CN115353687A - 一种纤维素增强聚丙烯组合物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维素增强聚丙烯组合物及其制备方法和应用。本发明的纤维素增强聚丙烯组合物按重量份数计，包括聚丙烯树脂85～96份、纤维素纤维12～18份、马来酸酐接枝POE 6～10份、加工助剂0～6份；其中所述纤维素纤维为纳米纤维素聚集而成的纤维束。本发明纤维素增强聚丙烯组合物中聚丙烯树脂与马来酸酐接枝POE形成的海岛结构在纤维素纤维强极性基团的作用下转变为长棒状结构，且纤维素纤维被包裹于长棒状结构内部，从而减少纤维素纤维与空气中水分的接触，进而降低吸水率；同时，长棒状结有利于提高纤维素纤维与聚丙烯树脂之间的相容性，进而提高纤维素增强聚丙烯组合物的力学性能。

Description

一种纤维素增强聚丙烯组合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子化合物的组合物技术领域，更具体地，涉及一种纤维素增强聚丙烯组合物及其制备方法和应用。
背景技术
近年来随着汽车工业的飞速发展，轻量化、品质化、节能环保、功能化等已成为当前汽车工业的主要目标。聚丙烯是一种综合性能优良的通用热塑性塑料，具有价格低廉，质量轻、耐溶性、易回收、无毒等特点，是最重要的汽车轻质材料，它可减轻汽车零部件约40％的重量，已广泛应用于汽车装饰件。
随着汽车智能化及新能源汽车的发展，对聚丙烯材料提出了更高的要求，成品的轻量化已经成为研究趋势之一。天然纤维/聚合物复合材料是一种满足节能、环保、可回收等要求的新材料，而且相较于玻璃纤维/聚合物复合材料、人造碳纤维/聚合物复合材料，天然纤维/聚合物复合材料不仅在环境友好和可回收利用方面具有明显优势，且天然纤维来源广泛、重量轻、高强度、高模量及耐冲击性能优异，可部分取代玻璃纤维或人造碳纤维在工程领域中的应用。
然而，天然纤维的主要成分一般为纤维素、半纤维素与木质素等，表面含有大量的极性基团，而聚丙烯属于非极性分子，因此天然纤维增强聚丙烯复合材料存在两个问题：一是植物纤维与聚丙烯之间相容性差，导致聚丙烯复合材料的力学性能差；二是植物纤维吸湿性强，导致复合材料吸水率高，不利于成型加工。
目前，通常采用对天然纤维进行表面改性或在复合材料配方中添加相容剂的方法改善天然纤维与聚丙烯之间的相容性。例如，现有技术公开了一种植物纤维母粒及其制备方法和应用，利用硅烷偶联剂改性天然纤维以提高其与聚丙烯的界面粘接性能，进而提高其与聚合物之间的相容性，提高复合材料的力学性能，但并没有解决天然纤维因自身吸湿性强而导致聚丙烯复合材料吸水率高的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有现有天然纤维/聚丙烯复合材料吸水率高的缺陷和不足，提供一种纤维素增强聚丙烯组合物，通过调控聚丙烯树脂、纤维素纤维和马来酸酐接枝POE三者的配比关系，使得聚丙烯树脂与马来酸酐接枝POE形成的海岛结构在纤维素纤维强极性基团的作用下转变为长棒状结构，且纤维素纤维被包裹于长棒状结构内部，从减少纤维素纤维与空气中水分的接触，进而降低纤维素增强聚丙烯组合物的吸水率。
本发明的另一目的是提供一种纤维素增强聚丙烯组合物的制备方法。
本发明的又一目的是提供上述纤维素增强聚丙烯组合物在制备汽车部件中的应用。
本发明的又一目的是提供一种汽车内饰。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种纤维素增强聚丙烯组合物，按重量份数计，包括以下组分：
聚丙烯树脂85～96份；
纤维素纤维12～18份；
马来酸酐接枝POE 6～10份；
加工助剂0～6份；
其中，所述纤维素纤维与马来酸酐接枝POE的重量份数比值为1.5～3；所述纤维素纤维为纳米纤维素聚集而成的纤维束。
