CN116333416A - 一种高透明、轻量化的复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及高分子材料加工的技术领域，具体公开了一种高透明、轻量化的复合材料及其制备方法与应用。高透明、轻量化的复合材料包括以下重量份的原料：聚丙烯树脂60‑80份、增韧剂10‑20份、填料8‑15份、助剂0.5‑1.2份、复合成核剂0.8‑1.5份；其中，复合成核剂为庚二酸和滑石粉复配而成；其制备方法为：将聚丙烯树脂、填料、复合成核剂混合均匀，加入增韧剂、助剂混合均匀，加热熔融，挤出，造粒，冷却，得到高透明、轻量化的复合材料。本申请的高透明、轻量化的复合材料，通过各原料之间的协同作用，具有提高材料的透明性和轻量化的优点。

Description

一种高透明、轻量化的复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本申请涉及高分子材料加工技术领域，尤其是涉及一种高透明、轻量化的复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着科技的不断发展，越来越多的高科技技术被应用在如今的汽车上，对汽车零部件的技术要求在安全、智能、个性、便捷、环保上更为突出。
随着互联网技术和电子科技的发展，内外饰表面成为具有设计感的装饰表面，集装饰性与功能性于一体，这对车用材料也就有了透光性的新需求；并且，随着节能减排要求的提高以及电动汽车的发展，汽车的轻量化技术越来越引人注目，汽车轻量化的一个趋势是制件的薄壁化，这就要求材料具有较高的冲击韧性，以满足制件在外部压力和撞击的应用需求。因此，现在急需研制一种兼具高透明性和轻量化的材料。
发明内容
为了提高复合材料的透明性和轻量化，本申请提供一种高透明、轻量化的复合材料及其制备方法与应用。
第一方面，本申请提供一种高透明、轻量化的复合材料，采用如下技术方案：
一种高透明、轻量化的复合材料，其包括以下重量份的原料：聚丙烯树脂60-80份、增韧剂10-20份、填料8-15份、助剂0.5-1.2份、复合成核剂0.8-1.5份；其中，复合成核剂为庚二酸和滑石粉复配而成。
通过采用上述技术方案，本申请的高透明、轻量化的复合材料，通过各原料之间的协同作用，不仅提高了透光性和雾度，还提高了复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量和悬臂梁缺口冲击强度等力学性能，实现了轻量化，其中，2.0*100*100mm试样的透光率为83.4-89.6％，1.0*100*100mm试样的透光率为83.9-92.4％，2.0*100*100mm试样的雾度为85.9-95.7％，1.0*100*100mm试样的雾度为83.8-93.5％，拉伸强度为22.8-24.5MPa，断裂伸长率为353-378％，弯曲强度为26.0-27.5MPa，弯曲模量为1332-1423N/m2，悬臂梁缺口冲击强度为48.5-51.5kJ/m2。
聚丙烯树脂为基础成分，增韧剂的加入可以提高复合材料的冲击韧性；填料的加入也可以提高冲击韧性，提高复合材料的轻量化。聚丙烯树脂的透明性不高，复合成核剂能够使聚丙烯在结晶过程中起到异相结晶作用，降低形成晶核的能量，因此形成大量的细晶核，阻止聚丙烯晶粒尺寸的长大，提高聚丙烯树脂的透明性，从而提高复合材料的透明性。
复合成核剂为庚二酸和滑石粉复配而成，庚二酸能够负载在滑石粉上，能够与滑石粉中的碳酸钙反应生成β成核剂的有效成分庚二酸钙，通过庚二酸和滑石粉之间的协同作用，能够使形成晶核所需的结晶能降低，形成大量的晶核，晶核的相互生长使彼此晶粒长大受到限制，降低了晶粒的尺寸，使光可穿过晶粒，从而提高复合材料的高透明性。
作为优选：所述复合成核剂采用以下方法制备：将庚二酸和滑石粉放入乙醇溶液中，在温水浴中进行超声分散，得到混合物，将混合物烘干，粉碎，得到复合成核剂。
进一步的，所述复合成核剂采用以下方法制备：将庚二酸和滑石粉放入乙醇溶液中，在50-70℃的温水浴中进行超声分散20-40min，得到混合物，将混合物烘干，粉碎，过80-120目筛，得到复合成核剂；
