CN116769249B - 一种抗紫外线耐老化pp材料的制备及其在毛刷中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗紫外线耐老化PP材料的制备及其在毛刷中的应用，涉及PP材料加工技术领域。所述抗紫外线耐老化PP材料采用PP、超高分子量聚乙烯、PP接枝马来酸酐、木质素、改性植物纤维、多孔碳酸钙微球、白油、改性高岭土、短切玻璃纤维、抗氧化剂、阻燃剂、光稳定剂进行混合造粒制得。本发明克服了现有技术的不足，在有效提升PP材料耐紫外线老化的同时提升材料的力学性能，同时进一步提升耐磨性，使其能够制备成户内外的毛刷的刷毛和刷盘。
Description
技术领域
本发明涉及PP材料加工技术领域，具体涉及一种抗紫外线耐老化PP材料的制备及其在毛刷中的应用。
背景技术
聚丙烯(PP)是一种结构规整、无味无毒而且质轻的结晶型热塑性树脂，并且具有良好的物理力学性能和加工性，广泛应用于汽车工业、家用电器、包装、建材及家具等领域，但是现有的PP材料存在韧性差、耐热氧老化性能差、透明度低、易燃、制品易翘曲等，特别是所制产品在户外收到紫外光照后极易出现粉化、表面龟裂、光泽丧失以及力学性能严重下降等现象。
为了提升PP材料的应用效果一般在将PP作为结构材料和工程塑料使用时会对其进行复合添加其余材料进行改性处理，现有技术中有采用超高分子量聚乙烯混合PP来提升材料的耐磨性能和抗冲击性等力学性能，但是对于材料的耐紫外线性能并没有较大改性，材料在紫外条件下还是易老化。
现有技术中将PP材料混合高岭土能够一定程度上提升材料的耐紫外线效果，如2001年12月公开的《中国塑料》中的“聚丙烯/高岭土复合材料抗紫外线性能研究”一文所示，但是该研究中高岭土的添加虽然有效提升材料的耐紫外线效果但是极大的降低了其力学性能，随着PP应用领域的逐渐扩大，对其综合性能要求日益提高，因此，不仅要求对PP材料的耐紫外线效果进行提升还需要提升其力学性能，来保证材料的市场应用价值。
传统的塑料毛刷的刷毛往往有PET、PP、PBT等材料，塑料刷盘往往也采用这些材料，其中PP材质往往是刷子中常用的材料，在实际使用过程中，由于PP材料耐紫外线性能较差，大多时候是作为室内的清扫刷的刷毛，同时PP材料作为刷盘为了防止紫外老化，大多时候也是室内使用，所以现阶段很少有将PP材料应用于户外清扫刷的应用，且其它的户外塑料刷由于户外环境较差，其使用寿命也较短。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种抗紫外线耐老化PP材料的制备及其在毛刷中的应用，在有效提升PP材料耐紫外线老化的同时提升材料的力学性能，同时进一步提升耐磨性，使其能够制备成户内外的毛刷的刷毛和刷盘。
为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
一种抗紫外线耐老化PP材料的制备，所述抗紫外线耐老化PP材料的制备包括以下步骤：
(1)改性植物纤维的制备：选取植物纤维置于酸液和碱液中处理，后调节pH至中性，取出后冻干，得改性植物纤维备用；
(2)改性植物纤维处理：将改性植物纤维混合木质素置于清水中混合后离心干燥，将产物进行高温气爆处理，后研磨得预混改性植物纤维粉备用；
(3)改性高岭土的制备：将高岭土煅烧后，快速激冷，后置于清水中加入硅烷偶联剂，水浴搅拌后过滤干燥，得改性高岭土备用；
(4)初混：将改性高岭土混合多孔碳酸钙微球、短切玻璃纤维、预混改性植物纤维粉于乙醇溶液中分散搅拌均匀后干燥，得初混料备用；
(5)预混：依次将PP、超高分子量聚乙烯、PP接枝马来酸酐、白油、初混料、抗氧化剂、阻燃剂、光稳定剂加入高速混合机内常温混合，得预混料备用；
(6)挤出造粒：将上述预混料加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，后热风干燥，得抗紫外线耐老化PP材料。
优选的，所述步骤(1)中植物纤维选取苎麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维中的任意一种。
