CN115926326A - 利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，它采用以下原料制成：高韧高流动聚丙烯、聚丙烯粉、线性低密度聚乙烯、秸秆粉、成核剂、相容剂、偶联剂、分散剂、抗氧剂、耐候剂、增白剂，其中，秸秆粉为60目、100目、600目按不同比例混合组成。本发明采用可持续再生的生物基秸秆粉替代矿物石基材料填充改性聚丙烯用于汽车立柱、门板等内饰，改性制备工艺简单，成本低廉，可满足汽车立柱、门板内饰性能、工况的各项要求的同时，降低制品重量，节省材料的用量，并对环境友好、气味低，扩大自然资源的使用和再生、拓宽了生物基秸秆粉的应用领域，减少了资源浪费及环境污染，降低了材料成本，可为企业和社会创造巨大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及汽车制造技术领域，尤其是一种汽车内饰材料。
背景技术
汽车内饰系统是汽车车身的重要组成部分，其主要包括仪表板系统、副仪表板系统、门内护板系统、顶棚系统、座椅系统、立柱护板系统、其余驾驶室内装件系统、驾驶室空气循环系统、行李箱内装件系统、发动机舱内装件系统、地毯、安全带、安全气囊、方向盘，以及车内照明、车内声学系统等等。
其中，门内护板系统中的汽车门护板和立柱护板系统中的立柱等汽车内饰是一种表面积大、形状复杂的薄壁大型结构部件，它要求具备优异的韧性、刚性、耐热性、耐老化性及低气味性等。而目前这两类汽车内饰专用料基本上采用PP/POE/矿物填充共混体系或PP/EPDM/矿物填充共混体系，使用双螺杆挤出机将共混体系挤出造粒而得。
随着汽车轻量化要求的提高，由于矿物石基填充材料密度比较大，其已经难以满足汽车轻量化的要求。为此，人们尝试采用可持续再生的生物基秸秆粉替代矿物石基材料填充改性聚丙烯，但由于秸秆粉中含有纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、淀粉及糖类化合物，其表现出极强的极性及亲水性，且与聚丙烯相容性差，难分散，易团聚，且目数越高秸秆粉堆积密度越小，越难分散，更易团聚，加工越困难，即现有技术利用生物基秸秆粉填充改性聚丙烯常规改性方法难于提高材料的性能，其韧性、流动性等性能低，无法满足汽车立柱、门板等内饰性能要求。
发明内容
本发明提供了一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，该汽车内饰材料解决了现有技术利用生物基秸秆粉填充改性聚丙烯常规改性方法难于提高材料的性能，其韧性、流动性等性能低，无法满足汽车立柱、门板等内饰性能要求的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
它采用以下原料制成：
高韧高流动聚丙烯 100份；
聚丙烯粉 0份～60份；
线性低密度聚乙烯 0份～60份；
秸秆粉 50份～120份；
成核剂 0份～10份；
相容剂 0份～50份；
偶联剂 0.4份～5份；
分散剂 10份～50份；
抗氧剂 0.4份～10份；
耐候剂 0.4份～2份；
增白剂 3份～8份；
其中，每份所述秸秆粉中：
秸秆粉 600目 20份～110份；
秸秆粉 100目 10份～70份；
秸秆粉60目 0份～30份。
上述技术方案中，更具体的技术方案还可以是：
每份所述秸秆粉中：
秸秆粉 600目 40份；
秸秆粉 100目 20份；
秸秆粉60目 8份。
进一步的，高韧高流动聚丙烯：氢调法制备共聚聚丙烯，测试条件（230℃，2.16kg）的熔指范围为于20g/10min～35g/10min，悬臂梁缺口冲击强度≥40KJ/m2；
聚丙烯粉：熔融指数在10g/10min～50g/10min 的小本体聚丙烯；
高流动线性低密度聚乙烯：熔融指数在10g/10min～50g/10min，注塑级LLDPE；
成核剂：聚丙烯β晶型成核剂；
相容剂：聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH），接枝率≥1.2%；
