CN108384124A - 一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料及其制备方法。一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，按重量百分比计其原料由下列组分组成：68～82％共聚聚丙烯、6～20％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料、1～5％弹性体、0.1～0.5％偶联剂、0.1‑0.3％抗氧剂，所述无机矿物组合填料按重量百分比计由18～65％球状玻璃微珠、15～35％针状硅灰石、8～28％纤维状海泡石、12～36％片状膨润土组成。本发明的聚丙烯复合材料制备的薄壁化产品具备具有高流动性、高模量、高韧性的力学性能。

Description

一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料及 其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料及其制备方法，属聚丙烯及其复合材料轻量化技术领域。

背景技术

为了响应国家节能与新能源汽车发展规划，汽车轻量化技术的开发与应用势在必行，其中采用轻量化的替代材料是业内普遍认同且前景最为可观的轻量化技术。

目前主流车用塑料零件，传统壁厚一般以2.5-3.0mm为主，薄壁化零件已经逐渐将壁厚减到1.8-2.2mm，低密度材料的应用可以使零件减重5-10％不等。如果将上述两种方法结合起来，薄壁化同时尽可能降低材料密度，那么减重的效果将更加明显。但薄壁化零件所用材料本身刚性较高，单纯密度降低会造成弯曲模量等性能下降。

本发明研制出在确保优良的物理性能和低成型收缩率的同时，具有更低的密度、更稳定的熔体流动性低密度聚丙烯复合材料，实现进一步轻量化的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料。

本发明的另一目的在于提供一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料的制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，按重量百分比计其原料由下列组分组成：68～82％共聚聚丙烯、6～20％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料、1～5％弹性体、0.1～0.5％偶联剂、0.1-0.3％抗氧剂，所述无机矿物组合填料按重量百分比计由18～65％球状玻璃微珠、15～35％针状硅灰石、8～28％纤维状海泡石、12～36％片状膨润土组成。。

进一步的，上述球状玻璃微珠平均粒径为12～130纳米，比表面积为22～55m²/g。

进一步的，上述针状硅灰石平均粒径为50～350纳米，长径比为65:1～180:1，比表面积2～8m²/g。

进一步的，上述纤维状海泡石平均粒径为0.1～35微米，长径比为120:1～230:1，比表面积10～16m²/g。

进一步的，上述片状膨润土平均粒径为1～75微米，长径比为150:1～260:1，比表面积18～30m²/g。

进一步的，上述所述弹性体选自POE、EPDM、SBS、SEBS中至少一种。

进一步的，上述偶联剂为硅烷偶联剂KH560。

进一步的，上述抗氧剂为抗氧剂1010。

一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)、将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为球状玻璃微珠和片状膨润土总重量的3％；将球状玻璃微珠、片状膨润土分别用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡2～5分钟，挥发除去乙醇；

2)、将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的球状玻璃微珠通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得到直径为0.2-18μm小尺寸晶体母粒；

3)、将均聚聚丙烯与经步骤1)处理的片状膨润土通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；

4)、将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为针状硅灰石和纤维状海泡石总重量的3％；将针状硅灰石、纤维状海泡石、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；

5)、再将小尺寸晶体母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里，混合25～30分钟，温度50～70℃；

1)、将步骤5)中混好的物料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

本发明的有益效果是：通过球状玻璃微珠成核效果，形成小尺寸聚丙烯晶粒，既提高了聚丙烯复合材料强度的同时，又不增加聚丙烯复合材料的密度；通过针状硅灰石、纤维状海泡石填料的不同形态组合达到对复合材料收缩率的控制和模量的提升；片状膨润土的加入增强了聚丙烯复合材料熔融状态下的流动性；通过填料粒径分布、长径比分布、比表面积分布的筛选，达到无机填料尺寸效应的协同，填料的表面处理，晶体母粒与增强母粒的制备，使得聚丙烯复合材料具有高流动性、高模量、高韧性的力学性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

