CN113736241B - 一种聚碳酸酯复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚碳酸酯复合材料及其制备方法和应用，所述的聚碳酸酯复合材料，按重量份数计，包括以下组分：PC树脂55‑80份；ABS树脂4‑10份；无机填料1‑5份；金红石型钛白粉2‑7份。本发明通过添加ABS树脂、无机填料和金红石型钛白粉，三者协同配合，可以有效改善聚碳酸酯材料的光反射能力，同时明显降低材料的能量损耗，制得低内耗的聚碳酸酯复合材料，特别适用于制备照明灯罩，能够减少光线损失，提高灯具的能量利用效率，从材料根本上实现了照明灯具的有效节能。

Description

一种聚碳酸酯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，具体涉及一种聚碳酸酯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在我国，照明用电约占总发电量的10%，随着我国现代化发展速度的加快，照明用电量正逐年上升。因此，如何提高照明灯具的能量利用效率（能效），在我国照明用电方面实现有效节能具有重要意义。

目前国内外提高灯具能效一般是从光源或灯具结构设计入手，具体的主要有（1）光源升级，开发节能型光源，通过发光机理的不同进而提高能效，如LED灯；（2）灯罩设计成特殊结构，如椭圆形，光源位于椭圆的焦点，可以保证反射光平行，提高能效；（3）对灯罩注塑模具表面进行特殊处理，或对塑胶注塑灯罩进行后处理，如通过镀膜或者喷涂涂料的方式，在灯罩内层增加一层具有反射功能的反光层，提高能效。然而，从光源入手存在门槛高且近些年的进展缓慢，该领域基本已到瓶颈期，在基础科学取得大的突破前很难有良好进展。从模具和零件后处理方面来改善，相对难度较低，广泛应用于现行业，但是存在两大问题：一是需要增加额外加工成本；二是没有从材料根本上解决问题，治标不治本。

现有技术中，对于照明灯罩材料对光源能量的影响的相关研究相对较少。中国专利申请CN109796560A公开了一种节能LED灯灯罩材料的制备方法，其中通过将几种有效光扩散成分以嵌段共聚物的形式存在于灯罩材料中，并与含氰基氟和碳酸酯结构的缩聚物共混，使得材料在保证透光性的同时，提高光线柔和性，不刺眼，且使得雾化均匀。该发明更主要是研究如何提高材料的透光性，然而并没有关注材料本身的能量损耗问题。

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碳酸酯复合材料，反射率高，且能量损耗低（光内耗低），特别适用于制备照明灯罩，可有效提高灯具能效。

本发明的另一目的在于提供上述聚碳酸酯复合材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述聚碳酸酯复合材料的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种聚碳酸酯复合材料，按重量份数计，包括以下组分：

PC树脂 55-80份；

ABS树脂 4-10份；

无机填料 1-5 份；

金红石型钛白粉 2-7份。

本发明所述聚碳酸酯复合材料为具有低能量损耗（光内耗低）的聚碳酸酯复合材料。

优选的，所述聚碳酸酯复合材料，按重量份数计，包括以下组分：

PC树脂 60-75份；

ABS树脂 5-8份；

无机填料 2-3份；

金红石型钛白粉 4-6份。

优选的，所述的PC树脂在300℃、1.2kg条件下的熔体流动速率为25-60g/10min。

优选的，所述的ABS树脂在200℃、21.6kg条件下的熔体流动速率为20-30g/10min。

本发明经研究意外发现，通过添加ABS树脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯接枝共聚物）、无机填料和金红石型钛白粉，三者协效，可以有效改善聚碳酸酯材料的光反射率，同时明显降低材料光内耗。金红石型钛白粉的晶型为菱形，折射率高，具有较强的遮盖力和着色牢度，可以大幅度提高材料的光反射率；加入一定量的ABS树脂和无机填料，可以提高金红石型钛白粉在聚碳酸酯中的分散能力，实现均匀分散，更有利于提高材料的反射率；另一方面，金红石型钛白粉和无机填料可以很好的填充到材料的点缺陷中（材料内耗主要由材料中的点缺陷导致），减小材料的点缺陷密度，同时ABS中的橡胶相可以软化点缺陷的界面，降低点缺陷能量，从而有效减小材料内耗。另外，ABS树脂可以进一步增大PC体系的混乱度，使无机填料填充到PC分子链之间，增大分子链之间的距离，减少分子链之间的作用力，宏观上表现为光学的各向同性，一定程度上提高材料的光透过率，进一步减小了材料光内耗。