偶联剂：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中一种；
分散剂：已撑双硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡中一种；
抗氧剂：受阻酚抗氧剂、硫代酯类、亚磷酸酯类抗氧剂1：1：2比例复配；
耐候剂：受阻胺光稳定剂；
增白剂：钛白粉，Ti02含量≥89%。
进一步的，包括以下制作步骤：
A.先将原料中的秸秆粉置于带抽风的干燥烘箱中干燥，再按配比将秸秆粉、偶联剂投入高混机内混合，然后将聚丙烯粉、分散剂按配比投入高混机内混合，得到混合物Ⅰ；
B.将混合物Ⅰ投入连续密炼挤出机内，调节温度：165℃～170℃，密炼3min～5min后挤出切粒制成母粒；
C.按配比将高韧高流动聚丙烯、线性低密度聚乙烯、步骤B所得母粒、成核剂、相容剂、抗氧剂、耐候剂、增白剂投入高混机内混合，得到混合物Ⅱ；
D.将混合物Ⅱ由双螺杆挤出机主喂料投入，经挤出、冷却、干燥、切粒、均化等工序后得到成品挤出工艺为：双螺杆挤出机的螺杆温度为170℃～185℃，主机螺杆转速为400r/min～500r/min，喂料机频率为11Hz～15Hz，双真空压力均为：-0.04MPa～0.08MPa。
进一步的，所述双螺杆挤出机为双强真空、螺杆直径为65mm长径比48:1的同向双螺杆挤出机。
进一步的，所述双螺杆挤出机的双螺杆，包括平行同向设置的双螺杆，整个所述双螺杆长度方向从进料口到出料口依次设置有输送段、塑化段和排气均化段，所述排气均化段上设有抽真空口，所述塑化段和所述排气均化段之间设有分散混炼段；
所述输送段的螺纹元件为大导程深槽的螺纹元件；所述塑化段的螺纹元件为逐渐缩小的导程的螺纹元件；所述分散混炼段包括正反一对288/144拉伸块密炼转子及齿形盘；所述排气均化段的前端和末端均设有抽真空口，并于前端和末端处设置大导程螺纹元件，所述排气均化段的中段包括正反一对176/88 S拉伸块；
所述排气均化段和所述出料口之间设有计量段；
所述计量段包括大导程螺纹元件向小导程元件渐变；
所述输送段的螺纹元件为大导程深槽SK型螺纹元件。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明采用可持续再生的生物基秸秆粉替代矿物石基材料填充改性聚丙烯用于汽车立柱、门板等内饰，改性制备工艺简单，成本低廉，可满足汽车立柱、门板内饰性能、工况的各项（如：耐热性能、流动性好、高强度、高抗冲、良好的耐候性能）要求的同时，降低制品重量，节省材料的用量，并对环境友好、气味低，扩大自然资源的使用和再生、拓宽了生物基秸秆粉的应用领域，减少了资源浪费及环境污染，降低了材料成本，可为企业和社会创造巨大的经济效益。
2. 由于使用秸秆粉目数越高，所制备聚丙烯复合材料的悬臂梁缺口冲击及流动性越高，但拉伸强度、弯曲强度性能则无太大提高；而低目数秸秆粉改性聚丙烯，可提高复合材料的强度、刚性，却降低了复合材料的韧性及流动性，因此本发明通过采用不同目数的秸秆粉按比例复配，可保证复合材料的刚韧平衡。
3.本发明将秸秆粉与聚丙烯粉、分散剂预先共混分散、密炼制成母粒，再与其他原辅物料助剂共混，匹配合适的螺杆组合挤出造粒，可显著的提高聚丙烯复合材料综合性能，制备出满足汽车内饰工况要求的秸秆粉填充增强PP材料。
4.本发明秸秆粉填充聚丙烯复合材料通过添加相容剂、偶联剂改善复合材料间各相的相容性，阻止分散相的凝聚，提高复合材料的综合性能。
5.本发明利用堆积密度低的生物基秸秆粉取代密度大的石基矿物填充改性聚丙烯，使制品减重最高可达15%；
6.本发明采用不同目数秸秆粉的按比例共混填充，体系内各相熔融、分散更好，可保证材料的整体性能均衡；
7.本发明采用先将秸秆粉表面处理后再与分散剂、聚丙烯粉共混、密炼制成母粒后再进行挤出造粒，不仅易加工、体系内各相相容性能有明显改善，大幅度提高材料体系的物理性能。
