CN114479389A - 一种纳米纤维改性pbt复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米纤维改性PBT复合材料及其制备方法和应用，涉及复合材料领域。复合材料包括PBT树脂：40份‑55份；PBAT树脂：5份‑15份；PE树脂：5份‑10份；纳米纤维素：5份‑10份；玻璃纤维：15份‑30份；相容剂：3份‑5份；润滑剂：0.1份‑2份；抗氧剂：0.2份‑0.5份。本申请通过PBAT树脂提高材料的韧性，PE树脂影响PBT的结晶以降低收缩，改善尺寸稳定性，同时纳米纤维素和玻璃纤维增加复合材料的强度，使复合材料同时具备有低收缩率和高缺口冲击强度，同时弯曲强度无明显降低，原料环保易得，制备工艺简单，适合工业化生产。

Description

一种纳米纤维改性PBT复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种纳米纤维改性PBT复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚对苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephathalate，简称PBT)是一种重要的热塑性工程塑料，广泛应用于汽车、电子、电器等行业。它具有高的结晶度和结晶速率、良好的耐化学药品性及优异的加工性能，已成为五大通用工程塑料中的一个重要成员。但PBT本身存在着一些问题，缺口冲击低，所以限制了其应用范围的进一步扩大。
为了改善PBT的性能，对其进行共混改性，是对PBT增韧的最有效途径，它是利用组分之间的相容性原理，将PBT与其它一种或若干种以上助剂在一定温度下进行熔融共混，由于受到共混物中其它物质的影响和作用，高聚物经过共混后其性质会发生较大的变化，从而赋予高聚物本身不具有的新的性质或性能，改善强度等问题。
然而，现有技术中获得的共混改性PBT复合材料仍然存在收缩率高、尺寸稳定性差和缺口冲击不高的缺陷，导致最终产品合格率低，生产成本高，同时限制其应用。
发明内容
本发明提供了一种纳米纤维改性PBT复合材料及其制备方法和应用，以解决目前PBT材料存在的收缩率高、尺寸稳定性差和缺口冲击强度低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明目的之一提供了一种纳米纤维改性PBT复合材料，包括以下重量份组分：
PBT树脂：40份-55份；
PBAT树脂：5份-15份；
PE树脂：5份-10份；
纳米纤维素：5份-10份；
玻璃纤维：15份-30份；
相容剂：3份-5份；
润滑剂：0.1份-2份；
抗氧剂：0.2份-0.5份。
通过采用上述方案，本申请通过在复合材料中添加有PBAT树脂、PE树脂、玻璃纤维和纳米纤维素，共混改性后形成宏观上均匀、微观上相分离的多相PBT 复合材料；PBAT树脂与PBT树脂相容性较好，具有柔性链段，对复合材料具有较好的增韧效果，PE树脂的添加，可以在一定程度上影响PBT树脂的结晶，进而降低收缩，改善尺寸稳定性；同时纳米纤维素和玻璃纤维的添加可起到异相成核的作用，增加复合材料的强度，避免PBAT树脂和PE树脂的柔性链段造成复合材料强度的降低，使复合材料同时具备有低收缩率和高韧性强度的效果，低收缩率有助于更好地成型，尺寸稳定性优异，高韧性强度有助于提高缺口冲击强度，同时弯曲强度无明显降低；原料环保易得，符合“碳中和”趋势。
作为优选方案，所述PBAT树脂在190℃、2.16KG的测试条件下的熔体流动速率(MFR)为3.0-6.0g/10min。
作为优选方案，所述PE树脂在190℃、5KG的测试条件下的熔体流动速率 (MFR)为1.2-11g/10min。
作为优选方案，所述PE树脂在190℃、5KG的测试条件下的熔体流动速率 (MFR)为1.2-2.6g/10min。
作为优选方案，所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维，所述纳米纤维素为纤维素纳米纤丝(CNF)和/或纤维素纳米晶体(CNC)。
作为优选方案，所述无碱玻璃纤维的纤维平均直径为10-13微米，短切平均长度为4.0mm-4.5mm。
作为优选方案，所述润滑剂为亚乙基双硬脂酰胺，所述相容剂为丙烯酸酯接枝物。
