CN1480487A - 一种聚氯乙烯复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚氯乙烯经碳酸钙和硅灰石协同填充的复合材料及其制备方法。该复合材料含有重量分数100份的硬质聚氯乙烯,1-50份的碳酸钙及1-50份的硅灰石,其中所述的碳酸钙是经过不同偶联剂处理的超细球状粉末,硅灰石是经过不同偶联剂处理的天然针状矿物粉末。将含有上述组份的原料与热稳定剂、抗氧剂、润滑剂和增塑剂混合在一起,在锥形双螺杆挤出机上熔融共混挤出,从而制备出性能优良的碳酸钙与硅灰石协同改性的聚氯乙烯复合材料。这种复合材料冲击强度高,弯曲及拉伸性能、热稳定性能好,同时又降低了成本,可在工程塑料、异型材料领域广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质聚氯乙烯复合材料,特别涉及到两种无机材料按比例协同填充的聚氯乙烯复合材料。
本发明还涉及上述复合材料的制备方法。
背景技术
聚氯乙烯树脂由于其具有阻燃、耐腐蚀、绝缘、耐磨损、价格低廉、原材料来源广泛等优良的综合性能,广泛地应用于管材、棒材、薄膜、绝缘材料、建筑材料等领域。但是,在使用过程中,PVC也暴露出脆性大、热稳定性差、加工性能不好等缺点,限制了其应用领域。通常采用填充改性的方法来改善其尺寸稳定性,降低收缩率和提高其刚度,如使用碳酸钙、硅灰石、高岭土、滑石、云母等无机物填充聚氯乙烯可以提高材料的硬度、模量和耐热性,但同时导致了材料强度特别是断裂伸长率下降,而且由于无机物粒子易于团聚,使得复合材料的性能很难大幅度提高。
利用熔融共混技术制备聚合物复合材料是目前使用最多的改性聚合物的方法。这种技术操作简单,方便易行,通过在聚合物中添加不同无机材料,利用各无机粒子之间的相互吸附,相互穿插、阻隔作用,可相应提高复合材料的各项性能,或者赋予材料新的功能,以满足材料应用的不同要求。利用熔融共混技术将各种无机材料以超细结构的形式均匀分散于聚合物基体中,制得聚合物/无机填料复合材料(如日本专利J03167241 Vinyl chlorideresins composites;俄罗斯专利RU2067104 Polymeric composites)。这种复合材料有较好的强度、刚性、耐热性和加工性能等,填料能同时获得增韧、增强的双重效果。近年来,使用掺混不同填充物来改性聚合物正在成为聚合物改性发展的新方向。
发明内容
本发明的目在于提供一种用熔融共混制备碳酸钙和硅灰石协同填充聚氯乙烯复合材料。该材料的强度、刚性、冲击韧性均有提高,并保持其良好的耐热性。
本发明提供的聚氯乙烯复合材料,含有重量分数100份的硬质聚氯乙烯,1-50份改性碳酸钙,1-50份改性硅灰石,其中所述的改性碳酸钙和硅灰石是经过不同偶联剂处理的天然矿物超细粉末,还含有重量分数为4-10份的增塑剂,0.1-0.5份的抗氧剂,0.2-2份的润滑剂和1-8份的热稳定剂。
本发明的另一目的在于提供上述复合材料的制备方法。
本发明使用熔融共混技术是依靠偶联剂改性无机填料,使之与基体聚氯乙烯的相容性提高,使两种不同的无机填料碳酸钙与硅灰石在基体树脂中呈现相互穿插的协同均匀分散状态,形成了两者协同填充的聚氯乙烯复合材料。聚合物基体与无机分散相间的强的相互作用,将无机物的高强度,高刚性与高分子的柔韧性相结合,得到增强、增韧等性能优异的复合材料。同时,由于碳酸钙和硅灰石的廉价,可大大降低材料的生产成本。
本发明的制备方法是按下述步骤进行的:
1、将原料碳酸钙10-100份在10-100份的无水乙醇分散介质中搅拌,形成稳定悬浮溶液。
2、将偶联剂0.2-2份加入到上述碳酸钙悬浮液中。
3、将上述混合液在70-90℃下搅拌反应6-9小时后过滤,经干燥粉碎得到改性碳酸钙。
4、将原料硅灰石经上述同样方法进行改性,得到改性硅灰石。
5、按下述组份配方配料,原料在高混机中充分混合均匀后,用常规方法在HAAKE锥形双螺杆挤出机上熔融共混挤出造粒(螺杆参数和加工条件见表1所示),即可得到改性碳酸钙与硅灰石协同填充的聚氯乙烯复合材料。
组分配方:
聚氯乙烯:100份;
改性碳酸钙:1-50份;
改性硅灰石:1-50份;
润滑剂:4-10份;
抗氧剂:0.1-0.5份;
润滑剂:0.2-2份;
热稳定剂:1-8份。
本发明所使用的硬质聚氯乙烯为SG-5型,采用悬浮方法制备,分子量为60000-80000。
