微纤柔性可控的原位微纤化复合材料及其制备方法
一、技术领域
本发明属于新型高分子材料技术领域,涉及一种新型原位微纤化复合材料及其制备方法。
二、背景技术
将通用塑料(主要指聚烯烃)与通用工程塑料(如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺和聚碳酸酯等)进行共混是改善通用塑料的力学和耐热性能的有效方法。绝大多数情况下,通用塑料/工程塑料共混物在热力学上不相容,分散相在加工过程中形成不同的形态结构,如球状、椭球状、棒状、微纤状、盘状、共连续相等形态,且共混物的性质在很大程度上依赖于分散相的形态。因此通过特殊的成型加工方法使分散相在基体中原位形成纤维,从而达到增强目的成为改善通用塑料性能的重要途径。由于增强纤维是在加工过程中原位(in-situ)生成的,且纤维跟宏观纤维相比尺寸很小(通常直径小于10μm,长径比大于数百),所以将这种方法获得的共混物材料定义为“原位微纤化复合材料”(in-situ microfibrillarreinforced composite,MRC)。原位微纤化复合材料与以热致液晶为微纤相、热塑性聚合物为基体的液晶原位复合材料(Kiss G.Polym Eng Sci,1987,27:410)相比,由于热塑性聚合物微纤相材料来源广泛,价格适中、加工成型性好、对设备磨损小、加工温度低,因此,热塑性聚合物作为微纤相的微纤化复合材料得到了越来越多的重视。由于微纤化复合材料中微纤和基体都是热塑性聚合物,也把该类微纤化复合材料称作热塑性聚合物/热塑性聚合物原位微纤化复合材料。
热塑性聚合物/热塑性聚合物原位复合材料是由两种不相容且具有明显加工温度差的热塑性聚合物组成,具有较高加工温度的组分在加工过程中形成微纤。目前,制备这种原位微纤复合材料主要采用如下两种方法:
(1)将两种热塑性聚合物共混挤出,进行冷却固相拉伸,然后在两组分熔点之间退火,使作为基体的低熔点组分的分子链解取向,保持作为分散相的高熔点组分的取向的相结构,这称为“熔融挤出-固相拉伸-退火处理”法(Fakirov S,et al.Macromolecules,1993,26:5219)。
(2)在共混挤出时,在挤出物未冷却前对熔体进行热拉伸,使作为分散相的高熔点组分形成纤维的形态,并淬冷将此形态保持下来,这称为“熔融挤出-热拉伸-淬冷”法(李忠明等,中国专利,CN01128896.5)。
采用两种方法得到的微纤化复合材料进行再加工的温度介于两种组分加工温度之间,由于加工温度低于呈纤维的分散相的熔点,所以最终材料中含有增强的纤维。采用“熔融挤出-固相拉伸-退火处理”中,过程复杂,效率低,仅可作理论研究。而采用“熔融挤出-热拉伸-淬冷”的方法时,不需再加热来进行固相拉伸和后处理,工艺连续,易于控制且相对简单,生产效率高,容易得到实际应用。
现有技术已制备了多种工程塑料(聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚酰胺)/聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯)原位微纤化复合材料,并发现热塑性聚合物/热塑性聚合物原位微纤化复合材料的力学性能较纯聚烯烃材料和未拉伸的普通复合材料有明显提高(李忠明等,中国专利,CN01128896.5;Li ZM,et al.Mater Lett,2002.56:756)。用原位微纤化复合材料制备塑料制品时,制品形状(厚薄、大小等)、制品的加工方法对材料的加工性能,特别是熔体的粘性和弹性参数有着不同的要求。例如,对于薄壁或大尺寸的注塑制品,要求制品具有较好的流动性,否则会出现冲模不满的现象达不到使用要求;而对于大多数挤出制品来说,要求制品的表面光滑平整,这就与塑料熔体的弹性密切相关,若熔体的弹性较大,在较低的挤出速度下就容易出现熔体的挤出不稳定,甚至是鲨鱼皮现象,严重影响表面质量,而降低挤出速度又会使生产效率降低。因此,对原位微纤化复合材料,改善和控制其加工性能显得非常重要。由于微纤化复合材料中微纤具有很小的直径和较大的长径比,容易相互缠结甚至形成网络结构,这在很大程度上会增加复合材料熔体的粘性和弹性(徐鸿升等,中国塑料2006,20:18;Xu HS,et al.Polym Eng Sci,2005,45:1231),导致其加工流动性较差。
三、发明内容
本发明的目的是提供一种微纤柔性可控的原位微纤化复合材料,通过控制微纤的柔性调节微纤化复合材料的熔体的弹性和粘性参数,达到改善微纤化复合材料加工性能的目的。
本发明的另一个目的是提供一种上述原位微纤化复合材料的制备方法。
本发明的微纤柔性可控的原位微纤化复合材料,按质量百分比该复合材料的所用的原材料为:
聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物 5%~40%(其中聚对苯二甲酸乙二醇酯在共混物中的质量分数为70%~98%)
聚乙烯或聚丙烯中的一种 60%~95%。
在上述复合材料的组分中,聚对苯二甲酸乙二醇酯可以是市售的任意一种,热塑性弹性体选用了与聚对苯二甲酸乙二醇酯有较好相容性的聚酯类热塑性弹性体,优选为具有较高的熔点(一般>200℃);聚乙烯可以选用除超高分子量聚乙烯以外的市售的任意一种聚乙烯;聚丙烯可以是市售的任意一种。
通过将聚对苯二甲酸乙二醇酯与跟其具有较好相容性的聚酯类热塑性弹性体树脂混合后得到共混物作为微纤相材料,再与聚乙烯(或聚丙烯)进行“熔融挤出-热拉伸-淬冷”后制备出聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体/聚乙烯(或聚丙烯)原位微纤化复合材料,复合材料中微纤柔性可以通过增加微纤中聚酯类热塑性弹性体的含量,在基本不改变微纤的形态(长径比和直径)的条件下而得到提高。用本发明提供的原位微纤化复合材料既可实现通用塑料的高性能化,也能解决废旧塑料回收问题,在减少塑料分离的工序的同时达到增强的目的。同时还可以通过调节微纤中聚酯类热塑性弹性体组分的含量控制微纤的柔性,最终达到调节复合材料的加工性能,以适应不同加工方法的需要。
制备本发明的微纤柔性可控的原位微纤化复合材料的方法依次由以下步骤组成:
首先,将质量分数为98%~70%的聚对苯二甲酸乙二醇酯和2%~30%聚酯类热塑性弹性体按下述工艺步骤及条件制备聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物。
(1)干燥 将上述聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂和聚酯类热塑性弹性体在80~120℃的烘箱中干燥8~24小时,控制含水率<0.01%。
(2)熔融混合 先将聚对苯二甲酸乙二醇酯在密闭混合机中在260~295℃下,转子的转速为10~100转/分,待完全熔融后(5~10min),加入聚酯类热塑性弹性体,在相同的温度下以30~100转/分的转速下混合10~15分钟。
(3)造粒 将混合机中的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物在破碎机中破碎,破碎后的优选粒子直径小于5mm的颗粒。
然后,将聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯热塑性弹性体共混物和聚乙烯(或聚丙烯)共混挤出,制备聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯热塑性弹性体/聚乙烯(或聚丙烯)微纤化复合材料。主要工艺步骤如下:
(4)干混 将聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯热塑性弹性体共混物5~40份和95~60份聚乙烯(或聚丙烯)在常温下搅动混合均匀。
(5)熔融混合、狭缝口模挤出 将初混合的物料置于挤出机中熔融混合并挤出,挤出温度为150~295℃,口模温度270~295℃,挤出机螺杆转速10~200转/分。挤出机的大小可根据生产量确定,基本要求是:长径比为20~40;不附加混合元件。口模为矩形窄缝口模,主要特征是入口的锥形角为45度,窄缝厚度为1.0~2.0mm,宽度跟厚度比为5~10。
(6)热拉伸原位成纤 将挤出的料条在常温空气下进行热拉伸,热拉伸比控制为2~20。该热拉伸不同于普通塑料挤出后的牵引,普通的牵引只是为进行造粒做准备,对复合材料分散相的形态无法控制,而热拉伸方法可通过调节牵引装置的转速,得到不同的热拉伸比(拉伸比定义为口模截面面积与经拉伸后的料条截面积之比),分散相在拉伸流场的作用下原位的形成微纤的形态,并且通过控制热拉伸比可以达到控制分散相纤维的尺寸(如直径、长径比等)。因此,热拉伸是制备微纤化复合材料的关键因素。
(7)强制冷却 挤出物经过热拉伸尺寸达到稳定后,迅速浸入水温低于25℃的冷却水槽中强制冷却,使分散相的纤维形态固定下来,然后造粒即成。
