CN114736455A - 一种纳米纤维素增强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素增强PP复合材料及其制备方法和应用，属于环保复合材料技术领域。纳米纤维素增强PP复合材料以重量份数计，包括如下组分：PP树脂50～75份、纳米纤维素2～15份、片状无机填料5～10份、润滑剂0.1～5份、聚硅氧烷0.275～5.5份、抗氧剂0.1～5份。本发明的纳米纤维素增强PP复合材料中，纤维状的纳米纤维素在PP基体中分散均匀支撑基体的弯曲性能，片状的无机填料在PP基体维持尺寸稳定，聚硅氧烷的加入可以很好地解决纳米纤维素在PP基体中分散不均匀的问题，各组分协同作用，显著改善了PP复合材料的弯曲强度和尺寸稳定性，可广泛应用于家具和汽车内饰领域。
Description
技术领域
本发明涉及环保复合材料技术领域，更具体地，涉及一种纳米纤维素增强PP复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
PP以其密度低、弯折强、耐化学性好、机械性能佳等优势使其在电子电器、包装、建材、家具纺织等领域中广泛应用。但其在具体的应用领域，例如家具和汽车内饰领域还存在一些性能上的缺陷，例如尺寸稳定性不佳，弯曲性能有待进一步改善，等等。
目前，通过其他材料对PP树脂的性能进行改善，制备得到满足高性能要求的环保复合材料是解决上述问题的有效途径。纳米纤维素是一种新型的绿色环保材料，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。纳米纤维素作为一种绿色、环保、无污染的生物材料，来源(包括植物、动物和微生物)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，纳米纤维素及其复合材料的广泛应用越来越引起国内外专家的关注，研究其制备途径和应用价值将对未来化工等行业的发展产生巨大影响。现在技术中，可通过多种方法将纳米纤维素与高分子复合，但其中的关键问题是如何提高纳米纤维与高分子界面相容性及纳米纤维在高分子中分散的均匀性，进而提高复合材料的性能，拓宽应用领域。
现在技术中公开了一种聚丙烯组合物，包括聚丙烯树脂60～99.8份、增韧剂0～30份和纳米纤维素5～15份，其通过在聚丙烯树脂中添加纳米纤维素，主要是作为填料，相比较于滑石粉可以进一步降低材料的密度，并提升材料的拉伸性能和耐划伤性能，并未改善PP树脂的弯曲性能和尺寸稳定性。
发明内容
本发明的目的是克服现有聚丙烯复合材料的弯曲性能和尺寸稳定性不佳的缺陷和不足，提供一种纳米纤维素增强PP复合材料，通过纳米纤维素、片状无机填料和聚硅氧烷协同作用，显著改善了聚丙烯复合材料的弯曲性能和尺寸稳定性。
本发明的另一目的是提供一种纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法。
本发明的又一目的是提供一种纳米纤维素增强PP复合材料在家具和汽车内饰领域中的应用。
本发明的再一目的在于提供一种家具或汽车内饰用塑料制件。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下组分：
PP树脂50～82份、纳米纤维素2～15份、片状无机填料5～10份、润滑剂0.1～5份、聚硅氧烷0.275～5.5份、抗氧剂0.1～3份。
其中，需要说明的是：
在具体的实施方式中，本发明的PP树脂可以为共聚PP和均聚PP中的一种或几种。
在具体的实施方式中，聚硅氧烷可以通过母粒形式加入，其中母粒中聚硅氧烷的质量含量为55～70％。
在具体的实施方式中，本发明的润滑剂为本领域常规使用的市购润滑剂即可，例如可以为亚乙基双硬脂酰胺(细度300目，酸值≤6.5，酰胺含量98.5％)。
在具体的实施方式中，本发明的抗氧剂为本领域常规使用的抗氧剂，可以包括主抗氧剂和辅抗氧剂，主抗氧剂可以为受阻酚类抗氧剂，辅抗氧剂可以为亚磷酸酯类抗氧剂。
其中，聚硅氧烷可良好改善纳米纤维素在PP基体中分散不均匀的缺陷，纳米纤维素与片状的无机填料可起到协同作用，片状的无机填料在PP基体维持尺寸稳定，纤维状的纳米纤维素在PP基体中分散均匀支撑基体的弯曲性能，两者缺一无法达到现有弯曲强度和尺寸稳定性。
纳米纤维素与无机填料填充份数过高时，会引起分散不均，导致弯曲强度和模量的下降。若含量偏低，则无法在PP基体中起到明显的支撑作用，无法起到增强效果，尺寸稳定性差。
本发明的纳米纤维素增强PP复合材料中主要通过在聚丙烯PP树脂中添加纳米纤维素、片状无机填料和聚硅氧烷，协同作用得到的纳米纤维素增强PP复合材料具有优异的弯曲强度，拉伸强度改善明显，且尺寸收缩率明显降低。
优选地，以重量份数计，包括如下组分：
