CN106479036B - 一种用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料及其制备方法，由树脂基体100份、纳米丁腈橡胶5～45份、相容剂1～5份、抗氧剂0.1～0.5份、热稳定剂0.1～0.5份以及润滑剂0.5～5份制备而成。本发明制备的聚烯烃复合材料具有力学强度高、耐磨性好和成型速度快等特点，同时极大地提高了复合材料的耐低温性。此外本发明涉及的复合材料制备工艺简单，可直接推动聚烯烃材料在快速成型领域的应用。

Description

一种用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于聚烯烃复合材料快速成型改性技术领域，具体涉及一种应用于熔融层压快速成型领域的聚烯烃复合材料及其制备方法。
背景技术
熔融挤压成型又称熔融喷丝成型，是一种以丝状材料为原料，利用热能作为成型能源，通过原料的加热熔融而实现的快速成型工艺。熔融挤压成型的工作原理包含计算机控制加热丝将原料加热熔融、原料冷却成型薄层和工作台三维移动等环节，最终将丝状原料成型为具有立体结构且具有一定功能性的三维制件。此种快速成型工艺技术相对简单，易于操作，成型过程中无有毒物质或气体释放，可直接用于办公等环境。
熔融挤压成型常用原材料为工程塑料、工业油蜡及合成橡胶等，其中工程塑料类材料多为纯树脂原料，因此在力学强度、环境耐受和成型速度等方面存在不足，此外制备大型制件时需要支撑结构及后处理工作。
发明内容
本发明的目的在于改善熔融挤压成型常用原料在力学强度、环境耐受和成型速度等方面的不足，提供了一种具有力学强度大、低温冲击高、耐磨性好和成型速度快等特点用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料，由以下组分按重量份制备而成：
树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶5～45份，
相容剂1～5份，
抗氧剂0.1～0.5份，
热稳定剂0.1～0.5份，
润滑剂0.5～5份。
进一步方案，所述的树脂基体为均聚聚丙烯或聚乙烯。
所述的纳米丁腈橡胶为直径为50～100nm的淡黄色粉末。
所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯或马来酸酐接枝聚乙烯。
所述的抗氧剂为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯或硫代二丙酸双十八醇酯中两种。
所述的热稳定剂为硬脂酸钙或硬脂酸钡。
所述的润滑剂为次乙基双硬脂酰胺或季戊四醇硬脂酸酯。
本发明的另一个发明目的是提供上述聚烯烃复合材料的制备方法，其包含以下步骤：
（1）按配比，将树脂基体100份、纳米丁腈橡胶5～45份、相容剂1～5份、抗氧剂0.1～0.5份、热稳定剂0.1～0.5份以及润滑剂0.5～5份，置于高速混合机分散10～30分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机中，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
然后将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件。
本发明制备的聚烯烃复合材料具有力学强度高、耐磨性好和成型速度快等特点，同时极大地提高了复合材料的耐低温性。此外本发明的聚烯烃复合材料制备工艺简单，可直接推动聚烯烃材料在快速成型领域的应用。
本发明的有益效果有：
1、本发明以聚丙烯或聚乙类烯为基体，并采用纳米丁腈橡胶对基体进行改性，制得了一种能用于熔融层压快速成型领域的聚烯烃复合材料。
2、由于纳米丁腈橡胶的引入，从而增大了聚烯烃复合材料在熔融成型过程中的堆积密度，降低了成型缺陷，并可以显著提高复合材料的力学性能；
3、基体材料中加入的纳米丁腈橡胶在材料发生破坏时可以充当吸能单元，减少银纹的产生和发展，可以显著提高复合材料的冲击性能，尤其是低温冲击性能；
4、由于纳米丁腈橡胶中的纳米级别的橡胶颗粒均匀分散于复合材料体系，在摩擦过程中可以提供缓冲和吸能作用，从而显著提高复合材料的耐磨性；
5、在聚烯烃复合材料冷却成型过程中纳米丁腈橡胶可以充当结晶点，加快复合材料凝固成形，大幅提高成型速度。
具体实施方法
下面结合具体实施例对本发明内容进行进一步的说明，但所述实施例并非是对本发明实质精神的简单限定，任何基于本发明实质精神所作出的简单变化或等同替换均应属于本发明所要求保护的范围之内。
实施例中制备的样品在23℃、50%湿度环境下调节后，分别采用ASTM D790、ASTMD6110和ASTM D1242检测复合材料的弯曲强度、低温冲击强度和耐磨性，并记录其熔融挤压成型的速度。
本发明的具体实施例如下：
实施例1
（1）按以下比例配备原料：
均聚聚丙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶5份，
相容剂马来酸酐接枝聚丙烯1份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.04份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.06份，
热稳定剂硬脂酸钙0.1份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散10分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机中，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测其性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚丙烯复合材料性能见表一。
实施例2
（1）按以下比例配备原料：
均聚聚丙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶15份，
相容剂马来酸酐接枝聚丙烯2份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.08份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.12份，
热稳定剂硬脂酸钙0.2份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺1.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散15分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚丙烯复合材料性能见表一。
实施例3
（1）按以下比例配备原料：
均聚聚丙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶25份，
相容剂马来酸酐接枝聚丙烯3份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.12份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.18份，
热稳定剂硬脂酸钙0.3份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺2.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散20分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚丙烯复合材料性能见表一。
实施例4
（1）按以下比例配备原料：
均聚聚丙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶35份，
相容剂马来酸酐接枝聚丙烯4份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.16份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.24份，
热稳定剂硬脂酸钙0.4份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺3.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散25分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚丙烯复合材料性能见表一。
实施例5
（1）按以下比例配备原料：
均聚聚丙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶45份，
相容剂马来酸酐接枝聚丙烯5份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.2份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.3份，
热稳定剂硬脂酸钙0.5份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散30分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚丙烯复合材料性能见表一。