马来酸酐接枝POE是在非极性的分子主链上引入了强极性的马来酸酐侧基，因此马来酸酐接枝POE通常用来改善极性材料与非极性材料粘接性及相容性。然而，由于马来酸酐接枝POE和聚丙烯相容性较低，导致其在聚丙烯中通常以海-岛结构的形式存在，与常规的碳纤维或玻璃纤维所形成的聚丙烯复合材料稳定性差、增强效果不明显，使得马来酸酐接枝POE主要作为相容剂或增韧剂，用于PC、ABS、PET、PBT等及其合金材料，很少用于聚丙烯的改性。
发明人通过实验发现，以纤维素纤维代替传统的玻璃纤维及碳纤维作为增强材料时，使得聚丙烯与马来酸酐接枝POE所形成的海-岛结构被改变，纤维素纤维表面的大量极性羟基促使马来酸酐接枝POE的岛形态打开，并包裹纤维素纤维形成长棒状结构，这也使得纤维状纤维不易与空气中的水分接触，进而降低了纤维素增强聚丙烯组合物的吸水率。同时由于该长棒状结构的外侧和聚丙烯的相容性良好，进而提高了纤维素纤维的分散均匀性，从而改善纤维素增强聚丙烯组合物的力学性能。
此外，还需调控聚丙烯树脂、纤维素纤维和马来酸酐接枝POE三者的比例在一定范围内才能实现上述效果。尤其是纤维素纤维与马来酸酐接枝POE的重量份数比值需要在1.5～3之间，若纤维素纤维的添加量过多，马来酸酐接枝POE难以充分包裹纤维素纤维，从而导致纤维素增强聚丙烯组合物的吸水率过高；若纤维素纤维的添加量过少，则难以使得马来酸酐接枝POE的岛形态转变为长棒状结构，而且会影响纤维素增强聚丙烯组合物的力学性能。
优选地，所述纤维素增强聚丙烯组合物，按重量份数计，包括以下组分：
聚丙烯树脂88～92份；
纤维素纤维14～16份；
马来酸酐接枝POE 8～9份；
加工助剂0.5～2份。
优选地，所述纤维束的直径为20～30μm。
优选地，所述马来酸酐接枝POE的接枝率为0.7％-0.9％，其中采用酸碱滴定法测定马来酸酐接枝POE的接枝率。
优选地，所述聚丙烯树脂采用ISO 1133-2011标准，在230℃×2.16kg测试条件下的熔体质量流动速率3.0～4.8g/10min。
在具体实施方式中，本发明纤维素增强聚丙烯组合物中的加工助剂，按重量份数计，包括硅油2～4份、润滑剂0.5～1.5份。
在具体实施方式中，所述润滑剂可以为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类和酰胺类润滑剂中一种或几种。
本发明保护一种纤维素增强聚丙烯组合物的制备方法，包括以下步骤：
先将聚丙烯树脂和马来酸酐接枝POE进行混合均匀，再加入加工助剂继续混合均匀形成预混料；然后，将所述预混料从主喂料加入双螺杆挤出机中，将纤维素纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，在200℃～220℃条件下熔融共混、挤出造粒，即制得纤维素增强聚丙烯组合物。
一种纤维素增强聚丙烯组合物在制备汽车部件中的应用，也在本发明测保护范围之内。
本发明还保护一种由上述纤维素增强聚丙烯组合物为原料制备得到的汽车内饰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明纤维素增强聚丙烯组合物，通过调控聚丙烯树脂、纤维素纤维和马来酸酐接枝POE三者的配比关系，使得聚丙烯树脂与马来酸酐接枝POE形成的海岛结构在纤维素纤维强极性基团的作用下转变为长棒状结构，且纤维素纤维被包裹于长棒状结构内部，从减少纤维素纤维与空气中水分的接触，进而降低纤维素增强聚丙烯组合物的吸水率，吸水率降低至0.22％～0.35％；同时，长棒状结构显著改善了纤维素纤维与聚丙烯树脂的相容性，进而提高了纤维素增强聚丙烯组合物的力学性能，拉伸强度达到28.4～32.3MPa，悬臂梁缺口冲击强度达到5.3～6.4MPa。
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。
1、原料试剂