作为优选方案，所述PBT树脂的特性粘度为0.65-1.29dL/g。
作为优选方案，所述PBT树脂的特性粘度为0.65-1dL/g。
其中，PBT树脂的特性粘度测试方法为GB/T 14190-2008。
作为优选方案，所述抗氧剂包括质量比为1：1的受阻酚类主抗氧剂和亚磷酸酯类辅抗氧剂。
通过采用上述方案，对抗氧剂进行特定选择，可以在加工过程中提高对树脂的保护，避免树脂的降解，保证最终合成材料可以获得优异的性能。
为了解决上述技术问题，本发明目的之二提供了一种纳米纤维改性PBT复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米纤维素、PBT树脂放置鼓风干燥箱中干燥4h-5h，干燥温度80℃ -100℃；
(2)将PBT树脂、PABT树脂、PE树脂、相容剂、润滑剂和抗氧剂放入高混设备中，混合3min-5min,转速300-500rpm；
(3)将纳米纤维素和玻璃纤维通过双侧喂的方式添加，上述原料经双螺杆挤出设备挤出后切粒，制得纳米纤维改性PBT复合材料。
作为优选方案，在步骤(1)中，干燥温度为80℃-100℃，干燥时间为4h-5h；在步骤(2)中，混合转速为300rpm-500rpm，混合时间为3min-5min；在步骤 (3)中，挤出温度为230℃-250℃。
通过采用上述方案，本申请采用共混改性的方式提升PBT复合材料的性质，在一定的温度下熔融共混，利用组分之间相容性的原理，使得最终的聚合物性能产生变化，获得了收缩率低、缺口冲击强度高且力学性能稳定的复合材料，工艺步骤简单，适合工业化生产。
为了解决上述技术问题，本发明目的之三提供了一种纳米纤维改性PBT复合材料在家电领域中的应用。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
1、本申请添加的PBAT树脂与PBT相容性较好，具有增韧效果，PE树脂影响PBT的结晶以降低收缩，改善尺寸稳定性，纳米纤维素和玻璃纤维增加复合材料的强度，避免PBAT树脂和PE树脂的柔性链段造成复合材料强度的降低，使复合材料同时具备有低收缩率和高韧性强度的效果，缺口冲击强度等力学性能符合指标。
2、本申请方案采用的原料环保易得，符合国家绿色环保的政策，增大其应用范围可降低碳排放，为达到碳中和贡献力量，同时制备工艺简单，适合工业化生产。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
下述实施例和对比例中，如无特别说明，润滑剂和抗氧剂均通过市售获得，且平行实验中使用的是相同的润滑剂和抗氧剂。
表1-本申请中使用原料来源、型号和工艺参数
Figure BDA0003567611060000041
Figure BDA0003567611060000051
实施例一
一种纳米纤维改性PBT复合材料，可以应用于家电零部件，包括以下制备步骤：
(1)将纳米纤维素、PBT树脂放置鼓风干燥箱中干燥4h，干燥温度80℃；
(2)将55kg PBT树脂、5kg PABT树脂、10kgPE树脂、3kg相容剂、2kg润滑剂和0.2kg抗氧剂放入高混机中，混合3min,转速500rpm；
(3)将10kg纳米纤维素和15kg玻璃纤维通过双侧喂的方式添加，上述原料依次经双螺杆挤出机和切粒机进行挤出和切粒，挤出机温度为230℃，制得纳米纤维增强PBT复合材料；
其中，PBT树脂具体选用GX111；PBAT树脂具体选用TH801；纳米纤维素具体为纤维素纳米晶体；玻璃纤维为无碱玻璃纤维；相容剂为丙烯酸酯接枝物； PE树脂具体为LLDPE；润滑剂为亚乙基双硬脂酰胺；抗氧剂由受阻酚类主抗氧剂和亚磷酸酯类辅抗氧剂按质量比为1：1的比例复配而得。
实施例二
一种纳米纤维改性PBT复合材料，可以应用于家电零部件，包括以下制备步骤：
(1)将纳米纤维素、PBT树脂放置鼓风干燥箱中干燥5h，干燥温度90℃；
(2)将40kg PBT树脂、15kg PABT树脂、5kgPE树脂、5kg相容剂、1kg润滑剂和0.3kg抗氧剂放入高混机中，混合4min,转速400rpm；
(3)将5kg纳米纤维素和30kg玻璃纤维通过双侧喂的方式添加，上述原料依次经双螺杆挤出机和切粒机进行挤出和切粒，挤出机温度为240℃，制得纳米纤维增强PBT复合材料；