在本发明的用量要求下，能够实现高反射率、低内耗的聚碳酸酯复合材料；若ABS树脂、无机填料或金红石型钛白粉的用量过高，反而会在材料中形成新的点缺陷或面缺陷，增大材料内耗。

金红石型钛白粉的粒径越小，其提高材料反射率和降低材料内耗的效果越好；优选的，所述金红石型钛白粉的D50粒径为180nm-300nm；更优选的，所述金红石型钛白粉的D50粒径为200nm-250nm。

优选的，本发明所述的ABS树脂橡胶相含量为40%-60%，橡胶相平均粒径为300nm-500nm。粒径过小的橡胶相不稳定，容易分解；橡胶相粒径过大或橡胶相含量过高，在材料中容易出现相连，形成岛屿状的组织相，这些组织相和PC基材之间的界面附近会形成大量的点缺陷和面缺陷，反而会增大材料能量损耗。

所述的无机填料选自滑石粉、碳酸钙、硫酸钡或硅灰石中的任意一种或几种，优选为硫酸钡。无机填料粒径不能过大，若大于材料点缺陷尺寸，无法填充到点缺陷中，反而会在材料中形成新的点缺陷，增大材料内耗。优选的，所述的无机填料D50粒径为0.5~3.0μm；更优选的，所述的无机填料D50粒径为1.0~2.0μm。

根据材料性能需求，本发明所述的聚碳酸酯复合材料，按重量份数计，还包括0.1-1份抗氧剂；0.1-1份光稳定剂。

优选的，所述的抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂、胺类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂或二苯胺抗氧剂中的任意一种或几种；所述的光稳定剂选自受阻胺类光稳定剂、苯并三唑类光稳定剂、二苯甲酮类光稳定剂或受阻苯甲酸酯类光稳定剂中的任意一种或几种；本发明对抗氧剂和光稳定剂的种类和来源没有要求，技术人员可以根据实际情况选择抗氧剂和光稳定剂种类添加。

本发明还提供了上述的聚碳酸酯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，依次投入预混机内混合6-8min，达到均匀混合的状态；

（2）将混匀后的物料投入双螺杆挤出机，挤出螺杆长径比为30:1-40:1，挤出机温度设置按T1区100-140℃、T2-T5区230-250℃、T6-T12区250-260℃，转速为300-450r/min，通过混炼、熔融、均化后挤出造粒，制得聚碳酸酯复合材料。

本发明还提供了上述聚碳酸酯复合材料在制备照明灯罩产品中的应用。

在应用于制备照明灯罩时，需要对材料进行阻燃改性，本发明的聚碳酸酯复合材料，还包括阻燃剂10-20份；所述的阻燃剂选自卤系阻燃剂或无卤阻燃剂中的任意一种或几种；所述的卤系阻燃剂选自溴化聚苯乙烯、溴化聚苯醚或溴化双酚A型环氧树脂中的任意一种或几种；所述的无卤阻燃剂选自含氮阻燃剂、含磷阻燃剂或含氮和磷的阻燃剂中的任意一种或几种。

在加工过程中，若直接添加阻燃剂，由于阻燃剂分散性差，会在投料口聚集出现“架桥”问题，加工困难。本发明通过先将阻燃剂与PC树脂按照一定配比共混挤出制得PC阻燃一步料，可以很好的改善阻燃剂在树脂中的分散性，防止出现“架桥”。

本发明还提供了上述聚碳酸酯复合材料在需要添加阻燃剂进行阻燃改性时的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照配比称取各组分，先将15-20份PC树脂与阻燃剂共混挤出制得PC阻燃一步料；