优选的，所述步骤(1)中植物纤维具体改性的方式为将植物纤维置于pH为4.5-5的溶液中浸泡15-20min，后调节pH至8-8.5，继续浸泡20-30min，再调节pH至中性，后冻干。
优选的，所述步骤(2)中高温气爆处理的温度为200℃-220℃，气爆处理时间为15-20s。
优选的，所述步骤(3)中高岭土煅烧的温度为880-920℃，煅烧时间为3-5h，激冷的方式为在煅烧高岭土整体温度在200℃以上时采用液氮进行激冷，快速降温至常温。
优选的，所述步骤(3)中水浴搅拌的温度为45-55℃，搅拌转速为100-120r/min，搅拌的时间为30-40min。
优选的，所述整个制备工艺中各原料的质量份为PP 40-46份、超高分子量聚乙烯6-8份、PP接枝马来酸酐2-4份、木质素0.8-1份、改性植物纤维4-5份、多孔碳酸钙微球5-8份、白油1-2份、改性高岭土6-8份、短切玻璃纤维2-4份、抗氧化剂1-2份、阻燃剂0.8-1.2份、光稳定剂1-1.4份。
优选的，所述抗氧化剂为抗氧剂1010和抗氧剂1076质量比3∶1的混合物，所述光稳定剂为紫外线吸收剂UV-531和紫外线吸收剂UV-770质量比1∶1的混合物。
优选的，所述阻燃剂为三氧化二锑和氢氧化铝质量比2∶1的混合物。
优选的，所述材料应用于制备用于室外或室内使用毛刷的刷丝和刷盘。
本发明提供一种抗紫外线耐老化PP材料的制备及其在毛刷中的应用，与现有技术相比优点在于：
(1)本发明采用普通PP材料混合超高分子量聚乙烯，同时添加PP接枝马来酸酐，能够有效提升材料的力学性能，并且采用改性植物纤维混合木质素共同气爆处理，后混合多孔碳酸钙微球、短切玻璃纤维能够有效保证材料的耐磨性能和韧性。
(2)本发明采用改性高岭土混合多孔碳酸钙微球、改性植物纤维等原料能够在一定程度上提升材料的力学性能，同时改性高岭土配合光稳定剂和抗氧化剂能够有效防止PP材料的紫外老化和热老化，提升材料的户外使用寿命，能够使其有效应用于室内外的毛刷的刷毛和刷盘的制作。
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，下面结合本发明实施例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作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。
以下实施例所使用的原料主要为：
PP：J740，市售；
超高分子量聚乙烯：分子量为300万-600万，粒径为20～200目，市售；
PP接枝马来酸酐：接枝率≥2.5％，市售；
木质素：纯度99％，市售；
植物纤维：苎麻纤维，含水率＜5％，市售；
多孔碳酸钙微球：自制如下：
在室温条件下，分别取等浓度的CaCl2溶液和Na2CO3溶液按照体积比1：1；取等浓度的CaCl2溶液和NaHCO3溶液按照体积比1：2，将溶液迅速混合，维持600r/min搅拌速度500s即结束反应，快速过滤并使用二次蒸馏水和无水乙醇交替洗涤3次，将洗后产物放置于105℃鼓风干燥箱内干燥至恒重得到多孔碳酸钙微球；
白油：荣基，10号白油，市售；
高岭土：二氧化硅含量55％，市售；
硅烷偶联剂：选择市售的乙烯基三乙氧基硅烷；
短切玻璃纤维：短切长度为3mm，纤维直径为10μm，含水率≤0.1％；
抗氧化剂：选择市售的抗氧剂1010和抗氧剂1076按照质量比3∶1混合得到；
光稳定剂：选择市售的紫外线吸收剂UV-531和紫外线吸收剂UV-770按照质量比1∶1混合得到；
阻燃剂：选择市售的三氧化二锑和氢氧化铝按照质量比2∶1混合得到。
实施例1：
改性原料的制备：
1、改性植物纤维：选取植物纤维置于pH为5的酸性溶液中浸泡20min，后调节pH至8，继续浸泡25min，再调节pH至中性，取出后冻干，得改性植物纤维；
2、预混改性植物纤维粉：将1中的改性植物纤维与木质素按照质量比4.5∶0.9置于清水中混合后离心干燥至含水量＜5％，后将干燥产物于高温气爆炉中在210℃温度下气爆处理18s，得预混改性植物纤维粉；