其中，每1g滑石粉中乙醇溶液的添加量为3-5mL，乙醇溶液的质量分数为70％。
通过采用上述技术方案，利用上述制备方法对复合成核剂进行制备，便于庚二酸更好的负载在滑石粉上，与滑石粉更好的发生反应，便于复合成核剂更好的发挥作用，从而进一步提高复合材料的高透明性。
作为优选：所述滑石粉和庚二酸的重量配比为1：(0.03-0.05)。
庚二酸的添加量过少，未达到饱和值，不能使滑石粉的表面完全发生反应，不能较好的生成庚二酸钙，不能较优的提高复合材料的透明性；庚二酸的添加量过多，当滑石粉表面反应达到饱和后，并不能继续参与反应，不仅会造成庚二酸的浪费，还会导致α晶型的成核剂的形成，抑制β晶型成核剂的形成，从而不能较优的提高复合材料的透明性。通过采用上述技术方案，当滑石粉和庚二酸的重量配比在上述范围内时，能够较优的形成β晶型成核剂，更好的提高复合材料的透明性。
作为优选：所述滑石粉在使用前采用以下方法对其进行预处理：将滑石粉放入盐酸溶液中，混合均匀，静置，过滤，取出固体物，洗涤，烘干，得到预处理的滑石粉。
进一步的，所述滑石粉在使用前采用以下方法对其进行预处理：将滑石粉放入盐酸溶液中，混合均匀，静置30-40min，过滤取出固体物，用氢氧化钠溶液洗涤3-5次，烘干，得到预处理的滑石粉；
其中，每1g滑石粉中盐酸溶液的添加量为4-6mL，盐酸溶液的质量分数为20％，氢氧化钠溶液的质量分数为20％。
通过采用上述技术方案，将滑石粉在使用之前进行预处理，进行酸洗，能够去除滑石粉上的杂质，提高滑石粉的负载性，使其更好的负载庚二酸，从而更好的提高复合材料的透明性。
作为优选：所述填料为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅的混合物，且纳米碳酸钙和纳米二氧化硅的重量配比为1:1。
通过采用上述技术方案，纳米碳酸钙和纳米二氧化硅为无机填料，均具有硬度大、刚性大的优点，加入到复合材料的原料中，能够提高复合材料的冲击韧性，提高轻量化。
作为优选：所述填料在使用之前采用以下方法对其进行预处理：将填料放入水中，加入硅烷偶联剂，超声分散，过滤，取出固体物，烘干，得到预处理的填料。
进一步的，所述填料在使用之前采用以下方法对其进行预处理：将填料放入水中，加入硅烷偶联剂，超声分散20-40min，过滤，取出固体物，烘干，得到预处理的填料；
其中，每1g填料中水的添加量为4-6mL，填料和硅烷偶联剂的重量配比为1：(0.3-0.5)。
通过采用上述技术方案，填料为纳米碳酸钙和纳米二氧化硅，纳米碳酸钙和纳米二氧化硅的比表面能大，容易产生自身团聚，利用硅烷偶联剂对填料进行预处理，能够降低填料的比表面能，提高填料的分散性，从而便于填料发挥作用，便于提高复合材料的冲击强度等力学性能。
作为优选：所述增韧剂为聚烯烃热塑性弹性体、三元乙丙橡胶、热塑性聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，对增韧剂进行限定，便于提高复合材料的韧性。
第二方面，本申请提供一种高透明、轻量化的复合材料的制备方法，采用如下技术方案：
一种高透明、轻量化的复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将聚丙烯树脂、填料、复合成核剂混合均匀，加入增韧剂、助剂混合均匀，加热熔融，挤出，造粒，冷却，得到高透明、轻量化的复合材料。
进一步的，一种高透明、轻量化的复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将聚丙烯树脂、填料、复合成核剂混合均匀，加入增韧剂、助剂混合均匀，在180-200℃的温度下熔融，挤出，造粒，冷却，得到高透明、轻量化的复合材料。
通过采用上述技术方案，首先将聚丙烯树脂、填料、复合成核剂进行混合，再加入增韧剂和助剂，便于各原料混合的更加均匀，便于各原料更好的发挥作用，从而提高复合材料的高透明性和轻量化。