聚丙烯树脂1为共聚PP，在230℃×2.16kg下的熔体重量流动速率为3.0g/10min，牌号PPH-T03，厂家北海炼化；
聚丙烯树脂2为均聚PP，在230℃×2.16kg下的熔体重量流动速率为4.8g/10min，牌号T30S，厂家兰州石化；
聚丙烯树脂3为共聚PP，在230℃×2.16kg下的熔体重量流动速率为2.4g/10min，牌号F40S，厂家盘锦；
聚丙烯树脂4为共聚PP，在230℃×2.16kg下的熔体重量流动速率为20g/10min，牌号Z30S，厂家北海炼化；
马来酸酐接枝POE 1，接枝率为0.7％，牌号W1A，厂家科艾斯；
马来酸酐接枝POE 2，接枝率为0.9％，牌号W2A，厂家科艾斯；
马来酸酐接枝POE 3，接枝率为1.3％，牌号W4A，厂家科艾斯；
纤维素纤维，平均直径为25μm，牌号FLCF-DRY，厂家大阪燃气；
硅油，市售，平行实验中均采用同种；
润滑剂为硬脂酸锌，市售，平行实验中均采用同种。
2、本发明各实施例及对比例的纤维素增强聚丙烯组合物通过如下制备方法制备得到：
按照配方称取各组分，先将聚丙烯树脂和马来酸酐接枝POE进行混合均匀，再加入加工助剂继续混合均匀形成预混料；然后，将所述预混料从主喂料加入双螺杆挤出机中，将纤维素纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，在200℃～220℃条件下熔融共混、挤出造粒，即制得纤维素增强聚丙烯组合物；
其中，其中，双螺杆挤出机的熔融挤出的条件为：一区温度200℃，二区温度220℃，三区温度220℃，四区温度220℃，五区温度200℃，六区温度200℃，七区温度200℃，八区温度200℃，九区温度220℃，主机转速400r/min；双螺杆挤出机的长径比为40:1。
3、性能测试
(1)拉伸强度：按照ISO 527-2-2016进行测试，拉伸速度为50mm/min。
(2)悬臂梁缺口冲击强度：按照ISO 180-2000标准进行测试。
(3)吸水率测试，具体测试条件为将纤维素增强聚丙烯组合物在23℃的水中浸泡20天；
吸水率(％)＝(M1－M0)/M0×100％，其中，M0浸泡前质量，M1为浸泡后质量。
实施例1～11
实施例1～11中纤维素增强聚丙烯组合物的各组分的重量份数如表1和表2所示，X为纤维素纤维与马来酸酐接枝POE的重量份数比值。
表1实施例1～7中纤维素增强聚丙烯组合物
Figure BDA0003876443320000051
表2实施例8～11中纤维素增强聚丙烯组合物
Figure BDA0003876443320000052
Figure BDA0003876443320000061
对比例1～5
对比例1～5中纤维素增强聚丙烯组合物的各组分的重量份数如表3所示，X为纤维素纤维与马来酸酐接枝POE的重量份数比值。
表3对比例1～5中纤维素增强聚丙烯组合物
Figure BDA0003876443320000062
按照上述提及的方法对各实施例和对比例中纤维素增强聚丙烯组合物的性能测试结果如表4所示。
表4各实施例和对比例的测试结果
Figure BDA0003876443320000063
Figure BDA0003876443320000071
本发明纤维素增强聚丙烯组合物的各项性能中优先考量其吸水率，再综合考虑其拉伸强度和悬臂梁缺口冲击强度，由表4可看出，纤维素增强聚丙烯组合物具有低的吸水率降和良好的力学性能，其吸水率仅为0.22％～0.35％，且拉伸强度达到28.4～32.3MPa，同时悬臂梁缺口冲击强度达到5.3～6.4MPa。