其中，PBT树脂具体选用GX110；PBAT树脂具体选用珠海万通的A400 NC901；纳米纤维素具体为纤维素纳米纤丝(CNF)；玻璃纤维为无碱玻璃纤维；相容剂为丙烯酸酯接枝物；PE树脂具体为LLDPE；润滑剂为亚乙基双硬脂酰胺；抗氧剂由受阻酚类主抗氧剂和亚磷酸酯类辅抗氧剂按质量比为1：1的比例复配而得。
实施例三
一种纳米纤维改性PBT复合材料，可以应用于家电零部件，包括以下制备步骤：
(1)将纳米纤维素、PBT树脂放置鼓风干燥箱中干燥5h，干燥温度80℃；
(2)将45kg PBT树脂、10kg PABT树脂、7kgPE树脂、4kg相容剂、0.5kg 润滑剂和0.5kg抗氧剂放入高混机中，混合5min,转速300rpm；
(3)将8kg纳米纤维素和25kg玻璃纤维通过双侧喂的方式添加，上述原料依次经双螺杆挤出机和切粒机进行挤出和切粒，挤出机温度为250℃，制得纳米纤维增强PBT复合材料；
其中，PBT树脂具体选用GX112；PBAT树脂具体选用珠海万通的A400 NC901；纳米纤维素具体为纤维素纳米晶体；玻璃纤维为无碱玻璃纤维；相容剂为丙烯酸酯接枝物；PE树脂具体为LLDPE；润滑剂为亚乙基双硬脂酰胺；抗氧剂由受阻酚类主抗氧剂和亚磷酸酯类辅抗氧剂按质量比为1：1的比例复配而得。
实施例四
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，相容剂为乙烯丙烯酸甲酯共聚物。
实施例五
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，抗氧剂为受阻酚类主抗氧剂。
实施例六
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，PBAT树脂具体选用中国台湾长春的ECO-A05(2) 牌号。
实施例七
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，PE树脂具体选用LLDPE E24065。
实施例八
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，PBT树脂具体选用GL236。
对比例一
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，PE树脂的添加量为0。
对比例二
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，PE树脂和PBAT树脂的添加量均为0。
对比例三
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，纳米纤维素的添加量为0，玻璃纤维的添加量为33kg。
对比例四
一种纳米纤维改性PBT复合材料，各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均匀实施例三相同，不同的地方在于，纳米纤维素和玻璃纤维的添加量均为0。
性能检测试验
1、采用GB/T 9341-2008检测实施例1-8和对比例1-4的弯曲强度(MPa)，检测结果如表2所示，弯曲强度在120MPa及以上符合家电领域产品标准。
2、采用GB/T 1043.1-2008检测实施例1-8和对比例1-4的简支梁缺口冲击强度(MPa)，检测结果如表2所示。
3、采用GB/T 15585-1995检测实施例1-8和对比例1-4的收缩率(％)，检测结果如表2所示。
表2-实施例1-8和对比例1-4的性能检测结果
Figure BDA0003567611060000081
Figure BDA0003567611060000091
结合表2中实施例3和对比例1-2的检测结果可知，通过同时添加PE树脂和PBAT树脂，PBAT、PE均与PBT相容性较好，具有柔性链段，不同组分之间相互协同作用，具有增韧和降低收缩率的双重影响；PE树脂的添加，还会在一定程度上影响PBT的结晶，进一步降低收缩，改善尺寸稳定性；纳米纤维素作为一种绿色、环保、无污染的生物材料，来源广泛，具有高模量、高比表面积、特殊的光学性质、生物相容性好等众多优点，同时纳米纤维素和玻璃纤维的添加可起到异相成核的作用，避免PBAT和PE柔性链段造成复合材料强度的降低，起到协同增效的作用，复合材料具有较低的收缩率和较高的缺口冲击强度，尺寸稳定性优异；而未添加有PE树脂或PBAT树脂会影响到复合材料的力学性能，导致缺口冲击强度较低，不能满足产品性能指标。
