CN114605739A - 一种纳米纤维改性pp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PP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PP树脂、纳米纤维素、玻璃纤维、木粉纤维、蒙脱土、相容剂和抗氧剂;PP树脂为新料PP树脂或再生PP树脂,相容剂为马来酸酐接枝PP或马来酸酐接枝PP与乙烯类硅烷偶联剂的复配混合物。本申请通过纳米纤维素、玻璃纤维和木粉纤维三者协同作用,与PP树脂较好地融合后,降低PP的收缩率和气味,整体增强复合材料的力学性能,同时赋予PP复合材料表面仿植绒的效果,满足特定产品的表面性能要求,更加具有环保性、更加低碳,能为碳中和贡献力量。
Description
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PP复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
塑料的产生给人们生活带来便利,导致目前塑料每年的产量超过2亿吨,达到了钢铁、铝、铜等金属产量的10多倍,成为产量和用量最大的材料。然而塑料的产量和消耗速度的激增也产生了全球性的问题,首先是塑料的生产原料主要来源于石油化工,而石油化工属于不可再生资源,导致石油的储存量日益减少,供不应求;其次是合成的塑料稳定性好,在大自然中需要长时间的降解,且分解产生的废物也会污染环境,即“白色污染”问题。
国际上处理塑料垃圾的手段主要有填埋、焚烧和回收再利用三种手段。填埋方式需要占用大量的土地,且填埋的土地因塑料降解而含有大量化学元素,土壤劣质严重。焚烧处理会产生大量的有害气体,排放到空气中造成二次污染,环保效益低。回收再利用废弃塑料是目前重点研发的领域,将废弃塑料回收制备成再生PP,从而使性能满足一定的标准,将再生PP回收利用具有较大的环保意义。
目前,再生PP在力学性能上比新料PP相差很多,需要经过改性,才能有更广阔的应用范围,再生PP由于其本身的回收特性,具有较高的收缩率、较大的气味,且外观单调,导致应用受限。
发明内容
本发明提供了一种纳米纤维改性PP复合材料及其制备方法和应用,以解决目前再生PP材料气味重、收缩率高且外观单调的技术问题。
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PP复合材料,包括以下重量份组分:
PP树脂:40份-70份;
纳米纤维素:5份-20份;
玻璃纤维:10份-30份;
木粉纤维:1份-10份;
蒙脱土:10份-15份;
相容剂:1份-3份;
抗氧剂:0.1份-0.3份;
所述PP为新料PP树脂或再生PP树脂,所述相容剂为马来酸酐接枝PP或马来酸酐接枝PP与乙烯类硅烷偶联剂的复配混合物。
通过采用上述方案,本申请通过纳米纤维素、玻璃纤维和木粉纤维三者协同作用,三者通过相容剂与PP树脂较好的融合,尤其是针对再生PP树脂,可以降低PP的收缩率,整体增强复合材料的机械强度,木粉纤维可以遮盖部分PP的气味,且可以赋予PP复合材料表面仿植绒的效果,改善PP外观差的问题;同时蒙脱土具有较强的吸附作用,与木粉纤维相互协同作用,进一步降低PP的气味;本申请使用的可再生纳米纤维素、可生物降解木粉纤维和回收的PP环境友好材料,将可降解和再生等环保材料复合制备,更加具有环保性、更加低碳,能为碳中和贡献力量。
作为优选方案,所述纳米纤维素为纤维素纳米晶体(CNC)和/或纤维素纳米纤丝(CNF)。
作为优选方案,所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维,所述无碱玻璃纤维采用KH560硅烷偶联剂浸润处理3h-5h后过滤而得。
通过采用上述方案,无碱玻璃纤维通过KH560硅烷偶联剂改性处理后,可以较好地融合到PP树脂基质中,显著抑制了塑料的收缩,具有较低的收缩率和较高的力学性能。
作为优选方案,所述再生PP树脂为家电、日杂回收后,经分选、过滤、清洗和造粒而成的PP粒子。
作为优选方案,所述木粉纤维为80-120目丁香木木粉。
通过采用上述方案,木粉纤维的添加量和目数均会影响最终产品的仿植绒效果,将丁香木木粉纤维的目数控制在80-120范围内,可以获得表面仿植绒效果较为明显的PP复合材料,以满足特定产品的表面性能要求。