8.本发明通过对螺杆同向双螺杆挤出机的螺杆进行设计调整组合，增大输送能力，防溢料，降低螺杆之间的剪切强度、剪切热、提高秸秆粉分散、分布效果、增强排气；使其在低剪切热、低剪切强度的条件下，提高对了输送能力；提高对了秸秆粉在聚丙烯中的分布和分散效果，整个挤出过程无烧焦碳化分解变色等情况，使得最终产品能保持良好韧性能，同时拥有优异的拉伸强度和弯曲强度等机械性能，还提高复合材料的产量。
附图说明
图1是本发明所采用的双螺杆挤出机的双螺杆结构示意图。
图中标识：输送段1、塑化段2、分散混炼段3、排气均化段4、计量段5，双螺杆6，进料口7、出料口8，第一抽真空口4-1，第二抽真空口4-2。
具体实施方式
以下结合实例，对本发明作进一步详述；
其中，以下实施例中使用到部分物料的情况如下：
高韧高流动聚丙烯：氢调法制备共聚聚丙烯，测试条件（230℃，2.16kg）的熔指范围为于20～35g/10min悬臂梁缺口冲击强度≥40KJ/m2 （茂名石化 K9930H）；
聚丙烯粉：熔融指数在(10-50)g/10min 的小本体聚丙烯（茂名实华 320）；
高流动线性低密度聚乙烯：熔融指数在(10-50)g/10min，注塑级LLDPE（茂名石化DNDA-7150）；
秸秆粉：小麦秸秆粉为60目、100目、600目按不同比例混合的混合物（市售）；
成核剂：聚丙烯β晶型成核剂（二亚苄基山梨醇类成核剂）；
相容剂：聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH），接枝率≥1.2%，（沈阳科通，KT-1）；
偶联剂：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中一种，优选硅烷偶联剂KH570(晨光化工)；
分散剂：已撑双硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡中一种；优选PE蜡（霍尼韦尔 AC295）；
抗氧剂：受阻酚抗氧剂、硫代酯类、亚磷酸酯类抗氧剂1：1：2比例复配（巴斯夫Irganox 1010，IrganoxPS802FL，Irgafos 168）；
耐候剂：受阻胺光稳定剂（巴斯夫 uv-791）；
增白剂：钛白粉，Ti02含量≥89%（杜邦，R-960）。
按照表1和表2提供的物料配比，采用以下步骤制备利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料：
A.先将原料中的秸秆粉置于120℃带抽风（循环风）的干燥烘箱中干燥4小时后，再按配比将秸秆粉（600目、100目、60目）、偶联剂投入高混机内混合，混合时间为10min～15min，然后将聚丙烯粉、分散剂按配比高混机内混合，混合时间为3min～5min ；
B.将步骤A得到的混合物投入连续密炼挤出机内，调节温度：165℃～170℃，密炼3min～5min后挤出切粒制成母粒；
C.按配比将高韧高流动聚丙烯、线性低密度聚乙烯、步骤B所得母粒、成核剂、相容剂、抗氧剂、耐候剂、增白剂投入高混机内混合，混合时间为5min～10min；
D.将步骤C得到的混合物由双螺杆挤出机主喂料投入，并对挤出机的螺杆组合的输送、塑化、混炼、建压等部分进行调整，然后经挤出、冷却、干燥、切粒、均化等工序后得到成品，具体挤出工艺为：双螺杆挤出机的螺杆温度为170℃～185℃，主机螺杆转速为400r/min～500r/min，喂料机频率为11Hz～15Hz。双真空压力均为：-0.04MPa～0.08MPa；其中双螺杆挤出机为双强真空，高扭矩，螺杆直径为65mm，长径比48:1的同向双螺杆挤出机。
其中，如图1所示，如图1的用于生物基秸秆粉填充改性聚丙烯材料的挤出机双螺杆6，包括水平并排同向水平设置的双螺杆，螺杆的长径比为48:1的同向双螺杆6，整个双螺杆6长度方向从进料口7到出料口8依次设置有输送段1、塑化段2、分散混炼段3、排气均化段4和计量段5。
输送段1的螺纹元件为大导程深槽SK型螺纹元件，自由容积大，输送能力强，可正向极大限度输送堆积密度小的粉体，防止下料口架桥及返料。