3、改性高岭土A的制备：将高岭土于900℃温度下煅烧4h后，在整个煅烧高岭土温度降至230℃左右时采用液氮快速激冷，使其快速降温至常温，再将降温后的高岭土置于清水中加入硅烷偶联剂，于45-55℃水浴温度下，采用110r/min的转速搅拌35min，过滤常温干燥至含水量＜8％，得改性高岭土A备用；
4、改性高岭土B的制备：将高岭土于900℃温度下煅烧4h后，常规冷却至室温，再将降温后的高岭土置于清水中加入硅烷偶联剂，于45-55℃水浴温度下，采用110r/min的转速搅拌35min，过滤常温干燥至含水量＜8％，得改性高岭土B备用。
实施例2：
PP材料的制备：
(1)初混：将70g改性高岭土混合60g多孔碳酸钙微球、30g短切玻璃纤维、53g预混改性植物纤维粉于乙醇溶液中分散搅拌均匀后干燥至含水量＜5％，得初混料备用；
(2)预混：依次将430gPP、70g超高分子量聚乙烯、30gPP接枝马来酸酐、15g白油、15g抗氧化剂、10g阻燃剂、12g光稳定剂与上述得到的初混料共同加入高速混合机内以200r/min的转速常温搅拌0.5h，得预混料备用；
(3)挤出造粒：将上述预混料加入双螺杆挤出机中，设置双螺杆挤出机在工作参数为：一区温度为130℃，二区温度为180℃，三区温度为210℃，四区温度为170℃，五区温度为190℃，模头温度为160℃，喂料速度为120r/min，螺杆转速为300r/min，挤出造粒，后在80℃热风环境中干燥3h冷却至室温，得PP材料。
实施例3：
综合实施例1和实施例2的工艺，根据下表进行pp材料的选择性添加，除表中的材料外，其余材料与实施例2均相同，根据下表1材料选择，按照实施例2的制备工艺制备出不同组别的PP材料：
表1
其中，上表1“√”表示添加，“-”表示未添加，且相应实验组中的植物纤维或改性植物纤维分别研磨成粉后根据实施例2中的制备工艺替换预混改性植物纤维粉进行添加，其余与实施例2相同。
检测：
将上述实施例3中各实验组获得的粒料通过注塑机注射成型，获得标准的力学样条和相关表征试样，选择普通PP为对照组，进行下述检测：
1、拉伸性能测试：
依据GB/T1040-2006标准，选用CMT4104型万能试验机表征各复合体系的拉伸性能：在25±1℃的温度下，使用哑铃形样品进行测定，且测定速率为50mm/min。
具体检测结果如下表2所示：
表2
由上表可知实验组1获得的PP材料具有优良的拉伸强度，且由于超高分子量聚乙烯与PP属于热力学不相容体系，相容性较差，共混材料的界面粘结力较差，在对共混物进行拉伸，会出现两相的粘结破坏，造成一定程度上拉伸强度的降低，而预混改性植物纤维粉和改性高岭土A的组合能够一定程度上弥补这一缺陷，并且配合多孔碳酸钙微球的添加提升材料的拉伸强度。
2、缺口冲击强度测试
按照GB/T1843-2008标准，选择规格为80×10×4mm3、带有V形缺口(0.8mm深)的长方体样条作为表征样本；测试时，在每一组样品中选取3根样条，依次置于ZBC500冲击试验机上进行冲击试验，摆锤能量为25J，记录数据，结果取3组的均值，具体结果如下表3所示：
表3
由上表可知实验组1具有良好的抗冲击性能。
3、耐磨性能检测：
采用M-200塑料滑动摩擦磨损试验机测试，在干摩擦条件下进行，摩擦副材料为45#钢，每组做3个样品的平行实验，实验时先用1000目砂纸打磨磨轮打磨各组样品，并用酒精棉进行擦拭，保证实验前砂轮粗糙度一致，实验试样前后的质量，通过精度为0.1mg的天平进行测试，实验前后质量的差值即为材料的磨损量(磨损时间为15min)，具体结果如下表4所示：
表4
有上表4可知，植物纤维的改性和预混对产品的磨损基本无影响，多孔碳酸钙微球的添加能够有效提升耐磨性能，且对于高岭土改性过程中的激冷处理也能够一定程度上提升耐磨性，且在材料具有良好耐磨性的基础上，能够作为毛刷的刷毛使用。
4、对各组材料进行紫外辐照，采用500W的Ga-In紫外灯对各组材料进行辐照48h、100h、150h，检测各辐照时间下各组材料的拉伸强度和缺口冲击强度，具体结果如下表5所示：
表5
