CN113667220A - 一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，首先将纳米二氧化硅(nano‑SiO2)粒子放入固体搅拌机，然后将硅烷偶联剂(KH)溶液直接喷洒在纳米二氧化硅(nano‑SiO2)粒子上并搅拌，再在100～120℃的温度下烘干1.5～2小时；在聚丙烯(PP)/纳米二氧化硅(nano‑SiO2)复合材料挤出过程中，在表面修饰硅烷偶联剂的纳米二氧化硅(nano‑SiO2)粒子中添加增溶剂(PP‑g‑MAH)，从而在聚丙烯(PP)和纳米二氧化硅(nano‑SiO2)粒子之间形成具有硅烷偶联剂和增溶剂的协同作用界面层，该协同作用界面层不但大大提高了聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的相容性和界面粘接性，改善复合材料的流变性能，而且还能有效地传递和松弛界面上的应力，更好的吸收和分散外界冲击能。

Description

一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面 层制备方法
技术领域
本发明涉及一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，属于高分子复合材料技术领域。
背景技术
聚丙烯(PP)是用得较多五大通用塑料，缺点是冲击强度低，应用范围受到了一定的限制。随着纳米材料的出现，开始采用无机纳米粒子填充聚丙烯，这种改性方法能大幅度降低成本，提高材料的刚度，改善聚丙烯(PP)的冲击韧性。但由于其两相相容性较差，单纯的熔融共混体系比纯的性能差。因此，目前研究的一个热点是寻找一种良好的界面处理剂应用于不相容的共混体系，形成具有界面相容的相分离结构，以求获得结构和性能优异的复合材料。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，该协同作用界面层不但大大提高了聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的相容性和界面粘接性，改善复合材料的流变性能，而且还能有效地传递和松弛界面上的应力，更好的吸收和分散外界冲击能，从而提高聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料综合性能。
本发明是这样构成的：一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，包括以下步骤：
步骤一、首先将纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子放入固体搅拌机，然后将硅烷偶联剂(KH)溶液直接喷洒在纳米二氧化硅 (nano-SiO2)粒子上并搅拌，搅拌10～30分钟后，将纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子取出，并在100～120℃的温度下烘干1.5～2小时；
步骤二、在180～210℃的温度下按配方将聚丙烯(PP)/纳米二氧化硅(nano-SiO2)复合材料放入双螺杆挤出机挤出造粒，在挤出过程中，在表面修饰硅烷偶联剂(KH)的纳米二氧化硅(nano-SiO2) 粒子中添加增溶剂(PP-g-MAH)，使聚丙烯(PP)基体和硅烷偶联剂(KH)之间形成增溶剂层，进而在聚丙烯(PP)和纳米二氧化硅 (nano-SiO2)粒子之间形成具有硅烷偶联剂和增溶剂的协同作用界面层。
上述方法中，所述固体搅拌机的转速为150～350转/分，所述双螺杆挤出机转速为90～100转/分。
上述方法中，按质量百分比计算，所述聚丙烯(PP)、硅烷偶联剂(KH)、增溶剂(PP-g-MAH)以及纳米二氧化硅(nano-SiO2)的占比分别为92％、1％、5％以及2％。
由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：本发明的协同作用界面层，即：由增溶剂(PP-g-MAH)和硅烷偶联剂组成的协同作用界面层，这种协同作用界面层不但大大提高了聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的相容性和界面粘接性，改善复合材料的流变性能，而且还能有效地传递和松弛界面上的应力，更好的吸收和分散外界冲击能，从而提高聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料综合性能，为开发新型聚合物纳米复合材具有重要的实际意义和广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的协同作用界面层的分子结构示意图；
图2为纳米二氧化硅粒子与聚丙烯共混改性的复合材料物理模型示意图；
图3为用硅烷偶联剂修饰的纳米二氧化硅粒子与聚丙烯共混改性的复合材料物理模型示意图；
图4为纳米二氧化硅粒子与聚丙烯中添加增溶剂共混改性的复合材料物理模型示意图；
图5为用硅烷偶联剂修饰的纳米二氧化硅粒子与聚丙烯中添加增溶剂共混改性的复合材料物理模型示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，包括以下步骤：
步骤一、首先将纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子放入固体搅拌机，然后将硅烷偶联剂(KH)溶液直接喷洒在纳米二氧化硅 (nano-SiO2)粒子上并搅拌，所述固体搅拌机的转速为300转/分，搅拌30分钟后，将纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子取出，并在100℃的温度下烘干2小时；
步骤二、在200℃的温度下按配方将聚丙烯(PP)/纳米二氧化硅(nano-SiO2)复合材料放入双螺杆挤出机挤出造粒，双螺杆挤出机转速为100转/分，在挤出过程中，在表面修饰硅烷偶联剂(KH) 的纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子中添加增溶剂(PP-g-MAH)，使聚丙烯(PP)基体和硅烷偶联剂(KH)之间形成增溶剂层，进而在聚丙烯(PP)和纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子之间形成具有硅烷偶联剂和增溶剂的协同作用界面层。其中，按质量百分比计算，所述聚丙烯(PP)、硅烷偶联剂(KH)、增溶剂(PP-g-MAH)以及纳米二氧化硅(nano-SiO2)的占比分别为92％、1％、5％以及2％。
参见图1～5，本发明的协同作用界面层的制备原理如下：
1)协同作用界面层物理模型：
硅烷偶联剂(KH)的分子结构式为:Y-R-Si(OR)3(式中Y-有机官能基,SiOR-硅烷氧基)。硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性，因此，可形成有机基体-硅烷偶联剂- 无机基体的界面层，硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间。
纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子用硅烷偶联剂(KH)表面修饰能改善相容性，是因为硅烷偶联剂(KH)水解后形成的硅羟基能与纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子表面的硅羟基进行缩聚反应，在纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子表面形成偶联剂层，从而起到表面修饰的作用。但是由于硅烷偶联剂(KH)碳主链比较短，而且其端基为极性基团氨基，所以使得纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子表面的硅烷偶联剂(KH)不能与中性聚丙烯(PP)基体很好地相容，只能与聚丙烯(PP)基体分子链相互缠结，因此，纳米二氧化硅(nano-SiO2) 粒子用硅烷偶联剂(KH)表面处理修饰后能改善复合材料相容性，但效果不明显。因此，本发明在经过硅烷偶联剂(KH)表面修饰的纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子中添加少量增溶剂(PP-g-MAH)，这是因为增溶剂(PP-g-MAH)分子链上含有酸性的酸酐官能团，能与纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子表面修饰的硅烷偶联剂(KH560)的氨基反应， PP-g-MAH分子被接枝到纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子表面修饰的硅烷偶联剂上，并在聚丙烯(PP)基体中形成“聚合物刷”，“聚合物刷”增加了纳米二氧化硅(nano-SiO2)与聚丙烯(PP)的相容性界面粘接性，改善复合材料的流变性能，使纳米二氧化硅(nano-SiO2) 粒子与聚丙烯(PP)基体形成了一体，提高共混体系的相容性和复合材料综合性能，如表1所示。
表1为本发明的协同作用界面层改性的复合材料综合性能
Figure BDA0003289131710000051
2)协同作用界面层形成机理：
Figure BDA0003289131710000052
Figure BDA0003289131710000061

