一種本體增強聚丙烯復合板材及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種本體增強聚丙烯復合板材及其生產(chǎn)方法。該方法包括：將若干層單向的本體增強聚丙烯帶按照0/90度依次疊加熱壓而得；其中單向的本體增強聚丙烯帶是由高強度的聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲、三層聚丙烯功能膜成組，聚丙烯纖維或扁絲經(jīng)過分散、整理，平鋪在三層聚丙烯功能膜表面，在適宜的溫度下經(jīng)熱壓復合而成。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明克服了本體增強聚丙烯對溫度控制的苛刻要求以及設備投資大的問題，生產(chǎn)出來的本體增強聚丙烯復合材料不僅具有極高的強度、模量和沖擊性能，而且重量輕、可回收利用，適合于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】一種本體增強聚丙烯復合板材及其生產(chǎn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種本體增強聚丙烯復合板材及其生產(chǎn)方法，屬于熱塑性復合材料領域。
【背景技術】
[0002]本體增強聚丙烯復合材料是一種由高定向性的聚丙烯纖維或扁絲和各向同性的聚丙烯基材組成的100%聚丙烯片材。國內外有關專家在對本體增強聚丙烯復合材料的性能進行研究后指出，本體增強聚丙烯復合材料片材的剛性和強度與GMT材料很接近(彈性模量均在5GPa左右)，但較GMT材料輕20%?30%。此外，與隨意纖維方向排布的GMT片材和NMT (天然纖維增強聚丙烯)片材不同的是，本體增強聚丙烯復合材料片材生產(chǎn)中使用的編織纖維結構使整個零件具有均勻一致的機械性能，可將加工零件的厚度進一步減薄20%?30%，這樣就可以使成品的總重量減輕50%左右。
[0003]本體增強聚丙烯復合板材的抗沖擊性能呈現(xiàn)出最大優(yōu)勢，由于其全聚丙烯結構的原因，材料具有高水平的破壞應力，其懸臂梁沖擊試驗的數(shù)據(jù)比GMT材料高出6倍以上，特別是在低溫下的抗沖擊性能更突出，_40°C下的低溫沖擊性能不僅沒有降低，甚至比常溫下還高出近2倍，此外，常溫下的拉伸強度比GMT材料也高出近2倍。
[0004]作為單一組份的聚合物材料，本體增強聚丙烯復合材料比GMT和NMT更具有環(huán)境友好性。本體增強聚丙烯復合材料制品不僅便于回收再利用，而且由于聚丙烯材料具有良好的耐老化性能，在回收利用時可使制品保持較好的機械性能。
[0005]當前公布的生產(chǎn)方法主要有以下兩種方式:
[0006]用聚丙烯高強絲或扁絲編織成布，將聚丙烯布在高精度的溫度和壓力的控制下，使聚丙烯高強絲或扁絲部分熔化粘結，未熔化的部分充當增強材料，這種方法對設備的要求較高，而且生產(chǎn)時需要較大的壓力，主要依靠高壓的方式，強制性的將聚丙烯壓合在一起，因為有部分纖維熔化，不能將聚丙烯高強絲或扁絲的增強效果發(fā)揮至最大，因此在應用上存在一些不可控因素。
[0007]利用“皮一芯”結構的高強聚丙烯纖維絲或扁絲編織成布，其中外層是熔點相對較低的聚丙烯，內層是熔點相對較高的聚丙烯，將上述織成的布，在一定的溫度和壓力下壓合成為復合材料。這種方式雖然解決了方法(I)中的問題，但是這種“皮一芯”結構的高強聚丙烯纖維絲或扁絲生產(chǎn)難度比較大，因為在纖維在牽伸時需加熱，很容易發(fā)生粘軌或斷絲現(xiàn)象，另外，這種結構的產(chǎn)品屬特殊結構，市場上沒有成熟的產(chǎn)品，需要進行較大的投資，一般企業(yè)無法進行操作。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種本體增強聚丙烯復合板材及其生產(chǎn)方法。