本发明将高熔点聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物和低熔点聚乙烯(或聚丙烯)树脂按一定的配比通过本发明提供的“熔融共混挤出-热拉伸-淬冷”的方法加工,其中,聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物具有很好的相容性,聚酯类热塑性弹性体在聚对苯二甲酸乙二醇酯中达到纳米或亚微米级尺度的分散。在热拉伸过程中聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物在聚乙烯(或聚丙烯)基体中原位的形成微米级的纤维,并通过快速冷却将微纤保存下来,经造粒后获得本发明最终产品——聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体/聚乙烯(或聚丙烯)原位微纤化复合材料。其中,增加聚酯类热塑性弹性体在微纤中的含量,能够降低微纤的模量和硬度即提高微纤的柔性,由于微纤在加工过程中在剪切力场的作用会沿流动方向上发生变形和取向,这种取向和变形会减小微纤对聚合物熔体的流动的阻碍从而大幅度的降低熔体的弹性和粘性,而微纤取向和变形的程度又主要是由微纤的柔性确定的,柔性更大的微纤更容易沿流动方向上取向,因此提高微纤的柔性可以降低熔体的粘性和弹性,从而可以提高复合材料的加工性能。
本发明提供的加工方法可采用通用的塑料加工设备实施,所使用的主要设备为密闭混合机、单螺杆挤出机或双螺杆挤出机、扁平且流道平滑过渡的口模和牵引装置。
本发明具有以下优点:
(1)采用本发明的方法制备聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体/聚乙烯(或聚丙烯)原位微纤化复合材料,其工艺简单,易于控制,对设备的要求不高,所使用的设备均为通用的塑料加工设备,投资省。
(2)在加工过程中原位形成了增强纤维,使得复合材料具有良好的综合性能,较高的力学强度、耐热性及其他物理机械性能。
(3)采用本发明制备的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体/聚乙烯(或聚丙烯)原位微纤化复合材料,可以较简便和定量的控制微纤的弹性和模量,从而降低复合材料熔体弹性和粘性,改善微纤化复合材料加工性能,降低材料的加工能耗。
(4)本发明设备简单,工艺易于控制,适合该方法的普及和材料的规模生产。
四、附图说明
图1为实施例4中,聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体的共混物脆断断面的扫描电子显微镜照片。
图2为实施例6中,聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体的共混物脆断断面的扫描电子显微镜照片。
图3为实施例3溶去表层聚乙烯基体后所得的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯原位微纤化复合材料的扫描电子显微镜照片。
图4为实施例6溶去表层聚乙烯基体后所得的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体/聚乙烯原位微纤化复合材料的扫描电子显微镜照片。
图5为实施例7溶去表层聚乙烯基体后所得的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯原位微纤化复合材料的扫描电子显微镜照片。
图6为实施例10溶去表层聚乙烯基体后所得的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体/聚乙烯原位微纤化复合材料的扫描电子显微镜照片。
图7为图4中,聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体微纤表面局部放大的扫描电子显微镜照片。
五、具体实施方式
下面给出的实施例是对本发明的具体描述,有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明做进一步的说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整,仍属于本发明的保护范围。
实施例1~18:
(1)干燥 将聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂和聚酯类热塑性弹性体树脂在100℃的烘箱中干燥12小时。
(2)熔融混合 先将聚对苯二甲酸乙二醇酯在密闭混合机中在270℃下,转子的转速为10转/分熔融5分钟后,加入聚酯类热塑性弹性体,在相同的温度下以60转/分的转速下混合15分钟后取出冷却。
(3)造粒 将混合机中的聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物在破碎机中破碎。
(4)干混 将聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体共混物和聚乙烯在常温下搅动混合均匀。
