CN115232396A - 一种聚丙烯复合材料、汽车风管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚丙烯复合材料、汽车风管及其制备方法，聚丙烯复合材料包括以下重量组分：高熔体强度聚丙烯40‑95份、回收聚丙烯10‑40份、扩链剂0.5‑5份和发泡剂0.5‑1.2份。所述高熔体强度聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为0.5‑4g/10min；所述回收聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为5‑20g/10min。同时，本发明还公开了汽车风管及制备方法。本发明提供的聚丙烯复合材料具有成本低、吹塑易成型，且具有显著减重效果的特点。

Description

一种聚丙烯复合材料、汽车风管及其制备方法
技术领域
本发明属于聚丙烯发泡材料技术领域，具体涉及一种聚丙烯复合材料、汽车风管及其制备方法。
背景技术
汽车风管是形状复杂的大型结构部件，现有风管多采用高密度聚乙烯吹塑成型，但是其重量重、保温性差，通常需要在风管上包裹一层隔热隔音材料，该工艺不但复杂而且不利于汽车轻量化。现有技术中也有采用吹塑发泡技术制备汽车风管，以期降低风管密度，实现轻量化，但是由于高密度聚乙烯的发泡倍率小，减重效果不明显。
聚丙烯材料因其综合性能优异、价格低廉，是汽车行业应用量最大的非金属材料。若将汽车风管常用的高密度聚乙烯材料替换为聚丙烯，不但能进一步扩大聚丙烯材料在汽车行业的应用，而且聚丙烯的力学强度、耐热性都比聚乙烯好。因此将聚丙烯用于制造汽车风管具有一定的市场价值和前景。但是，一般的聚丙烯是线性链结构，呈现部分结晶状态，导致其熔体强度较低，耐熔垂性较差，吹塑时易发生熔体破裂，很难进行吹塑加工。
发明内容
针对现有聚丙烯复合材料成本高、吹塑不易成型的问题，本发明提供了一种聚丙烯复合材料、汽车风管及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种聚丙烯复合材料，包括以下重量组分：高熔体强度聚丙烯40-95份、回收聚丙烯10-40份、扩链剂0.5-5份和发泡剂0.5～1.2份；
所述高熔体强度聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为0.5-4g/10min；
所述回收聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为5-20g/10min。
可选的，所述发泡剂包括化学发泡剂和物理发泡剂，所述化学发泡剂0.5-1份，所述物理发泡剂0.001-0.2份。
可选的，所述化学发泡剂选自碳酸氢钠、柠檬酸钠、偶氮二甲酰胺和甲苯磺酰胺基脲中的一种或多种；所述物理发泡剂选自二氧化碳、氮气、戊烷和丁烷中的一种或多种。
可选的，所述聚丙烯复合材料还包括相容剂5-20份、成核剂0.1-2份和发泡助剂0.5-2份。
可选的，所述相容剂选自氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、乙烯-丙烯-丁二烯三元共聚物和聚丙烯接枝马来酸酐中的一种或多种；
所述成核剂选自滑石粉、碳酸钙、硼酸锌和二氧化硅中的一种或多种；
所述发泡助剂选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯中的一种或两种。
可选的，所述扩链剂选自含有环氧基团的聚合物、丙烯酸酯类化合物、亚磷酸酯类化合物和环脂胺类化合物中的一种或多种。
可选的，所述高熔体强度聚丙烯选自高熔体强度均聚聚丙烯、高熔体强度共聚聚丙烯中的一种或多种，且熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为0.5-4g/10min。
可选的，所述回收聚丙烯选自拉丝级聚丙烯粉碎料、注塑级聚丙烯粉碎料中的一种或两种。
另一方面，本发明还提供了一种汽车风管，由如上所述的聚丙烯复合材料吹塑成型。
另一方面，本发明还提供了如上所述的聚丙烯复合材料的制备方法，由上述任一项所述的聚丙烯复合材料制备而成，包括以下步骤：
