CN113896999A - 一种复合纤维增强聚苯乙烯材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合纤维增强聚苯乙烯材料及其制备方法，材料由以下组分按重量份制备而成：高抗冲聚苯乙烯20‑30份，聚苯乙烯40‑50份，短切玻纤10‑15份，氮化硅晶须6‑10份，苯乙烯‑乙烯‑马来酸酐接枝共聚物3‑5份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份。短切玻纤和氮化硅晶须组成的复合纤维体系具备优异的分散性，可以有效降低材料成型后的内应力，减少开裂等现象的发生，氮化硅晶须的高度取向结构使其具有高强度、高模量和高伸长率，能够显著提高聚苯乙烯材料的力学性能；本发明通过高抗冲聚苯乙烯和聚苯乙烯两种基料的复合，可以有效降低单组份聚苯乙烯的弊端，提高材料的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于改性材料技术领域，特别涉及一种复合纤维增强聚苯乙烯材料及其制备方法。
背景技术
普通聚苯乙烯树脂属无定形高分子聚合物，聚苯乙烯大分子链的侧基为苯环，大体积侧基为苯环的无规排列决定了聚苯乙烯的物理化学性质，如透明度高.刚度大.玻璃化温度高，内应力大，性脆等。聚苯乙烯具有良好的电性能，介电损耗角正切值极低，并且不受频率和环境温度、湿度变化的影响，是优异电绝缘材料。聚苯乙烯易加工成型，并具有透明、廉价、刚性、绝缘、印刷性好等优点。可广泛用于轻工市场，日用装璜，照明指示和包装等方面。在电气方面更是良好的绝缘材料和隔热保温材料，可以制作各种仪表外壳、灯罩、光学化学仪器零件、透明薄膜、电容器介质层等。但由于聚苯乙烯属于非结晶聚合物，且力学性能随温度的升高明显下降、耐热性较差，因而连续使用温度为60℃左右，最高不宜超过80℃。因此其适用范围也受到了限制。
晶须是指自然形成或者在人工控制条件下(主要形式)以单晶形式生长成的一种纤维，其直径非常小(微米数量级)，不含有通常材料中存在的缺陷(晶界、位错、空穴等)，其原子排列高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值。其机械强度等于邻接原子间力。晶须的高度取向结构不仅使其具有高强度、高模量和高伸长率，而且还具有电、光、磁、介电、导电、超导电性质。晶须的强度远高于其他短切纤维，将晶须作为增强体用以增加聚苯乙烯材料的强度极具应用前景。
发明内容
针对现有技术中聚苯乙烯材料力学性能随温度的升高明显下降、耐热性较差的问题，本发明的目的是提供一种复合纤维增强聚苯乙烯材料，制备得到强度高、内应力小、整体性能优异的材料。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种复合纤维增强聚苯乙烯材料，其由以下组分按重量份制备而成：
作为优选的技术方案，所述短切玻纤为无碱玻纤。
作为优选的技术方案，所述氮化硅晶须为高直须率晶须。
作为优选的技术方案，所述抗氧剂为β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八醇酯(抗氧剂1076)、三-(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(抗氧剂168)、硫代二丙酸双十八醇酯(抗氧剂DSTDP)按照质量比2:2:1组成的混合物。
作为优选的技术方案，所述光稳剂为二苯甲酮类光稳剂。
本发明的第二个目的是提供上述所述的复合纤维增强聚苯乙烯材料的制备方法，步骤如下：
(1)将高抗冲聚苯乙烯、聚苯乙烯、氮化硅晶须、苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物、抗氧剂、光稳剂混合均匀得到混合物；
(2)将混合物从双螺杆挤出机的主喂料口加入，将短切玻纤从双螺杆挤出机侧喂料口加入，经过混炼、挤出、冷却切粒后得到复合纤维增强聚苯乙烯材料。
作为优选的技术方案，所述双螺杆挤出机的各挤出区间的挤出温度分别是150-160℃、160-170℃、185-195℃、185-195℃、195-205℃、200-210℃、210-220℃、210-220℃、210-220℃、220-230℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明利用短切玻纤和氮化硅晶须两种纤维协同作用增强聚苯乙烯材料，短切玻纤和氮化硅晶须组成的复合纤维体系具备优异的分散性，可以有效降低材料成型后的内应力，减少开裂等现象的发生；氮化硅晶须的高度取向结构使其具有高强度、高模量和高伸长率，能够显著提高聚苯乙烯材料的力学性能。
(2)本发明通过高抗冲聚苯乙烯和聚苯乙烯两种基料的复合，可以有效降低单组份聚苯乙烯的弊端，提高材料的整体性能；
(3)本发明使用的苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物为多段共聚物接枝马来酸酐，以此作为偶联剂，可以提高玻纤、晶须与两类聚苯乙烯的相容性，使得最终的材料整体力学性能有很大提升。
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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下列实施例中所用试剂的型号以及供应商如下：
高抗冲聚苯乙烯购自马来西亚出光，牌号SEHI-104；
聚苯乙烯购自美国盛禧奥，牌号PS-1180；
短切玻纤为无碱玻纤，优选牌号为玻纤-248A；
氮化硅晶须为高直须率晶须，购自寿光市丽盛化工；
苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物为市售产品，购自阿尔德里奇公司；
抗氧剂为β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八醇酯(抗氧剂1076)、三-(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(抗氧剂168)、硫代二丙酸双十八醇酯(抗氧剂DSTDP)按照质量比2:2:1组成的混合物,其中抗氧剂1076和抗氧剂168购自巴斯夫，抗氧剂DSTDP购自长沙金域化工；
光稳剂为二苯甲酮类光稳剂，优选牌号UV-531，购自氰特化工。
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
将高抗冲聚苯乙烯20份，聚苯乙烯50份，氮化硅晶须10份，苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物5份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合15min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，物料配方中的短切玻纤15份以侧喂料的形式加入到双螺杆挤出机中，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是160℃、170℃、195℃、195℃、205℃、210℃、220℃、220℃、220℃、230℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表1。
实施例2
将高抗冲聚苯乙烯30份，聚苯乙烯40份，氮化硅晶须10份，苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物5份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合15min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，物料配方中的短切玻纤15份以侧喂料的形式加入到双螺杆挤出机中，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是160℃、170℃、190℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃、210℃、225℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表1。
实施例3
