CN112778629A - 一种耐高温水煮聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐高温水煮聚丙烯复合材料及其制备方法，该复合材料由包括如下重量份的原料制成茂金属聚丙烯(mPP)20‑70份，高结晶聚丙10‑40份，结晶性POE 5‑20份，矿物粉体5‑25份，炭黑母粒0.8‑1.5份，抗氧剂0.1‑0.6份，润滑剂0.1‑0.2份，除酸剂0.1‑0.2份。本发明所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料采用的具有相当窄分子量分布mPP和少量高结晶PP(47‑50％之间)共混的方法得到具有高流动性、分子量分布窄、高结晶、小分子量含量低和茂金属催化剂残留量低特点的共混PP作为本发明的新型PP基体，其他组分和助剂采用相同的添加方式。

Description

一种耐高温水煮聚丙烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，尤其是涉及一种耐高温水煮聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
汽车外饰件用聚丙烯复合材料是主要是通过注塑成型制作汽车保险杠本体、格栅、轮眉、边梁等，经过喷涂底漆、面漆、清漆获得成品。这些喷漆外饰件经常会遇到水(如泥水、雨水、露水等)，并因此出现失光、脱落、起皱、起泡现象。所以，基材和涂层的耐高温水煮测试是评价喷漆件的重要指标。现行有效的涂层耐高温水煮试验方法有以下4种：常温23℃浸水(240h)试验法、40℃浸水(240h)试验法、80℃浸水(4h)试验法和99℃浸沸水(3h)试验法，然后观察油漆件表面是否有气泡、失光、起皱、变色、脱落等现象。在同一喷漆件的基材进行试验时，最后一种试验方法99℃浸沸水4h法，试验条件最为苛刻，失效现象最容易出现，在喷漆零件耐高温水煮测试中最难通过。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种耐高温水煮聚丙烯复合材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种耐高温水煮聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下重量份的原料制成：
Figure BDA0002861351880000021
优选的，所述的复合材料由包括如下重量份的原料制成：
Figure BDA0002861351880000022
进一步，所述的茂金属聚丙烯在230℃、载荷2.16kg条件下的熔体流动速率为50-65g/10min，分子量分布指数Mw/Mn为2.3-2.7，弯曲模量为1300-1600MPa，常温悬臂梁缺口冲击强度2-10kJ/m2；所述的茂金属聚丙烯为茂金属催化剂合成的具有分子量分布窄、高流动性、刚韧平衡的聚丙烯树脂。
进一步，所述的高结晶聚丙烯在230℃、载荷2.16kg条件下的熔体流动速率为25-55g/10min，分子量分布指数Mw/Mn为3.7-4.5，拉伸强度大于等于30MPa，弯曲模量为1800-2000MPa，常温悬臂梁缺口强度为5-13kJ/m2，结晶度为47-50％(DSC法)；所述的高结晶聚丙烯为Z-N催化剂合成的高结晶度聚丙烯树脂。
进一步，所述的聚烯烃热塑性弹性体(POE)为乙烯-丁烯共聚物或乙烯-辛烯共聚物中至少一种；所述的POE的结晶度为8-12％。
进一步，所述矿物粉体为塑料填料用滑石粉或塑料填料用碳酸钙中的至少一种；所述的塑料填料用滑石粉的粒径为1250-5000目；所述的塑料填料用碳酸钙的粒径为800-1250目。
进一步，所述的炭黑母粒由以聚乙烯或聚乙烯蜡为基体的炉法炭黑、热裂解炭黑中的至少一种制成；主要起到染色作用；所述的除酸剂为低硬脂酸复合酯类或酰胺类除酸剂中的至少一种；所述的润滑剂为硅酮类、酯类、酰胺类、聚乙烯类、硬脂酸类、脂肪酸或酯类润滑剂中的至少一种。；所述的除酸剂的作用是为了促进复合物在挤出加工时，捕捉树脂中催化剂残留的卤素小分子。
进一步，所述的抗氧剂为酚类、亚磷酸酯类或半受阻酚类复合物类抗氧剂中的至少一种；优选的，所述的抗氧剂为高分子量多元受阻酚类抗氧剂；所述的高分子量多元受阻酚类抗氧剂的熔点为230-260℃。所述的高分子量多元受阻酚类抗氧剂作为主抗氧剂。抗氧剂用于抑制加工过程中产生的降解。
