CN106496765B - 一种轻质高比强度改性聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质高比强度改性聚丙烯材料及其制备方法，由以下组分、配比混合制备而成，原料各组分按质量百分含量配比为：聚丙烯48％～75％，增韧剂10％～25％，轻质粉体填料4％～20％，短切玻纤6％～15％，相容剂2％～10％，润滑剂1％～3％，偶联剂0.5％～3％，抗氧剂0.4％～1％。本发明选用空心无机粉体填料作为填充材料，短切玻纤作为增强材料，充分利用二者的协同作用，并通过合理的改性工艺及制备方法，在改善空心无机粉体与树脂间结合牢度的同时确保了空心无机粉体粒子结构的完整性，使最终材料兼具低密度与高强度的优异性能。本发明的轻质高比强度改性聚丙烯材料可满足汽车、家电、轨道交通、航空航天、轮船、潜艇等制造领域及现代海绵城市建设领域绝大多数塑料性能要求，促进上述领域节能减排及低碳环保发展。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种以聚丙烯为主要原料进行改性制备轻质高比强度材料技术，制备的轻质高比强度改性聚丙烯材料可在汽车、家电、轨道交通、航空航天、轮船、潜艇等制造领域及现代海绵城市建设领域中广泛应用。
背景技术
聚丙烯是塑料产业中发展最为迅速的品种之一，它具有力学性能好、比重轻、无毒、耐腐蚀、易加工等优点，而且原料易得、价格低廉，因而在家电、汽车以及包装等领域得到了广泛的应用。但聚丙烯材料具有收缩率大，制品尺寸稳定性差，容易产生翘曲变形；低温易断裂、低温韧性差；耐光、耐热老化性能差等缺点，必须对聚丙烯材料进行改性。改性聚丙烯常用方法有填充、增强、共混等物理改性法以及共聚、交联、接枝等化学改性法，其中物理改性法应用最为普遍。目前，工业生产中一般会使用如滑石粉、云母、碳酸钙、炭黑、硅灰石、玻璃纤维等无机矿物质作为填充增强组份，通过共混改性改善聚丙烯材料的冲击韧性及耐低温性，提高聚丙烯材料的刚性、耐热性及尺寸稳定性，以满足最终塑料制品的使用要求。但是由于这些无机矿物质填料的密度往往比聚丙烯的密度大，在聚丙烯中加入后会相对增加最终产品的比重。大量试验表明，当聚丙烯中无机矿物质填料填充量由0增加到40wt.％时，材料密度会由纯聚丙烯的0.89g/cm3～0.92g/cm3迅速增加到1.20g/cm3～1.24g/cm3。
现今，塑料与钢材、木材、水泥一同构成了现代工业的四大基础材料，并且随着材料技术的发展以及节能、低碳环保要求的不断提高，其应用领域已远远超越另外三大传统产业。以塑代钢、以塑代木早已成为汽车、家电、轨道交通、航空航天、轮船、潜艇等轻量化的重要途径。然而，针对塑料改性及加工成型的报道和专利随处可见，针对塑料轻量化的研究和专利却凤毛麟角。虽然专利CN 104629174 A公开了一种轻质聚丙烯材料、专利CN104774377 A公开了一种轻质环保聚丙烯复合料，但认真考察其配方组成可以发现，这些所谓的轻质聚丙烯材料中并没有真正能起到轻质化的组分，且说明书中均未提到最终聚丙烯材料与常规市面材料在密度方面的优势。另一方面即便有少数国外产品能满足要求，但价格十分昂贵，导致最终产品性价比较低，严格限制了该材料的大规模工业化实施和应用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有改性聚丙烯材料密度大、性价比低、难以在工业上实施的缺陷，而提供一种性价比高、可大规模工业化实施的轻质高比强度改性聚丙烯材料。
本发明的目的还在于提供一种轻质高比强度改性聚丙烯材料的制备方法。
为实现本发明的上述目的，本发明一种轻质高比强度改性聚丙烯材料采用以下技术方案：
本发明一种轻质高比强度改性聚丙烯材料是由以下组分、配比混合制备而成，原料各组分按质量百分含量配比如下：
本发明一种轻质高比强度改性聚丙烯材料，原料各组分按质量百分含量配比优选为：
本发明一种轻质高比强度改性聚丙烯材料，原料各组分按质量百分含量配比进一步优选为：