本发明所使用的改性碳酸钙为经过不同偶联剂改性处理过的超细球状粉末。碳酸钙为典型的无机粉状粒子,形状近似为球形,呈碱性。其表面未改性时,由于表面晶格缺陷和粒子间静电作用容易自聚形成尺寸较大的颗粒,即“结团”现象。因此,使用时需要对其进行表面改性,使之能均匀分散在复合体系中起到增强作用。碳酸钙具有价格低廉、来源丰富、无毒、无味、白色、粒径可控、容易包覆改性、容易共混等特点,用其填充聚合物可降低制品成本,提高其刚性、耐热性、尺寸稳定性、遮盖性等特点。
使用的碳酸钙原料为95%纯度的非活性超细粉末,粒径为0.5-2μm,其中90%的碳酸钙粒径小于2μm。其表面未改性时,由于表面晶格缺陷和粒子间静电作用容易自聚形成尺寸较大的颗粒,即“结团”现象,使之不能在聚合物中达到均匀分散。当碳酸钙经过偶联剂表面处理后,偶联剂包覆在碳酸钙粒子表面,形成一层坚硬、难溶的外壳,碳酸钙粒子表面含有的杂质(如氢氧化钙或其它氧化物、氢氧化物)也会与偶联剂反应,使偶联剂与碳酸钙粒子间形成强的粘结力。这样就使碳酸钙表面由亲水性转变为亲油性,蓬松易分散,与聚合物的亲和性变好,从而提高了碳酸钙与基体间的相容性和碳酸钙粒子的分散性,使复合材料的性能得以提高。
本发明所使用的改性硅灰石为经过不同偶联剂改性处理过的天然针状粉体,属三斜晶系晶体,经适当的粉碎工艺处理后,其粉体结构呈针状,为典型的针状微晶,因而在树脂中可起到类似短纤维一样的增强作用。硅灰石具有吸湿性小、热稳定性好、表面不易划伤、比重小等优点,用它填充聚合物,具有快速分散性和低的粘度等特点,在提高拉伸强度和弯曲强度方面优于其它无机填料。
使用的硅灰石原料为天然硅酸钙,其粉体结构呈针状,长径比为(12-20)/1,直径为5-2μm,为典型的针状微晶,具有作为高分子材料增强用填充剂的条件。使用未改性过的硅灰石,其微细粉体的表面能产生范德华力的作用,使粒子重新结合,形成凝聚体,进而再形成团聚体,在聚合物中难于分散,宏观效果等同于其粒径增大。当硅灰石经偶联剂表面处理后,表观团粒明显细化,可以大大改善其与聚氯乙烯基体及改性碳酸钙的界面结合力,从而从整体上提高复合材料对外加负荷及环境变化的承受能力。
本发明所使用的偶联剂为硅氧烷类,如γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(WD51)或N-(N-(β-氨乙基)-β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷(ZH1305);钛酸酯类,如异丙基二(甲基丙烯酰基)异硬脂酰基钛酸酯;硬脂酸类,如硬脂酸或硬脂酸钙;铝酸酯类,如硅酸铝等。
本发明所使用的增塑剂是针对聚氯乙烯的增塑剂,目的是为了提高在制备复合材料的过程中聚氯乙烯的韧性和可塑性及加工流动性,如苯二甲酸二丁酯(DBP)、苯二甲酸二庚酯(DHP)或苯二甲酸二辛酯(DOP)、磷酸三甲酚酯(TCP)、己二酸二辛酯(DOA)或癸二酸二辛酯(DOS)等。
本发明所使用的抗氧剂是针对聚氯乙烯的抗氧剂,目的是为了降低在制备复合材料的过程中聚氯乙烯的氧化降解,如四{β-(3,5-二特丁基-4-羟基苯基)丙胺}季戊四醇(商品代号抗氧剂1010)、(3,5-二特丁基-4-羟基苯基)丙酸十八酯(商品代号抗氧剂1076)、β-(3,5-二特丁基-4-羟基苯基)丙酸环己酯(商品代号抗氧剂121)或硫代二丙酸二月桂酯(DLTP)等。
本发明所使用的润滑剂是针对聚氯乙烯的润滑剂,目的是为了改善聚氯乙烯挤出时的表面特性及表面光滑度,并调节聚氯乙烯加工时的熔体粘度,如液体石蜡、石蜡或硬脂酸等。
本发明所使用的热稳定剂是针对聚氯乙烯的热稳定剂,目的是为了降低在制备复合材料的过程中聚氯乙烯的受热降解程度,减缓热降解速率,如三碱式硫酸铅、二碱式亚磷酸铅、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸铅、硬脂酸锌或复合有机稀土类热稳定剂等。
掺混增强由于不同填充物之间的相互作用力可相对削弱同种填充物的自聚力或聚集力,掺混过程中易于进行能量的传递而形成良好的分散,充分发挥不同填充物的各自优势,体现出良好的协同堆砌作用,在强度和刚性都提高的同时,材料的冲击韧性也有明显改善,同时掺混增强由于碳酸钙和硅灰石为廉价填料,亦有利于材料成本较大幅度的降低。
