CN114196111B - 一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发泡连续纤维增强聚丙烯材料及其制备方法。配方组份包括：20‑60%聚丙烯、30‑70%连续纤维布、1‑5%相容剂、1‑5%高温发泡剂、0.1‑0.5%成核剂、0.2‑1%，利用高流动性聚丙烯浸润连续玻纤布，实现高机械强度，而纤维表面粘附的高温发泡剂，在特定温度压力条件下形成泡孔，减轻材料的密度，从而达到轻量化结构制件的应用要求。

Description

一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料及其制备方法

技术领域

本发明属于热塑复合材料领域，具体涉及一种微发泡的轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料及其制备方法。

背景技术

根据纤维保留长度的不同，热塑性复合材料分为短纤维增强、长纤维增强（LFRT）与连续纤维增强复合材料（CFRT）。研究表明，纤维增强材料受到外部载荷时，纤维长度越大，强度越高，而长度小于临界长度Lo的纤维会被拔出，纤维自身的强度就不能得到充分发挥，材料的强度就会很低。

轻质的纤维增强材料一直是市场追求的目标，CN111073148A公开了一种低介电常数微发泡玻纤增强聚丙烯复合物及其制备方法，采用四氟乙烯作为增粘剂提高熔体粘度，得到低密度、高强度、低介电常数的聚丙烯材料。CN108530752B公开了一种微发泡连续长玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法和应用，主要应用于汽车领域。但是由于它们都是以长玻纤增强聚丙烯作为基础材料，材料的纤维长度只有10mm左右，所以性能不太高。而且高强度的长玻纤增强聚丙烯需要使用高流动性的聚丙烯提升浸润效果，而这种基体体系的熔体强度较差，不能完全发挥发泡剂的效果。

连续纤维增强聚丙烯复合材料中的纤维在浸渍过程不裁切，理论上其长度与成品尺寸完全一致，因此能够承受更大的外部载荷。高强度材料带来的效益非常明显，在进行产品设计时，可以减少产品的壁厚，简化结构设计，因此连续纤维增强复合材料是近年来非常热门的一类材料。

CN 202498800 U公开了一种连续纤维增强聚丙烯发泡板材，中间为发泡聚丙烯芯材，上下贴了连续纤维增强聚丙烯蒙皮。因为引入了发泡聚丙烯纯树脂的芯材，所以整体强度被降低，另外这种结构不能做厚度较小的板材。

发明内容

本发明提供了一种发泡连续纤维增强聚丙烯材料的制备方法。具体是利用高流动性聚丙烯浸润连续玻纤布，实现高机械强度，而纤维表面粘附的高温发泡剂，在特定温度压力条件下形成泡孔的原理，减轻材料的密度，从而达到轻量化结构制件的应用要求。

一种轻质高强度的发泡连续纤维增强聚丙烯材料，配方组份包括：

聚丙烯                       20-60%

连续纤维布                   30-70%

相容剂                       1-5%

高温发泡剂                   1-5%

成核剂                       0.1-0.5%

热稳定剂                     0.2-1%

作为优选，所述的聚丙烯为高流动性聚丙烯，在230℃、2.16 kg载荷下的熔融指数为30~120g/10min。高流动性的聚丙烯在压力的作用下，更容易进入纤维束中，浸渍纤维单丝，与纤维充分接触。但是高流动性聚丙烯的熔体强度较小，熔融状态下可能会造成部分发泡气泡破裂。

所述的连续纤维布，可以是玻纤布、碳纤布，或者树脂纤维布，表面经过上浆剂处理，最好涂覆有PP乳液，厚度0.05-0.15mm，克重50-300g/m²。

所述的相容剂为聚丙烯-马来酸酐接枝物（PP-g-MAH）、马来酸酐接枝乙烯-辛稀共聚物（POE-g-MAH）、聚丙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(PP-g-GMA)中的至少一种。用马来酸酐接枝物可有效改善聚合物与纤维界面相容性的问题，增强聚合物基体与纤维间的结合力。

所述的高温发泡剂偶氮二甲酸钡、对甲苯磺酰氨基脲、4，4’-氧代双（苯磺酰氨基脲）、三肼基三嗪中的至少一种，这类发泡剂的特点是分解温度高，在聚丙烯通常加工温度区间性状稳定，达到200℃以上才会分解，而且分解的产物主要是二氧化碳、氮气等气体，对材料本身性能不会产生影响。