塑化段2的螺纹元件为逐渐缩小的导程的螺纹元件，对秸秆粉进行填充压实，熔融塑化；使用小角度弱剪切的捏合元件产生的剪切热低、保证输送能力的同时对各组分进行初步分散和分布混合；设于塑化段2的自然排气口封堵，使得秸秆粉输送更顺畅，增加产能，防溢料，返料。
分散混炼段3包括正反一对288/144拉伸块密炼转子及齿形盘，降低摩擦热，产生的剪切热低，分散效果佳，延长停留时间分布，对各组分进行进一步的分散和分布混合。
排气均化段4的前端和末端均设有抽真空口，排气均化段4前端的第一抽真空口4-1和排气均化段4末端第二抽真空口4-2，并于前端和末端处的抽真空口设置大导程螺纹元件，强排气双真空处采用大导程螺纹元件，利于排气，极大限度地抽除秸秆粉自身的水汽、喂料带入的空气以及其他低分子易挥发物质；排气均化段4的中段包括正反一对176/88 S拉伸块，增大螺杆与机筒之间的间隙，增加了物料在挤出机流道内的周向流动和轴向回流，使两螺杆间和相邻两螺槽间的物料产生混合，物料产生松弛，在低剪切热的情况下，再进一步强化秸秆粉的分散、混合。
计量段5包括大导程螺纹元件向小导程元件渐变，主要用于对分散均匀的熔融体系中进行压缩，建立适当的料压，让所挤出的料条更加扎实、光滑。
本用于生物基秸秆粉填充改性聚丙烯材料的挤出机双螺杆通过对同向双螺杆挤出机的螺杆进行设计调整组合，增大输送能力，防溢料，降低螺杆之间的剪切强度、剪切热、提高秸秆粉分散、分布效果、增强排气；使用该挤出机双螺杆可以使秸秆粉填充聚丙烯在低剪切热、低剪切强度的条件下，提高对了输送能力；提高对了秸秆粉在聚丙烯中的分布和分散效果，整个挤出过程无烧焦碳化分解变色等情况，使得最终产品能保持良好韧性能，同时拥有优异的拉伸强度和弯曲强度等机械性能，还提高复合材料的产量。
表1原料配比
。
表2
。
注：对比例4所述“未制母粒”是指相对于实施例而言，其省去了制成母粒的步骤，其他步骤不变；
对比例5所述“未调整螺杆组合”是在上述制作步骤D中，将步骤C得到的混合物由双螺杆挤出机主喂料投入，但没有如实施例那样对挤出机的螺杆组合的输送、塑化、混炼、建压等部分进行调整，而是直接经挤出、冷却、干燥、切粒、均化等工序后得到成品。
性能检测方法：
将上述配比制得的粒料于120℃温度下，烘6h后，注塑制样后进行以下性能测试，结果如表3和表4所示：
1、密度：按GB 1033 .1-2008中标准进行，选取方法A测试，试样尺寸为80×10×4mm；
2、悬臂梁缺口冲击强度按GB/T 1843-2008 标准进行，试样尺寸为80×10×4mm，A型缺口；
3、热变形温度测试按GB/T 1634.2-2019标准进行，试样尺寸为80×10×4mm，载荷0.46MPa，平放；
4、拉伸性能测试按GB/T 1040.2-2018标准进行，试样尺寸为150×10×4mm，拉伸速度为5mm/min ；
5、弯曲性能测试按GB/T 9341-2008标准进行，试样尺寸为80×10×4mm，弯曲速度为2mm/min，跨距为64mm；
6、熔融指数测试按GB/T 3682-2000中A法规定进行，试验条件：温度230℃，负荷2.16Kg；
7、气味性测试按GB/T24149.3-2017中6.15规定进行，试验条件：80℃环境中放置2小时，降至60℃测气味
表3
。
表4
。
通过上述实例及对比例可知，
1.采用不同目数的秸秆粉按比例复配，可保证复合材料的刚韧平衡。
2.未对螺杆组合进行调整，造粒过程有烧焦、炭化、发泡现象，且挤出粒子气味大，外观焦黄。
3.将秸秆粉与聚丙烯粉、分散剂预先共混分散、密炼制成母粒，再与其他原辅物料助剂共混，匹配合适的螺杆组合挤出造粒，可显著的提高聚丙烯复合材料综合性能，制备出满足汽车内饰工况要求的秸秆粉填充增强PP材料。
Claims (6)
1.一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，其特征在于采用以下原料制成：
高韧高流动聚丙烯 100份；
聚丙烯粉 0份～60份；
线性低密度聚乙烯 0份～60份；
秸秆粉 50份～120份；
