CN113308046B - 一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用，所述的聚丙烯复合材料，按重量份数计，包括组分：聚丙烯树脂10~50份；聚甲醛树脂10~40份；三氟甲基磺酸三甲基硅酯1~3份；淀粉5~15份；云母10~20份；微珠20~30份。本发明通过选用聚丙烯树脂和聚甲醛树脂共混形成合金，两相的不相容性使材料在内在结构上出现相分离，同时加入淀粉、云母和微珠，形成多相结构，使材料的相结构上更分散，增加了材料中的微观缺陷，从而大幅度降低了材料的断裂伸长率和挠度，显著提高材料的脆性，进一步拓宽了聚丙烯复合材料的应用，能够满足在一些对材料脆性要求高的特殊场合的使用。

Description

一种聚丙烯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技术领域，具体涉及一种聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
咽拭子或鼻拭子采样是目前我国针对新冠病毒核酸检测的主要采样方法。为保证检测结果的准确性，对于采样拭子材质有一定的要求，不能使用可能含有灭活某些病毒或抑制PCR检测等影响后续检测的物质的材料，如海藻酸钙拭子或木棒拭子等。目前推荐使用的有聚丙烯材料。
在采样过程中，采样后需要将拭子柄折断后再收集拭子头。目前的新冠疫情形势下，咽拭子或鼻拭子采样批量极大，对于速度的要求很高，这就要求拭子柄具有较好的脆性，易于折断。然而现有产品的拭子柄韧性较高，一般需要反复几次才能折断，增加了劳动强度，严重影响了采样效率。
在聚丙烯的合成及改性领域中，一直将材料的韧性做为重要标准，现有技术中对于提高材料脆性（降低断裂伸长率）的研究相对较少。一般情况下，聚丙烯在Tg以下时，通过提高结晶度可以提高脆性；然而目前的以高结晶材料为主要特点的聚丙烯，其断裂伸长率也在15%以上，无法满足在某些特殊场合的使用。现有技术中也有采用降解法来提高材料的脆性，即通过将PP分子链条打断，使流动性大幅度提升，从而降低断裂伸长率，如熔喷料PP的MFR为1200g/10min以上，流动性极好，断裂伸长率可以降到8%~10%，但其仍然达不到理想的使用要求，且该方法存在无法规模化地注塑或挤出的问题。因此，本发明主要研究如何降低聚丙烯材料的断裂伸长率，制得具有高脆性的聚丙烯材料，能够满足在一些对材料脆性要求高的特殊场合的使用。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种聚丙烯复合材料，具有较低的断裂伸长率和挠度，体现出高脆性的特征。
本发明的另一目的在于提供上述聚丙烯复合材料的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种聚丙烯复合材料，按重量份数计，包括以下组分：
聚丙烯树脂 10~50份；
聚甲醛树脂 10~40份；
三氟甲基磺酸三甲基硅酯 1~3份；
淀粉 5~15份；
云母 10~20份；
微珠 20~30份。
聚甲醛具有高结晶性，将其与聚丙烯共混形成合金，由于两相的不相容性出现相分离，从而大幅度降低材料的断裂伸长率和挠度，使材料体现出高脆性的特征；同时不影响其加工性能，采用注塑或挤出的加工方式均可。
所述聚丙烯树脂优选在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为0.5~100g/10min的聚丙烯；选用熔体流动速率较高的聚丙烯，可以降低材料的韧性，使材料变脆，但熔体流动速率过高，在注塑过程容易出现飞边、溢胶等问题。更优选的，所述的聚丙烯树脂在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为15~60g/10min。
所述的聚丙烯树脂选自均聚聚丙烯或共聚聚丙烯中的任意一种或几种；优选的，所述的聚丙烯树脂选自均聚聚丙烯；更优选的，所述的聚丙烯树脂的结晶度大于55%；优选高结晶度的聚丙烯，使材料在内在结构上更不相容，更有利于提高材料的脆性。
所述的聚甲醛树脂优选在190℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为0.5~30g/10min的聚甲醛。
所述的聚甲醛树脂选自均聚聚甲醛或共聚聚甲醛中的任意一种或几种；优选的，所述的聚甲醛树脂选自均聚聚甲醛。
所述的三氟甲基磺酸三甲基硅酯的纯度为98%以上；本发明添加三氟甲基磺酸三甲基硅酯，其具有疏水疏油特性，与塑料不相容，包覆在淀粉表面，减小相界面的结合力，有利于形成多相结构。优选的，所述的三氟甲基磺酸三甲基硅酯与淀粉的重量比为1：（3~5）。
