CN116082746A - 一种改性聚丙烯复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性聚丙烯复合材料，属于高分子材料改性技术领域；本发明提供的改性聚丙烯复合材料包括如下重量份的组分：聚丙烯树脂60‑85份、胶原增强纤维8‑30份、聚硅氧烷0.27‑1.4份、相容剂2‑5份；其中胶原增强纤维和聚硅氧烷的质量比为胶原增强纤维：聚硅氧烷＝(8‑20)：0.55。本发明提供的复合材料具有低翘曲的特点；同时，由于胶原增强纤维具有密度低、仿植绒效果，填充后对聚丙烯树脂的性能影响较小，还能赋予聚丙烯复合材料天然色彩，表现出仿植绒的效果，从而达到美学外观的优势；另外，由于胶原增强纤维是一种环保材料，因此得到的复合材料符合生物概念，符合“碳中和”趋势；同时本发明提供的制备方法简单，易于实际生产。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料改性技术领域，尤其涉及一种改性聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
聚丙烯(PP)以其弯折强、耐化学性好、密度低、机械性能佳等使其在包装、电子电器、家居、建材、纺织等领域广泛应用。但是纯聚丙烯刚性较低、耐热性不足、耐冲击性能差、成型收缩率大。因此，为提升聚丙烯的应用效果以及降低翘曲度，目前主要有以下几种方法：(1)添加部分矿粉作为增强材料，在降低聚丙烯复合材料成型收缩率的同时改善材料的翘曲性，但是此种方法会使得材料的综合力学性能大幅下降，并且导致产品的外观较差；(2)选择特定扁平玻纤作为增强材料，扁平玻纤在抗翘曲方面较好，但是扁平玻纤价格昂贵，导致成本偏高，不利于实际大量生产。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种低翘曲、美学外观、力学性能优异的改性聚丙烯复合材料及其制备方法与应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种改性聚丙烯复合材料，包括如下重量份的组分：聚丙烯树脂60-85份、胶原增强纤维5-30份、聚硅氧烷0.27-1.4份、相容剂2-5份；其中胶原增强纤维和聚硅氧烷的质量比为胶原增强纤维：聚硅氧烷＝(8-20)：0.55；所述聚丙烯树脂在230℃/2.16kg下的熔体流动速率为6.5-60g/10min；所述胶原增强纤维的平均细度为1-3mm。
本发明提供的一种改性聚丙烯复合材料在聚丙烯树脂中添加合适质量份且具有一定质量比关系的胶原增强纤维和聚硅氧烷，并且限定了聚丙烯的熔体流动速率和胶原增强纤维的平均细度，其中聚硅氧烷的存在可以帮助改善胶原增强纤维在聚丙烯基体中分散不均匀的缺陷，同时添加的胶原增强纤维是一种有机蛋白改性合成的增强性纤维，其主要成分为纤维素，是一种环保的可降解纤维，在上述两者的配合下，得到的改性聚丙烯复合材料具有低翘曲的特点，并且得到的复合材料还具有仿植绒的效果，能够达到美学外观的优势。
作为本发明所述改性聚丙烯复合材料的优选实施方式，所述改性聚丙烯复合材料包括如下重量份的组分：聚丙烯树脂60-75份、胶原增强纤维18-30份、聚硅氧烷0.7-1.4份、相容剂2-5份；其中胶原增强纤维和聚硅氧烷的质量比为胶原增强纤维：聚硅氧烷＝(13-18)：0.55。
发明人通过研究发现，当组分的添加份数在上述质量份范围内时，得到的复合材料的具有更低的翘曲度。
作为本发明所述改性聚丙烯复合材料的优选实施方式，所述聚丙烯树脂为共聚聚丙烯或均聚聚丙烯。
其中，聚丙烯树脂的熔体流动速率的测试方法是根据ISO 1133-1:2011测试标准测试。
作为本发明所述改性聚丙烯复合材料的优选实施方式，所述胶原增强纤维的平均细度为1.5-2mm。
当进一步优选胶原增强纤维的平均细度为1.5-2mm时，得到的复合材料的翘曲度更低。
