CN113308053A - 一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自发泡植物纤维改性聚丙烯珠粒及其制备方法，所述自发泡植物纤维改性聚丙烯及其制备方法是将聚丙烯，植物纤维，强碱、相容剂，抗氧剂，光稳定剂及其它助剂按照特定工艺相结合。本发明所述产品与传统发泡聚丙烯相比，无需额外使用发泡剂，利用植物纤维本身的分解产生泡孔结构，同时提升材料的力学性能。

Description

一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及聚丙烯及其组合物，具体涉及一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料及其制备方法。
技术背景：
发泡聚丙烯因其低密度、高强度、高耐热和良好的吸能减震特性被广泛应用于汽车、产品包装、体育用品、玩具等众多行业。目前主要的发泡方式有两种，包括化学发泡和物理发泡。化学发泡即在聚丙烯注塑成型时加入化学发泡剂，发泡剂在高温熔体中分解，产生泡孔结构；化学发泡剂通常是碳酸氢钠等能够分解出气体的化学物质，这种物质在高温作用下通常能够快速完成分解，产生的气体如果不能迅速困在塑料内部，就会逸出在制件表面，形成气痕缺陷，因此通常需要较为严苛的工艺条件和特殊配方。物理发泡通过在聚丙烯注塑成型过程通入高压惰性气体，气体与聚丙烯熔体均匀混合后从注塑机喷嘴注入模腔，由于压力瞬间降低，气核快速膨胀形成泡孔结构。这种发泡方式生产的制件通常表观较好，发泡倍率也较高，但设备投入大，需要一套独立的高压供气***，相关成型设备也需要进行特殊改造。
专利CN101538387A公开了一种聚丙烯发泡材料及其生产方法，通过向双螺杆挤出机中通入高压超临界N2或CO2，当聚丙烯熔体和高压气体混合均匀从机头挤出后，由于压力瞬间降低，高压气体迅速膨胀，形成泡孔结构，这种方法发泡效率高，泡孔细密均匀，但由于要将高压惰性气体压入挤出机，需要一套非常复杂的充气加压***，且对挤出机气密性要求极高。
专利CN109575448A公开了一种微发泡聚丙烯材料及其制备方法，使用化学发泡剂作为气源，分子筛作为发泡稳定剂，获得高发泡倍率以及更小的更均匀的泡孔，但这种方法所使用的发泡剂分解速度通常较块，很容易在成型制件表面产生气痕，产生不良品。
发明内容：
为解决上述问题，本发明提供了一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料及其制备方法。采用本发明的方法不用额外使用化学发泡剂或者惰性气体等气源，而是使用有机物分解产生的气体作为气源，分解残留又可作为增强材料，赋予材料较好的力学性能。同时，由于植物纤维分解较为缓和，气体不易逸出，制品外观良好。
本发明通过以下技术方案实施：
一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料，采用包括以下质量百分比的原料制备而成：
Figure BDA0003120579430000021
以上述所有原料质量总和为100％计。
优选的，一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料，采用包括以下质量百分比的原料制备而成：
Figure BDA0003120579430000031
以上述所有原料质量总和为100％计。
所述的聚丙烯为均聚、共聚中的一种或两种以上的组合物，熔体流动速率1～30g/10min(测试条件230℃，2.16Kg)，优选熔体流动速率2-25g/10min，更优选熔体流动速率3-20g/10min。
所述的植物纤维为麻纤维、木纤维、竹纤维、秸秆、谷糠、棉纤维、咖啡渣、甘蔗渣等各类植物纤维中的一种或两种以上的组合物，优选麻纤维、木纤维、竹纤维等纤维素含量较高的纤维类型。纤维类型可以是粉状、纤维状、片状或其组合物，优选粉状或短切纤维，更优选为粉状纤维。
所述的强碱为固体强碱，优选粉末状强碱，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡中的一种或多种混合物，优选氢氧化钠粉末。
所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)、马来酸酐接枝热塑性聚烯烃弹性体(POE-g-MAH)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯(PP-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯(PE-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝热塑性聚烯烃弹性体(POE-g-GMA)中的一或两种以上的组合物，优选甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝物，如甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯(PP-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯(PE-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝热塑性聚烯烃弹性体(POE-g-GMA)。