优选的，所述的淀粉选自食用淀粉中的任意一种或几种；合适的食用淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、绿豆淀粉中的任意一种或几种。
优选的，本发明采用20~100目的云母。
本发明的微珠选自陶瓷微珠或玻璃微珠中的任意一种或几种；优选微珠的粒径D50为50~100微米。
本发明经研究发现，淀粉、云母和微珠的加入，能够进一步引起材料的相分离，增加材料中的微观缺陷，在受到外力作用时，缺陷部分能迅速起作用，引起材料断裂；显著提高材料的脆性。
根据材料性能需求，本发明的聚丙烯复合材料，按重量份数计，还包括0.1~1份抗氧剂；0.1~1份其他助剂。
合适的抗氧剂可选自抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂1790或抗氧剂412S中的任意一种或几种。
所述的其他助剂选自润滑剂或成核剂中的任意一种或几种。
合适的润滑剂可选自芥酸酰胺、油酸酰胺、EBS酰胺类、PE蜡或硬脂酸盐中的任意一种或几种。
合适的成核剂选自取代芳基磷酸酯盐类成核剂。通过使用成核剂，可以增加聚丙烯的刚性和结晶度，提高聚丙烯和聚甲醛两相的不相容性，从而有利于降低材料的断裂伸长率和挠度。
本发明还提供了上述聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）按照配比，称取各组分；将三氟甲基磺酸三甲基硅酯和淀粉混合并静置30~60分钟；
（2）将除微珠外的各组并混合均匀，加入挤出机的主喂料系统，同时将微珠加入侧喂料系统，所有组分通过挤出机混合挤出造粒，制得聚丙烯复合材料，其中，加工温度为170℃～200℃。
本发明还提供了上述聚丙烯复合材料在医疗检测领域中的应用。具体的，适用于制作对材料脆性要求高的采样拭子的拭子柄。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过选用聚丙烯树脂和聚甲醛树脂共混形成合金，两相的不相容性使材料在内在结构上出现相分离，同时加入淀粉、云母和微珠，形成多相结构，使材料的相结构上更分散，增加了材料中的微观缺陷，从而大幅度降低了材料的断裂伸长率和挠度，显著提高材料的脆性，同时不影响其加工性能，可以采用注塑或挤出等常规的加工方式。
本发明制备得到的聚丙烯复合材料在使用时体现出高脆性的特征，进一步拓宽了聚丙烯复合材料的应用，能够满足在一些对材料脆性要求高的特殊场合的使用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
对本发明实施例及对比例所用的原材料做如下说明，但不限于这些材料：
聚丙烯树脂1：均聚聚丙烯，镇海炼化PP M60T，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为58 g/10min，结晶度为57%；
聚丙烯树脂2：均聚聚丙烯，中沙PP 6012，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为12 g/10min，结晶度为59%；
聚丙烯树脂3：均聚聚丙烯，韩华道达尔PP HJ700，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为24 g/10min，结晶度为56%；
聚丙烯树脂4：共聚聚丙烯，上海石化PP M2600R，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为26 g/10min，结晶度为31%；
聚丙烯树脂5：均聚聚丙烯，镇海炼化PPH-Y26，在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为 26 g/10min，结晶度为44%；
聚甲醛树脂1：均聚聚甲醛，杜邦Delrin® 100T NC010，在190℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为2.1 g/10min；
聚甲醛树脂2：均聚聚甲醛，杜邦Delrin® SC698 NC010，在190℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为23 g/10min；
聚甲醛树脂3：共聚聚甲醛，巴赛尔ACCUCOMP™ ACE091L，在190℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为2.5 g/10min；
三氟甲基磺酸三甲基硅酯：纯度为99%，江西国化实业F-CP74；
淀粉：玉米淀粉，市购；
云母1：40目，江门市精达云母AY-03N；
云母2：80目，灵寿县凯特云母SN-T080；
滑石粉：合山化工AH-325；
碳酸钙：广州荣粤重质碳酸钙；
硫酸钡：南通润丰沉淀硫酸钡；