第三方面，本申请提供一种高透明、轻量化的复合材料的应用，采用如下技术方案：一种高透明、轻量化的复合材料在汽车内外饰部件中的应用。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1、由于本申请中采用庚二酸和滑石粉复配作为复合成核剂，庚二酸能够负载在滑石粉上，能够与滑石粉中的碳酸钙反应生成β成核剂的有效成分庚二酸钙，通过庚二酸和滑石粉之间的协同作用，能够使形成晶核所需的结晶能降低，形成大量的晶核，晶核的相互生长使彼此晶粒长大受到限制，降低了晶粒的尺寸，使光可穿过晶粒，从而提高复合材料的高透明性，可使2.0*100*100mm试样的透光率达到89.6％，1.0*100*100mm试样的透光率达到92.4％，2.0*100*100mm试样的雾度达到95.7％，1.0*100*100mm试样的雾度达到93.5％，拉伸强度达到24.5MPa，断裂伸长率达到378％，弯曲强度达到27.5MPa，弯曲模量达到1423N/m2，悬臂梁缺口冲击强度达到51.5kJ/m2。
2、本申请中优选对填料在使用之前进行预处理，能够减少填料表面的比表面能，减少填料的自身团聚，提高填料在复合材料中的分散性，从而便于填料发挥作用，便于提高复合材料的冲击强度等力学性能。
具体实施方式
以下结合具体内容对本申请作进一步详细说明。
原料
聚丙烯树脂分子量为100000；增韧剂为三元乙丙橡胶；助剂为润滑剂，且润滑剂为硬脂酸钙；硅烷偶联剂为KH-845-4。
制备例
制备例1
一种复合成核剂，其采用以下方法制备：
将0.06kg庚二酸和2kg滑石粉放入8L质量分数为70％的乙醇溶液中，在60℃的温水浴中进行超声分散30min，得到混合物，将混合物烘干，粉碎，过100目筛，得到复合成核剂。
制备例2
一种复合成核剂，其和制备例1的区别之处在于，庚二酸的添加量不同，制备例2中的庚二酸的添加量为0.08kg。
制备例3
一种复合成核剂，其和制备例1的区别之处在于，庚二酸的添加量不同，制备例3中的庚二酸的添加量为0.1kg。
实施例
实施例1
一种高透明、轻量化的复合材料，其原料配比见表1所示。
一种高透明、轻量化的复合材料的制备方法，包括如下步骤：
将聚丙烯树脂、填料、采用制备例1制备得到的复合成核剂混合均匀，加入增韧剂、助剂混合均匀，在190℃的温度下熔融，挤出，造粒，冷却，得到高透明、轻量化的复合材料。
实施例2-3
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例1的区别之处在于，复合材料的原料配比不同，其原料配比见表1所示。
表1不同实施例中复合材料的原料
Figure BDA0004129630830000051
实施例4-5
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例3的区别之处在于，复合材料的原料配比不同，其原料配比见表2所示。
表2不同实施例中复合材料的原料
Figure BDA0004129630830000052
实施例6
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例4的区别之处在于，复合材料中的复合成核剂采用制备例2制备得到。
实施例7
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例4的区别之处在于，复合材料中的复合成核剂采用制备例3制备得到。
实施例8
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例6的区别之处在于，复合成核剂中的滑石粉在使用前采用以下方法对其进行预处理：将滑石粉放入质量分数为20％的盐酸溶液中，混合均匀，静置35min，过滤，取出固体物，用质量分数为20％的氢氧化钠溶液洗涤5次，烘干，得到预处理的滑石粉；其中，每1g滑石粉中盐酸溶液的添加量为5mL。
实施例9
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例8的区别之处在于，复合材料中的填料在使用之前采用以下方法对其进行预处理：将填料放入水中，加入硅烷偶联剂，超声分散30min，过滤，取出固体物，烘干，得到预处理的填料；其中，每1g填料中水的添加量为5mL，填料和硅烷偶联剂的重量配比为1:0.4。
