3μm，最小为0.6μm。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本技术领域常规试剂、方法和设备。
以下实施例及对比例中采用的原料如下：
聚烯烃树脂A：聚丙烯，AS164，Exxon Mobil有限公司；
聚烯烃树脂B：聚乙烯，HDPE 5000S,兰州石化；
中空玻璃微球A：通过莫来石制备，平均粒径30μm，真实密度为0.5g/cc；
中空玻璃微球B1：通过莫来石制备，平均粒径50μm，真实密度为0.5g/cc；
中空玻璃微球C：通过莫来石制备，平均粒径70μm，真实密度为0.5g/cc；
中空玻璃微球D：通过莫来石制备，平均粒径80μm，真实密度为0.5g/cc；
中空玻璃微球E：通过莫来石制备，平均粒径100μm，真实密度为0.5g/cc；
中空玻璃微球F：通过莫来石制备，平均粒径10μm，真实密度为0.5g/cc；
中空玻璃微球G：常规微珠(3M有限公司，牌号VS5500)，平均粒径50μm，真实密度为0.5g/cc；
中空玻璃微球B2：通过莫来石制备，平均粒径50μm，真实密度为0.15g/cc；
中空玻璃微球B3：通过莫来石制备，平均粒径50μm，真实密度为0.3g/cc；
中空玻璃微球B4：通过莫来石制备，平均粒径50μm，真实密度为0.6g/cc；
中空玻璃微球B5：通过莫来石制备，平均粒径50μm，真实密度为0.7g/cc；
其中莫来石制备的中空玻璃微球来自广东微珠新材料有限公司。
偶联剂：钛酸酯类，南京能德新材料技术有限公司；
增韧剂：聚丙烯弹性体POP，牌号为VISTAMAXX 3020FL302，Exxon Mobil有限公司，熔融指数为1.5g/10min；
填充剂：滑石粉,牌号为AH-1250N6,1250目，广西华美；
加工助剂：受阻酚类抗氧剂IRGANOX1010和亚磷酸酯类抗氧剂IRGANOX168，按重量份计，两者比例为1:2，生产商为巴斯夫；
下面结合实施例和对比例来详细说明本发明。
下面实施例和对比例均通过以下方法制备聚烯烃中空复合材料，按照表1～4的重量比称取各组分；具体步骤如下：
S1.按比例称取聚烯烃树脂、填充剂、增韧剂、加工助剂混合均匀，得到预混料，预混料工艺为混料5分钟，转速100RPM；
S2.将中空玻璃微球加入到挤出机侧喂料口；并与步骤S1得到预混料共混、挤出、挤出温度210-220℃，主机转速600RPM，造粒得到聚烯烃中空玻璃微球复合材料。
实施例1～5
表1实施例1～5的配方(份)
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
聚烯烃树脂A 65 65 65 65 65
中空玻璃微球A 30 — — — —
中空玻璃微球B1 — 30 — — —
中空玻璃微球C — — 30 — —
中空玻璃微球D — — — 30 —
中空玻璃微球E — — — — 30
增韧剂 5 5 5 5 5
填充剂 5 5 5 5 5
加工助剂 1 1 1 1 1
偶联剂 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
实施例6～11
表2实施例6～11的配方(份)
Figure BDA0002842633820000061
Figure BDA0002842633820000071
实施例12～17
表3实施例12～17的配方(份)
实施例12 实施例13 实施例14 实施例15 实施例16 实施例17
聚烯烃树脂A 65 65 65 65 50 80
中空玻璃微球B1 10 20 40 50 30 30
增韧剂 5 5 5 5 5 5
填充剂 5 5 5 5 5 5
加工助剂 1 1 1 1 1 1
偶联剂 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
对比例1～4
表4对比例1～4的配方(份)
对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
聚烯烃树脂A 65 65 65 65
中空玻璃微球B1 — — 5 60
中空玻璃微球F 30 — — —
中空玻璃微球G — 30 — —
增韧剂 5 5 5 5