结合表2中实施例3和对比例3-4的检测结果可知，相比于实施例3，单纯添加玻璃纤维或未添加纤维所获得的产品，其收缩率和缺口冲击强度都显著降低，这是因为玻璃纤维可以赋予材料较高的机械力学强度，但是其本身材质较脆，韧性较低；而本申请通过同时添加玻璃纤维和纳米纤维素，纳米纤维素和玻璃纤维的添加可起到异相成核的作用，通过在原料组分添加纳米纤维素、玻璃纤维及其他聚合物共混改性，最终形成一种宏观上均匀、微观上相分离的多相PBT复合材料，从质地及异相成核多角度实现了对韧性和收缩率的改善，避免PBAT和PE柔性链段造成复合材料强度的降低，起到协同增效的作用，使复合材料具有较低的收缩率和较高的缺口冲击强度，尺寸稳定性优异，弯曲强度等力学性能也能满足应用要求，综合性能得到提高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米纤维改性PBT复合材料，其特征在于，包括以下重量份组分：
PBT树脂：40份-55份；
PBAT树脂：5份-15份；
PE树脂：5份-10份；
纳米纤维素：5份-10份；
玻璃纤维：15份-30份；
相容剂：3份-5份；
润滑剂：0.1份-2份；
抗氧剂：0.2份-0.5份。
2.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料，其特征在于，所述PBAT树脂在190℃、2.16KG的测试条件下熔体流动速率(MFR)为3.0-6.0g/10min。
3.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料，其特征在于，所述PE树脂在190℃、5KG的测试条件下熔体流动速率(MFR)为1.2-11g/10min。
4.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料，其特征在于，所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维，所述纳米纤维素为纤维素纳米纤丝(CNF)和/或纤维素纳米晶体(CNC)。
5.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料，其特征在于，所述润滑剂为亚乙基双硬脂酰胺，所述相容剂为丙烯酸酯接枝物。
6.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料，其特征在于，所述PBT树脂的特性粘度为0.65-1.29dL/g。
7.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料，其特征在于，所述抗氧剂包括质量比为1：1的受阻酚类主抗氧剂和亚磷酸酯类辅抗氧剂。
8.一种纳米纤维改性PBT复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-7任一所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料，包括以下步骤：
(1)将纳米纤维素、PBT树脂放置鼓风干燥箱中干燥4h-5h，干燥温度80℃-100℃；
(2)将PBT树脂、PABT树脂、PE树脂、相容剂、润滑剂和抗氧剂放入高混设备中，混合3min-5min,转速300-500rpm；
(3)将纳米纤维素和玻璃纤维通过双侧喂的方式添加，上述原料经双螺杆挤出设备挤出后切粒，制得纳米纤维改性PBT复合材料。
9.如权利要求8所述的一种纳米纤维改性PBT复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，干燥温度为80℃-100℃，干燥时间为4h-5h；在步骤(2)中，混合转速为300rpm-500rpm，混合时间为3min-5min；在步骤(3)中，挤出温度为230℃-250℃。
10.一种如权利要求1-7任一所述的纳米纤维改性PBT复合材料在家电领域中的应用。
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