对比例
对比例1
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例1的区别之处在于，复合材料的原料中未添加复合成核剂。
对比例2
一种高透明、轻量化的复合材料，其和实施例1的区别之处在于，复合材料的原料中复合成核剂等量替换为滑石粉。
应用例
应用例1
一种汽车内饰，其采用实施例1制备得到的高透明、轻量化的复合材料，且复合材料的添加量为8wt％。
应用例2-9
一种汽车内饰，其和应用例1的区别之处在于，复合材料分别采用实施例2-9制备得到。
应用对比例1-2
一种汽车内饰，其和应用例1的区别之处在于，复合材料分别采用对比例1-2制备得到。
性能检测试验
对应用例1-9和应用对比例1-2中的汽车内饰进行下述性能检测：
透光率、雾度：依据GB/T2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》对汽车内饰的透光率和雾度进行测定，检测结果如表3所示，其中，试样尺寸为2.0mm*100mm*100mm和1.0mm*100mm*100mm的方板。
拉伸强度、断裂伸长率：依据GB/T1040.1-2018《塑料拉伸性能的测定第1部分：总则》对汽车内饰的拉伸强度、断裂伸长率进行测定，检测结果如表4所示。
弯曲强度、弯曲模量：依据GB/T9341-2008《塑料弯曲性能的测定》对汽车内饰的弯曲强度、弯曲模量进行测定，检测结果如表4所示。
悬臂梁缺口冲击强度：依据GB/T1843-2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》对汽车内饰的悬臂梁缺口冲击强度进行测定，检测结果如表4所示。
表3检测结果
Figure BDA0004129630830000071
表4检测结果
Figure BDA0004129630830000072
Figure BDA0004129630830000081
结合表3和表4可以看出，本申请的高透明、轻量化的复合材料，通过各原料之间的协同作用，不仅提高了透光性和雾度，还提高了复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量和悬臂梁缺口冲击强度等力学性能，实现了轻量化，其中，2.0*100*100mm试样的透光率为83.4-89.6％，1.0*100*100mm试样的透光率为83.9-92.4％，2.0*100*100mm试样的雾度为85.9-95.7％，1.0*100*100mm试样的雾度为83.8-93.5％，拉伸强度为22.8-24.5MPa，断裂伸长率为353-378％，弯曲强度为26.0-27.5MPa，弯曲模量为1332-1423N/m2，悬臂梁缺口冲击强度为48.5-51.5kJ/m2。
结合应用例1和应用对比例1-2可以看出，应用例1中的2.0*100*100mm试样的透光率为83.4％，1.0*100*100mm试样的透光率为83.9％，2.0*100*100mm试样的雾度为85.9％，1.0*100*100mm试样的雾度为83.8％，拉伸强度为22.8MPa，断裂伸长率为353％，弯曲强度为26.0MPa，弯曲模量为1332N/m2，悬臂梁缺口冲击强度为48.5kJ/m2，复合材料的原料中加入复合成核剂更为合适，不仅提高了透光性和雾度，还提高了复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量和悬臂梁缺口冲击强度等力学性能，实现了复合材料的轻量化。
结合应用例1-3可以看出，应用例3中的2.0*100*100mm试样的透光率为87.1％，1.0*100*100mm试样的透光率为88.3％，2.0*100*100mm试样的雾度为90.8％，1.0*100*100mm试样的雾度为88.5％，拉伸强度为22.9MPa，断裂伸长率为355％，弯曲强度为26.1MPa，弯曲模量为1355N/m2，悬臂梁缺口冲击强度为48.6kJ/m2，表明应用例3中复合材料的添加量更为合适，不仅能够使复合材料保持优良的力学性能，实现轻量化，还能够提高复合材料的透光性。