本发明提供的改性碳酸钙与硅灰石协同填充的聚氯乙烯复合材料,全面提高了材料的力学性能,降低了材料成本,可将聚氯乙烯复合材料提高到一个新层次,提高其性能价格比,获得聚氯乙烯复合材料的新品种。
本发明的改性聚氯乙烯复合材料可以广泛应用于管材、棒材、绝缘材料、建筑材料等方面。
具体实施方式
实例1
制备改性碳酸钙:将粒径为2000目的碳酸钙100份加入100份的无水乙醇中,搅拌混合均匀后,再加入2份的偶联剂KH550,然后在70-90℃恒温条件下搅拌反应6-9小时后过滤,干燥,粉碎,得到改性碳酸钙。
制备改性硅灰石:利用上述同样的改性方法对粒径为1750目的硅灰石进行改性,得到改性硅灰石。
制备聚氯乙烯复合材料:将聚氯乙烯(北京化工二厂)100份,改性碳酸钙10份,改性硅灰石5份,增塑剂DOP10份,1010抗氧剂0.2份,液体石蜡0.8份,硬脂酸0.5份,热稳定剂4份,预先混合均匀后,在HAAKE锥形双螺杆挤出机上熔融共混挤出,加工条件见表1。
表1 螺杆参数和加工条件
螺杆参数 | 加工条件 |
螺杆直径 长径比(mm)20 15 | 第一段 第二段 第三段 第四段 螺杆转速(℃) (℃) (℃) (℃) (rpm)120 150 160 160 50 |
挤出物经造粒后在60℃烘箱中干燥6小时制得产品,力学性能见表2所示。
实施例2
同实施例1,其中改性碳酸钙的含量为20份。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例3
同实施例1,其中改性硅灰石的含量为2份。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例4
聚氯乙烯(同实施例1)100份,改性碳酸钙10份,改性硅灰石5份,增塑剂DOP10份,1010抗氧剂0.2份,液体石蜡0.8份,硬脂酸0.5份,热稳定剂4份,采用与实施例1相同的方法加工。其中改性偶联剂采用KH560,改性方法同实施例1。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例5
同实施例4,其中改性碳酸钙的含量为20份。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例6
聚氯乙烯(同实施例1)100份,改性碳酸钙10份,改性硅灰石5份,增塑剂DOP10份,1010抗氧剂0.2份,液体石蜡0.8份,硬脂酸0.5份,热稳定剂4份,采用与实施例1相同的方法加工。其中改性偶联剂采用ZH1305,改性方法同实施例1。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例7、8
同实施例6,其中改性碳酸钙的含量为20份,30份。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例9
同实施例6,其中改性硅灰石的含量为10份。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例10
聚氯乙烯(同实施例1)100份,改性碳酸钙20份,改性硅灰石5份,增塑剂DOP10份,1010抗氧剂0.2份,液体石蜡0.8份,硬脂酸0.5份,热稳定剂4份,采用与实施例1相同的方法加工。其中改性偶联剂采用WD51,改性方法同实施例1。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例11
同实施例10,其中改性碳酸钙为10份,改性硅灰石为10份。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示
实施例12
聚氯乙烯(同实施例1)100份,改性碳酸钙10份,改性硅灰石10份,增塑剂DOP10份,1010抗氧剂0.2份,液体石蜡0.8份,硬脂酸0.5份,热稳定剂4份,采用与实施例1相同的方法加工。其中改性碳酸钙采用偶联剂ZH1305,改性硅灰石采用偶联剂WD51,改性方法同实施例1。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
实施例13
聚氯乙烯(同实施例1)100份,改性碳酸钙10份,改性硅灰石10份,增塑剂DOP10份,1010抗氧剂0.2份,液体石蜡0.8份,硬脂酸0.5份,热稳定剂4份,采用与实施例1相同的方法加工。其中改性碳酸钙采用偶联剂WD51,改性硅灰石采用偶联剂ZH1305,改性方法同实施例1。样品采用与实施例1相同的方法表征,结果见表2所示。