[0009]本發(fā)明提供了一種單向的本體增強的聚丙烯帶，由聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲與三層共擠的聚丙烯膜熱壓復合再成型而得。[0010]上述聚丙烯帶中，所述聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲的拉伸強度均為4N/teX-8N/teX，具體為 5N/tex、7N/tex、8N/tex、5-8N/tex、7_8N/tex 或 5_7N/tex ；
[0011]所述聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲是按照如下方法a或b制備而得:
[0012]所述方法a包括:
[0013]將聚丙烯成型為纖維狀，得到所述聚丙烯纖維；或者，
[0014]將聚丙烯成型為扁絲狀，得到所述聚丙烯扁絲；
[0015]所述方法b包括如下步驟:在所述a成型步驟之前，向體系中加入助劑和填料中的至少一種；
[0016]且所述聚丙烯、助劑和填料的質量比為100:0?10:0?40 ;所述助劑和填料的質量均不為O ;
[0017]其中，所述助劑選自抗氧劑、抗紫外劑、抗老化、成核劑和阻燃劑中的至少一種；
[0018]所述填料選自硬酯酸酯、硬酯酸鹽、馬來酸酐接枝聚丙烯、丙烯酸接枝聚丙烯、碳酸鈣、滑石粉、蒙脫土、氫氧化鎂和氫氧化鋁中的至少一種；
[0019]所述聚丙烯選自均聚聚丙烯、二元共聚聚丙烯、三元共聚聚丙烯、高熔體強度聚丙烯和改性聚丙烯中的至少一種。
[0020]上述聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲可直接購自常州市科泰塑業(yè)有限公司；
[0021]所述三層共擠的聚丙烯膜由下至上依次由三層材料組成；
[0022]其中，構成第一層和第三層的材料均為熔點為60?140°C的聚丙烯粘合劑，具體可為熔點78°C的聚丙烯低溫粘合劑TP-80，可購自威海萬合塑膠有限公司；第一層和第三層的厚度具體可為5 μ m ;
[0023]構成第二層的材料為熔點為136_170°C、熔融指數(shù)為0.5?30g/10min的聚丙烯材料；且構成所述第二層的材料的熔點與構成第一層和第三層的材料的熔點均相差20°C以上；所述熔點具體可為152-168°C ;熔融指數(shù)具體可為2-20g/10min ；
[0024]構成第二層的材料具體選自均聚聚丙烯、二元共聚聚丙烯、三元共聚聚丙烯、高熔體強度聚丙烯和改性聚丙烯中的至少一種；
[0025]具體可為熔點168°C、熔融指數(shù)是8g/10min(230°C，2.16Kg)的改性低收縮均聚丙烯T-170、熔點159°C、熔融指數(shù)是2g/10min(230°C，2.16Kg)的改性低收縮均聚丙烯T-160或熔點152°C、熔融指數(shù)是20g/10min(230°C，2.16Kg)的改性低收縮均聚丙烯T-150 ;上述材料均可購自威海萬合塑膠有限公司；
[0026]第二層的厚度具體可為15μπι ;
[0027]上述三層共擠的聚丙烯膜的制備方法為常規(guī)方法，如可采用三層共擠流涎膜生產(chǎn)線，分別在三只擠出機中分別三層材料，然后在擠出機中擠出得到第一層后依次在第一層上擠出得到第二層和第三層，從而得到三層共擠的聚丙烯膜。
[0028]所述熱壓復合步驟中，溫度為120?150°C，具體可為135?145°C、130?140°C或 120 ?130°C ；
[0029]時間為3-15s，具體為IOs ；
[0030]壓強為2-10MPa，具體為 2、4、8、2_8、4_8 或 2_4MPa。
[0031]本發(fā)明提供的制備上述單向的本體增強的聚丙烯帶的方法，包括如下步驟:將所述聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲與所述三層共擠的聚丙烯膜熱壓復合再成型，得到所述單向的本體增強的聚丙烯帶。
[0032]所述熱壓復合步驟中，溫度為120?150°C ;
[0033]時間為3-15s，具體為5s ；
[0034]壓強為2-10MPa，具體為 5MPa。