实施例6
（1）按以下比例配备原料：
聚乙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶5份，
相容剂马来酸酐接枝聚乙烯1份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.04份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.06份，
热稳定剂硬脂酸钡0.1份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散10分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚乙烯复合材料性能见表一。
实施例7
（1）按以下比例配备原料：
聚乙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶15份，
相容剂马来酸酐接枝聚乙烯2份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.08份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.12份，
热稳定剂硬脂酸钡0.2份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯1.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散15分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚乙烯复合材料性能见表一。
实施例8
（1）按以下比例配备原料：
聚乙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶25份，
相容剂马来酸酐接枝聚乙烯3份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.12份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.18份，
热稳定剂硬脂酸钡0.3份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯2.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散20分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚乙烯复合材料性能见表一。
实施例9
（1）按以下比例配备原料：
聚乙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶35份，
相容剂马来酸酐接枝聚乙烯4份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.16份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.24份，
热稳定剂硬脂酸钡0.4份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯3.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散25分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚乙烯复合材料性能见表一。
实施例10
（1）按以下比例配备原料：
聚乙烯树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶45份，
相容剂马来酸酐接枝聚乙烯5份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.2份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.3份，
热稳定剂硬脂酸钡0.5份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散30分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备纳米丁腈橡胶改性聚乙烯复合材料性能见表一。
对照实施例1
（1）按以下比例配备原料：
均聚聚丙烯树脂基体100份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.04份，
抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.06份，
热稳定剂硬脂酸钙0.1份，
润滑剂次乙基双硬脂酰胺0.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散10分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测性能。
所制备聚丙烯复合材料性能见表一。
对照实施例2
（1）按以下比例配备原料：
聚乙烯树脂基体100份，
抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯0.04份，
抗氧剂硫代二丙酸双十八醇酯0.06份，
热稳定剂硬脂酸钡0.1份，
润滑剂季戊四醇硬脂酸酯0.5份。
将以上物料均匀混合后置于高速混合机分散10分钟；
（2）将分散后的原料通过挤出机，原料经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
（3）将制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型为所需制件，并检测其性能。
所制备聚乙烯复合材料性能见表一。
表一：
性能 弯曲强度（MPa） 冲击强度（KJ/m<sup>2</sup> -20℃） 泰伯磨耗（mg/1000次） 成型速度(cm<sup>3</sup>/h)
实施例1 42 7.9 62 39
实施例2 44 8.1 61 41
实施例3 56 8.2 60 42
实施例4 48 8.5 58 44
实施例5 47 8.3 59 43
实施例6 29 4.8 69 33
实施例7 30 5.1 67 34
实施例8 33 5.4 64 38
实施例9 32 5.3 65 37
实施例10 31 5.1 66 35
对照实施例1 35 5.1 95 28
对照实施例2 24 3.2 100 26
由表一中数据，对比实施例1-5和对照实施例1可看出：本发明制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型制件后，其弯曲强度最大为48MPa，较改性前（对照实施例1）提高37.1%；低温冲击强度最大为8.5Kj/m2，较改性前提高66.7%；泰伯磨耗最小为58mg/100次，较改性前降低38.9%；成型速度最快为44cm3/h，较改性前提高57.1%。
对比实施例6-10和对照实施例2可看出：本发明制备的聚烯烃复合材料经熔融挤压工艺成型制件后，其弯曲强度最大为33MPa，较改性前（对照实施例2）提高37.5%；低温冲击强度最大为5.4Kj/m2，较改性前提高68.8%；泰伯磨耗最小为64mg/100次，较改性前降低36.0%；成型速度最快为38cm3/h，较改性前提高46.2%。
另外，本发明的制备工艺简单，可直接推动聚烯烃材料在快速成型领域的应用。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料，其特征在于：由以下组分按重量份制备而成：
树脂基体100份，
纳米丁腈橡胶5～45份，
相容剂1～5份，
抗氧剂0.1～0.5份，
热稳定剂0.1～0.5份，
润滑剂1.5～5份；
所述的树脂基体为均聚聚丙烯或聚乙烯；
所述的纳米丁腈橡胶为直径为50～100nm的淡黄色粉末状颗粒；
所述的润滑剂为次乙基双硬脂酰胺或季戊四醇硬脂酸酯。
2.根据权利要求1所述的聚烯烃复合材料，其特征在于：所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯或马来酸酐接枝聚乙烯。
3.根据权利要求1所述的聚烯烃复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯或硫代二丙酸双十八醇酯中两种。
4.根据权利要求1所述的聚烯烃复合材料，其特征在于：所述的热稳定剂为硬脂酸钙或硬脂酸钡。
5.一种如权利要求1所述的聚烯烃复合材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)按配比，将树脂基体100份、纳米丁腈橡胶5～45份、相容剂1～5份、抗氧剂0.1～0.5份、热稳定剂0.1～0.5份及润滑剂1.5～5份，置于高速混合机分散10～30分钟；
(2)将分散后的原料通过挤出机中，经熔融、塑化、挤出、牵引后，制得用于熔融层压快速成型的聚烯烃复合材料。
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