所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：将所述的茂金属聚丙烯、高结晶聚丙烯、滑石粉粉体、结晶性热塑性聚烯烃弹性体、炭黑母粒、抗氧剂、润滑剂、除酸剂从螺杆挤出机主喂料口加入双螺杆挤出机中，进行熔融物理共混、挤出、水冷、除水、切粒、烘干工序后，得到所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料。
进一步，所述的螺杆挤出机的长径比为(36-48):1，加工温度为160-220℃，螺杆转速400-650rpm，喂料量300-1000kg/h。
对于PP类聚烯烃材料在挤出加工过程中，尤其是在高温高剪切情况下，其中的PP低聚物分子链运动更为活跃，与氧的结合更易，所以更容易出现氧化分解，从而生成醛酮等羰基化合物、醇类等有机小分子。这些有机小分子在高温99℃水煮环境的强烈作用下，从PP基材中迁移到表面速率相对于40℃水环境下更快，从而在PP基材表面形成鼓包、凹坑等表面不良现象更明显。所以，如何减少复合材料中含量最大的PP基体中的低聚物成为克服此项技术难点的方向之一。并且在高温99℃水环境下，PP基体的耐高温特性也要着重优化。鉴于此，如何实现PP基材具有窄分子量分布、高结晶、高流动、成本适当的特点，是本发明的主要研究方向。
所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料通过mPP和高结晶聚丙烯共混作为基体树脂，添加结晶性POE、矿物粉体和塑料加工助剂(高分子量高效抗氧剂为主抗氧剂)，依据汽车主机厂外饰件基材的规格要求(如PP+E/P-TD10、PP+E/P-TD15、PP+E/P-TD20等)，制作成同样规格的聚丙烯复合材料，改善保险杠基体在高温99℃水煮4h条件下的起泡、析出、裂纹等现象。相对于以往使用40℃温水浸泡7天，从零件试验角度来讲，采用99℃高温水煮4h，后者更为苛刻，达到不起泡和起泡密度小的目标更难。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)常规汽车外饰件PP复合材料，多采用抗冲共聚PP来作为基体，(10-50kJ/m2之间)，属于Z-N催化剂合成的PP树脂，具有流动性高、分子量分布宽(Mw/Mn在3.8-4.5之间)、结晶度较低(40-45％之间)、小分子量PP分子链含量高及催化剂残留量高的特点，再添加聚烯烃弹性体POE、滑石粉、助剂共混改性后，制作成目前常用的外饰件专用料。其耐高温水煮测试多采用40℃水环境放置240h来评判改性材料的耐水特性，比较容易通过。但在高温99℃水煮4h条件下，极易出现试验失败的情况。
(2)本发明所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料采用的具有相当窄分子量分布的mPP和高结晶PP(47-50％之间)共混的方法得到具有高流动性、分子量分布窄、高结晶、小分子量含量低和催化剂残留量低特点的共混PP，作为本发明的新型PP基体，其他组分和助剂采用相同的添加方式。PP复合材料在高温高剪切挤出造粒过程中，由于断链和氧化生成的小分子量有机物(醇类、醛类、酸类)更低，同时共混形成的PP基体本身具有高结晶、低析出物的特性。挤出加工过程中生成的有机小分子迁移以PP基体中的无定型区做为路径，迁移过程中要绕过结晶区，而结晶度的提升，有效延长了有机小分子的迁移路径，从而使复合材料具有优异的耐高温99℃水煮特性。
(3)本发明选用了具有一定结晶性的乙烯-辛烯POE来进行增韧，相对于无结晶透明性的POE(包括乙烯-辛烯/丁烯POE)，前者具有一定的结晶度(8-12％)。通过添加此类POE，不仅起到对复合材料的增韧作用，并且进一步提升了复合材料的结晶度，有效提升了其耐热特性，同时也增延缓了有机小分子的迁移速率，对耐高温99℃水煮特性优化有明显提升作用。
(4)本发明采用的主抗氧剂，区别于常规PP改性中使用的主抗氧剂(如酚类主抗氧剂1010，熔点110.0-125.0℃)，而是采用了高分子量多元受阻酚类抗氧剂，具有耐热性好、熔点高、不污染、不着色、挥发性低等特点，在达到PP改性材料的长期耐热的基本要求基础上，利用其熔点高(230-260℃之间)、耐热优、挥发性低的特点，进一步提升了改性PP材料的耐热特性，并且抗氧剂不易从改性PP基体中析出，添加量相对于常规抗氧剂1010要明显减少50％，抗氧剂含量的降低，有利于减少抗氧剂向制品表面迁移的浓度，从而提升改性PP材料的耐水特性。