（2）将步骤（1）制得的PC阻燃一步料、剩余量的PC树脂与其余各组分，依次投入预混机内混合6-8min，达到均匀混合的状态；

（3）将混匀后的物料投入双螺杆挤出机，挤出螺杆长径比为30:1-40:1，挤出机温度设置按T1区100-140℃、T2-T5区230-250℃、T6-T12区250-260℃，转速为300-450r/min，通过混炼、熔融、均化后挤出造粒，制得聚碳酸酯复合材料。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明通过添加ABS树脂、无机填料和金红石型钛白粉，三者协同配合，可以有效改善聚碳酸酯材料的光反射能力，同时明显降低材料的能量损耗，制得低内耗的聚碳酸酯复合材料，特别适用于制备照明灯罩，能够减少光线损失，提高灯具的能量利用效率，从材料根本上实现了照明灯具的有效节能。

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：

PC树脂1：在300℃、1.2kg条件下的熔体流动速率为60g/10min；

PC树脂2：在300℃、1.2kg条件下的熔体流动速率为30g/10min；

PC树脂3：在300℃、1.2kg条件下的熔体流动速率为6.5g/10min；

PC树脂4：在300℃、1.2kg条件下的熔体流动速率为74g/10min；

ABS树脂1：在220℃、21.6kg条件下的熔体流动速率为24g/10min，橡胶相含量55%，橡胶相粒径350-400nm；

ABS树脂2：在220℃、21.6kg条件下的熔体流动速率为28g/10min，橡胶相含量45%，橡胶相粒径300-350nm；

ABS树脂3：在220℃、21.6kg条件下的熔体流动速率为24g/10min，橡胶相含量26%，橡胶相粒径900-1000nm；

ABS树脂4：在220℃、21.6kg条件下的熔体流动速率为20g/10min，橡胶相含量65%，橡胶相粒径240-285nm；

无机填料1：硫酸钡，AB-3000N1，D50粒径为1.5μm，广州市黄浦天泰化轻有限公司；

无机填料2：硫酸钡，AB-02N，D50粒径为3.0μm，清远市莱科新材料有限公司；

无机填料3：滑石粉，HTP05L，D50粒径为1.5μm，辽宁艾海意米矿业有限公司；

无机填料4：碳酸钙，XL4000C，D50粒径为1.5μm，广东盛朗白石工业有限公司；

无机填料5：硅灰石，硅微粉Q1506，D50粒径为1.5μm，广州永久进口贸易有限公司；

金红石型钛白粉1：德国康诺斯有限公司，2233，D50粒径为210nm；

金红石型钛白粉2：上海颜钛有限公司，TR-33，D50粒径为260nm；

锐钛型钛白粉1：攀枝花天伦化工有限公司，TLA-100,D50粒径为210nm；

锐钛型钛白粉2：廊坊市奇彩颜料有限公司，BA01-4，D50粒径为260nm；

硫化锌：德国莎哈利本化学有限公司，HD-S；

抗氧剂：亚磷酸酯类抗氧剂，Y-002，营口市风光化工有限公司；

光稳定剂：受阻胺类光稳定剂，UV-3808PP5，氰特表面技术（上海）有限公司；

阻燃剂：磷系阻燃剂，市购。

实施例1~13和对比例1~9的聚碳酸酯复合材料的制备方法：

（1）按照表1或表2配比称取各组分，先将20份PC树脂与阻燃剂共混挤出制得PC阻燃一步料；

（2）将步骤（1）制得的PC阻燃一步料、剩余量的PC树脂与其余各组分，依次投入预混机内混合8min，达到均匀混合的状态；

（3）将混匀后的物料投入双螺杆挤出机，挤出螺杆长径比为40:1，挤出机温度设置按T1区130℃、T2-T5区235℃、T6-T12区255℃，转速为350r/min，通过混炼、熔融、均化后挤出造粒，制得聚碳酸酯复合材料。

实施例14的聚碳酸酯复合材料的制备方法：

（1）按照配比称取各组分，依次投入预混机内混合8min，达到均匀混合的状态；

（2）将混匀后的物料投入双螺杆挤出机，挤出螺杆长径比为40:1，挤出机温度设置按T1区130℃、T2-T5区235℃、T6-T12区255℃，转速为350r/min，通过混炼、熔融、均化后挤出造粒，制得聚碳酸酯复合材料。

对材料光内耗的测定：将实施例和对比例制得的聚碳酸酯复合材料投入双螺杆挤出机，挤出拉条过水长度约为1-2m，同时在双螺杆挤出机螺筒上开注水口和双真空系统（真空度≥0.06MPa），将循环水通过注水口注入螺筒，注水比例为3.0%，并将最终的实验样料进行110℃，8小时烘干处理。将烘干后的实验样料采用注塑机注塑成50*80*2mm的小色板，使用爱色丽公司的分光光度仪X-Rite 7000A测量反射率（R）和透过率（T），内耗（S）的计算公式为S=1-R-T。