微珠1：陶瓷微珠，粒径D50为82微米，上海格润亚GR-10；
微珠2：空心玻璃微珠，粒径D50为53微米，3M/5019N；
抗氧剂：抗氧剂1010与抗氧剂168按重量比1：2复配；
润滑剂：硬脂酸钙，中山华明泰科技BS-3818；
成核剂：取代芳基磷酸酯盐类，山西省化工研究所 TMP-6。
实施例和对比例的制备方法：
（1）按照表1或表2的配比，称取各组分；将三氟甲基磺酸三甲基硅酯和淀粉混合并静置30分钟；
（2）将除微珠外的各组并混合均匀，加入挤出机的主喂料系统，同时将微珠加入侧喂料系统，所有组分通过挤出机混合挤出造粒，制得聚丙烯复合材料，其中，加工温度170℃~200℃。
各项性能测试方法：
拉伸强度、拉伸断裂伸长率：根据标准ASTM D638-2014，以哑铃型样条测试；
弯曲模量、挠度：根据标准ASTM D790-2017，以长条形样条测试。
表1：实施例1~10各组分配比（按重量份数计）及各项性能测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8 实施例9 实施例10
聚丙烯树脂1 48 26 26 26
聚丙烯树脂2 26 10
聚丙烯树脂3 20 20
聚丙烯树脂4 20
聚丙烯树脂5 20
聚甲醛树脂1 10 25 25 25
聚甲醛树脂2 38 19.5 19.5 19.5 19.5
聚甲醛树脂3 25
三氟甲基磺酸三甲基硅酯 1 3 3 1 3 2 3 3 3 3
淀粉 5 10 10 10 10 7 13 13 13 13
云母，40目 15 10 10 10 10 18 18 18 18
云母，80目 12
陶瓷微珠 20 25 25 25 25
空心玻璃微珠 25 25 25 25 30
抗氧剂 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 / 0.7 0.7 0.7 0.7
润滑剂 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 / 0.3 0.3 0.3 0.3
成核剂 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 / 0.5 0.5 0.5 /
拉伸强度/MPa 44 47 40 45 46 54 47 39 42 43
拉伸断裂伸长率/% 3.1 3.7 7.1 5.6 3.9 5.8 3.9 7.3 6.9 5.5
弯曲模量/ MPa 3400 3200 2700 3100 3400 3300 3500 2800 3000 3200
挠度/% 2.3 2.4 4.3 4.1 2.6 4.3 3.1 5.5 5.2 4.7
表2：对比例1~8各组分配比（按重量份数计）及各项性能测试结果
对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5 对比例6 对比例7 对比例8
聚丙烯树脂1 48 48 48 48 48 48 48 48
聚甲醛树脂1 / 10 10 10 10 10 10 10
三氟甲基磺酸三甲基硅酯 1 1 1 1 / 1 1 1
淀粉 5 5 5 / 5 5 5 5
云母，40目 15 15 / 15 15
滑石粉 15
碳酸钙 15
硫酸钡 15
陶瓷微珠 20 / 20 20 20 20 20 20
抗氧剂 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
润滑剂 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
成核剂 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4
拉伸强度/ MPa 34 43 42 44 43 43 42 40
拉伸断裂伸长率/% 27 12 9.4 8.7 8.3 10.7 13.7 15.2
弯曲模量/ MPa 2400 3000 2400 3200 3100 2600 2300 2100
挠度/% 10 6.4 6.7 6.2 7.3 10 10 10
由上述实施例看出，本发明的聚丙烯复合材料通过选用聚丙烯树脂和聚甲醛树脂共混形成合金，同时加入淀粉、云母和微珠，能够大幅度降低材料的断裂伸长率（在8%以下）和挠度，使材料具有高脆性，同时保持较高的拉伸强度和弯曲模量，能够满足在一些对材料脆性要求高的特殊场合的使用。
对比例1不添加聚甲醛树脂，材料的断裂伸长率高达27%，具有较高的韧性。
对比例2/3/4与实施例1比较，不添加淀粉/云母/微珠，对于材料脆性的改善效果均较差，材料的断裂伸长率和挠度明显高于实施例。
对比例5不添加三氟甲基磺酸三甲基硅酯，淀粉表面的相界面结合力较大，不利于形成多相结构，材料脆性较差。
