CN113549263A - 一种高性能聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能聚丙烯复合材料以及制备方法，该材料由以下组分按重量份制成：聚丙烯75.4‑92.4份，螺旋形线型WS2纳米材料5‑15份，增韧剂2‑8份，热稳定剂0.2‑0.6份，光稳定剂0.2‑0.6份，加工助剂0.2‑0.4份；本发明以化学气相沉积法制得的螺旋形线型WS2纳米材料代替传统的无机填料，可避免传统等长径比结构的增强材料在注塑过程中的取向状态，从而保持材料的横纵各向收缩率一致性和稳定性。此外，由于螺旋形线型材料具有更长的有效实际长度，在受力状态时，其传递基体应力的效率更高，且有效接触面积更大，使制得到聚丙烯复合材料具有更高的韧性和刚性，极大地扩展了其应用范围。

Description

一种高性能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改性领域，具体涉及一种高性能聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯是一种性能优良的热塑性合成树脂，具有质轻、安全、加工性能优异、抗冲击强度、抗挠曲性及电绝缘性能好等优点，目前广泛用于汽车、电子电器、家电产品中，但聚丙烯也有一些如成型收缩率大、低温冲击性能不好、热变形温度低、刚性韧性无法同时保证等缺点，在实际生产中常采用无机填料和增韧剂改性聚丙烯材料，但现有的无机填料和增韧剂改性聚丙烯材料的韧性和刚性有限，限制了聚丙烯的特殊领域应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高性能聚丙烯复合材料，通过螺旋形线型二硫化物(WS2)纳米材料替代传统的无机填料，来增强、增韧聚丙烯，得到综合性能优异的聚丙烯复合材料
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高性能聚丙烯复合材料，由以下组分按重量份制成：聚丙烯75.4-92.4份，螺旋形线型WS2纳米材料5-15份，增韧剂2-8份，热稳定剂0.2-0.6份，光稳定剂0.2-0.6份，加工助剂0.2-0.4份；所述螺旋形线型WS2纳米材料是通过化学气相沉积法制得的材料。
作为优选的技术方案，所述聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯中的至少一种。
所述螺旋形线型WS2纳米材料的制备方法如下：
a.将WS2粉末放入氧化铝舟中，并置于管式炉的石英管的加热中心；
b.另在石英管气流下方12-14cm处放置一个硅片，硅片由200-400nm的SiO2制得；
c.现在管式炉里通入60-100sccm氩气，持续60-80min，以排除其中的氧气；
d.将管式炉加热至1100℃-1200℃维持20-40min，即在硅片上得到白色粉末状的螺旋形线型WS2纳米材料。
WS2的螺旋形线型结构形成机理在于:WS2属于二维过渡金属硫族化合物(MX2，M＝Mo，W，X＝S，Se，Te)，其是类似于石墨烯的层状化合物，是以螺旋位错驱动生长机制形成的。WS2本身特有的螺旋位错驱动结构，即WS2晶体呈三角形螺旋结构，生长过程中，在晶体的一部分相对于其余晶体发生一定角度的滑移，绕着轴线生长形成螺旋结构。
作为优选的技术方案，所述增韧剂为聚烯烃弹性体。进一步优选的，所述聚烯烃弹性体为乙烯-丙烯-辛烯三元共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、氢化的乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种。更进一步优选为陶氏化学的POE8200、POE8842。
作为优选的技术方案，所述热稳定剂为酚类热稳定剂、胺类热稳定剂、亚磷酸酯类热稳定剂、受阻酚类热稳定剂、丙烯酰基官能团与硫代酯的复合物类热稳定剂、杯芳烃热稳定剂中的一种。进一步优选为Irganox1010。
作为优选的技术方案，所述光稳定剂为受阻胺类光稳定剂、N-烷基化类光稳定剂、苯并三唑类光稳定剂，二苯甲酮类光稳定剂中的一种。进一步优选为聚-[6-(1,1,3,3-四甲基丁基)-亚氨基]-1,3,5-三嗪-2,4-二甲基][2-(2-2,6,6-四甲基哌啶基)-次氨基]-六亚甲基-[4-(2，2,6,6-四甲基哌啶基)]-次氨基类、或索尔维光稳定剂CYASORB CYNERGYSOLUTIONS V703(实施例中简称“V703”)。
作为优选的技术方案，所述加工助剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌或芥酸酰胺中的一种。进一步优选为硬脂酸钙。
本发明的另一个目的是提供上述所述的高性能聚丙烯复合材料的制备方法，步骤如下：
按配比称取聚丙烯、螺旋形线型WS2纳米材料、增韧剂、热稳定剂、光稳定剂和加工助剂，混合均匀后，加入挤出机中熔融挤出、造粒制得高性能聚丙烯复合材料。
作为优选的技术方案，所述挤出机为双螺杆挤出机，所述双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度170℃-180℃，压缩段温度180℃-190℃，塑化段温度180℃-190℃，均化段温度180℃-200℃，模口温度190℃-200℃。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明通过化学气相沉积法制得螺旋形线型WS2纳米材料，以此材料代替传统的无机填料，来增强、增韧聚丙烯。首先螺旋形线型WS2纳米材料可避免传统滑石粉等长径比结构的增强材料在注塑过程中的取向状态，从而保持材料的横纵各向收缩率一致性和稳定性。此外，由于螺旋形线型WS2纳米材料的特殊结构，单位长度内，螺旋型的材料比线型的材料有更长的有效实际长度，从而材料在受力时，填料传递基体受到的应力的效率更高，且有效接触面积更大，和聚丙烯基体的结合更为紧密，使制得到聚丙烯材料具有更高的韧性和刚性，综合性能优异。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是下列实施例中选用的聚丙烯为巴塞尔的的嵌段共聚丙聚PP EA5074或中石化的均聚聚丙烯PP S2040，上述试剂只是为了说明本发明实验时所采用的试剂来源和成分，以便充分公开，并不表示采用其他同类试剂或其他供应商提供的试剂就不能实现本发明。