作为优选方案,所述相容剂由马来酸酐接枝PP和乙烯类硅烷偶联剂按质量比为1:(0.5-2)复配。
通过采用上述方案,本申请对相溶剂进行特定的选择,马来酸酐接枝PP与硅烷偶联剂复配使用,可以提高纳米纤维素、玻璃纤维、木粉纤维和蒙脱土与PP树脂之间的相容性,分散性和结合强度提高,有助于降低收缩率,提高拉伸强度和弯曲强度,力学性能较优。
作为优选方案,所述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(1-2):(1-2)复配获得。
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PP复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)将PP树脂、纳米纤维素、相容剂和抗氧剂放入高混设备混合;
(2)将木粉纤维和无碱玻璃纤维通过双侧喂料的方式添加,上述原料经双螺杆挤出设备挤出和造粒,制得纳米纤维改性PP复合材料。
作为优选方案,在步骤(1)中,混合时间为2min-4min,转速为200rpm-500rpm;在步骤(2)中,挤出温度为160℃-180℃。
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PP复合材料在家具领域的应用。
相比于现有技术,本发明实施例具有如下有益效果:
1、本申请通过纳米纤维素、无碱玻璃纤维和木粉纤维三者协同作用,与再生或新料PP树脂较好地融合后,尤其针对再生PP树脂,降低PP的收缩率和改善气味,整体增强复合材料的机械强度,同时赋予PP复合材料表面仿植绒的效果,满足特定产品的表面性能要求。
2、可再生纳米纤维素、可生物降解木粉纤维和回收的再生PP环境友好材料,将可再生、可降解和再生等环保材料复合制备,更加具有环保性、更加低碳,能为碳中和贡献力量。
3、本申请采用了木粉纤维和蒙脱土,当选用再生PP树脂时,木粉纤维由于本身的气味可以遮盖部分再生PP的气味,蒙脱土具有很强的吸附性,可以将部分气味小分子吸附,进而降低再生PP的气味。
附图说明
图1-实施例1中一种纳米纤维增强PP复合材料的轻微表面仿植绒效果照片;
图2-实施例2中一种纳米纤维增强PP复合材料的明显表面仿植绒效果照片;
图3-对比例3中一种纳米纤维增强PP复合材料的无仿植绒效果照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例的附图,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。
以下表1为本申请实施例和对比例中使用原料的来源,如无特别说明,抗氧剂、蒙脱土均通过市售获得,且平行实验中使用的是相同的抗氧剂、蒙脱土。
表1-本申请实施例和对比例中使用原料的来源和型号
本方案制备了PP复合材料,使用纳米纤维素、玻璃纤维和木粉纤维协同增强PP,尤其是针对再生PP树脂,并且添加木粉可优化再生PP复合材料的气味,而蒙脱土具有很强的吸附能力,可以进一步降低再生PP复合材料的气味,使用纳米纤维素、木粉纤维等天然环保的纤维进行增强对碳排放的减少具有重大意义,加入玻璃纤维和蒙脱土,可进一步提升再生PP复合材料的力学性能和尺寸稳定性,进而拓宽其使用范围,可进行更加高效的回收利用,使再生PP复合材料具有低收缩、低气味和仿植绒等优异性能。
实施例一
一种纳米纤维改性PP复合材料,可以应用于家具领域,包括以下制备步骤:
(1)将纳米纤维素、无碱玻璃纤维、木粉纤维放置鼓风干燥箱中干燥3h,干燥温度65℃,其中,无碱玻璃纤维为采用KH560硅烷偶联剂浸润处理3h后过滤而得,木粉纤维为60目丁香木木粉,纳米纤维素为纤维素纳米晶体(CNC);
(2)将50kg再生PP树脂、15kg纳米纤维素、1kg相容剂、10kg蒙脱土和0.1kg抗氧剂放入高混机中,混合2min,转速500rpm,其中,再生PP树脂可以为家电回收后,经分选、过滤、清洗和造粒而成的PP粒子,相容剂为马来酸酐接枝PP,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2:1复配获得;
(3)将3kg木粉纤维和20kg无碱玻璃纤维通过双侧喂料的方式添加,上述原料经双螺杆挤出机挤出和造粒,挤出机长径比40:1,螺杆直径为35.6mm,挤出机温度为160℃,制得纳米纤维改性PP复合材料。