作为本发明所述改性聚丙烯复合材料的优选实施方式，所述聚硅氧烷以聚硅氧烷母粒的形式加入，所述聚硅氧烷母粒的聚硅氧烷含量为55-70％，载体为低密度聚乙烯，所述低密度聚乙烯在230℃/2.16kg下的熔融指数为4g/10min。
作为本发明所述改性聚丙烯复合材料的优选实施方式，所述相容剂包括马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯中的任意一种。
作为本发明所述改性聚丙烯复合材料的优选实施方式，所述改性聚丙烯复合材料还包括0.2-3份助剂。
作为本发明所述改性聚丙烯复合材料的优选实施方式，所述助剂包括抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
优选地，在所述改性聚丙烯复合材料中，抗氧剂的添加质量份为0.1-1份，润滑剂的添加质量份为0.1-2份。
优选地，所述润滑剂包括亚乙基双硬脂酰胺、芥酸酰胺中的任意一种。
优选地，所述润滑剂包括亚乙基双硬脂酰胺。
优选地，所述抗氧剂包括主抗氧剂和辅助抗氧剂；所述主抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂，所述辅助抗氧剂包括亚磷酸酯。
另外，本发明还提供了一种所述改性聚丙烯复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将干燥后的胶原增强纤维、聚硅氧烷、一部分聚丙烯树脂和润滑剂经低混机混合20-30分钟，得预混料；
(2)将预混料、另一部分聚丙烯树脂、相容剂和抗氧剂经高混机混合5-10分钟，转速为400-600rpm；混合均匀后挤出造粒，得改性聚丙烯复合材料。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，采用双螺杆挤出机进行挤出造粒，挤出机的温度170-190℃。
作为本发明所述制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，干燥的方式是将胶原增强纤维放置于鼓风干燥箱中于80-100℃下干燥8-12小时。
另外，本发明还提供了一种所述改性聚丙烯复合材料在制备家电和玩具上的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的改性聚丙烯复合材料在聚丙烯树脂中添加合适质量份且具有一定质量比关系的胶原增强纤维和聚硅氧烷，并且限定了聚丙烯树脂的熔体流动速率和胶原增强纤维的平均细度，通过聚硅氧烷帮助胶原增强纤维在聚丙烯树脂中良好分散，使得到的改性聚丙烯复合材料具有低翘曲的特点；同时，由于胶原增强纤维具有密度低、仿植绒效果，填充后对聚丙烯树脂的性能影响较小，并且可以改善复合材料的外观，赋予聚丙烯复合材料天然色彩，表现出仿植绒的效果，能够达到美学外观的优势；另外，由于本发明添加的是胶原增强纤维与聚丙烯树脂进行复合，胶原增强纤维是一种环保材料，因此得到的复合材料符合生物概念，符合“碳中和”趋势；同时本发明提供的制备方法简单，易于实际生产。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本领域常规试剂、方法和设备。
以下实施例和对比例中采用的原料如下：
聚丙烯树脂A：熔体流动速率28g/10min，EP548R，中科；
聚丙烯树脂B：熔体流动速率60g/10min，PP BX3900，YUPLENE；
聚丙烯树脂C：熔体流动速率6.5g/10min，PP K8009，中石化广州；
聚丙烯树脂D：熔体流动速率5g/10min，PP G30,余姚宏利；
聚丙烯树脂E：熔体流动速率100g/10min，PP BX3920，YUPLENE；
胶原增强纤维A：平均细度为2mm，常州耀邦；
胶原增强纤维B：平均细度为1.5mm，常州耀邦；