Claims (3)

1.一种应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、首先将纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子放入固体搅拌机，然后将硅烷偶联剂(KH)溶液直接喷洒在纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子上并搅拌，搅拌10～30分钟后，将纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子取出，并在100～120℃的温度下烘干1.5～2小时；
步骤二、在180～210℃的温度下按配方将聚丙烯(PP)/纳米二氧化硅(nano-SiO2)复合材料放入双螺杆挤出机挤出造粒，在挤出过程中，在表面修饰硅烷偶联剂(KH)的纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子中添加增溶剂(PP-g-MAH)，使聚丙烯(PP)基体和硅烷偶联剂(KH)之间形成增溶剂层，进而在聚丙烯(PP)和纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子之间形成具有硅烷偶联剂和增溶剂的协同作用界面层。
2.根据权利要求1所述的应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，其特征在于：所述固体搅拌机的转速为150～350转/分，所述双螺杆挤出机转速为90～100转/分。
3.根据权利要求1所述的应用于聚丙烯/纳米二氧化硅复合材料的协同作用界面层制备方法，其特征在于：按质量百分比计算，所述聚丙烯(PP)、硅烷偶联剂(KH)、增溶剂(PP-g-MAH)以及纳米二氧化硅(nano-SiO2)粒子的占比分别为92％、1％、5％以及2％。
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