将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂加入高速混合机中混合均匀，得到第一混合物；
将所述第一混合物投入到双螺杆挤出机中熔融共混挤出造粒，得到第二混合物；
将干燥后的所述第二混合物、所述化学发泡剂、所述成核剂、所述发泡助剂加入高速混合机中混合均匀，得到第三混合物；
将所述第三混合物加入双螺杆挤出机的同时加入所述物理发泡剂，通过吹塑成型系统得到汽车风管。
可选的，加入所述物理发泡剂的具体步骤为：
将物理发泡剂通过超临界流体传输系统注入第三混合物熔体中，所述物理发泡剂的注入压力为40-150bar，流速为1-10Kg/h；并通过双螺杆挤出机作用形成气体-聚合物熔体均相体系；
将所述气体-聚合物熔体均相体系通过熔体泵、口模形成中空型坯；
所述中空型坯通过吹塑成型系统固化定型。
可选的，还包括将所述汽车风管进行修整和检验。
可选的，在将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂加入高速混合机中混合均匀前，将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂进行干燥处理。
在本发明中，通过添加回收聚丙烯，有助于减低材料成本，还有助于聚丙烯材料的回收利用。扩链剂有助于提升回收聚丙烯的性能，还有助于聚丙烯复合材料熔体强度的提升，改善发泡性能。通过扩链剂和选择一定熔融指数的高熔体强度聚丙烯和回收聚丙烯，使得聚丙烯复合材料易吹塑成型，且具有一定的结构强度。
本发明的制备方法采用微孔发泡工艺可有效降低汽车风管质量，实现减重效果。而且经研究发现，发泡材料不但具有质轻，还具有隔热、隔音、缓冲等特性。将聚丙烯复合材料用做汽车风管材料不但可以降低重量，还能够改善车辆的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)性能。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一实施例公开了一种聚丙烯复合材料，包括以下重量组分：高熔体强度聚丙烯40-95份、回收聚丙烯10-40份、扩链剂0.5-5份和发泡剂0.5～1.2份。
所述高熔体强度聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为0.5-4g/10min。
所述回收聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为5-20g/10min。
在本实施例中，通过添加回收聚丙烯，有助于降低材料成本，还有助于聚丙烯材料的回收利用。扩链剂有助于提升回收聚丙烯的性能，改善发泡性能。通过扩链剂和选择一定熔融指数的高熔体强度聚丙烯和回收聚丙烯，使得聚丙烯复合材料易吹塑成型，且具有一定的结构强度。
在一些实施例中，所述发泡剂包括化学发泡剂和物理发泡剂，所述化学发泡剂0.5-1份，所述物理发泡剂0.001-0.2份。物理发泡剂和化学发泡剂共用，通过化学发泡剂调节泡孔，通过物理发泡剂提升发泡倍率，降低成品重量。
在一些实施例中，所述化学发泡剂选自碳酸氢钠、柠檬酸钠、偶氮二甲酰胺和甲苯磺酰胺基脲中的一种或多种。所述物理发泡剂选自二氧化碳、氮气、戊烷和丁烷中的一种或多种。
在一些实施例中，所述聚丙烯复合材料还包括相容剂5-20份、成核剂0.1-2份和发泡助剂0.5-2份。
在一些实施例中，所述相容剂选自氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、乙烯-丙烯-丁二烯三元共聚物和聚丙烯接枝马来酸酐中的一种或多种。
所述成核剂选自滑石粉、碳酸钙、硼酸锌和二氧化硅中的一种或多种。成核剂对聚丙烯树脂泡孔的均匀分布及稳定增长起到重要的作用，通过调节成核剂的用量并配合其他组分的协同作用，可以有效控制泡孔的大小。