胶原增强纤维C：平均细度为3mm，常州耀邦；
胶原增强纤维D：平均细度为0.1mm，常州耀邦；
胶原增强纤维E：平均细度为6mm，常州耀邦；
玻璃纤维，纤维束直径为3mm，T438H，泰山玻纤；
聚硅氧烷母粒：聚硅氧烷含量55％，GT-800，浙江佳华；
蒙脱土：钠基蒙脱土(MMT)，粒径为40～70μm，市售；
相容剂：马来酸酐接枝聚丙烯，市售；
润滑剂：亚乙基双硬脂酰胺，市售；
主抗氧剂：RIANOX 1010，市售；
辅抗氧剂：RIANOX 168，市售。
实施例的制备方法如下：
(1)将胶原增强纤维放置与鼓风干燥箱中干燥8小时，干燥温度为100℃；
(2)将干燥后的胶原增强纤维、聚硅氧烷母粒、一部分聚丙烯树脂和润滑剂经低混机混合20分钟，得到预混料；
(3)将预混料、另一部分聚丙烯树脂、相容剂、抗氧剂放入高混机中，混合10分钟，转速为400rpm，随后将混合后的物料通过主喂料口下料，经双螺杆挤出并造粒，得改性聚丙烯复合材料；其中挤出机的长径比为40:1，螺杆直径为35.6mm，挤出机的温度为190℃。
对比例的制备方法除了在组分的更改上外，与实施例的制备方法一致，并且实施例和对比例所使用的相同的原料保持一致。
实施例1-7和对比例1-5
实施例1-7和对比例1-5的组分含量(重量份)如表1所示；
表1
| 聚丙烯树脂A | 胶原增强纤维A | 聚硅氧烷母粒 | 相容剂 | 润滑剂 | 主辅抗氧剂 | |
| 实施例1 | 85 | 10 | 0.6 | 2 | 0.5 | 0.2 |
| 实施例2 | 75 | 18 | 1.3 | 3 | 1.5 | 0.5 |
| 实施例3 | 60 | 30 | 2.0 | 5 | 2 | 1 |
| 实施例4 | 75 | 17.5 | 1.8 | 3 | 1.5 | 0.5 |
| 实施例5 | 75 | 18.3 | 1.0 | 3 | 1.5 | 0.5 |
| 实施例6 | 85 | 9.6 | 1.0 | 4 | 0.5 | 0.2 |
| 实施例7 | 75 | 18 | 1.3 | 3 | 0 | 0 |
| 对比例1 | 75 | 0 | 1.3 | 3 | 1.5 | 0.5 |
| 对比例2 | 75 | 18 | 0 | 3 | 1.5 | 0.5 |
| 对比例3 | 75 | 50 | 2 | 3 | 1.5 | 0.5 |
| 对比例4 | 75 | 24 | 6 | 3 | 1.5 | 0.5 |
| 对比例5 | 75 | 30 | 1.3 | 3 | 1.5 | 0.5 |
实施例8-11和对比例6-11
实施例8-11和对比例6-11的组分含量(重量份)如表2所示；
表2
效果例
将实施例1-11和对比例1-11制备得到的改性聚丙烯复合材料进行性能测试；其中相关测试参考标准或方法如下：
(1)翘曲性能：将改性聚丙烯复合材料粒子烘干后注塑成100*100*1.5mm的方板(烘干条件为100℃、3小时)，将方板置于平直桌面上，测量方板的4个角离桌面最高的距离即为方板的翘曲度，距离越小，表示翘曲度越低，材料的抗翘曲性越好；
(2)仿植绒美学外观：将改性聚丙烯复合材料粒子烘干后注塑成100*100*2mm的方板，在标准D65光源下，通过肉眼观察仿植绒的分布均匀性以及具有仿植绒的面积占方板面积的比例，评价程度为优，良，无；若仿植绒分布均匀性好且具有仿植绒的面积≥50％方板面积，则评为优，若仿植绒分布不均匀或具有仿植绒的面积<50％方板面积，则评为良，若没有仿植绒，则评为无；
测试得到的性能参数如表3所示；
表3
