CN115403920A - 一种高填充聚酰胺材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚酰胺高分子材料领域，特别涉及一种高填充聚酰胺材料及其制备方法。该制备方法将原料组分喂入双螺杆挤出机中，经共混熔融挤出后制得聚酰胺材料；双螺杆挤出机沿物料输送方向依次包括加料段、熔融塑化段、混炼段、脱灰段以及挤出段；混炼段的螺纹块沿物料输送方向依次包括正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、反向常规输送型螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、螺棱上开槽的螺纹块、正向剪切螺纹块、多头捏合螺纹块以及反向常规输送型螺纹块。本发明解决了排气口粉体多的问题，且有效减少了口模析出物，从而解决断条的问题。
Description
技术领域
本发明涉及聚酰胺高分子材料领域，特别涉及一种高填充聚酰胺材料及其制备方法。
背景技术
聚酰胺树脂(包括PA6、PA66等)是一种重要的工程塑料，为改善其机械性能，一般会在聚酰胺树脂上填充高比例的无机填充物，例如碳酸钙等。
然而，高填充聚酰胺产品在加工过程中容易出现以下缺陷：
1.在加工过程中容易出现吃料难，粉粒分层严重情况，影响制备得到的聚酰胺材料的性能和生产质量稳定性。
2.原料粉体多，下料口及排气口粉体容易飘散，影响现场的环境；
3.高填充的聚酰胺产品口模流延物多，流延物在脱离口模的瞬间，流延物质量叠加在料条上，容易在切粒机牵引作用下引起断条。
发明内容
为解决技术背景中提到的高填充的聚酰胺树脂在制备过程中存在的上述问题；本发明提供一种高填充聚酰胺材料的制备方法，其将原料组分喂入双螺杆挤出机中经共混熔融挤出后制得聚酰胺材料；所述原料组分包括聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、长玻纤、碳酸钙、硅烷偶联剂以及其他助剂；所述聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、碳酸钙与硅烷偶联剂的质量比为(20～30)：(5～10):(3～8):40～50):(0.5～1)；
所述双螺杆挤出机沿物料输送方向依次包括加料段、熔融塑化段、混炼段、脱灰段以及挤出段；混炼段的螺纹块沿物料输送方向依次包括正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、反向常规输送型螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、螺棱上开槽的螺纹块、正向剪切螺纹块、多头捏合螺纹块以及反向常规输送型螺纹块。其中，所述正向大导程深槽螺纹块为SK元件，所述螺棱上开槽的螺纹块为SME元件，所述多头捏合螺纹块为FKB元件。
为了解决上述背景技术提到的聚酰胺树脂中无机填料碳酸钙添加量较大时出现的问题，本发明中针对特定配方的碳酸钙高填充量的聚酰胺材料，将混炼段的螺纹块排布优化，设置炼段的螺纹块沿物料输送方向依次包括正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、反向常规输送型螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、螺棱上开槽的螺纹块、正向剪切螺纹块、多头捏合螺纹块以及反向常规输送型螺纹块。其中，设置有SK元件，即正向大导程深槽螺纹块，其螺纹块的螺槽较深，螺槽底部有锥度，其能够起到增强容量，增加传送能力，降低排气口填充度的作用；设置有SME元件，即螺棱上开槽的螺纹块，它其实是在普通的输送螺纹块在螺棱上开了若干漏料的沟槽，沟槽能使相邻螺槽相通,有利于相邻螺槽间物理交换,对熔体进行均化,促进纵向混合，其具有正向的输送能力，优点是具有轴向的分布混合能力，设置SME增强了碳酸钙轴向分布在聚酰胺树脂中的能力；设置有FKB元件，即多头捏合螺纹块，所述多头捏合螺纹块为中间多头且两端双头的螺纹块，其克服了双头螺纹块的剪切不均匀的弊端，其优点在于：剪切均匀，实现更好的熔融，提高分散分布的能力，导入FKB螺纹块增加碳酸钙分散在尼龙树脂中的均匀度，减少口模析出物从而解决断条问题。综上，本发明在不影响物性的情况下，将混炼段的螺纹块排布优化，从而解决了排气口喷粉的问题，同时增强了碳酸钙轴向分布在聚酰胺树脂中的能力，使得碳酸钙均匀分散在聚酰胺树脂中，有效减少口模析出物，从而解决断条问题；同时保证加工过程正常，吃料和原料输送顺畅，解决了粉粒分层严重的问题，并且本发明制得的聚酰胺材料保持良好的力学性能。