表1：实施例1-23各组分用量配比（按重量份数计）及性能测试结果

	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
									PC树脂1	68	68	68	68	68	68	68	68
PC树脂2
									PC树脂3
PC树脂4
									ABS树脂1	5	10	5	5	10	6	8	6
ABS树脂2
									ABS树脂3
ABS树脂4
									硫酸钡，1.5μm	2	2	5	2	1	3	2	2
硫酸钡，3.0μm
									滑石粉，1.5μm
碳酸钙，1.5μm
									硅灰石，1.5μm
金红石型钛白粉1	2	2	2	6	2	4	6	5
									金红石型钛白粉2
抗氧剂	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
									光稳定剂	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
阻燃剂	20	20	20	20	20	20	20	20
									反射率R/%	91.35	90.18	90.78	93.54	90.06	92.23	92.65	93.11
透过率T/%	0.98	0.90	0.76	0.32	0.73	0.52	0.31	0.46
									内耗S/%	7.67	8.92	8.46	6.14	9.21	7.25	7.04	6.43

接表1：

	实施例9	实施例10	实施例11	实施例12	实施例13	实施例14	实施例15	实施例16
									PC树脂1	68	68	68	68				68
PC树脂2					68
									PC树脂3						68
PC树脂4							68
									ABS树脂1	5	5	5	5	5	5	5	5
ABS树脂2
									ABS树脂3
ABS树脂4
									硫酸钡，1.5μm					2	2	2	2
硫酸钡，3.0μm	2
									滑石粉，1.5μm		2
碳酸钙，1.5μm			2
									硅灰石，1.5μm				2
金红石型钛白粉1	2	2	2	2	2	2	2
									金红石型钛白粉2								2
抗氧剂	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
									光稳定剂	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
阻燃剂	20	20	20	20	20	20	20	20
									反射率R/%	90.08	90.48	91.07	90.25	91.27	90.90	91.03	91.14
透过率T/%	0.99	0.85	0.88	0.87	0.92	1.02	0.76	0.88
									内耗S/%	8.93	8.67	8.05	8.88	7.81	8.08	8.21	7.98

接表1：

	实施例17	实施例18	实施例19	实施例20	实施例21	实施例22	实施例23
								PC树脂1	68	68	68	75		80	68
PC树脂2					60
								PC树脂3
PC树脂4
								ABS树脂1					5	4	5
ABS树脂2	5			7
								ABS树脂3		5
ABS树脂4			5
								硫酸钡，1.5μm	2	2	2	3	2	3	2
硫酸钡，3.0μm
								滑石粉
碳酸钙
								硅灰石
金红石型钛白粉1	2	2	2		4	7	2
								金红石型钛白粉2				6
抗氧剂	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
								光稳定剂	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
阻燃剂	20	20	20	15	20	10
								反射率R/%	91.31	89.74	90.78	91.73	91.77	91.68	91.34
透过率T/%	1.04	1.48	0.55	0.35	0.68	0.61	0.97
								内耗S/%	7.65	8.78	8.67	7.92	7.55	7.71	7.69

表2：对比例1-8各组分用量配比（按重量份数计）及性能测试结果

	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
									PC树脂1	68	68	68	68	68	68	68	68
ABS树脂1	15	/	5	5	5	5	5	5
									硫酸钡，1.5μm	2	2	10	/	2	2	2	2
金红石型钛白粉2233	2	2	2	2	/
									锐钛型钛白粉1						2
锐钛型钛白粉2							2
									硫化锌								2
抗氧剂	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1
									光稳定剂	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
阻燃剂	20	20	20	20	20	20	20	20
									反射率R/%	89.19	87.25	88.75	89.33	33.71	87.91	87.75	85.25
透过率T/%	0.47	0.94	0.42	0.55	52.90	0.48	0.43	1.76
									内耗S/%	10.34	11.86	10.83	10.12	13.39	11.61	11.82	12.99

