CN116554568B - 一种可低能耗成型的塑料母粒及其塑料制品 - Google Patents

一种可低能耗成型的塑料母粒及其塑料制品 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种可低能耗成型的塑料母粒及其塑料制品，所述塑料母粒包括树脂基料和填充料；其中，所述填充料包括吸热填料、散热填料和导热填料。本发明提供的一种可低能耗成型的塑料母粒及其塑料制品，通过在塑料母粒中添加同时包含吸热填料、散热填料和导热填料的填充料，开发出了一种可低能耗成型的塑料母粒，其不仅能有效降低该母粒成型时的注塑温度，从而明显降低塑化成型能耗，提高生产效率，而且还能有效保持注塑成型的塑料制品的质量。

Description

一种可低能耗成型的塑料母粒及其塑料制品
技术领域
本发明属于塑料技术领域，尤其涉及一种可低能耗成型的塑料母粒及其塑料制品。
背景技术
塑料作为一种通用的材料，被广泛应用于各种各样的制品当中。塑料制品成型的方法相对较多，注塑成型是其中最具代表性的一种，也可称之为注射成型。在实际注塑成型过程当中，将颗粒状的塑料母粒，在经过具体的注塑模具加热以及挤压之后，可以熔融成流体，然后再经过具体的加工环节，获得需要的制品。随着不可再生能源的日益短缺，能耗成本如电力成本不断上升，如何降低注塑成型过程中的能耗并以低能耗来进行生产，已成为国内外研究的重点。
在注塑成型过程中，塑化能耗和塑化时间均占据较大的比重，怎样降低塑化能耗和减少塑化时间具有重要研究价值。物料、工艺参数和螺杆参数是影响塑化能耗和塑化时间的三大因素，任峰分析螺杆构型对塑化能耗的影响，实验结果表明，螺杆计量段长度和螺距两个因素对塑化能耗影响程度最大(“注塑螺杆构型对塑化能耗影响的研究”，任峰，北京化工大学，2008.)；李福对注塑机塑化过程中工艺参数对塑化能耗的影响进行了研究，发现转速和背压对能耗均有较大的影响(“注塑机塑化参数对能耗的影响”，李福，太原理工大学，2011.)。
上述研究都未考虑到塑化过程中的物料即塑料母粒对塑化能耗造成的影响，而实际上，塑化成型过程中，因塑料母粒的颗粒形状特征，塑料粒子与粒子间会引起架孔，而架孔内腔空洞无法导热造成热能不能达到均匀分布，因此注塑时，模具熔膛内中间的塑料颗粒接触不到熔膛壁所以无法熔融，如果要实现中间塑料颗粒的熔融，就需要达到非常高的温度才能熔融中间的塑料颗粒，如此才能加工成型。而这时要达到一定高温就必须增加用电耗能，其不仅需要消耗更高的生产成本，而且在加工成型过程中易形成应力集中点，长期使用过程中容易导致出现卡扣开裂风险。
目前，从塑料母料角度降低塑料制品注塑成型温度以降低塑料成型的能耗的方法一般有以下两种：一是使用低分子量高流动型塑料母粒，二是添加低温注塑助剂；但这两种方法对降低注塑温度非常有限。随着可再生能源日益短缺造成的能耗成本的增加，节能减排越来越受到人们的重视，也成为政府衡量企业的标准之一。为此，开发一种可低能耗成型的塑料母粒是非常有实际意义的。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提供了一种可低能耗成型的塑料母粒及其塑料制品，通过在塑料母粒中添加同时包含吸热填料、散热填料和导热填料的填充料，开发出了一种可低能耗成型的塑料母粒，其不仅能有效降低该母粒成型时的注塑温度，从而明显降低塑化成型能耗，提高生产效率，而且还能有效保持注塑成型的塑料制品的质量。
本发明提出的一种可低能耗成型的塑料母粒，包括树脂基料和填充料；其中，所述填充料包括吸热填料、散热填料和导热填料。
本发明中，由于传统颗粒状的塑料母粒具有高分子聚合物成膜成胶以及绝缘性的特点，因此吸收不了热能，所以注塑模具熔腔的中间塑料颗粒就需要一定高温才会熔融；而当在塑料母粒中同时添加吸热填料、散热填料和导热填料后，赋予所述塑料母粒以吸热、散热、导热的特殊功能，这种吸热、散热、导热特性使得塑料颗粒之间的传热效率增强，在注塑模具熔腔的中间塑料颗粒可以轻松吸收到熔腔壁的高温，因此不需要高温的热能就可以转化散热导热至所有塑料颗粒并一起熔融，因而有效克服了注塑模具熔膛内中间的塑料颗粒非高温不能熔融的这个问题，从而达到节能减耗的目的。
优选地，所述吸热填料为火成岩、沉积岩或变质岩中的至少一种；
优选地，所述吸热填料的粒径为20-500μm；
优选地，以所述塑料母粒的总重量为基准，所述吸热填料的含量为0.05-0.4wt％。
优选地，所述散热填料为火山灰或粉煤灰中的至少一种；
优选地，所述散热填料的粒径为10-200μm；
优选地，以所述塑料母粒的总重量为基准，所述吸热填料的含量为0.5-1.0wt％。
优选地，所述导热填料包括碳材料、金属、氧化物或氮化物中的至少一种；
优选地，所述碳材料为金刚石、石墨烯或碳纳米管中的至少一种；所述金属为铝、银、锡或铜中的至少一种；所述氧化物为氧化铝、氧化锌或氧化铜中的至少一种；所述氮化物为氮化硼、氮化铝或氮化硅中的至少一种。
优选地，所述导热填料优选包括金刚石。
优选地，所述金刚石为表面接枝有聚乙烯醇的金刚石，其是通过将金刚石进行酸化处理后，再与聚乙烯醇进行缩合反应得到。
金刚石形貌为多面体，呈不规则颗粒状形状，这种不规则颗粒状形状减低了高含量下的金刚石填料在树脂基料中的流动性；为了增强金刚石颗粒在树脂基料中分散和流动效率，本发明中对金刚石颗粒进行表面处理，具体地，先将金刚石进行酸化处理，以使得金刚石颗粒表面含有羟基官能团，此后再与聚乙烯醇进行羟基与羟基的缩合反应，使得金刚石颗粒表面接枝有聚乙烯醇，由此有效增强了金刚石与树脂基料之间的相容性，提高了金刚石颗粒在树脂基料中分散和流动效率，所得塑料母粒的导热性进一步增强，塑化能耗减低地更加明显。
