CN113773576A - 一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents

一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料及其制备方法，该材料由以下重量百分比的原料制备而成：聚丙烯65～88％，高强聚乙烯纤维10～30％，偶联剂1～3％，光稳定剂0.5～1％，抗氧剂0.3～0.6％和润滑剂0.2～0.4％。本发明采用具有超低介电常数的高强聚乙烯纤维替代玻璃纤维作为增强剂，大幅降低聚丙烯材料密度的同时，显著降低了材料的介电常数，可以满足业内对5G通讯材料提出的介电常数≤3的要求。通过添加偶联剂和金红石型二氧化钛协同作用，制备得到的聚丙烯材料具有低密度、低介电常数及高耐候性等特点，可广泛应用于5G通讯领域，特别适合5G基站天线罩等部件。

Description

一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料改性技术领域，具体涉及一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料及其制备方法。
背景技术
随着5G高频通讯技术的发展，低介电常数材料受到越来越多的关注。介电常数对5G通讯毫米波信号的传输速度、信号损失等影响巨大。其中对信号传输关键的5G天线罩用于保护天线系统免受外部环境的影响，因此天线罩用材料不仅要求具有优异的机械强度，而且需要具备低介电性能及优异的耐候性能。
聚丙烯树脂为非极性材料，极化性小，其介电常数介于2.2～2.6，被视为5G通讯设备的理想材料。但聚丙烯具有刚性低、耐热性差的问题，因此多用玻纤对其进行增强改性来提高材料的机械强度以及耐热性能。然而常用的玻璃纤维介电常数在6～7左右，玻璃纤维的加入对材料整体的介电常数影响很大。
为制备低介电常数聚丙烯材料，专利CN106543554A公开了一种采用低介电常数的硼硅酸盐系玻璃纤维做增强剂，同时添加一定量的掺杂二氧化硅的方法。专利CN111073148A公开了一种四氟乙烯作为增粘剂，长玻璃纤维增强的低介电常数微发泡聚丙烯复合物。专利CN111138755A公开了一种玻纤增强聚丙烯母粒和可膨胀微球母粒制备的低密度低介电聚丙烯复合材料。低介电玻璃纤维由于成本及稳定性等问题尚未成熟应用，而常规玻璃纤维的加入会明显增大材料的介电常数，并且会带来浮纤等外观缺陷。微发泡技术和可膨胀微球发泡对设备和工艺要求高，很难形成均匀的泡孔或微孔，难以降低材料整体的介电常数。
此外，专利CN107141686A公开了一种特种纤维(聚醚酮、聚醚醚酮或聚醚酮酮)增强聚丙烯材料，具有低介电常数和耐电击穿性能优良的特点，用于制备特殊用途的聚丙烯薄膜。然而该特种聚合物纤维制造成本高，而且与聚丙烯树脂的相容性差。
高强聚乙烯纤维是当今世界三大高科技纤维之一，它具有密度小、强度高、模量大、耐各种化学品腐蚀以及抗紫外光照强等综合优异性能，目前广泛应用于防弹衣、防弹头盔、航海缆绳和远洋捕鱼拖网等领域。
由于高强聚乙烯纤维为非极性材料，其介电常数仅为2.0～2.3(测试频率1MHz)，远低于玻璃纤维。将高强聚乙烯纤维替代玻璃纤维用于开发低介电常数聚丙烯材料，在5G通讯设备领域具有广泛的应用前景，目前尚未见相关报道。
发明内容
为了克服现有低介电常数聚丙烯材料存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有低密度、低介电常数和高耐候的聚丙烯材料，用于5G基站天线罩等类似部件。
本发明的另一个目的在于提供这种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，由以下重量百分比计的原料组成：
Figure BDA0002868494390000021
上述低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料中，
所述的聚丙烯的熔体流动速率为20～80g/10min，测试条件为：230℃×2.16kg。
所述的高强聚乙烯纤维单丝纤度为1.5～4.0旦，其介电常数为2.0～2.3，测试频率为1MHz。
所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂中的一种，优选硅烷偶联剂。
所述的光稳定剂为金红石型二氧化钛，其粒径范围为5～30nm。
所述的抗氧剂为受阻酚类、硫代酯类和亚磷酸盐类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物。
所述的润滑剂为酯类或脂肪酸类润滑剂中的一种或两种以上的组合物。
上述低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料的制备方法如下：
(1)按重量配比称取聚丙烯、偶联剂、光稳定剂、抗氧剂和润滑剂，在高速搅拌机中干混5～15分钟。
(2)将混合后的物料从主喂料口加入双螺杆挤出机，高强聚乙烯纤维从螺杆尾部的2#侧喂口牵引导入，经挤出、冷却切粒得到低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料。
(3)其中双螺杆挤出机的长径比为25:1～40:1，挤出温度设置为190～220℃，螺杆转速为250～350转/分，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过采用高强聚乙烯纤维替代玻璃纤维作为增强剂，利用高强聚乙烯纤维的超低介电性能，可进一步降低聚丙烯材料的介电常数(低至2.2)，改善聚丙烯材料的介电性能的同时，可解决玻璃纤维增强带来的浮纤问题。
2、本发明使用硅烷偶联剂极大程度地增加了高强聚乙烯纤维与聚丙烯基体界面的相容性，增强了两者之间的结合力，保证材料具有良好的机械性能。
3、本发明使用金红石型二氧化钛作为光稳定剂，替代传统钛白粉作为色粉添加，所制得的聚丙烯材料具有优异的耐候性能。
4、本发明制备的聚丙烯材料具有低密度、低介电常数和高耐候性等特点，可广泛应用于5G通讯领域，特别适用于5G天线罩等类似部件。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细说明。本发明的范围不受这些实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。