对比例6/7/8选用滑石粉/碳酸钙/硫酸钡等其他填料，对材料相结构分散效果差，材料的断裂伸长率和挠度高，脆性差。

Claims (18)

1.一种聚丙烯复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
聚丙烯树脂 10~50份；
聚甲醛树脂 10~40份；
三氟甲基磺酸三甲基硅酯 1~3份；
淀粉 5~15份；
云母 10~20份；
微珠 20~30份。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯树脂在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为0.5~100g/10min。
3.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯树脂在230℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为15~60g/10min。
4.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯树脂选自均聚聚丙烯或共聚聚丙烯中的任意一种或几种。
5.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯树脂选自均聚聚丙烯。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚丙烯树脂的结晶度大于55%。
7.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚甲醛树脂在190℃、2.16kg条件下的熔体流动速率为0.5~30g/10min。
8.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚甲醛树脂选自均聚聚甲醛或共聚聚甲醛中的任意一种或几种。
9.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的聚甲醛树脂选自均聚聚甲醛。
10.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的三氟甲基磺酸三甲基硅酯的纯度为98%以上。
11.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的三氟甲基磺酸三甲基硅酯与淀粉的重量比为1：（3~5）。
12.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的淀粉选自食用淀粉中的任意一种或几种；所述的食用淀粉选自玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、绿豆淀粉中的任意一种或几种。
13.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述云母的目数为20~100目。
14.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述的微珠选自陶瓷微珠或玻璃微珠中的任意一种或几种。
15.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述微珠的粒径D50为50~100微米。
16.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，按重量份数计，还包括0.1~1份抗氧剂；0.1~1份其他助剂；所述的抗氧剂选自抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂1790或抗氧剂412S中的任意一种或几种；所述的其他助剂选自润滑剂或成核剂中的任意一种或几种；所述的润滑剂选自芥酸酰胺、油酸酰胺、EBS酰胺类、PE蜡或硬脂酸盐中的任意一种或几种；所述的成核剂选自取代芳基磷酸酯盐类成核剂中的任意一种或几种。
17.根据权利要求1~16任一项所述的聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按照配比，称取各组分；将三氟甲基磺酸三甲基硅酯和淀粉混合并静置30~60分钟；
（2）将除微珠外的各组并混合均匀，加入挤出机的主喂料系统，同时将微珠加入侧喂料系统，所有组分通过挤出机混合挤出造粒，制得聚丙烯复合材料，其中，加工温度为170℃~200℃。
18.根据权利要求1~16任一项所述的聚丙烯复合材料在医疗检测领域中的应用。
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