在一实施例中，所述正向剪切螺纹块的片状剪切片的错位角为45°或 60°或90°，片状剪切片的实际长度为44～72，片状剪切片的碟数为(180° /错位角角度)+1。
在一实施例中，所述混炼段沿物料输送方向依次由以下螺纹块组合而成： 96/48、96/96、96/96SK*2、96/96SKN、72/72*3、56/56、K45/5/72*2、 K45/5/44、44/22L、96/48、96/96SK、96/96SKN、72/72、K45/5/72、K45/5/56*2、 SME44/44、K45/5/72、K45/5/56、FKB90/7/75、44/22L。
在一实施例中，所述混炼段上沿物料输送方向依次设有第一排气口、第一侧喂料口、第二侧喂料口和第二排气口；将聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、其他助剂、硅烷偶联剂进行混合得到混合物M，并将混合物M从双螺杆挤出机的主喂料口喂入，所述长玻纤从第一排气口喂入，第一部分的碳酸钙从第一侧喂料口喂入，第二部分的碳酸钙从第二侧喂料口喂入；其中第一部分的碳酸钙与第二部分的碳酸钙的重量之和为碳酸钙的总量，且第一部分的碳酸钙与第二部分的碳酸钙的重量比为(3～10):1。进一步优选地，第一部分的碳酸钙与第二部分的碳酸钙的重量比为4:1。
本发明针对特定的原料组分配方，优化制备方法中各原料组分的喂料方式：将聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、其他助剂、硅烷偶联剂进行混合得到混合物M，并将混合物M从双螺杆挤出机的主喂料口喂入，所述长玻纤从第一排气口喂入，第一部分的碳酸钙从第一侧喂料口喂入，第二部分的碳酸钙从第二侧喂料口喂入，其中，碳酸钙分两部分投料，第一部分的碳酸钙从第一侧喂料口喂入，第二部分的碳酸钙从第二侧喂料口喂入，能够解决进一步粉粒分层问题，使制得的产品尺寸稳定，物性稳定，波动小。综上，本发明针对不同原料组分本身特性及其添加量大小，通过优化不同原料组分的喂料位置来提高混炼效果，进一步提升材料性能。
在一实施例中，所述加料段沿物料输送方向依次包括正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块以及正向常规输送型螺纹块；所述熔融塑化段沿物料输送方向依次包括正向剪切螺纹块以及反向常规输送型螺纹块。
在一实施例中，所述加料段沿物料输送方向依次由以下螺纹块组合而成： 56/56A、96/96SK*2、96/48SK、96/96、72/72；所述熔融塑化段沿物料输送方向依次由以下螺纹块组合而成：K45/5/72、K45/5/56*2、K90/5/44、 44/22L。
在一实施例中，所述脱灰段的螺纹块包括正向常规输送型螺纹块；所述挤出段的螺纹块包括正向常规输送型螺纹块。
在一实施例中，所述其他助剂包括抗氧剂和润滑剂。
在一实施例中，所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为(44～56):1，螺筒温度为220℃～260℃，螺杆转速为500rpm～600rpm。在一实施例中，所述双螺杆挤出机的最后一个螺纹块突出于螺杆轴，所述螺纹块突出于螺杆轴的部分的长度小于该螺纹块实际长度的二分之一。
本发明还提供一种高填充聚酰胺材料，其通过如上所述的高填充聚酰胺材料的制备方法制得。
本发明提供的高填充聚酰胺材料的制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明将混炼段的螺纹块排布优化，解决了排气口喷粉问题，同时增强了碳酸钙轴向分布在聚酰胺树脂中的能力，使得碳酸钙均匀分散在聚酰胺树脂中，有效减少口模析出物，从而解决断条问题；同时保证加工过程正常，吃料和原料输送顺畅，解决了粉粒分层严重的问题，本发明制得的聚酰胺材料保持良好的力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例1的螺杆组合结构示意图；
图2为多头捏合螺纹块的结构示意图；
图3为正向大导程深槽螺纹块的结构示意图；
图4为螺棱上开槽的螺纹块的结构示意图。
附图标记：
A加料段 B熔融塑化段 C混炼段
D脱灰段 E挤出段 100主喂料口
300第二侧喂料口 200第一侧喂料口 400第一排气口
