CN114621521A - 一种长纤维增强聚丙烯材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长纤维增强聚丙烯材料及其制备方法和应用，所述长纤维增强聚丙烯材料按重量份计，包括以下组分：聚丙烯29‑70份、超高分子量聚乙烯3‑10份、聚乙烯醇缩丁醛3‑15份、马来酸酐接枝POE 3‑8份、长玻璃纤维20‑50份、硅灰石0.3‑1.2份。本发明提供的长纤维增强聚丙烯材料不仅具有光滑、良好的表面外观，同时拉伸强度和缺口冲击强度高，韧性优良，挤出性能良好，适合用于挤出成型工艺中。

Description

一种长纤维增强聚丙烯材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子技术领域，具体涉及一种长纤维增强聚丙烯材料及其制备方法和应用。
背景技术
LFT材料(长纤维增强热塑性材料)因其高强、高刚等优点广泛应用在汽车零件如前端框架、风扇支架、仪表板骨架、5G天线罩、工业风扇、电动工具等领域，以上零件主要为注塑成型，但是LFT材料韧性不好,限制了其在抗冲击、抗跌落环境下的使用。此外，LFT材料在挤出成型工艺领域鲜有报道，主要原因在于：LFT材料经历挤出过程时制件平面易塌陷，无法连续生产；表面浮纤严重，长纤维易穿刺到制件表面；以及挤出制件易变形等问题。因此，如何开发出一种适用于挤出成型的LFT材料，并且提高材料的韧性，适用于跌落和抗冲击的工况环境，是亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种长纤维增强聚丙烯材料及其制备方法。本发明提供的长纤维增强聚丙烯材料不仅具有良好的韧性，还具有良好的外观，非常适用于挤出成型工艺中以制备材料。
具体通过以下技术方案实现：
一种长纤维增强聚丙烯材料，按重量份计，包括以下组分：
Figure BDA0003560861790000011
Figure BDA0003560861790000021
优选地，按重量份计，包括以下组分：
Figure BDA0003560861790000022
进一步地，所述硅灰石的长径比为(13-20)：1，所述硅灰石的长径比为(15-18)：1。硅灰石能够提高熔体挤出过程中的“挺度”,减少塌陷现象。但硅灰石的长径比会影响“挺度”。硅灰石在挤出过程中，随着熔体流动方向取向，提供流动方向的刚性，增强熔体强度，提高挤出异型材的挺度。长径比过小，硅灰石增强效果不明显，长径比过大，则硅灰石不易沿熔体流动方向取向，容易引起断条现象。
添加聚乙烯醇缩丁醛可以改善材料在贴近模头的层流区域的成膜性，降低制件表面的粗糙度；并且可以提高材料与玻璃纤维的结合力，使长纤维增强聚丙烯材料在挤出胀大的过程中，能够更有效地包裹向外穿刺的长玻璃纤维，减少制件浮纤现象并保证制件表面光滑外观。另外，添加聚乙烯醇缩丁醛和马来酸酐接枝POE还可以改善材料的韧性。
进一步地，所述聚丙烯的乙烯含量大于18wt％，优选聚丙烯的乙烯含量为21-24wt％。当聚丙烯的乙烯含量小于等于18wt％，聚丙烯冲击韧性低；当聚丙烯中乙烯处于21-24wt％时，材料的韧性好，材料冷却慢，有足够的时间可以包覆住长玻璃纤维，可以减少向外穿刺的长玻璃纤维，最终材料的外观越好。
进一步地，所述超高分子量聚乙烯的分子量大于150万。超高分子量聚乙烯在挤出过程中被拉挤成连续纤维结构，穿插于玻纤和树脂之间沿挤出制件径向取向，起到增强骨架的作用，尤其能够提高中间湍流区的熔体强度，实现高效连续生产。选择超高分子量聚乙烯的分子量大于150万，有利于增强熔体强度，帮助解决表面塌陷的问题。
进一步地，还包括0.6-2份的助剂。所述助剂为抗氧剂或润滑剂中的一种或两种。
所述抗氧剂为有机亚磷酸酯、烷基化的一元酚或者多元酚、多元酚和二烯的烷基化反应产物、对甲酚或者二环戊二烯的丁基化反应产物、烷基化的氢醌类、羟基化的硫代二苯基醚类、亚烷基-双酚、苄基化合物或多元醇酯类抗氧剂，优选地，所述抗氧剂为抗氧剂412S、抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168中的一种或多种。
所述润滑剂可为脂肪酸类润滑剂，所述的脂肪酸类润滑剂选自脂肪酸、脂肪酸衍生物或脂肪酸酯中的一种或多种。
本发明还提供上述长纤维增强聚丙烯材料的制备方法，包括如下步骤：
S1:按照配比称取各组分，将除长玻璃纤维以外的各组分预混合后，投入挤出机进行熔融塑化、均化，形成熔体，最后输送至浸渍模头；
S2：牵引设备牵引长玻璃纤维由浸渍模头经过，实现熔体对连续玻璃纤维的浸渍；
S3：将浸渍完成后得到的料条经冷却、定形和切粒，得到长纤维增强聚丙烯材料。
进一步地，所述挤出机为双螺杆挤出机，所述双螺杆挤出机温度为275-330℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为400-800r/min，所述步骤S1中的浸渍模头温度为320-350℃。