所述的成核剂TMP-1（取代芳基磷酸酯盐类成核剂）、TMB-5（β晶型成核剂）、TMA-3（α晶型成核剂）至少一种。成核剂在气泡核的形成阶段非常重要，能够起到异相成核作用，使泡孔更容易成核，制得泡孔更多、更均匀的发泡材料。

所述的热稳定剂优选抗氧剂1010、1076与168、3114、9228、DSTP、DLTP中的至少两种，以满足材料生产、加工过程中的稳定性要求。

本发明所述的一种轻质高强度的发泡连续纤维增强聚丙烯材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

将高温发泡剂按照一定的浓度配混成悬浮液体，所述的溶剂可选用PP乳液、硅烷偶联剂或酒精，所述的浓度控制在1-5%。

将连续纤维布按照一定的角度从悬浮液槽的一端进入，在从另一端出来，纤维布的上下面均要与悬浮液接触，接触时间控制在3秒以上，出来后的纤维布再通过30-60摄氏度的红外隧道回收多余的溶剂，高温发泡剂就会均匀地分布在纤维布的表面。

另一端，将聚丙烯、相容剂、成核剂、抗氧剂按照一定比例预混后，挤出淋膜到纤维布的上下两个面，所述的淋膜厚度控制在0.2mm以内。随后纤维布与聚丙烯熔体快速进入特氟龙皮带复合机，复合的温度控制在PP的熔点以上发泡剂的分解温度以下，经过热压、定型、冷却后就制得了可发泡连续纤维增强PP板材。材料表面可进行多次淋膜，每次淋膜前可再次涂覆发泡剂悬浮液，从而实现发泡比例与树脂含量可调。

根据不同发泡剂的特征，将模压机的温度设置到220-250℃，模压过程中，制品内部形成发泡闭孔，如果模具再进行二次开模，可进一步提供发泡泡孔的倍率。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1、相比于短玻纤、长玻纤增强聚丙烯材料，连续纤维布增强聚丙烯本身具有更高的强度，在这个基础上实现发泡，减少材料密度，能够减轻结构零件的重量，实现轻量化的目标。而且该材料提升了隔音隔热性能，进一步拓展了材料的应用领域。

2、与发泡夹芯板相比，该材料可以做成更小的厚度，而且在抗弯强度上具有明显的优势。

3、若将发泡剂与聚丙烯预混后共同挤出，高熔指的聚丙烯可能会造成气泡逃逸，导致发泡倍率偏低，另外材料表面也不能做到光亮的效果，而如果更换成高熔体强度的聚丙烯，与纤维布的浸润效果又不能达到要求。

具体实施方式

本技术领域的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。

实施例1

一种发泡连续纤维增强聚丙烯材料，具体的配方组成如下：

巴塞尔HA5029                 95.3%

Polyram1001                  4%

TMA-3                        0.3%

1010                         0.2%

168                          0.2%

将偶氮二甲酸钡倒入PP乳液配混成浓度5%的悬浮液体，连续的泰山玻璃纤维布（100g/m²）浸透后，在上下两个面淋膜，淋膜厚度0.15mm，特氟龙皮带复合机加热温度为190℃，速度2m/min。冷却后在245℃模压，得到0.25mm厚度发泡板材。

实施例2

一种发泡连续纤维增强聚丙烯材料，具体的配方组成如下：

北欧化工HJ311MO              93.3%

Polyram1001                  6%

TMB-5                        0.3%

1010                         0.2%

168                          0.2%

将三肼基三嗪倒入PP乳液配混成浓度3%的悬浮液体，恒神碳纤维布（100 g/m²）浸透后，在上下两个面淋膜，淋膜厚度0.15mm，特氟龙皮带复合机加热温度为190℃，速度2m/min。冷却后在240℃模压，得到0.25mm厚度发泡板材。

对比例

具体的配方组成如下：

北欧化工HJ311MO              93.6%

Polyram1001                  6%

1010                         0.2%

168                          0.2%

在泰山玻璃纤维布（100 g/m²）上下两个面淋膜，淋膜厚度0.15mm，特氟龙皮带复合机加热温度为190℃，速度2m/min。冷却后得到0.23mm厚度的片材。