500第二排气口
1-11表示筒体区域
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合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做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。
本发明提供一种高填充聚酰胺材料的制备方法：
将原料组分喂入如图1所示的双螺杆挤出机中，经共混熔融挤出后制得聚酰胺材料，具体步骤为：
(1)按一定重量称量原料组分，将聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、其他助剂、硅烷偶联剂在高混机中进行搅拌混合，得到混合物M，
(2)将混合物M从双螺杆挤出机的主喂料口100喂入，所述长玻纤从第一排气口400喂入，第一部分的碳酸钙从第一侧喂料口200喂入，第二部分的碳酸钙从第二侧喂料口300喂入，原料组分在双螺杆挤出机中经共混、熔融、挤出、水冷、切粒后制得聚酰胺材料；其中第一部分的碳酸钙与第二部分的碳酸钙的重量之和为碳酸钙的总量，且第一部分的碳酸钙与第二部分的碳酸钙的重量比为(3～10):1。
其中，所述双螺杆挤出机沿物料输送方向依次包括加料段A、熔融塑化段 B、混炼段C、脱灰段D以及挤出段E；混炼段C的螺纹块沿物料输送方向依次包括正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、反向常规输送型螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、螺棱上开槽的螺纹块、正向剪切螺纹块、多头捏合螺纹块以及反向常规输送型螺纹块。所述混炼段C上沿物料输送方向依次设有第一排气口400、第一侧喂料口 200、第二侧喂料口300和第二排气口500，所述第二排气口500与第二侧喂料口300；
所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为(44～56):1，共12节筒体(沿物料输送方向依次为1区到12区)，螺筒温度为220℃～260℃，螺杆转速为 500rpm～600rpm。
其中，本发明还提供该聚酰胺材料的原料组分的配方，按重量份计，其原料组分包括聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、长玻纤、碳酸钙、硅烷偶联剂、抗氧剂以及润滑剂；其中，所述聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、碳酸钙与硅烷偶联剂的质量比控制在(20～30)：(5～10):(3～ 8):40～50):(0.5～1)，其他组分配比可根据情况进行适应性调整。
本发明还提供如下实施例和对比例：
实施例和对比例的配方如下：
按质量百分比，28.7％的PA6树脂粒子(相对粘度2.0)、9％的PP树脂粒子、4％PP接枝马来酸酐、0.1％的抗氧剂与1.5％的润滑剂、6％长玻纤、 50％TD-2500(碳酸钙)、0.7％硅烷偶联剂；
其中，PP接枝马来酸酐采用GPM200A,抗氧剂采用抗氧剂1098,润滑剂采用EBS-SF,长玻纤采用巨石生产的牌号EDR13-2000-988A的长玻纤,硅烷偶联剂采用KH560。
实施例和对比例中采用下表1所示的投料方案：
表1
预混合料1：将28.7％的PA6树脂粒子、9％的PP树脂粒子、4％PP接枝马来酸酐、0.1％的抗氧剂、1.5％的润滑剂、0.7％硅烷偶联剂及50％TD-2500放入高混机，按照200rpm，120秒搅拌得到预混合料1；
预混合料2：将28.7％的PA6树脂粒子、9％的PP树脂粒子、4％PP接枝马来酸酐、0.1％的抗氧剂、1.5％的润滑剂、0.7％硅烷偶联剂及20％TD-2500放入高混机，按照200rpm，120秒搅拌得到预混合料2；
预混合料3：将28.7％的PA6树脂粒子、9％的PP树脂粒子、4％PP接枝马来酸酐、0.1％的抗氧剂、1.5％的润滑剂及0.7％硅烷偶联剂及20％TD-2500放入高混机，按照200rpm，120秒搅拌得到预混合料3；
预混合料4：将28.7％的PA6树脂粒子、9％的PP树脂粒子、4％PP接枝马来酸酐、0.1％的抗氧剂、1.5％的润滑剂及0.7％硅烷偶联剂放入高混机，按照 200rpm，120秒搅拌得到预混合料4；
实施例和对比例中采用如下表2所示的螺杆组合方式：