由对比例2/4/5与实施例1比较：对比例2不添加ABS树脂，材料的反射率较低，且内耗高，说明通过添加ABS树脂能够提高材料的反射率，降低内耗；对比例4不添加硫酸钡，材料的反射率和透过率均较低，且内耗较高，说明通过添加一定量的硫酸钡，能够在一定程度上提高材料的反射率和透过率，从而降低材料内耗；对比例5不添加金红石型钛白粉，材料的反射率低于35%，且内耗达到13%以上，说明通过添加金红石型钛白粉能够显著提高材料的反射率，同时有效降低材料内耗；上述结果可以看出，本发明的聚碳酸酯复合材料通过选择添加ABS树脂、无机填料和金红石型钛白粉，可以协同提高材料的光反射能力，显著降低材料的能量损耗。

由对比例6/7/8与对比例5和实施例1比较，选用锐钛型钛白粉或硫化锌，虽然能够提高材料的反射率，但材料内耗仍然较高，说明选用其他类型的钛白粉或其他白色颜料并不能与ABS树脂和无机填料协同达到本发明提高材料反射率、同时显著降低材料内耗的效果。

由对比例1/3与实施例1比较，ABS树脂或无机填料添加量过多，反而会使反射率降低，且材料内耗增大；可见，本发明ABS树脂、无机填料和金红石型钛白粉三者需在本发明要求配方用量下，才能实现较好的明显提高材料的反射率，降低内耗的效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种聚碳酸酯复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：

PC树脂 55-80份；

ABS树脂 4-10份；

无机填料 1-5 份；

金红石型钛白粉 2-7份；

所述的PC树脂在300℃、1.2kg条件下的熔体流动速率为25-60g/10min；

所述的ABS树脂的橡胶相含量为40%-60%，橡胶相平均粒径为300nm-500nm；

所述无机填料选自碳酸钙或硫酸钡中的任意一种或几种。

2.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：

PC树脂 60-75份；

ABS树脂 5-8份；

无机填料 2-3份；

金红石型钛白粉 4-6份。

3.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的ABS树脂在200℃、21.6kg条件下的熔体流动速率为20-30g/10min。

4.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的无机填料选自硫酸钡。

5.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的无机填料D50粒径为0.5~3.0μm。

6.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述的无机填料D50粒径为1.0~2.0μm。

7.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述金红石型钛白粉 D50粒径为180nm-300nm。

8.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，所述金红石型钛白粉D50粒径为200nm-250nm。

9.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，按重量份数计，还包括抗氧剂0.1-1份；光稳定剂0.1-1份；所述的抗氧剂选自受阻酚类抗氧剂、胺类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂或二苯胺抗氧剂中的任意一种或几种；所述的光稳定剂选自受阻胺类光稳定剂、苯并三唑类光稳定剂、二苯甲酮类光稳定剂或受阻苯甲酸酯类光稳定剂中的任意一种或几种。

10.根据权利要求1所述的聚碳酸酯复合材料，其特征在于，按重量份数计，还包括阻燃剂10-20份；所述的阻燃剂选自卤系阻燃剂或无卤阻燃剂中的任意一种或几种。

11.根据权利要求1~9任一项所述的聚碳酸酯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，依次投入预混机内混合，达到均匀混合的状态；

（2）将混匀后的物料投入双螺杆挤出机，挤出螺杆长径比为30:1-40:1，挤出机温度设置按T1区100-140℃、T2-T5区230-250℃、T6-T12区250-260℃，转速为300-450r/min，通过混炼、熔融、均化后挤出造粒，制得聚碳酸酯复合材料。

12.根据权利要求10所述的聚碳酸酯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，先将15-20份PC树脂与阻燃剂共混挤出制得PC阻燃一步料；

（2）将步骤（1）制得的PC阻燃一步料、剩余量的PC树脂与其余各组分，依次投入预混机内混合，达到均匀混合的状态；

（3）将混匀后的物料投入双螺杆挤出机，挤出螺杆长径比为30:1-40:1，挤出机温度设置按T1区100-140℃、T2-T5区230-250℃、T6-T12区250-260℃，转速为300-450r/min，通过混炼、熔融、均化后挤出造粒，制得聚碳酸酯复合材料。

13.根据权利要求1~10任一项所述的聚碳酸酯复合材料在制备照明灯罩产品中的应用。