所述发泡助剂选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯中的一种或两种。通过发泡助剂增加气体在聚合物熔体中的溶解度，改善发泡效果，还可起到提升熔体强度的作用。其中，聚二甲基硅氧烷具有较低的表面张力，较高的二氧化碳溶解度，并且渗透能力强，可以有效提高混合物二氧化碳的溶解度。在聚丙烯中加入聚四氟乙烯，因聚四氟乙烯的高熔点使得聚四氟乙烯在熔体中形成纤维状结构，并相互缠结，形成物理交联点。物理交联点的形成增加聚丙烯材料的应变硬化行为，在发泡过程支撑泡孔壁，抑制泡孔壁的破裂。同时，聚四氟乙烯纤维的存在形成一种非交联网状泡沫，聚四氟乙烯纤维作为物理网络骨架，提升了复合材料的熔体强度。扩链剂及发泡助剂的协同作用，不但有助于提升回收聚丙烯的性能，还有助于聚丙烯复合材料熔体强度的提升，改善发泡性能。
在一些实施例中，所述高熔体强度聚丙烯选自高熔体强度均聚聚丙烯、高熔体强度共聚聚丙烯中的一种或多种，且熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为0.5-4g/10min。
在一些实施例中，所述回收聚丙烯选自拉丝级聚丙烯粉碎料、注塑级聚丙烯粉碎料中的一种或两种，主要来源于太空袋、编织袋、汽车及航空等领域的高质量聚丙烯回收料。
在一些实施例中，所述扩链剂选自含有环氧基团的聚合物、丙烯酸酯类化合物、亚磷酸酯类化合物和环脂胺类化合物中的一种或多种。通过扩链反应提高回收聚丙烯材料的分子量，改善再生聚丙烯材料的性能。通过对回收聚丙烯进行扩链支化改性，获得熔体强度较高、结晶温度较高且结晶时间较短的扩链支化改性聚丙烯，使回收聚丙烯的分子量增加且分子量分布变宽，支化度加大且在聚丙烯分子链上产生支链结构。
具体地，含有环氧基团的聚合物选自扩链剂TMP-6000或扩链剂ADR-4368。
丙烯酸酯类化合物选自1,6-己二醇乙氧酸二丙烯酸酯或二乙二醇二丙烯酸酯。
环脂胺类化合物包括扩链剂DMDC。
另一方面，本发明一实施例还提供了一种汽车风管，由如上所述的聚丙烯复合材料吹塑成型。
另一方面，本发明一实施例还提供了如上所述的聚丙烯复合材料的制备方法，由上述任一项所述的聚丙烯复合材料制备而成，包括以下步骤：
将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂加入高速混合机中混合均匀，得到第一混合物。
将所述第一混合物投入到双螺杆挤出机中熔融共混挤出造粒，得到第二混合物。
将干燥后的所述第二混合物、所述化学发泡剂、所述成核剂、所述发泡助剂加入高速混合机中混合均匀，得到第三混合物。
将所述第三混合物加入双螺杆挤出机的同时加入所述物理发泡剂，通过吹塑成型系统得到汽车风管。
本实施例的制备方法采用微孔发泡工艺可有效降低汽车风管重量，实现减重效果。而且经研究发现，发泡材料不但具有质轻，还具有隔热、隔音、缓冲等特性。将聚丙烯复合材料用做汽车风管材料不但可以降低重量，还能够改善车辆的NVH(噪声、振动与声振粗糙度)性能。
在一些实施例中，加入所述物理发泡剂的具体步骤为：
将物理发泡剂通过超临界流体传输系统注入第三混合物熔体中，所述物理发泡剂的注入压力为40-150bar，流速为1-10Kg/h；并通过双螺杆挤出机作用形成气体-聚合物熔体均相体系。
将所述气体-聚合物熔体均相体系通过熔体泵、口模形成中空型坯。
所述中空型坯通过吹塑成型系统固化定型。
在一些实施例中，还包括将所述汽车风管进行修整和检验。
在一些实施例中，在将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂加入高速混合机中混合均匀前，将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂进行干燥处理。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的聚丙烯复合材料及其制备方法，包括以下操作步骤：
称取75份高熔体强度聚丙烯(北欧化工WB140HMS)、15份回收聚丙烯、10份乙烯-丙烯-丁二烯三元共聚物(相容剂)、0.8份丙烯酸酯(扩链剂)在80℃条件下干燥4h。在高速混合机中以2000r/min的转速搅拌3min混合均匀后得到第一混合物。高熔体强度聚丙烯的熔融指数为2.4g/10min，回收聚丙烯的熔融指数为8.6g/10min。
将第一混合物经双螺杆挤出机熔融共混挤出造粒，得到第二混合物。其中，双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区150℃、二区170℃、三区180℃、四区190℃、五区200℃、六区220℃，螺杆转速为300r/min。