优选地，所述导热填料的粒径为0.001-1μm；
优选地，以所述塑料母粒的总重量为基准，所述导热填料的含量为1.0-1.5wt％。
本发明中，通过吸热填料、散热填料和导热填料的复配选择，并对其粒径和添加量进行限定，实现了三者的定向分布和桥接，三者之间可以构建出高效的热传导通路来实现塑料颗粒之间传热效率的增强，充分发挥了填料之间的协同作用，仅需要少量的填料即可实现塑料母粒塑化能耗的大幅降低。
优选地，所述树脂基料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氨酯、酚醛树脂、脲醛树脂或聚甲醛中的至少一种。
本发明中，树脂基料作为连续相将填充料中的分散相(即吸热填料、散热填料和导热填料)固定在有机基体中，构成宏观的可低能耗成型的塑料母粒；该塑料母粒所用的基体树脂可以是本领域常用的塑料材料，并且可以用于多种塑料制品中；树脂基料的含量在前述范围内可以根据实际应用场合和具体环境而变化；各种类的树脂基料也均可通过商购获得。
优选地，所述塑料母粒还包括增韧填料，所述增韧填料为玻璃纤维、贝壳粉、云母粉或乙烯和辛烯的共聚物中的至少一种；
优选地，以所述塑料母粒的总重量为基准，所述增韧填料的含量为1-20wt％。
本发明中，所述增韧填料可以作为填充物，改善机械性能；增韧填料的含量在前述范围内可以根据实际应用场合和具体环境而变化。
优选地，所述塑料母粒还包括功能助剂，所述功能助剂包括偶联剂、增塑剂、抗氧剂或润滑剂中的至少一种；
优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的至少一种；
优选地，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯、环氧大豆油或环氧油酸丁酯中的至少一种；
优选地，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂168、抗氧剂DNP、抗氧剂DLTP或抗氧剂264中的至少一种；
优选地，所述润滑剂为滑石粉、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钠、白油或聚乙烯蜡中的至少一种；
优选地，以所述塑料母粒的总重量为基准，所述功能助剂的含量为1-20wt％。
本发明中，为避免添加填充料后会造成塑料性能劣化，通过偶联剂的添加，可以改善填充料与有机树脂基料之间的润湿性及相互作用力；其他功能助剂可以发挥其固有的性能；本发明可以根据具体加工的需要，在所述塑料母粒中加入各种功能助剂，其用量可根据实际情况的要求进行调整。
优选地，所述塑料母粒是通过将上述树脂基料和填充料混合后，再挤出造粒得到。
本发明还提出了一种塑料制品，其是将上述塑料母粒经注塑成型后制成。
本发明中，针对塑化成型过程中，因塑料母粒的颗粒形状特征，塑料粒子与粒子间会引起架孔，而架孔内腔空洞无法导热造成热能不能达到均匀分布，因此注塑时，模具熔膛内中间的塑料颗粒接触不到熔膛壁所以无法熔融，如果要实现中间塑料颗粒的熔融，就需要达到非常高的温度才能熔融中间的塑料颗粒，如此才能加工成型这一技术问题，通过在塑料母粒中同时添加吸热填料、散热填料和导热填料后，赋予所述塑料母粒以吸热、散热、导热的特殊功能，这种吸热、散热、导热特性使得塑料颗粒之间的传热效率增强，在注塑模具熔腔的中间塑料颗粒可以轻松吸收到熔腔壁的高温，因此不需要高温的热能就可以转化散热导热至所有塑料颗粒并一起熔融，因而有效克服了注塑模具熔膛内中间的塑料颗粒非高温不能熔融的这个问题，从而达到节能减耗的目的。
具体实施方式
下面，本发明通过具体实施例对所述技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提出一种可低能耗成型的塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚乙烯树脂PE、0.2重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、0.7重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、1.1重量份的金刚石粉(粒径为30nm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
实施例2
本实施例提出一种可低能耗成型的塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚乙烯树脂PE、0.2重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、0.7重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、0.8重量份的金刚石粉(粒径为30nm)、0.2重量份的纳米氧化铝粉(粒径为100nm)、0.1重量份的铜箔粉(粒径为20nm)、2重量份的贝壳粉(粒径为1μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.1份重量份的硬脂酸钙加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