将高抗冲聚苯乙烯30份，聚苯乙烯45份，氮化硅晶须8份，苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物5份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合10min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，物料配方中的短切玻纤10份以侧喂料的形式加入到双螺杆挤出机中，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是155℃、165℃、190℃、190℃、200℃、205℃、215℃、215℃、215℃、225℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表1。
实施例4
将高抗冲聚苯乙烯25份，聚苯乙烯50份，氮化硅晶须6份，苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物4份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合10min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，物料配方中的短切玻纤10份以侧喂料的形式加入到双螺杆挤出机中，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是150℃、160℃、185℃、185℃、195℃、200℃、210℃、210℃、210℃、220℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表1。
表1各实施例制得的材料的性能检测
注：表1中上述测试的条件以及测试样条的尺寸如下：
拉伸强度测试：1A型模塑样条，拉伸速度50mm/min
弯曲强度测试：样品尺寸100mm*10mm*4mm，弯曲速度2mm/min
弯曲模量测试：样品尺寸100mm*10mm*4mm，弯曲速度2mm/min
悬臂梁缺口冲击强度：A型模塑缺口，样品尺寸100mm*10mm*4mm
热变形温度测试：样品尺寸100mm*10mm*4mm，负荷强度：0.45MPa
内应力测试：模塑样品，样品厚度：4mm，溶剂为40℃冰醋酸，浸泡时间：2min
对比例1
将聚苯乙烯70份，氮化硅晶须10份，苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物5份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合15min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，物料配方中的短切玻纤15份以侧喂料的形式加入到双螺杆挤出机中，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是160℃、170℃、190℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃、210℃、225℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表2。
对比例2
将高抗冲聚苯乙烯30份，聚苯乙烯40份，苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物5份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合15min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，物料配方中的短切玻纤25份以侧喂料的形式加入到双螺杆挤出机中，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是160℃、170℃、190℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃、210℃、225℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表2。
对比例3
将高抗冲聚苯乙烯30份，聚苯乙烯40份，氮化硅晶须25份，苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物5份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合15min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是160℃、170℃、190℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃、210℃、225℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表2。
对比例4
将高抗冲聚苯乙烯30份，聚苯乙烯40份，氮化硅晶须10份，抗氧剂0.5份，光稳剂0.3份加入高混机进行混合15min，然后将混合均匀的物料加入双螺杆挤出机中经混炼、挤出，冷却切粒后得到改性复合纤维填充材料粒料，物料配方中的短切玻纤15份以侧喂料的形式加入到双螺杆挤出机中，其中双螺杆挤出机中各挤出区间的挤出温度分别是160℃、170℃、190℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃、210℃、225℃。将制备得到的混合物进行性能测试，测试结果见表2。
表2各对比例制得的材料的性能检测
注：表2中测试的条件以及测试样条的尺寸与表1相同。
通过表1、表2数据可以看出，本发明制备的复合纤维增强聚苯乙烯材料的综合性能优异，材料整体力学性能有很大提升，且具备较高的耐应力开裂性能。复合耐抗冲聚苯乙烯材料可以有效的提升材料的韧性，且复合填充的纤维体系可以有效提高材料的耐应力开裂行为，最后，从对比例4可看出，本发明以苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物作为偶联剂对材料整体的性能影响最大。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于：其由以下组分按重量份制备而成：
2.根据权利要求1所述的复合纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于：所述短切玻纤为无碱玻纤。
3.根据权利要求1所述的复合纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于：所述氮化硅晶须为高直须率晶须。
4.根据权利要求1所述的复合纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于：所述抗氧剂为β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八醇酯、三-(2，4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、硫代二丙酸双十八醇酯按照质量比2:2:1组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的复合纤维增强聚苯乙烯材料，其特征在于：所述光稳剂为二苯甲酮类光稳剂。
6.如权利要求1-5任一项所述的复合纤维增强聚苯乙烯材料的制备方法，其特征在于：步骤如下：
(1)将高抗冲聚苯乙烯、聚苯乙烯、氮化硅晶须、苯乙烯-乙烯-马来酸酐接枝共聚物、抗氧剂、光稳剂混合均匀得到混合物；
(2)将混合物从双螺杆挤出机的主喂料口加入，将短切玻纤从双螺杆挤出机侧喂料口加入，经过混炼、挤出、冷却切粒后得到复合纤维增强聚苯乙烯材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的各挤出区间的挤出温度分别是150-160℃、160-170℃、185-195℃、185-195℃、195-205℃、200-210℃、210-220℃、210-220℃、210-220℃、220-230℃。
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