[0035]本發(fā)明還提供了一種聚丙烯復合板材，由若干層所述單向的本體增強的聚丙烯帶按照0/90度依次疊加熱壓而得。
[0036]上述板材中，所述0/90度依次疊加為將所述單向的本體增強的聚丙烯帶依次按照平行于聚丙烯帶中的纖維取向方向的方向和垂直與纖維取向方向的方向依次疊加，以使相鄰層中的纖維取向方向相互垂直。
[0037]熱壓步驟中，溫度為150_180°C，具體為 150°C、160°C、170°C ；
[0038]壓強為10_50MPa，具體為 15、30、40、15-40、30_40 或 15_30MPa ；
[0039]時間為0.5-10分鐘，具體為1、4、7、1-7、4_7或1-4分鐘。
[0040]所述單向的本體增強的聚丙烯帶的層數(shù)為2-80，具體為2-40，更具體為2_10。
[0041]所述聚丙烯復合板材的密度為0.75-0.8g/cm3,具體為0.78g/cm3>0.75-0.78g/cm3、0.78-0.8g/cm3 ；
[0042]拉伸模量為l_12GPa，具體為 1、5、12 或 1-5 或 5_12GPa ；
[0043]拉伸強度為120_310MPa，具體為 120、181、310、120-181 或 181_310MPa ；
[0044]斷裂伸長率為6-16%，具體為 6、11、16、6_11 或 11-16%。
[0045]本發(fā)明提供的制備所述聚丙烯復合板材的方法，包括如下步驟:將若干層所述單向本體增強的聚丙烯帶按照0/90度依次疊加熱壓而得；
[0046]所述方法中，0/90度依次疊加為將所述單向的本體增強的聚丙烯帶依次按照平行于聚丙烯帶中的纖維取向方向的方向和垂直與纖維取向方向的方向依次疊加，以使相鄰層中的纖維取向方向相互垂直。
[0047]所述熱壓步驟中，溫度為150_180°C，具體為160°C ；
[0048]壓強為10_50MPa，具體為 30MPa ；
[0049]時間為0.5-10分鐘，具體為3分鐘；
[0050]所述單向的本體增強的聚丙烯帶的層數(shù)為2-80，具體為2、10、40、2-40、10-40或2-10。
[0051]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0052](I)本發(fā)明獨創(chuàng)了一種三層共擠的聚丙烯功能膜，用于生產(chǎn)本體自增強的單向帶，通過0/90度疊加的方式，成功地解決了傳統(tǒng)自增強聚丙烯復合材料需要編織的問題；
[0053](2)三層共擠的聚丙烯功能膜中低熔點粘合劑的應用，即可增加自增強聚丙烯復合材料的加工溫度范圍，使設備的要求下降，同時又最大程度了保護了聚丙烯高強纖維或扁絲由于高溫造成的力學性能下降，使自增強聚丙烯復合材料的性能得到最大程度的發(fā)揮；
[0054](3)由于生產(chǎn)方法的改變，該工藝可使用普通的復合機、熱壓機等進行生產(chǎn)，設備要求精度低、生產(chǎn)投資小，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，最大程度的降低生產(chǎn)的投資成本和投資風險?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0055]圖1為實施例1所得單向的本體增強聚丙烯單向帶的俯視圖
[0056]其中，I是高強度聚丙烯纖維絲或扁絲，2為三層共擠的聚丙烯功能膜；
[0057]圖2是本體增強聚丙烯單向帶的截面圖
[0058]其中，I是高強度聚丙烯纖維或扁絲，3是低溫聚丙烯，4是高熔點聚丙烯，3/4/3共同組成了 2三層共擠的聚丙烯功能膜；
[0059]圖3是2層本體增強聚丙烯單向帶0/90度疊加示意圖
[0060]其中，5是縱向O度本體增強聚丙烯單向帶，6是橫向90度本體增強聚丙烯單向帶。
【具體實施方式】
[0061]下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。
[0062]實施例1
[0063]本體增強聚丙烯復合板材的生產(chǎn)步驟如下:
[0064]I)制備三層共擠的聚丙烯膜:
[0065]采用三層共擠流涎膜生產(chǎn)線，分別在三只擠出機中分別加入如下三層材料，然后在擠出機中擠出得到第一層后依次在第一層上擠出得到第二層和第三層，從而得到三層共擠的聚丙烯膜:
[0066]其中，構成第一層的材料為熔點78°C的聚丙烯低溫粘合劑TP-80，購自威海萬合塑膠有限公司；該層厚度為5 μ m ;
[0067]構成第二層的材料為熔點168°C、熔融指數(shù)是8g/10min(230°C，2.16Kg)的改性低收縮均聚丙烯T-170，購自威海萬合塑膠有限公司；該層厚度為15μπι;
[0068]構成第三層的材料為熔點為78°C的聚丙烯低溫粘合劑TP-80 ;該層厚度為5 μ m ;
[0069]2)制備單向的本體增強聚丙烯帶:
[0070]將拉伸強度為5N/tex的聚丙烯扁絲(購自常州市科泰塑業(yè)有限公司)，經(jīng)過整經(jīng)機整理、分散在整經(jīng)輥上后，與步驟I)所得三層共擠的聚丙烯膜經(jīng)復合機進行熱壓復合，溫度為120?130°C，壓強為4MPa，熱壓復合的時間為10s，得到單向的本體增強聚丙烯帶。
[0071]該單向的本體增強聚丙烯帶的俯視圖如圖1所示。其中，I是拉伸強度為5N/tex的聚丙烯扁絲，2為三層共擠的聚丙烯膜；
[0072]圖2是截面圖；其中，I是拉伸強度為5N/tex的聚丙烯扁絲，3是熔點78°C的聚丙烯，4是熔點168°C、熔融指數(shù)是8g/10min(230°C，2.16Kg)的改性低收縮均聚丙烯，3/4/3共同組成了三層共擠的聚丙烯膜2。
[0073]實施例2、制備聚丙烯復合板材
[0074]將2層實施例1所得單向的本體增強聚丙烯帶按0/90度疊加熱壓，熱壓的溫度150°C，壓強為15MPa，熱壓時間為I分鐘，然后冷壓定型，得到本發(fā)明提供的聚丙烯復合板材。
[0075]圖3是該實施例所得2層單向本體增強聚丙烯單向帶0/90度疊加示意圖；其中，5是縱向O度本體增強聚丙烯單向帶，6是橫向90度本體增強聚丙烯單向帶。[0076]該實施例所得聚丙烯復合板材的密度為0.75g/cm3,按照GB/T1402-2006用電子萬能試驗機測試材料的拉伸性能，試驗速度為50mm/min,最終結果為5次測試結果的平均值，測試結果如下:拉伸模量lGPa，拉伸強度120MPa，斷裂伸長率16%。
[0077]實施例3
[0078]按照實施例1的步驟，僅將步驟I)中構成第二層的材料替換為如下材料:熔點159°C、熔融指數(shù)是2g/10min(230°C，2.16Kg)的改性低收縮均聚丙烯T-160，購自威海萬合塑膠有限公司生產(chǎn)；
[0079]將步驟2)中所用拉伸強度為5N/tex的聚丙烯扁絲(購自常州市科泰塑業(yè)有限公司)替換為拉伸強度為7N/tex的聚丙烯扁絲(購自常州市科泰塑業(yè)有限公司)，熱壓復合的溫度替換為130?140°C，壓強替換為2MPa，得到單向的本體增強聚丙烯帶。
[0080]實施例4
[0081]按照實施例2的步驟，僅將2層實施例1所得單向的本體增強聚丙烯帶替換為10層實施例3所得單向的本體增強聚丙烯帶，同時將熱壓的溫度替換為160°C，壓強替換為30MPa,時間為4分鐘，得到本發(fā)明提供的聚丙烯復合板材。
[0082]該實施例所得聚丙烯復合板材的密度為0.8g/cm3,按照GB/T1402-2006用電子萬能試驗機測試材料的拉伸性能，試驗速度為50mm/min,最終結果為5次測試結果的平均值，測試結果如下:拉伸模量5GPa，拉伸強度181MPa，斷裂伸長率11%。
[0083]實施例5
[0084]按照實施例1的步驟，僅將步驟I)中構成第二層的材料替換為如下材料:熔點152°C、熔融指數(shù)是20g/10min(230°C，2.16Kg)的改性低收縮均聚丙烯T-150，購自威海萬合塑膠有限公司；
[0085]將步驟2)中所用拉伸強度為5N/tex的聚丙烯扁絲(購自常州市科泰塑業(yè)有限公司)替換為拉伸強度為8N/tex的聚丙烯扁絲(購自常州市科泰塑業(yè)有限公司)，熱壓復合的溫度替換為135?145°C，壓強替換為8MPa，得到單向的本體增強聚丙烯帶。