由上表5可知，实验组1能够有效保证材料在紫外光照射下基础性能，提升材料耐紫外线效果，在其具有良好耐紫外线的条件下，还具有优越的力学性能其能够作为户外用清洁毛刷的刷盘材料。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上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精神和范围。
Claims (8)
1.一种抗紫外线耐老化PP材料的制备方法，其特征在于，所述抗紫外线耐老化PP材料的制备方法包括以下步骤：
（1）改性植物纤维的制备：选取植物纤维置于酸液和碱液中处理，后调节pH至中性，取出后冻干，得改性植物纤维备用，所述植物纤维具体改性的方式为将植物纤维置于pH为4.5-5的溶液中浸泡15-20min，后调节pH至8-8.5，继续浸泡20-30min，再调节pH至中性，后冻干；
（2）改性植物纤维处理：将改性植物纤维混合木质素置于清水中混合后离心干燥，将产物进行高温气爆处理，后研磨得预混改性植物纤维粉备用；
（3）改性高岭土的制备：将高岭土煅烧后，快速激冷，后置于清水中加入硅烷偶联剂，水浴搅拌后过滤干燥，得改性高岭土备用；
（4）初混：将改性高岭土混合多孔碳酸钙微球、短切玻璃纤维、预混改性植物纤维粉于乙醇溶液中分散搅拌均匀后干燥，得初混料备用；
（5）预混：依次将PP、超高分子量聚乙烯、PP接枝马来酸酐、白油、初混料、抗氧化剂、阻燃剂、光稳定剂加入高速混合机内常温混合，得预混料备用；
（6）挤出造粒：将上述预混料加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，后热风干燥，得抗紫外线耐老化PP材料；
且上述制备工艺中各原料的质量份为PP 40-46份、超高分子量聚乙烯6-8份、PP接枝马来酸酐2-4份、木质素0.8-1份、改性植物纤维4-5份、多孔碳酸钙微球5-8份、白油1-2份、改性高岭土6-8份、短切玻璃纤维2-4份、抗氧化剂1-2份、阻燃剂0.8-1.2份、光稳定剂1-1.4份。
2.根据权利要求1所述的一种抗紫外线耐老化PP材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中植物纤维选取苎麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种抗紫外线耐老化PP材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中高温气爆处理的温度为200℃-220℃，气爆处理时间为15-20s。
4.根据权利要求1所述的一种抗紫外线耐老化PP材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中高岭土煅烧的温度为880-920℃，煅烧时间为3-5h，激冷的方式为在煅烧高岭土整体温度在200℃以上时采用液氮进行激冷，快速降温至常温。
5.根据权利要求1所述的一种抗紫外线耐老化PP材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中水浴搅拌的温度为45-55℃，搅拌转速为100-120r/min，搅拌的时间为30-40min。
6.根据权利要求1所述的一种抗紫外线耐老化PP材料的制备方法，其特征在于：所述抗氧化剂为抗氧剂1010和抗氧剂1076质量比3∶1的混合物，所述光稳定剂为紫外线吸收剂UV-531和紫外线吸收剂UV-770质量比1∶1的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种抗紫外线耐老化PP材料的制备方法，其特征在于：所述阻燃剂为三氧化二锑和氢氧化铝质量比2∶1的混合物。
8.一种如权利要求1-6任一所述的抗紫外线耐老化PP材料的制备方法制备得到的抗紫外线耐老化PP材料在毛刷上的应用，其特征在于，所述材料应用于制备用于室外或室内使用毛刷的刷丝和刷盘。
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