PP树脂65～75份、纳米纤维素10～12份、片状无机填料5～10份、润滑剂3～4份、聚硅氧烷1.65～4.4份、抗氧剂1～2份。
在具体实施方式中，PP树脂的熔体质量流动速率过高或高低都会影响纳米纤维素在复合材料中的分散性能，优选地，按照ISO1133-1-2011在230℃、2.16kg载荷条件下测试所述PP树脂的熔体质量流动速率为5～50g/10min。
进一步优选地，按照ISO1133-1-2011在230℃、2.16kg载荷条件下测试所述PP树脂的熔体质量流动速率为8～20g/10min。
在具体的实施方式中，纳米纤维的尺寸也会影响纳米纤维素在复合材料体系中的分散性，从而影响材料的性能的提升，尤其是弯曲性能，本发明的纳米纤维素的粒径可以为10～300nm，优选地，所述纳米纤维素的粒径为30～50nm。
在具体的实施方式中，本发明的纳米纤维素可以为纤维素纳米晶体和/或纤维素纳米纤丝。
在具体的实施方式中，本发明的片状无机填料可以为滑石粉和/或蒙脱土。
本发明还具体保护一种纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1.将纳米纤维素、片状无机填料和聚硅氧烷混合均匀得到预混料1；
S2.将预混料1、PP树脂、润滑剂和抗氧剂混合均匀得到预混料2；
S3.将预混料2通过主喂料方式添加，经双螺杆挤出并造粒后，制得纳米纤维素增强PP复合材料粒子。
其中，需要说明的是：
本发明的纳米纤维素和PP树脂、润滑剂和抗氧剂分开混合是为了保护纳米纤维素，不被过度剪切。
S1中预混料1的制备可以采用低混机将纳米纤维素、片状无机填料和聚硅氧烷混合20-30min，混合均匀得到预混料1。
S2中预混料2的制备可采用高混机将预混料1、PP树脂、润滑剂和抗氧剂混合2-8min，混合转速300-600rpm，得到预混料2。
一种纳米纤维素增强PP复合材料在家具和汽车内饰领域中的应用也在本发明的保护范围之内。
本发明还具体保护一种家具或汽车内饰用塑料制件，所述塑料制件由包括所述纳米纤维素增强PP复合材料的原料制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的纳米纤维素增强PP复合材料中，纤维状的纳米纤维素在PP基体中分散均匀支撑基体的弯曲性能，片状的无机填料在PP基体维持尺寸稳定，聚硅氧烷可在纳米纤维素增强PP体系中起到分散、润滑的作用，聚硅氧烷的加入可以很好地解决纳米纤维素在PP基体中分散不均匀的问题，各组分协同作用，显著改善了PP复合材料的弯曲强度和尺寸稳定性。
本发明的纳米纤维素增强PP复合材料的弯曲强度为≥40MPa，尺寸稳定性优异，可广泛应用于家具和汽车内饰领域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
其中，对本发明的实施例和对比例的原料说明如下：
原材料来源
PP树脂：
PP树脂-1：牌号PP HP500N，熔体质量流动速率12g/10min，厂家：中海壳牌；
PP树脂-2：PP K8009，熔体质量流动速率8g/10min，厂家：中石化广州；
PP树脂-3：牌号PP N-Z30S，熔体质量流动速率23g/10min，厂家：中石化；
PP树脂-4：牌号PP HP740T，熔体质量流动速率56g/10min，厂家：韩国大林；
PP树脂-5：牌号PP K8003，熔体质量流动速率2g/10min，厂家：中石化广州；
纳米纤维素：
纳米纤维素-1：纳米晶体，平均粒径为30nm，厂家：湖北汉达；
纳米纤维素-2：纳米纤丝，平均粒径为10nm，厂家：湖北汉达；
纳米纤维素-3：纳米晶体，平均粒径为50nm，厂家：湖北汉达；
纳米纤维素-4：纳米纤丝，平均粒径为300nm，厂家：湖北汉达；
聚硅氧烷母粒，母粒中聚硅氧烷质量含量为55％，牌号GT-800，厂家：浙江佳华；
片状无机填料：蒙脱土，市购可得，其他实施例和对比例中均为同种；
非片状无机填料：碳酸钙，市购可得，其他实施例和对比例中均为同种；
润滑剂：亚乙基双硬脂酰胺，市购可得，其他实施例和对比例中均为同种；
抗氧剂：受阻酚类主抗氧剂+亚磷酸酯类抗氧剂，质量比为1:2，市购可得，其他实施例和对比例中均为同种。
实施例1～5
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下表1所示组分。
表1
| 序号 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 |
| PP树脂-1 | 82 | 50 | 75 | 65 | 70 |
| 纳米纤维素-1 | 2 | 15 | 12 | 10 | 12 |
| 片状无机填料 | 5 | 10 | 8 | 6 | 7 |
| 润滑剂 | 5 | 0.1 | 3 | 4 | 4 |