将干燥后的第二混合物、0.5份碳酸氢钠(化学发泡剂)、0.5份滑石粉(成核剂)、1份聚四氟乙烯(发泡助剂)加入高速混合机中混合均匀，高速混合机的混合条件为：转速2000r/min，搅拌时间3min，得第三混合物。
将第三混合物加入双螺杆挤出机中，然后将二氧化碳(物理发泡剂)通过超临界流体传输系统注入第三混合物熔体中，加工成高温的中空型坯。其中双螺杆挤出机中熔融挤出的条件为：一区150℃、二区165℃、三区190℃、四区195℃、五区198℃、六区175℃，模头温度162℃，螺杆直径30mm，螺杆转速为70r/min。物理发泡剂的气体注入压力为150bar，流速为1.2Kg/h。再经由吹塑成型系统固化定型，最后经由修整飞边、检验得到成品。
实施例2
在本实施例中，与实施例1不同的是，化学发泡剂为柠檬酸钠，物理发泡剂二氧化碳气体的注入流速为2Kg/h。
实施例3
在本实施例中，与实施例1不同的是，高熔体强度聚丙烯(北欧化工WB140HMS)70份，回收聚丙烯20份，聚丙烯接枝马来酸酐(相容剂)10份，物理发泡剂二氧化碳气体的注入流速为2Kg/h。
实施例4
在本实施例中，与实施例1不同的是，高熔体强度聚丙烯(北欧化工WB140HMS)65份，回收聚丙烯20份，聚丙烯接枝马来酸酐(相容剂)15份，碳酸氢钠(化学发泡剂)0.3份，柠檬酸钠(化学发泡剂)0.2份，物理发泡剂二氧化碳气体的注入流速为2Kg/h。
实施例5
在本实施例中，与实施例1不同的是，高熔体强度聚丙烯(北欧化工WB140HMS)80份，回收聚丙烯15份，聚丙烯接枝马来酸酐(相容剂)5份，碳酸氢钠(化学发泡剂)0.3份，柠檬酸钠(化学发泡剂)0.2份，成核剂为二氧化硅，发泡助剂为聚二甲基硅氧烷，物理发泡剂二氧化碳气体的注入流速为2Kg/h。
对比例1
在本实施例中，与实施例1不同的是，汽车风管通过高密度聚乙烯吹塑成型。其中，高密度聚乙烯采用独山子石化HD5502GA。
对比例2
在本实施例中，与实施例1不同的是，不含化学发泡剂。
对比例3
在本实施例中，与实施例1不同的是，不含发泡助剂。
对比例4
在本实施例中，与实施例1不同的是，高熔体强度聚丙烯(牌号WB140HMS，北欧化工)65份，回收聚丙烯50份。
对比例5
在本实施例中，与实施例1不同的是，物理发泡剂二氧化碳气体的注入流速为5Kg/h。
对比例6
在本实施例中，与实施例1不同的是，不含扩链剂。
性能测试
将上述实施例1-5和对比例1-6所制得的汽车风管进行密度、力学性能、减重效果及外观性能测试。
减重比例测试
通过测定发泡后材料密度确定减重比例。密度通过排水法测定，通过称量空气中的发泡后材料质量和在水中的质量计算该发泡试样的密度。
减重比例为本发明中提供的发泡后材料密度与汽车行业常用高密度聚乙烯材料密度减少比例。
各项测试结果见表1。
表1
Figure BDA0003741550280000081
从表1测试结果可知，本发明聚丙烯复合材料吹塑形成的汽车风管相比高密度聚乙烯材料吹塑成型的汽车风管，具有明显的减重效果。从实施例1和对比例6的测试结果可知，在聚丙烯复合材料中，回收聚丙烯的分子量较小且分子量分布很窄，不添加扩链剂，无法对回收聚丙烯进行扩链支化改性，汽车风管未能吹塑成型。且由实施例2-4的测试结果可知，随着回收聚丙烯含量的增加，汽车风管的力学性能逐渐下降。由此可知，在回收聚丙烯含量适当的条件下，可以用于吹塑发泡制备汽车风管，当回收聚丙烯含量过高时将不能用于吹塑发泡工艺成型，通过添加扩链剂可以有效改善聚丙烯复合材料的吹塑发泡性能。
通过对比例5、实施例1和实施例2的测试结果相比，通过提高物理发泡剂二氧化碳气体的注入流速，可以增加物理发泡剂的含量，但物理发泡剂的含量过高时，造成部分气体不能溶解到熔体中，从而导致汽车风管破裂，不能成型现象。
通过对比例2与实施例1的测试结果可知，不含化学发泡剂，导致减重效果下降，同时部分位置出现缩痕现象，可能由于泡孔尺寸不均，部分位置泡孔过大形成缺陷点。