所述的聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或两者的混合物，其熔体流动速率为10g/10min～100g/10min。
所述的增韧剂为三元乙丙橡胶、聚烯烃弹性体中的一种或两者的混合物。
所述的轻质粉体填料为粒径分布在2μm～200μm之间、真密度不超过0.65g/cm3、抗气压强度≧10MPa的空心无机粉体填料，优选漂珠、空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠中的一种或两种及以上的混合物。
所述的短切玻纤为长度在3.0mm～6.0mm、纤维直径在10μm～13μm的聚丙烯专用无碱短切玻纤。
所述的相容剂为马来酸酐接枝率在0.60％～0.95％之间的马来酸酐接枝聚合物，优选马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚烯烃弹性体中的一种或两种及以上的混合物。
所述的润滑剂为烃类、脂肪酸及其酯类、金属皂类中的一种或两种及以上的混合物。
所述的偶联剂为含氨基类硅烷偶联剂。
所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的混合物。
本发明一种轻质高比强度改性聚丙烯材料的制备方法采用以下工艺步骤：
(1)将配方量的聚丙烯、增韧剂、相容剂、润滑剂和抗氧剂在高速混合机中混合，高速混合机转速控制在500rpm～1500rpm，最终物料温度控制在70℃～80℃，物料混合均匀后卸料备用；
(2)将配方量的轻质粉体填料、偶联剂加入高速混合机中进行轻质粉体填料活化改性，高速混合机转速控制在500rpm～1000rpm，最终物料温度控制在85℃～95℃；
(3)将步骤(2)制备的物料与短切玻纤在高速混合机中室温下混合均匀，高速混合机转速控制在300rpm～500rpm；
(4)将步骤(1)和步骤(2)制备的物料及短切玻纤，或者步骤(1)和步骤(3)制备的物料分别从主喂料口和侧喂料口送入双螺杆挤出机中熔融、混炼、造粒；挤出加工时，机筒温度控制在180℃～240℃。
通过以上技术方案的实施，与现有技术相比，本发明一种轻质高比强度改性聚丙烯材料及其制备方法具有诸多优点：
1.预先通过偶联剂对轻质粉体填料进行表面活化处理，有效改善了无机填料在有机树脂中的分散性及其与有机树脂间的结合牢度，并且通过侧喂料口引入确保了空心无机粉体填料的结构完整性，达到材料轻质化的目的。
2.采用刚性轻质粉体填料作为减轻剂，能够在改善材料机械性能的同时精确控制材料密度，有效防止玻纤外漏，并且所用原材料来源广泛，国产产品即可满足要求，所得材料性价比高。
3.本发明充分利用轻质粉体填料与短切玻纤的协同效果，在降低材料低密度的同时有效提高了材料的机械强度。
4.本发明材料密度低、强度高，可满足汽车、家电、轨道交通、航空航天、轮船、潜艇等制造领域及现代海绵城市建设领域绝大多数塑料性能要求，促进上述领域节能减排及低碳环保发展，且制备工艺简单，可大规模工业化实施。
具体实施方式
为更好地描述本发明，下面结合实施例，对本发明用于种轻质高比强度改性聚丙烯材料及其制备方法做进一步详细说明。但本发明并不局限于实施例。实施例中所涉及百分比均按重量百分比计。
实施例1：
一种轻质高比强度改性聚丙烯材料，其配方如下：
其制备方法包括以下步骤：
a.将配方量的M2600R、EPDM3745P、马来酸酐接枝聚丙烯、聚乙烯蜡和抗氧剂1010在高速混合机中混合，高速混合机转速控制在500rpm～1500rpm，最终物料温度控制在70℃～80℃，物料混合均匀后卸料备用；
b.将配方量的GS60、KH-550加入高速混合机中进行活化改性，高速混合机转速控制在500rpm～1000rpm，最终物料温度控制在85℃～95℃；
c.将步骤b制备的物料与T438在高速混合机中室温下混合均匀，高速混合机转速控制在300rpm～500rpm；