实施例3
本实施例提出一种可低能耗成型的塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚乙烯树脂PE、0.2重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、0.7重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、0.6重量份的金刚石粉(粒径为30nm)、0.2重量份的纳米氧化铜粉(粒径为80nm)、0.1重量份的锡箔粉(粒径为10nm)、0.2重量份的氮化铝粉(粒径为200nm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
实施例4
本实施例提出一种可低能耗成型的塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚丙烯树脂PP、0.2重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、0.7重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、1.1重量份的金刚石粉(粒径为30nm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
实施例5
本实施例提出一种可低能耗成型的塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯PBAT、0.2重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、0.7重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、1.1重量份的金刚石粉(粒径为30nm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
实施例6
本实施例提出一种可低能耗成型的塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚乙烯树脂PE、0.2重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、0.7重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、1.1重量份的表面接枝有聚乙烯醇的金刚石粉(粒径为30nm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒；
其中，所述表面接枝有聚乙烯醇的金刚石是通过下述方法制备而成：按重量比1:40:5将金刚石粉(粒径为30nm)、浓硫酸和氢氟酸混合，所得混合溶液在80℃下剧烈搅拌反应3h后离心分离，所得沉淀用去离子水清洗3次后去除表面的酸溶液，干燥后，得到羟基化金刚石；将羟基化金刚石加入无水甲苯中超声分散均匀，在氮气保护下，加入所述羟基化金刚石重量30wt％的聚乙烯醇，搅拌混合后，所得混合溶液在110℃下搅拌反应6h后抽滤分离，所得沉淀用甲苯洗涤，干燥后，即得到所述表面接枝有聚乙烯醇的金刚石。
对比例1
本对比例提出一种塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚乙烯树脂PE、0.7重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、1.3重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
对比例2
本对比例提出一种塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚乙烯树脂PE、2重量份的金刚石粉(粒径为30nm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
对比例3
本对比例提出一种塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯PBAT、0.7重量份的火成岩粉(粒径为30μm)、1.3重量份的火山灰粉(粒径为20μm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
对比例4
本对比例提出一种塑料母粒，其是通过下述方法制备得到：
将100重量份的聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯PBAT、2重量份的金刚石粉(粒径为30nm)、1重量份的云母粉(粒径为10μm)、0.1重量份的硅烷偶联剂KH550、0.1重量份的抗氧剂1010、0.6份重量份的滑石粉(粒径为20μm)加入到搅拌机中，利用搅拌机混合均匀后，再加入双螺杆挤出机中进行熔融挤出，双螺杆挤出机的温度控制在140-220℃之间，切粒后，即得到所述可低能耗成型的塑料母粒。
分别将实施例和对比例制备得到的塑料母粒进行注塑成型，制备得到塑料制品。对上述得到的各塑料制品注塑成型时所需温度(以维卡软化点表征)以及相应的物理性能进行检测，相关测试标准如下表1所示，测试结果如下表2所示：