根据测试的数据发现，实施例1、2的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度优于实施例3、4，而实施例1、2的吸水率低于实施例3、4，具有更好的性能。由上述的数据可知，聚丙烯的熔体质量流动速率处于3.0～4.8g/10min，制备出来的组合物性能更好，这是由于中等的熔体质量流动速率，有利于原料能够尽快地形成长棒状的结构，从而使得制备的组合物具有更加良好的性能。此外，实施例1、5的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度优于实施例6，且实施例1和5的吸水率低于实施例6，具有更好的性能。发明人推理：当马来酸酐接枝POE的接枝率为0.7％-0.9％范围时，更加有利于形成外侧紧密的长棒状的结构，该结构使得材料具备更好的强度和更低的吸水率。
从对比例1和2可看出，马来酸酐接枝POE添加量过多的时候，部分马来酸酐接枝POE包裹纤维素纤维形成长棒状结构，而多余的马来酸酐接枝POE则呈不均分分散状态，导致纤维素增强聚丙烯组合物力学性能下降，且马来酸酐基团外露造成纤维素增强聚丙烯组合物吸水率增大；马来酸酐接枝POE添加量过少的时候，难以有效包裹纤维素纤维使得部分亲水基团外露吸水，导致纤维素增强聚丙烯组合物吸水率增大，同时也会使其结构不均，力学性能下降。
从对比例3和4可看出，纤维素纤维添加量过多的时候，部分纤维素纤维难以分散进行包裹，导致纤维素增强聚丙烯组合物吸水率增大，而且纤维素纤维的吸水能力比马来酸酐接枝POE更强，因此对比例3中纤维素增强聚丙烯组合物吸水率增大更多，分散不均，力学性能下降；纤维素纤维添加量过少的时候，相当于马来酸酐接枝POE更多，而多余的马来酸酐接枝POE呈分散状态，导致纤维素增强聚丙烯组合物力学性能下降，且马来酸酐基团外露造成纤维素增强聚丙烯组合物吸水率增大。
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)

1.一种纤维素增强聚丙烯组合物，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
Figure FDA0003876443310000011
其中，所述纤维素纤维与马来酸酐接枝POE的重量份数比值为1.5～3；所述纤维素纤维为纳米纤维素聚集而成的纤维束。
2.如权利要求1所述纤维素增强聚丙烯组合物，其特征在于，按重量份数计，包括以下组分：
Figure FDA0003876443310000012
3.如权利要求1所述纤维素增强聚丙烯组合物，其特征在于，所述马来酸酐接枝POE的接枝率为0.7％-0.9％。
4.如权利要求1所述纤维素增强聚丙烯组合物，其特征在于，所述纤维束的直径为20～30μm。
5.如权利要求1所述纤维素增强聚丙烯组合物，其特征在于，所述聚丙烯树脂采用ISO1133-2011标准，在230℃×2.16kg测试条件下的熔体质量流动速率3.0～4.8g/10min。
6.如权利要求1所述纤维素增强聚丙烯组合物，其特征在于，按重量份数计，所述加工助剂包括硅油2-4份、润滑剂0.5-1.5份。
7.如权利要求6所述纤维素增强聚丙烯组合物，其特征在于，所述润滑剂为硬脂酸酯类、硬脂酸盐类和酰胺类润滑剂中一种或几种。
8.一种权利要求1～7任一项所述纤维素增强聚丙烯组合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
先将聚丙烯树脂和马来酸酐接枝POE进行混合均匀，再加入加工助剂继续混合均匀形成预混料；然后，将所述预混料从主喂料加入双螺杆挤出机中，将纤维素纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，在200℃～220℃条件下熔融共混、挤出造粒，即制得纤维素增强聚丙烯组合物。
9.一种权利要求1～7任一项所述纤维素增强聚丙烯组合物在制备汽车内饰部件中的应用。
10.一种汽车内饰，其特征在于，所述汽车内饰包括权利要求1～7任一项所述纤维素增强聚丙烯组合物。
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