表2 聚氯乙烯复合材料的性能
性能样品号 | 拉伸断裂 弯曲强度 弯曲模量 悬臂梁冲击强度 热变形温度强度/MPa MPa MPa (J/m,25℃) (℃,4.6Kgf/cm2) |
12345678910111213 | 43.0 57.9 1902.1 35 56.742.2 56.7 1989.0 35.2 57.442.5 56.8 1819.6 35.2 55.945.5 58.7 2216.7 32.1 56.248.5 56.5 2093.2 38.5 56.647.2 61.8 2025.6 38.8 56.847.0 61.8 1993.5 46.8 55.746.6 60.7 2029.0 44 55.841.9 64.2 2050.0 37.4 56.045.2 60.3 1992.6 43.5 57.545.6 66.4 2107.6 38.3 57.039.0 62.6 2005.2 38.5 55.846.7 65.2 2048.4 37.8 56.3 |
Claims (10)
1、一种聚氯乙烯复合材料,含有重量分数100份的硬质聚氯乙烯,1-50份碳酸钙,1-50份硅灰石。
2、如权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述复合材料中还含有重量分数4-10份的增塑剂,0.1-0.5份的抗氧剂,0.2-2份的润滑剂和1-8份的热稳定剂。
所述偶联剂为硅氧烷类、钛酸酯类、硬脂酸类或铝酸酯类;
所述增塑剂为邻苯二甲酸酯类;
所述抗氧剂为四{β-(3,5-二特丁基-4-羟基苯基)丙胺}季戊四醇、(3,5-二特丁基-4-羟基苯基)丙酸十八酯、β-(3,5-二特丁基-4-羟基苯基)丙酸环己酯或硫代二丙酸二月桂酯;
所述的润滑剂为液体石蜡、石蜡或硬脂酸;
所述热稳定剂为铅类稳定剂、金属皂类稳定剂或复合稀土类稳定剂。
3、如权利要求2所述的复合材料,其特征在于,所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(N-(β-氨乙基)-β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、异丙基二(甲基丙烯酰基)异硬脂酰基钛酸酯、硬脂酸、硬脂酸钙或硅酸铝。
4、如权利要求2所述的复合材料,其特征在于,所述增塑剂为苯二甲酸二丁酯、苯二甲酸二庚酯、苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲酚酯、己二酸二辛酯、癸二酸二辛酯。
5、如权利要求2所述的复合材料,其特征在于,所述热稳定剂为三碱式硫酸铅、二碱式亚磷酸铅、硬脂酸钙、硬脂酸钡、硬脂酸铅或硬脂酸锌。
6、一种制备权利要求1所述复合材料的方法,主要步骤如下:
A、将原料碳酸钙10-100份在10-100份的无水乙醇分散介质中搅拌,形成稳定悬浮溶液;
B、将偶联剂0.2-2份加入到步骤A制备的碳酸钙悬浮液中;
C、将步骤B制备的混合液在70-90℃下搅拌反应6-9小时后过滤,经干燥粉碎得到改性碳酸钙;
D、将原料硅灰石按步骤A-C同样进行改性,得到改性硅灰石;
E、按下述组份配方配料混合均匀,熔融共混挤出造粒,其组分配方为:
聚氯乙烯:100份;
改性碳酸钙:1-50份;
改性硅灰石:1-50份;
润滑剂:4-10份;
抗氧剂:0.1-0.5份;
润滑剂:0.2-2份;
热稳定剂:1-8份。
7、如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述聚氯乙烯为SG-5型,采用悬浮方法制备,分子量为60000-80000。
8、如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述原料碳酸钙为95%纯度的非活性超细粉末,粒径为0.5-2μm。
9、如权利要求6或8所述的制备方法,其特征在于,所述原料碳酸钙90%的粒径小于2μm。
10、如权利要求6所述的制备方法,,其特征在于,所述原料硅灰石为天然针状矿物粉末,直径为5~2μm。
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