性能测试结果列于表1

表1 实施例1～2和对比例的性能测试结果

	实施例1	实施例2	对比例
				<![CDATA[密度，g/m<sup>3</sup>]]>	1.21	1.10	1.50
纤维含量，wt%	59	61	59.5
				拉伸强度，MPa	260	400	280
拉伸模量，MPa	13	50	14

实施例1与对比例采用同样含量的玻璃纤维布增强，通过高温发泡剂密度减少了约20%，而性能只减少7%左右。实施例2采用碳纤维布增强，发泡后板材性能明显优于玻纤布，而密度相对于实施例1又减少了8%。发泡连续纤维增强聚丙烯材料密度小，性能高，可应用于轻量化结构零件。

Claims (8)

1.一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料，包括以下组分：

所述的轻质高强度的发泡连续纤维增强聚丙烯材料由以下制备工艺制得，制备工艺包括以下步骤：

步骤一：将高温发泡剂按照一定的浓度配混成悬浮液体，溶剂可选用PP乳液、硅烷偶联剂或酒精，所述的浓度控制在1-5％；

步骤二：将连续纤维布按照一定的角度从悬浮液槽的一端进入，再从另一端出来，纤维布的上下面均要与悬浮液接触，接触时间控制在3秒以上，出来后的纤维布再通过30～60℃的红外隧道回收多余的溶剂，高温发泡剂就会均匀地分布在纤维布的表面；

步骤三：另一端，将聚丙烯、相容剂、成核剂、抗氧剂按照一定比例预混后，挤出淋膜到纤维布的上下两个面，所述的淋膜厚度控制在0.2mm以内；

随后纤维布与聚丙烯熔体快速进入特氟龙皮带复合机，复合的温度控制在PP的熔点以上发泡剂的分解温度以下，经过热压、定型、冷却后就制得了可发泡连续纤维增强PP板材；材料表面可进行多次淋膜，每次淋膜前可再次涂覆发泡剂悬浮液，从而实现发泡比例与树脂含量可调；

根据不同发泡剂的特征，将模压机的温度设置到220-250℃，模压过程中，制品内部形成发泡闭孔，如果模具再进行二次开模，可进一步提供发泡泡孔的倍率。

2.根据权利要求1所述的一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述的聚丙烯为高流动性聚丙烯，在230℃、2.16kg载荷下的熔融指数为30～120g/10min。

3.根据权利要求1所述的一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述的连续纤维布，是玻纤布或者碳纤布或者树脂纤维布，表面经过上浆剂处理。

4.根据权利要求1所述的一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述的相容剂为聚丙烯-马来酸酐接枝物(PP-g-MAH)、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-g-MAH)、聚丙烯接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(PP-g-GMA)中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述的高温发泡剂为偶氮二甲酸钡、对甲苯磺酰氨基脲、4，4’-氧代双(苯磺酰氨基脲)、三肼基三嗪中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述的成核剂是β晶型成核剂、α晶型成核剂中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述的抗氧剂是抗氧剂1010、1076中的至少一种与抗氧剂168、3114、9228、DSTP、DLTP中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种轻质高强度连续纤维增强聚丙烯材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将高温发泡剂按照一定的浓度配混成悬浮液体，溶剂可选用PP乳液、硅烷偶联剂或酒精，所述的浓度控制在1-5％；

步骤二：将连续纤维布按照一定的角度从悬浮液槽的一端进入，再从另一端出来，纤维布的上下面均要与悬浮液接触，接触时间控制在3秒以上，出来后的纤维布再通过30～60℃的红外隧道回收多余的溶剂，高温发泡剂就会均匀地分布在纤维布的表面；

步骤三：另一端，将聚丙烯、相容剂、成核剂、抗氧剂按照一定比例预混后，挤出淋膜到纤维布的上下两个面，所述的淋膜厚度控制在0.2mm以内；

随后纤维布与聚丙烯熔体快速进入特氟龙皮带复合机，复合的温度控制在PP的熔点以上发泡剂的分解温度以下，经过热压、定型、冷却后就制得了可发泡连续纤维增强PP板材；材料表面可进行多次淋膜，每次淋膜前可再次涂覆发泡剂悬浮液，从而实现发泡比例与树脂含量可调；

根据不同发泡剂的特征，将模压机的温度设置到220-250℃，模压过程中，制品内部形成发泡闭孔，如果模具再进行二次开模，可进一步提供发泡泡孔的倍率。