表2
其中，表2中螺杆组合次序为沿物料输送方向由前至后；图1为本发明实施例1中的同向双螺杆挤出机的结构示意图。
本文中螺纹块的表达方式为本领域常规通用的螺纹块型号和参数表达方式，具体为：正向常规输送型螺纹块表达方式：数值x/数值y×数值z,其表示为数值z个导程为数值xmm、实际长度为数值y mm的正向常规输送型螺纹块,其中，如果其后缀加入A(数值x/数值y×数值z A),其中A表示其为该螺杆的起始元件；
反向常规输送型螺纹块表达方式：数值x/数值y×数值z L,,其表示为 z个导程为数值x mm、实际长度为数值y mm的反向常规输送型螺纹块，其中 L表示为反向。
正向剪切螺纹块表达方式：K数值x/数值y/数值z×数值p,其表示为数值p个正向剪切螺纹块，其片状剪切片的错位角为数值x°，片状剪切片的碟数为数值y，剪切螺纹块的实际长度为数值z mm的正向剪切螺纹块；
多头捏合螺纹块表达方式：FKB数值x/数值y/数值z，表示为剪切单元的交错角为数值x°，剪切单元的碟数为数值y，剪切单元的导程为数值z mm 的多头捏合螺纹块FKB，其中间多头，两端双头。其具体结构如图2所示；
正向大导程深槽螺纹块表达方式：数值x/数值y SK*数值z，表示为数值z个导程为数值x mm、长度为数值y mm的正向大导程深槽螺纹块，所述 SK是指正向大导程深槽螺纹块，其螺纹块的螺槽较深，螺槽底部有锥度，其具体结构如图3所示；另外，数值x/数值y SKN表示为导程为数值x mm、长度为数值y mm的正向常规输送型螺纹块，所述SKN是指其为深槽螺纹块转为常规螺纹块过渡件；
螺棱上开槽的螺纹块表达方式：SME数值x/数值y，表示为导程为数值 x mm、长度为数值y mm的螺棱上开槽的螺纹块。该螺纹块就是普通的输送螺纹块在螺棱上开了漏料的槽；其具体结构如图4所示。
具体地，对比例和实施例采用如下表3所示投料方式和螺杆组合进行制备：
表3
实施例和对比例的具体制备方法，包括以下步骤：按表1投料方案，将各个物料投入双螺杆挤出机中，经共混、熔融、挤出、水冷冷却，切粒后制得聚酰胺材料；
所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为48:1，共12节筒体(沿物料输送方向依次为1区到12区)，螺筒温度为220℃～260℃，螺杆转速为500rpm～600rpm。其中，如图1所示，主喂料口100位于加料段A，所述混炼段C上沿物料输送方向依次设有第一排气口400(第4节筒体上)、第一侧喂料口200(第5节筒体上)、第二侧喂料口300(第8节筒体上)和第二排气口500(第8节筒体上)，所述脱灰段D在第11节筒体上；
将实施例和对比例制得的聚酰胺材料，通过相同的注塑条件采用注塑机注塑成型制得测试用试样，注塑条件具体如下表4所示：
表4
将聚酰胺材料注塑得到的试样进行相关性能指标的测试，测试结果分别如下表5所示：
表5
其中，聚酰胺材料的制造和测试过程中使用的仪器设备及其型号为：高混机(型号SHR200)、同向平行双螺杆挤出机(型号RXT-65)、摆锤冲击试验机(型号ZBC7000-B)、电子式万能试验机(型号AGS-X-10KN)、注塑机 (型号EM80-V)以及水平垂直燃烧试验机(型号AUTO-SPA)；
拉伸强度的测试标准为IS0527-2，弯曲强度测试标准为ISO178，简支梁缺口冲击强度测试标准为ISO179-1，灰分测试标准为GB/T9345.1-2008。
从表3的测试结果可以看出：
本发明将混炼段C的螺纹块排布优化，解决了排气口喷粉问题，同时增强了碳酸钙轴向分布在聚酰胺树脂中的能力，使得碳酸钙均匀分散在聚酰胺树脂中，有效减少口模析出物，从而解决断条问题；同时保证加工过程正常，吃料和原料输送顺畅，解决了粉粒分层严重的问题，本发明制得的聚酰胺材料保持良好的力学性能。
需要说明的是：
按本领域一般螺纹块表达方式，“L”标明螺纹块为反向，正向(右旋) 一般不需要标示，没有特别标示为反向(左旋)的螺纹块即表明其为正向；
本文所述“沿物料输送方向依次”为本领域惯用的螺杆元件次序表达方式，本领域公知，本领域一般默认按照物料输送方向，即加工工序顺序来表述次序，即从加料段A-熔融塑化段B-混炼段C-脱灰段D到挤出段E为物料由前至后的输送方向。
除了上述具体实施例体现的实际选择外，本发明主要针对添加高填充物的聚酰胺材料进行工艺改进，对于聚酰胺材料的原料组分中抗氧剂、润滑剂等原料组分的添加与否、其种类选择和配比确定，本领域技术人员可进行适应性调整，包括但不限于上述实施例体现的实际选择；