(5)本发明的另一优势在于PP复合材料是基于高温99℃水环境来评判实现的，区别于40℃温水环境。试验环境温度越高，对PP复合材料的耐高温、耐析出特性要求更高，试验条件更为苛刻。众所周知，当试验环境温度达到80℃以上时，PP基体中结晶不完善区域出现结晶重排现象，宏观上极易造成零件出现尺寸收缩、翘曲、变形等现象。而本发明通过具有较高结晶度的mPP和高结晶PP共混方式，以及使用结晶POE增韧，有效提升了PP复合材料的耐热温度，热变形温度可达到110-130℃，摒弃了用常规共聚聚丙烯复合材料制作的外饰件专用料的不足(热变形温度在90-100℃之间)。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例中各原料的来源如表1所示。
表1原料的型号和生产厂家
Figure BDA0002861351880000071
下面结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种耐高温水煮聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下质量份的原料制成：茂金属聚丙烯Metocene HM640T 49kg，高结晶聚丙烯BX3900 30kg，结晶POE ENGAGE XLT8677 10kg，滑石粉TYT-777A 10kg，炭黑母粒2718 1kg，主抗氧剂AO-330 0.15kg，辅抗氧剂168 0.3kg，除酸剂BS-2818 0.2kg，润滑剂TR451 0.2kg。
所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：将所述的茂金属聚丙烯、高结晶聚丙烯、滑石粉粉体、结晶性热塑性聚烯烃弹性体、炭黑母粒、抗氧剂、润滑剂、除酸剂从螺杆挤出机主喂料口加入双螺杆挤出机中，进行熔融物理共混、挤出、水冷、除水、切粒、烘干工序后，得到所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料；所述的螺杆挤出机的长径比为40:1，加工温度为160-210℃，螺杆转速400-650rpm，喂料量300-1000kg/h。
实施例2
一种耐高温水煮聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下重量份的原料制成：茂金属聚丙烯Metocene HM640T 49kg，高结晶聚丙烯BX3900 20kg，结晶POE ENGAGE XLT8677 15kg，滑石粉TYT-777A 15kg，炭黑母粒2718 1kg，主抗氧剂AO-330 0.15kg，辅抗氧剂168 0.3kg，除酸剂BS-2818 0.2kg，润滑剂TR451 0.2kg。
所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料的制备方法同实施例1。
实施例3
一种耐高温水煮聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下重量份的原料制成：茂金属聚丙烯Metocene HM640T 49kg，高结晶聚丙烯BX3900 10kg，结晶POE ENGAGE XLT8677 20kg，滑石粉TYT-777A 20kg，炭黑母粒2718 1kg，主抗氧剂AO-330 0.15kg，辅抗氧剂168 0.3kg，除酸剂BS-2818 0.2kg，润滑剂TR451 0.2kg。
所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料的制备方法同实施例1。
对比例1
一种聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下重量份的原料制成：PP EP5075X49kg，高结晶聚丙烯BX3900 30kg，结晶POE ENGAGE XLT 8677 10kg，滑石粉TYT-777A10kg，炭黑母粒2718 1kg，主抗氧剂AO-330 0.15kg，辅抗氧剂168 0.3kg，除酸剂BS-28180.2kg，润滑剂TR451 0.2kg。