在实施例和对比例的材料配方中，所用聚丙烯为SK公司生产的聚丙烯，商品名为BX3900，其熔体流动速率为60g/10min(测试条件：230℃×2.16kg)。高强聚乙烯纤维为湖南中泰特种装备有限公司生产的ZTX-99，其纤维单丝纤度为2.5旦，其介电常数为2.2。玻璃纤维为直径12微米的无碱玻璃纤维，其介电常数为6.5。偶联剂选用硅烷偶联剂KH550，市售。光稳定剂选用明之钛金红石型二氧化钛MZT-R1，其粒径大约为15nm。抗氧剂为Ciba公司的1010和168的组合物，比例为1:2。润滑剂为硬脂酸钙，市售。
实施例及对比例的配方见表1：
表1：实施例1～6及对比例1～3材料配方表(重量％)
Figure BDA0002868494390000041
上述实施例和对比例聚丙烯材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量配比称取聚丙烯、偶联剂、光稳定剂、抗氧剂和润滑剂，在高速搅拌机中干混5～15分钟。
(2)将混合后的物料从主喂料口加入双螺杆挤出机，高强聚乙烯纤维从螺杆尾部的2#侧喂口牵引导入，经挤出、冷却切粒得到低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料。
(3)其中双螺杆挤出机的长径比为30:1，挤出温度设置为190～220℃，螺杆转速为250～350转/分，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟。
性能评价方式及实行标准:
将上述实施例1～6及对比例1～3所制备的粒子材料，在
Figure BDA0002868494390000042
的鼓风烘箱中干燥2～3小时，然后将干燥好的粒子在注塑机上制成标准样条及样板用于测试。
密度测试：按照ISO 1183-1标准进行；拉伸强度测试：按ISO 527-2标准进行，试样尺寸为170×10×4mm，速度为50mm/min；弯曲强度测试：按ISO 178标准进行，试样尺寸为80×10×4mm，速度为2mm/min；缺口冲击强度测试：按ISO 179-1标准进行，试样尺寸为80×10×4mm，缺口深度为试样厚度的三分之一；介电常数测试：按GB/T 1409-2006方法，测试频率为1MHz，测试试样尺寸为15×10×1.6mm，在测试样条表面均匀涂上银电极后进行介电常数的测试；耐候性能测试：按SAE J2527-2004进行，光照幅度为0.55W/m2，试验时间为3000h，通过测试其色差变化(△E)来评估。
实施例及对比例的各项性能测试结果见表2：
表2：实施例1～6及对比例1～3的性能测试结果
Figure BDA0002868494390000051
与对比例1相比，实施例1采用高强聚乙烯纤维替代玻璃纤维的方式，不仅可以大幅度降低聚丙烯材料的密度，同时显著降低了材料的介电常数，可以满足业内对于5G通讯材料提出的介电常数≤3的要求。通过对比实施例1和对比例2，实施例3和5以及实施例4和6可以发现，随着偶联剂加入量的增多，材料整体的机械性能提升，这是由于偶联剂增加了高强聚乙烯纤维与聚丙烯基体界面的相容性，增强了两者之间结合力的缘故。比较实施例1、2与对比例3可以看出：相同高强聚乙烯纤维添加量的前提下，提高光稳定剂金红石型二氧化钛的加入量，材料光照后色差变化(△E)逐渐变小，使聚丙烯材料具有优异的耐候性能。本发明制得的聚丙烯材料具有低密度、低介电常数和高耐候性等特点，可广泛应用于5G通讯领域，特别适合5G基站天线罩部件。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域的技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离发明技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：由以下重量百分比计的原料组成：
Figure FDA0002868494380000011
2.根据权利要求1所述的一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：所述的聚丙烯的熔体流动速率为20～80g/10min，测试条件为：230℃×2.16kg。
3.根据权利要求1所述的一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：所述的高强聚乙烯纤维单丝纤度为1.5～4.0旦，其介电常数为2.0～2.3，测试频率为1MHz。
4.根据权利要求1所述的一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂和钛酸酯偶联剂中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：所述的偶联剂为硅烷偶联剂。
6.根据权利要求1所述的一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：所述的光稳定剂为金红石型二氧化钛，其粒径范围为5～30nm。
7.根据权利要求1所述的一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：所述的抗氧剂为受阻酚类、硫代酯类和亚磷酸盐类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物。
8.根据权利要求1所述的一种低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料，其特征在于：所述的润滑剂为酯类或脂肪酸类润滑剂中的一种或两种以上的组合物。
9.根据权利要求1-8任意之一所述低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料的制备方法，其特征在于：其步骤如下：
(1)按重量配比称取聚丙烯、偶联剂、光稳定剂、抗氧剂和润滑剂，在高速搅拌机中干混5～15分钟；
(2)将混合后的物料从主喂料口加入双螺杆挤出机，高强聚乙烯纤维从螺杆尾部的2#侧喂口牵引导入，经挤出、冷却切粒得到低密度低介电常数高耐候聚丙烯材料；
(3)其中双螺杆挤出机的长径比为25:1～40:1，挤出温度设置为190～220℃，螺杆转速为250～350转/分，整个挤出过程的停留时间为1～2分钟。
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