[0086]實施例6
[0087]按照實施例2的步驟，僅將2層實施例1所得單向的本體增強聚丙烯帶替換為40層實施例5所得單向的本體增強聚丙烯帶，同時將熱壓的溫度替換為170°C，壓強替換為40MPa,時間為7分鐘，得到本發(fā)明提供的聚丙烯復合板材。
[0088]該實施例所得聚丙烯復合板材的密度為0.78g/cm3。按照GB/T1402-2006用電子萬能試驗機測試材料的拉伸性能，試驗速度為50mm/min,最終結果為5次測試結果的平均值，測試結果如下:拉伸模量12GPa，拉伸強度310MPa，斷裂伸長率6%。
【權利要求】
1.一種單向的本體增強的聚丙烯帶，由聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲與三層共擠的聚丙烯膜熱壓復合再成型而得。
2.根據(jù)權利要求1所述的聚丙烯帶，其特征在于:所述聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲的拉伸強度均為4N/tex_8N/tex ； 所述三層共擠的聚丙烯膜由下至上依次由三層材料組成； 其中，構成第一層和第三層的材料均為熔點為60?140°C的聚丙烯粘合劑； 構成第二層的材料為熔點為136-170°C、熔融指數(shù)為0.5?30g/10min的聚丙烯材料；且構成所述第二層的材料的熔點與構成第一層和第三層的材料的熔點均相差20°C以上；構成第二層的材料具體選自均聚聚丙烯、二元共聚聚丙烯、三元共聚聚丙烯、高熔體強度聚丙烯和改性聚丙烯中的至少一種。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的聚丙烯帶，其特征在于:所述熱壓復合步驟中，溫度為120 ?150°C ； 時間為3-15s，具體為IOs ； 壓強為2-10MPa，具體為2-8MPa。
4.一種制備權利要求1-3任一所述單向的本體增強的聚丙烯帶的方法，包括如下步驟:將所述聚丙烯纖維或聚丙烯扁絲與所述三層共擠的聚丙烯膜熱壓復合再成型，得到所述單向的本體增強的聚丙烯帶。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于:所述熱壓復合步驟中，溫度為120?150。。； 時間為3-15s，具體為5s ； 壓強為2-10MPa，具體為5MPa。
6.一種聚丙烯復合板材，由若干層權利要求1-3任一所述單向的本體增強的聚丙烯帶按照0/90度依次疊加熱壓而得。
7.根據(jù)權利要求6所述的板材，其特征在于:所述熱壓步驟中，溫度為150-180°C，具體為 160 0C -170。。； 壓強為10-50MPa，具體為30-40MPa ； 時間為0.5-10分鐘，具體為3-7分鐘； 所述聚丙烯復合板材的密度為0.75-0.8g/cm3,拉伸模量為l_12GPa，拉伸強度為120-310MPa,斷裂伸長率為6_16%。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的板材，其特征在于:所述單向的本體增強的聚丙烯帶的層數(shù)為2-80,具體為2-40,更具體為10。
9.一種制備權利要求6-8任一所述聚丙烯復合板材的方法，包括如下步驟:將若干層權利要求1-3任一所述單向本體增強的聚丙烯帶按照0/90度依次疊加熱壓而得； 所述熱壓步驟中，溫度為150-180°C，具體為160°C ； 壓強為10-50MPa，具體為30MPa ； 時間為0.5-10分鐘，具體為3分鐘。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于:所述單向的本體增強的聚丙烯帶的層數(shù)為2-80，具體為2-40，更具體為10。
【文檔編號】B32B7/12GK103707583SQ201310726457
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權日:2013年12月25日
【發(fā)明者】陳雅君, 楊春壯 申請人:北京工商大學