进一步地，所述步骤S2中，牵引设备的牵引速度为40-90m/min，切粒时切成6±3mm或10±3mm长度。
本发明还提供上述长纤维增强聚丙烯材料在挤出成型设计产品中的应用，如汽车空滤进气管、主动进气格栅叶片、办公桌装饰条等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种长纤维增强聚丙烯材料，聚乙烯醇缩丁醛用于减少浮纤、保证制件表面的外观光滑性。超高分子量聚乙烯在挤出过程中被拉挤成连续纤维结构，连续纤维结构起增强骨架的作用，提高中间湍流区的熔体强度，降低表面塌陷的程度，实现高效连续生产。硅灰石进一步提高熔体挤出过程中的“挺度”,减少塌陷现象。而聚乙烯醇缩丁醛和马来酸酐接枝POE可以改善材料韧性，提高制件韧性。另外，本发明提供的长纤维增强聚丙烯材料的挤出效率高，可适用于挤出成型。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
<实施例和对比例的制备>
本发明实施例和对比例所用的原材料包括但不限于以下材料：
聚丙烯：
聚丙烯A：乙烯含量约为19％，牌号PP 7033N，购自埃克森美孚；
聚丙烯B：乙烯含量约为10％，牌号BX3800，购自韩国SK；
聚丙烯C：乙烯含量约为21％，牌号EP548RQ，购自天津中沙。
聚丙烯D：乙烯含量为24％，牌号PP SP179，购自燕山石化。
本发明中通过红外光谱法测定聚丙烯中乙烯含量。
超高分子量聚乙烯A：分子量为750万，牌号UH981，购自日本旭化成；
超高分子量聚乙烯B：分子量为100万，牌号145M，购自三井化学；
聚乙烯醇缩丁醛：牌号TB-2，购自天元航材；
马来酸酐接枝POE：接枝率为0.5％，牌号N493，购自陶氏化学；
长玻璃纤维：牌号ER4301R-2400，购自重庆国际复合材料有限公司；
硅灰石A：长径比为13：1，牌号XYNFW-F50，购自新余市南方硅灰石有限公司；
硅灰石B：长径比为15：1，牌号XYNFW-F55，购自新余市南方硅灰石有限公司；
硅灰石C：长径比为18：1，牌号XYNFW-F60，购自新余市南方硅灰石有限公司；
硅灰石D：长径比为20：1，牌号XYNFW-F65，购自新余市南方硅灰石有限公司；
硅灰石E：长径比为3：1，牌号XYNFW-SA，购自新余市南方硅灰石有限公司；
硅灰石F：长径比25：1，牌号XYNFW-F70，购自新余市南方硅灰石有限公司；
抗氧剂：市售，并且实施例和对比例使用的为同种物质；
润滑剂：芥酸酰胺，市售，并且实施例和对比例使用的为同种物质。
本发明实施例和对比例的制备方法如下：
S1:按照配比称取各组分，将除长玻璃纤维以外的各组分预混合后，投入挤出机进行熔融塑化、均化，形成熔体，最后输送至浸渍模头；
S2：牵引设备牵引长玻璃纤维由浸渍模头经过，实现熔体对连续玻璃纤维的浸渍；
S3：将浸渍完成后得到的料条经冷却、定形和切粒，得到长纤维增强聚丙烯材料。
挤出机为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机温度为275-330℃，双螺杆挤出机的螺杆转速为500r/min，步骤S1中的浸渍模头温度为320-350℃。
步骤S2中，牵引设备的牵引速度为50m/min。
关于本说明书中“份”，除非特别说明，表示“重量份”。
<测试标准>
本发明各实施例和对比例的性能测试标准如下：
拉伸强度：在23℃条件下按照ISO527-2：2012标准测试样条的拉伸强度；
缺口冲击强度：在23℃条件下按ISO179-1：2010测试样条的缺口冲击强度；
落球冲击：按照标准PV3905，材料注塑2mm方板，使用500g铁球，40mm落球跌落冲击，观察是否有裂纹；
挤出性能：
(1)挤出过程中，固定挤出机转速200转/min和温度180℃，记录熔体自挤出机模头至自然垂落至地面的时间，记为T,T越高代表熔体强度越高。
(2)挤出过程中，固定挤出机转速200转/min、温度180℃和牵引速度0.8m/min，记录距离模头15cm内未定型的片材自然塌落距离，记为H，H越小，熔体“挺度”越好。
(3)挤出过程中，固定挤出机转速200转/min，温度180℃，记录可稳定挤出片材的最高牵引速度，记为V，V越快，挤出效率越高，材料越适合挤出成型。
外观：通过肉眼观察制件外观情况，如表面是否有玻璃纤维露出及表面是否光滑。制件表面无斑状玻纤聚集，难观察到银丝状取向浮纤为“优”；制件表面有轻微玻纤聚集，可观察到轻微银丝状取向浮纤为“良”；制件表面有明显斑状玻纤聚集，较易观察到明显银丝状取向浮纤为“差”。
表1.实施例1-10配方
Figure BDA0003560861790000071
Figure BDA0003560861790000081
表2.实施例11-21配方