所述的聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：将各组分从螺杆挤出机主喂料口加入双螺杆挤出机中，进行熔融物理共混、挤出、水冷、除水、切粒、烘干工序后，得到所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料；所述的螺杆挤出机的长径比为40:1，加工温度为160-210℃，螺杆转速400-650rpm，喂料量300-1000kg/h。
对比例2
一种聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下重量份的原料制成：高结晶聚丙烯BX3900 69kg，结晶POE ENGAGE XLT 8677 15kg，滑石粉TYT-777A 15kg，炭黑母粒27181kg，主抗氧剂1010 0.3kg，辅抗氧剂168 0.3kg，除酸剂BS-2818 0.2kg，润滑剂TR4510.2kg。
所述的聚丙烯复合材料的制备方法同对比例1。
对比例3
一种聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下重量份的原料制成：茂金属聚丙烯Metocene HM640T 69kg，结晶POE ENGAGE XLT 8677 15kg，滑石粉TYT-777A 15kg，炭黑母粒2718 1kg，主抗氧剂AO-330 0.15kg，辅抗氧剂168 0.3kg，除酸剂BS-2818 0.2kg，润滑剂TR451 0.2kg。
所述的聚丙烯复合材料的制备方法同对比例1。
对比例4
一种聚丙烯复合材料，该复合材料由包括如下重量份的原料制成：茂金属聚丙烯Metocene HM640T 49kg，高结晶聚丙烯BX3900 10kg，无结晶POE LC565 20kg，滑石粉TYT-777A 20kg，炭黑母粒2718 1kg，主抗氧剂AO-330 0.15kg，辅抗氧剂168 0.3kg，除酸剂BS-2818 0.2kg，润滑剂TR451 0.2kg。
所述的聚丙烯复合材料的制备方法同对比例1。
将实施例1-3和对比例1-3得到的材料制成相应平板试样，在99℃高温水环境下放置4h后进行测试，测试标准如表2所示。
表2外饰件基材耐高温水煮评判标准
Figure BDA0002861351880000111
将实施例1-3和对比例1-4得到的材料耐高温99℃水煮测试如表3所示。
表3实施例1-3和对比例1-4的具体配比(质量份)及测试结果
Figure BDA0002861351880000112
Figure BDA0002861351880000121
(1)由实施例1与对比例1比较可以看出，在进行高温99℃水煮试验后，实验板表面起泡密度和起泡大小，在其他组分相同的情况下，实施例1中使用了mPP Metocene HM640T作为基体，起泡效果要好于对比例1中Z-N催化剂合成的PP EP5075X作为基体。说明在高温99℃水煮条件下，使用mPP具有更好的耐水效果，其主要原因在于mPP具有分子量分布窄、催化剂残留低、流动性高的特性。
(2)由实施例2与对比例2比较可以看出，实施例2的配方体系中同时使用茂金属PP和高结晶PP时，试验板的起泡密度和起泡大小在高温99℃水煮情况下，表现出效果优良。说明通过mPP和高结晶PP共混而形成的新型PP，同时具有分子量分布窄、析出物少、结晶度高的特点，高结晶区域有效阻止了有机小分子物质的迁移，有利于高温99℃水煮效果的提升。
对比例2仅用高结晶PP BX3900作为基体树脂，由于其分子量分布宽，在挤出加工中生成大量有机小分子物质，虽有较高结晶度，但有机小分子物质浓度较高，所以在高温99℃水煮效果表现略差。也进一步说明只有在mPP和高结晶PP共混后形成的新型PP，能更有效的提升改性PP材料的耐高温水煮特性。
(3)由实施例2与对比例3比较可以看出，当对比例3中全部使用mPP MetoceneHM640T作为基体时，高温水煮起泡效果有所改善，但没有达到实施例2中，有高结晶BX3900时，两者共同存在时的高温水煮效果。说明单用mPP，并没有提升材料整体的结晶度，复合材料的耐热性能、小分子迁移的路径没有达到最优效果。
(4)由实施例3和对比例4比较可以看出，当结晶性POE ENGAGE XLT 8677作为增韧剂时，高温水煮起泡效果要明显好于无结晶且透明的POE LC565，说明结晶性POE的添加，进一步提升了整体的结晶度，少量的有机小分子向表面迁移的路径延长，有利于改性PP复合材料的耐热特性进一步提升。