实施例二
一种纳米纤维改性PP复合材料,可以应用于家具领域,包括以下制备步骤:
(1)将纳米纤维素、无碱玻璃纤维、木粉纤维放置鼓风干燥箱中干燥4h,干燥温度65℃,其中,无碱玻璃纤维为采用KH560硅烷偶联剂浸润处理5h后过滤而得,木粉纤维为80目丁香木木粉,纳米纤维素为纤维素纳米纤丝(CNF);
(2)将40kg再生PP树脂、20kg纳米纤维素、2kg相容剂、5kg蒙脱土和0.2kg抗氧剂放入高混机中,混合3min,转速400rpm,其中,再生PP树脂为日杂产品回收后,经分选、过滤、清洗和造粒而成的PP粒子,相容剂为马来酸酐接枝PP和乙烯类硅烷偶联剂按质量比为1:0.5的比例复配,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1:2比例复配获得;
(3)将10kg木粉纤维和24kg无碱玻璃纤维通过双侧喂料的方式添加,上述原料经双螺杆挤出机挤出和造粒,挤出机长径比40:1,螺杆直径为35.6mm,挤出机温度为170℃,制得纳米纤维改性PP复合材料。
实施例三
一种纳米纤维改性PP复合材料,可以应用于家具领域,包括以下制备步骤:
(1)将纳米纤维素、无碱玻璃纤维、木粉纤维放置鼓风干燥箱中干燥2h,干燥温度85℃,其中,无碱玻璃纤维为采用KH560硅烷偶联剂浸润处理4h后过滤而得,木粉纤维为120目丁香木木粉,纳米纤维素为纤维素纳米纤丝(CNF);
(2)将67kg再生PP树脂、5kg纳米纤维素、3kg相容剂、10kg蒙脱土和0.3kg抗氧剂放入高混机中,混合4min,转速200rpm,其中,再生PP树脂为日杂产品回收后,经分选、过滤、清洗和造粒而成的PP粒子,相容剂为马来酸酐接枝PP和乙烯类硅烷偶联剂按质量比为1:2的比例复配,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比例复配获得;
(3)将5kg木粉纤维和10kg无碱玻璃纤维通过双侧喂料的方式添加,上述原料经双螺杆挤出机挤出和造粒,挤出机长径比40:1,螺杆直径为35.6mm,挤出机温度为180℃,制得纳米纤维改性PP复合材料。
实施例四
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,相容剂采用马来酸酐接枝PP替代。
实施例五
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,相容剂为马来酸酐接枝PP和乙烯类硅烷偶联剂按质量比为1:4的比例复配。
实施例六
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,80目丁香木木粉采用120目丁香木木粉替代。
实施例七
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,80目丁香木木粉采用40目丁香木木粉替代。
对比例一
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,相容剂采用GMA接枝PP替代。
对比例二
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,相容剂采用乙烯类硅烷偶联剂替代。
对比例三
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,木粉纤维的添加量为0。
对比例四
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,蒙脱土的添加量为0。
对比例五
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,纳米纤维素和无碱玻璃纤维采用木粉纤维替代。
对比例六
一种纳米纤维改性PP复合材料,各步骤及各步骤使用的试剂、工艺参数均与实施例二相同,不同的地方在于,木粉纤维和无碱玻璃纤维采用纳米纤维素替代。
性能检测试验
1、拉伸测试:按照GB/T 1040.1-2018测定实施例1-7和对比例1-6的拉伸强度(MPa),检测结果如表2所示;
2、弯曲测试:按GB/T 9341-2008测定实施例1-7和对比例1-6的弯曲模量(MPa),检测结果如表2所示;