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：将原料组分喂入双螺杆挤出机中经共混熔融挤出后制得聚酰胺材料；所述原料组分包括聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、长玻纤、碳酸钙、硅烷偶联剂以及其他助剂；所述聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、碳酸钙与硅烷偶联剂的质量比为(20～30)：(5～10):(3～8):40～50):(0.5～1)；
所述双螺杆挤出机沿物料输送方向依次包括加料段、熔融塑化段、混炼段、脱灰段以及挤出段；混炼段的螺纹块沿物料输送方向依次包括正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、反向常规输送型螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块、正向常规输送型螺纹块、正向剪切螺纹块、螺棱上开槽的螺纹块、正向剪切螺纹块、多头捏合螺纹块以及反向常规输送型螺纹块。
2.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：所述正向剪切螺纹块的片状剪切片的错位角为45°或60°或90°，片状剪切片的实际长度为44～72，片状剪切片的碟数为(180°/错位角角度)+1。
3.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：所述混炼段沿物料输送方向依次由以下螺纹块组合而成：96/48、96/96、96/96SK*2、96/96SKN、72/72*3、56/56、K45/5/72*2、K45/5/44、44/22L、96/48、96/96SK、96/96SKN、72/72、K45/5/72、K45/5/56*2、SME44/44、K45/5/72、K45/5/56、FKB90/7/75、44/22L。
4.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：
所述混炼段上沿物料输送方向依次设有第一排气口、第一侧喂料口、第二侧喂料口和第二排气口；
将聚酰胺树脂、PP树脂、PP接枝马来酸酐、其他助剂、硅烷偶联剂进行混合得到混合物M，并将混合物M从双螺杆挤出机的主喂料口喂入，所述长玻纤从第一排气口喂入，第一部分的碳酸钙从第一侧喂料口喂入，第二部分的碳酸钙从第二侧喂料口喂入；其中第一部分的碳酸钙与第二部分的碳酸钙的重量之和为碳酸钙的总量，且第一部分的碳酸钙与第二部分的碳酸钙的重量比为(3～10):1。
5.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：所述加料段沿物料输送方向依次包括正向常规输送型螺纹块、正向大导程深槽螺纹块以及正向常规输送型螺纹块；
所述熔融塑化段沿物料输送方向依次包括正向剪切螺纹块以及反向常规输送型螺纹块。
6.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：所述加料段沿物料输送方向依次由以下螺纹块组合而成：56/56A、96/96SK*2、96/48SK、96/96、72/72；
所述熔融塑化段沿物料输送方向依次由以下螺纹块组合而成：K45/5/72、K45/5/56*2、K90/5/44、44/22L。
7.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：所述脱灰段的螺纹块包括正向常规输送型螺纹块；所述挤出段的螺纹块包括正向常规输送型螺纹块。
8.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：所述其他助剂包括抗氧剂和润滑剂。
9.根据权利要求1所述的高填充聚酰胺材料的制备方法，其特征在于：所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为(44～56):1，螺筒温度为220℃～260℃，螺杆转速为500rpm～600rpm。
10.一种高填充聚酰胺材料，其特征在于：通过如权利要求1-9任一项所述的高填充聚酰胺材料的制备方法制得。
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