所述的抗氧剂包括主抗氧剂和和辅抗氧剂，所述的主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物。
所述的光稳定剂为受阻胺类、二苯甲酮类和苯并***类中的一种或两种以上的组合物。
所述的其它添加剂包括色粉、色母、润滑剂中的一种或两种以上的组合物。
本发明还提供该自发泡植物纤维改性聚丙烯材料的制备方法，将聚丙烯、植物纤维、强碱、相容剂、抗氧剂、光稳定剂和其它添加剂充分混合均匀，然后采用挤出机挤出熔融塑化。
优选的，所述熔融塑化的温度160～260℃，优选熔融塑化温度为180～250℃，更优选熔融塑化温度为200～240℃。挤出机机头温度为120-200℃，优选挤出机机头温度为130-180℃，更优选挤出机机头温度为140-160℃。
优选的，所述植物纤维为干燥后的植物纤维，其含水率为0-0.5wt.％，优选含水率为0.1-0.4wt.％。
优选的，所述植物纤维在90-150℃条件下干燥，优选干燥温度为100-140℃，更优选105-120℃。
优选的，原料混合物在高速混合机中混合，混合时间1～30min，优选混合时间2-20min，更优选混合时间5-10min。
优选的，所述高速混合机的转速为60-200rpm，更优选高速混合机转速为100-150rpm。
所述挤出机可以是双螺杆挤出机、单螺杆挤出机，优选双螺杆挤出机。熔融塑化温度控制在160～260℃，优选熔融塑化温度控制在180～250℃，更优选熔融塑化温度控制在200～240℃。挤出机机头温度控制在120-200℃，优选挤出机机头温度控制在130-180℃，更优选挤出机机头温度控制在140-160℃。塑化后随后挤出、切粒、离心烘干。
本发明有益效果在于：
1、本发明通过粉末状的强碱与植物纤维、聚丙烯混合，强碱可以使纤维分解产生气体，无需额外添加其他发泡剂，更加环保；由于植物纤维分解较为缓和，气体不易逸出，制品外观良好，气泡均匀。
2、植物纤维分解后，纤维残留物为强度更高的纤维素，可以提升材料力学性能。
3、操作工艺简单，无需额外增加设备投入。
附图说明
图1是实施例1制备的植物纤维发泡聚丙烯珠粒断面图。
具体实施方法
下面通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本申请，不应视为对本申请的具体限制。
原料来源：
EP5175，利安德巴塞尔，共聚聚丙烯，熔融指数3.5g/10min(测试条件230℃，2.16Kg)；
6012，天津中沙石化，均聚聚丙烯，熔融指数11g/10min(测试条件230℃，2.16Kg)；
麻纤维，杭州高科复合材料有限公司，5mm短切麻纤维；
麻纤维(预处理)，杭州高科复合材料有限公司，麻纤维在7.5％氢氧化钠水溶液中浸泡12小时，浸泡温度60℃，后经水洗、烘干、短切制得，纤维长度5mm；
竹纤维，杭州高科复合材料有限公司，竹纤维粉；
甘蔗渣，杭州高科复合材料有限公司，粉碎粉料；
氢氧化钠，SigmapAldrich，纯度99.9％；
氢氧化钾，SigmapAldrich，纯度99.9％；
氢氧化钙，SigmapAldrich，纯度99.9％；
氢氧化钡，SigmapAldrich，纯度99.9％；
相容剂SOG-02，佳易容聚合物(上海)有限公司；
辅抗氧剂168，新秀化学(烟台)有限公司；
主抗氧剂1010，新秀化学(烟台)有限公司；
光稳定剂5585，新秀化学(烟台)有限公司；
硬脂酸锌，发基化学品(张家港有限公司)。
一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料，其制备方法为：
A.将植物纤维放入烘箱中烘干，祛除其中多余水分，烘干温度105℃，烘干时间2H。
B.按重量比称取聚丙烯、烘干后的植物纤维、氢氧化钠、相容剂、抗氧剂、光稳定剂和其它添加剂，然后放入高速混合机中混合10min，高混机转速为120rpm。
C.按比例将步骤B所得混合物加入挤出机中熔融塑化，所述挤出机为双螺杆挤出机、螺杆长径比(L/D)为48。熔融塑化温度控制在180～200℃，机头温度控制在140-160℃。塑化后随后挤出、切粒、离心烘干。
表1中各原料加入量均为其质量，单位：g
表1：实施例和对比例各组分加入量及性能