实施例1
一种高性能聚丙烯复合材料，按重量份称取下列原料：聚丙烯(PP EA5074)82.9份，螺旋形线型WS2纳米材料10份，增韧剂(POE8200)6份，热稳定剂(Irganox1010)0.4份，光稳定剂(V703)0.4份，加工助剂(硬脂酸钙)0.3份，将上述物质加入高速混合机中干混4分钟后，加入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒制得高性能聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度175℃，压缩段温度185℃，塑化段温度185℃，均化段温度190℃，模口温度195℃。
其中，所述螺旋形线型WS2纳米材料通过化学气相沉积法制备得到，具体步骤如下：
a.将WS2粉末放入氧化铝舟中，并置于管式炉的石英管的加热中心；
b.另在石英管气流下方13cm处放置一个硅片，硅片由300nm的SiO2制得；
c.现在管式炉里通入80sccm氩气，持续70min以排除其中的氧气；
d.将管式炉加热至1150℃维持30min；即可在硅片上得到白色粉末状螺旋形线型WS2纳米材料。
实施例2
一种高性能聚丙烯复合材料，按重量份称取下列原料：聚丙烯(PP EA5074)82.7份，螺旋形线型WS2纳米材料12份，增韧剂(POE8842)4份，热稳定剂(Irganox1010)0.5份，光稳定剂(V703)0.5份，加工助剂硬脂酸锌0.3份；将各组分加入高速混合机中干混4分钟后，加入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒制得高性能聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度175℃，压缩段温度180℃，塑化段温度185℃，均化段温度195℃，模口温度195℃。
其中，所述螺旋形线型WS2纳米材料通过化学气相沉积法制备得到，具体步骤如下：
a.将WS2粉末放入氧化铝舟中，并置于管式炉的石英管的加热中心；
b.另在石英管气流下方13cm处放置一个硅片，硅片由350nm的SiO2制得；
c.现在管式炉里通入70sccm氩气，持续70min以排除其中的氧气；
d.将管式炉加热至1150℃维持35min；即可在硅片上得到白色粉末状螺旋形线型WS2纳米材料。
实施例3
一种高性能聚丙烯复合材料，按重量份称取下列原料：聚丙烯(PP EA5074)84.1份，螺旋形线型WS2纳米材料8份，增韧剂(POE8200)7份，热稳定剂(Irganox1010)0.3份，光稳定剂(V703)0.3份，加工助剂芥酸酰胺0.3份；将各组分加入高速混合机中干混3分钟后，加入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒制得高性能聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度170℃，压缩段温度180℃，塑化段温度185℃，均化段温度180℃，模口温度200℃。
其中，所述螺旋形线型WS2纳米材料通过化学气相沉积法制备得到，具体步骤如下：
a.将WS2粉末放入氧化铝舟中，并置于管式炉的石英管的加热中心；
b.另在石英管气流下方12cm处放置一个硅片，硅片由300nm的SiO2制得；
c.现在管式炉里通入90sccm氩气，持续70min以排除其中的氧气；
d.将管式炉加热至1100℃维持20min；即可在硅片上得到白色粉末状螺旋形线型WS2纳米材料。
实施例4
一种高性能聚丙烯复合材料，按重量份称取下列原料：聚丙烯(PP T30S)92.4份，螺旋形线型WS2纳米材料5份，增韧剂(POE8200)2份，热稳定剂(Irganox1010)0.2份，光稳定剂(V703)0.2份，加工助剂硬脂酸钙0.2份；将各组分加入高速混合机中干混3分钟后，加入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒制得高性能聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度170℃，压缩段温度180℃，塑化段温度180℃，均化段温度180℃，模口温度190℃。
其中，所述螺旋形线型WS2纳米材料通过化学气相沉积法制备得到，具体步骤如下：
a.将WS2粉末放入氧化铝舟中，并置于管式炉的石英管的加热中心；
b.另在石英管气流下方12cm处放置一个硅片，硅片由200nm的SiO2制得；
c.现在管式炉里通入60sccm氩气，持续60min以排除其中的氧气；
d.将管式炉加热至1100℃维持20min；即可在硅片上得到白色粉末状为螺旋形线型WS2纳米材料。
实施例5
一种高性能聚丙烯复合材料，按重量份称取下列原料：聚丙烯(PP EA5074)75.4份，螺旋形线型WS2纳米材料15份，增韧剂(POE8200)8份，热稳定剂(Irganox1010)0.6份，光稳定剂(V703)0.6份，加工助剂硬脂酸钙0.4份；将各组分加入高速混合机中干混3分钟后，加入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒制得高性能聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度180℃，压缩段温度190℃，塑化段温度190℃，均化段温度200℃，模口温度200℃。