| 聚硅氧烷母粒 | 0.5 | 10 | 3 | 8 | 5 |
| 抗氧剂 | 0.1 | 5 | 1 | 2 | 1 |
上述实施例1～5中聚硅氧烷组分通过加入聚硅氧烷母粒提供，其中聚硅氧烷母粒中聚硅氧烷质量含量为55％。
上述实施例1～5的纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法具体包括如下步骤：
S1.将将纳米纤维素放置鼓风干燥箱中干燥5h，干燥温度90℃，干燥后的纳米纤维素、无机填料蒙脱土和聚硅氧烷母粒经低混机混合30min，混合均匀得到预混料1；
S2.将预混料1、PP树脂、润滑剂和抗氧剂放入高混机中，混合8min，转速300rpm，混合均匀得到预混料2；
S3.将预混料2通过主喂料方式添加，经双螺杆挤出并造粒后，制得纳米纤维素增强PP复合材料粒子，挤出机长径比40：1，螺杆直径为35.6mm，温度为200℃。
实施例6
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中PP树脂为PP树脂-2。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
实施例7
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中PP树脂为PP树脂-3。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
实施例8
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中PP树脂为PP树脂-4。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
实施例9
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中PP树脂为PP树脂-5。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
实施例10
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中纳米纤维素为纳米纤维素-2。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
实施例11
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中纳米纤维素为纳米纤维素-3。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
实施例12
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中纳米纤维素为纳米纤维素-4。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
对比例1～5
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下表2所示组分。
表2
上述对比例1～5中聚硅氧烷组分通过加入聚硅氧烷母粒提供，其中聚硅氧烷母粒中聚硅氧烷质量含量为55％。
上述对比例1～5的纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法具体包括如下步骤：
S1.将将纳米纤维素放置鼓风干燥箱中干燥5h，干燥温度90℃，干燥后的纳米纤维素、无机填料蒙脱土和聚硅氧烷母粒经低混机混合30min，混合均匀得到预混料1；
S2.将预混料1、PP树脂、润滑剂和抗氧剂放入高混机中，混合8min，转速300rpm，混合均匀得到预混料2；
S3.将预混料2通过主喂料方式添加，经双螺杆挤出并造粒后，制得纳米纤维素增强PP复合材料粒子，挤出机长径比40：1，螺杆直径为35.6mm，温度为200℃。
对比例6
一种纳米纤维素增强PP复合材料，以重量份数计，包括如下与实施例5基本相同的组分，其与实施例5的主要区别为，其中无机填料为碳酸钙。
纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法同实施例5。
结果检测
对上述实施例和对比例的纳米纤维素增强PP复合材料的相关性能进行检测，具体性能测试方法如下：
弯曲模量：按GB/T 9341-2000测定
弯曲强度：按GB/T 9341-2000测定
尺寸稳定性：按GB/T15585-1995测试平行料流方向的收缩率。
其中弯曲模量和弯曲强度值越大说明材料的弯曲性能越好，收缩率值越小说明材料的尺寸稳定性更好。
具体检测结果见下表3。
表3