同时当采用0.15kg的高熔点高分子量主抗氧剂AO-330时，高温水煮起泡效果优于使用0.3kg的主抗氧剂1010，并且前者用量为后者的50％，有效降低了额外添加的有机小分子物质含量，不仅有效改善了高温99℃水煮起泡效果，也有效降低了体系的成本。
综上所述，mPP HM640T、高结晶PP BX3900、结晶性POE 8677、高效抗氧剂AO-330这些组分共同存在与复合材料配方体系中时，材料具有优异的高温99℃水煮效果。相对于Z-N催化剂共聚PP/非结晶POE/抗氧剂1010配方体系在高温水煮方面有明显提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：该复合材料由包括如下重量份的原料制成：
Figure FDA0002861351870000011
2.根据权利要求1所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的复合材料由包括如下重量份的原料制成：
Figure FDA0002861351870000012
3.根据权利要求2所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的茂金属聚丙烯在230℃、载荷2.16kg条件下的熔体流动速率为50-65g/10min，分子量分布指数Mw/Mn为2.3-2.7，弯曲模量为1300-1600MPa，常温悬臂梁缺口冲击强度2-10kJ/m2；所述的茂金属聚丙烯为茂金属催化剂合成的具有分子量分布窄、高流动性、刚韧平衡的聚丙烯树脂。
4.根据权利要求2所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的高结晶聚丙烯在230℃、载荷2.16kg条件下的熔体流动速率为25-55g/10min，分子量分布指数Mw/Mn为3.7-4.5，拉伸强度大于等于30MPa，弯曲模量为1800-2000MPa，常温悬臂梁缺口强度为5-13kJ/m2，结晶度为47-50％(DSC法)；所述的高结晶聚丙烯为Z-N催化剂合成的高结晶度聚丙烯树脂。
5.根据权利要求2所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的聚烯烃热塑性弹性体为乙烯-丁烯共聚物或乙烯-辛烯共聚物中至少一种；所述的POE的结晶度为8-12％(DSC法)。
6.根据权利要求2所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：所述矿物粉体为塑料填料用滑石粉或塑料填料用碳酸钙中的至少一种；所述的塑料填料用滑石粉的粒径为1250-5000目；所述的塑料填料用碳酸钙的粒径为800-1250目。
7.根据权利要求2所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的炭黑母粒由以聚乙烯或聚乙烯蜡为基体的炉法炭黑、热裂解炭黑中的至少一种制成；所述的除酸剂为低硬脂酸复合酯类或酰胺类除酸剂中的至少一种；所述的润滑剂为硅酮类、酯类、酰胺类、聚乙烯类、硬脂酸类、脂肪酸或酯类润滑剂中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为酚类、亚磷酸酯类或半受阻酚类复合物类抗氧剂中的至少一种；优选的，所述的抗氧剂为高分子量多元受阻酚类抗氧剂；所述的高分子量多元受阻酚类抗氧剂的熔点为230-260℃。
9.权利要求1-8中任一项所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将所述的mPP、高结晶聚丙烯、滑石粉粉体、结晶性POE、炭黑母粒、抗氧剂、润滑剂、除酸剂从螺杆挤出机主喂料口加入双螺杆挤出机中，进行熔融物理共混、挤出、水冷、除水、切粒、烘干工序后，得到所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料。
10.根据权利要求9所述的耐高温水煮聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的螺杆挤出机的长径比为(36-48):1，加工温度为160-220℃，螺杆转速400-650rpm，喂料量300-1000kg/h。
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