成核剂 0份～10份；
相容剂 0份～50份；
偶联剂 0.4份～5份；
分散剂 10份～50份；
抗氧剂 0.4份～10份；
耐候剂 0.4份～2份；
增白剂 3份～8份；
其中，每份所述秸秆粉中：
秸秆粉 600目 20份～110份；
秸秆粉 100目 10份～70份；
秸秆粉60目 0份～30份。
2.根据权利要求书1所述的一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，其特征在于：
每份所述秸秆粉中：
秸秆粉 600目 40份；
秸秆粉 100目 20份；
秸秆粉60目 8份。
3.根据权利要求书1或2所述的一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，其特征在于：
高韧高流动聚丙烯：氢调法制备共聚聚丙烯，测试条件（230℃，2.16kg）的熔指范围为于20g/10min～35g/10min，悬臂梁缺口冲击强度≥40KJ/m2；
聚丙烯粉：熔融指数在10g/10min～50g/10min 的小本体聚丙烯；
高流动线性低密度聚乙烯：熔融指数在10g/10min～50g/10min，注塑级LLDPE；
成核剂：聚丙烯β晶型成核剂；
相容剂：聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH），接枝率≥1.2%；
偶联剂：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中一种；
分散剂：已撑双硬脂酸酰胺、聚乙烯蜡中一种；
抗氧剂：受阻酚抗氧剂、硫代酯类、亚磷酸酯类抗氧剂1：1：2比例复配；
耐候剂：受阻胺光稳定剂；
增白剂：钛白粉，Ti02含量≥89%。
4.根据权利要求书3所述的一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，其特征在于包括以下制作步骤：
A.先将原料中的秸秆粉置于带抽风的干燥烘箱中干燥，再按配比将秸秆粉、偶联剂投入高混机内混合，然后将聚丙烯粉、分散剂按配比投入高混机内混合，得到混合物Ⅰ；
B.将混合物Ⅰ投入连续密炼挤出机内，调节温度：165℃～170℃，密炼3min～5min后挤出切粒制成母粒；
C.按配比将高韧高流动聚丙烯、线性低密度聚乙烯、步骤B所得母粒、成核剂、相容剂、抗氧剂、耐候剂、增白剂投入高混机内混合，得到混合物Ⅱ；
D.将混合物Ⅱ由双螺杆挤出机主喂料投入，经挤出、冷却、干燥、切粒、均化等工序后得到成品挤出工艺为：双螺杆挤出机的螺杆温度为170℃～185℃，主机螺杆转速为400r/min～500r/min，喂料机频率为11Hz～15Hz，双真空压力均为：-0.04MPa～0.08MPa。
5.根据权利要求书4所述的一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，其特征在于：
所述双螺杆挤出机为双强真空、螺杆直径为65mm长径比48:1的同向双螺杆挤出机。
6.根据权利要求书5所述的一种利用生物基秸秆粉填充聚丙烯的汽车内饰材料，其特征在于：
所述双螺杆挤出机的双螺杆，包括平行同向设置的双螺杆，整个所述双螺杆长度方向从进料口到出料口依次设置有输送段、塑化段和排气均化段，所述排气均化段上设有抽真空口，所述塑化段和所述排气均化段之间设有分散混炼段；
所述输送段的螺纹元件为大导程深槽的螺纹元件；所述塑化段的螺纹元件为逐渐缩小的导程的螺纹元件；所述分散混炼段包括正反一对288/144拉伸块密炼转子及齿形盘；所述排气均化段的前端和末端均设有抽真空口，并于前端和末端处设置大导程螺纹元件，所述排气均化段的中段包括正反一对176/88 S拉伸块；
所述排气均化段和所述出料口之间设有计量段；
所述计量段包括大导程螺纹元件向小导程元件渐变；
所述输送段的螺纹元件为大导程深槽SK型螺纹元件。
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