| 序号 | 弯曲强度/MPa | 弯曲模量/MPa | 尺寸稳定性/％ |
| 实施例1 | 40 | 2400 | 1.20 |
| 实施例2 | 42 | 2500 | 1.10 |
| 实施例3 | 45 | 2900 | 1.05 |
| 实施例4 | 46 | 2935 | 1.02 |
| 实施例5 | 50 | 3150 | 0.95 |
| 实施例6 | 45 | 2900 | 1.05 |
| 实施例7 | 43 | 2800 | 1.05 |
| 实施例8 | 42 | 2700 | 1.06 |
| 实施例9 | 40 | 2500 | 1.08 |
| 实施例10 | 42 | 2700 | 1.09 |
| 实施例11 | 45 | 2910 | 1.04 |
| 实施例12 | 43 | 2900 | 1.05 |
| 对比例1 | 36 | 1900 | 1.6 |
| 对比例2 | 43 | 2550 | 1.25 |
| 对比例3 | 35 | 1800 | 1.65 |
| 对比例4 | 37 | 2300 | 1.12 |
| 对比例5 | 35 | 2000 | 1.52 |
| 对比例6 | 38 | 2300 | 1.45 |
从上表3的数据可以看出，本发明的纳米纤维素增强PP复合材料的弯曲强度达到40MPa及以上，弯曲模量达到2400MPa及以上，尺寸收缩率可以控制在1.2％以下，显著改善了聚丙烯复合材料的弯曲性能和尺寸稳定性。
对比例1中纳米纤维素的添加量过低，则材料的弯曲性能和尺寸稳定性均受到一定的影响，弯曲强度只有36MPa，弯曲模量只有1900MPa，尺寸收缩率为1.6％，材料的弯曲性能和尺寸稳定性均不能达到要求。
对比例2中纳米纤维素的添加量过高，PP复合材料的尺寸收缩率为1.25％，材料的尺寸稳定性不能达到要求。
对比例3中片状无机填料的用量过低，弯曲性能也无法达到要求，尺寸稳定性下降显著，尺寸收缩率为1.65％。
对比例4中，片状无机填料的用量过高，无法达到弯曲性能要求。
对比例5中聚硅氧烷的含量过低，同样存在弯曲模量和弯曲强度的不足，尺寸收缩率也是受到显著影响，为1.52％，显著低于实施例的尺寸稳定性。
对比例6采用非片状无机填料，显然材料的弯曲性能和尺寸稳定性均无法达到相关要求。
上述对比例数据可以看出，本发明的纳米纤维素增强PP复合材料中各组分的协同作用是比不可少的，任一组分的改变都无法很好实现的弯曲性能和尺寸稳定性改善的效果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米纤维素增强PP复合材料，其特征在于，以重量份数计，包括如下组分：
PP树脂50～82份、纳米纤维素2～15份、片状无机填料5～10份、润滑剂0.1～5份、聚硅氧烷0.275～5.5份、抗氧剂0.1～3份。
2.如权利要求1所述纳米纤维素增强PP复合材料，其特征在于，以重量份数计，包括如下组分：
PP树脂65～75份、纳米纤维素10～12份、片状无机填料6～8份、润滑剂3～4份、聚硅氧烷1.65～4.4份、抗氧剂1～2份。
3.如权利要求1所述纳米纤维素增强PP复合材料，其特征在于，按照ISO1133-1-2011在230℃、2.16kg载荷条件下测试所述PP树脂的熔体质量流动速率5～50g/10min。
4.如权利要求3所述纳米纤维素增强PP复合材料，其特征在于，按照ISO1133-1-2011在230℃、2.16kg载荷条件下测试所述PP树脂的熔体质量流动速率8～20g/10min。
5.如权利要求1所述纳米纤维素增强PP复合材料，其特征在于，所述纳米纤维素的粒径为30～50nm。
6.如权利要求5所述纳米纤维素增强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和/或纤维素纳米纤丝。
7.如权利要求1所述纳米纤维素增强PP复合材料，其特征在于，所述片状无机填料为滑石粉和/或蒙脱土。
8.一种权利要求1～7任意一项所述纳米纤维素增强PP复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将纳米纤维素、部分片状无机填料和聚硅氧烷混合均匀得到预混料1；
S2.将预混料1、PP树脂、润滑剂和抗氧剂混合均匀得到预混料2；
S3.将预混料2通过主喂料方式添加，经双螺杆挤出并造粒后，制得纳米纤维素增强PP复合材料粒子。
9.一种权利要求1～7任意一项所述纳米纤维素增强PP复合材料在家具和汽车内饰领域中的应用。
10.一种家具或汽车内饰用塑料制件，其特征在于，所述塑料制件由包括权利要求1～7任意一项所述纳米纤维素增强PP复合材料的原料制备得到。
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