(5)熔融混合、狭缝口模挤出 将初混合的物料置于挤出机中熔融混合并挤出,挤出温度为190~275℃,口模温度275℃,挤出机螺杆转速100转/分。矩形狭缝口模,窄缝厚度为1.5mm,宽度跟厚度比为10。
(6)热拉伸原位成纤 将挤出的料条在常温空气下进行热拉伸,调节拉伸速度控制热拉伸比。
(7)强制冷却 将经拉伸后的料条浸入水温低于25℃的冷却水槽中强制冷却,然后造粒即成。
表一实施例1~18的配方
实施例 |
聚对苯二甲酸乙二醇酯(质量分数%) |
聚酯类热塑性弹性体(质量分数%) |
聚乙烯(或聚丙烯)(质量分数%) | 热拉伸比 |
聚乙烯 |
聚丙烯 |
1 |
39.2 |
0.8 |
60.0 | |
20 |
2 |
27.0 |
3.0 |
70.0 | |
20 |
3 |
19.6 |
0.4 |
80.0 | |
14 |
4 |
18.0 |
2.0 |
80.0 | |
14 |
5 |
16.0 |
4.0 |
80.0 | |
14 |
6 |
14.0 |
6.0 |
80.0 | |
14 |
7 |
19.6 |
0.4 |
80.0 | |
8 |
8 |
18.0 |
2.0 |
80.0 | |
8 |
9 |
16.0 |
4.0 |
80.0 | |
8 |
10 |
14.0 |
6.0 |
80.0 | |
8 |
11 |
8.0 |
2.0 |
90.0 | |
2 |
12 |
3.5 |
1.5 |
95.0 | |
2 |
13 |
28.0 |
12.0 | |
60.0 |
2 |
14 |
24.0 |
6.0 | |
70.0 |
8 |
15 |
16.0 |
4.0 | |
80.0 |
14 |
16 |
9.8 |
0.2 | |
90.0 |
14 |
17 |
4.9 |
0.1 | |
95.0 |
20 |
18 |
3.5 |
1.5 | |
95.0 |
20 |
为了考察不同聚酯类热塑性弹性体含量对熔体加工性能的影响,通过高压毛细管流变仪测试在170℃下试样熔体的粘度和弹性(其中在口模处的入口压力降正比与熔体弹性,这里用入口压力降来表征微纤化复合材料的熔体弹性)。毛细管直径2mm,长径比16∶1,详细数值见附表二。
表二聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚酯类热塑性弹性体/聚乙烯(或聚丙烯)原位微纤
化复合材料分别在不同剪切速率下的口模处的入口压力降和粘度
材料种类 |
出口压力降(MPa) |
粘度(Pa·s) |
剪切速率为33s-1 |
剪切速率为258s-1 |
剪切速率为25s-1 |
剪切速率为490s-1 |
实施例1 |
15.53 |
18.3 |
15586 |
2835 |
实施例2 |
11.35 |
13.68 |
11056 |
1736 |
实施例3 |
7.01 |
9.45 |
6010 |
1028 |
实施例4 |
6.13 |
8.15 |
5712 |
781 |
实施例5 |
5.17 |
7.23 |
5325 |
635 |
实施例6 |
4.62 |
7.54 |
4515 |
423 |
实施例7 |
4.35 |
6.95 |
5212 |
613 |
实施例8 |
3.98 |
6.33 |
4588 |
437 |
实施例9 |
3.12 |
5.68 |
3980 |
395 |
实施例10 |
2.55 |
4.56 |
3572 |
360 |
实施例11 |
0.98 |
2.34 |
1344 |
138 |
实施例12 |
0.21 |
0.61 |
332 |
48 |
实施例13 |
18.98 |
23.63 |
18568 |
3101 |
实施例14 |
13.20 |
15.38 |
13685 |
2011 |
实施例15 |
6.98 |
8.35 |
6578 |
696 |
实施例16 |
1.21 |
2.65 |
1598 |
231 |
实施例17 |
0.65 |
1.25 |
641 |
88 |
实施例18 |
0.43 |
0.88 |
435 |
59 |
注:其中实施例3~6和7~10可说明随着微纤中弹性体含量的增加会降低熔体的弹性和粘性,如比较实施例6和3,弹性体含量为6%比弹性体含量为0.4%的复合材料熔体的出口压力降(剪切速率为33s-1时)和粘度(剪切速率为25s-1时)分别下降了34.1%和24.9%。
形态观察:用于形态观察的试样分两种,一种是采用热二甲苯(120℃)溶解3~6小时,并用纯二甲苯洗涤后制得的表面;另一种是用液氮冷却10~20分钟,冲击断裂得到的断面。采用扫描电子显微镜观察试样形态,加速电压20KV。见附图1~7。