d.将步骤a和步骤b制备的物料及T438，或者步骤a和步骤c制备的物料分别从主喂料口和侧喂料口送入双螺杆挤出机中熔融、混炼、造粒，挤出加工时，机筒温度控制在180℃～240℃。
实施例2：
一种轻质高比强度改性聚丙烯材料，其配方如下：
其制备方法包括以下步骤：
a.将配方量的Y3000、POE5371、马来酸酐接枝聚丙烯、聚乙烯蜡和抗氧剂1010在高速混合机中混合，高速混合机转速控制在500rpm～1500rpm，最终物料温度控制在70℃～80℃，物料混合均匀后卸料备用；
b.将配方量的GS60、KH-550加入高速混合机中进行活化改性，高速混合机转速控制在500rpm～1000rpm，最终物料温度控制在85℃～95℃；
c.将步骤b制备的物料与S508A在高速混合机中室温下混合均匀，高速混合机转速控制在300rpm～500rpm；
d.将步骤a和步骤b制备的物料及S508A，或者步骤a和步骤c制备的物料分别从主喂料口和侧喂料口送入双螺杆挤出机中熔融、混炼、造粒，挤出加工时，机筒温度控制在180℃～240℃。
实施例3：
一种轻质高比强度改性聚丙烯材料，其配方如下：
其制备方法包括以下步骤：
a.将配方量的K9920、K2420、POE5371、马来酸酐接枝聚丙烯、聚乙烯蜡和抗氧剂1010在高速混合机中混合，高速混合机转速控制在500rpm～1500rpm，最终物料温度控制在70℃～80℃，物料混合均匀后卸料备用；
b.将配方量的GS60、KH-550加入高速混合机中进行活化改性，高速混合机转速控制在500rpm～1000rpm，最终物料温度控制在85℃～95℃；
c.将步骤b制备的物料与S508A在高速混合机中室温下混合均匀，高速混合机转速控制在300rpm～500rpm；
d.将步骤a和步骤b制备的物料及S508A，或者步骤a和步骤c制备的物料分别从主喂料口和侧喂料口送入双螺杆挤出机中熔融、混炼、造粒，挤出加工时，机筒温度控制在180℃～240℃。
以上实施例1～实施例3所制得的轻质高比强度改性聚丙烯材料的物性参数如表1所示：
表1实施例1～3制得的轻质高比强度改性聚丙烯材料的物性参数
从表1可以看出，本发明所得轻质高比强度改性聚丙烯材料具有较低的密度和优异的机械性能，与现有技术相比具有实质特点和显著的进步。本发明所得轻质高比强度改性聚丙烯材料适合于汽车、家电、轨道交通、航空航天、轮船、潜艇等制造领域及现代海绵城市建设领域绝大多数塑料性能要求。
以上实施例仅供本发明说明之用，并不能以此限制本发明的保护范围，熟悉该领域的技术人员根据本发明的精神实质还可以做出各种变换或修饰，因此所有同等的技术方案也都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种轻质高比强度改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于是由以下组分混合制备而成，原料各组分按质量百分含量为：
所述的聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或两者的混合物，其熔体流动速率为10g/10min～100g/10min；所述的增韧剂为三元乙丙橡胶、聚烯烃弹性体中的一种或两者的混合物；所述的轻质粉体填料为粒径分布在2μm～200μm之间、真密度不超过0.65g/cm3、抗气压强度≧10MPa的空心无机粉体填料；所述的短切玻纤为长度在3.0mm～6.0mm、纤维直径在10μm～13μm的聚丙烯专用无碱短切玻纤；所述的相容剂为马来酸酐接枝率在0.60％～0.95％之间的马来酸酐接枝聚合物；所述的润滑剂为烃类、脂肪酸及其酯类、金属皂类中的一种或两种及以上的混合物；所述的偶联剂为含氨基类硅烷偶联剂；所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的混合物；
采用以下工艺步骤：