以下各实施例和对比例中，球状玻璃微珠平均粒径为12～130纳米，比表面积22～55m²/g；针状硅灰石平均粒径为50～350纳米，长径比为65:1～180:1，比表面积2～8m²/g；纤维状海泡石平均粒径为0.1～35微米，长径比为120:1～230:1，比表面积10～16m²/g；片状膨润土平均粒径为1～75微米，长径比为150:1～260:1，比表面积18～30m²/g。

实施例1

可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，按重量百分比计其原料由下列组分组成：74％共聚聚丙烯、13％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料(38％球状玻璃微珠、26％针状硅灰石、20％纤维状海泡石、16％片状膨润土)、2.5％POE弹性体、0.3％硅烷偶联剂KH560、0.2％抗氧剂1010(即四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。

制备方法如下：

1)、将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为球状玻璃微珠和片状膨润土总重量的3％；将球状玻璃微珠、片状膨润土分别用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡2～5分钟，挥发除去乙醇；

2)、将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的球状玻璃微珠通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得到直径为0.2-18μm小尺寸晶体母粒；

3)、将均聚聚丙烯与经步骤1)处理的片状膨润土通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；

4)、将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为针状硅灰石和纤维状海泡石总重量的3％；将针状硅灰石、纤维状海泡石、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；

5)、再将小尺寸晶体母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里，混合25～30分钟，温度50～70℃；

6)、将步骤5)中混好的物料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。

其中，所有双螺杆挤出机的螺杆长径比为48：1，分九区控温的双螺杆挤出机中进行挤出造粒，一至九区加工温度依次为：198℃，194℃，190℃，196℃，200℃，205℃，195℃，200℃，205℃，机头温度210℃，主机频率25～35HZ，喂料频率18～23HZ，熔体压力3.0～4.0MPa，真空度-0.03～-0.06MPa，切粒机转速350～450rpm。

对制备的复合材料进行性能测试，结果如表1所述。

实施例2

各原料的选择和用量具体如下：78％共聚聚丙烯、9％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料(30％球状玻璃微珠、32％针状硅灰石、24％纤维状海泡石、14％片状膨润土)、2.5％EPDM弹性体、0.3％硅烷偶联剂KH560、0.2％抗氧剂1010。制备方法同实施例1。

同样，对制备的复合材料进行性能测试，结果如表1所述。

实施例3

各原料的选择和用量具体如下：80％共聚聚丙烯、8％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料(28％球状玻璃微珠、16％针状硅灰石、22％纤维状海泡石、34％片状膨润土)、1.5％POE弹性体、0.3％硅烷偶联剂KH560、0.2％抗氧剂1010。制备方法同实施例1。

对制备的复合材料进行性能测试，结果如表1所述。

实施例4

各原料的选择和用量具体如下：68％共聚聚丙烯、19％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料(24％球状玻璃微珠、33％针状硅灰石、26％纤维状海泡石、17％片状膨润土)、2.5％SEBS弹性体、0.3％硅烷偶联剂KH560、0.2％抗氧剂1010。制备方法同实施例1。

对制备的复合材料进行性能测试，结果如表1所述。

实施例5

各原料的选择和用量具体如下：82％共聚聚丙烯、6％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料(62％球状玻璃微珠、16％针状硅灰石、10％纤维状海泡石、12％片状膨润土)、1.5％SBS弹性体、0.3％硅烷偶联剂KH560、0.2％抗氧剂1010。制备方法同实施例1。

对比例1

各原料的选择和用量具体如下：75％共聚聚丙烯、14％均聚聚丙烯、8％无机矿物组合填料(38％球状玻璃微珠、26％针状硅灰石、20％纤维状海泡石、16％片状膨润土)、2.5％POE弹性体、0.3％硅烷偶联剂KH560、0.2％抗氧剂1010(即四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。制备方法同实施例1。

对比例2

各原料的选择和用量具体如下：73％共聚聚丙烯、12％均聚聚丙烯、12％无机矿物组合填料(38％球状玻璃微珠、26％针状硅灰石、20％纤维状海泡石、16％片状膨润土)、2.5％POE弹性体、0.3％硅烷偶联剂KH560、0.2％抗氧剂1010(即四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。制备方法同实施例1。