其中，所述螺旋形线型WS2纳米材料通过化学气相沉积法制备得到，具体步骤如下：
a.将WS2粉末放入氧化铝舟中，并置于管式炉的石英管的加热中心；
b.另在石英管气流下方14cm处放置一个硅片，硅片由400nm的SiO2制得；
c.现在管式炉里通入100sccm氩气，持续80min以排除其中的氧气；
d.将管式炉加热至1200℃维持40min；即可在硅片上得到白色粉末状螺旋形线型WS2纳米材料。
对比例1：
常规聚丙烯复合材料的制备，按重量份称取下列原料：聚丙烯(PP EA5074)76.2份，滑石粉(AH51210)15份，增韧剂(POE8200)7份，热稳定剂(Irganox1010)0.6份，光稳定剂(V703)0.6份，加工助剂硬脂酸钙0.6份；将各组分加入高速混合机中干混4分钟后，加入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒制得常规聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度175℃，压缩段温度180℃，塑化段温度185℃，均化段温度195℃，模口温度195℃。
对比例2：
常规聚丙烯复合材料的制备，按重量份称取下列原料：聚丙烯(PP EA5074)80.8份，碳酸钙10份，增韧剂(POE8842)8份，热稳定剂(Irganox1010)0.4份，光稳定剂(V703)0.4份，加工助剂硬脂酸锌0.4份；将各组分加入高速混合机中干混4分钟后，加入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒制得常规聚丙烯复合材料，其中双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度180℃，压缩段温度190℃，塑化段温度190℃，均化段温度200℃，模口温度200℃。
将上述实施例和对比例制得的材料进行相关力学性能测试，测试结果见表1：
表1性能测试结果
Figure BDA0002468379660000061
Figure BDA0002468379660000071
以上表1中的结果可看出，与对比例制备的材料材料，实施例制备的高性能聚丙烯复合材料具有很高的刚性和韧性，且横纵方向收缩率较为一致，具有应用在高端市场的潜力。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：由以下组分按重量份制成：聚丙烯75.4-92.4份，螺旋形线型WS2纳米材料5-15份，增韧剂2-8份，热稳定剂0.2-0.6份，光稳定剂0.2-0.6份，加工助剂0.2-0.4份。
2.根据权利要求1所述的高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述螺旋形线型WS2纳米材料的制备方法如下：
a.将WS2粉末放入氧化铝舟中，并置于管式炉的石英管的加热中心；
b.另在石英管气流下方12-14cm处放置一个硅片，硅片由200-400nm的SiO2制得；
c.在管式炉里通入60-100sccm氩气，以排除其中的氧气；
d.将管式炉加热至1100℃-1200℃维持20-40min，即在硅片上得到白色粉末状的螺旋形线型WS2纳米材料。
4.根据权利要求1所述的高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述增韧剂为聚烯烃弹性体。
5.根据权利要求4所述的高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述聚烯烃弹性体为乙烯-丙烯-辛烯三元共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、氢化的乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述热稳定剂为酚类热稳定剂、胺类热稳定剂、亚磷酸酯类热稳定剂、受阻酚类热稳定剂、丙烯酰基官能团与硫代酯的复合物类热稳定剂、杯芳烃热稳定剂中的一种。
7.根据权利要求1所述的高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述光稳定剂为受阻胺类光稳定剂、N-烷基化类光稳定剂、苯并三唑类光稳定剂，二苯甲酮类光稳定剂中的一种。
8.根据权利要求1所述的高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述加工助剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌或芥酸酰胺中的一种。
9.如权利要求1-8任一项所述的高性能聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
按配比称取聚丙烯、螺旋形线型WS2纳米材料、增韧剂、热稳定剂、光稳定剂和加工助剂，混合均匀后，加入挤出机中熔融挤出、造粒制得高性能聚丙烯复合材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述挤出机为双螺杆挤出机，所述双螺杆挤出机的各段工作温度为：进料段温度170℃-180℃，压缩段温度180℃-190℃，塑化段温度180℃-190℃，均化段温度180℃-200℃，模口温度190℃-200℃。
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