(1)将聚丙烯、增韧剂、相容剂、润滑剂和抗氧剂在高速混合机中混合，高速混合机转速控制在500rpm～1500rpm，最终物料温度控制在70℃～80℃，物料混合均匀后卸料备用；
(2)将轻质粉体填料、偶联剂加入高速混合机中进行轻质粉体填料活化改性，高速混合机转速控制在500rpm～1000rpm，最终物料温度控制在85℃～95℃；
(3)将步骤(2)制备的物料与短切玻纤在高速混合机中室温下混合均匀，高速混合机转速控制在300rpm～500rpm；
(4)将步骤(1)和步骤(2)制备的物料及短切玻纤，或者步骤(1)和步骤(3)制备的物料分别从主喂料口和侧喂料口送入双螺杆挤出机中熔融、混炼、造粒；挤出加工时，机筒温度控制在180℃～240℃。
2.一种轻质高比强度改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于是由以下组分混合制备而成，原料各组分按质量百分含量为：
所述的聚丙烯为均聚聚丙烯、共聚聚丙烯或两者的混合物，其熔体流动速率为10g/10min～100g/10min；所述的增韧剂为三元乙丙橡胶、聚烯烃弹性体中的一种或两者的混合物；所述的轻质粉体填料为粒径分布在2μm～200μm之间、真密度不超过0.65g/cm3、抗气压强度≧10MPa的空心无机粉体填料；所述的短切玻纤为长度在3.0mm～6.0mm、纤维直径在10μm～13μm的聚丙烯专用无碱短切玻纤；所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、马来酸酐接枝聚烯烃弹性体中的一种或两种及以上的混合物；所述的润滑剂为烃类、脂肪酸及其酯类、金属皂类中的一种或两种及以上的混合物；所述的偶联剂为含氨基类硅烷偶联剂；所述的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂与亚磷酸酯类抗氧剂的混合物；
采用以下工艺步骤：
(1)将聚丙烯、增韧剂、相容剂、润滑剂和抗氧剂在高速混合机中混合，高速混合机转速控制在500rpm～1500rpm，最终物料温度控制在70℃～80℃，物料混合均匀后卸料备用；
(2)将轻质粉体填料、偶联剂加入高速混合机中进行轻质粉体填料活化改性，高速混合机转速控制在500rpm～1000rpm，最终物料温度控制在85℃～95℃；
(3)将步骤(2)制备的物料与短切玻纤在高速混合机中室温下混合均匀，高速混合机转速控制在300rpm～500rpm；
(4)将步骤(1)和步骤(2)制备的物料及短切玻纤，或者步骤(1)和步骤(3)制备的物料分别从主喂料口和侧喂料口送入双螺杆挤出机中熔融、混炼、造粒；挤出加工时，机筒温度控制在180℃～240℃。
3.如权利要求1或2所述的一种轻质高比强度改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于：所述的空心无机粉体填料为漂珠、空心玻璃微珠、空心陶瓷微珠中的一种或两种及以上的混合物。
4.一种轻质高比强度改性聚丙烯材料的制备方法，在于是由以下组分混合制备而成，原料各组分按质量百分含量为：
其制备方法包括以下步骤：
a.将M2600R、EPDM3745P、马来酸酐接枝聚丙烯、聚乙烯蜡和抗氧剂1010在高速混合机中混合，高速混合机转速控制在500rpm～1500rpm，最终物料温度控制在70℃～80℃，物料混合均匀后卸料备用；
b.将GS60、KH-550加入高速混合机中进行活化改性，高速混合机转速控制在500rpm～1000rpm，最终物料温度控制在85℃～95℃；
c.将步骤b制备的物料与T438在高速混合机中室温下混合均匀，高速混合机转速控制在300rpm～500rpm；
d.将步骤a和步骤b制备的物料及T438，或者步骤a和步骤c制备的物料分别从主喂料口和侧喂料口送入双螺杆挤出机中熔融、混炼、造粒，挤出加工时，机筒温度控制在180℃～240℃。
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