Figure BDA0003120579430000071
通过上表和图1可以看出，利用植物纤维可以在聚丙烯中形成泡孔结构，降低材料密度，植物纤维分解残留可起到一定程度的增强作用。

Claims (7)

1.一种自发泡植物纤维改性聚丙烯材料，其特征在于，采用包括以下质量百分比的原料制备而成：
Figure FDA0003120579420000011
以上述所有原料质量总和为100％计。
2.根据权利要求1所述的改性聚丙烯材料，其特征在于，采用包括以下质量百分比的原料制备而成：
Figure FDA0003120579420000012
以上述所有原料质量总和为100％计。
3.根据权利要求1所述的改性聚丙烯材料，其特征在于：所述的聚丙烯为均聚、共聚中的一种或两种以上的组合物，熔体流动速率1～30g/10min(测试条件230℃，2.16Kg)，优选熔体流动速率2-25g/10min，更优选熔体流动速率3-20g/10min；
优选的，所述的植物纤维为麻纤维、木纤维、竹纤维、秸秆、谷糠、棉纤维、咖啡渣、甘蔗渣等各类植物纤维中的一种或两种以上的组合物，优选麻纤维、木纤维、竹纤维等纤维素含量较高的纤维类型；纤维类型可以是粉状、纤维状、片状或其组合物，优选粉状或短切纤维，更优选为粉状纤维；
优选的，所述植物纤维为干燥后的植物纤维，其含水率为0-0.5wt.％，优选含水率为0.1-0.4wt.％；
优选的，所述植物纤维在90-150℃条件下干燥，优选干燥温度为100-140℃，更优选105-120℃。
4.根据权利要求1所述的改性聚丙烯材料，其特征在于：所述的强碱为固体强碱，优选粉末状强碱，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡中的一种或多种的混合物，优选氢氧化钠粉末。
5.根据权利要求1所述的改性聚丙烯材料，其特征在于：所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)、马来酸酐接枝热塑性聚烯烃弹性体(POE-g-MAH)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯(PP-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯(PE-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝热塑性聚烯烃弹性体(POE-g-GMA)中的一或两种以上的组合物，优选甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯(PP-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚乙烯(PE-g-GMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝热塑性聚烯烃弹性体(POE-g-GMA)；
优选的，所述的抗氧剂包括主抗氧剂和和辅抗氧剂，所述的主抗氧剂为受阻酚类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物；所述辅抗氧剂为亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或两种以上的组合物；
优选的，所述的光稳定剂为受阻胺类、二苯甲酮类和苯并***类中的一种或两种以上的组合物；
优选的，所述的其它添加剂包括色粉、色母、润滑剂中的一种或两种以上的组合物。
6.根据权利要求1-5任一项所述的改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于：将聚丙烯、植物纤维、强碱、相容剂、抗氧剂、光稳定剂和其它添加剂充分混合均匀，然后采用挤出机挤出熔融塑化。
7.根据权利要求6所述的改性聚丙烯材料的制备方法，其特征在于：所述熔融塑化的温度160～260℃，优选熔融塑化温度为180～250℃，更优选熔融塑化温度为200～240℃；挤出机机头温度为120-200℃，优选挤出机机头温度为130-180℃，更优选挤出机机头温度为140-160℃；
优选的，原料混合物在高速混合机中混合，混合时间1～30min，优选混合时间2-20min，更优选混合时间5-10min；
优选的，所述高速混合机的转速为60-200rpm，更优选高速混合机转速为100-150rpm；熔融塑化温度为160～260℃，优选熔融塑化温度为180～250℃，更优选200～240℃；挤出机机头温度为120-200℃，优选挤出机机头温度为130-180℃，更优选140-160℃。
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