3、收缩率测试:按照GB/T15585-1995测试实施例1-7和对比例1-6的收缩率(%),检测结果如表2所示,收缩率在0.65%以下符合产品标准;
4、气味测试:采用气味检测标准GME 60276-2000测试实施例1-7和对比例1-6的气味,共10个等级,检测结果如表2所示,等级越高,气味越小;
5、仿植绒效果评价:采用目测分析植绒效果,分为明显、轻微和无效果三种评价结果,评价结果如表2,轻微仿植绒表面效果如图1所示,明显仿植绒表面效果如图2所示,无仿植绒效果如图3所示。
表2-实施例1-7和对比例1-6的性能检测结果
结合表2中实施例2和对比例1-2的检测结果可知,本申请对相容剂进行特定的选择,马来酸酐接枝PP与硅烷偶联剂复配使用,可以提高纳米纤维素、无碱玻璃纤维、木粉纤维和蒙脱土与PP树脂之间的相容性,分散性和结合强度提高,有助于降低收缩率,提高拉伸强度和弯曲模量,力学性能较优。
结合表2中实施例2和对比例3-4的检测结果可知,针对再生PP树脂,通过添加木粉纤维,可以遮盖部分再生PP的气味,同时复合材料的表面可以赋予仿植绒的表面效果,另外蒙脱土具有较强的吸附能力,可以与木粉协同起到优化气味的作用。
结合表2中实施例2和对比例5-6的检测结果可知,本申请采用纳米纤维素、无碱玻璃纤维和木粉纤维三者综合改性PP树脂,产生协同增效的功能,使得复合材料具备较低的收缩率和气味,同时提升材料的整体强度,综合力学性能提高,满足产品的应用要求。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PP复合材料,其特征在于,包括以下重量份组分:
PP树脂:40份-70份;
纳米纤维素:5份-20份;
玻璃纤维:10份-30份;
木粉纤维:1份-10份;
蒙脱土:10份-15份;
相容剂:1份-3份;
抗氧剂:0.1份-0.3份;
所述PP为新料PP树脂或再生PP树脂,所述相容剂为马来酸酐接枝PP或马来酸酐接枝PP与乙烯类硅烷偶联剂的复配混合物。
2.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PP复合材料,其特征在于,所述纳米纤维素为纤维素纳米晶体(CNC)和/或纤维素纳米纤丝(CNF)。
3.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PP复合材料,其特征在于,所述玻璃纤维为无碱玻璃纤维,所述无碱玻璃纤维采用KH560硅烷偶联剂浸润处理3h-5h后过滤而得。
4.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PP复合材料,其特征在于,所述再生PP树脂为家电、日杂回收后,经分选、过滤、清洗和造粒而成的PP粒子。
5.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PP复合材料,其特征在于,所述木粉纤维为80-120目丁香木木粉。
6.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PP复合材料,其特征在于,所述相容剂由马来酸酐接枝PP和乙烯类硅烷偶联剂按质量比为1:(0.5-2)复配。
7.如权利要求1所述的一种纳米纤维改性PP复合材料,其特征在于,所述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(1-2):(1-2)复配获得。
8.一种纳米纤维改性PP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PP复合材料,包括以下步骤:
(1)将PP树脂、纳米纤维素、相容剂和抗氧剂放入高混设备混合;
(2)将木粉纤维和玻璃纤维通过双侧喂料的方式添加,上述原料经双螺杆挤出设备挤出和造粒,制得纳米纤维改性PP复合材料。
9.如权利要求8所述的一种纳米纤维改性PP复合材料的制备方法,其特征在于,在步骤(1)中,混合时间为2min-4min,转速为200rpm-500rpm;在步骤(2)中,挤出温度为160℃-180℃。
10.一种如权利要求1-7任一所述的纳米纤维改性PP复合材料在家具领域的应用。
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