Figure BDA0003560861790000082
Figure BDA0003560861790000091
表3.实施例1-10的性能测试结果
Figure BDA0003560861790000092
表4.实施例11-21的性能测试结果
Figure BDA0003560861790000093
Figure BDA0003560861790000101
表5.对比例1-8配方
Figure BDA0003560861790000102
Figure BDA0003560861790000111
表6.对比例1-8的性能测试结果
Figure BDA0003560861790000112
通过对组分进行合理搭配，合格的材料应当满足下列要求：拉伸强度≥80MPa，缺口冲击强度≥28KJ/m2，T≥40s，H为小于17mm，V≥1m/min；
进一步优选地，材料应当满足下列要求：拉伸强度≥110MPa，缺口冲击强度≥37KJ/m2，T≥50s，H为小于15mm，V≥2m/min。
对比例1与实施例7相比，对比例1没有添加聚乙烯醇缩丁醛，则挤出性能变差，且韧性变差，落球冲击试验后产生开裂现象，且材料的外观粗糙。
对比例2、3与实施例7相比，对比例2中聚乙烯醇缩丁醛的添加量超下限，导致对比例2的“挺度”下降，外观变差；对比例3中聚乙烯醇缩丁醛的添加量超上限，导致对比例3的“挺度”下降。
对比例4与实施例15相比，对比例4聚乙烯的乙烯含量低于18wt％，导致对比例4的缺口冲击强度变差，生产过程中出现断条现象。
对比例5与实施例18相比，对比例5中硅灰石的份数超下限，导致对比例5的拉伸强度变差、熔体强度变低以及挤出效率下降。
对比例6与实施例18相比，对比例6中硅灰石的份数超上限，导致对比例6的拉伸强度变差、熔体强度降低、挤出效率下降和外观粗糙度变差。
对比例7与实施例15相比，对比例7的超高分子量聚乙烯的数均分子量小于150万，对比例7的熔体强度变低、外观变差。
对比例8与实施例15相比，对比例8没有添加超高分子量聚乙烯，导致对比例8的熔体强度和“挺度”降低、外观差以及生产时出现断条现象，在挤出成型工艺中无法连续生产。
实施例22
将实施例1长纤维增强聚丙烯材料制成样条进行测试，结果为：拉伸强度为112MPa，缺口冲击强度为35KJ/m2，T为50s，H为14mm，V为2.2m/min，表面无浮纤且光滑。可见其不仅具有优秀的挤出性能，且外观、韧性好，因此可以认为，本发明提供的长纤维增强聚丙烯材料能够很好地应用于挤出成型的产品中。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种长纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：
Figure FDA0003560861780000011
2.根据权利要求1所述的长纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：
Figure FDA0003560861780000012
3.根据权利要求1或2所述的长纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述硅灰石的长径比为(13-20)：1，优选所述硅灰石的长径比为(15-18)：1。
4.根据权利要求1或2所述的长纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述聚丙烯的乙烯含量大于18wt％，优选聚丙烯的乙烯含量为21-24wt％。
5.根据权利要求1或2所述的长纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯的数均分子量大于150万。
6.根据权利要求1或2所述的长纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，还包括0.6-2份的助剂。
7.根据权利要求6所述的长纤维增强聚丙烯材料，其特征在于，所述助剂为抗氧剂或润滑剂中的一种或两种。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的长纤维增强聚丙烯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按照配比称取各组分，将除长玻璃纤维以外的各组分预混合后，投入挤出机进行熔融塑化、均化，形成熔体，最后输送至浸渍模头；
S2：牵引设备牵引长玻璃纤维经过浸渍模头，实现熔体对连续玻璃纤维的浸渍；
S3：将浸渍完成后得到的料条经冷却、定形和切粒，得到长纤维增强聚丙烯材料。
9.根据权利要求1-7任一项所述长纤维增强聚丙烯材料在挤出成型设计产品中的应用。
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