对制备的复合材料进行性能测试，结果如表1所述。

对上述实施例1～5和对比例1、2中制备的样品进行各种性能测试的方法如下：

比重按ASTM D792标准进行检测；

收缩率(MD)按ASTM D995标准进行检测；

熔融指数按ASTM D1238(230℃/2.16kg)标准进行检测；

洛氏硬度按ASTM D785标准进行检测；

拉伸强度和断裂伸长率按ASTM D638标准进行检测；

弯曲强度和弯曲模量按ASTM D790标准进行检测；

悬臂梁缺口冲击强度按ASTM D256标准进行检测；

热变形温度按ASTM D648标准进行检测。

表1各实施例制备的复合材料的性能及对比

球状玻璃微珠对于聚丙烯复合材料的密度控制非常理想，针状硅灰石和纤维状海泡石有利于复合材料弯曲强度与弯曲模量的提升，片状膨润土针对于熔融指数的增加有很大的帮助。通过不同形态的无机填料尺寸效应的配合，比表面积的配合制备出高流动性、高模量、高韧性薄壁化聚丙烯复合材料。

从表1中可看出，对比例1无机矿物组合填料低于10％，复合物密度没有明显下降，但是拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量等力学性能明显降低，无法满足使用。对比例2无机矿物组合填料高于10％，密度大幅度增加，无法满足薄壁轻量化的要求，熔融指数降低明显，无法满足高流动性要求。实施例1～5采用重量百分比为10％的无机矿物组合填料，所制备的聚丙烯复合材料实现了薄壁化产品具备低密度、高弯曲模量、弯曲强度、熔融指数的目的，密度≤0.95g/cm3,，弯曲模量大于2.8Gpa，熔融指数≥16g/10min，悬臂梁缺口冲击强度≥32J/m。实施例1制备的样品综合性能最优，密度降低到0.92g/cm3，弯曲模量3.01Gpa，熔融指数21g/10min，悬臂梁缺口冲击强度35J/m。

Claims (9)

1.一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于按重量百分比计其原料由下列组分组成：68～82％共聚聚丙烯、6～20％均聚聚丙烯、10％无机矿物组合填料、1～5％弹性体、0.1～0.5％偶联剂、0.1-0.3％抗氧剂，所述无机矿物组合填料按重量百分比计由18～65％球状玻璃微珠、15～35％针状硅灰石、8～28％纤维状海泡石、12～36％片状膨润土组成。

2.根据权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述球状玻璃微珠平均粒径为12～130纳米，比表面积为22～55m²/g。

3.根据权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述针状硅灰石平均粒径为50～350纳米，长径比为65:1～180:1，比表面积2～8m²/g。

4.根据权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述纤维状海泡石平均粒径为0.1～35微米，长径比为120:1～230:1，比表面积10～16m²/g。

5.根据权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述片状膨润土平均粒径为1～75微米，长径比为150:1～260:1，比表面积18～30m²/g。

6.根据权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述弹性体选自POE、EPDM、SBS、SEBS中至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂KH560。

8.根据权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为抗氧剂1010。

9.权利要求1所述的一种可用于薄壁化注塑件的低密度高性能聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为球状玻璃微珠和片状膨润土总重量的3％；将球状玻璃微珠、片状膨润土分别用配制好的偶联剂乙醇溶液浸泡2～5分钟，挥发除去乙醇；

2)、将共聚聚丙烯与经步骤1)处理的球状玻璃微珠通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得到直径为0.2-18μm小尺寸晶体母粒；

3)、将均聚聚丙烯与经步骤1)处理的片状膨润土通过双螺杆挤出机熔融挤出、造粒，得增强母粒；

4)、将偶联剂配制成1～3wt％的偶联剂乙醇溶液，偶联剂用量为针状硅灰石和纤维状海泡石总重量的3％；将针状硅灰石、纤维状海泡石、弹性体与配制好的偶联剂乙醇溶液于高速混料机里混合3～8分钟，温度50～70℃；

5)、再将小尺寸晶体母粒和增强母粒加入步骤4)中的高速混料机里，混合25～30分钟，温度50～70℃；

6)、将步骤5)中混好的物料和抗氧剂置于双螺杆挤出机中，经熔融挤出、造粒。