结合应用例4、应用例6-7可以看出，应用例6中的2.0*100*100mm试样的透光率为88.1％，1.0*100*100mm试样的透光率为91.6％，2.0*100*100mm试样的雾度为93.2％，1.0*100*100mm试样的雾度为91.6％，拉伸强度为23.5MPa，断裂伸长率为363％，弯曲强度为26.5MPa，弯曲模量为1395N/m2，悬臂梁缺口冲击强度为50.3kJ/m2，表明复合成核剂采用制备例2制备得到更为合适，不仅能够使复合材料保持优良的力学性能，实现轻量化，还能够提高复合材料的透光性。
结合应用例6和应用例8可以看出，应用例8中的2.0*100*100mm试样的透光率为89.6％，1.0*100*100mm试样的透光率为92.4％，2.0*100*100mm试样的雾度为95.7％，1.0*100*100mm试样的雾度为93.5％，拉伸强度为23.7MPa，断裂伸长率为365％，弯曲强度为26.8MPa，弯曲模量为1410N/m2，悬臂梁缺口冲击强度为50.4kJ/m2，表明复合成核剂中的滑石粉在使用前进行预处理更为合适，不仅能够使复合材料保持优良的力学性能，实现轻量化，还能够提高复合材料的透光性。
结合应用例8和应用例9可以看出，应用例9中的2.0*100*100mm试样的透光率为89.6％，1.0*100*100mm试样的透光率为92.4％，2.0*100*100mm试样的雾度为95.7％，1.0*100*100mm试样的雾度为93.5％，拉伸强度为24.5MPa，断裂伸长率为378％，弯曲强度为27.5MPa，弯曲模量为1423N/m2，悬臂梁缺口冲击强度为51.5kJ/m2，表明对填料进行预处理更为合适，不仅能够使复合材料保持优良的力学性能，实现轻量化，还能够提高复合材料的透光性。
上述具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高透明、轻量化的复合材料，其特征在于：其包括以下重量份的原料：聚丙烯树脂60-80份、增韧剂10-20份、填料8-15份、助剂0.5-1.2份、复合成核剂0.8-1.5份；其中，复合成核剂为庚二酸和滑石粉复配而成。
2.根据权利要求1所述的一种高透明、轻量化的复合材料，其特征在于：所述复合成核剂采用以下方法制备：将庚二酸和滑石粉放入乙醇溶液中，在温水浴中进行超声分散，得到混合物，将混合物烘干，粉碎，得到复合成核剂。
3.根据权利要求2所述的一种高透明、轻量化的复合材料，其特征在于：所述滑石粉和庚二酸的重量配比为1：（0.03-0.05）。
4.根据权利要求1所述的一种高透明、轻量化的复合材料，其特征在于：所述滑石粉在使用前采用以下方法对其进行预处理：将滑石粉放入盐酸溶液中，混合均匀，静置，过滤，取出固体物，洗涤，烘干，得到预处理的滑石粉。
5.根据权利要求1所述的一种高透明、轻量化的复合材料，其特征在于：所述填料为纳米碳酸钙、纳米二氧化硅的混合物，且纳米碳酸钙和纳米二氧化硅的重量配比为1:1。
6.根据权利要求5所述的一种高透明、轻量化的复合材料，其特征在于：所述填料在使用之前采用以下方法对其进行预处理：将填料放入水中，加入硅烷偶联剂，超声分散，过滤，取出固体物，烘干，得到预处理的填料。
7.根据权利要求1所述的一种高透明、轻量化的复合材料，其特征在于：所述增韧剂为聚烯烃热塑性弹性体、三元乙丙橡胶、热塑性聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种高透明、轻量化的复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将聚丙烯树脂、填料、复合成核剂混合均匀，加入增韧剂、助剂混合均匀，加热熔融，挤出，造粒，冷却，得到高透明、轻量化的复合材料。
9.一种如权利要求1-7任一所述的高透明、轻量化的复合材料在汽车内外饰部件中的应用。
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