从表3中可以看出，采用本发明的技术方案得到的产品具有低翘曲的特点，并且具有优异的仿植绒美学外观，具体地，得到的产品在烘烤前的翘曲度在0.22mm以下，100℃烘烤3h后得到的翘曲度在0.52mm以下；同时得到的改性聚丙烯复合材料的仿植绒美学外观都为优级；进一步从实施例2、实施例4-5中可以发现，当胶原增强纤维和聚硅氧烷的总添加质量份一样时，实施例2中胶原增强纤维和聚硅氧烷的质量比在进一步优选的(13-18)：0.55的范围内时，得到的复合材料的烘烤前后的翘曲度都更低；另外，从对比例5和实施例1-6中可以发现，即使所有组分都在本发明优选的范围内，但是胶原增强纤维和聚硅氧烷的质量比不在本发明给出的范围内，得到的复合材料美学外观差且复合材料烘烤前后的翘曲度都呈现出增加的趋势。
从实施例2和对比例1中可以看出，当不添加胶原增强纤维A时，得到的复合材料无美学外观且烘烤前后的翘曲度显著升高，烘烤前翘曲度增加至了1.25mm，烘烤后达到了2.53mm；对比例1中得到的产品烘烤前后相较于实施例2中的翘曲度增加的幅度分别为733.33％、602.78％从实施例2和对比例3中可以看出，当添加的胶原增强纤维A的质量份过多时，得到的复合材料翘曲度增加且美学外观差；从实施例2和对比例10中可以看出，当采用的是玻璃纤维而不是本发明的胶原增强纤维时，得到的复合材料翘曲度明显增加，相较于实施例2烘烤前的翘曲度数据，其翘曲度数据升高幅度达666.67％，并且得到的复合材料无美学外观；从实施例2、实施例10-11和对比例8-9中可以看出，胶原增强纤维的细度也会影响到复合材料的翘曲度和美学外观。
从实施例2和对比例2中可以看出，当不添加聚硅氧烷母粒时，得到的复合材料翘曲度增加且美学外观差；从实施例2和对比例4中可以看出，当添加的聚硅氧烷母粒的质量份过多时，得到的复合材料翘曲度增加且美学外观差；从实施例2和对比例11中可以看出，当添加的不是聚硅氧烷，而是常规分散剂蒙脱石时，得到的复合材料的翘曲度增加且美学外观差。
最后应当说明的是，以上实施例以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种改性聚丙烯复合材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：聚丙烯树脂60-85份、胶原增强纤维8-30份、聚硅氧烷0.27-1.4份、相容剂2-5份；其中胶原增强纤维和聚硅氧烷的质量比为胶原增强纤维：聚硅氧烷＝(8-20)：0.55；
所述聚丙烯树脂在230℃/2.16kg下的熔体流动速率为6.5-60g/10min；
所述胶原增强纤维的平均细度为1-3mm。
2.根据权利要求1所述的改性聚丙烯复合材料，其特征在于，包括如下重量份的组分：聚丙烯树脂60-75份、胶原增强纤维18-30份、聚硅氧烷0.7-1.4份、相容剂2-5份；其中胶原增强纤维和聚硅氧烷的质量比为胶原增强纤维：聚硅氧烷＝(13-18)：0.55。
3.根据权利要求1所述的改性聚丙烯复合材料，其特征在于，所述胶原增强纤维的平均细度为1.5-2mm。
4.根据权利要求1所述的改性聚丙烯复合材料，其特征在于，还包括0.2-3份助剂。
5.根据权利要求4所述的改性聚丙烯复合材料，其特征在于，所述助剂包括抗氧剂、润滑剂中的至少一种。
6.如权利要求1-5任一项所述的改性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将干燥后的胶原增强纤维、聚硅氧烷、一部分聚丙烯树脂和任选的润滑剂经低混机混合20-30分钟，得预混料；
(2)将预混料、另一部分聚丙烯树脂、相容剂和任选的抗氧剂经高混机混合5-10分钟，转速为400-600rpm；混合均匀后挤出造粒，得改性聚丙烯复合材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用双螺杆挤出机进行挤出造粒，挤出机的温度170-190℃。
8.如权利要求1-5任一项所述的改性聚丙烯复合材料在制备家电和玩具上的应用。
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