通过对比例3与实施例1的测试结果可知，不含发泡助剂，导致二氧化碳的溶解率下降，最终导致产品减重效果下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种聚丙烯复合材料，其特征在于，包括以下重量组分：高熔体强度聚丙烯40-95份、回收聚丙烯10-40份、扩链剂0.5-5份和发泡剂0.5～1.2份；
所述高熔体强度聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为0.5-4g/10min；
所述回收聚丙烯的熔融指数在230℃、2.16Kg的测试条件下为5-20g/10min。
2.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述发泡剂包括化学发泡剂和物理发泡剂，所述化学发泡剂0.5-1份，所述物理发泡剂0.001-0.2份。
3.根据权利要求2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述化学发泡剂选自碳酸氢钠、柠檬酸钠、偶氮二甲酰胺和甲苯磺酰胺基脲中的一种或多种；所述物理发泡剂选自二氧化碳、氮气、戊烷和丁烷中的一种或多种。
4.根据权利要求2所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯复合材料还包括相容剂5-20份、成核剂0.1-2份和发泡助剂0.5-2份。
5.根据权利要求4所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述相容剂选自氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、乙烯-丙烯-丁二烯三元共聚物和聚丙烯接枝马来酸酐中的一种或多种；
所述成核剂选自滑石粉、碳酸钙、硼酸锌和二氧化硅中的一种或多种；
所述发泡助剂选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述扩链剂选自含有环氧基团的聚合物、丙烯酸酯类化合物、亚磷酸酯类化合物和环脂胺类化合物中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述高熔体强度聚丙烯选自高熔体强度均聚聚丙烯、高熔体强度共聚聚丙烯中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的聚丙烯复合材料，其特征在于，所述回收聚丙烯选自拉丝级聚丙烯粉碎料、注塑级聚丙烯粉碎料中的一种或两种。
9.一种汽车风管，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的聚丙烯复合材料吹塑成型。
10.一种汽车风管的制备方法，其特征在于，所述汽车风管由权利要求4-8任一项所述的聚丙烯复合材料制备而成，包括以下步骤：
将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂加入高速混合机中混合均匀，得到第一混合物；
将所述第一混合物投入到双螺杆挤出机中熔融共混挤出造粒，得到第二混合物；
将干燥后的所述第二混合物、所述化学发泡剂、所述成核剂、所述发泡助剂加入高速混合机中混合均匀，得到第三混合物；
将所述第三混合物加入双螺杆挤出机的同时加入所述物理发泡剂，通过吹塑成型系统得到汽车风管。
11.根据权利要求10所述的汽车风管的制备方法，其特征在于，加入所述物理发泡剂的具体步骤为：
将物理发泡剂通过超临界流体传输系统注入第三混合物熔体中，所述物理发泡剂的注入压力为40-150bar，流速为1-10Kg/h；并通过双螺杆挤出机作用形成气体-聚合物熔体均相体系；
将所述气体-聚合物熔体均相体系通过熔体泵、口模形成中空型坯；
所述中空型坯通过吹塑成型系统固化定型。
12.根据权利要求11所述的汽车风管的制备方法，其特征在于，还包括将所述汽车风管进行修整和检验。
13.根据权利要求10所述的汽车风管的制备方法，其特征在于，在将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂加入高速混合机中混合均匀前，将所述高熔体强度聚丙烯、所述回收聚丙烯、所述相容剂和所述扩链剂进行干燥处理。
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