表1相关测试标准
检测项目 测试仪器 执行标准 测试条件
熔融指数 熔融指数仪 1133/T3682 温度190℃/砝码5kg
维卡软化点 维卡软化点测定仪 306/T1633 /
拉伸强度 万能拉力试验机 527-2/T1040 /
断裂伸长率 万能拉力试验机 527-2/T1040 /
国标冲击强度 悬臂梁冲击试验机 180/1A/T1843 8mm*4mm23℃
表2实施例和对比例所得塑料制品的测试结果
通过表2结果可以看出，本发明实施例所述塑料母粒不仅能够在较低温度下注塑成型，而且还能保证所得塑料制品的质量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，包括树脂基料和填充料；其中，所述填充料包括吸热填料、散热填料和导热填料；
所述吸热填料为火成岩，所述散热填料为火山灰，所述导热填料包括金刚石；
以所述塑料母粒的总重量为基准，所述吸热填料的含量为0.05-0.4wt%，所述散热填料的含量为0.5-1.0wt%，所述导热填料的含量为1.0-1.5wt%；
其中，所述金刚石为表面接枝有聚乙烯醇的金刚石，其是通过将金刚石进行酸化处理后，再与聚乙烯醇进行缩合反应得到；
所述表面接枝有聚乙烯醇的金刚石具体是通过下述方法制备而成：按重量比1:40:5将金刚石粉、浓硫酸和氢氟酸混合，所得混合溶液在80℃下剧烈搅拌反应3h后离心分离，所得沉淀用去离子水清洗3次后去除表面的酸溶液，干燥后，得到羟基化金刚石；将羟基化金刚石加入无水甲苯中超声分散均匀，在氮气保护下，加入所述羟基化金刚石重量30wt%的聚乙烯醇，搅拌混合后，所得混合溶液在110℃下搅拌反应6h后抽滤分离，所得沉淀用甲苯洗涤，干燥后，即得到所述表面接枝有聚乙烯醇的金刚石。
2.根据权利要求1所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述吸热填料的粒径为20-500μm。
3.根据权利要求1或2所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述散热填料的粒径为10-200μm。
4.根据权利要求1或2所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述导热填料还包括金属、氧化物或氮化物中的至少一种。
5.根据权利要求4所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述金属为铝、银、锡或铜中的至少一种；所述氧化物为氧化铝、氧化锌或氧化铜中的至少一种；所述氮化物为氮化硼、氮化铝或氮化硅中的至少一种。
6.根据权利要求4所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述导热填料的粒径为0.01-1μm。
7.根据权利要求1或2所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述树脂基料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚氨酯、酚醛树脂、脲醛树脂或聚甲醛中的至少一种。
8.根据权利要求1或2所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述塑料母粒还包括增韧填料，所述增韧填料为玻璃纤维、贝壳粉、云母粉或乙烯和辛烯的共聚物中的至少一种。
9.根据权利要求8所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，以所述塑料母粒的总重量为基准，所述增韧填料的含量为1-20wt%。
10.根据权利要求1或2所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述塑料母粒还包括功能助剂，所述功能助剂包括偶联剂、增塑剂、抗氧剂或润滑剂中的至少一种。
11.根据权利要求10所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂或铝酸酯偶联剂中的至少一种；
所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯、环氧大豆油或环氧油酸丁酯中的至少一种；
所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂168、抗氧剂DNP、抗氧剂DLTP或抗氧剂264中的至少一种；
所述润滑剂为滑石粉、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁、硬脂酸钠、白油或聚乙烯蜡中的至少一种。
12.根据权利要求10所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，以所述塑料母粒的总重量为基准，所述功能助剂的含量为1-20wt%。
13.根据权利要求1或2所述可低能耗成型的塑料母粒，其特征在于，其是通过将上述树脂基料和填充料混合后，再挤出造粒得到。
14.一种塑料制品，其特征在于，其是将权利要求1-13任一项所述塑料母粒经注塑成型后制成。
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