填充剂 5 5 5 5
加工助剂 1 1 1 1
偶联剂 0.2 0.2 0.2 0.2
上述实施例和对比例制备的复合材料制备的标准注塑样条通过下述测试方法进行测试：
所述标准注塑样条按标准要求注塑成ISO测试样条。注塑成型机：HTB80型，宁波海天机械有限公司，注塑温度200-220℃，注塑速度40-60％，保压30-50％。
拉伸强度：按ISO 527-2-2012测试；
密度：按ISO-1183-1-2019测试；
缩痕表征：缩痕测试采用仪器为：台阶测试仪器，测试的条件为：扫描宽度:10mm，扫描速度：0.03mm/s，设定范围：100μm。
纵向收缩率和纵向收缩率：按ISO 2577-2007测试。
表5实施例和对比例的数据
Figure BDA0002842633820000081
从实施例1～5看，中空玻璃微球是以莫来石为原料制备的中空玻璃微球，具有很高的硬度，其粒径介于30微米至80微米之间，中空玻璃微球制备的中空复合的材料的横向收缩率和纵向收缩率较低，表面缩痕深度小且相对平衡的物料力学性能。
从实施例2和6～9看，中空玻璃微球选用真实密度介于0.3g/cc至0.6g/cc之间，所制备的材料横向和纵向收缩率较低，缩痕表现非常好。
从实施例10和11看，选择聚乙烯树脂也是能达到效果，再不加入填充剂和加工助剂时，也能实现上述效果。
从实施例12～15看，中空玻璃微球的含量越多，其效果是先增多后减少。
从实施例2和16～17看，聚烯烃树脂的含量越多，其收缩率和缩痕深度都会上升。
从实施例2和对比例1～4看，实施例2与对比例2的优势主要体现在中空复合材料具有更低的密度和收缩率，特别表现在缩痕方面，缩痕深度非常小，目视几乎没有明显的缩痕。这说明用莫来石为原料的中空玻璃微珠制备的复合材料在刚性和韧性的表现上优于传统用玻璃为原料制备的中空玻璃微珠中空复合材料，能够制备更高外观要求(低缩痕表现)的低密度复合材料。
对比例1由于没有加入莫来石制备的中空玻璃微球，其缩痕和横纵向收缩率不好；对比例3和4加入过低或过高的中空玻璃微球其效果也不好。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种聚烯烃中空复合材料，其特征在于，包括如下按重量份计算的组分：
聚烯烃树脂 65~80份；
增韧剂 3~15份；
中空玻璃微球 30~50份；
偶联剂 0.1~0.5份；
填充剂 0~20份；
加工助剂 0~2份；
所述中空玻璃微球通过莫来石制备；
所述中空玻璃微球的平均粒径为50~80 μm；
所述中空玻璃微球的真实密度为0.3~0.6g/cc。
2.根据权利要求1所述聚烯烃中空复合材料，其特征在于，所述聚烯烃树脂为聚丙烯树脂和/或聚乙烯树脂。
3.根据权利要求1所述聚烯烃中空复合材料，其特征在于，所述增韧剂为三元乙丙橡胶、聚烯烃弹性体、聚丙烯接枝马来酸酐、线形低密度聚乙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯、线形低密度聚乙烯接枝马来酸酐、乙烯丁烯共聚物接枝马来酸酐中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述聚烯烃中空复合材料，其特征在于，所述填充剂为滑石粉、碳酸钙或玻璃纤维中的一种。
5.根据权利要求1所述聚烯烃中空复合材料，其特征在于，所述加工助剂为抗氧剂和/或润滑剂。
6.根据权利要求1所述聚烯烃中空复合材料，其特征在于，所述偶联剂为钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂或硅烷偶联剂中的至少一种。
7.根据权利要求1~6任一项所述聚烯烃中空复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1. 按比例称取聚烯烃树脂、填充剂、增韧剂、偶联剂、加工助剂混合均匀，得到预混料；
S2. 将中空玻璃微球加入到挤出机侧喂料口；并与步骤S1得到预混料共混、挤出、造粒得到聚烯烃中空玻璃微球复合材料。
8.权利要求1~6任一项所述聚烯烃中空复合材料在汽车塑料制品中的应用。
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